基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路交叉口研究

張 勇

陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì)研究生隊(duì)，天津 300161

物聯(lián)網(wǎng)（Internet Of Things,IOT）是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交互和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)的是物與物、物與人、人與人的全面互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。本文所用的感知層技術(shù)為RFID系統(tǒng)，主要是對(duì)車流量的信息采集、車輛監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)層主要是通過有線電纜和一些路由設(shè)備將系統(tǒng)采集到的信息準(zhǔn)確無誤地傳至區(qū)域數(shù)據(jù)中心；應(yīng)用層主要是對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理、挖掘和存儲(chǔ)等，可以開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序供道路參與者使用，實(shí)現(xiàn)智能化。

本文主要研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路交叉口，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能感知、物物相聯(lián)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)一天內(nèi)交叉口的交通特性，采取靈活有效的控制，采用交叉口自適應(yīng)控制、交通感應(yīng)、行人請(qǐng)求和路網(wǎng)區(qū)域協(xié)調(diào)控制相結(jié)合的策略，追求交叉口平時(shí)通行能力最大，高峰時(shí)段擁擠度最小，真正實(shí)現(xiàn)道路交叉口的智能控制。

1 道路交叉路口運(yùn)行現(xiàn)狀

近幾年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)基礎(chǔ)的不斷發(fā)展壯大，人民生活水平有了顯著提高，出行更加方便，小汽車的保有量呈逐年遞增態(tài)勢(shì)。道路交通量急劇增加，許多交叉口由于設(shè)計(jì)不合理、交通設(shè)施不齊全、渠化不合理、組織不嚴(yán)密，交叉口內(nèi)部交通流混亂，無法滿足車輛的正常通行，交叉口擁擠現(xiàn)象嚴(yán)重，高峰時(shí)期極易發(fā)生堵車，浪費(fèi)出行者的時(shí)間。并且交叉口位于各條路段的連接處，交叉口一旦發(fā)生擁堵，會(huì)形成連鎖反應(yīng)，影響道路交通，更為嚴(yán)重的是影響局部交通網(wǎng)，導(dǎo)致路網(wǎng)癱瘓。目前已有交通部門對(duì)本地的交叉口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且取得了良好的效果，在一定程度上緩解了路口的交通壓力，降低了交叉口的內(nèi)部沖突，提高了交叉口的通行能力。當(dāng)前，很多交叉口設(shè)計(jì)不合理，交通相關(guān)部門對(duì)此重視程度不夠，交通設(shè)施不完善，交叉口的實(shí)際通行能力并不能滿足現(xiàn)有交通量。因此，對(duì)交叉口進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查并且提出相關(guān)優(yōu)化建議，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

道路交叉口運(yùn)行情況主要是通過攝像頭監(jiān)控、圖像分析以及視頻記錄監(jiān)測(cè)路口的狀況，對(duì)交叉口進(jìn)行管理。但這種方式無法做到自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能得到通過該路口車輛的詳細(xì)信息，并且交叉口視頻監(jiān)控系統(tǒng)容易受到天氣氣候的影響，在惡劣環(huán)境下系統(tǒng)不能很好地工作。目前道路交叉口信號(hào)燈都采用固定的信號(hào)燈配時(shí)，有些時(shí)段有些交叉口的一個(gè)方向車流量特別大，排隊(duì)現(xiàn)象嚴(yán)重，而另一方向車流量少，這種固定式的信號(hào)燈配時(shí)很難適應(yīng)一天內(nèi)不同方向車流量的不同需求，難以發(fā)揮道路交叉口最大通行能力，造成資源的極大浪費(fèi)。

2 道路交叉口系統(tǒng)組成

2.1 車輛信息采集系統(tǒng)

車輛信息采集系統(tǒng)采用遠(yuǎn)距離無線射頻識(shí)別技術(shù)，即RFID系統(tǒng)。基于RFID技術(shù)的道路交叉口系統(tǒng)由射頻識(shí)別部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和控制三部分組成。其中，射頻識(shí)別部分由車載標(biāo)簽、閱讀器和天線組成；數(shù)據(jù)傳輸部分主要包括路由設(shè)備和電纜；控制部分由數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)終端和服務(wù)器組成。

車輛信息采集系統(tǒng)選型主要是通過RFID遠(yuǎn)距離識(shí)別系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要包括車載標(biāo)簽、閱讀器和天線。車載標(biāo)簽，綜合考慮電子標(biāo)簽的能量供應(yīng)方式、讀寫技術(shù)、頻率、內(nèi)存容量、標(biāo)簽外形、識(shí)別距離等技術(shù)參數(shù)，結(jié)合我國(guó)道路交叉口環(huán)境條件，采用抗金屬無源電子標(biāo)簽，并將該電子標(biāo)簽嵌入到車輛號(hào)牌上，車載標(biāo)簽就相當(dāng)于該車輛的ID號(hào)。閱讀器，根據(jù)閱讀器的天線、使用頻率、閱讀器形式、輸出功率和輸出端口等技術(shù)參數(shù)，結(jié)合交叉口實(shí)際情況，本系統(tǒng)閱讀器采用遠(yuǎn)距離一體化固定式閱讀器，每個(gè)交叉口方向設(shè)置兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的閱讀器。

2.2 道路交叉口控制模型與算法

車流量統(tǒng)計(jì)。當(dāng)車載標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫器的讀寫范圍后，讀寫器可快速識(shí)別車輛信息并把車輛相關(guān)信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，根據(jù)交叉口讀寫器分布位置，可統(tǒng)計(jì)出每個(gè)交叉口右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)以及直行的車輛數(shù)，匯總后得出每個(gè)時(shí)段的車流量，并將這些數(shù)據(jù)存至數(shù)據(jù)中心?？刂浦行目梢愿鶕?jù)得到的最新車流量數(shù)據(jù)，分析交叉口擁堵情況，并通過交通廣播播報(bào)路口通行情況，告知車主選擇合適的行駛路線，避開擁堵交叉口，緩解交叉口擁堵情況，發(fā)揮城市道路交通的最大優(yōu)勢(shì)。

車輛監(jiān)控。通過RFID系統(tǒng)采集到的一些數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸傳到后臺(tái)計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和管理，從數(shù)據(jù)中獲取重要信息，通過設(shè)計(jì)一些先進(jìn)的算法，對(duì)道路交叉口的車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)數(shù)據(jù)分析和算法描述，可判斷車輛在道路交叉口的行駛方向，進(jìn)而判斷車輛是否有闖紅燈、逆行、超速、違規(guī)停車等違章行為，實(shí)現(xiàn)道路交叉口的智能化管理。根據(jù)存入到車載標(biāo)簽中的信息，若發(fā)現(xiàn)有車輛違章行為，系統(tǒng)可以立即向車主發(fā)送實(shí)時(shí)信息，提醒司機(jī)遵規(guī)守紀(jì)。根據(jù)系統(tǒng)連接的數(shù)據(jù)庫(kù)完成與交通參與者之間的信息交換，向交通參與者顯示道路交通信息，提供給車主合理的行駛路線，以實(shí)現(xiàn)均衡道路交通負(fù)荷的主動(dòng)控制策略。

2.3 優(yōu)化控制信號(hào)燈調(diào)整交通流

利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)信號(hào)燈配時(shí)方案不斷優(yōu)化。根據(jù)已采集到的交叉口各個(gè)時(shí)段的車流量，后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和挖掘，自動(dòng)生成一周內(nèi)的一天中的一個(gè)特定時(shí)段的交叉口信號(hào)燈配時(shí)方案，通過分析歷史數(shù)據(jù)，再結(jié)合時(shí)空概念，自動(dòng)對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié)合人工智能技術(shù)，利用已經(jīng)采集到的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合時(shí)間，利用機(jī)器不斷學(xué)習(xí)，使交叉口信號(hào)燈配時(shí)方案不斷優(yōu)化和調(diào)整。

利用云計(jì)算模型對(duì)區(qū)域交叉口進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。云計(jì)算具有很好的伸縮性和擴(kuò)展性、自我容錯(cuò)能力、彈性計(jì)算、快速部署和處理等特性，對(duì)智能交通系統(tǒng)的建設(shè)具有很好的指導(dǎo)作用。因此，智能交通系統(tǒng)有必要構(gòu)建自己的“云”系統(tǒng)。云計(jì)算是高效率地處理海量數(shù)據(jù)的一種計(jì)算模型，在云架構(gòu)平臺(tái)上將RFID系統(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、挖掘、存儲(chǔ)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布，實(shí)時(shí)服務(wù)于交通出行者和交通管理部門，保證城市道路高效有序運(yùn)行。搭建Hapoo云計(jì)算平臺(tái)，利用平臺(tái)進(jìn)行遺傳算法的并行化，以此自動(dòng)生成交叉口信號(hào)燈配時(shí)優(yōu)化方案。將區(qū)域內(nèi)各個(gè)交叉口采集的數(shù)據(jù)傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，后臺(tái)數(shù)據(jù)中心對(duì)一天內(nèi)各個(gè)道路交叉口的數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)處理，并利用云計(jì)算模型，對(duì)區(qū)域內(nèi)的道路交叉口實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，達(dá)到區(qū)域內(nèi)全局最優(yōu)，從而極大地利用交通資源，極大地提高道路通行能力。

3 道路交叉口系統(tǒng)需要解決的問題

3.1 RFID標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)化問題

RFID技術(shù)在交通領(lǐng)域的使用與推廣，一方面要考慮技術(shù)的先進(jìn)性和適應(yīng)性，另一方面要考慮統(tǒng)籌技術(shù)的成本和應(yīng)用推廣的可行性，從技術(shù)先進(jìn)性、適應(yīng)性、安全性和實(shí)用性等方面確定交通領(lǐng)域RFID電子標(biāo)簽的適用頻段，并制定RFID相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用指南，推動(dòng)RFID技術(shù)在交通領(lǐng)域的有序推廣。使用電子標(biāo)簽的頻段，標(biāo)準(zhǔn)研究和芯片研發(fā)，加快研發(fā)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的芯片，并在芯片的編碼方式、防沖突和碰撞機(jī)制以及指令集等部分實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。

考慮到不同頻段RFID技術(shù)工作原理的不同，為使電子標(biāo)簽被有效識(shí)別，多種標(biāo)簽?zāi)芑ゲ桓蓴_地作用于同一微波現(xiàn)場(chǎng)，因此必須開展異頻異構(gòu)RFID一體化接入技術(shù)的研究，研制RFID通用讀取設(shè)備。

考慮到現(xiàn)在我國(guó)車型眾多，不同的車型技術(shù)性能參數(shù)不同，因此必須統(tǒng)一RFID電子標(biāo)簽在不同車型上的安裝位置和方法，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)設(shè)備的的快速安裝、自動(dòng)檢測(cè)和修復(fù)，保證裝有RFID電子標(biāo)簽的每輛車能夠被快速識(shí)別。

為使RFID技術(shù)在智能交通領(lǐng)域更好地推廣，國(guó)家和地方應(yīng)該盡快出臺(tái)配套的法規(guī)制度，強(qiáng)制每輛車使用電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽大規(guī)模應(yīng)用推廣，并在車檢、執(zhí)法、保險(xiǎn)等方面加強(qiáng)電子標(biāo)簽的執(zhí)法監(jiān)督。

3.2 RFID信息安全

由于RFID技術(shù)是一種采用射頻信號(hào)在空間耦合方式下進(jìn)行非接觸式的信息交互技術(shù)，系統(tǒng)通信容易被監(jiān)聽，加密能力弱，其標(biāo)簽內(nèi)用戶信息容易被識(shí)別和非法跟蹤，因此必須研究數(shù)據(jù)認(rèn)證和加密技術(shù)，以保護(hù)用戶權(quán)限和系統(tǒng)安全。RFID大部分應(yīng)用僅限于身份識(shí)別層次，尚未形成“感知、互聯(lián)、處理”特征的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信號(hào)燈配時(shí)研究，最基礎(chǔ)的問題是對(duì)車流量數(shù)據(jù)的采集，利用RFID遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)不僅可以采集到一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且對(duì)構(gòu)成智能交通的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有很大的推動(dòng)作用。真正實(shí)現(xiàn)智能交通，需要人、車、路、設(shè)備的協(xié)同，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)智能感知，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能交通有很大的意義和幫助。

3.3 信號(hào)燈配時(shí)

本文信號(hào)燈配時(shí)采用大數(shù)據(jù)分析、處理、挖掘自動(dòng)生成信號(hào)燈配時(shí)方案，利用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)信號(hào)燈配時(shí)方案不斷調(diào)整優(yōu)化，并結(jié)合云計(jì)算模型對(duì)區(qū)域內(nèi)的道路交叉口信號(hào)燈配時(shí)做出調(diào)整，使之聯(lián)動(dòng)處理，達(dá)到區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)一致，整體聯(lián)動(dòng)，充分發(fā)揮道路通行能力。但是由于道路交叉口復(fù)雜因素眾多，對(duì)信號(hào)燈配時(shí)不僅要考慮車流量，而且要結(jié)合道路交叉口區(qū)劃特性以及行人過街等心理因素，而本文在這一方面研究少，僅是從車流量角度對(duì)信號(hào)燈配時(shí)做出研究，構(gòu)建一定的模型，下一步，結(jié)合影響道路交叉口的各種因素做出具體分析，并進(jìn)行量化處理，使之更符合實(shí)際情況。

4 結(jié)語

本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路交叉口系統(tǒng)做了簡(jiǎn)單的研究，若將此項(xiàng)技術(shù)成功運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)情況，還需對(duì)該系統(tǒng)不斷調(diào)整優(yōu)化，例如，找出車輛在交叉口闖紅燈、逆行、超速等違規(guī)行為的算法、云平臺(tái)的構(gòu)建等，還需要解決一系列的問題。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID遠(yuǎn)距離識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于高速公路不停車收費(fèi)（ETC）系統(tǒng)、停車場(chǎng)、車輛檢測(cè)等交通領(lǐng)域，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于道路交叉口信號(hào)燈配時(shí)方面，將這些領(lǐng)域無縫整合為統(tǒng)一的管理信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車輛、行人、道路的協(xié)同發(fā)展，提高道路交叉口通行能力，緩解城市擁堵問題。構(gòu)建智能交通云，達(dá)到資源優(yōu)化共享，實(shí)時(shí)向交通參與者發(fā)布一些交通路況信息，并將區(qū)域內(nèi)的交通資源整合，基于智能交通云開發(fā)關(guān)于交通領(lǐng)域的應(yīng)用軟件，如城市停車、道路路況等信息，從而真正實(shí)現(xiàn)智能交通。