大數(shù)據(jù)時代基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧高速公路研究

殷亞君

（甘肅省高速公路局，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

智慧公路，可通過交通資訊信息的收集和傳遞，實現(xiàn)對車流在時間和空間上的引導、分流，避免公路堵塞，加強公路用戶的安全，減少交通事故的發(fā)生。隨著高速公路信息化快速發(fā)展，高速公路智能化已成為公路管理的必然趨勢。如今，智能化設備和傳感技術已日趨成熟，5G通訊技術的問世，加強了通信網(wǎng)絡信息傳送和共享的可靠性和即時性，大數(shù)據(jù)背景下，云計算等智能計算技術可分析海量感知數(shù)據(jù)和信息，并實現(xiàn)智能化的監(jiān)控與決策[1]，一系列科學技術的迭代更新，使得“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”技術（即物聯(lián)網(wǎng)技術）應運而生并有了初步探索。物聯(lián)網(wǎng)技術能利用智能化的傳感設備對物質世界進行感知，通過網(wǎng)絡通訊設備實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的信息傳遞和交換，最終達到精確管理和科學決策。高速公路的運營和維護是一個復雜體系，我國智慧公路建設還存在需求量大和核心技術不足的問題，解決構建智慧公路的技術手段，是實現(xiàn)車路協(xié)同、人車協(xié)同、車車協(xié)同這一智慧公路運轉藍圖的有力途徑。因此，研究物聯(lián)網(wǎng)技術如何應用于智慧公路建設，是實現(xiàn)智慧高速公路亟待解決的關鍵問題。

針對智慧公路研究，國內部分學者進行了初步探索。韓直[2]通過類比法及電路學與人體仿生學原理，提出智慧高速公路的系統(tǒng)構成和交通組織方法，為智慧高速公路發(fā)展提供了新構思。元中華[3]緊扣國家的“互聯(lián)網(wǎng)+”與智慧交通發(fā)展行動計劃，結合某省干線公路擴建工程，提出了建設智慧公路的若干建議。當前智慧公路的研究還存在智慧交通誘導時間長、故障頻率較高的問題，張鵬[4]對公路數(shù)據(jù)進行了歸一化處理，可保障交通預測的準確性。在物聯(lián)網(wǎng)技術方面，陳波[5]等人也探討了物聯(lián)網(wǎng)在高速公路運營管理中的應用，林玉瑛[6]、陳婧[7]等學者就物聯(lián)網(wǎng)技術的應用及智慧運維模式進行了研究。相比于國內，國外對智慧公路的研究側重于解決交通擁堵和減少交通事故發(fā)生[8-10]，Jaehoon Jeong[11]也提出了車載網(wǎng)絡智能道路服務和針對交通事故的行人服務。總之，如何實現(xiàn)智慧公路還需深入研究，如何通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)高速公路的智慧運營和養(yǎng)護，是探索智慧高速公路建設的突破點。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術的特征

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎

1.1.1 道路設施智慧化

道路設施智慧化是指道路設施和道路交通組織具備感知信號和傳輸信號的能力。通過道路沿線的標識標牌、隔離柵、電子監(jiān)控、照明設備等進行道路交通狀況信息的采集和傳輸。對道路進行區(qū)段劃分，如路面、隧道、橋梁的整體劃分和按里程數(shù)對路面的局部劃分，通過沿線感知設備的信息搜集，到區(qū)段信息中轉站的篩分和過濾，最終將各類信息分類傳輸?shù)焦芸仄脚_，進行信息處理和指令下達。

圖1 道路信息的采集與傳輸

1.1.2 車輛設備智能化

車輛設備智能化是高速公路智慧化的重要組成部分，是智慧公路體現(xiàn)其“智慧”的載體。通過車輛配置終端顯示信號接收器，獲得道路、車輛位置和障礙物信息，及時提供給車主道路通行情況，規(guī)避危險源，選擇最佳的行車路線，尤其面臨道路突發(fā)狀況時，可提前預知，提前采取有效措施。尤其在夜間行車，道路出現(xiàn)不明障礙物、動物、行人時，通過車車協(xié)同、車路協(xié)同體系，主動提醒并規(guī)避危險源。通過車車協(xié)同，可判別臨近車輛行駛狀況，對車速異常、行車路徑異常的車輛提前做出防范。另外，車輛設備智能化也是發(fā)展無人駕駛汽車的基礎，通過與周圍環(huán)境智能設備的感知，達到控制車輛的轉向和速度。

1.1.3 決策指令下達最優(yōu)化

通過物物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)管控平臺，對采集到的各類路況信息和用戶信息進行智能決策。決策指令下達須具有目標選擇、狀態(tài)評判、及狀態(tài)推演功能。目標選擇應兼顧安全、高效、綠色、經(jīng)濟，從宏觀上對道路狀況、車流狀況進行判別，從微觀上對車車間距、障礙物信息進行判別，給出合理的應對策略，并根據(jù)目標及時進行調整和控制。此外，還能對每一輛車的空間位置、交通參數(shù)及行車軌跡進行推演和預測，也是避免交通事故，提前預知危險源的有效途徑。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術的構成

物聯(lián)網(wǎng)技術作為互聯(lián)網(wǎng)的拓展延伸，建設智慧公路的全新信息發(fā)展技術領域，應具備以下特征：

1）感知層：利用GPS、無線傳感器、頻射識別（RFID）、二維碼等信息傳感技術隨時獲取道路構造、設施和交通狀況的特征參數(shù)。

2）承載層：利用無線網(wǎng)絡、基礎網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)機房和感知層的傳感設備共同構建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，隨時隨地將感知到的信息進行傳遞和共享。

3）平臺層：具備一體化系統(tǒng)管理，利用大數(shù)據(jù)平臺、云計算等技術對感知到的海量數(shù)據(jù)進行存儲和分析，通過GIS或BIM引擎技術，實現(xiàn)精確定位和智能決策。

4）應用層：平臺可應用于交通流預測、事故預警、危險源規(guī)避、道路狀況分析、智慧養(yǎng)護等，實現(xiàn)各類智慧化應用。

5）門戶層：可支持大屏、PC、手機、IPAD等多終端顯示。

2 構建物聯(lián)網(wǎng)管控平臺

通過物聯(lián)網(wǎng)技術，構建高速公路物聯(lián)網(wǎng)管控平臺架構圖，如圖2所示：

圖2 物聯(lián)網(wǎng)管控平臺架構圖

3 物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)歸一化處理

智慧公路包含多樣化的感知信息，智慧公路大數(shù)據(jù)由各交通體系數(shù)據(jù)共同組成。在高速公路道路信息的采集過程中，會面臨數(shù)據(jù)種類繁多、單位存在差異的問題，這就需要對采集到的各類數(shù)據(jù)進行歸一化處理，消除量綱的影響，將各數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一數(shù)量級上，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的綜合分析。

智慧公路可采用線性的歸一化方法，通過最大值最小值運算法，將數(shù)據(jù)轉化成[0，1]區(qū)間的數(shù)值，智慧公路大數(shù)據(jù)可由各個子集構成，各子集的輸出值應在[0，1]之間，通過各子集輸出值的大小，可定義其對公路交通運行的影響程度。

在數(shù)據(jù)歸一化處理前，先對數(shù)據(jù)進行標準化處理，將數(shù)據(jù)的屬性值統(tǒng)一到同一區(qū)間，設標準化函數(shù)為：

式中：yi(xi)為i的權值，xi為i的屬性值，為固定區(qū)間，為函數(shù)的最小值，為函數(shù)的最大值，為函數(shù)的最大權值。

然后進行數(shù)據(jù)歸一化處理，將采集到的公路交通信息原始數(shù)據(jù)集合定義為根據(jù)模糊綜合評價法[4]可得歸一化向量：

再定義B為歸一化處理后的數(shù)據(jù)集合，則B= Aα，α為系數(shù)，數(shù)據(jù)歸一化處理完畢。

4 智慧運營與智慧養(yǎng)護體系

現(xiàn)有的智慧高速公路研究中，針對高速公路智慧運營與智慧養(yǎng)護的研究還較少，本文基于大數(shù)據(jù)下的物聯(lián)網(wǎng)技術，從高速公路的建設期、運營期、養(yǎng)護期的數(shù)據(jù)為一體，形成綜合的交通數(shù)據(jù)集合，探討高速公路智慧運營和智慧養(yǎng)護的思路。

4.1 智慧運營

構建物聯(lián)網(wǎng)智慧運營體系，需以數(shù)字化、信息化、智能化技術為基礎，通過感知設備實現(xiàn)公路交通信息的搜集和傳輸，并對實時的、動態(tài)的數(shù)據(jù)進行分析，建立智慧的誘導系統(tǒng)，保證交通運輸處于健康運行狀況，滿足公路行車用戶的實際需求。通過采集到的道路狀況信息，經(jīng)分析與決策，提供給用戶最佳的解決方案，具體流程如圖4所示。

圖3 道路狀況監(jiān)測

如圖3所示，模擬了道路可能出現(xiàn)的部分交通狀況，當出現(xiàn)交通狀況時，智能化的道路感應設備會第一時間采集到道路狀況信息，采集到的信息會迅速傳輸?shù)狡脚_層進行交通信息的智能處理，當然，處于此區(qū)域的車輛也會第一時間接收到真實的路況信息。通過信息的篩分與分析，最終將優(yōu)化后的決策指令下達給此區(qū)域的車輛，引導其應對道路突發(fā)事件。用戶車輛終端接收到路況信息后，可通過平臺預測此路段的交通流，可遵循智能化的決策指令，也可主觀上自我決策。這樣一來，大大降低了高速公路可能出現(xiàn)的各類交通事故，尤其在夜間行車，有利于規(guī)避突然出現(xiàn)的危險源，保證行車安全。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧運營體系不僅可用于交通指揮和誘導，還大大提高了高速公路的行車安全，實現(xiàn)高速公路無事故健康出行。

圖4 智慧運營流程圖

圖5 智慧養(yǎng)護框架圖

圖6 智慧養(yǎng)護流程圖

4.2 智慧養(yǎng)護

目前公路養(yǎng)護的狀態(tài)仍處于“被動養(yǎng)護”狀態(tài)，即指當已經(jīng)出現(xiàn)病害時才采取養(yǎng)護措施，進行對病害的修補工作。智慧養(yǎng)護應為“主動養(yǎng)護，預防為主”。智慧養(yǎng)護體系的建立應從項目施工階段開始，在結構的關鍵部位或控制性截面預埋傳感設備，傳感設備的布置應點多面廣，與結構融為一體，從工程的建設初期，就開始采集各類數(shù)據(jù)，如結構的溫度、受力、變形、裂縫等。在結構的使用階段，通過實時檢測到的數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)的比對，預測可能出現(xiàn)的結構病害，提前采取養(yǎng)護措施進行修補，防止病害的劣化，如路基的局部不均勻沉降、橋梁撓度的變形增大、裂縫的開裂、橋梁索力的松弛等等。針對突然或已經(jīng)出現(xiàn)的病害，通過傳感設備的采集與后臺大數(shù)據(jù)分析，可提供全面的道路病害信息，并制定對應策略。智慧養(yǎng)護的主要養(yǎng)護內容及流程如圖5與圖6所示。

5 結語

建設智慧高速公路，關鍵在于構建其運維模式。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術，闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎，即道路設施智慧化、車輛設備智能化，決策指令下達最優(yōu)化，并闡明了物聯(lián)網(wǎng)技術的構成，最終形成智慧公路物聯(lián)網(wǎng)管控平臺，可用于智慧公路數(shù)據(jù)的采集、分析與決策。鑒于智慧公路數(shù)據(jù)的多樣性，本文采取對數(shù)據(jù)進行標準化的歸一化處理，有利于對數(shù)據(jù)的綜合分析。此外，針對智慧公路的智慧運營與智慧養(yǎng)護，闡明了其內容，提出了二者的運行流程。本文通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧公路研究，為進一步實現(xiàn)車路協(xié)同、車車協(xié)同的智慧運營模式提供了思路，可對交通運行狀況進行分析和指揮，避免交通事故的發(fā)生，保證公路行車舒適且高效，為進一步研究智慧公路提供了參考。