基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

潘曉貝

（1.河南省高校節(jié)能照明工程技術(shù)研究中心， 河南 三門峽 472000 2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 河南 三門峽 472000）

一、引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口和汽車數(shù)量不斷增加，交通擁堵日益嚴(yán)重，由此產(chǎn)生的空氣污染、環(huán)境噪聲、能源消耗等已成為世界發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。智能交通系統(tǒng)作為近年來(lái)改善交通擁堵，減少交通堵塞的有效技術(shù)措施，越來(lái)越受到各國(guó)政府決策部門和專家學(xué)者的關(guān)注，并開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。隨著近兩年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，大大豐富了智能交通領(lǐng)域的科技內(nèi)涵[1]，也徹底改變了其技術(shù)手段和管理理念。

二、物聯(lián)網(wǎng)及其架構(gòu)體系

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）即物與物的互聯(lián)，它采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)、RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)等新技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的“交流”。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生，使得環(huán)境監(jiān)控、物品識(shí)別、跟蹤定位等變得智能化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使人們的生活變得更加舒適、智能、人性化。

業(yè)界廣泛認(rèn)同的物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)也體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)基本特征：全面感知、可靠傳輸、智能處理。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

感知層：全面感知，無(wú)所不在。感知層是物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中最基礎(chǔ)的一層，主要完成對(duì)物體的識(shí)別和對(duì)數(shù)據(jù)的采集。感知層用到的信息采集技術(shù)主要包括RFID射頻識(shí)別、傳感器、多媒體信息采集、條碼識(shí)別技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)和實(shí)時(shí)定位等技術(shù)[2]。RFID射頻識(shí)別、傳感器等信息采集技術(shù)采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)感知層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離傳輸和自組織組網(wǎng)。感知層信息傳輸技術(shù)有有線和無(wú)線兩種方式，有線方式包括現(xiàn)場(chǎng)總線、M_BUS總線、開(kāi)關(guān)量、PSTN等傳輸技術(shù)；無(wú)線方式包括射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、紅外感應(yīng)、Wi-Fi、GMS 短信、ZigBee、超寬頻（Ultra WideBand）、近場(chǎng)通信（NFC）、WiMedia、GPS、DECT、無(wú)線IEEE1394和專用無(wú)線系統(tǒng)等傳輸技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)層：智慧連接，無(wú)所不容。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，利用各種接入及傳輸設(shè)備將感知到的信息進(jìn)行傳送。這些信息可以在現(xiàn)有的電網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)及其它專用網(wǎng)中傳送。這些已建成及在建的通信網(wǎng)路即是物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層包括自組織通信、不同網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，還應(yīng)用到存儲(chǔ)技術(shù)。

應(yīng)用層：廣泛應(yīng)用，無(wú)所不能。應(yīng)用層就好比是人的大腦，它將收集的信息進(jìn)行處理，并做出“反應(yīng)”。應(yīng)用層通過(guò)處理感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐子層和應(yīng)用子層都屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用支撐子層技術(shù)包括信息開(kāi)發(fā)平臺(tái)技術(shù)、基于面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）的中間件技術(shù)、服務(wù)支撐技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)等，用來(lái)支撐跨應(yīng)用、跨行業(yè)、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)作、信息共享互通。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子層包括智能交通、智能家居、智能醫(yī)療、智能電力、智能物流和智能工業(yè)控制等應(yīng)用技術(shù)。

三、智能交通及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能交通系統(tǒng)即ITS，是一個(gè)基于現(xiàn)代電子信息技術(shù)面向交通運(yùn)輸?shù)姆?wù)系統(tǒng)。它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、信息技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)等多種技術(shù)建立起一種準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效的全方位、大范圍的綜合的交通管理系統(tǒng)，能夠運(yùn)用到整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)中。智能交通系統(tǒng)能更加充分地發(fā)揮現(xiàn)有交通設(shè)施的作用以減少交通擁堵、提高交通安全性、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染并提高運(yùn)輸效率，在世界范圍內(nèi)越來(lái)越受到關(guān)注和重視[3]。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展更加推動(dòng)了智能交通的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)后，智能交通系統(tǒng)越來(lái)越完善?？梢哉f(shuō)，智能交通是交通物聯(lián)化的一種體現(xiàn)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)由三層架構(gòu)組成，從下到上依次為：感知交互層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層[4]，如圖2所示。感知互動(dòng)層的主要功能是進(jìn)行各種交通流的信息采集、識(shí)別、定位等；網(wǎng)絡(luò)傳輸層是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)中較獨(dú)立的一個(gè)部分，其主要功能是進(jìn)行交通流的信息傳輸。應(yīng)用服務(wù)層中的數(shù)據(jù)處理層的作用主要有對(duì)交通流信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)融合，與地理信息系統(tǒng)（GIS）的協(xié)調(diào)等，主要功能是進(jìn)行交通應(yīng)用服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸層之間的接口。應(yīng)用服務(wù)層顧名思義指的是各類應(yīng)用，例如交通信號(hào)控制服務(wù)這類獨(dú)立應(yīng)用和交通誘導(dǎo)服務(wù)這類大范圍應(yīng)用。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通三層體系架構(gòu)

四、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（一）智能交通信息感知技術(shù)

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取交通信息是實(shí)現(xiàn)智能交通的依據(jù)和基礎(chǔ)。交通信息包括靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息兩類，靜態(tài)交通信息主要是基礎(chǔ)地理信息、道路交通地理信息、交通管理設(shè)施信息、停車場(chǎng)信息、交通管制信息以及車輛、出行者等出行統(tǒng)計(jì)信息。靜態(tài)信息的采集可通過(guò)測(cè)量來(lái)獲取，在數(shù)據(jù)取得后存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定；而動(dòng)態(tài)交通信息有兩個(gè)維度，即時(shí)間上和空間上不斷變化的交通流信息，包括車輛位置和標(biāo)識(shí)、停車位狀態(tài)、交通網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（如行程時(shí)間、交通流量、速度）等。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)的感知互動(dòng)層通過(guò)傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽RFID、地理信息系統(tǒng)GIS等數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)能全面感知多種交通信息，如道路、車輛、出行者等。包括交通流量感知、車輛信息感知、車輛位置感知等。典型的交通信息感知技術(shù)有：

1.磁頻感知技術(shù)

該技術(shù)將環(huán)形線圈傳感器或者磁傳感器粘貼固定于道路表面，或者嵌入路面下?；陔姶鸥袘?yīng)原理，當(dāng)車輛行經(jīng)檢測(cè)區(qū)路面時(shí)，由于存在電磁感應(yīng)，傳感器的電流會(huì)跳躍式升高，記錄儀在該電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)會(huì)被觸發(fā)，進(jìn)而采集出車道占有率、車輛流量等交通流信息。

2.波頻感知技術(shù)

該技術(shù)有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。前者通過(guò)檢測(cè)器向監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)射具有一定波長(zhǎng)的能量波束，該波束經(jīng)通過(guò)檢測(cè)區(qū)的車輛反射后被檢測(cè)器接收，檢測(cè)器對(duì)接受到的信息進(jìn)行分析處理后得到所需的交通參數(shù)，超聲波檢測(cè)器、微波雷達(dá)、主動(dòng)紅外檢測(cè)器等都是該技術(shù)的主要設(shè)備；后者則直接接收通過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域的車輛發(fā)射的具有一定波長(zhǎng)的能量波束，并分析所需的交通參數(shù)，包括被動(dòng)紅外線檢測(cè)器、被動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)器等。

3.視頻采集技術(shù)

該技術(shù)是一種新型采集技術(shù)，綜合應(yīng)用了視頻圖像和模式識(shí)別。視頻采集設(shè)備負(fù)責(zé)采集交通流圖像信息，視頻檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析、處理、計(jì)算等，得到車型、車牌號(hào)、車速、車道占有率、交通流量等交通信息。視頻采集技術(shù)采集的交通信息非常全面，而且采集保存的圖像能重復(fù)使用。

（二）智能交通定位技術(shù)

定位技術(shù)是智能交通物聯(lián)網(wǎng)感知互動(dòng)層的核心技術(shù)之一，可全面精確采集交通信息所需要的位置信息。

智能交通中的位置感知技術(shù)目前主要分為兩種：一種是基于衛(wèi)星通信的定位技術(shù)，一種是基于蜂窩網(wǎng)基站的位置感知技術(shù)。

基于衛(wèi)星通信的定位技術(shù)，如美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Golbal Positioning，GPS）和中國(guó)的北斗定位系統(tǒng)，利用繞地運(yùn)行的衛(wèi)星發(fā)射基準(zhǔn)信號(hào)，接收機(jī)同時(shí)接收多顆衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)三角測(cè)量的方法確定當(dāng)前位置的經(jīng)緯度。再通過(guò)在車輛上部署的專門接收器，并以一定的時(shí)間間隔記錄車輛的三維位置坐標(biāo)（經(jīng)度坐標(biāo)、緯度坐標(biāo)、高度坐標(biāo)）和時(shí)間信息，輔以電子地圖數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出道路行駛速度等交通數(shù)據(jù)。這種技術(shù)的主要特點(diǎn)有：高效率、高精度、多功能、全天候、操作簡(jiǎn)便等。

基于蜂窩網(wǎng)基站的位置感知技術(shù)，其基本原理是利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的蜂窩結(jié)構(gòu)，通過(guò)定位移動(dòng)終端來(lái)獲取相應(yīng)的交通信息。包括兩種方法：第一種是利用已知蜂窩基站位置對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行絕對(duì)定位，例如基于電波到達(dá)時(shí)間、基于電波到達(dá)時(shí)間差以及A-GPS（Assisted GPS）結(jié)合了基站信息和GPS信息對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位的技術(shù)；第二種是基于基站切換行為，移動(dòng)終端在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷切換到新的基站以保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。因此，在城市道路上的移動(dòng)會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定的切換序列，通過(guò)在基站采集所有用戶的切換序列，可計(jì)算出交通流信息。

（三）智能交通信息傳輸技術(shù)

智能交通物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)感知層采集到的信息進(jìn)行高安全性和高可靠性傳輸[5]。智能交通信息傳輸技術(shù)的主要內(nèi)容包括交通物聯(lián)網(wǎng)的接入技術(shù)、車路通信、車車通信技術(shù)等。

車路通信主要通過(guò)DSRC技術(shù)即專用短程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)是一種專用無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的車載單元（RFID）和固定于路側(cè)的路側(cè)單元之間的通信接口規(guī)范，即實(shí)現(xiàn)車輛與道路設(shè)施間的通信。DSRC 通信系統(tǒng)由車載單元（On-Board Unit，OBU）、路側(cè)單元（Road-side Unit，RSU）和通信協(xié)議三部分構(gòu)成。DSRC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由車輛和道路設(shè)施連成的高速、實(shí)時(shí)、雙向傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，在交通信息管理、車載出行信息服務(wù)、道路收費(fèi)和停車場(chǎng)管理等方面得到廣泛應(yīng)用。

車車通信主要依賴于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（MANET），也稱車車間通信自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）或車載自組織網(wǎng)絡(luò)。車車通信無(wú)需道路基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)車輛之間在幾十到幾百米范圍內(nèi)的信息傳遞，每個(gè)通行的車輛都是該網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。車輛上的無(wú)線接口使有效范圍內(nèi)各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（各個(gè)車輛）之間自組網(wǎng)、多跳通信。該技術(shù)適應(yīng)了車輛快速行駛時(shí)的快速動(dòng)態(tài)變化特性，實(shí)現(xiàn)了車車之間實(shí)時(shí)信息交換，使重要交通信息能夠及時(shí)在一定范圍內(nèi)發(fā)布?；赩ANET技術(shù)的車間通信具有很強(qiáng)的適用性，特別適用于地震、交通事故等基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞的危急情況下的及時(shí)通信[6]。由于不同路況對(duì)車輛運(yùn)行的限制和不同駕駛員的不同駕駛習(xí)慣，會(huì)造成車流密度的實(shí)時(shí)變化，這就導(dǎo)致車間通信在網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上存在較大困難。另外，車輛行駛過(guò)程中的換道規(guī)則和車輛跟馳規(guī)則又導(dǎo)致車輛之間相互影響，這些特殊的移動(dòng)模式給VANET的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

（四）智能交通信息處理技術(shù)

智能交通信息處理技術(shù)直接關(guān)系到智能交通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的價(jià)值是否能夠?qū)崿F(xiàn)。在智能交通物聯(lián)網(wǎng)的感知層，通過(guò)攝像機(jī)、基站等，收集到各類交通數(shù)據(jù)。這些采集到的數(shù)據(jù)均屬于未加工過(guò)的交通數(shù)據(jù)，可能是視頻信號(hào)、電路信息信號(hào)、GPS的軌跡信息，均不能體現(xiàn)出任何具有交通意義的參數(shù)。因此，必須進(jìn)一步從采集的原始數(shù)據(jù)提取有效的交通信息，進(jìn)而為交管部門、大眾和其他用戶提供決策依據(jù)，還需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理。交通信息處理最關(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù)是模式識(shí)別和統(tǒng)計(jì)技術(shù)。

模式識(shí)別能夠?qū)崿F(xiàn)從原始的采集數(shù)據(jù)（可能是圖像、圖形、文字和語(yǔ)音等）中提取交通相關(guān)參數(shù)，例如車牌號(hào)碼、交通狀態(tài)、交通流量等。典型智能交通模式識(shí)別技術(shù)包括車牌識(shí)別技術(shù)和基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的交通信息提取技術(shù)。車牌識(shí)別技術(shù)一般包括圖像采集、圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割和車牌識(shí)別五個(gè)步驟。具體說(shuō)來(lái)，第一步攝像頭拍攝車牌視頻圖像；第二步對(duì)拍攝得到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，以消除圖像干擾并提高圖像處理速度；第三步從經(jīng)過(guò)預(yù)處理的車牌圖像中提取出車牌字符；第四步將提取出的車牌字符串進(jìn)行分割，變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)單個(gè)字符；第五步將提取字符的特征與存儲(chǔ)庫(kù)中的已知字符模式比對(duì)，識(shí)別出字符，輸出完整的車牌號(hào)碼[7]?；诜涓C基站定位的交通流量提取過(guò)程包括以下過(guò)程：采集基站切換序列、建立基站切換模板庫(kù)、路徑匹配以及交通參數(shù)計(jì)算。通過(guò)事先在所有路段上測(cè)試發(fā)生基站切換的位置點(diǎn)并存儲(chǔ)在切換序列庫(kù)中，將實(shí)時(shí)采集到的基站序列與庫(kù)序列匹配，確定終端所在的道路以及通過(guò)時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出所有道路上的行駛速度、交通流量等參數(shù)。但是，基站切換并不僅僅是與信號(hào)強(qiáng)度相關(guān)，也與當(dāng)前基站的通信容量及運(yùn)營(yíng)策略相關(guān)，因此每條道路的切換序列可能并不完全穩(wěn)定，需要使用諸如濾波等方法平滑處理?；诨厩袚Q行為的智能交通信息采集技術(shù)還需要識(shí)別用戶的交通模式，判斷用戶是步行、騎車還是乘車。此外，在有高架橋和立交橋等重疊區(qū)域，還需要辨別橋上和橋下的不同交通流，需要通過(guò)大量樣本的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，對(duì)每種交通模式進(jìn)行行為建模。

由于交通信息的采集源于多種多樣，所以數(shù)據(jù)采集的方式也多樣化。包括固定線圈、監(jiān)控?cái)z像頭、GPS浮動(dòng)車、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)收集，還包括利用多種數(shù)據(jù)源相互檢驗(yàn)、相互補(bǔ)充、綜合處理，產(chǎn)生高精度的實(shí)時(shí)交通信息。這個(gè)過(guò)程中，從混沌數(shù)據(jù)中獲取有效分析數(shù)據(jù)至關(guān)重要。其中，統(tǒng)計(jì)分析方法是道路交通流狀態(tài)的多參數(shù)融合預(yù)測(cè)經(jīng)典方法。該方法主要包括自適應(yīng)加權(quán)平均、指數(shù)平滑法、利用平均值的遞推估計(jì)算法對(duì)交通參數(shù)進(jìn)行融合。自適應(yīng)加權(quán)平均的數(shù)據(jù)融合算法，是在總均方誤差最小這一最優(yōu)條件下，根據(jù)各個(gè)傳感器所得的檢測(cè)值以自適應(yīng)的方式尋找其對(duì)應(yīng)的權(quán)值，使融合后的值達(dá)到最優(yōu)。

五、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通發(fā)展前景

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能交通領(lǐng)域，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)，將不僅實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界交通領(lǐng)域物理實(shí)體的控制而且實(shí)現(xiàn)信息空間中虛擬鏡像的控制，能為交通管理模式的更新和交通信息的數(shù)據(jù)分析提供強(qiáng)大的科技保障，將全面提升智能交通的管理水平和信息服務(wù)水平。不過(guò)，當(dāng)前的智能交通物聯(lián)網(wǎng)還處于發(fā)展的初級(jí)階段，還沒(méi)有形成規(guī)模。隨著物聯(lián)網(wǎng)的推廣普及、政府的大力扶持、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的成熟，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)會(huì)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要領(lǐng)域，將朝著大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化、集成化和面向服務(wù)化發(fā)展，必將會(huì)帶來(lái)智能交通領(lǐng)域質(zhì)的飛躍，也必將成為智慧城市的重要組成部分。

六、結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)質(zhì)上是傳感技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理和智能控制等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，這對(duì)改善交通管理質(zhì)量、提高管理水平有重大意義，也為降低能耗、改善環(huán)境污染、提升城市形象提供先進(jìn)的技術(shù)支撐，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[8]。