辛伯宇，賀 然

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，山西 太原 030020）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，并在公路交通運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用日益深入，促使公路交通運(yùn)輸進(jìn)入了一個高質(zhì)量發(fā)展階段。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息技術(shù)發(fā)展起來的車聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航服務(wù)、智能（綜合）分析研判、智能決策控制等智能交通技術(shù)正在或準(zhǔn)備應(yīng)用于公路交通系統(tǒng)的各個方面。但目前智能交通系統(tǒng)應(yīng)用情況呈條塊分割，各自為政，未形成研發(fā)建設(shè)和應(yīng)用上的合力[1]；隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在橋梁健康監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測等領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，但是在隧道工程監(jiān)測領(lǐng)域卻仍處在探索階段[2]；物聯(lián)網(wǎng)目前的發(fā)展難點(diǎn)不在技術(shù)，而是在標(biāo)準(zhǔn)的有效制定和產(chǎn)業(yè)化，所以必需有一套統(tǒng)一的技術(shù)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)[3]。如上所述，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息技術(shù)應(yīng)用水平差異巨大，尚不具備系統(tǒng)性、規(guī)范性。遂本文將系統(tǒng)研究物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在公路運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用，以公路運(yùn)輸體系中的要素（公路基礎(chǔ)設(shè)施、載運(yùn)工具、交通參與者）[4]為切入點(diǎn)開展工作，具體研究具備全面感知能力的公路基礎(chǔ)設(shè)施和載運(yùn)工具，使其不僅能即時收集自身參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，還要能通過感知周圍事物的狀態(tài)來獲取其他數(shù)據(jù)，并且二者之間可以通過借助通信技術(shù)實現(xiàn)實時有效的通信與信息交互；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究如何利用云計算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)三要素之間的實時交互共享信息、協(xié)同；最后分析研究這些技術(shù)的應(yīng)用對構(gòu)建“現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系”的保障。

1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在公路基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用

公路基礎(chǔ)設(shè)施（道路、橋梁、隧道）是公路交通運(yùn)輸核心組成部分，根據(jù)其在公路交通基礎(chǔ)設(shè)施中的重要性、及本體主動防護(hù)安全、路網(wǎng)監(jiān)管協(xié)同調(diào)度、載運(yùn)工具的影響等具體考慮因素，對公路基礎(chǔ)設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，以隧道為具體研究對象，而物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在隧道的應(yīng)用最為復(fù)雜、全面。根據(jù)信息技術(shù)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，而全面感知是獲取數(shù)據(jù)的重要手段，遂參照IOT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）數(shù)據(jù)處理流程、基于IOT 技術(shù)體系的數(shù)據(jù)處理模型[5]進(jìn)行展開。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在節(jié)點(diǎn)公路基礎(chǔ)設(shè)施——隧道中的應(yīng)用

1.1.1 隧道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型

隨著各型隧道的不斷建設(shè)和投入使用，由于隧道的建設(shè)目的是為了穿越山體、水域等，面臨的地質(zhì)條件一般較為惡劣，且隨著隧道建設(shè)長度、深度的增加，隧道結(jié)構(gòu)受不確定因素和隧道病害影響更多；再者，由于隧道開鑿設(shè)備、周邊環(huán)境等條件限制，隧道孔徑往往受限；最后，建成隧道為半封閉空間，通行條件較差（高度、寬度）且通行要求（如通風(fēng)、照明、應(yīng)急安全防護(hù)等）高。遂在交通使用中，其往往面臨自身結(jié)構(gòu)安全、超限（高度、寬度、載荷）、實時交通流及特種載運(yùn)工具（易燃易爆）和周邊自然環(huán)境因素（尤指地質(zhì)條件）等威脅，易產(chǎn)生各種損害、毀壞，甚至導(dǎo)致重特大交通事故等災(zāi)難性事件。

為此，在隧道運(yùn)行過程中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)對其進(jìn)行全面、實時、不間斷地監(jiān)測并進(jìn)行安全評估、現(xiàn)場交通實時誘導(dǎo)、管制等頗具意義。

基于隧道的以上特點(diǎn)，從隧道結(jié)構(gòu)病害、自然環(huán)境（尤指地質(zhì)災(zāi)害）、載運(yùn)工具、實時交通等維度來對其進(jìn)行靜、動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。如圖1 所示。

圖1 隧道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型

1.1.2 隧道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取途徑

根據(jù)隧道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型中各維度對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求，采取不同的手段，進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取。具體可從如下幾個方面進(jìn)行考慮：

a）結(jié)構(gòu)變形 在隧道結(jié)構(gòu)主體的拱頂、拱腰、拱底、輪廓、襯砌內(nèi)部等結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上大規(guī)模部署成本低廉的傳感器（如位移計、多點(diǎn)位移計、激光位移計、鋼筋計、錨索計、表面應(yīng)變計、嵌入式混凝土應(yīng)變計、沉降計、土壓計、裂縫傳感器……），進(jìn)行實時現(xiàn)場采集；并輔以數(shù)字照相技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)定期巡查采集。

b）自然環(huán)境 在隧道結(jié)構(gòu)主體及周圍監(jiān)測點(diǎn)部署相應(yīng)的傳感器（溫/濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、地震儀、GPS 應(yīng)變計、數(shù)字?jǐn)z像頭……）進(jìn)行實時現(xiàn)場采集。

c）實時交通 在隧道主體及隧道上下口過渡段布設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)（該系統(tǒng)亦可組織所有的攝像頭）、路況傳感器、流量監(jiān)測系統(tǒng)等進(jìn)行現(xiàn)場采集并接入。

d）載運(yùn)工具 在隧道出入口過渡段布設(shè)不停車超限（高、寬、重）檢測系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)、車牌識別系統(tǒng)等進(jìn)行現(xiàn)場采集；接入載運(yùn)工具的“兩客一?！毕到y(tǒng)、無人駕駛系統(tǒng)等進(jìn)行現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)接入。

1.1.3 隧道節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式

根據(jù)以上數(shù)據(jù)模型分析及數(shù)據(jù)獲取途徑來確定數(shù)據(jù)傳輸方式。具體地，針對結(jié)構(gòu)病害、自然環(huán)境這兩維度的數(shù)據(jù)獲取而言，由于傳感大節(jié)點(diǎn)的部署分散甚至有位移要求，宜采用無線多跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行匯聚；而對實時交通、載運(yùn)工具這兩個維度的數(shù)據(jù)獲取而言，獲取方式相對集中且無明顯位移要求，可采取有線/無線、4G/5G 方式進(jìn)行。

1.1.4 隧道節(jié)點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模型

根據(jù)以上措施并參照IOT 數(shù)據(jù)處理流程、基于IOT 技術(shù)體系的數(shù)據(jù)處理模型，對以上獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道節(jié)點(diǎn)智能管理中心模型，如圖2 所示。

按照IOT 數(shù)據(jù)處理流程，該模型中的數(shù)據(jù)采集完成后，通過不同的傳輸方式上傳保存于數(shù)據(jù)存儲中心；然后隧道節(jié)點(diǎn)智能管理中心（隧道管理調(diào)度中心、隧道結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測監(jiān)控仿真系統(tǒng)、隧道內(nèi)及出入口過渡段現(xiàn)場立體交通實時仿真監(jiān)控系統(tǒng)、隧道智能（自動）應(yīng)急響應(yīng)策略預(yù)案系統(tǒng)）基于數(shù)據(jù)挖掘、在線分析等技術(shù)手段對數(shù)據(jù)存儲中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生的價值數(shù)據(jù)應(yīng)用于隧道節(jié)點(diǎn)智能管理中心的各子系統(tǒng)；隧道節(jié)點(diǎn)智能管理中心各系統(tǒng)根據(jù)不同的現(xiàn)場情況及社會協(xié)同請求由不同的子系統(tǒng)完成相應(yīng)的功能以調(diào)度應(yīng)急響應(yīng)策略預(yù)案，最終指揮隧道現(xiàn)場智能（自動）應(yīng)急響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)（為保證應(yīng)急響應(yīng)策略預(yù)案能落實執(zhí)行，必須定期探查相關(guān)設(shè)備狀態(tài)）執(zhí)行響應(yīng)；隧道現(xiàn)場智能（自動）應(yīng)急響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行響應(yīng)后，將設(shè)備狀態(tài)、預(yù)案響應(yīng)情況反饋回傳到隧道管理調(diào)度中心報備；隧道管理調(diào)度中心將此次應(yīng)急響應(yīng)的報備、響應(yīng)歷史數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)存儲中心。同時，隧道節(jié)點(diǎn)智能管理中心還須負(fù)責(zé)向路網(wǎng)智能監(jiān)管協(xié)同調(diào)度中心等社會相關(guān)交通參與者實時交互共享、協(xié)同。

基于以上研究路線，還可以進(jìn)一步對橋梁、特殊節(jié)點(diǎn)路段（如地質(zhì)松軟路段、多霧路段、山區(qū)路段、臨水臨崖路段、坡陡彎急路段、易積水結(jié)冰路段等）進(jìn)一步展開研究。實際研究過程中，可參照節(jié)點(diǎn)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施智能管理中心概念模型，如圖3 所示。使用該模型時，應(yīng)注意根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行選擇性的取舍。具體考量如下：

a）橋梁、特殊節(jié)點(diǎn)路段的數(shù)據(jù)模型建立時，應(yīng)具體地、有針對性地考慮橋梁的結(jié)構(gòu)變形和特殊節(jié)點(diǎn)路段的現(xiàn)場特點(diǎn)，充分進(jìn)行研判、論證，其他3 個維度（自然環(huán)境、載運(yùn)工具、實時交通）的考量與隧道相似。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道節(jié)點(diǎn)智能管理中心模型

b）根據(jù)具體的數(shù)據(jù)模型選擇合適的傳感器、執(zhí)行器等。

c）根據(jù)所選傳感器、執(zhí)行器等確定適合現(xiàn)場條件的數(shù)據(jù)傳輸方式。

d）在以上基礎(chǔ)條件具體考慮相應(yīng)的智能管理的功能。

1.2 公路交通基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)共享平臺——智能路網(wǎng)監(jiān)管協(xié)同調(diào)度中心

圖3 節(jié)點(diǎn)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施智能管理中心概念模型

以公路基礎(chǔ)設(shè)施各節(jié)點(diǎn)管理調(diào)度中心的數(shù)據(jù)存儲中心為基礎(chǔ)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步完善公路全面感知能力和智能（自動）主動誘導(dǎo)能力；通過云計算、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等技術(shù)將公路交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行逐級匯聚，組成國家/省/市智能路網(wǎng)監(jiān)管協(xié)同調(diào)度中心，打破信息壁壘、消除信息孤島，使其具有數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)監(jiān)測、大數(shù)據(jù)挖掘、路況預(yù)判、協(xié)調(diào)調(diào)度指揮、服務(wù)推送能力，最終實現(xiàn)信息交互共享、協(xié)同等。同時，為進(jìn)一步建設(shè)公路交通大數(shù)據(jù)共享平臺打下堅實的信息設(shè)施基礎(chǔ)。

2 公路交通載運(yùn)工具大數(shù)據(jù)共享平臺——基于北斗的車聯(lián)網(wǎng)平臺

通過在載運(yùn)工具上搭載車載先進(jìn)的傳感器（雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭、位置傳感器、慣性運(yùn)動傳感器、北斗導(dǎo)航接收模塊）、車載電腦、CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）控制器、執(zhí)行器、高精細(xì)地圖等，使其具備全面感知、主動安全防護(hù)、路況識別、自動（無人）駕駛能力；通過云計算、移動通信、無線通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)將車載工具的相關(guān)狀態(tài)信息進(jìn)行匯聚，上傳至基于北斗的車聯(lián)網(wǎng)平臺，使其具有車輛信息感知、實時交通態(tài)勢研判、線路實時調(diào)整等能力；從而，依托車聯(lián)網(wǎng)，基于無線通信、傳感探測等技術(shù)，實現(xiàn)車車和車路之間多種方式的信息交互與共享，在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)車輛主動安全和交通協(xié)同管理，提高交通安全水平和通行效率[6]；最終實現(xiàn)人、車、路，車聯(lián)網(wǎng)平臺之間的信息交互共享、協(xié)同等。

3 公路交通大數(shù)據(jù)共享平臺

在公路交通基礎(chǔ)設(shè)施大數(shù)據(jù)共享平臺——智能路網(wǎng)監(jiān)管協(xié)同調(diào)度中心、公路交通載運(yùn)工具大數(shù)據(jù)共享平臺——基于北斗的車聯(lián)網(wǎng)平臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推進(jìn)云技術(shù)在公路交通中的應(yīng)用，構(gòu)建公路交通大數(shù)據(jù)共享平臺，如圖4 所示。實現(xiàn)公路交通資源優(yōu)化配置，推動業(yè)務(wù)聯(lián)動深化發(fā)展。從基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、軟件層搭建云架構(gòu)，實現(xiàn)公路交通基礎(chǔ)資源設(shè)施云化服務(wù)、公路交通平臺數(shù)據(jù)云化服務(wù)及公路交通應(yīng)用云化服務(wù)。

圖4 公路交通大數(shù)據(jù)共享平臺概念模型

4 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)對現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的保障（影響）

表1 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的公路交通要素對現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系的保障

基于以上研究，從構(gòu)建“安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)”的現(xiàn)代化綜合交通體系[4]的目標(biāo)出發(fā)，進(jìn)一步具體分析應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能的公路交通要素對實現(xiàn)這一目標(biāo)的各個準(zhǔn)則的保障，詳見表1。

5 結(jié)論

本文從物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)在典型的公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)點(diǎn)——隧道的應(yīng)用為切入點(diǎn)，研究了一種基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模、并以構(gòu)建公路交通大數(shù)據(jù)共享平臺為目標(biāo)的研究方法。為技術(shù)人員設(shè)計、組織、實施公路交通大數(shù)據(jù)共享提供了一種具有指導(dǎo)意義的技術(shù)路線。其他研究者可基于公路交通大數(shù)據(jù)共享平臺概念模型，進(jìn)一步展開對公路交通運(yùn)輸?shù)木唧w服務(wù)及交通運(yùn)輸行業(yè)的其他組成部分（航空、水運(yùn)等）的研究，從而真正實現(xiàn)“安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)”的現(xiàn)代化綜合交通體系。