基于NB-IoT的農村道路智能監測系統

文｜蘭州朗青交通科技有限公司 于麗麗 王剛

進十年來農村公路建設成績斐然，為改善農民生產生活條件做出了重要貢獻，但是管理和養護仍是“四好農村路”發展的短板和難點，存在技術指導體系不完善，管理養護技術支持需要加強，機械化、信息化程度低，質量效率亟待提升問題。針對以上問題，目前高速公路和國省干線配備了供配電及電力監控系統、通信系統和監控系統，其中，電力監控系統通過傳感設備，攝像頭及電子卡口等終端設備采集數據，通信系統通過4G、金屬纜和光纜等實現語音、圖像信息、監控數據和管理數據從設備終端到上層應用系統之間的上行和下行。 但是在路段相對偏遠地區的三、四級公路或農村公路，因電纜敷設成本昂貴等問題其電力監控系統安裝困難。對于這些道路的監管主要通過人工進行巡檢和管理，其自動化水平和管理效率較低。NB-IoT是一種典型的專用低功耗廣域網（LPWAN），其通信范圍可達數公里至數十公里，電池壽命達到10年及以上。相較于提供廣域覆蓋的蜂窩網絡，其終端設備的復雜性、成本、功耗要求都比較低。本文借助高速公路和國省干線的管理模式，結合農村公路管養面臨的實際問題，建設提出基于NB-IoT的農村道路智能監測系統，實現大區域、低成本的農村公路的道路監管。

圖 1 基于NB-IoT的農村道路智能監測系統總體架構

一、項目介紹

基于NB-IoT的農村道路智能監測系統采用專用低功耗廣域網，解決目前農村公路區域面積大，道路里程長和管養經費較低的監測、管養問題難的問題。總體來看，本系統終端的數據采集和監管設備需要低功耗，系統的采集，搭建統一的數據平臺和統一的道路資產管理模式。基于NB-IoT的農村道路智能監測系統總體架構如圖1所示。

二、系統設計方案

（1）系統原理

基于NB-IoT的農村道路智能監測系統基于低功耗廣域網技術，采用無線傳感采集+低功耗廣域網傳輸+云端平臺計算的方式實現了遠距離、終端不能供電情況下的農村公路的數據采集、數據匯聚和數據建模的監管模式。系統由負責進行道路狀況數據采集的終端設備和傳輸模塊，全國覆蓋的物聯網網絡和進行數據存儲和業務服務的云平臺資源構成，其系統運行示意圖如圖2所示

LPWAN有兩個特點：即低功耗和廣域覆蓋，即在低功耗的情況下，實現長距離通信的無線技術，遠距離通信能力可支持大規模物聯網部署，低功耗可避免經常更換電池，降低維護成本。其中NB-IoT是主要的LPWAN技術，NB-IoT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用授權頻段，與現有網絡共存，能夠直接部署在2/3/4G的網絡上，實現現有網絡的復用，降低部署成本，實現平滑升級。數據采集后可直接上傳到云端，不需要通過網關，簡化了現場部署。

基于NB-IoT的農村道路智能監測系統通過在監管路段的不同位置安裝實現不同功能傳感器進行監控數據采集，利用NBIoT技術實現采集數據的回傳并在管理平臺中對不同場景下的數據進行建模和數據呈現，從而實現偏遠路段的道路資產監管。

（2）支撐技術

充分借鑒國內外無線傳感技術、分布式計算技術和數據建模技術，搭建基于NBIoT的農村道路智能監測系統。平臺承載數據的存儲、計算等管理工作，并實現不同的接口API和管理界面，為不同的應用者提供管理入口。

（3）架構設計

終端設備通過NB-IoT網絡接入NBIoT聯結管理平臺，根據設備類型，選擇物聯網平臺，使用NB-IoT聯結管理平臺作為連接業務應用和設備的中間層，屏蔽了各種復雜的設備接口，實現設備的快速接入；同時業務平臺利用物聯網平臺提供強大的開放能力構建業務應用。

（4）數據字典設計

數據字典是描述數據的信息集合，是對系統中使用的所有數據元素定義的集合。數據字典設計工作即分析用戶和系統交互的對象屬性，及對象與其他對象之間的關系，并對數據管理平臺中業務數據的數據項、數據結構、數據流、數據存儲、處理邏輯等進行定義和描述，對數據流程圖中的各個元素做出詳細的說明。

（5）API設計

API 設計是指開發應用程序編程接口（API）的過程，該接口可公開數據和應用程序功能以供開發人員和用戶使用。基于NB-IoT的農村道路智能監測系統考慮道路不同業務場景結合API的數據格式、方法結構、數據模型和身份驗證等多個層面對平臺的API進行設計，并形成接口文檔。

（6）UI設計

圖 2 基于NB-IoT的農村道路智能監測系統運行示意圖

UI是指人與信息交互的媒介，它是信息產品的功能載體和典型特征，其次UI是指信息的采集與反饋、輸入與輸出，這是基于界面而產生的人與產品之間的交互行為，本系統的UI設計根據數據采集系統面對用戶，綜合考慮UI的簡易性、一致性和用戶操作習慣，為平臺進行操作界面的設計 。

三、應用實例

結合NB-IoT數據采集的數據，結合不同的農村公路運行場景進行建模，對車輛通行數據、周圍地質狀況等數據進行建模，為道路管養措施提供依據。

（1）場景選擇：選在數據采集里面比較有代表性的場景，進行技術狀況監測的橋梁、關鍵路段和道路邊坡。

（2）試點選擇：選因供電成本較高無法供電的農村公路且滿足以上場景的試點。

（3）終端設備安裝：在選擇的試點中植入若干個不同種類的傳感設備，利用低功耗廣域網等技術無線傳輸監測數據并發送數據至NB-IoT聯結管理平臺進行儲存、處理與分析。

（4）業務平臺處理：業務平臺處理、分析NB-IoT聯結管理平臺中儲存數據，并對不同場景的數據建模，并根據分析結果及時采取應對措施并對模型數據進行修正。

四、結論

此項目以NB-IoT技術為主要技術落腳點，將物聯網通信技術、無線傳感技術和數據建模技術運用于公路工程的數據采集、傳輸和分析工作中，搭建基于NB-IoT的農村道路智能監測系統，實現農村道路建管養運不同階段、不同維度、不同場景的技術狀況的數據采集傳輸，并建立起不同場景下的運營數據模型，為農村道路的建設、養護管理提供參考模型，為智慧公路的建設積累了信息化經驗。