文 / 本刊記者 陳楠枰

基于物聯(lián)網(wǎng)的公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與效率提升 活用路網(wǎng)監(jiān)測(cè)傳感器

文 / 本刊記者 陳楠枰

現(xiàn)在都是高速路網(wǎng)邊埋光纖，但是在例如普通公路這樣沒有布設(shè)傳感器的地方，用什么技術(shù)解決數(shù)據(jù)獲取感知問題？如何改變?cè)泄ぷ髂Ｊ?，用信息化手段幫助提高公路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理能力？應(yīng)該給公眾發(fā)布什么信息能讓人最關(guān)注，以什么形式發(fā)布？

使未來(lái)公路管理更加基于自動(dòng)化手段感知、傳輸和應(yīng)用信息，從被動(dòng)式的“你去看”，到主動(dòng)推動(dòng)人們注意和運(yùn)用信息，借此提高自身的運(yùn)營(yíng)管理服務(wù)能力。這些都是《基于物聯(lián)網(wǎng)的公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與效率提升技術(shù)研究》所希望解決的。

——曹沫

藏器待時(shí)，英雄難盡散用武之力

伴隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模擴(kuò)張，公路交通發(fā)展的外部環(huán)境和要素條件都在發(fā)生著深刻復(fù)雜的變化。外部環(huán)境方面，經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)公路交通運(yùn)輸不僅保持了旺盛需求，而且對(duì)服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)行效率提出越來(lái)越高的要求，不僅要“走得了”，還要能“走得好”。

據(jù)了解，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的公路運(yùn)輸發(fā)展理念早已不再局限于修建新的道路，而正轉(zhuǎn)向于對(duì)現(xiàn)有公路改造和挖掘潛力。為提高公路使用效率，使公路使用者在公路上真正達(dá)到安全、舒適和高效，并使公路管理者提高管理水平、正確決策，歐、美、日國(guó)家已經(jīng)開始著力于研究借助通訊、控制、信息、管理技術(shù)以推動(dòng)交通智能化發(fā)展。

國(guó)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通管理與誘導(dǎo)是提升公路交通服務(wù)能力的重要途徑。

反觀國(guó)內(nèi)，隨著機(jī)動(dòng)化時(shí)代到來(lái)，站在新歷史起點(diǎn)上，面對(duì)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新要求和新技術(shù)迅猛發(fā)展的新形勢(shì)，中國(guó)公路智能交通發(fā)展正處在怎樣的節(jié)點(diǎn)上？

路網(wǎng)阻斷要素能充分感知檢測(cè)嗎？

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備及系統(tǒng)

“路網(wǎng)阻斷要素感知監(jiān)測(cè)不足已成為提升路網(wǎng)運(yùn)行效率的瓶頸?！苯煌ㄟ\(yùn)輸部科學(xué)研究院交通信息中心主任曹沫告訴記者，惡劣天氣、事故災(zāi)難、養(yǎng)護(hù)施工和車流量大都是我國(guó)干線路網(wǎng)交通阻斷的主要原因，但公路交通量、氣象、設(shè)施等實(shí)時(shí)基礎(chǔ)信息采集設(shè)施、設(shè)備卻仍然匱乏。

實(shí)際路段-李家灣大橋

專項(xiàng)工作協(xié)調(diào)會(huì)

交通運(yùn)輸部路網(wǎng)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置中心調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，40%的路網(wǎng)擁堵或阻滯造成，都由不良?xì)庀髼l件影響。然而，目前各地路網(wǎng)監(jiān)控中心的路網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)采集均由各地氣象局獲取，進(jìn)行直接覆蓋。“但實(shí)際在例如山區(qū)等特殊地區(qū)的團(tuán)霧或局部起霧，氣象局也并不知道?！?/p>

同時(shí)，盡管我國(guó)大橋監(jiān)測(cè)水平已不錯(cuò)，占據(jù)橋梁總量里絕大部分比例的中小型橋梁監(jiān)測(cè)問題卻一直難題待解，耗費(fèi)巨大財(cái)力安裝大橋監(jiān)測(cè)設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)，研發(fā)專屬的新型高精尖設(shè)備在資金投入上也仍無(wú)以為力。

“現(xiàn)有此類型裝備主要來(lái)自國(guó)外，國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒有此類自主技術(shù)產(chǎn)業(yè)?！辈苣硎荆环矫?，一些高性能路網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備仍依賴國(guó)外產(chǎn)品，市場(chǎng)價(jià)格居高不下，投資水平高，導(dǎo)致設(shè)備布設(shè)規(guī)模不能按交通監(jiān)控管理實(shí)際需求進(jìn)行。另一方面，部分交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)、影響因素復(fù)雜，監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)理論不完善，感知體系建設(shè)尚處于理論探索和實(shí)驗(yàn)階段。

路網(wǎng)管理可測(cè)、可視、可知、可控？

高速公路網(wǎng)上，我們需要了解什么？從路網(wǎng)來(lái)看，交通量、各路段氣象雨水情況、所有基礎(chǔ)設(shè)施狀況需要悉知。同時(shí)，邊坡、路基及橋梁狀況如何？遇到突發(fā)性擁堵，是繼續(xù)等待還是繞行？哪里又是限速限重路段？

近年來(lái)，路網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備已在各地大規(guī)模布設(shè)，監(jiān)控中心在大部分省份也相繼投入應(yīng)用，大量路網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圖像等信息匯集到一個(gè)或多個(gè)中心，為路網(wǎng)的日常管控和出行服務(wù)提供支撐。

但是，“基于物聯(lián)網(wǎng)全面感知、有效傳輸、智能處理的‘主動(dòng)管理’理念、業(yè)務(wù)架構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理評(píng)估指標(biāo)和服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)尚未建立起來(lái)，導(dǎo)致信息化與業(yè)務(wù)深度融合不足，信息資源共享水平低，在安全應(yīng)急、公共服務(wù)、決策管理和保障等公路核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域，難以形成可測(cè)、可視、可控和可知的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)路網(wǎng)管理、服務(wù)體系。”曹沫說(shuō)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧公路構(gòu)想圖

物聯(lián)網(wǎng)的第一層在于感知，如何獲取信息？其次，獲取信息后必須經(jīng)過傳輸，將所有信息數(shù)據(jù)各取所需，公路服務(wù)想要什么即提供什么，管理層需要什么亦提供相應(yīng)的。第三層即分析應(yīng)用，將大量信息數(shù)據(jù)智能化，我想怎么樣就能怎么樣，這是目標(biāo)。

采集回來(lái)的數(shù)據(jù)信息深度分析應(yīng)用了嗎？

“我們現(xiàn)在沿線安裝視頻攝像頭是最密集的，雖然現(xiàn)有技術(shù)能將視頻傳輸?shù)揭黄穑?000多個(gè)攝像頭，第一，你看得過來(lái)嗎？！第二，誰(shuí)會(huì)天天坐在那兒24小時(shí)傻乎乎地看啊？！”曹沫提出了一個(gè)令人驚嘆的問題。

隨著高速公路規(guī)模快速擴(kuò)張，公路沿線視頻監(jiān)測(cè)、交通流量設(shè)備布設(shè)速度明顯加快。但大量交通流量、位置、圖像、車速等信息向應(yīng)急指揮中心集中，靠人瀏覽、分辨每一個(gè)信息，憑經(jīng)驗(yàn)給出判斷分析結(jié)果的傳統(tǒng)工作模式越來(lái)越難以為繼。

人工巡查仍是交通事件發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)的主要方式，基于物聯(lián)網(wǎng)理念下的精簡(jiǎn)高效、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、開放合作的交通組織模式處于空白。

“實(shí)際上，現(xiàn)在往往僅是將最多出事故路段的攝像視頻擺出來(lái)看著，還是人工巡查比較常見，很多車在路上來(lái)回巡視，正好碰見了就發(fā)現(xiàn)了?！辈苣硎?，盡管能采集到不少數(shù)據(jù)，但真正到內(nèi)部管理，還是多粗放型、半人工管理為主，“監(jiān)控中心能看見，僅此而已。”數(shù)據(jù)并沒有得到最大限度有效利用。

如何高效管理數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)信息，從信息中發(fā)現(xiàn)知識(shí)，從知識(shí)中發(fā)現(xiàn)智能，從而為決策、管理和服務(wù)提供及時(shí)有效支持，成為十分迫切需求。而路網(wǎng)交通流量、氣象、路面狀況等運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、設(shè)施和系統(tǒng)建設(shè)也尚未全面納入交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)范疇。

“掌上交通”確實(shí)覆蓋了嗎？

“對(duì)于行走在路網(wǎng)上的汽車?yán)铮藗兊氖謾C(jī)信令應(yīng)用并沒有充分用起來(lái)。”曹沫指出。近年來(lái)，雖然出行交通信息服務(wù)系統(tǒng)如雨后春筍般問世。但是，借助手機(jī)實(shí)現(xiàn)智能交通信息服務(wù)的體系依舊尚未建立。

作為智慧交通最重要的展現(xiàn)途徑，“掌上交通”應(yīng)是未來(lái)交通信息服務(wù)的重要發(fā)展方向。而實(shí)際上，目前，智能手機(jī)在行駛路段及相關(guān)路網(wǎng)的天氣、事故、交通流和交通控制最新情況發(fā)布體系中的應(yīng)用仍處于起步階段?；谥悄苁謾C(jī)的突發(fā)事件報(bào)警系統(tǒng)也基本處于空白。

洞察先機(jī)，數(shù)據(jù)可控才是生產(chǎn)力

經(jīng)過多年發(fā)展，公路智能交通對(duì)提高路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行管理和安全監(jiān)管水平，提升行業(yè)社會(huì)服務(wù)和公眾出行滿意度，促進(jìn)節(jié)能減排等方面的支撐和保障作用日益凸顯。

2011年，交通運(yùn)輸部設(shè)立“基于物聯(lián)網(wǎng)的公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與效率提升技術(shù)”重大科技專項(xiàng)，著力突破物聯(lián)網(wǎng)在公路交通領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，為構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)現(xiàn)代技術(shù)體系下，更便捷高效和安全可靠的智能化路網(wǎng)管理和服務(wù)體系提供科技支撐。

“所謂基于物聯(lián)網(wǎng),即希望所有事情靠自動(dòng)感知來(lái)獲取路網(wǎng)中所有大家需要的信息?；谖锫?lián)網(wǎng)的公路網(wǎng)運(yùn)行效率提升，以物聯(lián)網(wǎng)為視角，讓將來(lái)的路網(wǎng)管理、服務(wù)更加基于信息化的先進(jìn)手段進(jìn)行運(yùn)營(yíng)監(jiān)控?！表?xiàng)目主要負(fù)責(zé)人和參與者曹沫在接受記者采訪時(shí)表示。

據(jù)介紹，專項(xiàng)以公路網(wǎng)運(yùn)行效率、服務(wù)質(zhì)量提升需求為導(dǎo)向，從物聯(lián)網(wǎng)基本特征和推廣應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)入手，在路網(wǎng)感知、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用和信息發(fā)布等眾多關(guān)鍵性技術(shù)均取得重大突破。

路面狀況監(jiān)測(cè)設(shè)備

感知

“項(xiàng)目的第一層是感知信息，解決一些我國(guó)路網(wǎng)中基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)設(shè)備支撐不到位的問題。同時(shí)，如果大量鋪設(shè)此類設(shè)備則需要制定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一?！辈苣榻B。

以物聯(lián)網(wǎng)在公路網(wǎng)管理與服務(wù)全面應(yīng)用為目標(biāo)，項(xiàng)目開展了公路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系和監(jiān)測(cè)設(shè)備通用技術(shù)條件研究。首次明確公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)涵和分類，建立以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為主的公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系；構(gòu)建公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析及發(fā)布通用設(shè)備的框架，明確公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息采集層、傳輸層、處理層和發(fā)布層的設(shè)備功能要求和自診斷、數(shù)據(jù)預(yù)處理及自組網(wǎng)泛在接入技術(shù)指標(biāo)及其要求，并為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

路段施工現(xiàn)場(chǎng)

“以建立路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、交通情況、氣象環(huán)境自動(dòng)感知體系為目標(biāo)，針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有感知設(shè)備、系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，項(xiàng)目組圍繞路網(wǎng)監(jiān)管和公眾服務(wù)需求，開展邊坡、中小橋梁、斷面交通量及承載、路段能見度、路面雨雪感知技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)研發(fā)?！?/p>

曹沫透露，在感知層中，項(xiàng)目首次建立了道路表面形態(tài)與激光光譜測(cè)量相結(jié)合的路面氣象狀態(tài)測(cè)量方法，提出雨雪環(huán)境下的激光散射模型、我國(guó)常用結(jié)構(gòu)類型中小橋綜合安全評(píng)估指標(biāo)體系、評(píng)估方法和不同安全評(píng)估等級(jí)條件下對(duì)車輛通行能力的影響及通行限制要求、基于頻率重構(gòu)的動(dòng)態(tài)軸載計(jì)算模型、成對(duì)差分特征值車速計(jì)算算法和基于RSSI的ALOHA防碰撞算法。

同時(shí)，“我國(guó)常用結(jié)構(gòu)類型中小橋綜合安全評(píng)估指標(biāo)體系、評(píng)估方法和不同安全評(píng)估等級(jí)條件下對(duì)車輛通行能力的影響及通行限制要求亦在項(xiàng)目中研究并提出?！?/p>

數(shù)量眾多的路網(wǎng)傳感設(shè)備必然帶來(lái)后期運(yùn)營(yíng)和維護(hù)困難，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，需要耗費(fèi)大量的人力物力趕赴現(xiàn)場(chǎng)檢查維修，迫切需要基于信息化的故障診斷、校準(zhǔn)和維護(hù)技術(shù)研究。

傳輸

項(xiàng)目研究前，省際高速公路通信網(wǎng)絡(luò)因缺少有效銜接、相互分隔，很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)價(jià)值，各個(gè)分散專網(wǎng)的規(guī)模僅局限于部分地區(qū)，都影響著網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)勢(shì)的完全發(fā)揮，難以體現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系下公路管理與服務(wù)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的需求，項(xiàng)目組開展了監(jiān)測(cè)信息傳輸技術(shù)研究。

“公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息傳輸網(wǎng)應(yīng)該分為三個(gè)層級(jí)，第一個(gè)層級(jí)是路段接入網(wǎng)，是從信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)到路段中心的傳輸網(wǎng)；第二個(gè)層級(jí)是骨干接入網(wǎng)，將國(guó)省干線、高速公路上的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息匯集到骨干傳輸網(wǎng)上；第三個(gè)層級(jí)則是骨干傳輸網(wǎng)，將整個(gè)公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹鞲删W(wǎng)絡(luò)?！辈苣岢觥?/p>

新的傳輸方式中，項(xiàng)目組首次采取公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息“橫聯(lián)”網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)，基站之間通過無(wú)線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)和信令業(yè)務(wù)的交互，為區(qū)域交通物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用奠定了技術(shù)支撐條件。

公路網(wǎng)多源監(jiān)測(cè)信息接入和具有自組織功能的組網(wǎng)技術(shù)方案提出，為公路網(wǎng)沿線多源性、分散性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息接入和匯聚提供了多模式、靈活快捷的接入網(wǎng)和組網(wǎng)技術(shù)方案。

同時(shí)，基于MiWave無(wú)線寬帶傳輸技術(shù)的公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息傳輸設(shè)備，可有效提高信號(hào)頻率補(bǔ)償精度和終端切換效率及信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

“在車速120km/h條件下，項(xiàng)目組自主研發(fā)的車路通信模板可使得交通信息傳輸距離大于300米，傳輸速度8Mbps。”曹沫介紹，基于下一跳方法的單播路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)和通信關(guān)系表的多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的提出，不僅實(shí)現(xiàn)交通信息在車輛間擴(kuò)散，擴(kuò)大信息傳遞范圍，還在性能指標(biāo)方面達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，為隧道等通信信號(hào)盲區(qū)內(nèi)交通信息發(fā)布提供新手段。

1.壓電薄膜設(shè)備

2.控制機(jī)柜

3.重慶合署辦公

智能處理及發(fā)布

出行者想去往出行目的地時(shí)，打開手機(jī)或電腦就能及時(shí)獲取全路網(wǎng)暢通及擁堵情況，隨即選出最佳路線；高速公路突發(fā)大霧信息及時(shí)發(fā)布至霧區(qū)附近路段情報(bào)板，方便過路車輛按照提示繞行或減速；避免山區(qū)公路邊坡坍塌危險(xiǎn)，養(yǎng)護(hù)人員能坐在辦公室里通過手機(jī)短信隨時(shí)獲取邊坡穩(wěn)定情況；每座橋梁的健康狀況通過傳感器知悉，直接構(gòu)建三維立體模型……通過感知得到的具體信息已經(jīng)可以經(jīng)過分析處理為以上出行需求服務(wù)。

4.實(shí)際路段-邊坡

“過去各省都是在某地設(shè)置一個(gè)治超點(diǎn)，每一輛車過一遍。如果在高速公路網(wǎng)這么做，效率必然受影響?！辈苣f(shuō)：“現(xiàn)在我們做了易檢，地下鋪上傳感器，被檢測(cè)車輛不用降低速度，直接自傳感器上駛過即可，系統(tǒng)自動(dòng)將其認(rèn)為有可能超載的車輛摘出來(lái)，無(wú)問題車輛則可繼續(xù)不停車前行?！?/p>

“大量設(shè)備鋪設(shè)下去后，目前最大的問題是，咱們總認(rèn)為：‘自動(dòng)化了，那多準(zhǔn)吶！’其實(shí)不然，經(jīng)常壞，不行。”

數(shù)量眾多的路網(wǎng)傳感設(shè)備必然帶來(lái)后期運(yùn)營(yíng)和維護(hù)困難，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，需要耗費(fèi)大量的人力物力趕赴現(xiàn)場(chǎng)檢查維修，迫切需要基于信息化的故障診斷、校準(zhǔn)和維護(hù)技術(shù)研究。“自動(dòng)化系統(tǒng)靠不靠譜？如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障？必須有一定保障，否則就會(huì)成為誤導(dǎo)。”

據(jù)介紹，項(xiàng)目組已自主研發(fā)設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)和便攜式診斷設(shè)備，每個(gè)傳感器都連著后臺(tái)系統(tǒng)，如果傳感器出了狀況，通過后臺(tái)即可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行診斷?！安粌H能支持車速、交通量、能見度、積水、結(jié)冰等傳感器，還能全面掌握分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)給出設(shè)備數(shù)據(jù)異常、供電單元故障、傳輸單元故障等系列問題的診斷和維修建議?！?/p>