周玉甲， 郭利偉， 李華章

(1.湖南交通職業(yè)技術學院 機電工程學院， 湖南 長沙 410132; 2.湖南洋馬信息有限責任公司, 湖南 長沙 410205)

在交通運輸過程中，天氣、載荷、溫度等因素均會破環(huán)路面的整體結構，而惡劣的路面狀況又會極大地增加交通事故的發(fā)生幾率，嚴重威脅公眾的財產(chǎn)和生命安全[1]。根據(jù)對云南、廣西、貴州、新疆等多個省份的公路交通事故資料統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，大約有44%的事故與氣象條件都有直接或間接的關系。霧、雨、雪天由于能見度低、路面潮滑、積水等原因，光滑的路面更容易引發(fā)交通事故。所以，道路環(huán)境監(jiān)測與預警與人們的日常生活、生產(chǎn)密不可分。實時的監(jiān)測道路環(huán)境參數(shù)，及時發(fā)布道路環(huán)境預警信息，及時采取應對措施減小因道路環(huán)境因素造成的損失，降低交通事故危害，對安全出行有著非常重大的意義。

智能路面環(huán)境信息采集終端是道路氣象信息系統(tǒng)(RWS)的核心組成部分，可以對當前道路實時環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)控、測量與識別，有著巨大的市場需求和非常廣闊的應用前景[2]。但是目前中國道路環(huán)境信息采集設備的研究與開發(fā)速度遠遠落后于高速公路的發(fā)展建設速度，導致路面?zhèn)鞲胁杉袌霰粴W美發(fā)達國事壟斷，昂貴的價格很大程度上限制了路面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)在國內(nèi)高速公路安全設施建設中的應用。因此，進行道路環(huán)境信息采集設備及系統(tǒng)的自主研發(fā)，具有非常重要的意義。

目前國外采用浸入式被動型傳感器系統(tǒng)及主動式路面?zhèn)鞲衅鳎瑢崟r為用戶提供路面覆蓋物、路面干濕、路面溫度、路面水膜厚度、路面結冰點等參數(shù)信息，依靠內(nèi)置的微處理器來收集數(shù)據(jù)并報告給主系統(tǒng)[3-4],所以在傳輸控制方面更加方便和快速，還能集成在RWS系統(tǒng)中，更加易于道路管理部門管理道路氣象信息[5]。國內(nèi)對于路面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的研究還非常少，缺乏設計經(jīng)驗，實地測試經(jīng)驗，目前也沒有成熟的生產(chǎn)工藝線。市面上的產(chǎn)品基本屬于進口或組裝，基本沒有自主知識產(chǎn)權。

總體來講，目前國內(nèi)外道路環(huán)境信息采集設備基本集中在風向、風速、氣溫、雨雪、積水、結冰、能見度等環(huán)境信息的采集，采集信息面相對較少，缺乏利用道路攝像機進行自動識別環(huán)境因素功能，且多種環(huán)境信息采集需部署多種采集設備，不能實現(xiàn)功能集成，供電方式與數(shù)據(jù)傳輸方式基本采用傳統(tǒng)電纜與光纖鋪設方式，實施困難且成本高[6]。

文章提出并驗證了多功能、一體式的無線道路信息智能采集終端，集成了多種傳感器檢測、智能AI圖像識別、微波集成檢測、5G無線傳輸技術應用，設計了用于道路環(huán)境信息監(jiān)測與預警發(fā)布的平臺化、集成化、智能化的信息監(jiān)測預警管理平臺。該系統(tǒng)能夠用于檢測高速公路表面的道路狀況,并將檢測數(shù)據(jù)提交到信息采集系統(tǒng),實現(xiàn)對路面狀況的實時監(jiān)控,以便提出相應的解決方案,降低道路交通安全事故在高速公路上的發(fā)生率,提高道路安全系數(shù)。同時，建立道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺能夠幫助道路交通管理部門及時、準確地掌握道路的環(huán)境狀況以及對道路交通的影響程度，為道路交通管理提供信息支持和決策依據(jù)。

1 道路環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

文章所述的道路環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)是一個平臺化、集成化、智能化的信息監(jiān)測預警管理平臺，是智能交通、智慧城市等物聯(lián)網(wǎng)應用平臺的重要組成部分。系統(tǒng)采用眾多檢測技術以及AI算法，通過檢測傳感器或監(jiān)控攝像機獲取不同監(jiān)測對象的實時輸出值、視頻或圖片，及時檢測道路實時環(huán)境參數(shù)并發(fā)布預警信息，幫助交通參與者及時、準確掌握道路的環(huán)境狀況，為道路交通管理提供數(shù)據(jù)支撐，及時制定應對措施，避免交通事故發(fā)生，降低交通事故危害，降低因道路環(huán)境因素造成的損失。道路環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)由檢測點位數(shù)采集設備，各類環(huán)境要素傳感器，通信裝置及監(jiān)控預警系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 道路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖 Fig.1 Structure diagram of pavement environment monitoring system

道路環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)可用于普通公路、高速公路、橋梁、隧道等重要路段的道路環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測設備自動檢測環(huán)境參數(shù)與狀態(tài)，并將信息及時發(fā)至道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺，通過系統(tǒng)綜合信息處理與分析，對異常環(huán)境信息產(chǎn)生預警信息。預警信息可通過信息發(fā)布平臺向終端設備進行預警信息發(fā)布。通過系統(tǒng)平臺總體設計，使得軟件平臺和硬件系統(tǒng)具有較高的類似場景的復用性；通過軟件層級設計和硬件擴展性設計使得系統(tǒng)具有針對具體場景的實用性和較高的部署實施效率。

1.1 總體設計

綜合考慮在道路環(huán)境監(jiān)測預警的應用場景來規(guī)劃設計整個系統(tǒng)的架構，在搭建基礎設施的同時，軟件系統(tǒng)考慮應用層不同需求，提高復用性，硬件系統(tǒng)考慮對于多種傳感設備的擴展性，對于不同節(jié)點監(jiān)測環(huán)境參數(shù)差異性能夠兼容對應感知設備[7]。整個道路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由軟硬件系統(tǒng)構成，主要由系統(tǒng)平臺和系統(tǒng)終端兩部分組成。其中系統(tǒng)平臺包括平臺運行中心和平臺數(shù)據(jù)中心[8],系統(tǒng)具體組成如圖2所示。

圖2 道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺系統(tǒng)組成圖Fig.2 System composition diagram of intelligent monitoring and early warning platform for pavement environment

1.2 系統(tǒng)架構

道路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的邏輯架構主要分為感知層、數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)管理層、核心處理層、應用層[9]，具體的架構層次及層級構成如圖3所示。

圖3 道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺功能層級圖Fig.3 Functional hierarchy diagram of intelligent monitoring and early warning platform for pavement environment

1) 感知層

感知層是物理層，通過技術手段對數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、近場有線/無線傳輸，遠距離無線傳輸?shù)扔布O備進行集成，這些硬件主要功能包含對需要檢測的關鍵參數(shù)的采集，數(shù)據(jù)終端與中繼端的傳輸，中繼端與總控端的傳輸通訊。

2) 數(shù)據(jù)接入層

數(shù)據(jù)資源層主要包含系統(tǒng)采集的相關對象的時間與空間維度的大數(shù)據(jù)，包含本地端及總控端存儲單元，是上層架構的基礎。

3) 數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層處于系統(tǒng)架構的關鍵地位，連接上下系統(tǒng)和用戶層級。應用下層數(shù)據(jù)為上層應用提供通用的支撐服務，是構建平臺核心應用系統(tǒng)的基礎。

4) 核心處理層

核心處理層主要是通過綜合信息處理引擎、AI計算引擎、大數(shù)據(jù)分析引擎對下層提供的格式化信息進行挖掘分析，從而獲得有意義的特征對象，為應用層提供所關注特征參數(shù)的具體信息。

5) 應用層

應用層通過抓取對應核心處理層數(shù)據(jù)，進行關鍵信息展示，統(tǒng)計曲線表格直觀化展示，根據(jù)設定的預警模型進行道路環(huán)境風險預警等。

1.3 系統(tǒng)特征

文章方案采用多系統(tǒng)集成的物聯(lián)平臺技術，采用1個平臺+N個應用，模塊化構建、多系統(tǒng)集成，設計了一個能在多領域綜合應用、各模塊和子系統(tǒng)互不干擾但又能兼容互聯(lián)的平臺系統(tǒng)。安全高效預(報)警體系及豐富預(報)警信息發(fā)布,可根據(jù)危險程度采用多種警報等形式發(fā)布信息，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)可支持用戶在線使用瀏覽器輕松查詢[10]。

分布式微服務IOT平臺采用微服務架構部署，整體平臺遵循子系統(tǒng)獨立、系統(tǒng)模塊化、功能高度封裝等，實現(xiàn)低耦合、高擴展性等特性。

另外，依托先進物聯(lián)網(wǎng)和智能傳感技術，面向不同種類的結構物，重點研究構建遠程感知網(wǎng)絡，對感知網(wǎng)絡的測點布置、儀器設備遴選、數(shù)據(jù)傳輸手段、供電防雷措施、設備遠程控制與管理等，進行標準化、體系化研究。

系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖4所示。

圖4 道路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖Fig.4 Network topology of pavement environment monitoring system

2 道路環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)實施

道路環(huán)境監(jiān)測傳感器具有結構簡單、安裝方便、抗干擾能力強等特點，可以用于高速公路、機場、橋梁、城市等路面進行監(jiān)測，是智能交通、智慧城市等物聯(lián)網(wǎng)應用的重要方案。

2.1 傳感設備

傳感設備可根據(jù)項目要求自由配置。

1) 被動式道路結冰傳感器

采用微波擾動技術，進行結冰預警、結冰報警，通過多參數(shù)融合算法提高了檢測準確性。重點對路面狀態(tài)如干燥、積水、冰、結冰厚度、高溫等進行預警，提高道路行駛安全系數(shù)。特點在于傳感器體積小便于安裝，安裝方式多樣化，獨特的道路嵌入式結構設計可抗超強壓力，不易損壞，如圖5所示。

圖5 結冰傳感器實物圖Fig.5 Figure of ice sensor

2) 非侵入式路面?zhèn)鞲衅?/p>

非侵入式路面?zhèn)鞲衅魇菍ｉT為交通道路地面監(jiān)測而設計的，它采用遙感技術，避免了對道路的破壞，從而不會因為安裝道路氣象站干擾交通。多光譜測量技術能準確檢測出道路表面結冰、積雪和積水的厚度。通過提供路面條件信息，非接觸式路面狀況傳感器為道路管理部門提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在道路安全出現(xiàn)險情之前采取響應措施，如圖6所示。

圖6 非侵入式路面?zhèn)鞲衅鲗嵨飯DFig.6 Figure of non-intrusive pavement sensor

3) 一體式氣象傳感器

一體氣象站是一種測量多要素氣象要素的專業(yè)級傳感器，可同時測量大氣溫度、大氣濕度、風速、風向、氣壓、雨量、光照、紫外等氣象要素，還可監(jiān)測PM2.5，PM10、噪聲、揚塵等環(huán)境要素，如圖7所示。

圖7 一體式氣象傳感器實物Fig.7 Figure of integrated meteorological sensor

4) 能見度傳感器

進行道路路面可見度的檢測，如圖8所示。

圖8 能見度傳感器實物Fig.8 Figure of visibility sensor

2.2 圖像視頻監(jiān)控設備

采用高可靠性的攝像頭，高防護等級，通過紅外濾片進行日間夜間轉(zhuǎn)換，根據(jù)數(shù)據(jù)采集需求采用合適的分辨率和視頻壓縮率，如圖9所示。

圖9 圖像視頻監(jiān)控攝像頭Fig.9 Figure of image and video surveillance camera

2.3 數(shù)據(jù)傳輸設備

2.3.1 有線數(shù)據(jù)傳輸

道路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸是整個系統(tǒng)非常重要的一環(huán)，這部分關系到整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和使用效果，因此要選擇經(jīng)濟、合理的傳輸方式。光纖傳輸是常見的傳輸方式，采用室外鎧裝四芯單模光纖，根據(jù)實際情況，在監(jiān)測點與監(jiān)控中心距離近的情況下，可以單獨敷設光纖或者利用現(xiàn)有的光纖鏈路作為傳輸介質(zhì)。

控制單元通過光纖收發(fā)器進行光電轉(zhuǎn)換，即實現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)傳輸，打破網(wǎng)線傳輸百米以內(nèi)的限制，實現(xiàn)采集子系統(tǒng)設備與管理中心的遠距離數(shù)據(jù)傳輸,如圖10所示。

圖10 有線數(shù)據(jù)傳輸鏈路拓撲圖Fig.10 Wired data transmission link topology

2.3.2 無線數(shù)據(jù)傳輸

無線傳輸采用工業(yè)級3G/4G/5G無線路由器，將監(jiān)測點的路面狀態(tài)數(shù)據(jù)、預警信息及時發(fā)送到預警中心、區(qū)域控制中心或局域信息顯示標志上,如圖11所示。

圖11 無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路拓撲圖Fig.11 Wireless data transmission link topology

2.4 道路環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)驗證實施

某大橋主橋長2.38 km，為鋼桁梁結構大橋，兩個鐵塔之間距離1.93 km，橋為東西走向，根據(jù)橋梁特點，選擇大橋4處典型位置，布置結冰監(jiān)測系統(tǒng)，整座大橋共部署了4套匯聚設備、20套檢測設備、20個傳感探頭，以及安裝在大橋監(jiān)控所的一套監(jiān)控工作站。

2.4.1 監(jiān)測點位硬件布置

對于關鍵道路部位，比如隧道、橋梁、高架、山區(qū)、彎道等場合，選取合適位置進行傳感器探頭、檢測裝置、數(shù)據(jù)匯集裝置布置，結冰檢測系統(tǒng)硬件布置位置圖如圖12所示，橫斷面設備安裝圖如圖13所示，具體結冰傳感器實物安裝圖如圖14所示[11]。

圖12 某大橋道路結冰檢測系統(tǒng)布置示意圖Fig.12 Layout diagram of pavement icing detection system of a bridge

圖13 某大橋橫斷面結冰檢測系統(tǒng)設備安裝示意圖Fig.13 Equipment installation diagram of ice detection system in cross section of a bridge

圖14 傳感器安裝實物圖Fig.14 Figure of sensor installation

2.4.2 道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺

文章設計了道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺，該預警平臺系統(tǒng)基于.NET B/S架構，可以通過聯(lián)網(wǎng)設備瀏覽器客戶端登錄，進行信息查詢和設備管理，人機界面如圖15所示。

圖15 道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺登錄界面Fig.15 Login interface of intelligent monitoring and early warning platform for pavement environment

1) 道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺拓撲界面

前臺控制與展示界面是整個系統(tǒng)的應用核心，所有監(jiān)測、分析、預警信息都通過此界面進行展示與控制。通過點擊監(jiān)測點、組或區(qū)域，可在地圖上立刻顯示所屬監(jiān)測點地理位置及描述信息。另外，可通過鼠標停用/啟用監(jiān)測點。此功能用以應對監(jiān)控點突發(fā)狀況引發(fā)的異常數(shù)據(jù)對系統(tǒng)分析造成影響。同時對于檢測點異常位置可以進行拍照、視頻進行留痕記錄。監(jiān)測平臺拓撲界面如圖16所示。

圖16 監(jiān)測平臺拓撲界面圖Fig.16 Topology interface diagram of monitoring platform

2) 數(shù)據(jù)采集與分析管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與分析子系統(tǒng)為整個道路環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)的核心模塊，用以定義所有硬件設備信息參數(shù)、設備組信息、數(shù)據(jù)分析方法、數(shù)據(jù)分析方法組，為采集器采集數(shù)據(jù)以及前端圖表及報表生成提供基礎數(shù)據(jù)支持。數(shù)采與分析管理子系統(tǒng)界面如圖17所示。

圖17 道路環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理界面Fig.17 Pavement environment monitoring data management interface

3) 道路環(huán)境預警管理子系統(tǒng)

分級預警管理子系統(tǒng)定義了道路環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的警報管理機制，當各環(huán)境參數(shù)符合預先設定的預警規(guī)則時即觸發(fā)預警，包含預警規(guī)則配置、預警規(guī)則組設定等。預警規(guī)則分3層架構，自由根據(jù)實際環(huán)境設置觸發(fā)閾值條件；同時可以自由定制預警發(fā)布樣式；各區(qū)域自由設定預警規(guī)則組，互不干擾。道路環(huán)境預警管理子系統(tǒng)界面如圖18所示。

圖18 道路環(huán)境監(jiān)測預警管理界面Fig.18 Pavement environment monitoring and early warning management interface

4) 道路環(huán)境信息統(tǒng)計展示子系統(tǒng)

前端對基礎數(shù)據(jù)進行分析及可視化展示，包括地圖信息、采集信息、氣象信息，監(jiān)控信息等展示，可以直觀地提供監(jiān)測點的信息。道路環(huán)境信息展示子系統(tǒng)交互界面如圖19所示。

圖19 道路環(huán)境監(jiān)測信息展示界面Fig.19 Road environment monitoring information display interface

5) 圖像分析系統(tǒng)

傳感器與智能終端將信息及時反饋至監(jiān)控工作中心并發(fā)出警報時，以監(jiān)控視頻為基礎，當監(jiān)測點數(shù)據(jù)達到預警設定值時候，監(jiān)控中心將各個監(jiān)測點攝像頭采集到的圖像進行處理、識別、分類，監(jiān)控中心上位機接收到道路圖像以及分類檢測結果后進行顯示，以作為預警等級的判斷輔助。

圖像采集、處理以及傳輸工作需要由監(jiān)測終端完成，采用Arm架構芯片作為嵌入式平臺，網(wǎng)絡傳輸方式簡單靈活，通過調(diào)用OpenCV軟件中的函數(shù)進行圖像處理?？紤]到終端工作環(huán)境較差，對圖像質(zhì)量要求較高的原因，選用像素為500 W的工業(yè)彩色CMOS相機作為圖像采集單元，最大分辨率達到2 592*1 944，該工業(yè)相機支持Linux系統(tǒng)，也可以兼容OpenCV軟件，與控制芯片通過USB接口相連接，通過控制芯片的10/1 000以太網(wǎng)接口采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議將圖像與處理結果發(fā)送至監(jiān)控中心。圖像終端硬件結構圖如圖20所示。

圖20 圖像采集終端結構圖Fig.20 Structure diagram of image acquisition terminal

在進行結冰檢測時，當監(jiān)測預警值達到時整個系統(tǒng)的觸發(fā)信號，調(diào)用工業(yè)相機采集圖像，在自然光條件下，使相機鏡頭距地面1.5 m垂直拍攝，固定焦距以確保所拍攝的圖像具有相同的初始條件，以保證分類結果的準確性。圖像采用960*600分辨率，格式為jpeg，文件大概100 k大小，一次拍攝兩張照片進行處理以保證識別結果的準確率，進行綜合結冰狀況監(jiān)測。圖像已經(jīng)采集至樹莓派內(nèi)存中，以供后續(xù)圖像處理步驟使用，工作流程圖如圖21所示。

圖21 圖像獲取流程圖Fig.21 Flow chart of image acquisition

同時，建立道路環(huán)境智能監(jiān)測預警平臺能夠幫助道路交通管理部門及時、準確地掌握道路的環(huán)境狀況以及對道路交通的影響程度，為道路交通管理提供信息。

圖像通過上述步驟已經(jīng)保存至樹莓派的內(nèi)存當中，所采集到的圖像可能是干燥、積水、積雪、結冰等狀態(tài)中的某一種，所以需要對采集到的圖像進行處理分類。圖像處理采用OpenCV開源圖像處理組件，圖像分析包括圖像的預處理、顏色特征值分析、紋理特征值分析，具體算法實現(xiàn)采用python編寫，圖像識別分類流程如圖22所示。

圖22 圖像分類處理流程圖Fig.22 Flow chart of image classification processing

6) 分級預報系統(tǒng)

系統(tǒng)可通過實時數(shù)據(jù)采集與分析，綜合一定的條件參數(shù)、邏輯或算法對監(jiān)測對象進行分級預警。如結冰預警、暴雨預警等[12]。

3 結 論

文章提供了一整套軟硬件結合的智能道路環(huán)境監(jiān)測預警的系統(tǒng)解決方案，通過不同類型道路環(huán)境參數(shù)的傳感采集設備的設置，實時采集、傳輸、處理、分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，在傳統(tǒng)傳感設備基礎上增加了基于機器視覺的圖像識別技術，進行了多種道路信息融合。設計了用于道路環(huán)境信息監(jiān)測與預警發(fā)布的信息管理平臺，根據(jù)建立的預警模型可提供分層級的智能預警，并可以通過智能預警平臺實時輸出相關數(shù)據(jù)及預警信息[13]。通過規(guī)劃設計，系統(tǒng)具有良好的擴展性與復用性，具有較高的效率與實用性。本系統(tǒng)可以為交通參與者提供關鍵節(jié)點的道路環(huán)境信息，同時會對危險路況提出預警，同時可作為道路交通管理部門決策的重要信息來源。