李靖、覃勤、侯效偉

（云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

我國(guó)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》明確了“科技創(chuàng)新富有活力、智慧引領(lǐng)”的戰(zhàn)略思想。特別指出要大力發(fā)展智慧交通，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)與交通行業(yè)的深度融合。為了研究信息技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，許多專家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究并取得了一定的研究成果。范中華[1]進(jìn)行了高速公路智慧出行平臺(tái)需求分析和可行性分析，提出了云平臺(tái)的部署方式。張?jiān)芠2]以云南省“智慧高速”建設(shè)發(fā)展為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套“智慧高速”建設(shè)發(fā)展方案，并詳細(xì)闡述了各模塊的具體建設(shè)方法和目標(biāo)。黃宇、王妍穎[3]等提出了可持續(xù)發(fā)展的智慧交通總體架構(gòu)建設(shè)思路，闡述了1+4+NX 的總體架構(gòu)建設(shè)內(nèi)容。然而，目前對(duì)于特殊天氣下長(zhǎng)大下坡路段智慧安全出行系統(tǒng)的研究還相對(duì)較少。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，能夠把“物”與“網(wǎng)”連接，從而進(jìn)行信息交換和通信，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)“物”的智能化應(yīng)用和管理?；诖耍恼聫陌踩嵌瘸霭l(fā)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出將特殊天氣監(jiān)測(cè)、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全出行相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息提供、出行指導(dǎo)一體化管理，以期提高長(zhǎng)大下坡路段的行車安全。

1 物聯(lián)網(wǎng)及智慧出行定義

物聯(lián)網(wǎng)顧名思義為物物相連，物聯(lián)網(wǎng)始于互聯(lián)網(wǎng)（Internet），又不同于互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)又稱國(guó)際網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間采用有線連接的方式串聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其溝通途徑是電腦等智能信息終端。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過(guò)無(wú)線的形式將萬(wàn)事萬(wàn)物與信息系統(tǒng)相連接，進(jìn)而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)所連物體的控制和應(yīng)用。

智慧出行是在整個(gè)交通運(yùn)輸領(lǐng)域充分利用物聯(lián)網(wǎng)、空間感知、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，同時(shí)綜合運(yùn)用交通科學(xué)、系統(tǒng)方法、人工智能、知識(shí)挖掘等理論與工具，以全面感知、深度融合、主動(dòng)服務(wù)、科學(xué)決策為目標(biāo)，通過(guò)建設(shè)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)信息服務(wù)體系，深度挖掘交通運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)，形成問(wèn)題分析模型，實(shí)現(xiàn)行業(yè)資源配置優(yōu)化能力、公共決策能力、行業(yè)管理能力、公眾服務(wù)能力的提升，推動(dòng)交通運(yùn)輸更安全、更高效、更便捷、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更舒適地運(yùn)行和發(fā)展，最終帶動(dòng)交通運(yùn)輸及相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)。

2 需求分析

2.1 用戶需求

公路是公共基礎(chǔ)設(shè)施，相關(guān)各方包括主管部門、運(yùn)營(yíng)部門及使用者等。所以，特殊天氣下長(zhǎng)大下坡路段智慧安全出行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)，要充分考慮各方需求。

第一，主管部門。主管部門的主要職能是制訂公路服務(wù)的相關(guān)準(zhǔn)則，實(shí)施行為管理。其中包括制訂規(guī)章制度、準(zhǔn)入、運(yùn)行和退出標(biāo)準(zhǔn)，以及實(shí)施道路通行管制等。因此，其對(duì)系統(tǒng)的需求主要為及時(shí)、準(zhǔn)確掌握長(zhǎng)大下坡路段特殊天氣狀況，以便制訂禁行、限行和管控要求，并實(shí)施具體管控工作。

第二，運(yùn)營(yíng)部門。運(yùn)營(yíng)部門對(duì)系統(tǒng)的主要需求在于及時(shí)、準(zhǔn)確掌握道路通行安全風(fēng)險(xiǎn)并執(zhí)行主管部門對(duì)道路通行的管控指令。

第三，道路使用者。道路使用者對(duì)系統(tǒng)的需求在于出行安全得到充分保障。

2.2 技術(shù)需求

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧安全出行系統(tǒng)想要實(shí)現(xiàn)真正的智能化，必須具備兼容性、動(dòng)態(tài)性與智慧性。

第一，兼容性。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧安全出行系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)采集、信息通信、數(shù)據(jù)處理、交互應(yīng)用等各種技術(shù)，其終端設(shè)備形式多樣，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)則充分依靠各設(shè)備間的兼容。

第二，動(dòng)態(tài)性。為支持動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的天氣監(jiān)測(cè)，節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)必須能夠即時(shí)、動(dòng)態(tài)地采集、傳輸各種信息、信號(hào)，從而動(dòng)態(tài)地評(píng)估長(zhǎng)大下坡路段的交通安全風(fēng)險(xiǎn)。

第三，智慧性。系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)自主監(jiān)測(cè)、自動(dòng)運(yùn)算、自主智慧決策，以更大限度地減少人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)是借助一定的通信協(xié)議將各種信息格式進(jìn)行統(tǒng)一化，以便實(shí)現(xiàn)物物相連。其實(shí)質(zhì)是前端設(shè)備（物）采用傳感等方式采集數(shù)據(jù)，并按照約定格式的通訊協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接，再通過(guò)云計(jì)算等方式對(duì)數(shù)據(jù)篩選、加工、處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所連接物體的智能化處理。從構(gòu)成上，物聯(lián)網(wǎng)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和信息處理應(yīng)用層等三個(gè)層次。物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架圖

物聯(lián)網(wǎng)感知層是感知信息和數(shù)據(jù)的前端功能層，其主要包括傳感器、執(zhí)行器、無(wú)線通信等設(shè)備。感知層能夠?qū)δ繕?biāo)信息進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層（IoT Network Layer）是借助IP 協(xié)議、6LoWPAN 協(xié)議、RFID 協(xié)議、ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)包括尋址、分組、路由、流量控制和擁塞控制等通信處理的功能層。網(wǎng)絡(luò)層能夠?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層（IoT Application Layer）是采用MQTT、HTTP、CoAP、AMQP、XMPP 等協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)及其擴(kuò)展，通過(guò)管理和控制物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備，收集和分析設(shè)備數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用和服務(wù)。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最頂層。

3.2 模塊組成

第一，終端。終端包括數(shù)據(jù)采集終端和信息輸出終端。數(shù)據(jù)采集終端包括各種氣象傳感器，如能見(jiàn)度儀、雨量計(jì)、雨雪傳感器、結(jié)冰傳感器等，這些傳感器部署在公路沿線和關(guān)鍵位置，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集公路氣象數(shù)據(jù)。信息輸出終端包括LED 顯示和交通誘導(dǎo)燈，其能夠?qū)Ψ?wù)器返回的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果等信息作出響應(yīng)，如LED 顯示氣象信息和風(fēng)險(xiǎn)狀況，交通誘導(dǎo)燈根據(jù)預(yù)設(shè)發(fā)出變化閃頻警示等。

第二，主控板。主控板作為系統(tǒng)的核心控制單元，承擔(dān)著多項(xiàng)重要任務(wù)，具備高度智能化和實(shí)時(shí)性。主控板能夠根據(jù)寫入的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)算法，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，再根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)智能決策，向LED 顯示屏和交通誘導(dǎo)燈發(fā)送對(duì)應(yīng)指令。

第三，心跳檢測(cè)。主控板作為系統(tǒng)的核心控制單元，具有高度智能化和實(shí)時(shí)性，并配備了心跳檢測(cè)功能，該功能可通過(guò)定期發(fā)送心跳信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和通信連接是否正常。

第四，網(wǎng)絡(luò)通訊。為了保證氣象數(shù)據(jù)及時(shí)到達(dá)服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，應(yīng)采用4G 通信模塊。

第五，服務(wù)器。服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，可采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)氣象數(shù)據(jù)。服務(wù)器負(fù)責(zé)接收來(lái)自主控板的數(shù)據(jù)，并將處理后的氣象參數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。此外，服務(wù)器中還具有數(shù)據(jù)處理和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)計(jì)算應(yīng)用程序，可用于計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4 智慧安全出行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

4.1 總體設(shè)計(jì)

4.1.1 系統(tǒng)模式

基于用戶使用方便、系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單等考慮，智慧安全出行系統(tǒng)可采用C/S 與B/S 混合軟件體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)模式，即利用C/S 模式的高可靠性構(gòu)建企業(yè)應(yīng)用（包括輸入、計(jì)算和輸出），再利用B/S 模式的廣泛性構(gòu)建服務(wù)或延伸企業(yè)應(yīng)用（主要是查詢和數(shù)據(jù)交換）。該模式可有效發(fā)揮C/S 與B/S 模式各自的優(yōu)勢(shì)。

4.1.2 接口框架

智慧安全出行系統(tǒng)可采用Microsoft ASP.Net Web API 框架。Web API 是一種應(yīng)用接口框架，能夠構(gòu)建HTTP 服務(wù)以支撐更廣泛客戶端（如：Windows Forms、瀏覽器，手機(jī)和平板電腦等）的框架，是構(gòu)建RESTful 應(yīng)用程序的理想平臺(tái)。由于Web API是基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，考慮采用用戶令牌、安全簽名進(jìn)行數(shù)據(jù)提交，提供公開(kāi)接口調(diào)用等方式，以有效應(yīng)對(duì)安全問(wèn)題。

4.2 數(shù)據(jù)運(yùn)算

4.2.1 數(shù)據(jù)采集

第一，設(shè)置氣象觀測(cè)站點(diǎn)。在通行車流量較大的長(zhǎng)大下坡路段可設(shè)置配有多種傳感器的氣象站點(diǎn)，負(fù)責(zé)全面采集路段氣象數(shù)據(jù)，如能見(jiàn)度、降水量、結(jié)冰情況等。

第二，數(shù)據(jù)采集。大氣能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x應(yīng)采用光學(xué)及電子技術(shù)，測(cè)定大氣能見(jiàn)度。雪量傳感器能夠感應(yīng)到雪花的落下，并通過(guò)內(nèi)部算法檢測(cè)出雪的強(qiáng)度、密度和速度等關(guān)鍵信息。脈沖型雨量計(jì)可通過(guò)接收被降雨所激發(fā)的電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)以便于記錄和分析。道路結(jié)冰傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)道路表面溫度和濕度，預(yù)測(cè)道路結(jié)冰的可能性并及時(shí)發(fā)送信號(hào)給控制系統(tǒng)。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

第一，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。主控板能夠?qū)⒏鞣N傳感器采集到的數(shù)據(jù)匯聚，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、插補(bǔ)、濾波等操作，篩選并去除異常值后，將其轉(zhuǎn)換為可用的氣象參數(shù)，然后通過(guò)有線通信（如以太網(wǎng)、RS-485 等）將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器上的SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)能夠根據(jù)寫入的運(yùn)算法則計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并實(shí)時(shí)返回到監(jiān)測(cè)主控板。

第二，數(shù)據(jù)共享。將實(shí)時(shí)采集的不同格式的降水量、能見(jiàn)度、結(jié)冰情況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式后進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)云計(jì)算進(jìn)行匯聚、運(yùn)算，一旦數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)閾值，立刻發(fā)送信號(hào)至智能管理和智能服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)交互共享。

4.2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

選擇合適的數(shù)據(jù)可視化工具，將數(shù)據(jù)可視化為趨勢(shì)圖、時(shí)序圖、地圖等形式，方便用戶查看和使用。在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果返回給氣象站點(diǎn)的同時(shí)，采集到的各種相關(guān)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也會(huì)在可視化工具的作用下呈現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上，及時(shí)提供各個(gè)氣象站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，供相關(guān)部門查看與決策。

4.3 系統(tǒng)生成

智慧安全出行系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器、主控板、服務(wù)器和用戶界面連接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)和應(yīng)用。該系統(tǒng)由氣象站、計(jì)算機(jī)平臺(tái)和控制顯示系統(tǒng)組成。

氣象站的數(shù)據(jù)探測(cè)和處理設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)大下坡路段特殊天氣數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)智能化數(shù)據(jù)處理和傳輸，為計(jì)算機(jī)平臺(tái)提供可用數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其負(fù)責(zé)安全風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)算、風(fēng)險(xiǎn)管控措施指令的智能發(fā)布，功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)寫入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，設(shè)置好風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的運(yùn)算法則，預(yù)設(shè)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下顯示系統(tǒng)的響應(yīng)動(dòng)作，得到可用數(shù)據(jù)后，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)發(fā)出動(dòng)作指令，同時(shí)推送信息到共享設(shè)備。

控制顯示系統(tǒng)包括控制主板、LED 顯示屏、誘導(dǎo)燈、供電系統(tǒng)等?？刂浦靼褰邮沼?jì)算機(jī)平臺(tái)發(fā)送的指令信息后，將指令分析處理傳達(dá)給LED 顯示屏和誘導(dǎo)燈，LED 顯示屏可根據(jù)指令向來(lái)往車輛提供交通信息，誘導(dǎo)燈可通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化閃爍頻率，對(duì)來(lái)往車輛進(jìn)行提前預(yù)警。智慧安全出行系統(tǒng)流程如圖2 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧交通是深化改革、務(wù)實(shí)創(chuàng)新以及加快推進(jìn)“四個(gè)交通”發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容之一?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧安全出行系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特殊天氣下長(zhǎng)大下坡路段交通安全的智慧判別和智慧管理，為公路主管部門提供決策依據(jù)，為公路運(yùn)營(yíng)部門提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，為公路使用者提供安全指導(dǎo)和保障。因此，需要對(duì)一體化系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究，以進(jìn)一步提高公路出行信息化運(yùn)營(yíng)和管理水平，保證交通安全。