基于 5G多网络协同的路桥管养关键技术研究

李玉环 胡翠云

广东飞达交通工程有限公司 广州 510663

摘要：为了解决路桥管养中无法预知设备、设施、结构物的态势变化，大量巡检工作需人工进行，影响安全通行的危险因素无法提前预警等问题，本研究通过路桥的全要素感知技术、5G多网终协同的通信传输技术、大数据处理技术以及5G+AIoT下一代超级互联网的路桥管养动态数字平台搭建方法，构建一套以5G为核心技术的现代化路桥管理系统。

关键词：路桥管养、多网络协同、5G泛在局域网、数字中台、业务中台

Abstract:

In order to solve the problems of unpredictable changes in equipment, facilities and structures in road and bridge management, and a large number of inspection work needs to be carried out manually, this study builds a set of modern road and bridge management system with 5G as the core technology through the total element perception technology of road and bridge, multi-network collaborative communication transmission technology, big data processing technology and 5G+AIoT next-generation super Internet dynamic digital platform for road and bridge management.

Key words:

Road and bridge management, network collaboration, 5G ubiquitous LAN, digital middle office, service middle office

中图分类号：U458.1 文献标志码:A

引言

以5G和AIoT为核心的新一轮科技革命与产业变革正在重构智慧交通的技术体系^[1]，5G+AIoT作为下一代超级互联网，将5G的高速率、高带宽、多连接数、低延时的优势发挥得淋漓尽致^[2]，在AI的加持下，路桥管养系统将拥有“智慧大脑”最大化协助支撑路桥的运营与管理。在5G+AIoT时代，智慧交通的各种应是将是高度智能化、协同化、自动化、定制化^[3]。

1.背景

近年来我国路桥建设事业高速发展，随着产生的各类路桥管养工作量越来越大，但传统的路桥管养存在以下问题：无法及时发现路桥病害初期阶段和预估病害演变态势；大量巡检工作需人工逐点排查，工作量大效率低，危险因素很高；设备设施普遍是出现故障才报修，无法提前进行预警异常状态；路灯等基础设施保洁采用人工方式进行，不仅效率低下，危险性高，保洁装备还占用车道。除此之外，由于各类桥梁设施信息化和智能化应用场景复杂、部署多样，客户定制化需求日趋明显。为了应对上述问题，在总结国内外路桥管养应用实践的基础上，本研究提出一套以5G专网与公网之间的RAN和控制面共享的网络架构^[4]，以利用5G大带宽、高速率、高可靠、多连接的网络能力和边缘计算的特性，实现路桥管养的数字化转型，提升管养的效率。

2.具体的研究内容：

结合 “精细管理+精准服务”理念，融合设备、业务、技术、人员、数据、模型等关键要素，研究路桥管养全要素物联感知技术、部署多网协同的泛在无线网络（AIoT、LoRa、NB-IoT、3G/4G/5G）、依托云服务中台的各类应用自主化配置技术^[6]，打造5G+AIoT下一代超级互联网的路桥管养动态数字平台，实现路桥管养的全景化感知、数字化驱动、无人化巡查、数据高效传输、大数据决策、模块化设计、自主化配置、精准化服务、自动化作业^[7]，以满足不同路桥在信息化和智能化应用实施时的差异化和快速实施的需求^[8]。

2.1研究路桥管养全要素物联感知技术

同步建设路桥基础设施的智能检测和综合管控融合体系，打造路桥管养要素全覆盖的数字化标识体系；

2.2打造多网协同的泛在无线网络

构建5G专网与公网之间的RAN和控制面共享的路桥管养专用网络，研究路桥基础设施状态的低功耗采集设备、多接入边缘计算网关以及自适应传输关键技术；

2.3搭建云计算平台、边缘计算网关等设施

依托云服务打造数据汇聚和面向网络协同、业务流程自主可配置的数据中台与业务中台，研究面向情景交互的业务流程配置组件技术，根据应用服务场景，对整个服务流程组件进行生产和组装，形成可自由组合拼装的具有行业管理特色的定制化行业版本运营管理平台，开创了客户定制开发的创新模式

^[9]；

2.4打造5G+AIoT下一代超级互联网的路桥管养动态数字平台

研究面向目标设施设备不同服务应用的中间件技术，提供对设备接口多种服务自动生成的能力；构建基础设施运行健康评价、环境监测预警模型；开展信息实体与情景交互的态势预测、智能调度、快速响应、迅速恢复、精准化服务、自动化作业的服务^[10]，并在粤港澳大湾区的典型道路和桥梁开展应用示范，满足应用的差异化和快速实施的需求。

3.详细技术方案

本项目以科技创新为依托，以新一代通信技术和信息技术为先导，以现场产业化应用为核心，研究成果助力路桥基础设施监测与运行保障，有效提升路桥运营管理能力和服务水平。

3.1研究路桥管养全要素物联感知技术

通过多元化的现代感知技术，建设路桥基础设备设施的智能检测和综合管控融合体系，打造路桥管养要素全覆盖的数字化标识体系^[11]。

3.1.1研究路桥基础设施的运行体征及评估体系

针对广东省的地形地貌的路桥结构及环境特点，采用系统调研、历史数据分析等手段，找出影响基础设施结构安全与运行稳定的潜在病害风险因素^[12]；对结构及设备健康、运行状态及病害风险因素进行定量化研究与评估，建立完备的基础设施运行体征图谱与评估体系。

3.1.2在线监测系统与BIM平台的互联互通研究

在应对传感器数据可视化分析及表达上，传统软、硬件设施及服务难以满足海量监测数据实时可视化分析需求。基于BIM技术、物联网技术与点云技术进行建模，研究路桥基础设施综合监测系统与BIM平台的数据接口，将监测数据与模型进行融合，建立数据融合标准；研究在线监测系统与BIM平台的实时数据连接，保证数据互联互通。海量监测数据不仅可以利用地形数据、三维建筑模型、高空摄像头影像等云平台资源进行路桥设施形变、震动、沉降等异常情况的探查和分析，同时可利用云计算平台优势进行资源的弹性调配，满足动态扩展的需求。

3.1.3打造路桥管养要素全覆盖的数字化标识体系

要素全覆盖的数字化标识体系利用国家物联网标识管理公共服务平台，以Ecode编码为路桥基础设施编码体系的基本编码方式，并基于异构标识服务技术，实现对EPC、Handle、Ecode、OID、ISLI、CSTR等主流标识体系的兼容互通，支撑物联网应用跨平台互联互通，打造路桥管养要素全覆盖的数字化标识体系。

3.2打造多网协同的泛在无线网络

构建5G专网与公网之间的RAN和控制面共享的路桥管养专用网络，研究路桥基础设施的低功耗采集设备、多接入边缘计算网关以及自适应传输关键技术。

3.2.1打造多网协同的泛在无线网络系统

物联网的快速发展为路桥管养提供了丰富的智能感知设备、物联泛在的接入技术手段。在物联网设备上支持多种协议的接入，使得设备在路面、桥梁、收费站、服务区、隧道等不同场景下都能高效的运行，保证数据的实时性；在隧道等特殊场景中接入低功耗协议LoRa、NB-IoT 等低功耗物联网协议，可以解决4G、5G等网络信号不佳的情况；通过LoRa、NB-IoT、Zigbee，Thread和低功耗蓝牙(BLE)等的接入，可以有效降低功耗，特别适合在定期检查维修困难的应用场合^[13]；针对多网协同的要求，研究一种高效的协议转换算法结合动态多协议软件算法，采用多兼容多组合的方式，设计一款物联网多协议网关，支持多种不同的协议^[14]。通过软件与硬件的结合，高效实现设备的多协议数据传输。

图1 多网协同的泛在无线网络

3.2.2 搭建5G专网与公网之间的RAN和控制面共享的路桥管养专用网络

路桥管养领域可利用5G的大带宽、低时延、高可靠、多连接的网络能力和边缘计算，来实现路桥管养的数据化转型，提升路桥管养的多网协同的接入能力。构建5G专网与公网之间的RAN和控制面共享的路桥管养专用网络，5G基站（gNB）与公网共享，而且控制面也与5G公网共享，在这种部署方式下，路桥管养机构专网的gNB和UPF分别有N2和N4接口连接5G公网的5GC-CP，路桥管养机构专网的设备信息也存储在运营商的5G公网里，形成一个高效、高可用传输方案，保障网络的传输时延。

图2 专网与公网之间RAN和控制面共享

3.3搭建云计算平台、边缘计算网关等设施

依托云服务路桥管理数据汇聚和面向网络协同、业务流程自主可配置的数据中台与业务中台；研究面向情景交互的业务流程配置组件技术，根据应用服务场景，对整个服务流程组件进行生产和组装，形成可自由组合拼装的具有行业管理特色的定制化行业版本运营管理平台，开创了客户定制开发的新局面。

3.3.1数据中台

数据中台构建思路：研究碎片化的路桥基础设施数据之间的连接枢纽，构建多维度、立体的线上、线下数据采集能力，利用国家物联网标识管理公共服务对路桥基础设施进行统一的标识，支持路桥管养过程全流程数据的闭环打通和管理。

线上线下一体化信息管理体系：将AIoT+多种智能终端+物联网标识技术相结合，通过自动化操作实现线上流转的关键信息与线下书面确认的信息高效、准确交互，可有效地解决AIoT应用关键纸质文档的电子化管理，整合自动化路桥设备设施数据、病害数据、巡检报告、事件处置等数据的生成能力，提升数据流转的效率。

3.3.2业务中台

业务中台的理念是基于信息系统接口、智能设备接口支撑技术研发，集成逻辑交互引擎、知识库引擎、知识映射引擎、大数据分析引擎、深度学习引擎、业务规则引擎、开放编程环境、工作流引擎、模块化软件架构，建设智能应用开发业务中台，提高各种业务应用开发的效率，提升整个平台的业务扩展性能力，实现由研究成果转换为生产力的目标。

3.4打造5G+AIoT下一代超级互联网的路桥管养动态数字平台

构建路桥管养基础设施运行综合监测和安全管控平台，从数据资源、业务算法模型、技术工具等方面进行集成整合，采用微服务架构，搭建基于云计算架构的基础设施环境，实现计算资源、存储资源、网络资源等云计算基础资源的按需定制、统筹调度和弹性服务，统一基础数据资源和业务应用服务，构建知识领域专业库，搭建数据服务及业务服务模块可管理、可插拔、可扩展的融合架构，实现数据资源与服务资源的共享与互通^[15]。

图3 5G+AIoT数字平台架构图

构建基础设施运行风险推理、病害识别及态势预测、调度决策相关的各种算法模型结合多级网络及动态网络分析方法，分别构建路桥基础设施运行风险动态测度模型，对设施层、服务层和社会层的灾害情境演变和后果进行分析，研究灾害控制与发展之间的抑制和放大效应，构建与路桥管养相关的业务模型，包括态势监测、态势预测、健康状态预警告警、智能调度、应急处置、基于BIM的可视化展示模型^[16]。

结束语：

本文重点研究以5G为核心的专网与公网相结合的泛在局域网，从路桥管养的现状出发，通过多元化的传感技术、以5G为核心的多网协同技术以及大数据的挖掘分析技术的研究，构建智能路桥管养系统。并在紫惠高速、河惠莞高速、港珠澳大桥等多个路桥场景推广应用，其中在紫惠高速的应用获得全国智能交通优秀案例，设计方案获得广东省智能交通科学技术二等奖，为现代路桥管养提供理论和实践的案例参考。在路桥隧结构BIM模型、可视化数字平台建设方面只是提出理论基础，有待于深入研究。

参考文献

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作者简介

姓名：李玉环

学历：硕士研究生

毕业学校：中山大学

工作单位：广东飞达交通工程有限公司

职称：高级工程师

执业资格：通信与广电注册一级建造师、机电注册一级建造师

研究成果及方向：推广5G在高速公路行业的应用，5G技术与智慧交通技术相结合，已在广东省实施多个案例。