无线传感器为交通基础设施“诊脉”

来源:《中国科学报》2021年04月22日

前不久,《国家综合立体交通网规划纲要》(以下简称《纲要》)发布。为了全面提升交通设施安全水平,《纲要》提出,“强化交通基础设施预防性养护维护、安全评估,加强长期性能观测,完善数据采集、检测诊断、维修处治技术体系”“推广使用新材料新技术新工艺,提高交通基础设施质量和使用寿命”……

“无线传感器技术可有效监测交通基础设施的物理状况,并能为交通系统提供进一步分析决策的实时信息,提高交通网络的流通效率。”IEEE高级会员、北京交通大学计算机与信息技术学院副院长李浥东说。

无线传感器:从技术到网络

无线传感器设备也称为无线传感器节点,它的基本组成模块包含传感单元、处理单元、无线通信单元以及电源单元。“根据具体的应用需求,节点还可以包含额外的辅助元件,如附加存储器及驱动单元。”李浥东介绍道。

他进一步解释,传感单元可以包括一个或多个传感器,用于获取所需的物理现象数据,如温度、湿度、压力和加速度等;传感器收集到的模拟信号,通过信号调理单元中的模拟数字转换器转换为数字信号,从而进行进一步的分析处理;而处理单元是无线传感器节点的主控制器,负责管理传感单元和无线通信单元,通常由具有处理和数据存储能力的车载计算机组成。

李浥东表示,如在监测桥梁等交通基础设施时,目前可应用大量的传感器节点构建一个无线传感器网络。

具体而言,无线传感器网络可以通过数据采集子系统(收集关键的信息数据)、控制和数据分析子系统(处理收集到的数据,帮助交通系统进行决策),以及通信子系统(通过无线链路实现无线传感器节点之间的通信)共同发挥作用,使得未来交通系统更加高效及安全。

安装24小时在线联网的“听诊器”

以桥梁为例,它作为交通基础设施中重要的一环,需要定期维护以确保过桥车辆及行人的安全。然而,日常生活中许多桥梁已有50年甚至更久的建造历史。

试想,如果人们每天穿行于这些桥梁,将面临很大的危险。

“无线传感器可以监测和报告桥梁的物理状况,如滑移系数和湿度。”在李浥东看来,桥梁结构健康监测是一种基于无线传感器的主动防御型方法,即将无线传感器网络安置于桥梁上,就像为桥梁装了一个24小时在线联网的“听诊器”,帮助相关部门进行桥梁物理状况的日常监控及维护。

“而对于严重老化急需维修的桥梁,无线传感器还可以帮助我们作出最高效的维修决策。”IEEE高级会员、美国罗格斯大学规划与公共政策学院副院长Clint Andrews介绍,在有很多地方都需要投资维修的情况下,可以根据无线传感器收集到的实时状态信息,确定维修的先后次序。

除此之外,无线传感器还可以应用于罕见大型突发事件的监测。对于灾难性的桥梁结构故障如结构坍塌,传感器可以通过对异常数据的监测,向维修人员发布早期预警。

使交通更智慧

除了可以监测桥梁的健康状况以外,无线传感器技术还能帮助我们对交通状况进行分析和决策,助力智慧交通。李浥东表示:“在城市交通中,无线传感器收集到的数据,可以用在对不同路段交通量的预估上,为智慧交通系统提供有用的分析决策信息,从而提高交通流通的效率。”

例如,智慧交通系统可以与手机短信服务相结合,利用无线传感器收集到的数据,提醒用户交通拥堵的情况;还可以结合地理信息系统,帮助政府高效地管理交通和规划交通网络的扩展。

对于应对偏远地区的紧急情况,IEEE高级会员Aiyappan Pillai解释说,如果在偏远地区出现紧急的情况,由于交通拥堵无法联系到附近的支援服务,可以通过附近的无线传感器连接自动呼叫应急车辆,将事发现场的详细位置信息第一时间共享到附近的救急服务网点。

除了无线传感器技术外,“边缘计算、5G、物联网、人工智能和机器学习等技术也与其他尖端技术相结合,为许多国家的基础设施建设取得突破性进展提供支撑。”Aiyappan Pillai补充道。

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