窄带物联网交通安全设施监控系统应用研究

□文/赵 林

公路上不规则分布着的大大小小的交通安全设施，对道路交通安全起着巨大作用，由于各类交通安全设施分布广、数量多、监测繁琐，一直以来都是设施巡查工作的重点和难点。设施出现损坏后，大大降低了警示、保护效果，给驾驶者的安全行驶带来隐患，甚至可能会引起交通事故，威胁公共生命财产安全。

尽管我国很早就颁布了行业标准［1］对设施的养护提出了明确的要求，规定了设施检查的周期以及部分检测标准；但由于设施巡查常常采用工作人员携带设备沿公路进行巡视的方式，受交通状况、天气以及人员配置等因素影响，存在设施运行状态监测滞后、不准确的情况。

随着通讯技术的不断发展，近几年来窄带物联网已经成为万物互联网络的一个重要分支[2～3]，能够满足数据上传时间间隔长、文本信息数据量小、占用带宽低的应用场景，可以成为交通安全设施智能监控的核心网络。基于窄带物联网络的智能交通安全设施监控系统，是将其与交通安全设施监控相结合，利用其范围广、成本低、抗干扰能力强和传输数据功耗低的技术特点，与传统交通安全设施养护需求相匹配，扩展智能监控系统的部署应用空间和应用条件，推动智能交通安全设施管理系统数字化、智能化进程，让交通安全设施管理效率得到明显提高。

1 窄带物联网

1.1 概述

窄带物联网是物联网的重要构成，建立在蜂窝网络基础上，只需要耗费180 kHz 带宽，在GSM 网、LTE网基础上进行部署，可以减少部署成本，完成平滑升级。窄带物联网智慧系统需要从感知层NB网络接入到数据汇聚平台，再到PAAS 抽取，最后服务上层的SaaS行业垂直应用，可以满足交通安全监控领域广连接数据传输的需要[4～5]。

窄带物联网技术来源于FDD-LTE技术，通过升级部署和组网部署实现基站部署。部署方式有三种：带内部署、单独部署以及保护带部署。从目前产业发展趋势看窄带物联网与LTE的混合部署将会成为主流。

1.2 技术优势

1）低功耗、低成本。设备功耗较低，芯片在节能模式只需要15 μW即可平稳运行，相比于使用GPRS，发送功率可以降低90%，同时由于其在空口信令上的简化，传输效率可以进一步降低。不需要重新建构基站，依靠原有设备就可以快速部署，使用芯片成本低，对于大面积监控和零散分布监控具有极大优势[6～7]。

2）覆盖广且容量大。从目前交通安全设施的分布情况可以看出，每条道路位置均有大量交通安全设施，如果做到大覆盖甚至是全覆盖监测、预警并准确感知，使用TD-LTE、FDD-LTE 难以满足巨量设备接入且成本剧增。窄带物联网具有更大的覆盖范围、覆盖深度，相比于GPRS网络覆盖加强了20 dB+，可以实现一定遮挡情况下的穿透。

2 智能交通安全设施监测系统

2.1 总体结构

基于窄带物联网的智能交通安全设施监测系统，采用窄带物联网技术，利用云平台，实时展示多种交通安全设施实时信息，可以对广分布的远端设备进行检测和异常情况报警。汇集信息在后台进行数据分析，给出交通安全设施的养护建议，改进了目前交通安全设施的养护方式和测量数据获取方法。见图1。

图1 总体结构框架

交通安全设施智能监控系统分成处理中心、感知层、通讯层3部分。监控中心包括基础数据库，即辖区内全部交通安全设施的数字化信息，在安装了智能传感器的交通安全设施上，还可以显示实时更新状态信息，使用多种终端设备都可以完成对整个系统的查询和控制。感知层实时收集数据信息，将数据反馈给云平台并逐步推送给处理中心。通讯层利用窄带物联网以及4G 网络，在广覆盖、低功率端使用窄带网络，在人机交互端采用高速、低延时网络，在不同需求下，采用运营商和服务提供商的多种网络服务进行数据传输。

2.2 功能概述

传感器组是根据不同交通安全设施特点，在不同位置由不同传感器组成的联合体。由安装于交通安全设施上的各类传感器组采集交通安全设施的地理坐标位置、姿态以及运行状态。上传至华为的物联网云平台，之后推送至云服务器端。结合当前交通安全设施运行情况和养护要求，制定对象数据结构和数据类型搭建数据库。数据分析方式上不同种类交通安全设施要有不同的计算模型和算法，最终由不同设备端展示给用户。无论用户在何处，只要通过电脑端或手机登录云平台就可以实时查看所有交通安全设施的运行状态。

软件设计上力求人性化，对于交通安全设施信息的查询结果一目了然，不同交通安全设施采用不同的计算模型，例如：安装在标识牌上的传感器，根据安装位置的不同优化标识牌受损估计模型，通过试验探究受损程度与传感器加速度、角度变化之间的关系。安装在护栏上的传感器，由于关联受力的特点，会根据多个传感器传回的数据进行联合分析，从而判定损坏点和损坏程度。对于环境的干扰在算法上也进行了探究，从而避免了风力和车辆振动作用域传感器带来的误报影响。同时优化网络配置与数据库，使整个系统协调统一。移动端与电脑端平台效果见图2。

图2 软件效果

3 工程案例

应用窄带物联网技术对重点地区的标识牌进行监测，在天津津汉公路的重点标识牌上安装了200 套监测设备。根据路段实际情况，在具体施工策略上对不同大小的标识牌安装位置和个数进行了调整，大型标识牌在板面以及杆件均安装传感装置，用于更精确监测标识牌的整体状态，稍小的标识牌仅在板面安装传感装置就可以完成上述功能。在安装设计上，考虑到后期更换等原因，采用了磁吸式设计，既保证了传感装置的固定要求，又方便更换。见图3。

图3 智能传感器

从效果来看，每套设备都可以在固定时间回传标识牌状态信息，在突发状况发生的很短时间内进行报警。按照每周对普通公路进行一次巡查并汇总上报来看，对于标识牌监测的时效性平均提高万倍以上。

4 结语

窄带物联网交通安全设施监测系统将快速发展的前沿物联网技术与传统交通设施的应用需求相结合，运用窄带物联网大容量、广覆盖、低成本、低功耗的特点，实现远端交通安全设施的监控、科学测量以及智能分析等工作。该系统在重点交通安全设施上进行了示范建设，效果良好，在交通安全设施监控领域具有重要的推广使用意义。随着各种新技术的不断发展，特别是自动驾驶技术的不断发展，交通智能化甚至智慧化越来越强调各部分协调统一、智能联动，要形成设施互联互动的智能交通安全设施，单个设施智能化是前提，在未来交通安全领域发展的过程中，对窄带物联网技术的需求会越来越多[8～10]，目前进行必要的数据积累并进行应用，可以为不同交通设施之间实现通讯打下基础。