文 / 本刊记者 陈楠枰

基于物联网的公路网运行状态监测与效率提升 活用路网监测传感器

文 / 本刊记者 陈楠枰

现在都是高速路网边埋光纤，但是在例如普通公路这样没有布设传感器的地方，用什么技术解决数据获取感知问题？如何改变原有工作模式，用信息化手段帮助提高公路网运营管理能力？应该给公众发布什么信息能让人最关注，以什么形式发布？

使未来公路管理更加基于自动化手段感知、传输和应用信息，从被动式的“你去看”，到主动推动人们注意和运用信息，借此提高自身的运营管理服务能力。这些都是《基于物联网的公路网运行状态监测与效率提升技术研究》所希望解决的。

——曹沫

藏器待时，英雄难尽散用武之力

伴随着公路基础设施大规模扩张，公路交通发展的外部环境和要素条件都在发生着深刻复杂的变化。外部环境方面，经济社会对公路交通运输不仅保持了旺盛需求，而且对服务质量和运行效率提出越来越高的要求，不仅要“走得了”，还要能“走得好”。

据了解，欧美发达国家的公路运输发展理念早已不再局限于修建新的道路，而正转向于对现有公路改造和挖掘潜力。为提高公路使用效率，使公路使用者在公路上真正达到安全、舒适和高效，并使公路管理者提高管理水平、正确决策，欧、美、日国家已经开始着力于研究借助通讯、控制、信息、管理技术以推动交通智能化发展。

国外的实践经验表明，基于物联网的智能交通管理与诱导是提升公路交通服务能力的重要途径。

反观国内，随着机动化时代到来，站在新历史起点上，面对行业转型升级的新要求和新技术迅猛发展的新形势，中国公路智能交通发展正处在怎样的节点上？

路网阻断要素能充分感知检测吗？

物联网监测设备及系统

“路网阻断要素感知监测不足已成为提升路网运行效率的瓶颈。”交通运输部科学研究院交通信息中心主任曹沫告诉记者，恶劣天气、事故灾难、养护施工和车流量大都是我国干线路网交通阻断的主要原因，但公路交通量、气象、设施等实时基础信息采集设施、设备却仍然匮乏。

实际路段-李家湾大桥

专项工作协调会

交通运输部路网监测与应急处置中心调查数据显示，40%的路网拥堵或阻滞造成，都由不良气象条件影响。然而，目前各地路网监控中心的路网气象数据采集均由各地气象局获取，进行直接覆盖。“但实际在例如山区等特殊地区的团雾或局部起雾，气象局也并不知道。”

同时，尽管我国大桥监测水平已不错，占据桥梁总量里绝大部分比例的中小型桥梁监测问题却一直难题待解，耗费巨大财力安装大桥监测设备并不现实，研发专属的新型高精尖设备在资金投入上也仍无以为力。

“现有此类型装备主要来自国外，国内暂时没有此类自主技术产业。”曹沫表示，一方面，一些高性能路网环境监测设备仍依赖国外产品，市场价格居高不下，投资水平高，导致设备布设规模不能按交通监控管理实际需求进行。另一方面，部分交通基础设施结构、影响因素复杂，监测基础理论不完善，感知体系建设尚处于理论探索和实验阶段。

路网管理可测、可视、可知、可控？

高速公路网上，我们需要了解什么？从路网来看，交通量、各路段气象雨水情况、所有基础设施状况需要悉知。同时，边坡、路基及桥梁状况如何？遇到突发性拥堵，是继续等待还是绕行？哪里又是限速限重路段？

近年来，路网自动监测设备已在各地大规模布设，监控中心在大部分省份也相继投入应用，大量路网实时数据、图像等信息汇集到一个或多个中心，为路网的日常管控和出行服务提供支撑。

但是，“基于物联网全面感知、有效传输、智能处理的‘主动管理’理念、业务架构、运行机制、技术标准、管理评估指标和服务质量标准尚未建立起来，导致信息化与业务深度融合不足，信息资源共享水平低，在安全应急、公共服务、决策管理和保障等公路核心业务领域，难以形成可测、可视、可控和可知的协调联动路网管理、服务体系。”曹沫说。

基于物联网的智慧公路构想图

物联网的第一层在于感知，如何获取信息？其次，获取信息后必须经过传输，将所有信息数据各取所需，公路服务想要什么即提供什么，管理层需要什么亦提供相应的。第三层即分析应用，将大量信息数据智能化，我想怎么样就能怎么样，这是目标。

采集回来的数据信息深度分析应用了吗？

“我们现在沿线安装视频摄像头是最密集的，虽然现有技术能将视频传输到一起，但7000多个摄像头，第一，你看得过来吗？！第二，谁会天天坐在那儿24小时傻乎乎地看啊？！”曹沫提出了一个令人惊叹的问题。

随着高速公路规模快速扩张，公路沿线视频监测、交通流量设备布设速度明显加快。但大量交通流量、位置、图像、车速等信息向应急指挥中心集中，靠人浏览、分辨每一个信息，凭经验给出判断分析结果的传统工作模式越来越难以为继。

人工巡查仍是交通事件发现和确认的主要方式，基于物联网理念下的精简高效、协调联动、开放合作的交通组织模式处于空白。

“实际上，现在往往仅是将最多出事故路段的摄像视频摆出来看着，还是人工巡查比较常见，很多车在路上来回巡视，正好碰见了就发现了。”曹沫表示，尽管能采集到不少数据，但真正到内部管理，还是多粗放型、半人工管理为主，“监控中心能看见，仅此而已。”数据并没有得到最大限度有效利用。

如何高效管理数据，从数据中发现信息，从信息中发现知识，从知识中发现智能，从而为决策、管理和服务提供及时有效支持，成为十分迫切需求。而路网交通流量、气象、路面状况等运行状态自动监测设备、设施和系统建设也尚未全面纳入交通运输基础设施建设范畴。

“掌上交通”确实覆盖了吗？

“对于行走在路网上的汽车里，人们的手机信令应用并没有充分用起来。”曹沫指出。近年来，虽然出行交通信息服务系统如雨后春笋般问世。但是，借助手机实现智能交通信息服务的体系依旧尚未建立。

作为智慧交通最重要的展现途径，“掌上交通”应是未来交通信息服务的重要发展方向。而实际上，目前，智能手机在行驶路段及相关路网的天气、事故、交通流和交通控制最新情况发布体系中的应用仍处于起步阶段。基于智能手机的突发事件报警系统也基本处于空白。

洞察先机，数据可控才是生产力

经过多年发展，公路智能交通对提高路网基础设施运行管理和安全监管水平，提升行业社会服务和公众出行满意度，促进节能减排等方面的支撑和保障作用日益凸显。

2011年，交通运输部设立“基于物联网的公路网运行状态监测与效率提升技术”重大科技专项，着力突破物联网在公路交通领域应用的技术瓶颈，为构建基于物联网、大数据现代技术体系下，更便捷高效和安全可靠的智能化路网管理和服务体系提供科技支撑。

“所谓基于物联网,即希望所有事情靠自动感知来获取路网中所有大家需要的信息。基于物联网的公路网运行效率提升，以物联网为视角，让将来的路网管理、服务更加基于信息化的先进手段进行运营监控。”项目主要负责人和参与者曹沫在接受记者采访时表示。

据介绍，专项以公路网运行效率、服务质量提升需求为导向，从物联网基本特征和推广应用的薄弱环节入手，在路网感知、数据分析应用和信息发布等众多关键性技术均取得重大突破。

路面状况监测设备

感知

“项目的第一层是感知信息，解决一些我国路网中基础监测设备支撑不到位的问题。同时，如果大量铺设此类设备则需要制定标准进行统一。”曹沫介绍。

以物联网在公路网管理与服务全面应用为目标，项目开展了公路网运行监测指标体系和监测设备通用技术条件研究。首次明确公路网运行状态的内涵和分类，建立以动态监测指标为主的公路网运行状态监测指标体系；构建公路网运行状态分析及发布通用设备的框架，明确公路网运行状态信息采集层、传输层、处理层和发布层的设备功能要求和自诊断、数据预处理及自组网泛在接入技术指标及其要求，并为物联网技术在路网运行状态监测中的应用提供指导。

路段施工现场

“以建立路网基础设施、交通情况、气象环境自动感知体系为目标，针对我国现有感知设备、系统薄弱环节，项目组围绕路网监管和公众服务需求，开展边坡、中小桥梁、断面交通量及承载、路段能见度、路面雨雪感知技术、设备和系统研发。”

曹沫透露，在感知层中，项目首次建立了道路表面形态与激光光谱测量相结合的路面气象状态测量方法，提出雨雪环境下的激光散射模型、我国常用结构类型中小桥综合安全评估指标体系、评估方法和不同安全评估等级条件下对车辆通行能力的影响及通行限制要求、基于频率重构的动态轴载计算模型、成对差分特征值车速计算算法和基于RSSI的ALOHA防碰撞算法。

同时，“我国常用结构类型中小桥综合安全评估指标体系、评估方法和不同安全评估等级条件下对车辆通行能力的影响及通行限制要求亦在项目中研究并提出。”

数量众多的路网传感设备必然带来后期运营和维护困难，当设备发生故障时，需要耗费大量的人力物力赶赴现场检查维修，迫切需要基于信息化的故障诊断、校准和维护技术研究。

传输

项目研究前，省际高速公路通信网络因缺少有效衔接、相互分隔，很大程度上降低了网络价值，各个分散专网的规模仅局限于部分地区，都影响着网络整体优势的完全发挥，难以体现规模经济效应。

围绕物联网技术体系下公路管理与服务系统对网络通信的需求，项目组开展了监测信息传输技术研究。

“公路网运行状态监测信息传输网应该分为三个层级，第一个层级是路段接入网，是从信息监测点到路段中心的传输网；第二个层级是骨干接入网，将国省干线、高速公路上的状态监测信息汇集到骨干传输网上；第三个层级则是骨干传输网，将整个公路网运行状态信息进行远距离传输的主干网络。”曹沫提出。

新的传输方式中，项目组首次采取公路网运行状态监测信息“横联”网络传输结构，基站之间通过无线信道进行数据和信令业务的交互，为区域交通物联网技术的应用奠定了技术支撑条件。

公路网多源监测信息接入和具有自组织功能的组网技术方案提出，为公路网沿线多源性、分散性的监测点信息接入和汇聚提供了多模式、灵活快捷的接入网和组网技术方案。

同时，基于MiWave无线宽带传输技术的公路网运行状态监测信息传输设备，可有效提高信号频率补偿精度和终端切换效率及信息传输的质量，达到国际领先水平。

“在车速120km/h条件下，项目组自主研发的车路通信模板可使得交通信息传输距离大于300米，传输速度8Mbps。”曹沫介绍，基于下一跳方法的单播路由转发技术和通信关系表的多跳路由转发技术的提出，不仅实现交通信息在车辆间扩散，扩大信息传递范围，还在性能指标方面达到国外同类产品水平，为隧道等通信信号盲区内交通信息发布提供新手段。

1.压电薄膜设备

2.控制机柜

3.重庆合署办公

智能处理及发布

出行者想去往出行目的地时，打开手机或电脑就能及时获取全路网畅通及拥堵情况，随即选出最佳路线；高速公路突发大雾信息及时发布至雾区附近路段情报板，方便过路车辆按照提示绕行或减速；避免山区公路边坡坍塌危险，养护人员能坐在办公室里通过手机短信随时获取边坡稳定情况；每座桥梁的健康状况通过传感器知悉，直接构建三维立体模型……通过感知得到的具体信息已经可以经过分析处理为以上出行需求服务。

4.实际路段-边坡

“过去各省都是在某地设置一个治超点，每一辆车过一遍。如果在高速公路网这么做，效率必然受影响。”曹沫说：“现在我们做了易检，地下铺上传感器，被检测车辆不用降低速度，直接自传感器上驶过即可，系统自动将其认为有可能超载的车辆摘出来，无问题车辆则可继续不停车前行。”

“大量设备铺设下去后，目前最大的问题是，咱们总认为：‘自动化了，那多准呐！’其实不然，经常坏，不行。”

数量众多的路网传感设备必然带来后期运营和维护困难，当设备发生故障时，需要耗费大量的人力物力赶赴现场检查维修，迫切需要基于信息化的故障诊断、校准和维护技术研究。“自动化系统靠不靠谱？如何及时发现故障？必须有一定保障，否则就会成为误导。”

据介绍，项目组已自主研发设备监测诊断系统和便携式诊断设备，每个传感器都连着后台系统，如果传感器出了状况，通过后台即可及时发现问题并进行诊断。“不仅能支持车速、交通量、能见度、积水、结冰等传感器，还能全面掌握分析设备运行状态并及时给出设备数据异常、供电单元故障、传输单元故障等系列问题的诊断和维修建议。”