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摘要：随着我国高速公路的飞速发展，高速公路带来的各方面问题日益突出，如环境污染、交通拥堵、事故频发等，非常有必要建立起一个完善、先进、高效的高速公路监控系统来对高速公路进行管理。本文研究了基于物联网的监控、识别、报警等方面的应用。针对当前高速公路防雷器无法实现有效监测的问题，根据物联网的概念和基本结构，构建了基于物联网的高速公路防雷远程监控系统，探讨了有关雷击对高速公路监控系统的影响及防雷保护措施。
关键词：高速公路；物联网；监控系统；防雷
目前，大部分高速公路都安装了电源防雷器、信号防雷器等，这些防护设备能在很大程度上保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压等的损害，使电力系统能够正常运行。但是对于防雷器的工作状态，一直不能无法准确掌握，部分防雷器已经损坏之后未能及时发现甚至进行更换，导致价格高昂的机电设备缺乏保护，极易遭受雷击，致使设备损坏、停止运转等，不仅给收费、交通管理带来不便，更容易酿成巨大的直接经济损失和间接经济损失。
因此，必须解决对防雷器的有效监测工作，改变常规的人工抽检或不检的工作方式。当防雷器工作状态出现故障或者损坏时，能够立即发现异常情况，并向监管中心部门发出报警，及早确定受损防雷器，将雷击隐患控制、消灭在萌芽状态，减少雷击损失。所以，建立一种实时监测防雷器状态信息的高速公路防雷远程监控系统势在必行。
1、物联网的特点
物联网是运用现代先进技术，解决各行各业的一些存在问题，在智能交通系统中，其实也就将现有的感知装备嵌入到公路、險道、车辆等物体中，通过网络层将感知采集到的信息传递给监控中心，监控中心接受到信息；便可随时了解公路基本信息，掌握现场状况，当出现紧急情况时能及时处理，并且能根据用户的需求提供车辆信息服务。可以看出，物联网有如下几个特点：
1.1物联网的全面感知
物联网的感知层能全面感知到物理世界的各个角落，不仅是通过各种各样的传感器来感知，而是通过所有能实现物体信息采集的技术或设备进行感知，通过它们来形成物联世界的传感网络。感知层其实就是物联网的信息采集层。
1.2物联网的可靠传递
可靠传递是指信息数据传递的可靠性，它是通过互联网、移动通信网等各种网络进行信息的共享和传递，并保证数据在传输过程中不丢失、不损坏。传输层是各种通信网与互联网融合的网络，它是核心承载工具，承担物联网感知。
1.3物联网的智能控制
物联网的智能控制针对有效数据来控制的，从感知层和传输层传递过来的数据如果没有经过数据处理和分析是没有实际价值的数据。由于物联网上有大量的传感器，那么就必须依靠先进的智能控制技术，将各种数据进行海量的存储和快速处理，也就是说物联网不仅仅提供传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。
总而言之，物体的全面感知、信息的可靠传递、系统的智能控制是物联网的三个基本特点。这三个特点也是区别于其他网络的特点，全面感知是基础，可靠传递是保障，智能控制是应用，三者缺一不可。
2、物联网的基本结构
物联网的基本结构有三层，分别为感知层、网络层、应用层。感知层是利用感知技术如RFID技术、二维码技术等，感知物体的基本信息；网络层是可靠传递，是通过各种网络将物体的信息实时的准确的传递出去；应用层是利用经过处理的感知数据，为用户提供丰富的服务。各层次通过相互协调与配合，协同完成真正意义上的“物物相连”，提供物联网服务。如图1所示：
2.1感知层
感知层主要是感知和采集物理世界的基本信息，这包括各种传感器如温度传感器、声音传感器、压力传感器等，也包括各种识别技术，如二维码识别技术，蓝牙技术、多媒体信息采集技术、RFED技术等等，这些都可以用于物联网的数据釆集和短距离传输。
2.2网络层
感知层把感知到的物体信息传输给应用层，才能实现其价值，这中间的数据传递过程就需要传输层的支持，传输层保证数据在传递过程中的安全性、可靠性和稳定性，解决数据在一定范围内的数据传输，网络层是通过现有的互联网（IPv4/IPv6 网络）、移动通信网（如 GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输阳。
2.3应用层
应用层是物联网的终极层面，它是感知层和传输层存在的目的与意义。应用层主要是对网络层传递过来的信息进行处理和分析，并作出决策，实现物体的具体应用和服务。这一层是解决信息处理和人机界面的问题，是物联网系统结构中的最高层。应用层根据用户的需求面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务，根据物联网的实际用途，可以将应用层分为三种应用模式：
①标签模式。通过二维码、RFE）等技术标识特点的对象，用于区分对象个体，例如在我们生活中的各种智能卡，条码标签的基本用途就是用来获取对象的识别信息；
②监控模式。利用多种传感器来监控某个特定的对象的基本信息，如空气中的C02浓度可以通过C02浓度检测器来检测；气象信息可以通过气象检测器来检测；还可以通过GPS标签跟踪车辆位置；通过交通路口的摄像头捕捉实时交通流程等等；
③控制模式。根据获取的数据，对数据处理后的决策模式，它主要是对对象的控制，并接受对象的反馈信息。如自动根据车流量来调节红绿灯时间间隔；根据光线强弱调节路灯亮度；根据交通路况来实时更新道路沿线交通诱导信息板等。
图1物联网的系统结构
3、防雷远程监控系统的结构及实现
高速公路防雷远程监控系统能够远程、自动、不间断地循环监测防雷的工作状态，并通过无线通讯网络，将防雷器的工作状态传送到系统监控主机上，工作人员可在系统监控主机屏幕上直观的观察到每个防雷器的工作状态。根据物联网的体系结构，并参照目前已经较成熟的其他类型远程监控系统结构，构建高速公路防雷远程监控系统，其结构图如图2所示。
在图2中，高速公路防雷远程监控系统感知层建立在监控、收费、通信和计算机网络设备上，比如低压配电柜、收费岛设备设施等。远程监控系统的感知设备即前端监控装置需要进行研发。以某系列防雷器为例，其自带远程报警监控端口，正常工作时，输出固定频率的开关量信息，可采用前端监控装置与防雷器端口连接并进行采集，前端监控装置需要有A/D功能和I/O功能，能够在现场对防雷器的状态采集后进行调制后，无线发送给系统监控主机。
图2 基于物联网的高速公路防雷远程监控系统
防雷远程监控系统的网络层设计由于考虑到高速公路的通讯距离、环境限制、系统主机所在位置等因素，采用ISM（Industrial Scientific Medical）频段，此频段为免费使用，无需授权许可，因此采用此频段可节省远程系统的通讯网络使用费用。ISM频段距离较长，在室内500米，室外开阔地带可到1500米，最远可实现3000米。根据微功率（短距离）无线电设备的技术要求，各类民用设备的无线控制装置的使用频率可在433.00-434.79MHz之间，发射功率限值为10mW。
应用层方面，使用系统监控主机，主机硬件结构上有无线发射和接收系统模块、主机数据处理模块，软件上有无线远程监控实时软件。系统主机可以采取独立研发，也可采取工业控制机加入无线发射接收模块，并嵌入主控软件。系统监控主机的监测界面上，按照高速公路区域和感知设备类型可显示各个防雷器的工作状态，并对每个防雷器进行编码编号，并用不同颜色来指示状态，例如，绿色显示正常工作，红色显示出现故障，灰色显示防雷器被击穿或前端监控设备自身故障等。当系统监控主机监控到防雷器非正常工作时，可以通过电话、短信等报警方式第一时间通知工作人员，降低雷击的可能性。系统监控主机还应包括数据统计分析功能，含有操作日志统计分析、报警数据统计分析、监控数据统计分析等一系列功能。
4、雷击对监控系统的影响分析
在夏季雷击灾害的现象比较频繁，特别是高速公路地处的环境比较复杂，容易遭受到雷击损害。例如当雷电直接经过露天监控设备时，会导致过电流等现象的发生，最终使设备发生损坏；当雷电直接经过架空线缆时会造成线路中断。雷击不仅会直接产生破坏作用，它还能够产生雷电感应，对监控系统中的信号传输设备和电源线等产生不良的影响，当电流经过这些金属导线时，会产生电位差，导致设备被破坏。雷击产生的雷电感应会导致监控设备中的线路出现比较大的电动势，使设备出现带电的现象。感应雷也会产生比较大的电动势，其危害相对也比较大。
5、高速公路监控系统防雷措施
5.1系统的前端防雷措施
前端设备防雷措施可以分为室内和室外两种不同的情形，其中安装在室内的电子设备一般情况下不会受到雷击的干扰和破坏，但是需要防止雷击时产生的过电压对电子设备所造成破坏。室外的电子设备需要考虑过电压的影响，同时还要避免设备遭到直接雷击。摄像头作为前端设备应当处于避雷设备有效的保护范围内，例如避雷针或者接地导体；当摄像机独立工作时，避雷针应当距离摄像机3-4米；当条件不允许时，避雷针可以安装在摄像机的支撑杆上。为了防止雷击经过避雷针发生电磁感应，应当对摄像机上的信号线和电源线等进行金属屏蔽。同时为了防止雷电产生的强电磁波对前端设备产生影响，应当在前端设备的每条线路上安装相应的避雷器。高速公路监控系统前端设备的信号线传输距离比较长，容易受到雷电的干扰而导致设备发生损坏，因此需要将雷电产生的电流快速地导地，信号过电压保护器应当能够快速地响应，还要保证信号传输等参数满足使用的要求。
5.2信号传输线路防雷措施
为了防止雷电流从通信线路侵入设备中，对设备端口及传输数据造成影响，需要在通信线路端口出线端加装信号浪涌保护器。目前常用的信号浪涌保护器有保护视频的 BNC 接口信号浪涌保护器、保护以太网数据的RJ45接口信号浪涌保护器以及保护控制线路的串行口信号浪涌保护器。信号浪涌保护器的选择相对比较简单，但值得注意的是信号浪涌保护器在保护线路不受电磁脉冲干扰的同时，不得影响通信线路本身的通信质量，其对线路信号的损耗应尽量低。监控以太网交换机至通信接入网接口前加装RJ45接口信号浪涌保护器。
5.3终端设备的防雷措施
监控系统作为一个完整的系统，不仅需要信号的采集、传输，还需要实现对信号的监控和管理等，因此终端设备的防雷也十分重要。需要从多个方面进行着手，全面地做好终端设备的防雷措施。监控平台一般位于室内，因此建筑物本身应当安装防雷针等防雷设备，防止直击雷的干扰和破坏。监控室中具有大量的信号传输线路，负责信号的传输和传递等，其管线应当进行接地处理。架空电缆输入时，应当在入户处安装避雷设备，并且将电缆的保护层进行接地。监控房间应当设计一等电位连接母线，等电位母线应当与设备保护接地、建筑物防雷接地等连接到一起，防止出现电位差对设备产生影响。电涌保护器接地线应当采取最短距离和等电位连接母线连接在一起。接地对于及时导流雷击电流具有重要的意义，是防雷措施中的重要内容，当接地电阻越小时，其过电压也就越小。对于监控设备来说，应当安装专门的接地设备，同时降低地接地电阻。
6、结语
高速公路作为重要的基础设施，监控系统对于高速公路管理具有重要的意义。对于高速公路防雷远程监控系统来说，虽然现在存在一些技术、规范方面的制约因素，市场上推出相应产品的企业厂家很少，但从长远来看，借助物联网发展的趋势，必将克服技术难题，完善系统应用，应当采取有效的防雷措施，对监控设备进行保护。在防雷过程中应当结合监控系统的特点，采取针对性的防雷技术，降低雷击的危害，使监控系统能够安全有效运行。
论文作者:苏少勇
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/8
标签：防雷论文; 监控系统论文; 高速公路论文; 设备论文; 信号论文; 过电压论文; 防雷器论文; 《基层建设》2016年11期论文;