無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在交通流量管理中的應(yīng)用

康曉麗（山西省自動化研究所，山西 太原 030012）

由于近年來大城市人口密度大、新車增長速度過快、施工項目多、市民的交通觀念差等原因，交通擁擠情況十分嚴重，已經(jīng)嚴重影響到人們的日常生活。交通路況的好壞與人們的日常生活息息相關(guān)，因此實時掌握全市各路段的車流量，建立全面的交通流量管理系統(tǒng)，從而合理建設(shè)、規(guī)劃交通，從根本上解決、緩解交通擁擠問題已成為交通管理部門的重要目標(biāo)之一。本文講述了無線射頻識別即RFID（Radio Frequency Identification）傳感技術(shù)在交通流量實時監(jiān)測系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。

1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹

射頻識別技術(shù)即RFID（Radio Frequency Identification），又稱為電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并且讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸，也是一種非接觸的自動識別技術(shù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。 是目前發(fā)展最為迅速，潛力最大的新興無線技術(shù)之一。

2 基于RFID（Radio Frequency Identification）傳感技術(shù)的道路交通狀監(jiān)視系統(tǒng)

通過將RFID系統(tǒng)劃分為3層，實現(xiàn)可靠、通用、易擴展的道路交通狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)建平臺。第一層，也是最底層為Device層，即RFID傳感器硬件部分，包括讀寫裝置、物理設(shè)備（TCP/IP、串口（USB、RS-232C）等）；第二層為中間件層，即RFID傳感器控制服務(wù)器端，通過Event控制/管理(包括數(shù)據(jù)過濾和Event通知)和設(shè)備管理（包括設(shè)備登陸/管理和數(shù)據(jù)收集）實現(xiàn)Log收集分析的集約訪問階層管理；第三層為Application層，是上層應(yīng)用系統(tǒng)，通過采用.NET API庫（只支持Windows）、應(yīng)用WebService、DB實現(xiàn)流量實時監(jiān)控、實時交通管制、交通規(guī)劃系統(tǒng)等功能。

2.1 RFID車輛感應(yīng)標(biāo)簽系統(tǒng)

（1）車輛感應(yīng)標(biāo)簽構(gòu)造原理

如圖1所示，一個車感標(biāo)簽可以分為無線通信、傳感器、時鐘、CPU內(nèi)存、電池等幾個部分。其中無線通信模塊保證了車輛感應(yīng)標(biāo)簽與信號接收器之間的通信，通信距離根據(jù)天線型號的不同，有80米、300米和200米三種，通信方式采用低功耗技術(shù)，每枚電池保證不間斷通信5年時間，通信速度高達2Mbps；傳感器模塊可以記憶當(dāng)前地球磁場屬性，并且感應(yīng)到當(dāng)車輛通過時磁場的微弱變化；時鐘模塊高精準(zhǔn)的記錄當(dāng)前時鐘，時鐘可以通過信號接收器讀取/設(shè)置，時鐘模塊的計時晶震，提供給CPU(數(shù)據(jù)處理器)計算車速所必須的時間變化量；CPU和內(nèi)存模塊提供了流量計算邏輯，通過傳感器模塊收集的磁場數(shù)據(jù)，CPU可以用預(yù)先編制的計算邏輯計算車輛長度、大小、速度等信息。內(nèi)存模塊提供的儲存空間提供了在不能同步數(shù)據(jù)時（信號接收天線損壞等）暫時儲存車流量數(shù)據(jù)的可能；電池模塊提供的長久的電力供應(yīng)，配合整體的低功耗技術(shù)，持續(xù)工作時間可以長達6年。整體工作溫度-30℃～70℃。

（2）車輛感應(yīng)標(biāo)簽工作原理

當(dāng)汽車接近時，通過傳感器探測到經(jīng)過車輛的信息，并將該信息傳回到CPU內(nèi)存模塊，該模塊將參照時鐘模塊把數(shù)據(jù)傳遞到通信模塊同時存儲車流信息，通信模塊向外發(fā)送接收到的信息，電池模塊保證了傳感探測器10年的持續(xù)供電。

（3）車輛感應(yīng)標(biāo)簽的樣式

TYPE1：

圖1 車輛感應(yīng)標(biāo)簽構(gòu)造原理圖

在路面鉆小洞，植入標(biāo)簽即可。

TYPE2：

圖2 車輛感應(yīng)標(biāo)簽樣式示意圖

放在路面以膨脹螺釘固定(同路面反光導(dǎo)向標(biāo)志)

2.2 數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送

方式1：手持式讀寫器

CF卡式讀寫器可用于移動終端的數(shù)據(jù)采集，道路觀測人員可以在觀測路段手持讀寫器，在20M的讀取半徑上對車流量進行數(shù)據(jù)采集，然后向服務(wù)器傳送讀取到的數(shù)據(jù)流量。

方式2：固定式讀寫器

固定式讀寫器固定在觀測路邊的某個位置，可以在80M～200M的讀取半徑上對車流量讀取數(shù)據(jù)，通過無線互聯(lián)網(wǎng)向服務(wù)器傳送讀取到的流量數(shù)據(jù)。低功耗技術(shù)可在黑暗環(huán)境下工作1周。

其中接收裝置和數(shù)據(jù)中心的連接方式分為三種：分別為GPRS(無線)、光纜等網(wǎng)絡(luò)、485網(wǎng)絡(luò)等三種方式傳送到數(shù)據(jù)處理中心。在傳輸過程中采用以下技術(shù)保證數(shù)據(jù)的及時傳輸和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

（1）中繼原理，多個接收器可以自行組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，可以中繼周邊接收器所接收到的信號。無線網(wǎng)絡(luò)中只要有一臺接收器接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其他的讀取器都可以通過這個節(jié)點向數(shù)據(jù)處理中心上傳數(shù)據(jù)。

（2）天線先發(fā)言方式（ATF方式）

時常狀態(tài)下，標(biāo)簽不發(fā)出任何無線電信號，并處于待機狀態(tài)，以保證低能耗以及信道的暢通。需要讀取信息時，先由天線發(fā)出廣播信號，要求讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽返回自己的唯一ID識別編號。處于待機狀態(tài)的標(biāo)簽在接收到天線的廣播信號后，發(fā)射瞬時信號，告知自己的ID識別編號。天線接收到所有的ID編號后，自動安排訪問順序，并發(fā)射信號要求指定標(biāo)簽(Tag1)建立數(shù)據(jù)連接。當(dāng)天線和Tag1的通信結(jié)束后，天線依照先前安排的次序，要求Tag2建立數(shù)據(jù)連接，并同步數(shù)據(jù)。每次連接都會同步標(biāo)簽時鐘。

（3）多天線對多標(biāo)簽的分時控制機制

在多天線和多標(biāo)簽的環(huán)境下，使用天線群的分時讀取控制機制，解決沖撞問題。在同一時刻，只有一個天線工作，以保證信道的通暢。天線集群中的天線依次被激活，一個讀取周期結(jié)束后，可以保證讀取所有溫度信息。

2.3 友好便捷的管理界面系統(tǒng)

提供友好的管理界面系統(tǒng)，使得設(shè)備管理方便簡單。系統(tǒng)收集從設(shè)備層到應(yīng)用層的各種Log。Log自動管理、分析、檢索、過濾等功能。迅速排查故障，對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視。系統(tǒng)定期刪除Log、自動壓縮Log、按日期/按大小分配Log文件，能夠節(jié)省系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，管理工作更加輕松。

3 本技術(shù)的優(yōu)勢分析

3.1 無線傳感技術(shù)的優(yōu)勢

（1）施工方便

傳統(tǒng)的方法需在地面開槽、安放地感線圈，非常不方便。采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無需地面配線、快速施工安裝RFID車輛感應(yīng)標(biāo)簽。路面施工極其方便，不需要挖開路面，不需要布線，不需要電源，只需鉆小孔植入即可。每個探測傳感器設(shè)備的鋪設(shè)只需幾分鐘就可以完成而且不受使用現(xiàn)場環(huán)境的影響。

（2）外觀精巧，維護簡單

小巧美觀，幾乎不需要平時的維護。不影響道路其他設(shè)施的施工。經(jīng)久耐用，內(nèi)置電池可以使用5～8年時間。

（3）全天候把握交通流量

設(shè)備不受天氣等情況的影響，24小時不間斷統(tǒng)計車輛信息。不受施工環(huán)境的限制，不需電源供應(yīng)，通過GPRS傳送數(shù)據(jù)，不需任何布線。-45℃～85℃的工作溫度，在惡劣環(huán)境下也可使用。

（4）多維的數(shù)據(jù)收集為實施監(jiān)控提供依據(jù)

可以同時獲?。很囁?，車輛長度，單位時間車流量等數(shù)據(jù)，并實時上傳，為上位程序提供最及時有效的數(shù)據(jù)。

（5）最小化的網(wǎng)絡(luò)負荷

所有車流量信息已在標(biāo)簽端計算完成，上傳的是具體數(shù)值，對網(wǎng)絡(luò)負荷極小，即使是GPRS也可輕松搞定數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。

3.2 使用RFID集約訪問中間件的優(yōu)勢

（1）快速部署

使用RFID集約訪問中間件可以實現(xiàn)快速的部署設(shè)置，通過簡單調(diào)試就可以和上層應(yīng)用程序完美結(jié)合，規(guī)避開發(fā)接口的風(fēng)險。

（2）集約的硬件管理

集約化的硬件管理。及時發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，防止天線間的互相干擾。

（3）高效的數(shù)據(jù)讀取

中間件可以優(yōu)化讀取，傳送數(shù)據(jù)的能力，過濾不必要的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)傳送最優(yōu)化，提高設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的整體處理能力。

（4）支持設(shè)備投入和維護的工作

可視化的操作界面，使設(shè)備初始化和維護工作簡單高效。

4 結(jié)語

通過以上論述，本系統(tǒng)實時的流量收集，結(jié)合信號燈控制系統(tǒng)，為動態(tài)交通流量調(diào)節(jié)提供了可能性。交通路口系統(tǒng)通過建立覆蓋城市主要干道及路口的傳感器網(wǎng)絡(luò)，配備相應(yīng)的設(shè)備和軟件，可將交通路口車輛運行狀況實時傳送到調(diào)度中心，對道路車輛運行狀況進行監(jiān)控。同時，公安交通管理部門可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況對道路車流量進行控制，將車輛安排到暢通的路段減少阻塞，保證道路交通暢通，實現(xiàn)城市交通管理的智能化。

[1]Klaus Finkenzeller(德國). 射頻識別技術(shù)(第3版)[M]. 電子工業(yè)出版社,2006, 10.

[2]王愛英. 智能卡技術(shù)(第三版)——IC卡與RFID標(biāo)簽[M]. 清華大學(xué)出版社,2009, 11.

[3]劉勃. 交通流量的視頻檢測方法研究[M]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2008, 1.

[4]吳兵, 李曄. 交通管理與控制人民[Z]. 交通出版社, 2010, 1.