基于IOT公路基礎設施監測預警系統的研究

張岸楊 劉慧芬 張愛華

我國公路養護里程基數大，現階段我國公路路面易損壞路段、橋梁、危險點多，養護項目主要靠人，機械化、信息化程度低，養護效率低，惡劣條件下路況巡查風險高；養護主要工作是被動養護，險情發生后被動處置等問題亟待解決。因此，研究公路基礎設施預測預警系統，實現公路智能化管理，降低人工成本，及時預警提高效能是本文的研究目的。

基于物聯網架構的公路交通體系是采用多種信息采集手段及時準確采集交通數據，依靠網絡實時傳送為交通控制戰略提供科學決策依據。本文以公路基礎設施管養數據采集系統為基礎，實現路網檢測、路面狀況預警、路面性能預測、養護決策及公路技術狀況評定等功能。對基于智能巡檢、在線監測大數據分析安全狀態實行智能管理，完成公路設施狀態智能聯網監測預警系統同時得到公路技術狀況評定結果。及時掌握基礎設施狀況變化情況，通過監測信息及業務數據的深入挖掘，提高預警能力，保障路網安全通暢。

一、系統設計

（一） 物聯網

物聯網是將如紅外感應器、射頻識別裝置、GPS系統、激光掃描等各種傳感器與互聯網相結合的一個巨大網絡。它通過賦予物體電子標簽或二維編碼來進行物體標識，并通過相關中間件與無線網絡進行連接，從而實現人與物體、物與物的互聯和會話。物聯網直觀上是一類連接物品的互聯網，是下一代網絡和互聯網發展的必然產物。物聯網的信息采集技術不僅包括FRID、傳感器，還包括傳統的交通信息采集技術，基于物聯網的信息采集系統則需要融合多種信息采集技術實現信息及時全面準確的獲取。

（二）系統總體設計

IOT公路基礎設施監測預警系統采用B/S架構設計，開發過程中采用面向對象編程思想，技術架構如圖1，分為采集層、資源層、支撐層、業務層和展示層。

采集層。信息采集層實現是基于終端系統的數據采集，為系統提供優質、精確的數據支持，采集層包括智能路況巡查設備、智能空中應急巡查設備、移動終端數據采集系統、傳感器以及多功能路況快速檢測裝備等終端采集裝備。

資源層。以干線公路網監測預警各類數據為核心，按照統一的標準，建立集數據管理、數據共享服務、數據處理、大數據分析等功能為一體的公路監測預警數據中心，提供業務系統運行所需的基礎數據、管理數據支撐。

支撐層。統一部署數據交換系統，實現各級單位的數據交換和業務聯動。公路基礎設施監測預警系統在功能上包括應用系統搭建工具和運行環境、界面整合工具、數據資源配置服務，為系統提供支持。

業務層。圍繞監測信息綜合管理、路網狀況分類預警、監測信息決策分析等業務，建立并集成業務應用系統。

展示層。應用展示層是通過瀏覽器的方式進行數據訪問。通過統一的認證管理、用戶單點登錄，用戶通過瀏覽器進行訪問，系統提供統一風格的工作平臺。

二、 公路基礎設施預警系統

（一）路網檢測與評估

交通安全設施作為沿線設施技術狀況指數的主要內容被同路基、路面、橋梁隧道構造物作為公路工程的四大組成部分。按照交通運輸部頒布的《公路技術狀況評定標準》的要求，提供公路技術狀況評價標準和評價模型，能夠自動計算各路段的MQI、PQI、SCI、BCI、TCI等。

（二）路面狀況預警

路面狀況預警子系統是基于路網檢測數據實現對相關路況較差路段的預警。路面狀況預警子系統包括次差路段預警、衰變較快路段預警、病害增長較快路段預警、大中修養護需求預警等功能。

1.次差路段預警

根據路網檢測結果，系統可自動篩選出各項技術指標等級為“次”、“差”的路段并在GIS地圖在Web端和移動端直觀展示預警路段。系統可實現路面技術狀況預警信息的組合查詢（包括年度、省份、行車道、路線、樁號、各項指標等查詢條件），圖表分析和數值統計的功能。

2.衰變較快路段預警

系統可根據歷次路網監測結果及用戶設置衰變速率閾值條件，分指標篩選出衰變速率較快的路段，并對用戶進行預警提醒，包括路線名稱、評價指標、衰變速率等。系統可用直方圖、折線圖直觀展示預警路段技術狀況衰變情況。

3.病害增長較快路段預警

用戶可設置病害類型、病害增長率閾值等條件，系統可根據路網檢測結果，自動篩選出某類病害增長較快的路段，并對用戶進行預警提醒，包括路線名稱、病害類型、病害增長速率等。系統可用直方圖、折線圖直觀展示預警路段衰變情況。

4.大中修養護需求預警

該子系統主要實現選定路段路面養護需求詳細信息的查詢、展現和打印輸出。系統支持組合查詢，查詢結果以列表方式展示，展示的數據項包括路段編碼、管養單位、路段起點、路段終點、養護方案等。支持單條數據的明細查看和導出。通過GIS地圖在Web端和移動端直觀展示需要大中修養護路段。

（三）路網養護決策

以公路基礎數據、監測數據和評定數據為基礎編制年度養護計劃或中長期養護規劃，進行路面性能預測、養護決策、費用估算，為宏觀養護決策提供基本依據。

1.長期性能預測

路面長期性能預測是基于路面技術狀況歷史、現狀數據和路面長期性能預測公路網未來10年的路面技術狀況發展趨勢。

路面性能預測模型應考慮路面類型、路面結構、交通量、路面材料等因素的影響。預測模型可分地區、分路線、分路面結構進行單獨設置，可根據實際情況對路面性能預測模型進行標定和參數調整。