基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧公路運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)

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(yùn)行依托于龐大的硬件與軟件基礎(chǔ)，通過對(duì)公路交通信息的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路交通設(shè)施的運(yùn)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(guān)研究人員提出利用監(jiān)控技術(shù)對(duì)智慧公路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握公路交通時(shí)間分布和空間分布情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)公路上超速、超載、違運(yùn)等不合法運(yùn)行行為，輔助公路交通運(yùn)行管理部門對(duì)突發(fā)事件采取合理的措施，降低智慧公路運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。由于公路上運(yùn)行車輛和基礎(chǔ)設(shè)施比較多，當(dāng)公路處于車輛行駛高峰期時(shí)，對(duì)于公路運(yùn)行狀態(tài)的分析難度較高，難以實(shí)現(xiàn)智慧公路運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為此提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧公路運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)研究。

1 智慧公路運(yùn)行信息獲取

公路運(yùn)行信息主要包括路況信息、基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)的監(jiān)控設(shè)備對(duì)信息進(jìn)行采集，具體如表1 所示。

表1 智慧公路運(yùn)行信息獲取

1.1 路況信息采集

采用車輛檢測(cè)器與攝像機(jī)采集路況信息，在車輛檢測(cè)器內(nèi)設(shè)定一個(gè)電子標(biāo)簽，當(dāng)公路上行駛的車輛經(jīng)過車輛檢測(cè)器，電子標(biāo)簽會(huì)主動(dòng)或者被動(dòng)向車輛發(fā)出射頻信號(hào)F，射頻信號(hào)到達(dá)車輛后反射回來，由信息接收端接收反射信號(hào)N，由車輛檢測(cè)器內(nèi)置的讀卡器對(duì)車輛電子標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取，將其上傳到智慧公路系統(tǒng)中，對(duì)該電子標(biāo)簽車輛信息進(jìn)行配對(duì)，從而獲取到公路上車輛身份信息V=[F，N][1]。此外，車輛檢測(cè)器上設(shè)有一個(gè)無線探頭，車輛在公路上行駛時(shí)探頭會(huì)測(cè)量到車輛經(jīng)過探頭的時(shí)間、車速以及車輛間距等信息[2]。利用360°全景攝像機(jī)獲取公路監(jiān)控視頻信息，將該攝像機(jī)安裝在公路紅綠燈上方，并安裝一個(gè)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(jī)也能拍攝到高質(zhì)量監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)。

1.2 公路基礎(chǔ)設(shè)施信息采集

利用監(jiān)控設(shè)備對(duì)該信息的采集關(guān)鍵在于檢測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，對(duì)于地質(zhì)環(huán)境比較穩(wěn)定的公路，每隔500m 或者750m 設(shè)定一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)；對(duì)于地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)一般的公路路段，每隔300m 或者350m 設(shè)定一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)；對(duì)于地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)非常差的公路路段，每隔150m 或者200m 設(shè)定一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)[3]。在布設(shè)的檢測(cè)點(diǎn)處安置一個(gè)路基檢測(cè)器和邊坡檢測(cè)器，根據(jù)地基和邊坡數(shù)據(jù)計(jì)算出地基下沉速度和邊坡變形速度，其計(jì)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(shí)間；t2表示當(dāng)前監(jiān)測(cè)時(shí)間；l1表示公路路基初始值；l2表示當(dāng)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(dāng)前公路邊坡坡度[4]。將每個(gè)公路路段進(jìn)行編號(hào)，將公路的路基信息和邊坡信息存儲(chǔ)到相應(yīng)編號(hào)的文件中。

1.3 公路氣象信息采集

采用氣象檢測(cè)器對(duì)公路氣象環(huán)境信息進(jìn)行采集，對(duì)于降雨、降雪量較小的區(qū)域公路路段，每隔3000m 設(shè)立一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)；對(duì)于降雨、降雪量較大的區(qū)域公路路段，每隔2000m 設(shè)立一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)；由于靠?；蛘吆恿鞅容^近的區(qū)域，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)霧天，因此在該區(qū)域公路路段，每隔1000m 設(shè)立一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)安裝一個(gè)氣象檢測(cè)器，對(duì)公路環(huán)境內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、降雪量以及降霧量等氣象信息進(jìn)行采集。除此之外，還需要在監(jiān)控點(diǎn)內(nèi)配備一個(gè)路面?zhèn)鞲衅鳎瑢?duì)路面的積雪厚度、濕度以及可見度等信息進(jìn)行采集，同樣將采集到的信息上傳到計(jì)算機(jī)上，以此完成對(duì)公路運(yùn)行信息的獲取。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)通信

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將多種智慧公路網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)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(wǎng)的智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)通信框架圖

3 智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了方便后續(xù)智慧公路運(yùn)行狀態(tài)分析計(jì)算，需要對(duì)監(jiān)控設(shè)備獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其流程如圖2 所示。

圖2 智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理示意圖

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

表2 智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)字段編碼規(guī)則表

按照表2 中編碼規(guī)則對(duì)智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，賦予數(shù)據(jù)新屬性。為了避免異常數(shù)據(jù)對(duì)智慧公路運(yùn)行狀態(tài)分析的影響，對(duì)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(yùn)行監(jiān)控?zé)o關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，原始數(shù)據(jù)清洗的關(guān)鍵在于區(qū)分異常數(shù)據(jù)，此次采用四分位法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱性清洗，將智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)的上下四分位數(shù)的上下兩個(gè)分位值設(shè)定為有效數(shù)據(jù)區(qū)間的限值，即智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)清洗的上限和下限，對(duì)超出該限值的數(shù)據(jù)被認(rèn)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(yùn)行數(shù)據(jù)有效區(qū)間的下限；B表示智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)的上分位數(shù)；C 表示智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)的下分位數(shù)；Lup表示智慧公路運(yùn)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(duì)智慧公路運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱性清洗處理，最后通過對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)分析

在上文基礎(chǔ)上，對(duì)公路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)估當(dāng)前智慧公路運(yùn)行狀態(tài)。影響智慧公路運(yùn)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(chǔ)設(shè)施安全度，因此選取該四個(gè)因素作為智慧公路運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算出四項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(guān)，其計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn) 表示公路基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)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(jì)算公式為：

式中，υ 表示智慧公路某路段運(yùn)行狀態(tài)值；n 表示智慧公路路段數(shù)量。運(yùn)行狀態(tài)值越高表示智慧公路運(yùn)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(shè)定了四個(gè)等級(jí)。根據(jù)不同等級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧公路運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)，為后續(xù)智慧公路運(yùn)行控制提供參考依據(jù)。

5 智慧公路運(yùn)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(chǔ)設(shè)施安全度、路面光滑度以及擁擠度四個(gè)因素對(duì)智慧公路運(yùn)行的影響，根據(jù)上文分析對(duì)狀態(tài)等級(jí)為一、二、三級(jí)的智慧公路車輛交通流量進(jìn)行控制，其控制依據(jù)如表3 所示。

表3 智慧公路運(yùn)行交通流量控制標(biāo)準(zhǔn)

按照表3 對(duì)智慧公路車輛限速值參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，控制智慧公路運(yùn)行交通流量，以此完成基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧公路運(yùn)行監(jiān)控。

6 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某智慧公路為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)利用設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)該智慧公路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)將該公路分成10 個(gè)路段，每個(gè)路段長度為1000m，根據(jù)該公路實(shí)際情況，在每個(gè)路段安裝一個(gè)天氣檢測(cè)器、兩個(gè)路面?zhèn)鞲衅鳌蓚€(gè)車輛檢測(cè)器、三個(gè)360°全景攝像機(jī)、一個(gè)路基檢測(cè)器、一個(gè)邊坡檢測(cè)器。實(shí)驗(yàn)對(duì)該10 個(gè)路面監(jiān)控30 天，獲取到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)123.15GB，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量為103.42GB，利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析智慧公路運(yùn)行狀態(tài)如表4 所示。

表4 智慧公路運(yùn)行狀態(tài)分析情況

根據(jù)表4 對(duì)智慧公路運(yùn)行狀態(tài)分析，該公路運(yùn)行狀態(tài)最高等級(jí)為三級(jí)，最低等級(jí)為一級(jí)，對(duì)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(shí)驗(yàn)以監(jiān)控誤差作為技術(shù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用SFHI 軟件對(duì)技術(shù)監(jiān)控誤差進(jìn)行計(jì)算，具體如表5 所示。

表5 不同技術(shù)監(jiān)控誤差對(duì)比

從表5 中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)技術(shù)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(shè)計(jì)技術(shù)具有較高的精度；而傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)控誤差最大值可以達(dá)到0.864，平均監(jiān)控誤差為0.468，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)技術(shù)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)技術(shù)相比較傳統(tǒng)技術(shù)，更適用于智慧公路運(yùn)行監(jiān)控，可以滿足智慧公路運(yùn)行監(jiān)控精度需求。

7 結(jié)論

此次針對(duì)現(xiàn)有智慧公路運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)存在的弊端，結(jié)合智慧公路運(yùn)行需求，利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了一套新的監(jiān)控技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)行監(jiān)控精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的優(yōu)化與創(chuàng)新，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智慧公路系統(tǒng)的融合，優(yōu)化智慧公路運(yùn)行管理技術(shù)。