胡穎雷

（河南省交通事業(yè)發(fā)展中心，河南 鄭州 450000）

智慧公路運行依托于龐大的硬件與軟件基礎，通過對公路交通信息的廣泛應用，實現(xiàn)對公路交通設施的運行有效管理。為了更好地發(fā)揮出智慧公路系統(tǒng)的功能，相關研究人員提出利用監(jiān)控技術對智慧公路運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，掌握公路交通時間分布和空間分布情況，及時發(fā)現(xiàn)公路上超速、超載、違運等不合法運行行為，輔助公路交通運行管理部門對突發(fā)事件采取合理的措施，降低智慧公路運行風險。由于公路上運行車輛和基礎設施比較多，當公路處于車輛行駛高峰期時，對于公路運行狀態(tài)的分析難度較高，難以實現(xiàn)智慧公路運行實時監(jiān)控，為此提出基于物聯(lián)網的智慧公路運行監(jiān)控技術研究。

1 智慧公路運行信息獲取

公路運行信息主要包括路況信息、基礎設施信息以及公路氣象信息三種，根據(jù)三種信息獲取需求，選擇相應的監(jiān)控設備對信息進行采集，具體如表1 所示。

表1 智慧公路運行信息獲取

1.1 路況信息采集

采用車輛檢測器與攝像機采集路況信息，在車輛檢測器內設定一個電子標簽，當公路上行駛的車輛經過車輛檢測器，電子標簽會主動或者被動向車輛發(fā)出射頻信號F，射頻信號到達車輛后反射回來，由信息接收端接收反射信號N，由車輛檢測器內置的讀卡器對車輛電子標簽信息進行讀取，將其上傳到智慧公路系統(tǒng)中，對該電子標簽車輛信息進行配對，從而獲取到公路上車輛身份信息V=[F，N][1]。此外，車輛檢測器上設有一個無線探頭，車輛在公路上行駛時探頭會測量到車輛經過探頭的時間、車速以及車輛間距等信息[2]。利用360°全景攝像機獲取公路監(jiān)控視頻信息，將該攝像機安裝在公路紅綠燈上方，并安裝一個LED 光源，這樣即使是在陰天、霧天或者雨天環(huán)境下，360°全景攝像機也能拍攝到高質量監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)。

1.2 公路基礎設施信息采集

利用監(jiān)控設備對該信息的采集關鍵在于檢測點的布設，對于地質環(huán)境比較穩(wěn)定的公路，每隔500m 或者750m 設定一個檢測點；對于地質環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)一般的公路路段，每隔300m 或者350m 設定一個檢測點；對于地質環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)非常差的公路路段，每隔150m 或者200m 設定一個檢測點[3]。在布設的檢測點處安置一個路基檢測器和邊坡檢測器，根據(jù)地基和邊坡數(shù)據(jù)計算出地基下沉速度和邊坡變形速度，其計算公式如下：

式中，x 表示公路路基下沉速度；t1表示初始監(jiān)控時間；t2表示當前監(jiān)測時間；l1表示公路路基初始值；l2表示當前公路路基高度；b 表示公路邊坡變形速度；h1表示初始公路邊坡坡度；h2表示當前公路邊坡坡度[4]。將每個公路路段進行編號，將公路的路基信息和邊坡信息存儲到相應編號的文件中。

1.3 公路氣象信息采集

采用氣象檢測器對公路氣象環(huán)境信息進行采集，對于降雨、降雪量較小的區(qū)域公路路段，每隔3000m 設立一個監(jiān)控點；對于降雨、降雪量較大的區(qū)域公路路段，每隔2000m 設立一個監(jiān)控點；由于靠?；蛘吆恿鞅容^近的區(qū)域，經常會出現(xiàn)霧天，因此在該區(qū)域公路路段，每隔1000m 設立一個監(jiān)控點。每個監(jiān)控點安裝一個氣象檢測器，對公路環(huán)境內的風速、風向、降雨量、降雪量以及降霧量等氣象信息進行采集。除此之外，還需要在監(jiān)控點內配備一個路面?zhèn)鞲衅?，對路面的積雪厚度、濕度以及可見度等信息進行采集，同樣將采集到的信息上傳到計算機上，以此完成對公路運行信息的獲取。

2 基于物聯(lián)網的智慧公路運行數(shù)據(jù)通信

利用物聯(lián)網技術將多種智慧公路網絡、監(jiān)控設備連接，實現(xiàn)監(jiān)控設備與智慧公路系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，該通信框架具體如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網的智慧公路運行數(shù)據(jù)通信框架圖

3 智慧公路運行數(shù)據(jù)預處理

為了方便后續(xù)智慧公路運行狀態(tài)分析計算，需要對監(jiān)控設備獲取的原始數(shù)據(jù)進行預處理，其流程如圖2 所示。

圖2 智慧公路運行數(shù)據(jù)預處理示意圖

如圖2 所示，首先要對智慧公路運行數(shù)據(jù)進行集成處理，按照不同的路段和不同的時間段，將數(shù)據(jù)信息集成到一個數(shù)據(jù)集合中。將集成后的運行信息進行轉換處理，利用編碼代表智慧公路運行信息，其編碼規(guī)則如表2 所示。

表2 智慧公路運行數(shù)據(jù)字段編碼規(guī)則表

按照表2 中編碼規(guī)則對智慧公路運行數(shù)據(jù)進行轉換，賦予數(shù)據(jù)新屬性。為了避免異常數(shù)據(jù)對智慧公路運行狀態(tài)分析的影響，對原始數(shù)據(jù)中含噪數(shù)據(jù)、不完整數(shù)據(jù)、無效數(shù)據(jù)以及與智慧公路運行監(jiān)控無關的數(shù)據(jù)進行刪除，保證數(shù)據(jù)質量，原始數(shù)據(jù)清洗的關鍵在于區(qū)分異常數(shù)據(jù)，此次采用四分位法對數(shù)據(jù)進行對稱性清洗，將智慧公路運行數(shù)據(jù)的上下四分位數(shù)的上下兩個分位值設定為有效數(shù)據(jù)區(qū)間的限值，即智慧公路運行數(shù)據(jù)清洗的上限和下限，對超出該限值的數(shù)據(jù)被認定為異常數(shù)據(jù)，其用公式表示如下：

式中，Ldown表示智慧公路運行數(shù)據(jù)有效區(qū)間的下限；B表示智慧公路運行數(shù)據(jù)的上分位數(shù)；C 表示智慧公路運行數(shù)據(jù)的下分位數(shù)；Lup表示智慧公路運行數(shù)據(jù)有效區(qū)間的上限。利用上述公式確定有效數(shù)據(jù)的區(qū)間范圍，根據(jù)該范圍對智慧公路運行數(shù)據(jù)進行對稱性清洗處理，最后通過對數(shù)據(jù)樣本進行規(guī)約處理，降低數(shù)據(jù)的維數(shù)，減小數(shù)據(jù)所占空間。

4 智慧公路運行狀態(tài)分析

在上文基礎上，對公路數(shù)據(jù)進行分析，預估當前智慧公路運行狀態(tài)。影響智慧公路運行狀態(tài)的因素主要包括公路路段擁擠度、可見度、路面光滑度、基礎設施安全度，因此選取該四個因素作為智慧公路運行狀態(tài)評價指標，利用預處理后的數(shù)據(jù)計算出四項評價指標的具體數(shù)值，其中公路路段擁擠度主要與公路流量、車速、車輛間距有關，其計算公式為：

式中，F(xiàn) 表示公路基礎設施安全度；φ 表示公路地基下沉量；μ 表示公路邊坡變形量；ψ 表示公路基礎設施損壞最大承受限值。根據(jù)公路路面情況估算出公路路面光滑度，其計算公式為：

式中，υ 表示智慧公路某路段運行狀態(tài)值；n 表示智慧公路路段數(shù)量。運行狀態(tài)值越高表示智慧公路運行狀態(tài)越好，一般情況下該狀態(tài)值取值范圍在-1-1 之間，設定了四個等級。根據(jù)不同等級實現(xiàn)對智慧公路運行狀態(tài)的評價，為后續(xù)智慧公路運行控制提供參考依據(jù)。

5 智慧公路運行控制

通過限制公路車輛行駛速度，降低公路車輛交通流量，以此減小可見度、基礎設施安全度、路面光滑度以及擁擠度四個因素對智慧公路運行的影響，根據(jù)上文分析對狀態(tài)等級為一、二、三級的智慧公路車輛交通流量進行控制，其控制依據(jù)如表3 所示。

表3 智慧公路運行交通流量控制標準

按照表3 對智慧公路車輛限速值參數(shù)進行調整和優(yōu)化，控制智慧公路運行交通流量，以此完成基于物聯(lián)網的智慧公路運行監(jiān)控。

6 實驗論證分析

實驗以某智慧公路為實驗對象，該公路路長為10000m，路寬為15m，路基高度為2.5m，邊坡角度為26°，實驗利用設計技術與傳統(tǒng)技術對該智慧公路運行狀態(tài)進行監(jiān)控。實驗將該公路分成10 個路段，每個路段長度為1000m，根據(jù)該公路實際情況，在每個路段安裝一個天氣檢測器、兩個路面?zhèn)鞲衅?、兩個車輛檢測器、三個360°全景攝像機、一個路基檢測器、一個邊坡檢測器。實驗對該10 個路面監(jiān)控30 天，獲取到監(jiān)控數(shù)據(jù)123.15GB，經過數(shù)據(jù)預處理后監(jiān)控數(shù)據(jù)量為103.42GB，利用監(jiān)控數(shù)據(jù)分析智慧公路運行狀態(tài)如表4 所示。

表4 智慧公路運行狀態(tài)分析情況

根據(jù)表4 對智慧公路運行狀態(tài)分析，該公路運行狀態(tài)最高等級為三級，最低等級為一級，對該智慧公路車輛行駛速度限值確定為40km/h，平均限值為60km/h，通過控制后，該公路未發(fā)生過交通堵塞現(xiàn)象。此次實驗以監(jiān)控誤差作為技術性能評價指標，利用SFHI 軟件對技術監(jiān)控誤差進行計算，具體如表5 所示。

表5 不同技術監(jiān)控誤差對比

從表5 中數(shù)據(jù)可以看出，設計技術監(jiān)控誤差比較小，平均監(jiān)控誤差為0.001，最大監(jiān)控誤差僅為0.003，說明設計技術具有較高的精度；而傳統(tǒng)技術監(jiān)控誤差最大值可以達到0.864，平均監(jiān)控誤差為0.468，遠遠高于設計技術，因此實驗結果證明了設計技術相比較傳統(tǒng)技術，更適用于智慧公路運行監(jiān)控，可以滿足智慧公路運行監(jiān)控精度需求。

7 結論

此次針對現(xiàn)有智慧公路運行監(jiān)控技術存在的弊端，結合智慧公路運行需求，利用物聯(lián)網設計了一套新的監(jiān)控技術，并通過實驗驗證了該套監(jiān)控思路具有良好的可行性和可靠性，有效提高了智慧公路運行監(jiān)控精度，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)監(jiān)控技術的優(yōu)化與創(chuàng)新，同時也實現(xiàn)了物聯(lián)網技術與智慧公路系統(tǒng)的融合，優(yōu)化智慧公路運行管理技術。