無線傳感器為交通基礎設施“診脈”
http://www.debgrams.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規劃綱要》（以下簡稱《綱要》）發布。為了全面提升交通設施安全水平，《綱要》提出，“強化交通基礎設施預防性養護維護、安全評估，加強長期性能觀測，完善數據采集、檢測診斷、維修處治技術體系”“推廣使用新材料新技術新工藝，提高交通基礎設施質量和使用壽命”……
“無線傳感器技術可有效監測交通基礎設施的物理狀況，并能為交通系統提供進一步分析決策的實時信息，提高交通網絡的流通效率。”IEEE高級會員、北京交通大學計算機與信息技術學院副院長李浥東說。
無線傳感器：從技術到網絡
無線傳感器設備也稱為無線傳感器節點，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。“根據具體的應用需求，節點還可以包含額外的輔助元件，如附加存儲器及驅動單元。”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象數據，如溫度、濕度、壓力和加速度等；傳感器收集到的模擬信號，通過信號調理單元中的模擬數字轉換器轉換為數字信號，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據存儲能力的車載計算機組成。
李浥東表示，如在監測橋梁等交通基礎設施時，目前可應用大量的傳感器節點構建一個無線傳感器網絡。
具體而言，無線傳感器網絡可以通過數據采集子系統（收集關鍵的信息數據）、控制和數據分析子系統（處理收集到的數據，幫助交通系統進行決策），以及通信子系統（通過無線鏈路實現無線傳感器節點之間的通信）共同發揮作用，使得未來交通系統更加高效及安全。
安裝24小時在線聯網的“聽診器”
以橋梁為例，它作為交通基礎設施中重要的一環，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。
“無線傳感器可以監測和報告橋梁的物理狀況，如滑移系數和濕度。”在李浥東看來，橋梁結構健康監測是一種基于無線傳感器的主動防御型方法，即將無線傳感器網絡安置于橋梁上，就像為橋梁裝了一個24小時在線聯網的“聽診器”，幫助相關部門進行橋梁物理狀況的日常監控及維護。
“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，可以根據無線傳感器收集到的實時狀態信息，確定維修的先后次序。
除此之外，無線傳感器還可以應用于罕見大型突發事件的監測。對于災難性的橋梁結構故障如結構坍塌，傳感器可以通過對異常數據的監測，向維修人員發布早期預警。
使交通更智慧
除了可以監測橋梁的健康狀況以外，無線傳感器技術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據，可以用在對不同路段交通量的預估上，為智慧交通系統提供有用的分析決策信息，從而提高交通流通的效率。”
例如，智慧交通系統可以與手機短信服務相結合，利用無線傳感器收集到的數據，提醒用戶交通擁堵的情況；還可以結合地理信息系統，幫助政府高效地管理交通和規劃交通網絡的擴展。
對于應對偏遠地區的緊急情況，IEEE高級會員Aiyappan Pillai解釋說，如果在偏遠地區出現緊急的情況，由于交通擁堵無法聯系到附近的支援服務，可以通過附近的無線傳感器連接自動呼叫應急車輛，將事發現場的詳細位置信息第一時間共享到附近的救急服務網點。
除了無線傳感器技術外，“邊緣計算、5G、物聯網、人工智能和機器學習等技術也與其他尖端技術相結合，為許多國家的基礎設施建設取得突破性進展提供支撐。”Aiyappan Pillai補充道。
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