特殊天气下长大下坡路段智慧安全出行系统研究

李靖、覃勤、侯效伟

（云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650000）

0 引言

我国《交通强国建设纲要》明确了“科技创新富有活力、智慧引领”的战略思想。特别指出要大力发展智慧交通，推动大数据、互联网与交通行业的深度融合。为了研究信息技术在交通领域的应用，许多专家学者开展了相关研究并取得了一定的研究成果。范中华[1]进行了高速公路智慧出行平台需求分析和可行性分析，提出了云平台的部署方式。张云[2]以云南省“智慧高速”建设发展为研究对象，设计了一套“智慧高速”建设发展方案，并详细阐述了各模块的具体建设方法和目标。黄宇、王妍颖[3]等提出了可持续发展的智慧交通总体架构建设思路，阐述了1+4+NX 的总体架构建设内容。然而，目前对于特殊天气下长大下坡路段智慧安全出行系统的研究还相对较少。物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，能够把“物”与“网”连接，从而进行信息交换和通信，以此实现对“物”的智能化应用和管理。基于此，文章从安全角度出发，对该系统进行研究，提出将特殊天气监测、安全风险评估、安全出行相结合，实现信息提供、出行指导一体化管理，以期提高长大下坡路段的行车安全。

1 物联网及智慧出行定义

物联网顾名思义为物物相连，物联网始于互联网（Internet），又不同于互联网。互联网又称国际网络，是网络与网络之间采用有线连接的方式串联成网络系统，其沟通途径是电脑等智能信息终端。物联网是在互联网基础上，通过无线的形式将万事万物与信息系统相连接，进而通过网络实现对所连物体的控制和应用。

智慧出行是在整个交通运输领域充分利用物联网、空间感知、云计算、移动互联网等新一代信息技术，同时综合运用交通科学、系统方法、人工智能、知识挖掘等理论与工具，以全面感知、深度融合、主动服务、科学决策为目标，通过建设实时的动态信息服务体系，深度挖掘交通运输相关数据，形成问题分析模型，实现行业资源配置优化能力、公共决策能力、行业管理能力、公众服务能力的提升，推动交通运输更安全、更高效、更便捷、更经济、更环保、更舒适地运行和发展，最终带动交通运输及相关产业转型、升级。

2 需求分析

2.1 用户需求

公路是公共基础设施，相关各方包括主管部门、运营部门及使用者等。所以，特殊天气下长大下坡路段智慧安全出行系统的设计和建设，要充分考虑各方需求。

第一，主管部门。主管部门的主要职能是制订公路服务的相关准则，实施行为管理。其中包括制订规章制度、准入、运行和退出标准，以及实施道路通行管制等。因此，其对系统的需求主要为及时、准确掌握长大下坡路段特殊天气状况，以便制订禁行、限行和管控要求，并实施具体管控工作。

第二，运营部门。运营部门对系统的主要需求在于及时、准确掌握道路通行安全风险并执行主管部门对道路通行的管控指令。

第三，道路使用者。道路使用者对系统的需求在于出行安全得到充分保障。

2.2 技术需求

基于物联网的智慧安全出行系统想要实现真正的智能化，必须具备兼容性、动态性与智慧性。

第一，兼容性。基于物联网的智慧安全出行系统集成数据采集、信息通信、数据处理、交互应用等各种技术，其终端设备形式多样，系统功能的实现则充分依靠各设备间的兼容。

第二，动态性。为支持动态实时的天气监测，节点和系统必须能够即时、动态地采集、传输各种信息、信号，从而动态地评估长大下坡路段的交通安全风险。

第三，智慧性。系统必须能够实现自主监测、自动运算、自主智慧决策，以更大限度地减少人工干预，实现预期功能。

3 系统设计

3.1 技术构架

物联网是借助一定的通信协议将各种信息格式进行统一化，以便实现物物相连。其实质是前端设备（物）采用传感等方式采集数据，并按照约定格式的通讯协议与网络连接，再通过云计算等方式对数据筛选、加工、处理，以实现对所连接物体的智能化处理。从构成上，物联网划分为感知层、网络传输层和信息处理应用层等三个层次。物联网构架如图1 所示。

图1 物联网构架图

物联网感知层是感知信息和数据的前端功能层，其主要包括传感器、执行器、无线通信等设备。感知层能够对目标信息进行采集并转换为数字信号，再传输到网络层。

物联网网络层（IoT Network Layer）是借助IP 协议、6LoWPAN 协议、RFID 协议、ZigBee 协议实现包括寻址、分组、路由、流量控制和拥塞控制等通信处理的功能层。网络层能够为数据传输提供网络级别的服务。

物联网应用层（IoT Application Layer）是采用MQTT、HTTP、CoAP、AMQP、XMPP 等协议、标准及其扩展，通过管理和控制物联网中的设备，收集和分析设备数据，以实现各种应用和服务。应用层是物联网架构的最顶层。

3.2 模块组成

第一，终端。终端包括数据采集终端和信息输出终端。数据采集终端包括各种气象传感器，如能见度仪、雨量计、雨雪传感器、结冰传感器等，这些传感器部署在公路沿线和关键位置，负责实时采集公路气象数据。信息输出终端包括LED 显示和交通诱导灯，其能够对服务器返回的实时风险等级结果等信息作出响应，如LED 显示气象信息和风险状况，交通诱导灯根据预设发出变化闪频警示等。

第二，主控板。主控板作为系统的核心控制单元，承担着多项重要任务，具备高度智能化和实时性。主控板能够根据写入的风险等级算法，计算风险等级，再根据不同风险等级智能决策，向LED 显示屏和交通诱导灯发送对应指令。

第三，心跳检测。主控板作为系统的核心控制单元，具有高度智能化和实时性，并配备了心跳检测功能，该功能可通过定期发送心跳信号检测系统的运行状态和通信连接是否正常。

第四，网络通讯。为了保证气象数据及时到达服务器以实现实时传输，应采用4G 通信模块。

第五，服务器。服务器是整个系统的数据中心，可采用SQL Server 数据库存储气象数据。服务器负责接收来自主控板的数据，并将处理后的气象参数存储在数据库中。此外，服务器中还具有数据处理和风险等级计算应用程序，可用于计算风险等级。

4 智慧安全出行系统开发

4.1 总体设计

4.1.1 系统模式

基于用户使用方便、系统维护简单等考虑，智慧安全出行系统可采用C/S 与B/S 混合软件体系结构开发模式，即利用C/S 模式的高可靠性构建企业应用（包括输入、计算和输出），再利用B/S 模式的广泛性构建服务或延伸企业应用（主要是查询和数据交换）。该模式可有效发挥C/S 与B/S 模式各自的优势。

4.1.2 接口框架

智慧安全出行系统可采用Microsoft ASP.Net Web API 框架。Web API 是一种应用接口框架，能够构建HTTP 服务以支撑更广泛客户端（如：Windows Forms、浏览器，手机和平板电脑等）的框架，是构建RESTful 应用程序的理想平台。由于Web API是基于互联网的应用，考虑采用用户令牌、安全签名进行数据提交，提供公开接口调用等方式，以有效应对安全问题。

4.2 数据运算

4.2.1 数据采集

第一，设置气象观测站点。在通行车流量较大的长大下坡路段可设置配有多种传感器的气象站点，负责全面采集路段气象数据，如能见度、降水量、结冰情况等。

第二，数据采集。大气能见度测量仪应采用光学及电子技术，测定大气能见度。雪量传感器能够感应到雪花的落下，并通过内部算法检测出雪的强度、密度和速度等关键信息。脉冲型雨量计可通过接收被降雨所激发的电信号，并将其转化成脉冲信号以便于记录和分析。道路结冰传感器能够实时检测道路表面温度和湿度，预测道路结冰的可能性并及时发送信号给控制系统。

4.2.2 数据处理

第一，数据转换和传输。主控板能够将各种传感器采集到的数据汇聚，再对数据进行校准、插补、滤波等操作，筛选并去除异常值后，将其转换为可用的气象参数，然后通过有线通信（如以太网、RS-485 等）将数据存储在服务器上的SQL Server 数据库。数据库能够根据写入的运算法则计算出风险等级，并实时返回到监测主控板。

第二，数据共享。将实时采集的不同格式的降水量、能见度、结冰情况数据转化为统一格式后进行存储，并通过云计算进行汇聚、运算，一旦数据超出预设的风险阈值，立刻发送信号至智能管理和智能服务模块，实现交互共享。

4.2.3 数据应用

选择合适的数据可视化工具，将数据可视化为趋势图、时序图、地图等形式，方便用户查看和使用。在风险等级结果返回给气象站点的同时，采集到的各种相关气象监测数据也会在可视化工具的作用下呈现在网页上，及时提供各个气象站点的监测数据，供相关部门查看与决策。

4.3 系统生成

智慧安全出行系统是利用物联网技术将传感器、主控板、服务器和用户界面连接在一起，实现数据的采集、处理、传输、存储和应用。该系统由气象站、计算机平台和控制显示系统组成。

气象站的数据探测和处理设备进行长大下坡路段特殊天气数据采集，再通过智能化数据处理和传输，为计算机平台提供可用数据。

计算机平台是整个系统的核心部分，其负责安全风险运算、风险管控措施指令的智能发布，功能的实现是通过写入风险评估指标体系，设置好风险等级的运算法则，预设不同风险等级下显示系统的响应动作，得到可用数据后，计算风险，并根据风险等级发出动作指令，同时推送信息到共享设备。

控制显示系统包括控制主板、LED 显示屏、诱导灯、供电系统等。控制主板接收计算机平台发送的指令信息后，将指令分析处理传达给LED 显示屏和诱导灯，LED 显示屏可根据指令向来往车辆提供交通信息，诱导灯可通过风险等级变化闪烁频率，对来往车辆进行提前预警。智慧安全出行系统流程如图2 所示。

5 结语

智慧交通是深化改革、务实创新以及加快推进“四个交通”发展的重点内容之一。基于物联网的智慧安全出行系统，能够实现对特殊天气下长大下坡路段交通安全的智慧判别和智慧管理，为公路主管部门提供决策依据，为公路运营部门提供实时数据信息，为公路使用者提供安全指导和保障。因此，需要对一体化系统进行更加深入的研究，以进一步提高公路出行信息化运营和管理水平，保证交通安全。