基于“北斗+”的交通基礎設施智慧監測平臺研究及應用

中圖分類號：TN967.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）19-0013-05

Abstract：Inrecentyears，withtheacelerationofChina’surbanizationprocess，thetransportationnetworkhascontinuedto expandandtraffcflowhascontinuedtoincrease.Ensuringthesafeandstableoperationoftransportationinfrastructurehas becomeanurgentissetobesolved.Thispaperaimstodiscussthedesignimplementationandappicationofatransportation infrastructureinteligentmonitoringplatformbasedon\"Beidouplus\"toimprovethemonitoringaccuracy，effciencyand intelligence level of transportation infrastructure.

KeyWords：Beidouplus；transportation infrastructure;intellgent monitoring; intelligence;visualizedplatform

交通基礎設施作為國民經濟和社會發展的基石，其安全、穩定運行對于保障人民群眾生命財產安全、促進經濟社會發展具有重要意義。然而，隨著交通網絡的不斷擴展和交通流量的持續增加，交通基礎設施面臨著越來越多諸如地質災害、結構老化、施工缺陷等挑戰。傳統的監測手段存在監測范圍有限、效率低、響應滯后等問題，越來越難以滿足現代交通基礎設施安全監管的需求1。因此，探索多技術融合的監測方式，提高監測效率和準確性，成為交通基礎設施安全監管的重要課題。

近年來，隨著北斗衛星導航系統的全面建設和衛星遙感、物聯網、5G、人工智能等技術的快速發展為交通基礎設施的智慧監測提供了新的契機。作為我國自主研發的全球衛星導航系統，北斗衛星導航系統具有高精度導航定位、精準授時和短報文通信等功能，能夠為交通基礎設施提供全天候實時監測服務；衛星遙感、物聯網技術可分別為交通基礎設施安全監測提供全方位面域和實時點域監測數據支撐；5G技術可有效保障時空數據的高效傳送和應急通信；而人工智能技術通過對數據的專業分析和處理，可為交通基礎設施的安全評估和預警提供科學依據。本研究旨在將北斗、衛星遙感、5G、物聯網和人工智能等技術結合打造基于“北斗 + ”的交通基礎設施智慧監測平臺，以提高交通基礎設施智慧監測的精度、效率和智能化水平

1背景及國內外現狀

交通基礎設施作為一切經濟和社會活動的載體，可將生產、分配、交換以及消費的各環節有機串聯，是社會經濟活動得以正常進行和持續發展的前提。全面精準地掌握交通基礎設施的運行狀態，是保障其安全運營的關鍵。目前，我國在交通基礎設施建設成績斐然，高速公路里程、高速鐵路里程、萬噸級及以上生產用碼頭泊位數量以及城市地鐵里程均居世界榜首。2021年2月，中共中央、國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》明確要強化交通基礎設施預防性養護維護、安全評估，加強長期性能觀測，完善數據采集、檢測診斷、維修處治技術體系，加大病害治理力度，及時消除安全隱患。同年8月，交通運輸部公開發布的《交通運輸領域新型基礎設施建設行動方案（2021—2025年）》明確提出要建設監測、調度、管控、應急、服務于一體的智慧路網平臺，深化挖掘大數據應用，實現視頻監控集成管理、事件自動識別、智能監測與預警、分車道管控、實時交通誘導和路網協同調度等功能。由此可見，深入開展交通基礎設施智慧監測平臺的研究工作意義重大。

1.1交通基礎設施智慧監測系統研究現狀

在國際上，發達國家對交通基礎設施智慧監測高度重視，投入大量資源進行研究與實踐。例如，美國建立了基于多種先進傳感器和數據分析技術的橋梁與高速公路監測系統4，歐洲部分國家也通過融合多種監測技術實現了對鐵路、隧道等基礎設施的綜合監測，此外，挪威、加拿大、瑞士、日本等國家也相繼建立起了不同規模的現代化橋梁災害風險智能化感知系統，實現對橋梁的位移、擾動、加速度、傾斜度和溫濕度等數據進行長時間自動監測，及時發現橋梁的疲勞損傷狀況。

我國的交通基礎設施監測起步較晚但發展迅速，許多研究院所、高校、企業對結構安全監測技術進行了理論研究，部分成果已應用在大壩、橋梁、隧道等設施上，取得了一定的成果。哈爾濱工業大學、重慶交通大學、東南大學等高校成立了專門研究橋梁健康監測的團隊。目前，國內的絕大多數大型橋梁均配備了結構安全監測系統，例如著名的杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋、九江長江大橋等。除此之外，智能監測系統也成為許多邊坡、隧道運營管理的標配。隨著交通網絡的不斷擴展和完善，對交通基礎設施智慧監測平臺建設的研究將會進一步加強，以期發揮更大的效益，

1.2“北斗 +^： “技術研究現狀

北斗衛星導航系統是我國自主建設運行的全球衛星導航系統，可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航、授時和短報文通信服務。作為提供時空基準的基礎設施，北斗系統具有天然的融合屬性。近年來，北斗系統與衛星遙感、物聯網、5G、大數據和人工智能等先進技術以及與交通網、高鐵網、電力網等領域基礎設施的融合，已逐步成為其信息化網絡建設進程中不可或缺的技術手段。在地質災害監測領域，上海華測導航技術股份有限公司研制了一款融合應用衛星導航、大數據、云計算等技術的普適性傳感器正在改變傳統的監測模式，可對災害監測有更精準的判斷;在城市基礎設施安全監測領域，張祺媛等[]將北斗和5G技術融合，打造了城市基礎設施安全監測系統，整體提升了城市安全監測系統的實時性、準確性、高效性和可靠性；黃俊松等[將北斗和InSAR技術融合研制了交通設施健康監測系統，有效提升了交通設施安全監測的效率和智慧化水平；隨著相關技術的不斷發展，“北斗+”必將全面滲透自然資源、通信、交通、電力、水利等行業基礎設施數字化轉型的各個環節，有力助推行業邁向技術更精湛、產業更成熟、市場更廣闊的全新發展階段。

2基于\"北斗 ⁺ ”的交通基礎設施智慧監測平臺建設

2.1 需求分析

2.1.1 提升監測精度與實時性需求

交通基礎設施的結構復雜且受力情況多變，如橋梁在車輛荷載、風荷載、溫度變化等多種因素作用下的變形監測，需要高精度的定位和實時的數據獲取。傳統監測手段無法滿足這一需求，而北斗系統的高精度定位功能結合5G等快速傳輸技術，能夠實現對結構微小變形的實時精確監測，及時捕捉異常情況，

2.1.2全面環境感知與預警需求

交通基礎設施受周邊自然環境影響巨大，如道路邊坡受降雨、地震等因素影響可能發生滑坡，隧道受地質變化影響可能出現襯砌變形等。僅靠局部傳感器無法全面感知環境變化，北斗 + 遙感技術可以從宏觀角度監測周邊環境，結合物聯網連接的大量傳感器，實現對交通基礎設施環境的全方位感知，提前預警潛在災害。

2.1.3 智能化數據分析與決策需求

面對海量的監測數據，傳統分析方法難以快速準確地提取有效信息。交通基礎設施的維護和管理需要依據準確的數據分析結果做出科學決策。北斗 + 人工智能技術能夠自動識別數據中的異常模式，通過機器學習算法建立結構健康評估模型，為管理人員提供智能化的決策支持。

2.1.4設備協同管理與遠程維護需求

交通基礎設施監測涉及大量分布廣泛的設備，設備的協同工作和有效管理是保障監測系統正常運行的關鍵。傳統的設備管理方式效率低下，而北斗 + 物聯網技術可以實現設備的精準定位和遠程管理，方便對設備進行參數配置、故障診斷和維護，提高設備的運行效率和可靠性。

2.2 架構設計

基于\"北斗 + ”的智能化交通基礎設施智慧監測平臺主要由感知層、網絡層、數據層、能力層、應用層，以及平臺建設必須遵循的標準規范體系和安全保障體系組成，總體架構如圖1所示。

2.2.1 感知層

匯聚采集包括天基衛星遙感數據、空基無人機數據，地基北斗監測終端、三維激光掃描儀、各類物聯網傳感器（如溫濕度、應變、加速度和傾角等）數據，形成天空地全方位、點線面全貫穿的一體化交通基礎設施立體感知體系，形成多源數據，全面反映結構和環境狀況。

2.2.2 網絡層

網絡層主要由公網、安全專網和其他網絡組成，集成北斗短報文通信、5G通信和物聯網通信等技術保障數據傳輸的穩定性、快速性和安全性。

2.2.3 數據層

數據層主要對前端采集的多源海量數據進行匯聚，形成知識庫、主題庫、專題庫等數據庫，并實現對相關數據的抽取、加載、清洗、融合、存儲和轉發等操作，實現城市級信息資源的匯聚共享、共用，并為各類分析應用提供支撐。

2.2.4 能力層

能力層主要基于微服務打造公共服務集市，為主要各行業應用系統提供通用能力，包括智能算法引擎、高精度位置服務、短報文通信服務、數字孿生仿真服務和遙感影像服務等特色服務，同時提供統一標準和接口，將已有平臺的服務接入服務平臺。

2.2.5 應用層

應用層主要包括對橋梁、隧道、邊坡等交通基礎設施進行安全監測的專項應用系統，為用戶提供直觀、便捷的操作界面，展示監測結果和預警信息。管理人員可以通過此界面實時掌握交通基礎設施的健康狀況，并根據數據分析結果自動生成維護計劃和決策建議，輔助管理人員高效地進行維護和管理工作。

2.3關鍵技術實現

2.3.1北斗 +5G 數據傳輸技術

通過優化數據整合算法和通信協議，確保北斗監測數據和其他傳感器數據在5G網絡下的高效、穩定傳輸。采用自適應帶寬分配機制，根據數據優先級和網絡狀況合理分配帶寬，保障實時性要求高的數據優先傳輸，提高數據傳輸的整體質量。

2.3.2北斗 + 遙感數據融合技術

采用高精度的圖像配準算法，將北斗位置信息與遙感圖像進行精確匹配。利用深度學習圖像分析技術，從遙感圖像中準確提取交通基礎設施及其周邊環境的特征信息，結合北斗的動態位置數據，實現對環境變化的實時監測和分析，為災害預警提供有力依據。

2.3.3北斗 + 物聯網設備管理技術

構建基于北斗定位的物聯網設備管理平臺，實現設備的實時定位、狀態監測和遠程控制。通過設備間的互聯互通和智能協作，實現故障的自動診斷和預警，降低設備維護成本，提高設備的整體可靠性和使用壽命。

2.3.4北斗 + 人工智能數據分析技術

運用先進的深度學習模型，如長短時記憶網絡（LSTM）等，對長期的監測數據進行分析，提高對交通基礎設施結構損傷和性能退化的識別能力。通過強化學習算法優化決策模型，使系統能夠根據不同的監測結果生成更合理的維護策略。

3 應用場景

3.1橋梁健康監測

作為交通基礎設施的重要組成部分，橋梁設施的安全性直接關系到人民生命財產安全?；凇氨倍?+ ；遙感、物聯網、人工智能、大數據、5G等技術，構建橋梁安全監測系統（如圖2所示），從而實現對橋梁健康的實時監測和智能化預警。通過在橋梁上安裝北斗三號高精度接收機和撓度、振動、應力應變、環境溫濕度等各類物聯網監測終端，對橋梁的位移、撓度、應變、振動等信息進行實時監測，并利用人工智能技術對采集到的時空大數據進行處理和分析，從而有效評估橋梁的健康狀況和安全風險，及時發現潛在的安全隱患，為橋梁的維護和管理提供科學依據

3.2 隧道安全監測

隧道是山區和丘陵地區交通基礎設施中的重要通道，其安全性同樣至關重要?；凇氨倍?+ 遙感、物聯網、人工智能、大數據等技術，構建隧道安全監測系統（如圖3所示），可實現對隧道安全的實時監測和預警。通過在隧道內部和外部安裝北斗定位終端和其他傳感器設備，采集隧道的位移、變形、溫度等參數信息，并利用人工智能技術對采集到的時空大數據進行處理和分析，可以評估隧道的穩定性和安全風險，及時發現潛在的安全隱患，為隧道的維護和管理提供科學依據。

3.3 邊坡穩定性監測

道路邊坡失穩不僅可能損毀道路、橋梁、涵洞、防護欄等附屬設施，致使車輛無法正常通行，嚴重時還會引發重大交通事故，造成人員傷亡與財產損失，因此，開展道路邊坡穩定性監測具有重要意義。借助“北斗 +^′ 遙感、物聯網、人工智能、大數據等前沿技術搭建邊坡安全監測系統（如圖4所示），可實現對邊坡穩定性的全方位監測和預警?；谔旎鵖AR數據，運用時序InSAR技術對道路邊坡穩定性展開大范圍普查，獲取邊坡面域形變信息；在此基礎上，在形變高風險區域布設北斗三號高精度接收機、深部位移、巖土應力、降雨等物聯網監測終端，實時監控邊坡不同部位各類裂縫的演變進程；同時，結合邊坡周邊地質、植被、氣象和水文等數據，通過定量的分析方法對道路邊坡的穩定程度進行評估分級，從而及時發現潛在安全隱患并發布預警，為有效防范和化解災害風險提供更為科學、精準的技術保障。

4結束語

交通基礎設施安全穩定運行對于保障人民的生命財產安全具有重要意義?！氨倍?⁺ ”技術在交通基礎設施智慧監測中的應用，為交通基礎設施安全監管提供了新的解決方案，通過融合多種先進技術，打造基于“北斗 + ”的交通基礎設施智慧監測平臺可實現對交通基礎設施安全的全方位實時監測、智能預警和應急處置，有效提升安全監管的效率和智能化水平。

盡管在建設過程中仍然面臨著一些技術和成本方面的挑戰，但隨著技術的持續進步和應用經驗的不斷積累，基于“北斗 + ”的交通基礎設施智慧監測平臺必將在交通領域發揮更為重要的作用，為交通基礎設施的可持續發展保駕護航

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