基于物聯網相關技術的公路交通運輸的應用前景研究

辛伯宇，賀 然

（山西交通職業技術學院 信息工程系，山西 太原 030020）

0 引言

隨著物聯網、移動通信、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的不斷發展，并在公路交通運輸的應用日益深入，促使公路交通運輸進入了一個高質量發展階段。目前，基于物聯網相關信息技術發展起來的車聯網、導航服務、智能（綜合）分析研判、智能決策控制等智能交通技術正在或準備應用于公路交通系統的各個方面。但目前智能交通系統應用情況呈條塊分割，各自為政，未形成研發建設和應用上的合力[1]；隨著物聯網技術的蓬勃發展，物聯網已經在橋梁健康監測、地質災害監測、大壩安全監測等領域得到了長足的發展，但是在隧道工程監測領域卻仍處在探索階段[2]；物聯網目前的發展難點不在技術，而是在標準的有效制定和產業化，所以必需有一套統一的技術協議與標準[3]。如上所述，物聯網相關信息技術應用水平差異巨大，尚不具備系統性、規范性。遂本文將系統研究物聯網相關技術在公路運輸行業的應用，以公路運輸體系中的要素（公路基礎設施、載運工具、交通參與者）[4]為切入點開展工作，具體研究具備全面感知能力的公路基礎設施和載運工具，使其不僅能即時收集自身參數或運行狀態數據，還要能通過感知周圍事物的狀態來獲取其他數據，并且二者之間可以通過借助通信技術實現實時有效的通信與信息交互；在此基礎上，進一步研究如何利用云計算、大數據等相關技術，實現三要素之間的實時交互共享信息、協同；最后分析研究這些技術的應用對構建“現代綜合交通運輸體系”的保障。

1 物聯網相關技術在公路基礎設施中的應用

公路基礎設施（道路、橋梁、隧道）是公路交通運輸核心組成部分，根據其在公路交通基礎設施中的重要性、及本體主動防護安全、路網監管協同調度、載運工具的影響等具體考慮因素，對公路基礎設施的物聯網相關技術應用進行研究，以隧道為具體研究對象，而物聯網相關技術在隧道的應用最為復雜、全面。根據信息技術的特點，數據是基礎，而全面感知是獲取數據的重要手段，遂參照IOT（Internet of Things，物聯網）數據處理流程、基于IOT 技術體系的數據處理模型[5]進行展開。

1.1 物聯網相關技術在節點公路基礎設施——隧道中的應用

1.1.1 隧道節點數據模型

隨著各型隧道的不斷建設和投入使用，由于隧道的建設目的是為了穿越山體、水域等，面臨的地質條件一般較為惡劣，且隨著隧道建設長度、深度的增加，隧道結構受不確定因素和隧道病害影響更多；再者，由于隧道開鑿設備、周邊環境等條件限制，隧道孔徑往往受限；最后，建成隧道為半封閉空間，通行條件較差（高度、寬度）且通行要求（如通風、照明、應急安全防護等）高。遂在交通使用中，其往往面臨自身結構安全、超限（高度、寬度、載荷）、實時交通流及特種載運工具（易燃易爆）和周邊自然環境因素（尤指地質條件）等威脅，易產生各種損害、毀壞，甚至導致重特大交通事故等災難性事件。

為此，在隧道運行過程中，應用物聯網相關技術對其進行全面、實時、不間斷地監測并進行安全評估、現場交通實時誘導、管制等頗具意義。

基于隧道的以上特點，從隧道結構病害、自然環境（尤指地質災害）、載運工具、實時交通等維度來對其進行靜、動態數據進行建模。如圖1 所示。

圖1 隧道節點數據模型

1.1.2 隧道節點數據獲取途徑

根據隧道節點數據模型中各維度對基礎數據的需求，采取不同的手段，進行基礎數據的獲取。具體可從如下幾個方面進行考慮：

a）結構變形 在隧道結構主體的拱頂、拱腰、拱底、輪廓、襯砌內部等結構節點上大規模部署成本低廉的傳感器（如位移計、多點位移計、激光位移計、鋼筋計、錨索計、表面應變計、嵌入式混凝土應變計、沉降計、土壓計、裂縫傳感器……），進行實時現場采集；并輔以數字照相技術和三維激光掃描技術定期巡查采集。

b）自然環境 在隧道結構主體及周圍監測點部署相應的傳感器（溫/濕度傳感器、風速風向傳感器、地震儀、GPS 應變計、數字攝像頭……）進行實時現場采集。

c）實時交通 在隧道主體及隧道上下口過渡段布設視頻監控系統（該系統亦可組織所有的攝像頭）、路況傳感器、流量監測系統等進行現場采集并接入。

d）載運工具 在隧道出入口過渡段布設不停車超限（高、寬、重）檢測系統、流量監測系統、車牌識別系統等進行現場采集；接入載運工具的“兩客一?！毕到y、無人駕駛系統等進行現場實時數據接入。

1.1.3 隧道節點數據傳輸方式

根據以上數據模型分析及數據獲取途徑來確定數據傳輸方式。具體地，針對結構病害、自然環境這兩維度的數據獲取而言，由于傳感大節點的部署分散甚至有位移要求，宜采用無線多跳的方式進行數據的采集并進行匯聚；而對實時交通、載運工具這兩個維度的數據獲取而言，獲取方式相對集中且無明顯位移要求，可采取有線/無線、4G/5G 方式進行。

1.1.4 隧道節點物聯網數據處理模型

根據以上措施并參照IOT 數據處理流程、基于IOT 技術體系的數據處理模型，對以上獲取數據進行處理，建立基于物聯網的隧道節點智能管理中心模型，如圖2 所示。

按照IOT 數據處理流程，該模型中的數據采集完成后，通過不同的傳輸方式上傳保存于數據存儲中心；然后隧道節點智能管理中心（隧道管理調度中心、隧道結構安全實時監測監控仿真系統、隧道內及出入口過渡段現場立體交通實時仿真監控系統、隧道智能（自動）應急響應策略預案系統）基于數據挖掘、在線分析等技術手段對數據存儲中心的數據進行處理，產生的價值數據應用于隧道節點智能管理中心的各子系統；隧道節點智能管理中心各系統根據不同的現場情況及社會協同請求由不同的子系統完成相應的功能以調度應急響應策略預案，最終指揮隧道現場智能（自動）應急響應執行系統（為保證應急響應策略預案能落實執行，必須定期探查相關設備狀態）執行響應；隧道現場智能（自動）應急響應執行系統執行響應后，將設備狀態、預案響應情況反饋回傳到隧道管理調度中心報備；隧道管理調度中心將此次應急響應的報備、響應歷史數據存儲于數據存儲中心。同時，隧道節點智能管理中心還須負責向路網智能監管協同調度中心等社會相關交通參與者實時交互共享、協同。

基于以上研究路線，還可以進一步對橋梁、特殊節點路段（如地質松軟路段、多霧路段、山區路段、臨水臨崖路段、坡陡彎急路段、易積水結冰路段等）進一步展開研究。實際研究過程中，可參照節點公路交通基礎設施智能管理中心概念模型，如圖3 所示。使用該模型時，應注意根據現場的實際情況進行選擇性的取舍。具體考量如下：

a）橋梁、特殊節點路段的數據模型建立時，應具體地、有針對性地考慮橋梁的結構變形和特殊節點路段的現場特點，充分進行研判、論證，其他3 個維度（自然環境、載運工具、實時交通）的考量與隧道相似。

圖2 基于物聯網的隧道節點智能管理中心模型

b）根據具體的數據模型選擇合適的傳感器、執行器等。

c）根據所選傳感器、執行器等確定適合現場條件的數據傳輸方式。

d）在以上基礎條件具體考慮相應的智能管理的功能。

1.2 公路交通基礎設施大數據共享平臺——智能路網監管協同調度中心

圖3 節點公路交通基礎設施智能管理中心概念模型

以公路基礎設施各節點管理調度中心的數據存儲中心為基礎，應用物聯網相關技術進一步完善公路全面感知能力和智能（自動）主動誘導能力；通過云計算、互聯網、移動通信等技術將公路交通基礎設施數據、運行數據等進行逐級匯聚，組成國家/省/市智能路網監管協同調度中心，打破信息壁壘、消除信息孤島，使其具有數據接入、數據監測、大數據挖掘、路況預判、協調調度指揮、服務推送能力，最終實現信息交互共享、協同等。同時，為進一步建設公路交通大數據共享平臺打下堅實的信息設施基礎。

2 公路交通載運工具大數據共享平臺——基于北斗的車聯網平臺

通過在載運工具上搭載車載先進的傳感器（雷達、激光雷達、攝像頭、位置傳感器、慣性運動傳感器、北斗導航接收模塊）、車載電腦、CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）控制器、執行器、高精細地圖等，使其具備全面感知、主動安全防護、路況識別、自動（無人）駕駛能力；通過云計算、移動通信、無線通信、北斗衛星導航等技術將車載工具的相關狀態信息進行匯聚，上傳至基于北斗的車聯網平臺，使其具有車輛信息感知、實時交通態勢研判、線路實時調整等能力；從而，依托車聯網，基于無線通信、傳感探測等技術，實現車車和車路之間多種方式的信息交互與共享，在全時空動態交通信息采集與融合的基礎上，實現車輛主動安全和交通協同管理，提高交通安全水平和通行效率[6]；最終實現人、車、路，車聯網平臺之間的信息交互共享、協同等。

3 公路交通大數據共享平臺

在公路交通基礎設施大數據共享平臺——智能路網監管協同調度中心、公路交通載運工具大數據共享平臺——基于北斗的車聯網平臺的基礎上，進一步推進云技術在公路交通中的應用，構建公路交通大數據共享平臺，如圖4 所示。實現公路交通資源優化配置，推動業務聯動深化發展。從基礎設施層、平臺層、軟件層搭建云架構，實現公路交通基礎資源設施云化服務、公路交通平臺數據云化服務及公路交通應用云化服務。

圖4 公路交通大數據共享平臺概念模型

4 物聯網相關技術對現代交通運輸體系的保障（影響）

表1 應用物聯網相關技術的公路交通要素對現代綜合交通運輸體系的保障

基于以上研究，從構建“安全、便捷、高效、綠色、經濟”的現代化綜合交通體系[4]的目標出發，進一步具體分析應用了物聯網、移動通信、大數據、云計算、人工智能的公路交通要素對實現這一目標的各個準則的保障，詳見表1。

5 結論

本文從物聯網相關技術在典型的公路交通基礎設施的節點——隧道的應用為切入點，研究了一種基于物聯網數據處理模、并以構建公路交通大數據共享平臺為目標的研究方法。為技術人員設計、組織、實施公路交通大數據共享提供了一種具有指導意義的技術路線。其他研究者可基于公路交通大數據共享平臺概念模型，進一步展開對公路交通運輸的具體服務及交通運輸行業的其他組成部分（航空、水運等）的研究，從而真正實現“安全、便捷、高效、綠色、經濟”的現代化綜合交通體系。