基于WSID的交通信息采集系統(tǒng)

丁柏群，王月紅

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 哈爾濱 150040)

目前道路交通信息采集領(lǐng)域應(yīng)用較廣的技術(shù)主要有環(huán)形線圈車輛檢測器采集、視頻檢測器采集、微波車輛檢測器采集、GPS浮動車交通信息采集等[1]。雖然上述交通信息采集手段已經(jīng)十分成熟，但是在實際的使用過程中，不同的交通信息采集技術(shù)各有優(yōu)缺點。環(huán)形線圈車輛檢測器采集技術(shù)發(fā)展成熟，成本較低，但安裝過程會破壞路面導(dǎo)致路面使用壽命降低，從而影響車輛的正常通行，且工作過程易受冰凍、鹽堿等自然環(huán)境的影響，維護檢修不便[1]。視頻檢測器采用分析處理圖像信息的方法，易受外部工作環(huán)境條件的影響，輸出的數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，實時性較差，成本高，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、異常和噪聲污染等情況[2]。微波車輛檢測器對安裝地點周邊地形條件的要求較高，在車型單一、車速分布均衡且車流量較大的路段上檢測精度較高，在但車流量較低、交通擁堵嚴重且車型混亂的道路上檢測精度較低。GPS浮動車交通信息采集技術(shù)更大的優(yōu)勢在于對車輛的定位與跟蹤，但不能針對單個車輛的信息進行檢測，且所采集的實時信息不能完全代表所有車輛的行駛信息[3]。

無線傳感器射頻識別(WSID)技術(shù)是指將無線射頻識別(RFID)技術(shù)[4]和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)[5]進行集成的一種技術(shù)。WSN通過集成傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)組成多跳自組織無線網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸對象的監(jiān)測信息[6]。目前WSN技術(shù)憑借其覆蓋區(qū)域大、可遠程監(jiān)控、監(jiān)測精度高、部署速度快、自組織動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護、智能家居、視頻監(jiān)控以及工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域[7-9]。

WSN和RFID技術(shù)同屬于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的最底層——感知層，主要負責識別物體、采集信息。RFID主要應(yīng)用于對物體的存在性及身份的識別，對被檢目標自身信息的保存更安全，進行信息的讀取或修改更方便，并能在極短的時間內(nèi)讀取大量的電子標簽，信息讀取的效率大大提高[10]。WSN對網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)感知對象的當前狀態(tài)及周圍環(huán)境信息進行采集，通過自組織網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信息傳遞至后臺，實現(xiàn)實時監(jiān)控、獲取信息的目的。WSN通過傳感器來感知對象的相關(guān)信息，RFID是標識物品的基本屬性，將兩者功能相結(jié)合，可以大大提高對信息的收集能力[11]。本文將RFID技術(shù)與WSN技術(shù)相集成，利用各自的技術(shù)優(yōu)勢彌補缺點，對該集成技術(shù)在交通信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性進行分析，希望對交通信息采集系統(tǒng)的深入開發(fā)及發(fā)展有一定的參考價值，為下一步的應(yīng)用打下良好的理論基礎(chǔ)，方便研究開發(fā)人員進行系統(tǒng)設(shè)計。

1 交通信息采集系統(tǒng)

交通信息是城市交通規(guī)劃和交通管理的重要基礎(chǔ)信息，也是交通控制與誘導(dǎo)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[12-13]。交通信息可分為靜態(tài)交通信息和動態(tài)交通信息，本文主要討論對于動態(tài)交通信息的采集技術(shù)。動態(tài)交通信息采集技術(shù)根據(jù)交通檢測器工作地點的不同可劃分為固定型采集技術(shù)和移動型采集技術(shù)兩大類[14]。固定型采集技術(shù)和移動型采集技術(shù)的分類及優(yōu)缺點等比較分析結(jié)果分別如表1和表2所示。

所有交通信息采集檢測裝置構(gòu)成交通信息采集系統(tǒng)，交通信息是智能交通系統(tǒng)(ITS)順利實施的前提和核心要素。通過對國內(nèi)外智能交通的發(fā)展趨勢深入研究可知，目前我國在交通信息采集系統(tǒng)方面還存在如下問題：

① 缺乏覆蓋全路網(wǎng)的交通動態(tài)信息采集技術(shù)。

② 缺乏對道路運行車輛全過程信息的采集技術(shù)。

③ 無線傳輸技術(shù)及多種通信網(wǎng)集成未達到大規(guī)模應(yīng)用要求。

④ 信息互通共享機制還存在技術(shù)欠缺，行業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)資源未有效整合利用。

⑤ 缺乏對現(xiàn)有智能交通系統(tǒng)(ITS)數(shù)據(jù)源的深入挖掘和智能處理。

表1 固定型交通信息采集檢測技術(shù)的分類及比較

表2 移動型交通信息采集檢測技術(shù)的分類及比較

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)技術(shù)分析

RFID技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有多種集成方式，目前常見的WSID網(wǎng)絡(luò)主要有RFID標簽和傳感器集成、RFID標簽和WSN節(jié)點集成、RFID讀寫器和WSN節(jié)點集成以及RFID讀寫器和WSN基站集成4種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。具體集成方式為[15-16]：

1) RFID標簽和傳感器集成。將電子標簽與傳感器節(jié)點芯片融合，傳感器節(jié)點感知周圍環(huán)境信息，電子標簽存儲無線傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)。這種集成方式不僅能識別單個物體，而且可以感知周圍環(huán)境，但這種集成方式只能使用RFID協(xié)議和機制進行傳輸，傳輸能力有限。該融合模型如圖1(a)所示。

2) RFID標簽和WSN節(jié)點集成。這種方式集成后的WSN節(jié)點和電子標簽一樣有唯一的ID號，融合后的節(jié)點可以帶有多個傳感器，節(jié)點間通信采用多級跳的形式，傳輸范圍和能力大大增強，對數(shù)據(jù)的處理也很方便。該融合模型如圖1(b)所示。

3) RFID讀寫器和WSN節(jié)點集成。融合后的智能節(jié)點既可以讀取標簽信息又可以采集環(huán)境信息。該融合方式不僅可以對電子標簽和傳感器的信息進行讀寫和監(jiān)控，還可以和其他智能節(jié)點進行多級跳通信實現(xiàn)遠距離通信，RFID通過WSN遠程交換數(shù)據(jù)，擴大了識別范圍。該融合模型如圖1(c)所示。

4) RFID讀寫器和WSN基站集成。該集成技術(shù)保持了WSN和RFID的原有架構(gòu)，彼此獨立工作，通過引入智能基站進行系統(tǒng)集成，組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。智能基站的主要任務(wù)是控制WSN和RFID協(xié)同工作，采集的RFID和WSN信息更加綜合化和智能化。該融合模型如圖1(d)所示。

圖1 4種RFID與WSN融合模型

交通信息網(wǎng)絡(luò)是一個巨大的系統(tǒng)，交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)規(guī)模與日劇增，且數(shù)據(jù)來源廣泛、交通路網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜。針對交通數(shù)據(jù)信息存在來源復(fù)雜、信息具有嚴重的重疊性、海量的數(shù)據(jù)存儲與處理困難、缺乏覆蓋全路網(wǎng)的交通動態(tài)信息采集技術(shù)以及沒有對道路運行車輛全過程信息的采集技術(shù)等問題，本文提出一種由優(yōu)化后的新型融合節(jié)點組成的新型RFID-WSN融合系統(tǒng)，具體融合系統(tǒng)的簡圖如圖2中感知層所示。該融合系統(tǒng)可以實現(xiàn)WSN與RFID之間的動態(tài)切換和自適應(yīng)構(gòu)建，具有更優(yōu)的特性和更靈活的應(yīng)用，簡化了交通數(shù)據(jù)的來源，降低了交通信息的重復(fù)率，建立了一種能對道路運行車輛全過程信息的采集并可覆蓋全路網(wǎng)的交通動態(tài)信息采集系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模塊設(shè)計

基于WSID技術(shù)的交通信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用服務(wù)層3部分。

1) 感知層。處于系統(tǒng)的最底層，是交通信息采集系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵部分。整個系統(tǒng)主要通過合理有效地部署傳感器、電子標簽、傳感器節(jié)點、讀寫器-WSN節(jié)點、WSN節(jié)點等實時獲取電子標簽和傳感器信息，通過智能基站簡單處理整合后將有效的數(shù)據(jù)傳送至上層管理系統(tǒng)。

2) 網(wǎng)絡(luò)層。主要負責將感知層獲取的信息實時、可靠傳輸，也是目前研究的熱點和重點。目前交通領(lǐng)域信息傳輸常用的通信協(xié)議主要有GPRS、CDMA、3G、Wimax以及TCP/IP等。

3) 應(yīng)用服務(wù)層。交通信息的采集不是目的，目的在于通過對實時信息和歷史信息的處理使得城市交通更便捷、快速、綠色、安全、高效。感知層采集到的信息通過網(wǎng)絡(luò)層最終傳輸至應(yīng)用服務(wù)層，通過對各種信息進行整合處理和深入挖掘，全面利用相關(guān)信息，實現(xiàn)對交通的管理、控制及誘導(dǎo)。

3 基于WSID技術(shù)交通信息采集系統(tǒng)的必要性和可行性

3.1 WSID技術(shù)應(yīng)用于交通信息采集系統(tǒng)的必要性

交通信息是智能交通系統(tǒng)的核心要素，交通信息采集技術(shù)是交通信息采集系統(tǒng)中一個極為重要的環(huán)節(jié)。由于目前我國交通信息采集系統(tǒng)還存在很多問題，本文將RFID技術(shù)和WSN技術(shù)進行集成應(yīng)用于交通信息采集系統(tǒng)中，可以最大限度地發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢。通過將這兩種技術(shù)相集成，在中央監(jiān)控室的電腦上就可以實時掌握整個城市車輛運行的詳細情況，從而獲取研究目標的更多關(guān)鍵信息和實用信息。WSID技術(shù)可利用無線自組網(wǎng)的方式進行數(shù)據(jù)通信和簡單數(shù)據(jù)處理，及時發(fā)現(xiàn)道路上出現(xiàn)的異常情況，進而對異常情況及時處理。該集成系統(tǒng)也可以在一定程度上簡化道路交通信息采集系統(tǒng)，減少交通信息采集的重復(fù)率，從而降低數(shù)據(jù)處理的難度，為系統(tǒng)提供更有效的數(shù)據(jù)。通過對檢測設(shè)備的合理安裝布置，還可對單個車輛的實時運行軌跡和歷史軌跡進行保存與查詢，一定程度上也可以增大交通信息檢測的精確度。

3.2 WSID技術(shù)應(yīng)用于交通信息采集系統(tǒng)的可行性

3.2.1 技術(shù)可行性

由于交通網(wǎng)絡(luò)是一個異常復(fù)雜的龐大系統(tǒng)，監(jiān)測對象具有數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大、狀態(tài)多變、高速分散等特點，故對其中單個車輛的監(jiān)控以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸處理一直是交通信息采集系統(tǒng)中的重點和難點。RFID和WSN技術(shù)單獨使用時其體系架構(gòu)已經(jīng)成熟。WSN通過傳感器來感知對象的相關(guān)信息，具有自組織動態(tài)性的特點；RFID能大大提高對交通信息的收集能力。

3.2.2 成本可行性

當前對于道路車輛信息采集應(yīng)用最廣泛就是基于傳感器的交通信息采集，主要技術(shù)有環(huán)形線圈檢測器、超聲波檢測器、微波雷達檢測器、地磁車輛檢測器等。這些檢測技術(shù)只能探測到車輛所運行的外部環(huán)境信息，卻不能實時感知車輛本身的信息，所監(jiān)測信息不能滿足交通管理部門的需求。交通網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在大量的傳感器，而電子車牌的使用也是大勢所趨，所以只需在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加電子標簽和讀寫器即可。目前國內(nèi)外已經(jīng)有一些WSID產(chǎn)品開始應(yīng)用于市場上，如Gentag公司的無源RFID溫度傳感器標簽，日立制作所的DNA檢測用RFID傳感器芯片等。WSID系統(tǒng)將WSN與RFID兩者技術(shù)的優(yōu)點結(jié)合到一起，所帶來的社會效益遠遠高于所增加設(shè)備的成本。系統(tǒng)運行后，可以減少由于檢測器故障、天氣狀況或者通信系統(tǒng)故障等原因造成的數(shù)據(jù)丟失，增加數(shù)據(jù)的完整性，減少數(shù)據(jù)的重復(fù)率，降低數(shù)據(jù)存儲的空間，減少數(shù)據(jù)處理的難度。

3.2.3 政策可行性

一項新技術(shù)從開發(fā)研究到現(xiàn)實實施離不開國家的政策支持。2010年4月1日，中國工業(yè)和信息化部科技司司長聞庫提出，為推進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將采取四大措施支持電信運營企業(yè)開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用。其中一項措施就是重點發(fā)展高端傳感器、MEMS、智能傳感器和傳感器網(wǎng)節(jié)點、傳感器網(wǎng)關(guān)以及超高頻RFID、有源RFID和RFID中間件產(chǎn)業(yè)等，重點發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)終端和設(shè)備以及軟件和信息服務(wù)，可見國家對高端傳感器和RFID技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用十分重視[17]。一旦技術(shù)難關(guān)突破以后，這項技術(shù)真正應(yīng)用到交通信息采集系統(tǒng)中將不再有問題。

4 結(jié)束語

本文針對目前交通采集系統(tǒng)的不足，提出了一種基于RFID技術(shù)和WSN技術(shù)相融合的新系統(tǒng)(WSID)，對WSID技術(shù)在交通信息采集系統(tǒng)的功能模塊進行了設(shè)計，分析了WSID系統(tǒng)在交通信息采集系統(tǒng)中的必要性和可行性。由于實際交通系統(tǒng)的復(fù)雜性、隨機性以及相關(guān)技術(shù)的不成熟，此方法在實際應(yīng)用過程中還存在不足，因此還有待進一步深入研究，不斷改進完善。如何建立適用于交通環(huán)境的WSID系統(tǒng)，在現(xiàn)實環(huán)境中有效部署相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點，將會是交通信息采集技術(shù)研究的一個重要方向。

[1] 鄭建湖,王明華.動態(tài)交通信息采集技術(shù)比較分析[J].交通標準化,2009 (7):42-47.

[2] 程學(xué)慶,劉星文,李建海,等.基于云平臺的交通視頻檢測數(shù)據(jù)優(yōu)化研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2015,15(2):76-80.

[3] 莊廣新.基于多源檢測器的交通流數(shù)據(jù)融合方法研究[D].北京：北京交通大學(xué),2017:19-23.

[4] 劉加伶,莊威威,陳莊.基于RFID技術(shù)的市政設(shè)施標定系統(tǒng)研究[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017(2):128-133.

[5] 董穎,崔夢瑤,周占穎,等.基于事件驅(qū)動型的WSN跨層MAC協(xié)議[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,29(3):293-300.

[6] 馬建濤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在校園網(wǎng)中的應(yīng)用[J].學(xué)苑教育,2013 (11):76-76.

[7] 畢斌,王金一,陳文亮,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理綜述[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2010,19(12):265-270.

[8] DAVE T C,YUH S T,HORNG C L,et al.Wireless Sensor Network (WSN) Using in Tunnel Environmental Monitoring for Disaster Prevention[J].Advanced Materials Research,2011,1335(291):1362-1366.

[9] ELANGO S,MATHIVANAN N,GUPTA P.RSSI Based Indoor Position Monitoring Using WSN in a Home Automation Application[J].Acta Electrotechnica et Informatica,2011,11(4):14-19.

[10] 王洪艷.基于物聯(lián)網(wǎng)的物流智能化路徑[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)),2013,27(11):33-37.

[11] 吳凌芳,姚惠琳.RFID技術(shù)在服裝制造中的應(yīng)用分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)),2013,27(12):56-60.

[12] 姚惠琳.RFID信息技術(shù)提升傳統(tǒng)制造業(yè)競爭力研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)),2013,27(10):47-52.

[13] 彭仲仁,劉曉鋒,張立業(yè),等.無人飛機在交通信息采集中的研究進展和展望[J].交通運輸工程學(xué)報,2012,12(6):119-126.

[14] 張和生,周卓楠,潘成,等.交通信息采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署的微粒群優(yōu)化方法[J].儀器儀表學(xué)報,2010,31(9):1991-1996.

[15] 薛偉.面向物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué),2012.

[16] 劉國梅,王艷.基于RFID和WSN的養(yǎng)殖場管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].農(nóng)機化研究,2010,32(6):193-196.

[17] 劉菊花.中國大力推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[N].人民日報海外版,2010-04-02(5).