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2021/4/14 14:24

IEEE专家:交通基础设施监测,无线传感器大有可为

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在我国,高速铁路、公路和桥梁所组成的庞大交通网络连接着广袤的高原与海岸,覆盖美丽的乡村和喧闹的城市。一方面,城市轨道交通贯穿城市中心,为千千万万的市民提供日常出行便利;另一方面,由于我国地理环境的复杂性,桥梁和隧道作为交通基础设施发挥了极其重要的作用。因此,如何通过科技实现对交通基础设施的长期稳定监测和及时维护,成为重要的议题。

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教授表示,“无线传感器技术,可以有效监测桥梁等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专家Clint Andrews和Aiyappan Pillai也从他们的领域出发,分享了科技助力交通基础设施维护的相关见解。

无线传感器技术和无线传感器网络(WSN)

“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,例如附加存储器及驱动单元。”李浥东教授介绍道。

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(Analog-to-digital converter,ADC)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(即微控制器单元)组成。

“在监测桥梁时,我们应用大量的传感器节点构建一个无线传感器网络。”李浥东教授进一步解释道,“无线传感器网络(wireless sensors network, WSN)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。

传感器为桥梁健康“听诊把脉”

桥梁,作为交通基础设施中重要的一环,需要通过定期维护,从而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,因此,市民有可能每天都穿行于存在结构危险的桥梁上。

桥梁结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)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”,帮助我们进行桥梁物理状况的日常监控及维护。李浥东博士表示:“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。“ 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做出最高效的维修决策。IEEE高级会员Clint Andrews介绍道:”在有很多地方都需要投资维修的情况下,我们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。”

更进一步,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,例如结构坍塌,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;此外,在地震和飓风等自然灾害发生后,无线传感器还可以快速诊断其对桥梁等大型基础设施的影响,保障桥梁结构的稳定,避免造成无法弥补的损害。

无线传感器助力智慧交通

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。李浥东博士表示:”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。

此外,无线传感器还可以帮助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,而由于交通拥堵无法联系到附近的支援服务,在这种情况下,可以通过附近的无线传感器连接自动触发应急车辆,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。“

除了无线传感器技术以外,IEEE高级会员Aiyappan Pillai补充道,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,正在为许多国家的基础设施建设提供突破性进展。

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