韩树河 王洁松 朱云峰

摘   要：文章以大数据、基于蜂窝的窄带物联网等技术为核心，以数据、场景为驱动，研究并设计出一种基于NB-IoT技术的农村道路交通安全监测及预警系统。该系统以农村道路状况及大小客、货车、农用机动车为主要监测对象，通过NB-IoT技术获取道路和车辆相关信息，利用大数据技术对获取数据分析研判并对安全隐患进行预警，为农村道路交通安全管理提供决策支撑。

关键词：大数据;窄带物联网;农村道路;安全监测;预警系统

农村道路与城市道路交通安全管理相比，存在着道路技术标准低、车辆复杂、驾驶人员交通安全意识薄弱、监管不到位等一系列设计与管理方面的问题，导致农村道路交通安全问题日益突出，道路安全状况令人堪忧，近年来，农村道路发生的交通事故占全国总量的60%。其中在农村道路上行驶的大小客、货车，农用机动车等车辆，超载、超速、超员、无证上路等违规行为是影响道路交通安全和破坏道路路面的主要因素。党的十九大提出要建设网络强国、数字中国、智慧社会，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合[1]，数字虚拟世界和物理世界的融合互通已成为时代大趋势。作为物理世界最重要的城市基础设施，交通与其他行业和系统的融合互通将是大势所趋。为此，依托物联网、大数据、移动互联网、云计算技术实现传统业务与智慧应用的联合，以连接数据网络、挖掘数据价值、提供快捷服务、重塑业务价值等完成传统应用的转型势在必行。

1    国内外研究现状

1.1  农村道路安全研究现状

目前，国内外对于农村道路安全的相关研究相对较少，在知网上以农村道路交通安全监测与预警为主题的论文仅百余篇，相关研究主要以人为管理、劝导和设置相关道路标线和警示标志等为主，对于如何通过技术手段实现农村道路交通安全监测与预警的鲜有研究。

1.2  NB-IoT研究现状

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是万物互联網络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，基于3GPP标准的技术，采用授权频谱，具有低功耗、广覆盖、低成本、大连接、架构优的特点[2]，非常适合开展物联网业务。NB-IoT下蜂窝结构的特殊性使得NB-IoT通信比传统的通信技术有着更加良好的连接能力，为用户提供了海量的信息[3]。在现有移动通信网络平滑升级，应用场景非常广泛。尤其是在2018年世界移动通信大会（MWC上海）期间，我国NB-IoT设备厂商及移动运营商共同推出了多款内置NB-IoT单模和NB-IoT/GPRS双模的NB-IoT R14终端设备，并提供了针对NB-IoT的开放式实验平台和运营平台（如中国移动的oneNET平台），涵盖智能追踪、智能健康和可穿戴等多个领域，为NB-IoT应用于移动性场景提供了可能。

目前，NB-IoT技术主要应用在智能抄表、智能路灯等静态监管领域，在快速移动的场景应用较少，随着中国移动的oneNET等NB-IoT技术开放平台的运用，以及NB-IoT R14终端设备的出现，将NB-IoT技术接入移动网络，使应用于行驶车辆监测与定位成为可能，因此，应用于道路路况监测、指定车辆监测与定位的NB-IoT技术必将是道路交通安全管理的重要技术之一。

1.3  大数据技术在农村道路安全研究现状

目前大数据技术主要应用场景是在城市交通、高速公路交通管理中。大数据在交通管理、交通规划、信息服务、公共交通等方向都有研究，未来应用范围将持续扩大[4]，将在城市交通的各个方面进行拓展，通过对交通监控视频分析判断道路交通拥堵情况和对违章车辆拍摄及行为记录。通过技术手段，对道路路况安全隐患进行研判和警示。随着5G技术及万物互联时代的到来，利用NB-IoT带宽消耗低，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络[5]，具有部署成本低、通信平滑、覆盖广、连接多、成本低、功耗低、架构优等特点，结合大数据技术对监测数据分析研判及预警，为农村道路交通安全监测预警和网格化管理提供了很好的技术方向。农村道路具有岔路多、车辆和路况环境复杂等特点，传统的城市道路及高速道路所用的道路交通监控设备，不易在农村道路全面架设，易出现监管漏洞。基于NB-IoT技术，构建一个低成本、易管理的道路安全主动监测系统，利用大数据技术分析研判相关数据并预警，将为实现农村道路交通安全网格管理提供可行可靠的技术支撑。

2    监测与预警平台的设计

监测与预警平台涉及5个方面的内容，总体架构如图1所示。

2.1  监测网络的监测点布局优化策略

农村道路交通状况具有一定的复杂性和多样性，利用大数据技术和NB-IoT技术构建农村道路交通安全监测测系统，需要对监测点进行合理的布局。首先，采用大数据技术，分别从历史数据和实时数据着手，对NB-IoT监测网络的监测点进行初始化和优化。其次，分析历年来监测路段交通事故的影响因素，从道路状况、道路线性、安全设施、车辆状况、环境等因素分析、判断道路安全的监测点，初始化NB-IoT监测网络的监测点。最后，比较分析监测点反馈数据与经验数据，进一步分析监测路段交通事故的成因，检验基于NB-IoT技术监测网络布局的合理性并进布局优化，并为改善道路监测状况提供决策支撑。

2.2  道路周边环境和路况研判及预警机制

随着公安及交管部门对于各级道路监控设施的布控逐渐全面，利用各类道路监控摄像设备，获取被监控道路相关路况信息，并对路况信息进行研判，是分析道路交通状况的最直接手段。NB-IoT通过部署相关传感器可以监测相关路段、车辆的基本情况，具有易部署、成本低、可靠性等特点。本平台将从这两点出发，研究一种基于大数据技术的监测研判机制，对路况及过往车辆进行分析。

（1）由于农村道路所处位置的特殊性，往往会出现道路违规停车或堆放物品、路面湿滑、路面损坏、路面有雾气或烟雾等状况，是影响交通安全的重大隐患。利用NB-IoT技术及监控视频图像分析技术，获取监测道路的路面损坏、路面障碍物、路面湿滑、路面结冰、路面能见度等信息，并利用大数据技术研判道路路况，对隐患问题发出预警。

（2）在农村道路中，存在着桥梁、涵洞、易沉降、沙石道路等路段。由于车辆的超限以及道路养护不及时，往往会出现道路塌陷、路面破损等情况，是道路交通安全的主要隐患之一。为此，运用NB-IoT技术，对道路中桥梁、涵洞、易沉降等道路的损坏情况进行实时监测，对超过监测阈值的路段，进行报警并及时上传数据，为道路安全管理部门是否对问题路段进行养护提供决策支撑。

2.3  车载车况及行驶状态监测装置

由于农村道路具有分支多、岔路多、弯路多等特点，因此不可能在所有道路节点都安装监测及监控摄像设备，为此，本文提出了一种基于NB-IoT技术的车载车况及行驶状态监测设备。

在农村道路行驶的车辆，主要以5种小车辆为主，其中大小客车、货车、农机车占比较高，由于驾驶人法律意识淡薄以及监管不到位，这些车辆运营过程中存在着超载、超员、超速等现象，是农村道路交通安全的主要隐患。为此，论文以大小客车、货车、农机车为研究对象，研究并设计一种基于NB-IoT技术的车载车况及行驶状态监测设备。该设备具有以下几个特点：

（1）低功耗、低价格、可靠性高、安装维护简易。

（2）采用NB-IoT技术实现监测设备与移动网络实时通信，实现道路交通监管部门实时监测车辆状况，实现监测车辆网络互联。

（3）利用NB-IoT技术结合传感器等设备，获取监测车辆的定位、运载、车速状况以及车辆行驶过程中道路颠簸情况，并将监测信息及时传给监测部门。

2.4  农用车辆违章行为研判与预警系统

（1）已安装监测设备的车辆违章行为的研判及预警。在本课题所构建的基于NB-IoT技术的农村道路交通安全网格化管理框架中，将大小客车、货车、农机车作为主要的监测对象，通过在这些车辆上安装一种基于NB-IoT技术的车载车况及行驶状态监测设备（安装在车辆的承重大梁），实时监测车辆的行驶状态，并生成相关数据。利用大数据技术研究被监测车辆的运行状态，对超载、超速等违章行为进行研判，标注违章车辆和违章路段，在关键路段进行违章警示，并通过系统将违章信息报备道路交通监管部门，实现技防和人管共同监管车辆违章;对车辆颠簸行为进行研判，标注颠簸路段地理信息，通过系统警示报备道路交通监管部门，为道路维护提供决策支撑。

（2）未安装监测设备的车辆违章行为的研判及预警。在本文所构建的农村道路交通安全网格化管理框架中，除了大小客车、货车、农机车等具有监测设备的车辆，还存在着其他类型车辆，对于这些车辆交通违法行为的研判，可以利用大数据技术，以道路监测点监控视频信息为研究对象，从辖区、违章类型、违章地点、违章牌号、违章日期、违章来源6个维度分析研判交通违法情况。对于有号牌机动车，则根据违章次数、违章性质，判定违章等级，为交通安全网格化管理实施警示教育，为布置道路安全监管提供决策支撑;对于无号牌车辆、黑车、病车等特殊车辆，则利用大数据技术，通过网格化管理框架，确定车辆运行轨迹及辖区，为问题车辆排查提供决策支撑。

2.5  农村道路交通安全监测数据分析系统

本文以网格化管理的理念，结合大数据和NB-IoT技术的特点，设计适合于农村道路交通安全管理的监测平台，最终实现农村交通安全监测、预警及管理闭环。主要从以下几点展开设计：

（1）基于网格化管理理念的农村道路交通安全监测系统应用及管理平台的搭建。

（2）利用大数据技术对道路状况进行研判，对道路路面管理及养护提供决策支撑。

（3）利用大数据技术对道路交通事故的时空特性进行研判，为事故黑点排查和事故預防提供决策支撑。

（4）利用大数据分析交通违法行为，定位违法车辆，为对违法人员的警示教育与处罚提供决策支撑。

3    结语

农村道路具有岔路多、车辆复杂、路况环境复杂、不易监管等特点，通过构建基于NB-IoT和大数据技术应用到农村道路交通安全监测及预警平台，利用NB-IoT获取农村道路交通中车、路、环等相关监测信息，并利用移动网络实现数据交互，大数据技术分析监测数据，对道路路况信息、环境信息、车辆运载信息、违法信息等进行研判，能够提高农村道路交通安全管理效率，形成道路交通安全网格化管理模式，为减少农村道路交通安全事故起到积极意义。

[参考文献]

[1]郭炜，冀永进.数字中国，引领未来发展[J].互联网经济，2017（12）：68-73.

[2]叶炜，吕伟，洪宽，等.基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统[J].照明工程学报，2017（5）：20-23，41.

[3]洪家振.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J].电子世界，2018（10）：42-43.

[4]罗淑兰，潘福全，王昕，等.大数据在城市交通中的应用研究[J].现代交通技术，2016（5）：76-80.

[5]范展宏.NB-IoT窄带物联网的现状以及发展前景[J].数字通信世界，2018（10）：110-111.

Design of rural road traffic safety monitoring and warning

platform based on big data and NB-IoT

Han Shuhe， Wang Jiesong， Zhu Yunfeng

（JiangSu Vocational & Technical Shipping College， Nantong 226010， China）

Abstract：This paper researches and designs a rural road traffic safety monitoring and warning system based on NB-IoT technology， which is driven by data and scene， with big data and NB-IoT technology as the core. This system takes the rural road condition and passengers， trucks and agricultural motor vehicles as the main monitoring objects， obtains road and vehicle related information through NB-IoT technology. Using big data technology to obtain data analysis， research and judge， and early warning of potential safety hazards， to provide decision support for rural road traffic safety management.

Key words：big data; narrow band internet of things; rural road; safety monitoring; early warning system