一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统及方法与流程

1.本发明属于高速公路交通安全技术领域，具体涉及一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.高速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。
4.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。
5.高速公路交通安全设施，例如警告标志，指路标识和安全护栏等是保障路网通行效率与交通安全注能的重要设施。庞大的高速路网对公路交通安全设施的管理提出了新的挑战。传统的设施监控管理方式，往往需要投入大量的人力物力对设施信息进行监控管理和维护。随着现代化高速公路管理对设施信息的准确性、及时性和高效性等各方面的要求越来越高，对交通安全设施进行数字化和智能化的监控管理势必成为新的发展趋势。
6.目前交安物联的监管系统存在以下问题：
7.(1)确定交安物联的监管系统架构，解决目前高速公路的交通安全设施存在的设施运行状态监测滞后、不准确，且没有统一智能化管理的问题。
8.(2)高精度定位问题，不仅仅是定位精度的问题，还涉及定位延迟、刷新频率、稳定性等等。另外，由于建筑物遮挡、信号干扰等因素影响，较难收到北斗定位的增强信号，从而造成定位精度显著下降。
9.(3)交通安全设施异常状态的监测动态预警存在受环境影响大、数据要求高、初始预测准确性偏低等难点，需要确定图像处理方法和神经网路模型，使系统预警达到较高准确度。
10.(4)对部分交通安全设施的智能化改造存在施工量大的问题。当前交通安全设施智能化程度不高，对交通安全设施监控需要辅助增加探测装置，但这反过来对供电、通信等辅助设施也提出了一定要求，因此在辅助设施不完善的地方需要增加较多施工。


技术实现要素：

11.本发明为了解决上述问题，提出了一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统及方法，本发明为高速公路交通安全设施的综合监管提供了技术支撑，满足远端交通安全设施的监管的需求，促进智慧高速公路交通安全设施建设水平大提升。
12.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
13.第一个方面，本发明提供了一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统。
14.一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统，包括安装在交安设施上的交通安全设施监测装置，所述交通安全设施监测装置包括：主控模块，以及均与主控模块连接的电源模块、窄带物联网模块、定位模块和传感器模块；
15.所述定位模块，用于定位交安设施的位置；
16.所述传感器模块，用于获取监测数据；
17.所述主控模块，用于控制定位模块和传感器模块工作，并接收定位模块和传感器模块采集的信息；所述主控模块通过窄带物联网模块将定位模块和传感器模块采集的信息发送至后台；
18.所述后台，用于根据定位模块和传感器模块采集的信息进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测。
19.进一步地，所述电源模块用于为主控模块、窄带物联网模块、定位模块和传感器模块供电。
20.进一步地，所述定位模块包括gps定位模块和北斗定位模块。
21.进一步地，所述传感器模块包括加速度传感器模块和位移传感器模块；所述加速度传感器模块，用于监测交安设施的倾角数据变化；所述位移传感器模块，用于监测交安设施的位移数据变化。
22.进一步地，所述交安物联监管系统还包括安装在交安设施附件道路上的地磁传感器模块，所述地磁传感器模块用于检测车辆的存在和车型的识别。
23.更进一步地，所述地磁传感器通过窄带物联网模块与后台通信。
24.进一步地，所述后台通过无线通信模块分别与移动终端和高速公路上的可变情报板通信。
25.第二个方面，本发明提供了一种基于窄带物联技术的交安物联监管方法。
26.一种基于窄带物联技术的交安物联监管方法，采用第一个方面所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，包括：
27.获取定位模块采集的交安设施的位置信息、传感器模块采集的交安设施角度变化数据以及位移变化数据；
28.根据所述交安设施的位置信息、交安设施角度变化数据和位移变化数据，对交安设施进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测。
29.进一步地，所述对交安设施进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测的过程包括：
30.去除监测数据的高频噪声；
31.利用快速傅里叶变换峰值拾取法对去除高频噪声后的数据进行频谱分析，以得到交安设施的动力响应；
32.对交安设施的动力响应进行经验模态分解，得到每个内涵模态分量；
33.根据希尔伯特-黄变换对每个内涵模态分量进行黄变换，以获得瞬时频谱特征，将内涵模态分量的希尔伯特频率能量谱进行汇总，得到信号的频率能量谱，以此得到交安设施的动态响应；
34.根据交安设施的动态响应，分析风载荷及车辆载荷不同因素下的交安设施结构振
动情况，得到去除环境干扰的加速度数据。
35.进一步地，所述撞击监测具体包括：
36.根据去除环境干扰的加速度数据得到交安设施振动数据与倾倒数据；
37.先将去除环境干扰的加速度数据经过二次积分和去除线性趋势处理，重构高频动态位移数据；
38.根据振动数据、倾倒数据与高频动态位移数据分析撞击情况。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
40.本发明融合低功耗窄带物联网、高精度传感器和北斗定位等技术，提出基于窄带物联技术的交安物联监管系统，全方位对交安设施进行监测；主要有交安设施撞击检测、位移检测、倾角检测、倾倒预警、北斗定位和gis管理等功能，具有低成本，免维护的特点，可用于交安设施碰撞监测、交通事故发现和交安设施养护。
41.本发明通过在交安设施上安装的低成本的定位、倾倒、振动等交通安全设施监测装置，对交安设施的状态进行全天候实时监测，用于主动发现异常事件，并通过物联网上报后台系统，后台系统根据上报的告警信息实时触发联动报警，事故处理单位根据告警信息进行及时查验、处理，最大程度上减少事故发生到处理完毕的时间，从而降低和避免一次和二次事故的发生，同时为道路交安设施养护提供一定的数据支撑。
附图说明
42.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
43.图1是本发明示出的基于窄带物联技术的交安物联监管系统模块图；
44.图2是本发明示出的基于窄带物联技术的交安物联监管系统架构图；
45.图3是本发明示出的基于窄带物联技术的交安物联监管方法流程图。
具体实施方式
46.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
47.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
48.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
49.本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
50.实施例一
51.如图1所示，本实施例提供了一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统，包括安
装在交安设施上的交通安全设施监测装置，所述交通安全设施监测装置包括：主控模块，以及均与主控模块连接的电源模块、窄带物联网模块、定位模块和传感器模块；
52.所述定位模块，用于定位交安设施的位置；
53.所述传感器模块，用于获取监测数据；
54.所述主控模块，用于控制定位模块和传感器模块工作，并接收定位模块和传感器模块采集的信息；所述主控模块通过窄带物联网模块将定位模块和传感器模块采集的信息发送至后台；
55.所述后台，用于根据定位模块和传感器模块采集的信息进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测。
56.其中，主控模块可以选用低功耗处理器。
57.作为一种或多种实施方式，所述交安物联监管系统还包括安装在交安设施附件道路上的地磁传感器模块，用于检测车辆的存在和车型的识别，所述地磁传感器和交通安全设施监测装置均通过窄带物联网模块与后台通信，所述后台通过无线通信模块均与移动终端和高速公路上的可变情报板通信。
58.基于窄带物联网模块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。
59.其中，每个交通安全设施监测装置上的窄带物联模块为lora模块，lora模块与后台通信；为实现更好的通信效果，可在高速公路侧建立基站，每n个lora模块与一个基站通信，通过基站与后台通信1km安装一个基站，15m安装一个监测装置。
60.本实施例通过融合低功耗窄带物联网、高精度传感器、定位模块(包括gps定位和北斗定位)等技术，全方位对交安设施进行监测，主要有交安设施撞击检测、位移检测、倾角检测、倾倒预警、gps定位等功能，具有低成本，免维护的特点，可用于交安设施碰撞监测、交通事故发现和交安设施养护。通过在交安设施上安装的低成本的定位、倾倒、振动等交通安全设施监测装置，对交安设施的状态进行全天候实时监测，用于主动发现异常事件，并通过物联网上报后台系统，后台系统根据上报的告警信息实时触发联动报警，事故处理单位根据告警信息进行及时查验、处理，最大程度上减少事故发生到处理完毕的时间，从而降低和避免一次和二次事故的发生，同时为道路交安设施养护提供一定的数据支撑。
61.通过对物联网及窄带物联网应用的了解与分析，考虑到高速公路交安物联监管缺乏这一事实，为了实现更为有效的高速公路交安物联监管，本实施例拟构建基于窄带物联技术的交安物联监管系统，首先分析高速公路交安物联监管需求，根据分析结果设计系统总体架构；然后进行系统硬件的设计与实现；最后测试基于窄带物联技术的交安物联监管系统整体的功能和性能。根据上述目的，确定本实施例研究的主要内容如下：
62.1、基于窄带物联技术的交安物联监管系统总体架构设计
63.本实施例分析高速公路交安物联监管、养护需求，根据监管、养护作业要求，建立基于窄带物联技术的交安物联监管系统总体架构设计方案。
64.结合高速公路网规模大，交通安全设施总数多，设施信息更新变化快，设施管理系统相对落后，设施管理模式较依赖人工的现状，要实现对设施的现代化和规范化管理，在以
下几个方面亟需进一步提高：
65.(1)实现统一的交通安全设施数字化编码管理
66.基于窄带物联技术的交安物联监管系统的设计思路和初步框架，探讨了数字化编码体系以及系统各个模块的主要功能。由于目前缺乏统一的设施数字化编码体系，不利于构建标准的交通安全设施管理数据库。所以构建标准化、统一化的交通安全设施数字化编码体系是实现交安物联的重要基础。
67.构建标准化、统一化的交通安全设施数字化编码体系具体指，对路线编号、桩号、上下行、设施类型进行数字化编码构建标准化、统一化的交通安全设施数字化编码体系。
68.(2)实现交通安全设施信息和状态的感知
69.利用外场感知设备或电子标签等及时有效的获取交通安全设施的位置、方向、类型、故障、更换维修等状态信息是支撑设施养护和管理的重要基础。同时，也需要进一步研究交通安全设施状态数据与路网综合数据中心之间的自动对接技术。
70.(3)形成可靠的交通安全设施信息维护体系
71.传统交通安全设施状态信息的录入与更新以人工操作为主，缺乏数字化录入、编码，数字信息采集、定位、交安设施故障记录与维护等，因此需要结合交通安全设施的自动感知与智能化管理体系打造便捷可靠的设施信息维护体系。
72.(4)提供便捷的交通安全设施信息服务，并实现数据的可视化
73.高速公路管理部门在管理决策中往往需要综合考虑路网的各类设施、路网运行状态，以及路网周边环境等各方面因素，基于电子地图，采用有效的可视化展示方式，实现交通安全设施的的可查、可视、可分析，可以为管理部门提供便捷、有效的支撑。
74.通过需求分析，本实施例研究并建立基于窄带物联技术的交安物联监管架构。根据智慧交通环境下提升高速公路交通安全设施智能化监测与管理的需求，结合当前物联网通信技术、地理信息技术、深度学习技术、电子设备控制技术以及数据智能分析处理技术，建立基于窄带物联技术的交安物联监管系统框架，覆盖高速公路交通安全设施。
75.基于窄带物联技术的交安物联监管架构如图2所示，采用窄带物联网技术，利用后台系统，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。
76.2、基于窄带物联技术的交安物联监管系统软硬件设计
77.本项目重点研发主要交通安全设施监测装置，分别安装在护栏、路牌、立柱、栏杆等上。融合低功耗窄带物联网、高精度传感器、北斗定位等技术，全方位对交通安全设施状态进行监测，主要有撞击监测、位移监测、倾角监测、倾倒预警监测、北斗定位、gis管理等功能，具有低成本，免维护的特点，可用于交通安全设施碰撞监测和交通事故发现。
78.可以根据安装的不同交通安全设施特点，在不同位置由不同传感器组成的交通安全设施监测装置。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后台系统，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后台系统就可以实时查看所有交通安全
设施的运行状态。
79.实施例二
80.如图3所示，本实施例提供了种基于窄带物联技术的交安物联监管方法。
81.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。
82.分析风载荷及车辆载荷等不同因素下的交安设施结构振动情况，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。
83.首先，环境去除环境干扰，首先将监测装置传感器返回数据中的高频噪声去除，利用快速傅里叶变换峰值拾取法对去除高频噪声后的数据进行频谱分析，以得到交安设施的动力响应；根据希尔伯特-黄变换对经验模态分解得到的每个内涵模态分量进行黄变换以获得瞬时频谱特征，将内涵模态分量的希尔伯特频率能量谱进行汇总，能够得到信号的频率能量谱，从而获取交安设施的动态响应，分析风载荷及车辆载荷等不同因素下的交安设施结构振动情况，得到去除环境干扰的加速度数据，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。
84.不同交通安全设施采用不同的计算模型：
85.对于路牌设施，安装在路牌上的路牌监测装置，通过试验探究路牌受损程度与路牌监测装置传感器加速度数据变化、安装位置变化之间的关系建立路牌受损估计模型。
86.下面阐述路牌受损估计模型的建立过程：
87.安装在护栏上的护栏监测装置，根据关联受力的特点，将多个护栏监测装置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。
88.具体的，根据去除环境干扰的加速度数据得到交安设施振动数据与倾倒数据；
89.先将去除环境干扰的加速度数据经过二次积分、去除线性趋势，重构高频动态位移数据。
90.根据振动数据、倾倒数据与位移数据分析撞击情况。
91.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统，其特征在于，包括安装在交安设施上的交通安全设施监测装置，所述交通安全设施监测装置包括：主控模块，以及均与主控模块连接的电源模块、窄带物联网模块、定位模块和传感器模块；所述定位模块，用于定位交安设施的位置；所述传感器模块，用于获取监测数据；所述主控模块，用于控制定位模块和传感器模块工作，并接收定位模块和传感器模块采集的信息；所述主控模块通过窄带物联网模块将定位模块和传感器模块采集的信息发送至后台；所述后台，用于根据定位模块和传感器模块采集的信息进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测。2.根据权利要求1所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，其特征在于，所述电源模块用于为主控模块、窄带物联网模块、定位模块和传感器模块供电。3.根据权利要求1所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，其特征在于，所述定位模块包括gps定位模块和北斗定位模块。4.根据权利要求1所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，其特征在于，所述传感器模块包括加速度传感器模块和位移传感器模块；所述加速度传感器模块，用于监测交安设施的倾角数据变化；所述位移传感器模块，用于监测交安设施的位移数据变化。5.根据权利要求1所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，其特征在于，所述交安物联监管系统还包括安装在交安设施附件道路上的地磁传感器模块，所述地磁传感器模块用于检测车辆的存在和车型的识别。6.根据权利要求5所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，其特征在于，所述地磁传感器通过窄带物联网模块与后台通信。7.根据权利要求1所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，其特征在于，所述后台通过无线通信模块分别与移动终端和高速公路上的可变情报板通信。8.一种基于窄带物联技术的交安物联监管方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的基于窄带物联技术的交安物联监管系统，包括：获取定位模块采集的交安设施的位置信息、传感器模块采集的交安设施角度变化数据以及位移变化数据；根据所述交安设施的位置信息、交安设施角度变化数据和位移变化数据，对交安设施进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测。9.根据权利要求8所述的基于窄带物联技术的交安物联监管方法，其特征在于，所述对交安设施进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测的过程包括：去除监测数据的高频噪声；利用快速傅里叶变换峰值拾取法对去除高频噪声后的数据进行频谱分析，以得到交安设施的动力响应；对交安设施的动力响应进行经验模态分解，得到每个内涵模态分量；根据希尔伯特-黄变换对每个内涵模态分量进行黄变换，以获得瞬时频谱特征，将内涵模态分量的希尔伯特频率能量谱进行汇总，得到信号的频率能量谱，以此得到交安设施的动态响应；
根据交安设施的动态响应，分析风载荷及车辆载荷不同因素下的交安设施结构振动情况，得到去除环境干扰的加速度数据。10.根据权利要求8所述的基于窄带物联技术的交安物联监管方法，其特征在于，所述撞击监测具体包括：根据去除环境干扰的加速度数据得到交安设施振动数据与倾倒数据；先将去除环境干扰的加速度数据经过二次积分和去除线性趋势处理，重构高频动态位移数据；根据振动数据、倾倒数据与高频动态位移数据分析撞击情况。

技术总结
本发明属于高速公路交通安全技术领域，提供了一种基于窄带物联技术的交安物联监管系统及方法。该系统包括，安装在交安设施上的交通安全设施监测装置，所述交通安全设施监测装置包括：主控模块，以及均与主控模块连接的电源模块、窄带物联网模块、定位模块和传感器模块；所述定位模块，用于定位交安设施的位置；所述传感器模块，用于获取监测数据；所述主控模块，用于控制定位模块和传感器模块工作，并接收定位模块和传感器模块采集的信息；所述主控模块通过窄带物联网模块将定位模块和传感器模块采集的信息发送至后台；所述后台，用于根据定位模块和传感器模块采集的信息进行撞击监测、位移监测、倾角监测和倾倒预警监测。倾角监测和倾倒预警监测。倾角监测和倾倒预警监测。


技术研发人员：薛峰 杨哲 孙思芹 张英 滕广华 朱小龙 李银玲 张伟
受保护的技术使用者：山东奥邦交通设施工程有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/6/28