特殊天氣下長大下坡路段智慧安全出行系統(tǒng)研究

李靖、覃勤、侯效偉

（云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

我國《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》明確了“科技創(chuàng)新富有活力、智慧引領(lǐng)”的戰(zhàn)略思想。特別指出要大力發(fā)展智慧交通，推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)與交通行業(yè)的深度融合。為了研究信息技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，許多專家學(xué)者開展了相關(guān)研究并取得了一定的研究成果。范中華[1]進(jìn)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(shè)發(fā)展為研究對象，設(shè)計了一套“智慧高速”建設(shè)發(fā)展方案，并詳細(xì)闡述了各模塊的具體建設(shè)方法和目標(biāo)。黃宇、王妍穎[3]等提出了可持續(xù)發(fā)展的智慧交通總體架構(gòu)建設(shè)思路，闡述了1+4+NX 的總體架構(gòu)建設(shè)內(nèi)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(tǒng)的研究還相對較少。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，能夠把“物”與“網(wǎng)”連接，從而進(jìn)行信息交換和通信，以此實現(xiàn)對“物”的智能化應(yīng)用和管理。基于此，文章從安全角度出發(fā)，對該系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出將特殊天氣監(jiān)測、安全風(fēng)險評估、安全出行相結(jié)合，實現(xiàn)信息提供、出行指導(dǎo)一體化管理，以期提高長大下坡路段的行車安全。

1 物聯(lián)網(wǎng)及智慧出行定義

物聯(lián)網(wǎng)顧名思義為物物相連，物聯(lián)網(wǎng)始于互聯(lián)網(wǎng)（Internet），又不同于互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)又稱國際網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間采用有線連接的方式串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其溝通途徑是電腦等智能信息終端。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過無線的形式將萬事萬物與信息系統(tǒng)相連接，進(jìn)而通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對所連物體的控制和應(yīng)用。

智慧出行是在整個交通運輸領(lǐng)域充分利用物聯(lián)網(wǎng)、空間感知、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，同時綜合運用交通科學(xué)、系統(tǒng)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(wù)、科學(xué)決策為目標(biāo)，通過建設(shè)實時的動態(tài)信息服務(wù)體系，深度挖掘交通運輸相關(guān)數(shù)據(jù)，形成問題分析模型，實現(xiàn)行業(yè)資源配置優(yōu)化能力、公共決策能力、行業(yè)管理能力、公眾服務(wù)能力的提升，推動交通運輸更安全、更高效、更便捷、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更舒適地運行和發(fā)展，最終帶動交通運輸及相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級。

2 需求分析

2.1 用戶需求

公路是公共基礎(chǔ)設(shè)施，相關(guān)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(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)，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(wù)的相關(guān)準(zhǔn)則，實施行為管理。其中包括制訂規(guī)章制度、準(zhǔn)入、運行和退出標(biāo)準(zhǔn)，以及實施道路通行管制等。因此，其對系統(tǒng)的需求主要為及時、準(zhǔn)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(tǒng)的主要需求在于及時、準(zhǔn)確掌握道路通行安全風(fēng)險并執(zhí)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(tǒng)的需求在于出行安全得到充分保障。

2.2 技術(shù)需求

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧安全出行系統(tǒng)想要實現(xiàn)真正的智能化，必須具備兼容性、動態(tài)性與智慧性。

第一，兼容性。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧安全出行系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)采集、信息通信、數(shù)據(jù)處理、交互應(yīng)用等各種技術(shù)，其終端設(shè)備形式多樣，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)則充分依靠各設(shè)備間的兼容。

第二，動態(tài)性。為支持動態(tài)實時的天氣監(jiān)測，節(jié)點和系統(tǒng)必須能夠即時、動態(tài)地采集、傳輸各種信息、信號，從而動態(tài)地評估長大下坡路段的交通安全風(fēng)險。

第三，智慧性。系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)自主監(jiān)測、自動運算、自主智慧決策，以更大限度地減少人工干預(yù)，實現(xiàn)預(yù)期功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 技術(shù)構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)是借助一定的通信協(xié)議將各種信息格式進(jìn)行統(tǒng)一化，以便實現(xiàn)物物相連。其實質(zhì)是前端設(shè)備（物）采用傳感等方式采集數(shù)據(jù)，并按照約定格式的通訊協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接，再通過云計算等方式對數(shù)據(jù)篩選、加工、處理，以實現(xiàn)對所連接物體的智能化處理。從構(gòu)成上，物聯(lián)網(wǎng)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和信息處理應(yīng)用層等三個層次。物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架圖

物聯(lián)網(wǎng)感知層是感知信息和數(shù)據(jù)的前端功能層，其主要包括傳感器、執(zhí)行器、無線通信等設(shè)備。感知層能夠?qū)δ繕?biāo)信息進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層（IoT Network Layer）是借助IP 協(xié)議、6LoWPAN 協(xié)議、RFID 協(xié)議、ZigBee 協(xié)議實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)層能夠為數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)級別的服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層（IoT Application Layer）是采用MQTT、HTTP、CoAP、AMQP、XMPP 等協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)及其擴(kuò)展，通過管理和控制物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備，收集和分析設(shè)備數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)各種應(yīng)用和服務(wù)。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最頂層。

3.2 模塊組成

第一，終端。終端包括數(shù)據(jù)采集終端和信息輸出終端。數(shù)據(jù)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(jié)冰傳感器等，這些傳感器部署在公路沿線和關(guān)鍵位置，負(fù)責(zé)實時采集公路氣象數(shù)據(jù)。信息輸出終端包括LED 顯示和交通誘導(dǎo)燈，其能夠?qū)Ψ?wù)器返回的實時風(fēng)險等級結(jié)果等信息作出響應(yīng)，如LED 顯示氣象信息和風(fēng)險狀況，交通誘導(dǎo)燈根據(jù)預(yù)設(shè)發(fā)出變化閃頻警示等。

第二，主控板。主控板作為系統(tǒng)的核心控制單元，承擔(dān)著多項重要任務(wù)，具備高度智能化和實時性。主控板能夠根據(jù)寫入的風(fēng)險等級算法，計算風(fēng)險等級，再根據(jù)不同風(fēng)險等級智能決策，向LED 顯示屏和交通誘導(dǎo)燈發(fā)送對應(yīng)指令。

第三，心跳檢測。主控板作為系統(tǒng)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(fā)送心跳信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和通信連接是否正常。

第四，網(wǎng)絡(luò)通訊。為了保證氣象數(shù)據(jù)及時到達(dá)服務(wù)器以實現(xiàn)實時傳輸，應(yīng)采用4G 通信模塊。

第五，服務(wù)器。服務(wù)器是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，可采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲氣象數(shù)據(jù)。服務(wù)器負(fù)責(zé)接收來自主控板的數(shù)據(jù)，并將處理后的氣象參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。此外，服務(wù)器中還具有數(shù)據(jù)處理和風(fēng)險等級計算應(yīng)用程序，可用于計算風(fēng)險等級。

4 智慧安全出行系統(tǒng)開發(fā)

4.1 總體設(shè)計

4.1.1 系統(tǒng)模式

基于用戶使用方便、系統(tǒng)維護(hù)簡單等考慮，智慧安全出行系統(tǒng)可采用C/S 與B/S 混合軟件體系結(jié)構(gòu)開發(fā)模式，即利用C/S 模式的高可靠性構(gòu)建企業(yè)應(yīng)用（包括輸入、計算和輸出），再利用B/S 模式的廣泛性構(gòu)建服務(wù)或延伸企業(yè)應(yīng)用（主要是查詢和數(shù)據(jù)交換）。該模式可有效發(fā)揮C/S 與B/S 模式各自的優(yōu)勢。

4.1.2 接口框架

智慧安全出行系統(tǒng)可采用Microsoft ASP.Net Web API 框架。Web API 是一種應(yīng)用接口框架，能夠構(gòu)建HTTP 服務(wù)以支撐更廣泛客戶端（如：Windows Forms、瀏覽器，手機(jī)和平板電腦等）的框架，是構(gòu)建RESTful 應(yīng)用程序的理想平臺。由于Web API是基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，考慮采用用戶令牌、安全簽名進(jìn)行數(shù)據(jù)提交，提供公開接口調(diào)用等方式，以有效應(yīng)對安全問題。

4.2 數(shù)據(jù)運算

4.2.1 數(shù)據(jù)采集

第一，設(shè)置氣象觀測站點。在通行車流量較大的長大下坡路段可設(shè)置配有多種傳感器的氣象站點，負(fù)責(zé)全面采集路段氣象數(shù)據(jù)，如能見度、降水量、結(jié)冰情況等。

第二，數(shù)據(jù)采集。大氣能見度測量儀應(yīng)采用光學(xué)及電子技術(shù)，測定大氣能見度。雪量傳感器能夠感應(yīng)到雪花的落下，并通過內(nèi)部算法檢測出雪的強(qiáng)度、密度和速度等關(guān)鍵信息。脈沖型雨量計可通過接收被降雨所激發(fā)的電信號，并將其轉(zhuǎn)化成脈沖信號以便于記錄和分析。道路結(jié)冰傳感器能夠?qū)崟r檢測道路表面溫度和濕度，預(yù)測道路結(jié)冰的可能性并及時發(fā)送信號給控制系統(tǒng)。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

第一，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。主控板能夠?qū)⒏鞣N傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯聚，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、插補(bǔ)、濾波等操作，篩選并去除異常值后，將其轉(zhuǎn)換為可用的氣象參數(shù)，然后通過有線通信（如以太網(wǎng)、RS-485 等）將數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器上的SQL Server 數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫能夠根據(jù)寫入的運算法則計算出風(fēng)險等級，并實時返回到監(jiān)測主控板。

第二，數(shù)據(jù)共享。將實時采集的不同格式的降水量、能見度、結(jié)冰情況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式后進(jìn)行存儲，并通過云計算進(jìn)行匯聚、運算，一旦數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的風(fēng)險閾值，立刻發(fā)送信號至智能管理和智能服務(wù)模塊，實現(xiàn)交互共享。

4.2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

選擇合適的數(shù)據(jù)可視化工具，將數(shù)據(jù)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(fēng)險等級結(jié)果返回給氣象站點的同時，采集到的各種相關(guān)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)也會在可視化工具的作用下呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上，及時提供各個氣象站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，供相關(guān)部門查看與決策。

4.3 系統(tǒng)生成

智慧安全出行系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器、主控板、服務(wù)器和用戶界面連接在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、存儲和應(yīng)用。該系統(tǒng)由氣象站、計算機(jī)平臺和控制顯示系統(tǒng)組成。

氣象站的數(shù)據(jù)探測和處理設(shè)備進(jìn)行長大下坡路段特殊天氣數(shù)據(jù)采集，再通過智能化數(shù)據(jù)處理和傳輸，為計算機(jī)平臺提供可用數(shù)據(jù)。

計算機(jī)平臺是整個系統(tǒng)的核心部分，其負(fù)責(zé)安全風(fēng)險運算、風(fēng)險管控措施指令的智能發(fā)布，功能的實現(xiàn)是通過寫入風(fēng)險評估指標(biāo)體系，設(shè)置好風(fēng)險等級的運算法則，預(yù)設(shè)不同風(fēng)險等級下顯示系統(tǒng)的響應(yīng)動作，得到可用數(shù)據(jù)后，計算風(fēng)險，并根據(jù)風(fēng)險等級發(fā)出動作指令，同時推送信息到共享設(shè)備。

控制顯示系統(tǒng)包括控制主板、LED 顯示屏、誘導(dǎo)燈、供電系統(tǒng)等。控制主板接收計算機(jī)平臺發(fā)送的指令信息后，將指令分析處理傳達(dá)給LED 顯示屏和誘導(dǎo)燈，LED 顯示屏可根據(jù)指令向來往車輛提供交通信息，誘導(dǎo)燈可通過風(fēng)險等級變化閃爍頻率，對來往車輛進(jìn)行提前預(yù)警。智慧安全出行系統(tǒng)流程如圖2 所示。

5 結(jié)語

智慧交通是深化改革、務(wù)實創(chuàng)新以及加快推進(jìn)“四個交通”發(fā)展的重點內(nèi)容之一。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧安全出行系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jù)，為公路運營部門提供實時數(shù)據(jù)信息，為公路使用者提供安全指導(dǎo)和保障。因此，需要對一體化系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究，以進(jìn)一步提高公路出行信息化運營和管理水平，保證交通安全。