特殊天氣下長大下坡路段智慧安全出行系統(tǒng)研究

李靖、覃勤、侯效偉

（云南省公路科學技術(shù)研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

我國《交通強國建設綱要》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)域的應用，許多專家學者開展了相關(guān)研究并取得了一定的研究成果。范中華[1]進行了高速公路智慧出行平臺需求分析和可行性分析，提出了云平臺的部署方式。張云[2]以云南省“智慧高速”建設發(fā)展為研究對象，設計了一套“智慧高速”建設發(fā)展方案，并詳細闡述了各模塊的具體建設方法和目標。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)建設思路，闡述了1+4+NX 的總體架構(gòu)建設內(nèi)容。然而，目前對于特殊天氣下長大下坡路段智慧安全出行系統(tǒng)的研究還相對較少。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，從而進行信息交換和通信，以此實現(xiàn)對“物”的智能化應用和管理?；诖耍恼聫陌踩嵌瘸霭l(fā)，對該系統(tǒng)進行研究，提出將特殊天氣監(jiān)測、安全風險評估、安全出行相結(jié)合，實現(xiàn)信息提供、出行指導一體化管理，以期提高長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)又稱國際網(wǎng)絡，是網(wǎng)絡與網(wǎng)絡之間采用有線連接的方式串聯(lián)成網(wǎng)絡系統(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，通過無線的形式將萬事萬物與信息系統(tǒng)相連接，進而通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對所連物體的控制和應用。

智慧出行是在整個交通運輸領(lǐng)域充分利用物聯(lián)網(wǎng)、空間感知、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，同時綜合運用交通科學、系統(tǒng)方法、人工智能、知識挖掘等理論與工具，以全面感知、深度融合、主動服務、科學決策為目標，通過建設實時的動態(tài)信息服務體系，深度挖掘交通運輸相關(guān)數(shù)據(jù)，形成問題分析模型，實現(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、公眾服務能力的提升，推動交通運輸更安全、更高效、更便捷、更經(jīng)濟、更環(huán)保、更舒適地運行和發(fā)展，最終帶動交通運輸及相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級。

2 需求分析

2.1 用戶需求

公路是公共基礎(chǔ)設施，相關(guān)各方包括主管部門、運營部門及使用者等。所以，特殊天氣下長大下坡路段智慧安全出行系統(tǒng)的設計和建設，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的相關(guān)準則，實施行為管理。其中包括制訂規(guī)章制度、準入、運行和退出標準，以及實施道路通行管制等。因此，其對系統(tǒng)的需求主要為及時、準確掌握長大下坡路段特殊天氣狀況，以便制訂禁行、限行和管控要求，并實施具體管控工作。

第二，運營部門。運營部門對系統(tǒng)的主要需求在于及時、準確掌握道路通行安全風險并執(zhí)行主管部門對道路通行的管控指令。

第三，道路使用者。道路使用者對系統(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)想要實現(xiàn)真正的智能化，必須具備兼容性、動態(tài)性與智慧性。

第一，兼容性?；谖锫?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、交互應用等各種技術(shù)，其終端設備形式多樣，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)則充分依靠各設備間的兼容。

第二，動態(tài)性。為支持動態(tài)實時的天氣監(jiān)測，節(jié)點和系統(tǒng)必須能夠即時、動態(tài)地采集、傳輸各種信息、信號，從而動態(tài)地評估長大下坡路段的交通安全風險。

第三，智慧性。系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)自主監(jiān)測、自動運算、自主智慧決策，以更大限度地減少人工干預，實現(xiàn)預期功能。

3 系統(tǒng)設計

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行統(tǒng)一化，以便實現(xiàn)物物相連。其實質(zhì)是前端設備（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)絡連接，再通過云計算等方式對數(shù)據(jù)篩選、加工、處理，以實現(xiàn)對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)絡傳輸層和信息處理應用層等三個層次。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、無線通信等設備。感知層能夠?qū)δ繕诵畔⑦M行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再傳輸?shù)骄W(wǎng)絡層。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層（IoT Network Layer）是借助IP 協(xié)議、6LoWPAN 協(xié)議、RFID 協(xié)議、ZigBee 協(xié)議實現(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)絡層能夠為數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡級別的服務。

物聯(lián)網(wǎng)應用層（IoT Application Layer）是采用MQTT、HTTP、CoAP、AMQP、XMPP 等協(xié)議、標準及其擴展，通過管理和控制物聯(lián)網(wǎng)中的設備，收集和分析設備數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)各種應用和服務。應用層是物聯(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，如能見度儀、雨量計、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，負責實時采集公路氣象數(shù)據(jù)。信息輸出終端包括LED 顯示和交通誘導燈，其能夠?qū)Ψ掌鞣祷氐膶崟r風險等級結(jié)果等信息作出響應，如LED 顯示氣象信息和風險狀況，交通誘導燈根據(jù)預設發(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，承擔著多項重要任務，具備高度智能化和實時性。主控板能夠根據(jù)寫入的風險等級算法，計算風險等級，再根據(jù)不同風險等級智能決策，向LED 顯示屏和交通誘導燈發(fā)送對應指令。

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

第四，網(wǎng)絡通訊。為了保證氣象數(shù)據(jù)及時到達服務器以實現(xiàn)實時傳輸，應采用4G 通信模塊。

第五，服務器。服務器是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，可采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫存儲氣象數(shù)據(jù)。服務器負責接收來自主控板的數(shù)據(jù)，并將處理后的氣象參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。此外，服務器中還具有數(shù)據(jù)處理和風險等級計算應用程序，可用于計算風險等級。

4 智慧安全出行系統(tǒng)開發(fā)

4.1 總體設計

4.1.1 系統(tǒng)模式

基于用戶使用方便、系統(tǒng)維護簡單等考慮，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)開發(fā)模式，即利用C/S 模式的高可靠性構(gòu)建企業(yè)應用（包括輸入、計算和輸出），再利用B/S 模式的廣泛性構(gòu)建服務或延伸企業(yè)應用（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。

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 是一種應用接口框架，能夠構(gòu)建HTTP 服務以支撐更廣泛客戶端（如：Windows Forms、瀏覽器，手機和平板電腦等）的框架，是構(gòu)建RESTful 應用程序的理想平臺。由于Web API是基于互聯(lián)網(wǎng)的應用，考慮采用用戶令牌、安全簽名進行數(shù)據(jù)提交，提供公開接口調(diào)用等方式，以有效應對安全問題。

4.2 數(shù)據(jù)運算

4.2.1 數(shù)據(jù)采集

第一，設置氣象觀測站點。在通行車流量較大的長大下坡路段可設置配有多種傳感器的氣象站點，負責全面采集路段氣象數(shù)據(jù)，如能見度、降水量、結(jié)冰情況等。

第二，數(shù)據(jù)采集。大氣能見度測量儀應采用光學及電子技術(shù)，測定大氣能見度。雪量傳感器能夠感應到雪花的落下，并通過內(nèi)部算法檢測出雪的強度、密度和速度等關(guān)鍵信息。脈沖型雨量計可通過接收被降雨所激發(fā)的電信號，并將其轉(zhuǎn)化成脈沖信號以便于記錄和分析。道路結(jié)冰傳感器能夠?qū)崟r檢測道路表面溫度和濕度，預測道路結(jié)冰的可能性并及時發(fā)送信號給控制系統(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，再對數(shù)據(jù)進行校準、插補、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)，然后通過有線通信（如以太網(wǎng)、RS-485 等）將數(shù)據(jù)存儲在服務器上的SQL Server 數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫能夠根據(jù)寫入的運算法則計算出風險等級，并實時返回到監(jiān)測主控板。

第二，數(shù)據(jù)共享。將實時采集的不同格式的降水量、能見度、結(jié)冰情況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式后進行存儲，并通過云計算進行匯聚、運算，一旦數(shù)據(jù)超出預設的風險閾值，立刻發(fā)送信號至智能管理和智能服務模塊，實現(xiàn)交互共享。

4.2.3 數(shù)據(jù)應用

選擇合適的數(shù)據(jù)可視化工具，將數(shù)據(jù)可視化為趨勢圖、時序圖、地圖等形式，方便用戶查看和使用。在風險等級結(jié)果返回給氣象站點的同時，采集到的各種相關(guān)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)也會在可視化工具的作用下呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上，及時提供各個氣象站點的監(jiān)測數(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、服務器和用戶界面連接在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、存儲和應用。該系統(tǒng)由氣象站、計算機平臺和控制顯示系統(tǒng)組成。

氣象站的數(shù)據(jù)探測和處理設備進行長大下坡路段特殊天氣數(shù)據(jù)采集，再通過智能化數(shù)據(jù)處理和傳輸，為計算機平臺提供可用數(shù)據(jù)。

計算機平臺是整個系統(tǒng)的核心部分，其負責安全風險運算、風險管控措施指令的智能發(fā)布，功能的實現(xiàn)是通過寫入風險評估指標體系，設置好風險等級的運算法則，預設不同風險等級下顯示系統(tǒng)的響應動作，得到可用數(shù)據(jù)后，計算風險，并根據(jù)風險等級發(fā)出動作指令，同時推送信息到共享設備。

控制顯示系統(tǒng)包括控制主板、LED 顯示屏、誘導燈、供電系統(tǒng)等。控制主板接收計算機平臺發(fā)送的指令信息后，將指令分析處理傳達給LED 顯示屏和誘導燈，LED 顯示屏可根據(jù)指令向來往車輛提供交通信息，誘導燈可通過風險等級變化閃爍頻率，對來往車輛進行提前預警。智慧安全出行系統(tǒng)流程如圖2 所示。

5 結(jié)語

智慧交通是深化改革、務實創(chuàng)新以及加快推進“四個交通”發(fā)展的重點內(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)對特殊天氣下長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)，為公路運營部門提供實時數(shù)據(jù)信息，為公路使用者提供安全指導和保障。因此，需要對一體化系統(tǒng)進行更加深入的研究，以進一步提高公路出行信息化運營和管理水平，保證交通安全。