窄帶物聯(lián)網(wǎng)交通安全設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

□文/趙 林

公路上不規(guī)則分布著的大大小小的交通安全設(shè)施，對(duì)道路交通安全起著巨大作用，由于各類交通安全設(shè)施分布廣、數(shù)量多、監(jiān)測(cè)繁瑣，一直以來都是設(shè)施巡查工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。設(shè)施出現(xiàn)損壞后，大大降低了警示、保護(hù)效果，給駕駛者的安全行駛帶來隱患，甚至可能會(huì)引起交通事故，威脅公共生命財(cái)產(chǎn)安全。

盡管我國(guó)很早就頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］對(duì)設(shè)施的養(yǎng)護(hù)提出了明確的要求，規(guī)定了設(shè)施檢查的周期以及部分檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；但由于設(shè)施巡查常常采用工作人員攜帶設(shè)備沿公路進(jìn)行巡視的方式，受交通狀況、天氣以及人員配置等因素影響，存在設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)滯后、不準(zhǔn)確的情況。

隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，近幾年來窄帶物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支[2～3]，能夠滿足數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔長(zhǎng)、文本信息數(shù)據(jù)量小、占用帶寬低的應(yīng)用場(chǎng)景，可以成為交通安全設(shè)施智能監(jiān)控的核心網(wǎng)絡(luò)。基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的智能交通安全設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)，是將其與交通安全設(shè)施監(jiān)控相結(jié)合，利用其范圍廣、成本低、抗干擾能力強(qiáng)和傳輸數(shù)據(jù)功耗低的技術(shù)特點(diǎn)，與傳統(tǒng)交通安全設(shè)施養(yǎng)護(hù)需求相匹配，擴(kuò)展智能監(jiān)控系統(tǒng)的部署應(yīng)用空間和應(yīng)用條件，推動(dòng)智能交通安全設(shè)施管理系統(tǒng)數(shù)字化、智能化進(jìn)程，讓交通安全設(shè)施管理效率得到明顯提高。

1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)

1.1 概述

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要構(gòu)成，建立在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，只需要耗費(fèi)180 kHz 帶寬，在GSM 網(wǎng)、LTE網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行部署，可以減少部署成本，完成平滑升級(jí)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)智慧系統(tǒng)需要從感知層NB網(wǎng)絡(luò)接入到數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)，再到PAAS 抽取，最后服務(wù)上層的SaaS行業(yè)垂直應(yīng)用，可以滿足交通安全監(jiān)控領(lǐng)域廣連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰猍4～5]。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來源于FDD-LTE技術(shù)，通過升級(jí)部署和組網(wǎng)部署實(shí)現(xiàn)基站部署。部署方式有三種：帶內(nèi)部署、單獨(dú)部署以及保護(hù)帶部署。從目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)看窄帶物聯(lián)網(wǎng)與LTE的混合部署將會(huì)成為主流。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）低功耗、低成本。設(shè)備功耗較低，芯片在節(jié)能模式只需要15 μW即可平穩(wěn)運(yùn)行，相比于使用GPRS，發(fā)送功率可以降低90%，同時(shí)由于其在空口信令上的簡(jiǎn)化，傳輸效率可以進(jìn)一步降低。不需要重新建構(gòu)基站，依靠原有設(shè)備就可以快速部署，使用芯片成本低，對(duì)于大面積監(jiān)控和零散分布監(jiān)控具有極大優(yōu)勢(shì)[6～7]。

2）覆蓋廣且容量大。從目前交通安全設(shè)施的分布情況可以看出，每條道路位置均有大量交通安全設(shè)施，如果做到大覆蓋甚至是全覆蓋監(jiān)測(cè)、預(yù)警并準(zhǔn)確感知，使用TD-LTE、FDD-LTE 難以滿足巨量設(shè)備接入且成本劇增。窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有更大的覆蓋范圍、覆蓋深度，相比于GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋加強(qiáng)了20 dB+，可以實(shí)現(xiàn)一定遮擋情況下的穿透。

2 智能交通安全設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能交通安全設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用云平臺(tái)，實(shí)時(shí)展示多種交通安全設(shè)施實(shí)時(shí)信息，可以對(duì)廣分布的遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和異常情況報(bào)警。匯集信息在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，給出交通安全設(shè)施的養(yǎng)護(hù)建議，改進(jìn)了目前交通安全設(shè)施的養(yǎng)護(hù)方式和測(cè)量數(shù)據(jù)獲取方法。見圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框架

交通安全設(shè)施智能監(jiān)控系統(tǒng)分成處理中心、感知層、通訊層3部分。監(jiān)控中心包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，即轄區(qū)內(nèi)全部交通安全設(shè)施的數(shù)字化信息，在安裝了智能傳感器的交通安全設(shè)施上，還可以顯示實(shí)時(shí)更新狀態(tài)信息，使用多種終端設(shè)備都可以完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的查詢和控制。感知層實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)反饋給云平臺(tái)并逐步推送給處理中心。通訊層利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)以及4G 網(wǎng)絡(luò)，在廣覆蓋、低功率端使用窄帶網(wǎng)絡(luò)，在人機(jī)交互端采用高速、低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，在不同需求下，采用運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商的多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 功能概述

傳感器組是根據(jù)不同交通安全設(shè)施特點(diǎn)，在不同位置由不同傳感器組成的聯(lián)合體。由安裝于交通安全設(shè)施上的各類傳感器組采集交通安全設(shè)施的地理坐標(biāo)位置、姿態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)。上傳至華為的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，之后推送至云服務(wù)器端。結(jié)合當(dāng)前交通安全設(shè)施運(yùn)行情況和養(yǎng)護(hù)要求，制定對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型搭建數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分析方式上不同種類交通安全設(shè)施要有不同的計(jì)算模型和算法，最終由不同設(shè)備端展示給用戶。無論用戶在何處，只要通過電腦端或手機(jī)登錄云平臺(tái)就可以實(shí)時(shí)查看所有交通安全設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。

軟件設(shè)計(jì)上力求人性化，對(duì)于交通安全設(shè)施信息的查詢結(jié)果一目了然，不同交通安全設(shè)施采用不同的計(jì)算模型，例如：安裝在標(biāo)識(shí)牌上的傳感器，根據(jù)安裝位置的不同優(yōu)化標(biāo)識(shí)牌受損估計(jì)模型，通過試驗(yàn)探究受損程度與傳感器加速度、角度變化之間的關(guān)系。安裝在護(hù)欄上的傳感器，由于關(guān)聯(lián)受力的特點(diǎn)，會(huì)根據(jù)多個(gè)傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，從而判定損壞點(diǎn)和損壞程度。對(duì)于環(huán)境的干擾在算法上也進(jìn)行了探究，從而避免了風(fēng)力和車輛振動(dòng)作用域傳感器帶來的誤報(bào)影響。同時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置與數(shù)據(jù)庫，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。移動(dòng)端與電腦端平臺(tái)效果見圖2。

圖2 軟件效果

3 工程案例

應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的標(biāo)識(shí)牌進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在天津津漢公路的重點(diǎn)標(biāo)識(shí)牌上安裝了200 套監(jiān)測(cè)設(shè)備。根據(jù)路段實(shí)際情況，在具體施工策略上對(duì)不同大小的標(biāo)識(shí)牌安裝位置和個(gè)數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，大型標(biāo)識(shí)牌在板面以及桿件均安裝傳感裝置，用于更精確監(jiān)測(cè)標(biāo)識(shí)牌的整體狀態(tài)，稍小的標(biāo)識(shí)牌僅在板面安裝傳感裝置就可以完成上述功能。在安裝設(shè)計(jì)上，考慮到后期更換等原因，采用了磁吸式設(shè)計(jì)，既保證了傳感裝置的固定要求，又方便更換。見圖3。

圖3 智能傳感器

從效果來看，每套設(shè)備都可以在固定時(shí)間回傳標(biāo)識(shí)牌狀態(tài)信息，在突發(fā)狀況發(fā)生的很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行報(bào)警。按照每周對(duì)普通公路進(jìn)行一次巡查并匯總上報(bào)來看，對(duì)于標(biāo)識(shí)牌監(jiān)測(cè)的時(shí)效性平均提高萬倍以上。

4 結(jié)語

窄帶物聯(lián)網(wǎng)交通安全設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將快速發(fā)展的前沿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)交通設(shè)施的應(yīng)用需求相結(jié)合，運(yùn)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端交通安全設(shè)施的監(jiān)控、科學(xué)測(cè)量以及智能分析等工作。該系統(tǒng)在重點(diǎn)交通安全設(shè)施上進(jìn)行了示范建設(shè)，效果良好，在交通安全設(shè)施監(jiān)控領(lǐng)域具有重要的推廣使用意義。隨著各種新技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，交通智能化甚至智慧化越來越強(qiáng)調(diào)各部分協(xié)調(diào)統(tǒng)一、智能聯(lián)動(dòng)，要形成設(shè)施互聯(lián)互動(dòng)的智能交通安全設(shè)施，單個(gè)設(shè)施智能化是前提，在未來交通安全領(lǐng)域發(fā)展的過程中，對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求會(huì)越來越多[8～10]，目前進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)積累并進(jìn)行應(yīng)用，可以為不同交通設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)通訊打下基礎(chǔ)。