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無線傳感器為交通基礎(chǔ)設(shè)施“診脈”

http://m.sharifulalam.com 2021-04-22 10:25 來源:中國科學報

前不久,《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》(以下簡稱《綱要》)發(fā)布。為了全面提升交通設(shè)施安全水平,《綱要》提出,“強化交通基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)防性養(yǎng)護維護、安全評估,加強長期性能觀測,完善數(shù)據(jù)采集、檢測診斷、維修處治技術(shù)體系”“推廣使用新材料新技術(shù)新工藝,提高交通基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量和使用壽命”……

“無線傳感器技術(shù)可有效監(jiān)測交通基礎(chǔ)設(shè)施的物理狀況,并能為交通系統(tǒng)提供進一步分析決策的實時信息,提高交通網(wǎng)絡(luò)的流通效率。”IEEE高級會員、北京交通大學計算機與信息技術(shù)學院副院長李浥東說。

無線傳感器:從技術(shù)到網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器設(shè)備也稱為無線傳感器節(jié)點,它的基本組成模塊包含傳感單元、處理單元、無線通信單元以及電源單元。“根據(jù)具體的應(yīng)用需求,節(jié)點還可以包含額外的輔助元件,如附加存儲器及驅(qū)動單元。”李浥東介紹道。

他進一步解釋,傳感單元可以包括一個或多個傳感器,用于獲取所需的物理現(xiàn)象數(shù)據(jù),如溫度、濕度、壓力和加速度等;傳感器收集到的模擬信號,通過信號調(diào)理單元中的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,從而進行進一步的分析處理;而處理單元是無線傳感器節(jié)點的主控制器,負責管理傳感單元和無線通信單元,通常由具有處理和數(shù)據(jù)存儲能力的車載計算機組成。

李浥東表示,如在監(jiān)測橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施時,目前可應(yīng)用大量的傳感器節(jié)點構(gòu)建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

具體而言,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)(收集關(guān)鍵的信息數(shù)據(jù))、控制和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)(處理收集到的數(shù)據(jù),幫助交通系統(tǒng)進行決策),以及通信子系統(tǒng)(通過無線鏈路實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點之間的通信)共同發(fā)揮作用,使得未來交通系統(tǒng)更加高效及安全。

安裝24小時在線聯(lián)網(wǎng)的“聽診器”

以橋梁為例,它作為交通基礎(chǔ)設(shè)施中重要的一環(huán),需要定期維護以確保過橋車輛及行人的安全。然而,日常生活中許多橋梁已有50年甚至更久的建造歷史。

試想,如果人們每天穿行于這些橋梁,將面臨很大的危險。

“無線傳感器可以監(jiān)測和報告橋梁的物理狀況,如滑移系數(shù)和濕度。”在李浥東看來,橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一種基于無線傳感器的主動防御型方法,即將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安置于橋梁上,就像為橋梁裝了一個24小時在線聯(lián)網(wǎng)的“聽診器”,幫助相關(guān)部門進行橋梁物理狀況的日常監(jiān)控及維護。

“而對于嚴重老化急需維修的橋梁,無線傳感器還可以幫助我們作出最高效的維修決策。”IEEE高級會員、美國羅格斯大學規(guī)劃與公共政策學院副院長Clint Andrews介紹,在有很多地方都需要投資維修的情況下,可以根據(jù)無線傳感器收集到的實時狀態(tài)信息,確定維修的先后次序。

除此之外,無線傳感器還可以應(yīng)用于罕見大型突發(fā)事件的監(jiān)測。對于災(zāi)難性的橋梁結(jié)構(gòu)故障如結(jié)構(gòu)坍塌,傳感器可以通過對異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測,向維修人員發(fā)布早期預(yù)警。

使交通更智慧

除了可以監(jiān)測橋梁的健康狀況以外,無線傳感器技術(shù)還能幫助我們對交通狀況進行分析和決策,助力智慧交通。李浥東表示:“在城市交通中,無線傳感器收集到的數(shù)據(jù),可以用在對不同路段交通量的預(yù)估上,為智慧交通系統(tǒng)提供有用的分析決策信息,從而提高交通流通的效率。”

例如,智慧交通系統(tǒng)可以與手機短信服務(wù)相結(jié)合,利用無線傳感器收集到的數(shù)據(jù),提醒用戶交通擁堵的情況;還可以結(jié)合地理信息系統(tǒng),幫助政府高效地管理交通和規(guī)劃交通網(wǎng)絡(luò)的擴展。

對于應(yīng)對偏遠地區(qū)的緊急情況,IEEE高級會員Aiyappan Pillai解釋說,如果在偏遠地區(qū)出現(xiàn)緊急的情況,由于交通擁堵無法聯(lián)系到附近的支援服務(wù),可以通過附近的無線傳感器連接自動呼叫應(yīng)急車輛,將事發(fā)現(xiàn)場的詳細位置信息第一時間共享到附近的救急服務(wù)網(wǎng)點。

除了無線傳感器技術(shù)外,“邊緣計算、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和機器學習等技術(shù)也與其他尖端技術(shù)相結(jié)合,為許多國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得突破性進展提供支撐。”Aiyappan Pillai補充道。

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