城市道路智慧交通區(qū)域性融合應(yīng)用研究

楊志華

1. 安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，2. 城市交通管理集成與優(yōu)化技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引 言

隨著機(jī)動(dòng)車保有量及道路照明設(shè)備數(shù)量的增加，如何進(jìn)一步提高道路通行效率、降低機(jī)動(dòng)車能耗及尾氣排放、提高路燈節(jié)能效率，需要多層次交通設(shè)備、數(shù)據(jù)、平臺(tái)的深度融合應(yīng)用，如車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智慧路燈、信號(hào)控制、車輛檢測(cè)等。智慧交通是智慧城市建設(shè)的重要組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)背景下智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）的智慧發(fā)展應(yīng)用，是使人、車、路更加協(xié)調(diào)的智慧出行服務(wù)系統(tǒng)[1]。

智慧交通的實(shí)現(xiàn)有數(shù)據(jù)大集中模式、獨(dú)立建設(shè)模式等多種方法[2]，政府及大數(shù)據(jù)企業(yè)多從大數(shù)據(jù)的角度研究智慧交通的實(shí)現(xiàn)[3]，該方式的實(shí)現(xiàn)規(guī)模較大；獨(dú)立建設(shè)模式對(duì)于當(dāng)前的多數(shù)設(shè)備廠家較易實(shí)施，但在后期交互方面存在一定的執(zhí)行難度。本文結(jié)合大數(shù)據(jù)及獨(dú)立設(shè)備等多種形式，從區(qū)域性實(shí)施的角度對(duì)智慧交通的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析研究，以更好地服務(wù)于當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r。

1 智慧交通相關(guān)設(shè)備介紹

對(duì)于區(qū)域性交通通行，與交叉路口的信號(hào)控制、道路路燈控制、車輛及行人監(jiān)控等關(guān)聯(lián)較為緊密，也是實(shí)現(xiàn)區(qū)域性智慧交通的研究重點(diǎn)。

1.1 交通信號(hào)機(jī)

信號(hào)機(jī)是城市道路交叉口交通信號(hào)燈的控制、管理設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性、智能化水平對(duì)道路交通通行狀況具有直接的影響。當(dāng)前對(duì)信號(hào)機(jī)的研究一般采用基于路口檢測(cè)器和平臺(tái)交通大數(shù)據(jù)兩種方法進(jìn)行，受制于檢測(cè)器可靠性程度影響較大，大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性也不夠可靠，且對(duì)行人的檢測(cè)及優(yōu)化控制較少，需增加考慮行人友好型控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[4]。由于城市道路經(jīng)常會(huì)有施工、惡劣天氣等造成的斷電等信號(hào)機(jī)不能正常工作的情況，會(huì)較大地影響道路交叉口的通行，而當(dāng)前國(guó)標(biāo)規(guī)定的信號(hào)機(jī)備用電源接口并未有較好的外部電源接入方式。

1.2 視頻檢測(cè)器

隨著視頻檢測(cè)器技術(shù)的不斷進(jìn)步，其可實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越多。當(dāng)前路口均有很多電子警察和卡口視頻設(shè)備，該設(shè)備也可同步實(shí)現(xiàn)更多交通參數(shù)的檢測(cè)[5]，包括車輛速度、排隊(duì)長(zhǎng)度、車道存在車輛狀態(tài)等。同時(shí)，視頻檢測(cè)器存在白天檢測(cè)識(shí)別率較高，但在夜晚、雨雪霧等天氣誤檢率較高的問(wèn)題，需要一定的照明條件提高其可靠性水平。

1.3 WIFI終端

智慧城市的建設(shè)，同時(shí)也較好地推動(dòng)了城市公共場(chǎng)合WIFI熱點(diǎn)的普及、WIFI設(shè)備的推廣應(yīng)用，而各個(gè)道路交叉口也是一個(gè)重要的應(yīng)用地點(diǎn)。

1.4 路燈節(jié)能控制

隨著道路交通網(wǎng)的增加及節(jié)能降耗要求的提高，節(jié)能管理日益成為路燈照明的一個(gè)重要技術(shù)研究方向，當(dāng)前主要通過(guò)使用LED路燈、后半夜降低照明亮度等方法提供照明系統(tǒng)的節(jié)能管理，節(jié)能的智能化水平仍待提高。

2 智慧交通的區(qū)域性實(shí)現(xiàn)方法

智慧交通的實(shí)現(xiàn)需充分考慮當(dāng)前技術(shù)、設(shè)備情況，并需進(jìn)行多維度的應(yīng)用驗(yàn)證。通過(guò)在符合條件的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)、運(yùn)行，較易推廣實(shí)施，實(shí)現(xiàn)成本低，易于深入研究并形成標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)技術(shù)要求。

2.1 車流量和行人的智慧檢測(cè)

目前對(duì)車流量的檢測(cè)方法有很多，如雷達(dá)、微波、地磁等，但均存在只能實(shí)現(xiàn)車流量數(shù)據(jù)的檢測(cè)單一性問(wèn)題。如今，視頻檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展較快，成本也下降很多，可在實(shí)現(xiàn)電子警察闖紅燈拍照、卡口車速檢測(cè)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)更多交通參數(shù)的檢測(cè)，包括車輛排隊(duì)長(zhǎng)度、車輛類型、車輛軌跡分析等，對(duì)路口交通信號(hào)控制優(yōu)化有較好的應(yīng)用效果。

實(shí)現(xiàn)行人友好的信號(hào)控制，首先需對(duì)行人進(jìn)行流量檢測(cè)統(tǒng)計(jì)。隨著智能手機(jī)的推廣，很多行人隨身攜帶的手機(jī)設(shè)備經(jīng)常開(kāi)啟WLAN功能，尤其對(duì)于上下班的工作人員。由于WIFI設(shè)備在開(kāi)啟WLAN功能后，會(huì)向周圍不停地發(fā)送Probe探測(cè)幀，尋找可用的無(wú)線接入AP設(shè)備，很多公司基于無(wú)線路由器技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了專門(mén)檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)周圍WIFI設(shè)備的探針，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備唯一MAC地址的獲取，并用于商場(chǎng)、展廳、景區(qū)的人流分析，實(shí)現(xiàn)成本低，高見(jiàn)等通過(guò)WIFI探針技術(shù)對(duì)設(shè)備軌跡和位置等功能的大數(shù)據(jù)研究分析了事件的預(yù)警機(jī)制[6]。因此在交通路口安裝WIFI熱點(diǎn)的同時(shí)，可進(jìn)一步基于獲取的手機(jī)MAC地址實(shí)現(xiàn)對(duì)行人數(shù)量的檢測(cè)，并通過(guò)對(duì)相鄰路口的數(shù)據(jù)共享以及對(duì)歷史信息的統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行人基本運(yùn)行軌跡的分析，以用于基于行人流量的交通控制優(yōu)化。

2.2 智慧交通融合設(shè)備

為兼容當(dāng)前路口的各種設(shè)備，在信號(hào)機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)增加獨(dú)立的智慧交通融合設(shè)備，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車流量的采集、行人流量的收集、數(shù)據(jù)保存及分析、交通信號(hào)優(yōu)化控制方案的生成、路燈節(jié)能控制的策略形成等功能。

如圖1所示，數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備有多種外部接口與外部設(shè)備交互，其網(wǎng)口1用于與其它數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)相鄰路口數(shù)據(jù)資源的共享；網(wǎng)口2用于實(shí)現(xiàn)與安裝在智慧路燈上的視頻檢測(cè)器及WIFI探針的連接，用于實(shí)現(xiàn)車流量和行人的數(shù)據(jù)獲??；RS232串口用于與信號(hào)機(jī)的連接，可發(fā)送交通流量給信號(hào)機(jī)，并進(jìn)行優(yōu)化方案?jìng)鬏?；由于?dāng)前的路燈控制器很多預(yù)留了ZIGBEE模塊和RS485通訊接口，因此設(shè)備可實(shí)現(xiàn)與路燈控制器的連接；設(shè)備通過(guò)北斗模塊可獲取其地理位置信息并進(jìn)行校時(shí)；通過(guò)4G模塊可實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)服務(wù)器的連接。數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備即是區(qū)域性智慧交通融合的數(shù)據(jù)及控制核心。?

圖1 數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備

2.3 智慧路燈的實(shí)現(xiàn)

智慧路燈既可實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能管理，也可綜合應(yīng)用其燈桿，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的集成化安裝管理[7]。

如圖2所示，在需要檢測(cè)車流量的地方，將視頻檢測(cè)器安裝在智慧路燈上，既可實(shí)現(xiàn)燈桿的復(fù)用，也可通過(guò)路燈的照明，提高夜晚時(shí)間段視頻檢測(cè)的精確度，較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。

圖2 視頻檢測(cè)器與路燈的組合安裝

如圖3所示，通過(guò)在交叉口的智慧路燈上增加WIFI熱點(diǎn)，可為路人提供聯(lián)網(wǎng)功能。通過(guò)WIFI熱點(diǎn)對(duì)設(shè)備唯一MAC地址的獲取及分析，可得到路口的人流量的基本情況。

圖3 交叉口智慧路燈的設(shè)計(jì)

道路交叉口的智慧路燈在采用市電供電的同時(shí)，也采用太陽(yáng)能發(fā)電、備用電池儲(chǔ)電的方法，在夜間時(shí)可利用太陽(yáng)能發(fā)電的儲(chǔ)存電能，實(shí)現(xiàn)路燈的節(jié)能應(yīng)用。該備用電源同時(shí)提供給信號(hào)機(jī)的備用電源接入口，在路口信號(hào)機(jī)出現(xiàn)斷電等情況時(shí)，可及時(shí)切換至備用電源，防止路口交通擁堵。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的節(jié)能管理，在利用路口的紅綠燈控制信息進(jìn)行節(jié)能管理的同時(shí)[8]，可綜合利用智慧燈桿上的檢測(cè)器采集到的車流量、行人流量數(shù)據(jù)以及信號(hào)機(jī)的控制參數(shù)，由數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備進(jìn)行大數(shù)據(jù)融合分析，生成節(jié)能控制方案發(fā)送給路燈控制柜進(jìn)行整體優(yōu)化控制，其工作流程如圖4所示。其中燈桿1為安裝在道路上的集成車流量檢測(cè)器的智慧燈桿，燈桿2為安裝在交叉口集成WIFI探針功能的智慧燈桿，其檢測(cè)的車流量和行人數(shù)據(jù)均直接傳輸給數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備。數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備如分析到長(zhǎng)時(shí)間車流量和行人流量均低于設(shè)定的閾值，可輸出路燈節(jié)能比控制數(shù)據(jù)，發(fā)送給臨近的路燈控制器進(jìn)行節(jié)能管理。2.4 智慧信號(hào)機(jī)的方案優(yōu)化

圖4 路燈節(jié)能控制流程

通過(guò)區(qū)域性智慧交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，信號(hào)機(jī)可通過(guò)獲取相應(yīng)的車流量、行人流量、相鄰路口交通參數(shù)及融合分析結(jié)果進(jìn)行多種信號(hào)控制方案的優(yōu)化，其工作流程如圖5所示。

圖5 信號(hào)控制優(yōu)化工作流程

通過(guò)視頻檢測(cè)的車流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由于其較高的可靠性，可進(jìn)行精確的紅綠燈延時(shí)、早斷等感應(yīng)控制。受行人無(wú)線設(shè)備狀態(tài)及WIFI探測(cè)精度和方向判斷的限制，需對(duì)行人流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析才可用于人流量較少路口或夜間的交通信號(hào)控制或長(zhǎng)期方案的優(yōu)化。

通過(guò)獲取相鄰路口的實(shí)時(shí)車流量和行人流量信息，可對(duì)相應(yīng)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及后期細(xì)化分析，如預(yù)估行人的行駛方向等；而通過(guò)對(duì)相鄰路口紅綠燈控制參數(shù)的獲取，可進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)控制方案。

智慧燈桿的儲(chǔ)能電池組，除了可用于路燈的照明外，還可給信號(hào)機(jī)提供備用電源。若為夜間斷電，車流量不大，數(shù)據(jù)交互融合設(shè)備還可直接優(yōu)化降級(jí)信號(hào)機(jī)方案，如將左右轉(zhuǎn)箭頭、直行圓盤(pán)組合信號(hào)燈切換為僅允許直行的圓盤(pán)燈工作，以降低能耗，提供更長(zhǎng)時(shí)間的供電。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)路口相關(guān)交通設(shè)備的區(qū)域性綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了更好的智慧交通應(yīng)用，可更好地發(fā)揮城市道路各設(shè)備的利用效能，提高設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)更智慧、更節(jié)能、更便捷的智慧交通系統(tǒng)。