特殊天氣下長大下坡路段智慧安全出行系統研究

李靖、覃勤、侯效偉

（云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

我國《交通強國建設綱要》明確了“科技創新富有活力、智慧引領”的戰略思想。特別指出要大力發展智慧交通，推動大數據、互聯網與交通行業的深度融合。為了研究信息技術在交通領域的應用，許多專家學者開展了相關研究并取得了一定的研究成果。范中華[1]進行了高速公路智慧出行平臺需求分析和可行性分析，提出了云平臺的部署方式。張云[2]以云南省“智慧高速”建設發展為研究對象，設計了一套“智慧高速”建設發展方案，并詳細闡述了各模塊的具體建設方法和目標。黃宇、王妍穎[3]等提出了可持續發展的智慧交通總體架構建設思路，闡述了1+4+NX 的總體架構建設內容。然而，目前對于特殊天氣下長大下坡路段智慧安全出行系統的研究還相對較少。物聯網作為新一代信息技術的重要組成部分，能夠把“物”與“網”連接，從而進行信息交換和通信，以此實現對“物”的智能化應用和管理。基于此，文章從安全角度出發，對該系統進行研究，提出將特殊天氣監測、安全風險評估、安全出行相結合，實現信息提供、出行指導一體化管理，以期提高長大下坡路段的行車安全。

1 物聯網及智慧出行定義

物聯網顧名思義為物物相連，物聯網始于互聯網（Internet），又不同于互聯網。互聯網又稱國際網絡，是網絡與網絡之間采用有線連接的方式串聯成網絡系統，其溝通途徑是電腦等智能信息終端。物聯網是在互聯網基礎上，通過無線的形式將萬事萬物與信息系統相連接，進而通過網絡實現對所連物體的控制和應用。

智慧出行是在整個交通運輸領域充分利用物聯網、空間感知、云計算、移動互聯網等新一代信息技術，同時綜合運用交通科學、系統方法、人工智能、知識挖掘等理論與工具，以全面感知、深度融合、主動服務、科學決策為目標，通過建設實時的動態信息服務體系，深度挖掘交通運輸相關數據，形成問題分析模型，實現行業資源配置優化能力、公共決策能力、行業管理能力、公眾服務能力的提升，推動交通運輸更安全、更高效、更便捷、更經濟、更環保、更舒適地運行和發展，最終帶動交通運輸及相關產業轉型、升級。

2 需求分析

2.1 用戶需求

公路是公共基礎設施，相關各方包括主管部門、運營部門及使用者等。所以，特殊天氣下長大下坡路段智慧安全出行系統的設計和建設，要充分考慮各方需求。

第一，主管部門。主管部門的主要職能是制訂公路服務的相關準則，實施行為管理。其中包括制訂規章制度、準入、運行和退出標準，以及實施道路通行管制等。因此，其對系統的需求主要為及時、準確掌握長大下坡路段特殊天氣狀況，以便制訂禁行、限行和管控要求，并實施具體管控工作。

第二，運營部門。運營部門對系統的主要需求在于及時、準確掌握道路通行安全風險并執行主管部門對道路通行的管控指令。

第三，道路使用者。道路使用者對系統的需求在于出行安全得到充分保障。

2.2 技術需求

基于物聯網的智慧安全出行系統想要實現真正的智能化，必須具備兼容性、動態性與智慧性。

第一，兼容性。基于物聯網的智慧安全出行系統集成數據采集、信息通信、數據處理、交互應用等各種技術，其終端設備形式多樣，系統功能的實現則充分依靠各設備間的兼容。

第二，動態性。為支持動態實時的天氣監測，節點和系統必須能夠即時、動態地采集、傳輸各種信息、信號，從而動態地評估長大下坡路段的交通安全風險。

第三，智慧性。系統必須能夠實現自主監測、自動運算、自主智慧決策，以更大限度地減少人工干預，實現預期功能。

3 系統設計

3.1 技術構架

物聯網是借助一定的通信協議將各種信息格式進行統一化，以便實現物物相連。其實質是前端設備（物）采用傳感等方式采集數據，并按照約定格式的通訊協議與網絡連接，再通過云計算等方式對數據篩選、加工、處理，以實現對所連接物體的智能化處理。從構成上，物聯網劃分為感知層、網絡傳輸層和信息處理應用層等三個層次。物聯網構架如圖1 所示。

圖1 物聯網構架圖

物聯網感知層是感知信息和數據的前端功能層，其主要包括傳感器、執行器、無線通信等設備。感知層能夠對目標信息進行采集并轉換為數字信號，再傳輸到網絡層。

物聯網網絡層（IoT Network Layer）是借助IP 協議、6LoWPAN 協議、RFID 協議、ZigBee 協議實現包括尋址、分組、路由、流量控制和擁塞控制等通信處理的功能層。網絡層能夠為數據傳輸提供網絡級別的服務。

物聯網應用層（IoT Application Layer）是采用MQTT、HTTP、CoAP、AMQP、XMPP 等協議、標準及其擴展，通過管理和控制物聯網中的設備，收集和分析設備數據，以實現各種應用和服務。應用層是物聯網架構的最頂層。

3.2 模塊組成

第一，終端。終端包括數據采集終端和信息輸出終端。數據采集終端包括各種氣象傳感器，如能見度儀、雨量計、雨雪傳感器、結冰傳感器等，這些傳感器部署在公路沿線和關鍵位置，負責實時采集公路氣象數據。信息輸出終端包括LED 顯示和交通誘導燈，其能夠對服務器返回的實時風險等級結果等信息作出響應，如LED 顯示氣象信息和風險狀況，交通誘導燈根據預設發出變化閃頻警示等。

第二，主控板。主控板作為系統的核心控制單元，承擔著多項重要任務，具備高度智能化和實時性。主控板能夠根據寫入的風險等級算法，計算風險等級，再根據不同風險等級智能決策，向LED 顯示屏和交通誘導燈發送對應指令。

第三，心跳檢測。主控板作為系統的核心控制單元，具有高度智能化和實時性，并配備了心跳檢測功能，該功能可通過定期發送心跳信號檢測系統的運行狀態和通信連接是否正常。

第四，網絡通訊。為了保證氣象數據及時到達服務器以實現實時傳輸，應采用4G 通信模塊。

第五，服務器。服務器是整個系統的數據中心，可采用SQL Server 數據庫存儲氣象數據。服務器負責接收來自主控板的數據，并將處理后的氣象參數存儲在數據庫中。此外，服務器中還具有數據處理和風險等級計算應用程序，可用于計算風險等級。

4 智慧安全出行系統開發

4.1 總體設計

4.1.1 系統模式

基于用戶使用方便、系統維護簡單等考慮，智慧安全出行系統可采用C/S 與B/S 混合軟件體系結構開發模式，即利用C/S 模式的高可靠性構建企業應用（包括輸入、計算和輸出），再利用B/S 模式的廣泛性構建服務或延伸企業應用（主要是查詢和數據交換）。該模式可有效發揮C/S 與B/S 模式各自的優勢。

4.1.2 接口框架

智慧安全出行系統可采用Microsoft ASP.Net Web API 框架。Web API 是一種應用接口框架，能夠構建HTTP 服務以支撐更廣泛客戶端（如：Windows Forms、瀏覽器，手機和平板電腦等）的框架，是構建RESTful 應用程序的理想平臺。由于Web API是基于互聯網的應用，考慮采用用戶令牌、安全簽名進行數據提交，提供公開接口調用等方式，以有效應對安全問題。

4.2 數據運算

4.2.1 數據采集

第一，設置氣象觀測站點。在通行車流量較大的長大下坡路段可設置配有多種傳感器的氣象站點，負責全面采集路段氣象數據，如能見度、降水量、結冰情況等。

第二，數據采集。大氣能見度測量儀應采用光學及電子技術，測定大氣能見度。雪量傳感器能夠感應到雪花的落下，并通過內部算法檢測出雪的強度、密度和速度等關鍵信息。脈沖型雨量計可通過接收被降雨所激發的電信號，并將其轉化成脈沖信號以便于記錄和分析。道路結冰傳感器能夠實時檢測道路表面溫度和濕度，預測道路結冰的可能性并及時發送信號給控制系統。

4.2.2 數據處理

第一，數據轉換和傳輸。主控板能夠將各種傳感器采集到的數據匯聚，再對數據進行校準、插補、濾波等操作，篩選并去除異常值后，將其轉換為可用的氣象參數，然后通過有線通信（如以太網、RS-485 等）將數據存儲在服務器上的SQL Server 數據庫。數據庫能夠根據寫入的運算法則計算出風險等級，并實時返回到監測主控板。

第二，數據共享。將實時采集的不同格式的降水量、能見度、結冰情況數據轉化為統一格式后進行存儲，并通過云計算進行匯聚、運算，一旦數據超出預設的風險閾值，立刻發送信號至智能管理和智能服務模塊，實現交互共享。

4.2.3 數據應用

選擇合適的數據可視化工具，將數據可視化為趨勢圖、時序圖、地圖等形式，方便用戶查看和使用。在風險等級結果返回給氣象站點的同時，采集到的各種相關氣象監測數據也會在可視化工具的作用下呈現在網頁上，及時提供各個氣象站點的監測數據，供相關部門查看與決策。

4.3 系統生成

智慧安全出行系統是利用物聯網技術將傳感器、主控板、服務器和用戶界面連接在一起，實現數據的采集、處理、傳輸、存儲和應用。該系統由氣象站、計算機平臺和控制顯示系統組成。

氣象站的數據探測和處理設備進行長大下坡路段特殊天氣數據采集，再通過智能化數據處理和傳輸，為計算機平臺提供可用數據。

計算機平臺是整個系統的核心部分，其負責安全風險運算、風險管控措施指令的智能發布，功能的實現是通過寫入風險評估指標體系，設置好風險等級的運算法則，預設不同風險等級下顯示系統的響應動作，得到可用數據后，計算風險，并根據風險等級發出動作指令，同時推送信息到共享設備。

控制顯示系統包括控制主板、LED 顯示屏、誘導燈、供電系統等?？刂浦靼褰邮沼嬎銠C平臺發送的指令信息后，將指令分析處理傳達給LED 顯示屏和誘導燈，LED 顯示屏可根據指令向來往車輛提供交通信息，誘導燈可通過風險等級變化閃爍頻率，對來往車輛進行提前預警。智慧安全出行系統流程如圖2 所示。

5 結語

智慧交通是深化改革、務實創新以及加快推進“四個交通”發展的重點內容之一?；谖锫摼W的智慧安全出行系統，能夠實現對特殊天氣下長大下坡路段交通安全的智慧判別和智慧管理，為公路主管部門提供決策依據，為公路運營部門提供實時數據信息，為公路使用者提供安全指導和保障。因此，需要對一體化系統進行更加深入的研究，以進一步提高公路出行信息化運營和管理水平，保證交通安全。