陶永峰

（浙江嘉紹跨江大橋投資發(fā)展有限公司 紹興 312000）

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是：“the internet of things”。由此，顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換與通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。同時(shí)全國高速公路即將迎來物聯(lián)網(wǎng)智慧時(shí)代，看似空中樓閣，但已經(jīng)悄悄地深入各大高速公路的方方面面，而嘉紹大橋的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)具有國內(nèi)外先進(jìn)代表性，本文將對其作深入描述和展望探究。

1 微波車輛檢測器

微波車輛檢測器（RTMS）是一種利用現(xiàn)代高科技雷達(dá)技術(shù)實(shí)時(shí)檢測和定位區(qū)域內(nèi)車輛及其各種交通數(shù)據(jù)的設(shè)備。嘉紹大橋南北橋頭分別布設(shè)了1套微波車輛檢測器，采用側(cè)掛式的微波車輛檢測器，在扇形區(qū)域內(nèi)發(fā)射連續(xù)的低功率調(diào)制微波，并在路面上留下一條長長的投影。RTMS在微波束的發(fā)射方向上以0.38m為一層面，分層探測物體，微波束的發(fā)射角為50°，方位角為12°。安裝好以后，它向公路投影形成一個(gè)可以分為254個(gè)層面的橢圓形波束，用戶可將檢測區(qū)域定義為一層或多層。RTMS根據(jù)被檢測目標(biāo)返回的回波，測算出目標(biāo)的交通信息，每隔一段時(shí)間通過RS－232向控制中心發(fā)送。它的車速檢測原理是：根據(jù)特定區(qū)域的所有車型假定一個(gè)固定的車長，通過感應(yīng)投影區(qū)域內(nèi)的車輛的進(jìn)入與離開經(jīng)歷的時(shí)間來計(jì)算車速。1臺(tái)RTMS側(cè)掛可同時(shí)檢測8個(gè)車道的車流量、道路占有率和車速。

利用微波及其定位功能，RTMS可以在惡劣天氣或振動(dòng)情況下準(zhǔn)確檢測車輛和被其遮擋的其他車輛。

RTMS接收其微波波束覆蓋的路面、車輛、隔離帶以及樹叢的反射信號(hào)。其內(nèi)部存在著來自各個(gè)微片對應(yīng)的固定反射物的背景信號(hào)；當(dāng)車輛走過檢測區(qū)時(shí)，對應(yīng)區(qū)的反射信號(hào)強(qiáng)度將超過背景信號(hào)之上的一定的閾值，RTMS就會(huì)檢測到該車輛。因此，通過大橋微波車輛檢測器的良好應(yīng)用，可以時(shí)時(shí)收集大橋高速公路的路況車輛通行信息。

2 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)與事件檢測分析儀

嘉紹大橋配備了48路視頻事件檢測分析儀，顧名思義，分析儀借助視頻圖像基礎(chǔ)，通過haivision inside技術(shù)采集圖像中事件信息，按約定的協(xié)議轉(zhuǎn)化事件性信息，對車輛逆行、拋灑物、行人、火災(zāi)等異常交通事件進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。

剖析haivision inside技術(shù)7層處理算法簇：第一層圖像抖動(dòng)，采用獨(dú)創(chuàng)改良的梯度方向直方圖和局部二值模式（HOG－LBP）相結(jié)合的方式來獲取車輛和行人的特征，然后采用SVM（支持向量機(jī)）的方法進(jìn)行訓(xùn)練，獲取訓(xùn)練器，提高實(shí)現(xiàn)多類目標(biāo)的準(zhǔn)確分類。第二層圖像預(yù)處理，采用自創(chuàng)的特征點(diǎn)結(jié)＋區(qū)域協(xié)方差（region－covaricance），color histogram等多層次結(jié)合的方法進(jìn)行有效的匹配。確保在復(fù)雜的環(huán)境中提取到一個(gè)完整的目標(biāo)輪廓和運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。第三層背景建模，采用獨(dú)創(chuàng)的 HOG（histogram of orient gradient）理論結(jié)合＋Haar小波算子等方式過濾燈光、道路積水反射、水波及倒影等對智能交通具有重大影響的干擾。第四層前景一，用HSV色度空間和離散實(shí)時(shí)紋理過濾算法（discretetexture）很大程度上去掉目標(biāo)的陰影，讓目標(biāo)提取精度較大提升。第五層前景二，使用海視多層背景與前景（multilayer foreground）的理論框架，并很好地應(yīng)用于各種復(fù)雜的場景中。該復(fù)合模型能精確捕捉背景任何微小的變化，并以恰當(dāng)?shù)臋?quán)值反應(yīng)到數(shù)學(xué)模型里。第六層目標(biāo)跟蹤，通過直方圖進(jìn)行平滑處理以消除而后進(jìn)行直方圖均衡化等高級灰度拉伸算法（改良的CLAHE）。第七層目標(biāo)分類，用基于海視算法的宏塊搜索（macroblock search）結(jié)合SURF方法的電子穩(wěn)相方法來修正攝像機(jī)抖動(dòng)產(chǎn)生的圖像和視頻扭曲和偏移。嘉紹大橋所處環(huán)境有鹽霧潮濕及橋面橫風(fēng)較大特點(diǎn)，對于通過視頻圖像而監(jiān)控分析實(shí)時(shí)路況提出了更高的要求。為此，嘉紹大橋采用獨(dú)具特色的H3ML架構(gòu)技術(shù)，通過背景自動(dòng)學(xué)習(xí)、補(bǔ)償?shù)人惴?，能全天候?qū)毫迎h(huán)境下的各種干擾因素有效過濾，如：雨、雪、霧天氣對畫面質(zhì)量的影響，調(diào)整夜晚強(qiáng)光、道路陰影、隧道內(nèi)昏暗弱光，道路旁樹葉遮擋，路面積水反光，攝像機(jī)抖動(dòng)等 。準(zhǔn)確率和誤報(bào)率皆具有國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。嘉紹大橋這一物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了對全橋上所有車輛的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，對車輛逆行、低速行使、拋灑物、行人等多種事件的自動(dòng)檢測，減少了人工監(jiān)控時(shí)超時(shí)觀測，甚至漏看的情況，從技術(shù)角度保證了路面、車輛甚至人員的安全，大大提高了高速營運(yùn)的整體管理水平和管理效率。

3 “感知大橋”橋梁結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)

嘉紹大橋是目前在國內(nèi)外有較大影響力的特大型橋梁，為輔助嘉紹大橋百年運(yùn)營期的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)管，減少橋梁災(zāi)難性事故發(fā)生的概率，根據(jù)交通運(yùn)輸部（交公路發(fā)〔2007〕336號(hào)）《公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作制度》的相關(guān)要求，綜合利用當(dāng)代最新的傳感測試、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)信息、風(fēng)險(xiǎn)管理、橋梁計(jì)算分析、巡檢技術(shù)等最新的技術(shù)成果所研發(fā)構(gòu)建的適合嘉紹大橋運(yùn)營環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測巡檢管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)如下主要目的。

（1）根據(jù)交通運(yùn)輸部針對公路特大型橋梁進(jìn)行運(yùn)營期結(jié)構(gòu)安全“信息化監(jiān)管”的最新要求，建立嘉紹大橋全壽命期數(shù)字化、信息化橋梁檔案，服務(wù)于橋梁運(yùn)營監(jiān)管養(yǎng)護(hù)工作，力求使嘉紹大橋結(jié)構(gòu)及其各附屬設(shè)施處于較高的服務(wù)水平。

（2）從大橋“出生”開始，在百年的服役期內(nèi)及時(shí)“感知橋梁”，盡早發(fā)現(xiàn)運(yùn)營中橋梁結(jié)構(gòu)自身及行車所面臨的危險(xiǎn)，監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)及其發(fā)展趨勢，使運(yùn)營期橋梁實(shí)時(shí)處于“可知、可控”的狀態(tài)，并在橋梁結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)處于萌芽階段即發(fā)出警示。

（3）定制并規(guī)范橋梁運(yùn)營期的養(yǎng)護(hù)維修行為，力求做到“主動(dòng)、預(yù)防性”管養(yǎng)，輔助制定經(jīng)濟(jì)、合理的維修維護(hù)措施。

（4）收集橋梁自然環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，為國內(nèi)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展以及橋梁安全監(jiān)測國家及行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)對大橋結(jié)構(gòu)高效、安全的監(jiān)管，系統(tǒng)可及時(shí)獲知橋梁環(huán)境荷載、交通荷載、地震以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)、外觀損傷等信息，并在此基礎(chǔ)上定期對大橋進(jìn)行綜合評估。據(jù)此，嘉紹大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測巡檢管理系統(tǒng)由自動(dòng)化傳感測試子系統(tǒng)、電子化人工巡檢管理子系統(tǒng)以及基于兩者之上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估與安全預(yù)警子系統(tǒng)構(gòu)成。

自動(dòng)化傳感測試子系統(tǒng)側(cè)重于環(huán)境荷載、交通荷載、地震以及結(jié)構(gòu)代表性構(gòu)件以及整體的靜動(dòng)力響應(yīng)的監(jiān)測；而電子化人工巡檢養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)則側(cè)重關(guān)注橋梁主體構(gòu)件、橋面系以及附屬設(shè)施的表觀損傷的巡檢和維護(hù)（修）管理。

（1）自動(dòng)化傳感測試子系統(tǒng)，主要包括如下3個(gè)模塊：①傳感器模塊。通過傳感器將各類橋梁運(yùn)營環(huán)境以及結(jié)構(gòu)受力信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或光信號(hào)；②數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。將傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)字信號(hào)并完成遠(yuǎn)程傳輸；③數(shù)據(jù)處理與控制模塊。對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及二次處理，以向其他子系統(tǒng)提供可靠、有效的數(shù)據(jù)，還可根據(jù)用戶需要實(shí)時(shí)及歷史查詢和修改采集、傳輸參數(shù)等。

（2）電子化人工巡檢管理子系統(tǒng)。根據(jù)大橋各主體構(gòu)件、橋面系及各附屬設(shè)施的材料、涂裝防腐及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，針對性地定制嘉紹大橋結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件、橋面系及各附屬設(shè)施的的巡檢內(nèi)容，研發(fā)橋梁電子化巡檢管理軟件模塊并編制對應(yīng)的巡檢養(yǎng)護(hù)手冊。培訓(xùn)運(yùn)營期管養(yǎng)單位或機(jī)構(gòu)，根據(jù)子系統(tǒng)以及手冊設(shè)定的結(jié)構(gòu)巡檢任務(wù)內(nèi)容及時(shí)安排人員和設(shè)備按計(jì)劃進(jìn)行定時(shí)定量、程序化和制度化的巡檢工作，并按系統(tǒng)軟件要求完成巡檢的信息化錄入、存儲(chǔ)、管理、分析、維修（護(hù)）工作。

（3）結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估及安全預(yù)警子系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測、巡檢數(shù)據(jù)定期進(jìn)行橋梁狀態(tài)發(fā)展趨勢統(tǒng)計(jì)分析、橋梁內(nèi)力狀態(tài)評估、結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性分析和鋼結(jié)構(gòu)疲勞分析，并結(jié)合歷次巡檢數(shù)據(jù)和信息對橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用狀況進(jìn)行評估，定期為橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位提供具有實(shí)用價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義的橋梁綜合評估定期報(bào)告。

（4）中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。根據(jù)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支撐系統(tǒng)，完成全壽命期所有監(jiān)（檢）測靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的資料、信息、數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲(chǔ)、管理和調(diào)用等工作。

（5）用戶界面子系統(tǒng)。將橋梁全壽命期各種監(jiān)（檢）測靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的資料、信息、數(shù)據(jù)按用戶要求分類分級按授權(quán)向不同用戶展示，并且按授權(quán)接受不同用戶對系統(tǒng)的控制與輸入。

4 嘉紹大橋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展望

物聯(lián)網(wǎng)具有廣闊的行業(yè)應(yīng)用需求，在中國物聯(lián)網(wǎng)市場其市場前景將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等市場。但目前從整體來看，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍處于初級階段，技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品以及市場并不成熟。細(xì)心觀察交通這一物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域，目前基本停留在個(gè)別系統(tǒng)單獨(dú)的物物聯(lián)網(wǎng)而已?？v觀世界物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，嘉紹“智慧大橋”的時(shí)代即將順勢而來，高速公路物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用還有以下路要走。

（1）統(tǒng)籌規(guī)劃、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間統(tǒng)一協(xié)議。（2）對全橋無線網(wǎng)絡(luò)完美覆蓋，實(shí)現(xiàn)物物之間的信息交換、傳輸。

（3）隨著傳感器的日漸成熟，橋梁結(jié)構(gòu)和營運(yùn)設(shè)備各個(gè)部位的傳感到位。

（4）通過手機(jī)的智能化或車輛OBU升級，實(shí)現(xiàn)大橋中心與路上行車的信息交換和通信。

（5）成熟可行的商業(yè)模式和完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。

展望嘉紹智慧大橋的未來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以自動(dòng)檢測并向監(jiān)控中心報(bào)告嘉紹大橋的“健康狀況”，并對過載車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)交通信息服務(wù)，如告知車行人員前方有事故，進(jìn)行交通誘導(dǎo)。另一方面，還能在第一時(shí)間對超載超限、違禁車輛和黑名單車輛進(jìn)行報(bào)警和記錄，并自動(dòng)通知相關(guān)單位。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以根據(jù)環(huán)境和車輛行駛情況自動(dòng)調(diào)節(jié)光亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以根據(jù)采集到的大橋環(huán)境氣象信息，自動(dòng)發(fā)布預(yù)案和信息。同時(shí)，大橋與GPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)相連接，在電子地圖上準(zhǔn)確、及時(shí)反映出大橋的空間地理位置、安全狀況、車流量等信息。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)不是科技狂想，而是又一場科技革命。物聯(lián)網(wǎng)使物品和服務(wù)功能都發(fā)生質(zhì)的飛躍，這些新的功能將給使用者帶來進(jìn)一步的效率、便利和安全。盡管就其目前的發(fā)展還存在一些問題需要解決：如政策法規(guī)問題、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)問題、管理平臺(tái)的形成問題等，但是推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)在高速公路行業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高速交通領(lǐng)域智能化識(shí)別與管理，是未來推動(dòng)高速公路信息建設(shè)切入點(diǎn)，是有效“感知中國”，實(shí)現(xiàn)“智慧地球”所不可或缺的重要組成部分。嘉紹大橋的智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)步伐將緊跟其上。