基于大數(shù)據(jù)及NB-IoT的農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測與預(yù)警平臺的設(shè)計

韓樹河 王潔松 朱云峰

摘? ?要：文章以大數(shù)據(jù)、基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為核心，以數(shù)據(jù)、場景為驅(qū)動，研究并設(shè)計出一種基于NB-IoT技術(shù)的農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以農(nóng)村道路狀況及大小客、貨車、農(nóng)用機動車為主要監(jiān)測對象，通過NB-IoT技術(shù)獲取道路和車輛相關(guān)信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對獲取數(shù)據(jù)分析研判并對安全隱患進行預(yù)警，為農(nóng)村道路交通安全管理提供決策支撐。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);窄帶物聯(lián)網(wǎng);農(nóng)村道路;安全監(jiān)測;預(yù)警系統(tǒng)

農(nóng)村道路與城市道路交通安全管理相比，存在著道路技術(shù)標準低、車輛復(fù)雜、駕駛?cè)藛T交通安全意識薄弱、監(jiān)管不到位等一系列設(shè)計與管理方面的問題，導(dǎo)致農(nóng)村道路交通安全問題日益突出，道路安全狀況令人堪憂，近年來，農(nóng)村道路發(fā)生的交通事故占全國總量的60%。其中在農(nóng)村道路上行駛的大小客、貨車，農(nóng)用機動車等車輛，超載、超速、超員、無證上路等違規(guī)行為是影響道路交通安全和破壞道路路面的主要因素。黨的十九大提出要建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國、智慧社會，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合[1]，數(shù)字虛擬世界和物理世界的融合互通已成為時代大趨勢。作為物理世界最重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，交通與其他行業(yè)和系統(tǒng)的融合互通將是大勢所趨。為此，依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)實現(xiàn)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)與智慧應(yīng)用的聯(lián)合，以連接數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、挖掘數(shù)據(jù)價值、提供快捷服務(wù)、重塑業(yè)務(wù)價值等完成傳統(tǒng)應(yīng)用的轉(zhuǎn)型勢在必行。

1? ? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1? 農(nóng)村道路安全研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對于農(nóng)村道路安全的相關(guān)研究相對較少，在知網(wǎng)上以農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測與預(yù)警為主題的論文僅百余篇，相關(guān)研究主要以人為管理、勸導(dǎo)和設(shè)置相關(guān)道路標線和警示標志等為主，對于如何通過技術(shù)手段實現(xiàn)農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測與預(yù)警的鮮有研究。

1.2? NB-IoT研究現(xiàn)狀

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，基于3GPP標準的技術(shù)，采用授權(quán)頻譜，具有低功耗、廣覆蓋、低成本、大連接、架構(gòu)優(yōu)的特點[2]，非常適合開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。NB-IoT下蜂窩結(jié)構(gòu)的特殊性使得NB-IoT通信比傳統(tǒng)的通信技術(shù)有著更加良好的連接能力，為用戶提供了海量的信息[3]。在現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)平滑升級，應(yīng)用場景非常廣泛。尤其是在2018年世界移動通信大會（MWC上海）期間，我國NB-IoT設(shè)備廠商及移動運營商共同推出了多款內(nèi)置NB-IoT單模和NB-IoT/GPRS雙模的NB-IoT R14終端設(shè)備，并提供了針對NB-IoT的開放式實驗平臺和運營平臺（如中國移動的oneNET平臺），涵蓋智能追蹤、智能健康和可穿戴等多個領(lǐng)域，為NB-IoT應(yīng)用于移動性場景提供了可能。

目前，NB-IoT技術(shù)主要應(yīng)用在智能抄表、智能路燈等靜態(tài)監(jiān)管領(lǐng)域，在快速移動的場景應(yīng)用較少，隨著中國移動的oneNET等NB-IoT技術(shù)開放平臺的運用，以及NB-IoT R14終端設(shè)備的出現(xiàn)，將NB-IoT技術(shù)接入移動網(wǎng)絡(luò)，使應(yīng)用于行駛車輛監(jiān)測與定位成為可能，因此，應(yīng)用于道路路況監(jiān)測、指定車輛監(jiān)測與定位的NB-IoT技術(shù)必將是道路交通安全管理的重要技術(shù)之一。

1.3? 大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)村道路安全研究現(xiàn)狀

目前大數(shù)據(jù)技術(shù)主要應(yīng)用場景是在城市交通、高速公路交通管理中。大數(shù)據(jù)在交通管理、交通規(guī)劃、信息服務(wù)、公共交通等方向都有研究，未來應(yīng)用范圍將持續(xù)擴大[4]，將在城市交通的各個方面進行拓展，通過對交通監(jiān)控視頻分析判斷道路交通擁堵情況和對違章車輛拍攝及行為記錄。通過技術(shù)手段，對道路路況安全隱患進行研判和警示。隨著5G技術(shù)及萬物互聯(lián)時代的到來，利用NB-IoT帶寬消耗低，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)[5]，具有部署成本低、通信平滑、覆蓋廣、連接多、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研判及預(yù)警，為農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測預(yù)警和網(wǎng)格化管理提供了很好的技術(shù)方向。農(nóng)村道路具有岔路多、車輛和路況環(huán)境復(fù)雜等特點，傳統(tǒng)的城市道路及高速道路所用的道路交通監(jiān)控設(shè)備，不易在農(nóng)村道路全面架設(shè)，易出現(xiàn)監(jiān)管漏洞?；贜B-IoT技術(shù)，構(gòu)建一個低成本、易管理的道路安全主動監(jiān)測系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析研判相關(guān)數(shù)據(jù)并預(yù)警，將為實現(xiàn)農(nóng)村道路交通安全網(wǎng)格管理提供可行可靠的技術(shù)支撐。

2? ? 監(jiān)測與預(yù)警平臺的設(shè)計

監(jiān)測與預(yù)警平臺涉及5個方面的內(nèi)容，總體架構(gòu)如圖1所示。

2.1? 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測點布局優(yōu)化策略

農(nóng)村道路交通狀況具有一定的復(fù)雜性和多樣性，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和NB-IoT技術(shù)構(gòu)建農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測測系統(tǒng)，需要對監(jiān)測點進行合理的布局。首先，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，分別從歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)著手，對NB-IoT監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測點進行初始化和優(yōu)化。其次，分析歷年來監(jiān)測路段交通事故的影響因素，從道路狀況、道路線性、安全設(shè)施、車輛狀況、環(huán)境等因素分析、判斷道路安全的監(jiān)測點，初始化NB-IoT監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測點。最后，比較分析監(jiān)測點反饋數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進一步分析監(jiān)測路段交通事故的成因，檢驗基于NB-IoT技術(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局的合理性并進布局優(yōu)化，并為改善道路監(jiān)測狀況提供決策支撐。

2.2? 道路周邊環(huán)境和路況研判及預(yù)警機制

隨著公安及交管部門對于各級道路監(jiān)控設(shè)施的布控逐漸全面，利用各類道路監(jiān)控攝像設(shè)備，獲取被監(jiān)控道路相關(guān)路況信息，并對路況信息進行研判，是分析道路交通狀況的最直接手段。NB-IoT通過部署相關(guān)傳感器可以監(jiān)測相關(guān)路段、車輛的基本情況，具有易部署、成本低、可靠性等特點。本平臺將從這兩點出發(fā)，研究一種基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的監(jiān)測研判機制，對路況及過往車輛進行分析。

（1）由于農(nóng)村道路所處位置的特殊性，往往會出現(xiàn)道路違規(guī)停車或堆放物品、路面濕滑、路面損壞、路面有霧氣或煙霧等狀況，是影響交通安全的重大隱患。利用NB-IoT技術(shù)及監(jiān)控視頻圖像分析技術(shù)，獲取監(jiān)測道路的路面損壞、路面障礙物、路面濕滑、路面結(jié)冰、路面能見度等信息，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)研判道路路況，對隱患問題發(fā)出預(yù)警。

（2）在農(nóng)村道路中，存在著橋梁、涵洞、易沉降、沙石道路等路段。由于車輛的超限以及道路養(yǎng)護不及時，往往會出現(xiàn)道路塌陷、路面破損等情況，是道路交通安全的主要隱患之一。為此，運用NB-IoT技術(shù)，對道路中橋梁、涵洞、易沉降等道路的損壞情況進行實時監(jiān)測，對超過監(jiān)測閾值的路段，進行報警并及時上傳數(shù)據(jù)，為道路安全管理部門是否對問題路段進行養(yǎng)護提供決策支撐。

2.3? 車載車況及行駛狀態(tài)監(jiān)測裝置

由于農(nóng)村道路具有分支多、岔路多、彎路多等特點，因此不可能在所有道路節(jié)點都安裝監(jiān)測及監(jiān)控攝像設(shè)備，為此，本文提出了一種基于NB-IoT技術(shù)的車載車況及行駛狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備。

在農(nóng)村道路行駛的車輛，主要以5種小車輛為主，其中大小客車、貨車、農(nóng)機車占比較高，由于駕駛?cè)朔梢庾R淡薄以及監(jiān)管不到位，這些車輛運營過程中存在著超載、超員、超速等現(xiàn)象，是農(nóng)村道路交通安全的主要隱患。為此，論文以大小客車、貨車、農(nóng)機車為研究對象，研究并設(shè)計一種基于NB-IoT技術(shù)的車載車況及行駛狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備。該設(shè)備具有以下幾個特點：

（1）低功耗、低價格、可靠性高、安裝維護簡易。

（2）采用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備與移動網(wǎng)絡(luò)實時通信，實現(xiàn)道路交通監(jiān)管部門實時監(jiān)測車輛狀況，實現(xiàn)監(jiān)測車輛網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

（3）利用NB-IoT技術(shù)結(jié)合傳感器等設(shè)備，獲取監(jiān)測車輛的定位、運載、車速狀況以及車輛行駛過程中道路顛簸情況，并將監(jiān)測信息及時傳給監(jiān)測部門。

2.4? 農(nóng)用車輛違章行為研判與預(yù)警系統(tǒng)

（1）已安裝監(jiān)測設(shè)備的車輛違章行為的研判及預(yù)警。在本課題所構(gòu)建的基于NB-IoT技術(shù)的農(nóng)村道路交通安全網(wǎng)格化管理框架中，將大小客車、貨車、農(nóng)機車作為主要的監(jiān)測對象，通過在這些車輛上安裝一種基于NB-IoT技術(shù)的車載車況及行駛狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備（安裝在車輛的承重大梁），實時監(jiān)測車輛的行駛狀態(tài)，并生成相關(guān)數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)研究被監(jiān)測車輛的運行狀態(tài)，對超載、超速等違章行為進行研判，標注違章車輛和違章路段，在關(guān)鍵路段進行違章警示，并通過系統(tǒng)將違章信息報備道路交通監(jiān)管部門，實現(xiàn)技防和人管共同監(jiān)管車輛違章;對車輛顛簸行為進行研判，標注顛簸路段地理信息，通過系統(tǒng)警示報備道路交通監(jiān)管部門，為道路維護提供決策支撐。

（2）未安裝監(jiān)測設(shè)備的車輛違章行為的研判及預(yù)警。在本文所構(gòu)建的農(nóng)村道路交通安全網(wǎng)格化管理框架中，除了大小客車、貨車、農(nóng)機車等具有監(jiān)測設(shè)備的車輛，還存在著其他類型車輛，對于這些車輛交通違法行為的研判，可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，以道路監(jiān)測點監(jiān)控視頻信息為研究對象，從轄區(qū)、違章類型、違章地點、違章牌號、違章日期、違章來源6個維度分析研判交通違法情況。對于有號牌機動車，則根據(jù)違章次數(shù)、違章性質(zhì)，判定違章等級，為交通安全網(wǎng)格化管理實施警示教育，為布置道路安全監(jiān)管提供決策支撐;對于無號牌車輛、黑車、病車等特殊車輛，則利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過網(wǎng)格化管理框架，確定車輛運行軌跡及轄區(qū)，為問題車輛排查提供決策支撐。

2.5? 農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

本文以網(wǎng)格化管理的理念，結(jié)合大數(shù)據(jù)和NB-IoT技術(shù)的特點，設(shè)計適合于農(nóng)村道路交通安全管理的監(jiān)測平臺，最終實現(xiàn)農(nóng)村交通安全監(jiān)測、預(yù)警及管理閉環(huán)。主要從以下幾點展開設(shè)計：

（1）基于網(wǎng)格化管理理念的農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及管理平臺的搭建。

（2）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對道路狀況進行研判，對道路路面管理及養(yǎng)護提供決策支撐。

（3）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對道路交通事故的時空特性進行研判，為事故黑點排查和事故預(yù)防提供決策支撐。

（4）利用大數(shù)據(jù)分析交通違法行為，定位違法車輛，為對違法人員的警示教育與處罰提供決策支撐。

3? ? 結(jié)語

農(nóng)村道路具有岔路多、車輛復(fù)雜、路況環(huán)境復(fù)雜、不易監(jiān)管等特點，通過構(gòu)建基于NB-IoT和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)村道路交通安全監(jiān)測及預(yù)警平臺，利用NB-IoT獲取農(nóng)村道路交通中車、路、環(huán)等相關(guān)監(jiān)測信息，并利用移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，大數(shù)據(jù)技術(shù)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，對道路路況信息、環(huán)境信息、車輛運載信息、違法信息等進行研判，能夠提高農(nóng)村道路交通安全管理效率，形成道路交通安全網(wǎng)格化管理模式，為減少農(nóng)村道路交通安全事故起到積極意義。

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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