基于WSN的公交車(chē)輛信息采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)方法

葉紹楓

（南京智慧交通信息有限公司，南京 210009）

1 引言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，也稱(chēng)WSN，它是通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是由監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)所組成，具有信息采集和傳輸兩大功能。文中通過(guò)建立WSN公交信息采集和傳輸模型，對(duì)WSN的公交信息采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 公交實(shí)時(shí)信息采集

城市公共交通是一種隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)，它可以根據(jù)客流量、實(shí)際路況和天氣變化而不斷發(fā)生變化，因此對(duì)于信息反饋的要求是十分高的，如果信息不能及時(shí)的反饋或是反饋的信息無(wú)效，就會(huì)使得調(diào)度員無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的調(diào)度和指揮工作，有效的管理需要基于強(qiáng)大的信息平臺(tái)，公交實(shí)時(shí)信息必須要使用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)來(lái)進(jìn)行采集，而對(duì)于非實(shí)時(shí)性信息，則可以通過(guò)后期的整理，人工錄入即可[1]。

2.1 客流數(shù)據(jù)采集技術(shù)

目前常用的一種客戶(hù)量統(tǒng)計(jì)手段是公交IC卡，公交卡的使用較為方便，對(duì)于乘客上下車(chē)時(shí)間和站點(diǎn)問(wèn)題，則是需要將IC卡的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，才可以獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，可以獲得客流量對(duì)時(shí)間變化的情況，也可以獲得公交滿(mǎn)載率、平均運(yùn)距等一系列的數(shù)據(jù)指標(biāo)。

APC是乘客自動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的使用可以自動(dòng)收集乘客的上下車(chē)時(shí)間及地點(diǎn)，它是將自動(dòng)定位技術(shù)應(yīng)用在車(chē)輛上，有效地對(duì)車(chē)輛進(jìn)行定位，能夠?qū)崟r(shí)傳遞客流信息，通過(guò)這一系統(tǒng)的使用，可以獲得更多的數(shù)據(jù)，它也是智能公交系統(tǒng)發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)，但是此系統(tǒng)不可單獨(dú)使用，需要其他系統(tǒng)的配合，由于其成本較高，不常應(yīng)用在實(shí)踐中。

智能公交IC卡在我國(guó)的應(yīng)用較為廣泛，但是其也存在一定的缺陷，它不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集的功能，如果想要獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還需要借助先進(jìn)的技術(shù)手段，如無(wú)線信息傳輸技術(shù)。

2.2 車(chē)輛自動(dòng)定位技術(shù)

一般車(chē)輛的位置、速度等信息都是可以通過(guò)定位技術(shù)來(lái)獲取的，可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)將電子線路進(jìn)行標(biāo)識(shí)，公交車(chē)將設(shè)備之間進(jìn)行信息轉(zhuǎn)化即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。信息轉(zhuǎn)換的方式有兩種，一種是將自身的信號(hào)發(fā)送到該車(chē)輛，車(chē)輛通過(guò)計(jì)算，向管理中心發(fā)送信息，另一種是利用車(chē)輛本身的專(zhuān)用新簽，當(dāng)他們通過(guò)信標(biāo)時(shí)，車(chē)輛可以將自身的信標(biāo)發(fā)送過(guò)路邊信標(biāo)，由信標(biāo)向管理中心發(fā)送信息。這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)已發(fā)展的較為成熟，但是由于其設(shè)備相對(duì)固定，會(huì)耗費(fèi)大量的安裝和維護(hù)成本[2]。

通常我們接觸較多的車(chē)輛定位技術(shù)應(yīng)該是GPS技術(shù)，這也是最常用的技術(shù)。一般車(chē)輛裝有的GPS，只需要讀取三顆及以上的衛(wèi)星就可進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送，從而得出車(chē)輛所在的位置，然后將其信息傳至調(diào)度中心，由調(diào)度中心做進(jìn)一步的處理工作。目前我國(guó)城市公交中應(yīng)用較多的一種導(dǎo)航方式便是全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航以及地圖的匹配。但是這種方式的成本費(fèi)用較高。車(chē)輛自動(dòng)定位技術(shù)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的定位，為實(shí)時(shí)交通提供信息。在這一基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)公交車(chē)輛的連續(xù)監(jiān)測(cè)工作。

2.3 道路交通流量采集

通過(guò)對(duì)道路交通狀況的掌握，可以幫助調(diào)度方案實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，利用傳感器和攝像設(shè)備來(lái)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，掌握道路或交叉口的交通狀況，還可以利用車(chē)輛自動(dòng)定位技術(shù)對(duì)公交車(chē)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，這樣可以及時(shí)提出解決方案，避免交通擁擠現(xiàn)象。

由于公交的運(yùn)行具有一定的特殊性，這就使得信息采集工作較為困難，任何的噪音或是溫度的變化都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。因此為了使得數(shù)據(jù)信息相對(duì)準(zhǔn)確且連續(xù)，在設(shè)備的選用上需要采用穩(wěn)定性高的設(shè)備。因?yàn)樾枰杉男畔⒘枯^多，需要進(jìn)行一定的設(shè)備投資，所以說(shuō)經(jīng)濟(jì)合理也是我們需要考慮的一個(gè)方面。

上述的三種信息采集的方式均存在一定程度的缺陷，因此將WSN技術(shù)應(yīng)用于公交信息采集，并基于WSN的公交車(chē)輛信息采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能做出評(píng)價(jià)。

3 基于WSN的公交信息采集需求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如果從技術(shù)層面來(lái)考慮公交優(yōu)先的問(wèn)題，那可以將其劃分為兩個(gè)方面，一是公交專(zhuān)用道，二是交叉口公交優(yōu)先的信號(hào)控制。本文利用BSP來(lái)對(duì)其信息采集網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行研究。

3.1 公交優(yōu)先在交叉口的控制策略

基于公交信號(hào)優(yōu)先策略，我們?cè)谘芯恐锌梢苑譃椴煌那闆r，一是利用主動(dòng)式優(yōu)先，二是使用被動(dòng)式優(yōu)先，三是采用實(shí)時(shí)優(yōu)先控制。若是將WSN技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)優(yōu)點(diǎn)中，則需要保證信息在采集和傳輸過(guò)程中要具備一定的完整性和可靠性。同時(shí)，還需要注意WSN在負(fù)荷方面是否可以滿(mǎn)足要求，且要保證數(shù)據(jù)的留存，不丟失。在公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)中利用WSN網(wǎng)絡(luò)可以提供更多的數(shù)據(jù)。

3.2 WSN的公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過(guò)利用WSN技術(shù)，使得信息采集工作更加高效的進(jìn)行，除此之外還對(duì)信息的傳輸有一定的促進(jìn)作用，傳統(tǒng)的WSN技術(shù)通常包括三個(gè)部分，分別是管理節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。

從不同的角度來(lái)考慮，有不同的功能。針對(duì)節(jié)點(diǎn)的安裝情況，可以將WSN技術(shù)分為停靠站單元、路邊單元和車(chē)載單元。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)角度，交通信息具有一定的復(fù)雜性，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時(shí)，一般不適用管理節(jié)點(diǎn)，由控制中心替代即可。匯聚節(jié)點(diǎn)是為了實(shí)現(xiàn)傳感器和網(wǎng)絡(luò)之間的連接，由于它對(duì)信息的處理和存儲(chǔ)能力較強(qiáng)，能夠較好的實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還具有監(jiān)測(cè)任務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作。而傳感器節(jié)點(diǎn)的功能是要同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端和路由器。

4 公交車(chē)輛信息采集系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法

4.1 OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的使用，常見(jiàn)的有兩種，分別是OPNET和NS2，這兩種軟件基于的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是不同的，OPNET需要使用Windows系統(tǒng)，而NS2則需要利用UNIX系統(tǒng)。本文針對(duì)使用Windows XP的通用PC機(jī)，來(lái)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真研究。

4.2 公交車(chē)輛信息采集系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)

①仿真基本假設(shè)。一般情況下，在進(jìn)行假定時(shí)，都是將其假定為理想化的設(shè)備，忽略硬件、軟件等可以影響網(wǎng)絡(luò)性能的因素。對(duì)于無(wú)線信道模型工作，我們?cè)谶M(jìn)行分析時(shí)，需要利用全向天線，使用沒(méi)有約束力的公式來(lái)進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算。而在實(shí)踐過(guò)程中，還需要將其他因素的影響考慮在內(nèi)。②仿真網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)。它可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)的公交車(chē)和兩個(gè)不同的?？空?，不同停靠站之間的距離一般設(shè)置為五百米，停靠站之間的路邊單元設(shè)置，一般為零到四，這樣更加方便數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受，邏輯節(jié)點(diǎn)一般設(shè)置三個(gè)單元，分別是路邊單元、車(chē)載單元和?？空?。在物理實(shí)踐中這三個(gè)單元分別對(duì)應(yīng)不同的物體，無(wú)線服務(wù)器一般是和?？空締卧鄬?duì)應(yīng)，無(wú)線路由器則是和路邊單元相對(duì)應(yīng)，移動(dòng)工作站需要和車(chē)載單元相對(duì)。一般情況下，為簡(jiǎn)化仿真的程序，通常設(shè)置一個(gè)?？空緛?lái)放置。

車(chē)載單元由路邊單元將數(shù)據(jù)傳輸至?？空締卧?，或是由?？空締卧苯舆M(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，對(duì)這兩種情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量的比較，選擇較為合適的方案，對(duì)于路邊單元，在方案中需要調(diào)整的內(nèi)容有三種，一是無(wú)路邊單元；二是間距在WSN通信節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)的有路邊單元；三是WSN通信節(jié)點(diǎn)范圍外的有路邊單元間距。這套方案設(shè)置是為了監(jiān)測(cè)WSN是否可以克服AVL和SVD系統(tǒng)存在的缺陷問(wèn)題。

OPNET的部分無(wú)線局域網(wǎng)作為新型的設(shè)備基礎(chǔ)，我們?cè)谘芯繒r(shí)要注意這一點(diǎn)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上可以將現(xiàn)有的設(shè)備分為三類(lèi)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的代建工作，如移動(dòng)工作站，包含底層到應(yīng)用層的全部處理模塊；無(wú)線路由器，有一個(gè)無(wú)線接口或是多個(gè)有線接口；無(wú)線服務(wù)器，包含七層處理模塊。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前公交信息采集系統(tǒng)存在的定位能力有限和費(fèi)用較高的問(wèn)題，結(jié)合新型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)公交信息采集系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)WSN技術(shù)應(yīng)用于公交信息采集系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)，應(yīng)用WSN技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)智能公交系統(tǒng)的升級(jí)和改造。