窄帶物聯網交通安全設施監控系統應用研究

□文/趙 林

公路上不規則分布著的大大小小的交通安全設施，對道路交通安全起著巨大作用，由于各類交通安全設施分布廣、數量多、監測繁瑣，一直以來都是設施巡查工作的重點和難點。設施出現損壞后，大大降低了警示、保護效果，給駕駛者的安全行駛帶來隱患，甚至可能會引起交通事故，威脅公共生命財產安全。

盡管我國很早就頒布了行業標準［1］對設施的養護提出了明確的要求，規定了設施檢查的周期以及部分檢測標準；但由于設施巡查常常采用工作人員攜帶設備沿公路進行巡視的方式，受交通狀況、天氣以及人員配置等因素影響，存在設施運行狀態監測滯后、不準確的情況。

隨著通訊技術的不斷發展，近幾年來窄帶物聯網已經成為萬物互聯網絡的一個重要分支[2～3]，能夠滿足數據上傳時間間隔長、文本信息數據量小、占用帶寬低的應用場景，可以成為交通安全設施智能監控的核心網絡。基于窄帶物聯網絡的智能交通安全設施監控系統，是將其與交通安全設施監控相結合，利用其范圍廣、成本低、抗干擾能力強和傳輸數據功耗低的技術特點，與傳統交通安全設施養護需求相匹配，擴展智能監控系統的部署應用空間和應用條件，推動智能交通安全設施管理系統數字化、智能化進程，讓交通安全設施管理效率得到明顯提高。

1 窄帶物聯網

1.1 概述

窄帶物聯網是物聯網的重要構成，建立在蜂窩網絡基礎上，只需要耗費180 kHz 帶寬，在GSM 網、LTE網基礎上進行部署，可以減少部署成本，完成平滑升級。窄帶物聯網智慧系統需要從感知層NB網絡接入到數據匯聚平臺，再到PAAS 抽取，最后服務上層的SaaS行業垂直應用，可以滿足交通安全監控領域廣連接數據傳輸的需要[4～5]。

窄帶物聯網技術來源于FDD-LTE技術，通過升級部署和組網部署實現基站部署。部署方式有三種：帶內部署、單獨部署以及保護帶部署。從目前產業發展趨勢看窄帶物聯網與LTE的混合部署將會成為主流。

1.2 技術優勢

1）低功耗、低成本。設備功耗較低，芯片在節能模式只需要15 μW即可平穩運行，相比于使用GPRS，發送功率可以降低90%，同時由于其在空口信令上的簡化，傳輸效率可以進一步降低。不需要重新建構基站，依靠原有設備就可以快速部署，使用芯片成本低，對于大面積監控和零散分布監控具有極大優勢[6～7]。

2）覆蓋廣且容量大。從目前交通安全設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施，如果做到大覆蓋甚至是全覆蓋監測、預警并準確感知，使用TD-LTE、FDD-LTE 難以滿足巨量設備接入且成本劇增。窄帶物聯網具有更大的覆蓋范圍、覆蓋深度，相比于GPRS網絡覆蓋加強了20 dB+，可以實現一定遮擋情況下的穿透。

2 智能交通安全設施監測系統

2.1 總體結構

基于窄帶物聯網的智能交通安全設施監測系統，采用窄帶物聯網技術，利用云平臺，實時展示多種交通安全設施實時信息，可以對廣分布的遠端設備進行檢測和異常情況報警。匯集信息在后臺進行數據分析，給出交通安全設施的養護建議，改進了目前交通安全設施的養護方式和測量數據獲取方法。見圖1。

圖1 總體結構框架

交通安全設施智能監控系統分成處理中心、感知層、通訊層3部分。監控中心包括基礎數據庫，即轄區內全部交通安全設施的數字化信息，在安裝了智能傳感器的交通安全設施上，還可以顯示實時更新狀態信息，使用多種終端設備都可以完成對整個系統的查詢和控制。感知層實時收集數據信息，將數據反饋給云平臺并逐步推送給處理中心。通訊層利用窄帶物聯網以及4G 網絡，在廣覆蓋、低功率端使用窄帶網絡，在人機交互端采用高速、低延時網絡，在不同需求下，采用運營商和服務提供商的多種網絡服務進行數據傳輸。

2.2 功能概述

傳感器組是根據不同交通安全設施特點，在不同位置由不同傳感器組成的聯合體。由安裝于交通安全設施上的各類傳感器組采集交通安全設施的地理坐標位置、姿態以及運行狀態。上傳至華為的物聯網云平臺，之后推送至云服務器端。結合當前交通安全設施運行情況和養護要求，制定對象數據結構和數據類型搭建數據庫。數據分析方式上不同種類交通安全設施要有不同的計算模型和算法，最終由不同設備端展示給用戶。無論用戶在何處，只要通過電腦端或手機登錄云平臺就可以實時查看所有交通安全設施的運行狀態。

軟件設計上力求人性化，對于交通安全設施信息的查詢結果一目了然，不同交通安全設施采用不同的計算模型，例如：安裝在標識牌上的傳感器，根據安裝位置的不同優化標識牌受損估計模型，通過試驗探究受損程度與傳感器加速度、角度變化之間的關系。安裝在護欄上的傳感器，由于關聯受力的特點，會根據多個傳感器傳回的數據進行聯合分析，從而判定損壞點和損壞程度。對于環境的干擾在算法上也進行了探究，從而避免了風力和車輛振動作用域傳感器帶來的誤報影響。同時優化網絡配置與數據庫，使整個系統協調統一。移動端與電腦端平臺效果見圖2。

圖2 軟件效果

3 工程案例

應用窄帶物聯網技術對重點地區的標識牌進行監測，在天津津漢公路的重點標識牌上安裝了200 套監測設備。根據路段實際情況，在具體施工策略上對不同大小的標識牌安裝位置和個數進行了調整，大型標識牌在板面以及桿件均安裝傳感裝置，用于更精確監測標識牌的整體狀態，稍小的標識牌僅在板面安裝傳感裝置就可以完成上述功能。在安裝設計上，考慮到后期更換等原因，采用了磁吸式設計，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，每套設備都可以在固定時間回傳標識牌狀態信息，在突發狀況發生的很短時間內進行報警。按照每周對普通公路進行一次巡查并匯總上報來看，對于標識牌監測的時效性平均提高萬倍以上。

4 結語

窄帶物聯網交通安全設施監測系統將快速發展的前沿物聯網技術與傳統交通設施的應用需求相結合，運用窄帶物聯網大容量、廣覆蓋、低成本、低功耗的特點，實現遠端交通安全設施的監控、科學測量以及智能分析等工作。該系統在重點交通安全設施上進行了示范建設，效果良好，在交通安全設施監控領域具有重要的推廣使用意義。隨著各種新技術的不斷發展，特別是自動駕駛技術的不斷發展，交通智能化甚至智慧化越來越強調各部分協調統一、智能聯動，要形成設施互聯互動的智能交通安全設施，單個設施智能化是前提，在未來交通安全領域發展的過程中，對窄帶物聯網技術的需求會越來越多[8～10]，目前進行必要的數據積累并進行應用，可以為不同交通設施之間實現通訊打下基礎。