交通基础设施智能化基础 课件 第5、6章 物联网概述、智慧公路

第5章物联网概述本章重点物联网概念感知识别网络传输应用场景IOT什么是物联网？物联网：物联网（IoT，IntenetofThings）是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的三层体系结构物联网体系构成感知层是物联网全面感知的基础物联网感知层感知层作用标识物体采集和捕获信息感知层实现方式RFID标签和读写器传感器网络和网关摄像头和监控GPS/北斗定位智能家居网关M2M终端和传感器感知层突破方向更敏感和更全面的感知能力解决小型化和低成本问题解决低功耗的问题无线&有线RFID读写M2M终端传感器网络摄像头GPS/北斗智能家居网关物联网体系构成网络层是物联网无处不在的前提物联网网络层网络层作用连接感知层和应用层当前最成熟的部分网络层主要层次接入网：无线/光纤各种类型的接入形式业务支撑：业务统一管理部署和运营支撑核心网：统一IP协议上的大宽带的可靠网络网络层突破方向扩展规模，以实现无处不在简化结构，上下层面融合业务可扩展的管理运营能力随时随地连接实现IP统一协议有效降低实现成本规模扩展带来IPv6的发展动力业务平台鉴权平台计费平台经营分析平台业务支撑平台提供终端和业务的通道和联动控制逻辑实现不同终端和业务统一管理、部署和扩展核心网络&业务网关统一IP协议的高效率的核心网络/设备/接口边缘业务控制实现业务感知、控制和策略转发接入网络无线接入：2G/3G/WLAN有线接入：光纤和铜线（xDSL）物联网体系构成应用层是物联网智能处理的核心物联网平台及应用层平台及应用层作用信息技术与行业专业技术结合应用层主要方向智能家居智慧城市智慧交通应用层突破方向信息技术与行业的深度融合基于云计算的应用整体架构信息社会化共享和安全保障实现广泛智能化应用的解决方案集合云计算是应用大规模部署关键智能电力智能通信服务智慧医疗云计算资源计算能力存储能力云计算业务SaaSPaaSlaaS物联网应用发展六大热点领域智慧交通智能医疗智慧城市智能通信服务物联网发展我国物联网发展趋势国家网信办发布《数字中国发展报告（2020年）》，“十四五”时期推动物联网全面发展，加快交通等传统基础设施的智能化升级，提升感知设施的资源共享和综合利用水平本章重点物联网概念感知识别网络传输应用场景IOT感知识别传感器：由敏感元件和转换元件组成，能感受被测量的信息，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。敏感元件传感器中能直接感受或响应被测量的部分是传感器的核心元件直接感受被测非电学量输出与被输出有确定对应关系的转换元件所能接受的其他物理量转换元件将对象特性和状态参数转换成可测定的电学量，然后将电学量分离出，送入传感器系统加以评测或标示转换元件可与敏感元件合为一体，如：热电偶传感器类型能量：有源传感器和无源传感器效应：物理传感器和化学传感器原理：电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、光电式传感器等。感知识别传感器特性：静态特性和动态特性静态特性动态特性检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时,系统的输出与输入之间的关系线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移、分辨力、阈值在输入是准动态信号或动态信号时，传感器的输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示标准输入信号：阶跃信号和正弦信号传感器发展：1.

高精度、高量程、高灵敏度；2.微型化；3.智能化和数字化；4.低功耗和无源化。无线传输感知识别MEMS传感器：MEMS（MicroelectroMechanicalSystems）传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。数字化价格低低功耗MEMS传感器的发展优势微型化可集成MEMS传感器的种类及应用涉及学科：物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科交叉。系统组成：微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信感知识别RFID：射频识别技术（RadioFrequency

Identification，RFID），是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的主动式RFID被动式RFID原理：凭借感应电流发送出存储在芯片中的产品信息，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID组成结构感知识别EPC：EPC(ElectronicProductCode，产品电子代码)是基于射频识别、无线数据通信，以及Internet的一项物流信息管理新技术。EPC旨在为每一件单品建立全球的、开放的标识标准。系统构成名称注释全球产品电子代码编码体系EPC编码标准识别目标的特定代码射频识别系统

EPC标签贴在物品之上或者内嵌在物品中识读器识读EPC标签信息网络系统

EPC中间件EPC系统的软件支持系统对象名称解析服务（ONS）进行物品解析EPC信息服务（EPCIS）提供产品相关信息接口，采用XML进行信息描述EPC与RFID：EPC是复杂的、综合的系统，RFID只是其中组成部分之一。感知识别室外感测技术-全球导航卫星系统：全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。包括：美国GPS、欧盟伽利略、俄罗斯GLONASS和中国北斗系统感知识别室内定位技术：采用无线通讯、基站定位、惯导定位、动作捕捉等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。包括：WIFI定位、蓝牙定位、Zigbee技术、红外技术和RFID技术。感知识别网关：能连接多台设备，并具备直接连接到互联网的功能的机界和软件。作用：无法直接连接网络进行通信的传感器等感知设备，通过网关与网络层进行信息交互，将感知层数据进行网络传输。本章重点物联网概念感知识别网络传输应用场景IOT网络传输有线连接：在两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方。串行通信采用RS-232C等串行通信来连接其他设备，实现主机与外设以及主机之间的数据传输优：自由度及灵活度高缺：传送效率低以太网采用以太网电缆与网关相连接，是一种计算机局域网技术。优：抗干扰性强缺：体积大USB用于规范电脑与外部设备的连接和通讯的外部总线标准优：传输方式简单，传输速度快，使用方便，独立供电缺：主机端协议栈过于复杂网络传输无线连接：使用无线技术建立设备之间的通讯链路，为设备之间的数据通讯提供基础。蓝牙是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的无线连接技术优：传输速率快缺：传输距离短WI-FI是当今使用最广的一种无线网络传输技术优：传输速度快缺：耗电大Zigbee是一种低速短距离传输的无线网上协议优：耗电量低缺：传输速度慢，需要专门接收器用户协议IP协议为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据报传输服务TCP协议面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议用户协议HTTP协议运行在TCP协议之上的简单的请求-响应协议MQTT协议采用订阅、发布机制的消息列队传输协议移动互联网移动互联网移动通信终端与互联网相结合成为一体，是用户使用手机、PAD或其他无线终端设备，通过速率较高的移动网络，在移动状态下(如在地铁、公交车等)随时、随地访问Internet以获取信息，使用商务、娱乐等各种网络服务。移动互联网4G将WLAN技术和3G通信技术进行了很好的结合，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰5G具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。对比4G而言，5G的优势数据传输效率更高空白频谱容易获取传输速率更高优化传输距离更高的能源效率本章重点物联网概念感知识别网络传输应用场景IOT应用场景无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者应用场景智慧交通系统不停车电子收费系统（ETC）车主只要在车辆前挡风玻璃上安装感应卡并预存费用，通过收费站时便不用人工缴费，也无须停车，高速通行费将从卡中自动扣除，即能够实现自动收费汽车电子标识（ERI）将车牌号码等信息存储在射频标签中，能够自动、非接触、不停车地完成车辆的识别和监控，是基于RFID在智慧交通领域的延伸。结语第6章智慧公路本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测什么是智慧公路？智慧公路：大数据时代的公路新形态，基于智慧理念，运用物联网、云计算等技术，对公路系统关键信息感知、分析、挖掘，实现公路系统健康、和谐、可持续发展。智慧公路的三大体现形式：公路结构智能设，公路结构智能检测，公路结构智能监测智慧公路概述——内涵架构2008年，欧洲数个国家依托FEHRL提出了“第五代道路”计划，又称为永久开放道路（ForeverOpenRoad）。旨在达到自适应，自动化和环境韧性三大目标。2014年全国交通运输会上，交通运输部提出“四个交通”发展战略，坚持面向发展、开发协同、重点突破、全面提升。永久开放的公路智慧公路概述——内涵架构智慧公路由先进的结构材料、感知网络、数据中心、通信网络和能源系统组成，借助云计算、物联网、大数据、人工智能等技术。主动感知自动辨析自主适应动态交互智慧公路概述——发展现状截至2020年底，我国公路总里程达到519.81万公里，其中高速公路里程达到16.1万公里，位于世界第一。2019年我国发布了《交通强国建设纲要》，强调要从交通大国向强国迈进，公路建设处于重要位置。公路智能化程度逐年增高智慧公路概述——发展现状智能建造在智能公路中主要体现在智能装配技术、智能压实技术以及建筑信息模型BIM技术。BIM技术4D施工组织公路数字化施工图德国信息物理系统美国工业互联网中国制造2025公路智能建造公路智能检测公路智能监测智慧公路概述——发展现状第一代路面智能检测系统法国GERPHO系统第二代路面智能检测系统日本的Komatsu系统加拿大ARAN系统第三代路面智能检测系统CCD数字摄像计算机图像处理第四代路面智能检测系统多功能路况检测系统激光扫描红外热力公路智能建造公路智能检测公路智能监测智慧公路概述——发展现状1991年，明尼苏达试验路（MnRoad），埋设传感器监测试验路响应，获取水平和垂直应变、土压力、湿度、温度。2000年，美国国家沥青技术中心（NCAT）在环道上，埋设沥青应变计、土压力计、温度计、湿度计、轴位置仪等。2003年，山东滨州永久性路面，安装有沥青应变计、土压力计、温度计及轴位置测量仪2005年，哈尔滨工业大学欧进萍院士研发了铺面光纤光栅应变计，温度传感器、压电薄膜、应变和裂缝监测传感器等公路智能建造公路智能检测公路智能监测本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测公路智能建造留白区智能建造：基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自治等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。智能装配技术智能压实技术建筑信息模型BIM将新一代人工智能建造系统逐步引入到公路工程建设领域，发展公路工程智能建造技术，打通信息技术和传统建设接口。推进公路建造和运营过程中的精益、智慧、高效、绿色协同发展。公路智能建造——智能装配智能装配技术将现场作业转移到工厂进行，通过预制加工，克服生产粗放、精度低等缺点，实现标准化施工、精细化管理。美国装配式混凝土路面日本装配式融雪路面荷兰可卷曲预制沥青路面荷兰梁基水泥混凝土路面公路智能建造——智能装配新工业4.0下，公路智能装配技术发展方向：机械化智能化信息化标准化可拆性公路智能建造——智能压实智能压实技术可实时监测施工温度、压实度、压实速度、压实遍数等，实现施工过程控制的智能化监控，提高施工质量。国外智能压实系统，综合GPS定位技术、传感器自动采集技术和无线通信技术国内智能压实系统，分析振动压路机可优化振动压实控制策略、及管理策略方案公路智能建造——智能压实智能压实技术智能压实技术主要是通过智能压实控制系统实现的，智能控制即为智能压实的关键。学习、抽象、推理、决策压实功率自调自适应碾压作业公路智能建造——建筑信息模型BIM（BuildingInformationModel）是一个工程项目特性的数字化表示，同时也是一种共享的知识资源，为项目全生命周期内的所有决策提供可靠依据的信息集合。智能建养BIM技术：BIM基础软件平台道路BIM三维技术标准和应用软件智能路面建养管理二次开发公路智能建造——智能装配面向智慧公路BIM技术发展方向：BIM技术标准基础平台软件全生命周期一体化系统基于BIM技术的公路设计建造模拟本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测在公路服役阶段需要对路面结构进行定期检测和维护，使之保持一定的使用性能和水平，以满足车辆使用要求。公路智能检测关键技术三维激光扫描落锤式弯沉仪超声波检测红外线图像成型探地雷达高清摄像技术传统检测方法:主观评判性较大，且效率与精度无法保证，也难以满足大规模公路检测要求.公路几何参数结构承载力路表破损指标路表功能指标公路智能检测——几何参数检测路面宽度检测:一种是通过数字摄像技术，通过图像处理算法，自动获取路面宽度值，另一种是基于激光测距仪实现对路面宽度的测量。路拱横、纵坡检测:采用的是激光测距技术，依据左右激光测距仪测得的距离D与高程，再结合由惯性得知的角β，最后计算路拱坡度γ。线形曲率检测:利用编码器、惯性导航单元、GPS定位传感器，获得空间位置坐标、航向角等数据，结合检测车运动轨迹，并基于航向角，获取航向角相对于里程的变化率，得到公路线形曲率。公路智能检测——路面结构承载力检测路面厚度检测:一种是基于电磁波技术在不同材料的传播特性，通过探地雷达（GPR）对路面厚度进行检测。另一种是基于超声波传播机理，通过布设换能器，根据声波在发射换能器与接受换能器之间的传播时间、声速反推路面厚度，检测结果具有较高的精度。探地雷达检测原理路面厚度检测现场公路智能检测——路面结构承载力检测结构层模量:采用落锤式弯沉仪测定路面结构模量。工作原理是利用重锤的冲击力作用，达到对路面结构施加脉冲荷载的目的，依据路面瞬时变形，检测到其对应位置路面的位移响应，并由记录系统记录在传送给计算机，最终得到路面表面的弯沉盆。FWD检测原理落锤式弯沉仪公路智能检测——路表功能性指标检测平整度检测:车载高精度激光测距是目前主流的智能检测技术。连续检测道路平整度可出具国际平整度指数可出具道路构造深度指标公路智能检测——路表功能性指标检测抗滑性检测:路面抗滑性能检测技术是研究路面纹理构造特征和路面抗滑性能关系的必要手段。动态摩擦系数测试仪和动态激光断面仪是现阶段使用较广泛的两类检测手段。动态摩擦系数测试仪是一种通过摩擦力做功、以旋转动能损失反算动态摩擦系数值的设备，该设备能模拟0~80km/h行车速度范围、常规车辆施加路面荷载的路面抗滑性能。动态激光断面仪是通过测量路面宏观纹理构造深度间接反映路面抗滑性能的方法。在测量车身底面悬挂红外线激光测距装置，以2mm间距扫描路表面断面，车辆匀速行驶进行连续测量公路智能检测——路表破损指标检测车辙变形检测:基于激光三角法原理的三维线激光技术已经逐渐成熟并开始应用于路面车辙变形的检测中，为构建直观、全面、精准、可靠的路面车辙三维模型奠定基础。三维线激光检测设备高密度激光点云车辙三维模型三维线激光检测原理公路智能检测——路表破损指标检测路面裂缝检测:传统的基于图像法的二维裂缝检测，只能给出裂缝的位置、长度和宽度信息，裂缝的深度信息难以测量。基于结构光的三维路面裂缝智能检测技术如：激光扫描技术、激光雷达技术、照相机立体视觉技术，使得裂缝三维特征的识别成为可能。裂缝三维检测技术原理带裂缝的路面轮廓信号本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测公路智能监测——传感元件主动感知传感元件主动感知荷载和环境感知力学响应感知荷载监测:对于公路荷载信息的智能监测识别，主要有三种方法，分别是基于动态称重监测荷载信息、基于加速度传感器识别荷载信息、基于传感元件矩阵识别荷载信息。动态称重感知荷载信息加速度感知荷载信息传感元件矩阵感知荷载信息公路智能监测——传感元件主动感知公路外部环境监测:公路外部环境状态的感知技术主要有三种方式，分别为建设气象站用于感知公路外部环境，搭建雷达系统监测公路外部环境以及利用能见度仪对雾况进行监测预警。气象传感器能见度仪器传感元件主动感知荷载和环境感知力学响应感知公路智能监测——传感元件主动感知公路内部环境监测:针对路面环境状态，通过各种技术手段获取路表湿滑状态、路面内部温度、