嘉紹大橋物聯網技術應用與展望

陶永峰

（浙江嘉紹跨江大橋投資發展有限公司 紹興 312000）

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。其英文名稱是：“the internet of things”。由此，顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換與通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的網絡。物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。同時全國高速公路即將迎來物聯網智慧時代，看似空中樓閣，但已經悄悄地深入各大高速公路的方方面面，而嘉紹大橋的物聯網應用技術具有國內外先進代表性，本文將對其作深入描述和展望探究。

1 微波車輛檢測器

微波車輛檢測器（RTMS）是一種利用現代高科技雷達技術實時檢測和定位區域內車輛及其各種交通數據的設備。嘉紹大橋南北橋頭分別布設了1套微波車輛檢測器，采用側掛式的微波車輛檢測器，在扇形區域內發射連續的低功率調制微波，并在路面上留下一條長長的投影。RTMS在微波束的發射方向上以0.38m為一層面，分層探測物體，微波束的發射角為50°，方位角為12°。安裝好以后，它向公路投影形成一個可以分為254個層面的橢圓形波束，用戶可將檢測區域定義為一層或多層。RTMS根據被檢測目標返回的回波，測算出目標的交通信息，每隔一段時間通過RS－232向控制中心發送。它的車速檢測原理是：根據特定區域的所有車型假定一個固定的車長，通過感應投影區域內的車輛的進入與離開經歷的時間來計算車速。1臺RTMS側掛可同時檢測8個車道的車流量、道路占有率和車速。

利用微波及其定位功能，RTMS可以在惡劣天氣或振動情況下準確檢測車輛和被其遮擋的其他車輛。

RTMS接收其微波波束覆蓋的路面、車輛、隔離帶以及樹叢的反射信號。其內部存在著來自各個微片對應的固定反射物的背景信號；當車輛走過檢測區時，對應區的反射信號強度將超過背景信號之上的一定的閾值，RTMS就會檢測到該車輛。因此，通過大橋微波車輛檢測器的良好應用，可以時時收集大橋高速公路的路況車輛通行信息。

2 數字攝像機與事件檢測分析儀

嘉紹大橋配備了48路視頻事件檢測分析儀，顧名思義，分析儀借助視頻圖像基礎，通過haivision inside技術采集圖像中事件信息，按約定的協議轉化事件性信息，對車輛逆行、拋灑物、行人、火災等異常交通事件進行及時報警。

剖析haivision inside技術7層處理算法簇：第一層圖像抖動，采用獨創改良的梯度方向直方圖和局部二值模式（HOG－LBP）相結合的方式來獲取車輛和行人的特征，然后采用SVM（支持向量機）的方法進行訓練，獲取訓練器，提高實現多類目標的準確分類。第二層圖像預處理，采用自創的特征點結＋區域協方差（region－covaricance），color histogram等多層次結合的方法進行有效的匹配。確保在復雜的環境中提取到一個完整的目標輪廓和運動的連續性。第三層背景建模，采用獨創的 HOG（histogram of orient gradient）理論結合＋Haar小波算子等方式過濾燈光、道路積水反射、水波及倒影等對智能交通具有重大影響的干擾。第四層前景一，用HSV色度空間和離散實時紋理過濾算法（discretetexture）很大程度上去掉目標的陰影，讓目標提取精度較大提升。第五層前景二，使用海視多層背景與前景（multilayer foreground）的理論框架，并很好地應用于各種復雜的場景中。該復合模型能精確捕捉背景任何微小的變化，并以恰當的權值反應到數學模型里。第六層目標跟蹤，通過直方圖進行平滑處理以消除而后進行直方圖均衡化等高級灰度拉伸算法（改良的CLAHE）。第七層目標分類，用基于海視算法的宏塊搜索（macroblock search）結合SURF方法的電子穩相方法來修正攝像機抖動產生的圖像和視頻扭曲和偏移。嘉紹大橋所處環境有鹽霧潮濕及橋面橫風較大特點，對于通過視頻圖像而監控分析實時路況提出了更高的要求。為此，嘉紹大橋采用獨具特色的H3ML架構技術，通過背景自動學習、補償等算法，能全天候對惡劣環境下的各種干擾因素有效過濾，如：雨、雪、霧天氣對畫面質量的影響，調整夜晚強光、道路陰影、隧道內昏暗弱光，道路旁樹葉遮擋，路面積水反光，攝像機抖動等 。準確率和誤報率皆具有國內領先、國際先進水平。嘉紹大橋這一物聯網技術的應用，基本實現了對全橋上所有車輛的全方位實時監控，對車輛逆行、低速行使、拋灑物、行人等多種事件的自動檢測，減少了人工監控時超時觀測，甚至漏看的情況，從技術角度保證了路面、車輛甚至人員的安全，大大提高了高速營運的整體管理水平和管理效率。

3 “感知大橋”橋梁結構檢測系統

嘉紹大橋是目前在國內外有較大影響力的特大型橋梁，為輔助嘉紹大橋百年運營期的橋梁結構安全監管，減少橋梁災難性事故發生的概率，根據交通運輸部（交公路發〔2007〕336號）《公路橋梁養護管理工作制度》的相關要求，綜合利用當代最新的傳感測試、信號分析、計算機信息、風險管理、橋梁計算分析、巡檢技術等最新的技術成果所研發構建的適合嘉紹大橋運營環境以及結構特點的橋梁結構安全監測巡檢管理系統，可實現如下主要目的。

（1）根據交通運輸部針對公路特大型橋梁進行運營期結構安全“信息化監管”的最新要求，建立嘉紹大橋全壽命期數字化、信息化橋梁檔案，服務于橋梁運營監管養護工作，力求使嘉紹大橋結構及其各附屬設施處于較高的服務水平。

（2）從大橋“出生”開始，在百年的服役期內及時“感知橋梁”，盡早發現運營中橋梁結構自身及行車所面臨的危險，監測橋梁的結構使用狀態及其發展趨勢，使運營期橋梁實時處于“可知、可控”的狀態，并在橋梁結構危險處于萌芽階段即發出警示。

（3）定制并規范橋梁運營期的養護維修行為，力求做到“主動、預防性”管養，輔助制定經濟、合理的維修維護措施。

（4）收集橋梁自然環境和結構響應數據，為國內類似結構設計、建設、養護技術的可持續發展以及橋梁安全監測國家及行業規范或標準的制定提供技術支撐和參考依據。

為實現對大橋結構高效、安全的監管，系統可及時獲知橋梁環境荷載、交通荷載、地震以及結構響應、外觀損傷等信息，并在此基礎上定期對大橋進行綜合評估。據此，嘉紹大橋結構安全監測巡檢管理系統由自動化傳感測試子系統、電子化人工巡檢管理子系統以及基于兩者之上的結構狀態評估與安全預警子系統構成。

自動化傳感測試子系統側重于環境荷載、交通荷載、地震以及結構代表性構件以及整體的靜動力響應的監測；而電子化人工巡檢養護管理子系統則側重關注橋梁主體構件、橋面系以及附屬設施的表觀損傷的巡檢和維護（修）管理。

（1）自動化傳感測試子系統，主要包括如下3個模塊：①傳感器模塊。通過傳感器將各類橋梁運營環境以及結構受力信息轉換為電信號或光信號；②數據采集與傳輸模塊。將傳感器采集到的信號轉換為標準以太網數字信號并完成遠程傳輸；③數據處理與控制模塊。對獲得的數據進行預處理及二次處理，以向其他子系統提供可靠、有效的數據，還可根據用戶需要實時及歷史查詢和修改采集、傳輸參數等。

（2）電子化人工巡檢管理子系統。根據大橋各主體構件、橋面系及各附屬設施的材料、涂裝防腐及結構受力特點，針對性地定制嘉紹大橋結構主體構件、橋面系及各附屬設施的的巡檢內容，研發橋梁電子化巡檢管理軟件模塊并編制對應的巡檢養護手冊。培訓運營期管養單位或機構，根據子系統以及手冊設定的結構巡檢任務內容及時安排人員和設備按計劃進行定時定量、程序化和制度化的巡檢工作，并按系統軟件要求完成巡檢的信息化錄入、存儲、管理、分析、維修（護）工作。

（3）結構狀態評估及安全預警子系統。根據監測、巡檢數據定期進行橋梁狀態發展趨勢統計分析、橋梁內力狀態評估、結構整體動力特性分析和鋼結構疲勞分析，并結合歷次巡檢數據和信息對橋梁結構的安全使用狀況進行評估，定期為橋梁養護管理單位提供具有實用價值和實際指導意義的橋梁綜合評估定期報告。

（4）中心數據庫子系統。根據各子系統數據的支撐系統，完成全壽命期所有監（檢）測靜態、動態的資料、信息、數據的歸檔、查詢、存儲、管理和調用等工作。

（5）用戶界面子系統。將橋梁全壽命期各種監（檢）測靜態、動態的資料、信息、數據按用戶要求分類分級按授權向不同用戶展示，并且按授權接受不同用戶對系統的控制與輸入。

4 嘉紹大橋物聯網技術展望

物聯網具有廣闊的行業應用需求，在中國物聯網市場其市場前景將遠遠超過計算機、互聯網、移動通信等市場。但目前從整體來看，中國物聯網產業發展仍處于初級階段，技術、標準、產品以及市場并不成熟。細心觀察交通這一物聯網行業應用的重點領域，目前基本停留在個別系統單獨的物物聯網而已。縱觀世界物聯網產業發展現狀與趨勢，嘉紹“智慧大橋”的時代即將順勢而來，高速公路物聯網技術應用還有以下路要走。

（1）統籌規劃、物聯網系統之間統一協議。（2）對全橋無線網絡完美覆蓋，實現物物之間的信息交換、傳輸。

（3）隨著傳感器的日漸成熟，橋梁結構和營運設備各個部位的傳感到位。

（4）通過手機的智能化或車輛OBU升級，實現大橋中心與路上行車的信息交換和通信。

（5）成熟可行的商業模式和完善的產業鏈結構。

展望嘉紹智慧大橋的未來，物聯網技術可以自動檢測并向監控中心報告嘉紹大橋的“健康狀況”，并對過載車輛進行實時交通信息服務，如告知車行人員前方有事故，進行交通誘導。另一方面，還能在第一時間對超載超限、違禁車輛和黑名單車輛進行報警和記錄，并自動通知相關單位。物聯網技術可以根據環境和車輛行駛情況自動調節光亮度，實現節能環保。物聯網技術可以根據采集到的大橋環境氣象信息，自動發布預案和信息。同時，大橋與GPS系統實時相連接，在電子地圖上準確、及時反映出大橋的空間地理位置、安全狀況、車流量等信息。

5 結語

物聯網不是科技狂想，而是又一場科技革命。物聯網使物品和服務功能都發生質的飛躍，這些新的功能將給使用者帶來進一步的效率、便利和安全。盡管就其目前的發展還存在一些問題需要解決：如政策法規問題、技術標準統一協調問題、管理平臺的形成問題等，但是推動物聯網在高速公路行業的發展，實現高速交通領域智能化識別與管理，是未來推動高速公路信息建設切入點，是有效“感知中國”，實現“智慧地球”所不可或缺的重要組成部分。嘉紹大橋的智能物聯網技術步伐將緊跟其上。