基于WSN的高速公路智能化監(jiān)控系統(tǒng)的探析

彭興剛

PENG Xing-gang

（重慶市華馳交通科技有限公司）

(Chongqing Huachi Transportation Technology Co., Ltd.)

1　引言

近些年以來,隨著我國汽車人均占有量的直線飆升，交通事故也呈現(xiàn)出頻率更高的發(fā)生概率,造成了許多人員傷亡以及重大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失,成為人們普遍關(guān)注的問題。尤其對于高速公路，因為車速更快，車流量更大，車載重更多，發(fā)生的事故也會更加觸目驚心，如何加強管理，降低事故的發(fā)生率和嚴(yán)重程度，這是交管部門必須要認(rèn)真研究的內(nèi)容，而智能化監(jiān)控系統(tǒng)對于這些問題最終的解決有著非常重要的影響。

2　高速公路智能化監(jiān)控系統(tǒng)研究的必要性

2.1　研究背景

從交通部門公布的數(shù)據(jù)相關(guān)結(jié)果顯示，2017年我國新增高速公路5000km以上，總里程突破13萬km，預(yù)計到2018年，我國高速公路總里程可以達(dá)到14萬km，要遠(yuǎn)超美國。由于高速公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，也不可避免會帶來一些負(fù)面的影響，比如交通事故的問題。

為進(jìn)一步提升高速交通的安全可靠性,國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)發(fā)研究者們先后提出一些用于高速公路交通的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路。一般來說，這樣的一套系統(tǒng)必須具備如下的幾個功能：一是可實時采集高速公路上的車輛流量，車輛超速情況，以及實際路面的可見度等多種與交通有關(guān)的數(shù)據(jù)信息；二是根據(jù)現(xiàn)場采集到的信息自動向適宜對象通報發(fā)出必要的安全警示，實際出行路況參考，以及事故發(fā)生后的及時救援等內(nèi)容；三是其他一些輔助決策功能，比如車流量及天氣情況參考信息。目前在用的交通實時監(jiān)控信息系統(tǒng)幾乎都是采用了雷達(dá)波以及電磁感應(yīng)線圈的檢測方式，通過進(jìn)一步的圖像技術(shù)處理以及計算機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等,對交通進(jìn)行抽檢式的信息排查和檢測。受設(shè)備性能影響，能見度低時，監(jiān)控系統(tǒng)的視頻設(shè)備根本不能發(fā)揮作用。同時,因為成本太高的限制,通常只設(shè)置在重要的路口以及路段, 監(jiān)控范圍有限，根本不能得到整體實時信息,難以有效降低車輛刮碰、追尾等常見交通的事故率。

2.2　基于WSN的高速公路智能化監(jiān)控系統(tǒng)

所謂WSN，就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的英文縮寫?；赪SN的高速公路智能化監(jiān)控系統(tǒng)是一種非常有效的全程全時監(jiān)控系統(tǒng)，這是一種采用分布式架構(gòu)的傳感互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它的終端是能夠感知并監(jiān)測外部環(huán)境變化的傳感器。這些傳感器都借助無線通信的方式，將信息傳遞給接收終端，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置非常靈活方便，并且，這些接收和發(fā)送設(shè)備的位置能夠隨時進(jìn)行更改，并實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的有線以及無線通信方式的物理連接，借助無線通信的模式構(gòu)建成為多跳變的自組織模式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

WSN的發(fā)展得益于片上操作系統(tǒng)、微機電控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)通信以及嵌入式低功耗半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和成熟。WSN被系統(tǒng)開發(fā)并充分用于多個實用領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，用于智能交通系統(tǒng)的WSN 具有如下幾個比較顯著的優(yōu)點:

①實現(xiàn)了車輛之間信息的實時準(zhǔn)確互通, 有助于高速公路上的駕駛車輛人員可以獲知更大區(qū)域范圍的實時路況信息,對可能出現(xiàn)的某些緊急情況可以提前做一些準(zhǔn)備。

②系統(tǒng)節(jié)點裝置傳感器的價錢比較低廉，造型也很簡單,適合滿足鋪設(shè)的大量需求。

③可完成整體高速公路的全路段、全時段沒有中斷的交通路況的監(jiān)控, 隨時都可以反饋比較重要的實時信息, 可以提升后臺進(jìn)行處理決策的速度。

④系統(tǒng)通過多傳感器一起配合進(jìn)行檢測的模式,能夠有效改善路況檢測的實時準(zhǔn)確率以及細(xì)節(jié)的可靠性。

⑤系統(tǒng)通過無線電波進(jìn)行數(shù)字化信息的同步傳送, 可以完全不受時間以及天氣等環(huán)境條件的限制。

3　基于WSN的高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

把這些傳感器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照一定的規(guī)則依次部署在運營的高速公路路面兩側(cè), 能夠完成對事故的定位，可見度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，車行安全預(yù)警，發(fā)布即時的交通路況信息，高速公路區(qū)域環(huán)境發(fā)生污染情況的檢測，對超速以及違章車輛的監(jiān)測，各路段車行流量的具體統(tǒng)計內(nèi)容，以及不停車進(jìn)行感應(yīng)電子收費等一系列功能。

3.1　基于WSN的高速公路智能化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

為實現(xiàn)前述的設(shè)計目標(biāo)，必須充分考慮高速公路監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成。為此，從其結(jié)構(gòu)上分析，一般會由三個主要的部分組成：一是控制管理中心，二是傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，三是信息發(fā)布系統(tǒng)。

整個智能化監(jiān)控系統(tǒng)保持分層的設(shè)計理念，最主要最核心的部分就是傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部分，其主要是負(fù)責(zé)對高速公路實時信息的現(xiàn)場采集，即時處理，并接收和執(zhí)行監(jiān)控中心發(fā)送過來的指令等內(nèi)容。進(jìn)一步細(xì)分，傳感器網(wǎng)絡(luò)還包括三個主要的部分，這三個部分分別是Sork 節(jié)點裝置、路邊節(jié)點裝置、車載移動節(jié)點裝置。

1）Sork 網(wǎng)關(guān)節(jié)點裝置

通常會采用有源方式供電，其存儲單元空間很大，且計算的能力也很強，特點比較特出，具體完成的功能主要包括獲取車載節(jié)點裝置以及路邊節(jié)點裝置的數(shù)據(jù)和信息,通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)融合，之后發(fā)送給監(jiān)控中心。同時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點裝置還要負(fù)責(zé)管理局域網(wǎng)關(guān)內(nèi)實際控制區(qū)域的所有路邊節(jié)點裝置，并實時接收來自監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)和控制信息以及指令等內(nèi)容。

2）路邊節(jié)點裝置

路邊節(jié)點裝置會采取利用電池進(jìn)行供電的方式, 路邊節(jié)點裝置的工作強度比較大,相對而言其存儲以及處理的能力會比較差一些。路邊節(jié)點裝置要實現(xiàn)的功能主要包括對路面的具體情況（溫濕度、能見度、車流量等）實施定時的數(shù)據(jù)采集；并要配合并協(xié)同臨近的路邊節(jié)點裝置對車距、車速等進(jìn)行測量, 再經(jīng)由進(jìn)一步的數(shù)據(jù)融合集中處理之后，以多跳轉(zhuǎn)的工作模式將信息傳送給對應(yīng)的Sork節(jié)點裝置，同時，還要接收和執(zhí)行Sork節(jié)點裝置發(fā)來的預(yù)警等任務(wù)信息。

3）車載節(jié)點裝置

車載節(jié)點裝置安裝在車輛上，其內(nèi)部會集成該車輛全部的身份信息，主要包括車輛類型、車牌號、車主等的必要數(shù)據(jù)內(nèi)容。車載節(jié)點裝置的實際功能是在車輛進(jìn)入高速公路之后, 需要周期性發(fā)布自己的固化信息；并接收各個節(jié)點裝置的所有安全預(yù)警和必要的信息內(nèi)容。車載節(jié)點裝置的供電利用有源的方式, 對于信息的處理和存儲，相對而言，其能力比較強大。

3.2　基于WSN智能監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程

1）定時的信息采集以及發(fā)布

在整個智能監(jiān)控系統(tǒng)中，路邊節(jié)點裝置會依照軟件程序中已經(jīng)提前設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值在某些固定的時間或時間段對高速公路上的路況情況，包括溫度、濕度以及車流量等數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行采集, 并通過初步的處理之后，這些數(shù)據(jù)會被直接跳送到Sork節(jié)點裝置。按照收集的各種來源數(shù)據(jù)內(nèi)容, Sork節(jié)點裝置會進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，并計算出各路段道路的車流量以及能見度等信息。這些信息會被傳送給網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)控中心, 并同時更新高速公路路旁樹立的LCD 顯示屏幕。高速公路駕駛車輛人員可以依照LCD 上面顯示的路況信息, 可以對公路前方發(fā)生的事情提前預(yù)知, 并據(jù)此做出必要的調(diào)整, 因而在一定程度上可以減少交通事故率。

2）車速、車距等信息測量

當(dāng)車輛進(jìn)入高速公路, 智能化監(jiān)控系統(tǒng)的車載節(jié)點裝置將會定時發(fā)布自身的固定和行車信息。而路邊節(jié)點裝置的傳感器會接收到車載節(jié)點裝置發(fā)布的信息，并馬上進(jìn)入正常工作模式, 進(jìn)行測量自身方向的車行速度以及車距等重要信息。與此同時，及時發(fā)送喚醒消息，使得相鄰的各傳感器節(jié)點裝置陸續(xù)進(jìn)入工作模式。信息通過初步的處理后，這些檢測信息數(shù)據(jù)會經(jīng)過多步跳轉(zhuǎn)傳送給Sork節(jié)點裝置, 而通過Sork節(jié)點裝置將多傳感器傳遞來的信息進(jìn)行全面的融合處理, 進(jìn)而計算出車輛的運行速度以及具體的位置等信息內(nèi)容。

3.3　高速公路智能化監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)難點

1）路邊節(jié)點裝置的能耗問題

對于高速公路而言，車流量都比較大,路邊節(jié)點裝置因此要持續(xù)在工作和待機模式間高頻切換, 對進(jìn)入測量監(jiān)控范圍的車輛，準(zhǔn)確測量其速度以及車間距等信息數(shù)據(jù), 并將這些測量的實時數(shù)據(jù)經(jīng)過多步跳轉(zhuǎn)并傳送到Sork節(jié)點裝置。而且，還要完成了固定時間及時間間隔地對溫濕度和車流量信息進(jìn)行采集，所以路邊節(jié)點裝置的能量會消耗得比較快。并且, 對比另兩類的節(jié)點裝置耗電情況, 路邊節(jié)點裝置依靠電池供電，其能量的補充會很難，電池更新也不容易。

2）對車輛移動的跟蹤

從理論上來說, 路邊節(jié)點裝置會借助車載節(jié)點裝置發(fā)布的數(shù)據(jù)信息以確定車輛是否屬于自己的測定區(qū)域，并監(jiān)測接收的數(shù)據(jù)信號的實際強度進(jìn)行計算，算出車輛距離節(jié)點裝置的遠(yuǎn)近。在進(jìn)行車輛的速度監(jiān)測時，路邊節(jié)點裝置會借助雷達(dá)波傳感設(shè)備以計算目標(biāo)車輛處于該節(jié)點裝置范圍的速度。在高速公路具體的工作環(huán)境里, 因為路邊節(jié)點傳感裝置可供應(yīng)的電量并不寬裕，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理計算能力相對還很弱, 以及通信的實際距離也比較小等,對特別快速的運動車輛的實時跟蹤也是整個系統(tǒng)功能全部實現(xiàn)所要重點解決的難點和重點問題。實際的解決辦法可以通過卡爾曼估算以及貝葉斯濾波等數(shù)學(xué)方法對車速和車輛位置等進(jìn)行估算，但實際的算法也會消耗大量電能, 可考慮模糊算法的優(yōu)化策略, 盡量減小算法的復(fù)雜程度, 降低運算耗能水平。

4　結(jié)束語

綜上所述，基于WSN的高速公路智能化監(jiān)控系統(tǒng)對于改善高速公路的正常運行，降低事故率有著巨大的促進(jìn)作用。雖然目前該系統(tǒng)還存在一些制約發(fā)展和推廣的因素，比如能耗和系統(tǒng)計算速度等一些實際問題，但只要逐步解決了這些難題，沿著這條道路發(fā)展下去，就一定會取得預(yù)期的建設(shè)目標(biāo)。

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