大數(shù)據(jù)時代基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧高速公路研究

殷亞君

（甘肅省高速公路局，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

智慧公路，可通過交通資訊信息的收集和傳遞，實現(xiàn)對車流在時間和空間上的引導(dǎo)、分流，避免公路堵塞，加強公路用戶的安全，減少交通事故的發(fā)生。隨著高速公路信息化快速發(fā)展，高速公路智能化已成為公路管理的必然趨勢。如今，智能化設(shè)備和傳感技術(shù)已日趨成熟，5G通訊技術(shù)的問世，加強了通信網(wǎng)絡(luò)信息傳送和共享的可靠性和即時性，大數(shù)據(jù)背景下，云計算等智能計算技術(shù)可分析海量感知數(shù)據(jù)和信息，并實現(xiàn)智能化的監(jiān)控與決策[1]，一系列科學(xué)技術(shù)的迭代更新，使得“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)（即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）應(yīng)運而生并有了初步探索。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能利用智能化的傳感設(shè)備對物質(zhì)世界進行感知，通過網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的信息傳遞和交換，最終達到精確管理和科學(xué)決策。高速公路的運營和維護是一個復(fù)雜體系，我國智慧公路建設(shè)還存在需求量大和核心技術(shù)不足的問題，解決構(gòu)建智慧公路的技術(shù)手段，是實現(xiàn)車路協(xié)同、人車協(xié)同、車車協(xié)同這一智慧公路運轉(zhuǎn)藍圖的有力途徑。因此，研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如何應(yīng)用于智慧公路建設(shè)，是實現(xiàn)智慧高速公路亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對智慧公路研究，國內(nèi)部分學(xué)者進行了初步探索。韓直[2]通過類比法及電路學(xué)與人體仿生學(xué)原理，提出智慧高速公路的系統(tǒng)構(gòu)成和交通組織方法，為智慧高速公路發(fā)展提供了新構(gòu)思。元中華[3]緊扣國家的“互聯(lián)網(wǎng)+”與智慧交通發(fā)展行動計劃，結(jié)合某省干線公路擴建工程，提出了建設(shè)智慧公路的若干建議。當(dāng)前智慧公路的研究還存在智慧交通誘導(dǎo)時間長、故障頻率較高的問題，張鵬[4]對公路數(shù)據(jù)進行了歸一化處理，可保障交通預(yù)測的準確性。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，陳波[5]等人也探討了物聯(lián)網(wǎng)在高速公路運營管理中的應(yīng)用，林玉瑛[6]、陳婧[7]等學(xué)者就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及智慧運維模式進行了研究。相比于國內(nèi)，國外對智慧公路的研究側(cè)重于解決交通擁堵和減少交通事故發(fā)生[8-10]，Jaehoon Jeong[11]也提出了車載網(wǎng)絡(luò)智能道路服務(wù)和針對交通事故的行人服務(wù)?？傊?，如何實現(xiàn)智慧公路還需深入研究，如何通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)高速公路的智慧運營和養(yǎng)護，是探索智慧高速公路建設(shè)的突破點。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特征

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)

1.1.1 道路設(shè)施智慧化

道路設(shè)施智慧化是指道路設(shè)施和道路交通組織具備感知信號和傳輸信號的能力。通過道路沿線的標識標牌、隔離柵、電子監(jiān)控、照明設(shè)備等進行道路交通狀況信息的采集和傳輸。對道路進行區(qū)段劃分，如路面、隧道、橋梁的整體劃分和按里程數(shù)對路面的局部劃分，通過沿線感知設(shè)備的信息搜集，到區(qū)段信息中轉(zhuǎn)站的篩分和過濾，最終將各類信息分類傳輸?shù)焦芸仄脚_，進行信息處理和指令下達。

圖1 道路信息的采集與傳輸

1.1.2 車輛設(shè)備智能化

車輛設(shè)備智能化是高速公路智慧化的重要組成部分，是智慧公路體現(xiàn)其“智慧”的載體。通過車輛配置終端顯示信號接收器，獲得道路、車輛位置和障礙物信息，及時提供給車主道路通行情況，規(guī)避危險源，選擇最佳的行車路線，尤其面臨道路突發(fā)狀況時，可提前預(yù)知，提前采取有效措施。尤其在夜間行車，道路出現(xiàn)不明障礙物、動物、行人時，通過車車協(xié)同、車路協(xié)同體系，主動提醒并規(guī)避危險源。通過車車協(xié)同，可判別臨近車輛行駛狀況，對車速異常、行車路徑異常的車輛提前做出防范。另外，車輛設(shè)備智能化也是發(fā)展無人駕駛汽車的基礎(chǔ)，通過與周圍環(huán)境智能設(shè)備的感知，達到控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度。

1.1.3 決策指令下達最優(yōu)化

通過物物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)管控平臺，對采集到的各類路況信息和用戶信息進行智能決策。決策指令下達須具有目標選擇、狀態(tài)評判、及狀態(tài)推演功能。目標選擇應(yīng)兼顧安全、高效、綠色、經(jīng)濟，從宏觀上對道路狀況、車流狀況進行判別，從微觀上對車車間距、障礙物信息進行判別，給出合理的應(yīng)對策略，并根據(jù)目標及時進行調(diào)整和控制。此外，還能對每一輛車的空間位置、交通參數(shù)及行車軌跡進行推演和預(yù)測，也是避免交通事故，提前預(yù)知危險源的有效途徑。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為互聯(lián)網(wǎng)的拓展延伸，建設(shè)智慧公路的全新信息發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)具備以下特征：

1）感知層：利用GPS、無線傳感器、頻射識別（RFID）、二維碼等信息傳感技術(shù)隨時獲取道路構(gòu)造、設(shè)施和交通狀況的特征參數(shù)。

2）承載層：利用無線網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)機房和感知層的傳感設(shè)備共同構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地將感知到的信息進行傳遞和共享。

3）平臺層：具備一體化系統(tǒng)管理，利用大數(shù)據(jù)平臺、云計算等技術(shù)對感知到的海量數(shù)據(jù)進行存儲和分析，通過GIS或BIM引擎技術(shù)，實現(xiàn)精確定位和智能決策。

4）應(yīng)用層：平臺可應(yīng)用于交通流預(yù)測、事故預(yù)警、危險源規(guī)避、道路狀況分析、智慧養(yǎng)護等，實現(xiàn)各類智慧化應(yīng)用。

5）門戶層：可支持大屏、PC、手機、IPAD等多終端顯示。

2 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)管控平臺

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建高速公路物聯(lián)網(wǎng)管控平臺架構(gòu)圖，如圖2所示：

圖2 物聯(lián)網(wǎng)管控平臺架構(gòu)圖

3 物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)歸一化處理

智慧公路包含多樣化的感知信息，智慧公路大數(shù)據(jù)由各交通體系數(shù)據(jù)共同組成。在高速公路道路信息的采集過程中，會面臨數(shù)據(jù)種類繁多、單位存在差異的問題，這就需要對采集到的各類數(shù)據(jù)進行歸一化處理，消除量綱的影響，將各數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一數(shù)量級上，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的綜合分析。

智慧公路可采用線性的歸一化方法，通過最大值最小值運算法，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成[0，1]區(qū)間的數(shù)值，智慧公路大數(shù)據(jù)可由各個子集構(gòu)成，各子集的輸出值應(yīng)在[0，1]之間，通過各子集輸出值的大小，可定義其對公路交通運行的影響程度。

在數(shù)據(jù)歸一化處理前，先對數(shù)據(jù)進行標準化處理，將數(shù)據(jù)的屬性值統(tǒng)一到同一區(qū)間，設(shè)標準化函數(shù)為：

式中：yi(xi)為i的權(quán)值，xi為i的屬性值，為固定區(qū)間，為函數(shù)的最小值，為函數(shù)的最大值，為函數(shù)的最大權(quán)值。

然后進行數(shù)據(jù)歸一化處理，將采集到的公路交通信息原始數(shù)據(jù)集合定義為根據(jù)模糊綜合評價法[4]可得歸一化向量：

再定義B為歸一化處理后的數(shù)據(jù)集合，則B= Aα，α為系數(shù)，數(shù)據(jù)歸一化處理完畢。

4 智慧運營與智慧養(yǎng)護體系

現(xiàn)有的智慧高速公路研究中，針對高速公路智慧運營與智慧養(yǎng)護的研究還較少，本文基于大數(shù)據(jù)下的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從高速公路的建設(shè)期、運營期、養(yǎng)護期的數(shù)據(jù)為一體，形成綜合的交通數(shù)據(jù)集合，探討高速公路智慧運營和智慧養(yǎng)護的思路。

4.1 智慧運營

構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智慧運營體系，需以數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過感知設(shè)備實現(xiàn)公路交通信息的搜集和傳輸，并對實時的、動態(tài)的數(shù)據(jù)進行分析，建立智慧的誘導(dǎo)系統(tǒng)，保證交通運輸處于健康運行狀況，滿足公路行車用戶的實際需求。通過采集到的道路狀況信息，經(jīng)分析與決策，提供給用戶最佳的解決方案，具體流程如圖4所示。

圖3 道路狀況監(jiān)測

如圖3所示，模擬了道路可能出現(xiàn)的部分交通狀況，當(dāng)出現(xiàn)交通狀況時，智能化的道路感應(yīng)設(shè)備會第一時間采集到道路狀況信息，采集到的信息會迅速傳輸?shù)狡脚_層進行交通信息的智能處理，當(dāng)然，處于此區(qū)域的車輛也會第一時間接收到真實的路況信息。通過信息的篩分與分析，最終將優(yōu)化后的決策指令下達給此區(qū)域的車輛，引導(dǎo)其應(yīng)對道路突發(fā)事件。用戶車輛終端接收到路況信息后，可通過平臺預(yù)測此路段的交通流，可遵循智能化的決策指令，也可主觀上自我決策。這樣一來，大大降低了高速公路可能出現(xiàn)的各類交通事故，尤其在夜間行車，有利于規(guī)避突然出現(xiàn)的危險源，保證行車安全。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧運營體系不僅可用于交通指揮和誘導(dǎo)，還大大提高了高速公路的行車安全，實現(xiàn)高速公路無事故健康出行。

圖4 智慧運營流程圖

圖5 智慧養(yǎng)護框架圖

圖6 智慧養(yǎng)護流程圖

4.2 智慧養(yǎng)護

目前公路養(yǎng)護的狀態(tài)仍處于“被動養(yǎng)護”狀態(tài)，即指當(dāng)已經(jīng)出現(xiàn)病害時才采取養(yǎng)護措施，進行對病害的修補工作。智慧養(yǎng)護應(yīng)為“主動養(yǎng)護，預(yù)防為主”。智慧養(yǎng)護體系的建立應(yīng)從項目施工階段開始，在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位或控制性截面預(yù)埋傳感設(shè)備，傳感設(shè)備的布置應(yīng)點多面廣，與結(jié)構(gòu)融為一體，從工程的建設(shè)初期，就開始采集各類數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)的溫度、受力、變形、裂縫等。在結(jié)構(gòu)的使用階段，通過實時檢測到的數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)的比對，預(yù)測可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)病害，提前采取養(yǎng)護措施進行修補，防止病害的劣化，如路基的局部不均勻沉降、橋梁撓度的變形增大、裂縫的開裂、橋梁索力的松弛等等。針對突然或已經(jīng)出現(xiàn)的病害，通過傳感設(shè)備的采集與后臺大數(shù)據(jù)分析，可提供全面的道路病害信息，并制定對應(yīng)策略。智慧養(yǎng)護的主要養(yǎng)護內(nèi)容及流程如圖5與圖6所示。

5 結(jié)語

建設(shè)智慧高速公路，關(guān)鍵在于構(gòu)建其運維模式。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，即道路設(shè)施智慧化、車輛設(shè)備智能化，決策指令下達最優(yōu)化，并闡明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)成，最終形成智慧公路物聯(lián)網(wǎng)管控平臺，可用于智慧公路數(shù)據(jù)的采集、分析與決策。鑒于智慧公路數(shù)據(jù)的多樣性，本文采取對數(shù)據(jù)進行標準化的歸一化處理，有利于對數(shù)據(jù)的綜合分析。此外，針對智慧公路的智慧運營與智慧養(yǎng)護，闡明了其內(nèi)容，提出了二者的運行流程。本文通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧公路研究，為進一步實現(xiàn)車路協(xié)同、車車協(xié)同的智慧運營模式提供了思路，可對交通運行狀況進行分析和指揮，避免交通事故的發(fā)生，保證公路行車舒適且高效，為進一步研究智慧公路提供了參考。