無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)目前中國(guó)的交叉路口多、車流量大、交通混亂等現(xiàn)象，闡述了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)的基本原理。結(jié)合國(guó)內(nèi)外將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能交通網(wǎng)系統(tǒng)的已有研究應(yīng)用情況，指出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能交通中的交通信息采集、交通信息傳輸、交通控制和誘導(dǎo)等方面的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，以便為進(jìn)一步研究并拓展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能交通系統(tǒng)；節(jié)點(diǎn)；系統(tǒng)模型

0 引言
    智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)是在傳統(tǒng)的交通體系的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型交通系統(tǒng)，它將信息、通信、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及其他現(xiàn)代通信技術(shù)綜合應(yīng)用于交通領(lǐng)域，并將“人-車-路-環(huán)境”有機(jī)地結(jié)合在一起。事實(shí)上，在現(xiàn)有的交通設(shè)施中增加一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將能夠從根本上緩解困擾現(xiàn)代交通的安全、通暢、節(jié)能和環(huán)保等問(wèn)題，同時(shí)還可以提高交通工作效率。因此，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)已經(jīng)成為近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
    智能交通系統(tǒng)主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通擰制和誘導(dǎo)等幾個(gè)方面。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集和傳輸提供一種有效手段，以用來(lái)監(jiān)測(cè)路面與路口各個(gè)方向上的車流量、車速等信息。它主要由信息采集輸入、策略控制、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。信息采集子系統(tǒng)主要通過(guò)傳感器來(lái)采集車輛和路面信息，然后由策略控制子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，并運(yùn)用計(jì)算方法計(jì)算出最佳方案，同時(shí)輸出控制信號(hào)給執(zhí)行子系統(tǒng)，以引導(dǎo)和控制車輛的通行，從而達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

1 國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用研究
    美國(guó)的馬薩諸塞大學(xué)建立的UMass DieselNet智能公文系統(tǒng)主要包括公交車節(jié)點(diǎn)以及安裝在路邊的Throwboxes，可用于提高網(wǎng)絡(luò)的連通性。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的ATMIS項(xiàng)目，哈佛大學(xué)的CitySense項(xiàng)目都開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通監(jiān)測(cè)方面的研究。瑞典有一段公路，利用太陽(yáng)能供電傳感器，可以對(duì)行駛車輛做出路面結(jié)冰、事故擁堵和其他危險(xiǎn)情況的預(yù)警。
    國(guó)內(nèi)對(duì)車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也在積極開(kāi)展。武漢理工大學(xué)開(kāi)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火車車廂環(huán)境中的測(cè)控應(yīng)用，對(duì)車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等進(jìn)行全程檢測(cè)。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開(kāi)展了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)研究，并利用此項(xiàng)技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)備能見(jiàn)度低、路面結(jié)冰時(shí)無(wú)法對(duì)高速路段進(jìn)行有效監(jiān)控等，從而提出了新的圖像監(jiān)視系統(tǒng)；此外，對(duì)一些天氣突變性強(qiáng)的地區(qū)，該技術(shù)也能極大地降低汽車追尾等交通事故的發(fā)生。
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中還可以用于交通信息發(fā)布、電子收費(fèi)、車速測(cè)定、停車管理、綜合信息服務(wù)平臺(tái)、智能公交與軌道交通、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)和綜合信息平臺(tái)等技術(shù)領(lǐng)域。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)
2．1 節(jié)點(diǎn)技術(shù)
    在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通監(jiān)控系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)技術(shù)是最常見(jiàn)也是使用最多的一種技術(shù)，通常采用的普通節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等三類傳感器節(jié)點(diǎn)的功能是：
    普通節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)數(shù)據(jù)采集，并將感知的數(shù)據(jù)信息傳遞給近鄰的節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)用于收集普通節(jié)點(diǎn)感知的信息，然后進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用于收集匯聚節(jié)點(diǎn)信息并通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將信息傳送回控制中心，節(jié)點(diǎn)間不具備通信功能，也就是說(shuō)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)無(wú)線和有線信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)的接入功能。
    根據(jù)各類節(jié)點(diǎn)功能上的不同，可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層部署。首先，由普通節(jié)點(diǎn)將感知信息以單跳或多跳路由協(xié)議的方式把信息傳送到距離其最近的匯聚節(jié)點(diǎn)，然后由匯聚節(jié)點(diǎn)采用相同的方式將信息傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
2．2 地磁傳感技術(shù)
    目前在道路上的絕大多數(shù)車輛都由大量的鐵制成，這些鋼鐵比周圍的空氣更具有磁滲透性。地磁傳感器可以分辨出地球磁場(chǎng)六千分之一的變化，而當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)，對(duì)地磁的影響可能達(dá)到地磁強(qiáng)度的幾分之一，因此，可以利用地磁傳感器來(lái)檢測(cè)車輛的存在，并且其具有極高的靈敏度。地磁傳感器就是通過(guò)探測(cè)車輛通過(guò)時(shí)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)來(lái)探測(cè)車輛的，傳感器模塊可以依據(jù)測(cè)量過(guò)往車輛對(duì)地磁場(chǎng)的干擾情況來(lái)檢測(cè)車輛。此外，也可以根據(jù)不同車輛對(duì)地磁產(chǎn)生的擾動(dòng)的不同來(lái)識(shí)別車輛類型。國(guó)外在這方面的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。

3 基于移動(dòng)agent的道路交通網(wǎng)的算法系統(tǒng)模型
    在圖1所示的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，底層是由數(shù)個(gè)車輛傳感器裝置的移動(dòng)agent實(shí)體組成的(移動(dòng)agent在交通網(wǎng)絡(luò)中看作一個(gè)節(jié)點(diǎn))，底層可以從其他的agent上接收信息再傳遞信息到另外的移動(dòng)agent。通過(guò)相互交換，它們可以獲取城市交通網(wǎng)絡(luò)中的不同信息，并通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理得出結(jié)論，再傳遞給司機(jī)一些指示，從而指導(dǎo)司機(jī)在駕駛中選取正確的方向。車輛上的移動(dòng)agent實(shí)體可以容易地進(jìn)入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，所以，不需要額外的操作就能很容易地?cái)U(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

4 交通信息的采集
    信息采集主要是通過(guò)傳感器來(lái)在道路上實(shí)時(shí)檢測(cè)交通量、車速、車流密度和車道占有率等交通參數(shù)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，安裝在道路兩旁的匯聚節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)多跳的Mesh基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通信，將最終數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可集成安裝在交叉路口的交通信號(hào)控制器內(nèi)，通過(guò)信號(hào)控制器的專有網(wǎng)絡(luò)將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心進(jìn)行進(jìn)一步處理。道路上的車輛安裝傳感器節(jié)點(diǎn)將動(dòng)態(tài)地加入傳感器網(wǎng)絡(luò)在交通信息采集中，匯聚節(jié)點(diǎn)可安裝在路邊立柱、橫杠等交通設(shè)施上。終端節(jié)點(diǎn)可采用非接觸式地磁傳感器來(lái)定時(shí)收集和感知區(qū)域內(nèi)車輛的速度和車輛間距等信息。當(dāng)車輛進(jìn)入傳感器的監(jiān)控范圍后，終端節(jié)點(diǎn)可通過(guò)磁力傳感器來(lái)采集車輛的行駛速度等信息，并將信息傳送給下一個(gè)定時(shí)醒來(lái)的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到該車輛時(shí)，結(jié)合車輛在兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的行駛時(shí)間估計(jì)，就可估算出車輛的平均速度。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)將各自采集并初步處理后的信息通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲得道路車流量與車輛行駛速度等信息，從而為路口交通信號(hào)控制提供精確的輸入信息。此外，通過(guò)給終端節(jié)點(diǎn)安裝溫濕度、光照度、氣體檢測(cè)等多種傳感器，還可以進(jìn)行路面狀況、能見(jiàn)度、車輛尾氣污染等檢測(cè)。例如：在交叉路口由于視線被阻礙，容易發(fā)生車輛碰撞事故，而利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集交通信息，就可以設(shè)計(jì)車輛防碰撞機(jī)制，因而具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

5 測(cè)距與定位
    在智能公交網(wǎng)系統(tǒng)中，公交車輛在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的技術(shù)。公交車輛的位置是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能公交監(jiān)控網(wǎng)的重要交通參數(shù)，它決定著該系統(tǒng)運(yùn)行的好壞。采用基于測(cè)距的算法或不基于測(cè)距的算法，可對(duì)位于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的公文車輛進(jìn)行定位。
    目前的定位技術(shù)主要有硬件技術(shù)與軟件算法。硬件技術(shù)即是通過(guò)各種技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)出或者估算出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，這一技術(shù)是準(zhǔn)確得到位置信息的基礎(chǔ)。軟件算法是在現(xiàn)有的各種測(cè)距技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各種測(cè)距技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的算法來(lái)將已測(cè)出的距離信息計(jì)算成具體位置信息。其中基于測(cè)距算法的測(cè)距方式分為基于到達(dá)角度的測(cè)距方式、基于到達(dá)時(shí)間的測(cè)距方式、基于接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距方式、基于到達(dá)時(shí)間差的測(cè)距方式和對(duì)稱雙邊雙路測(cè)距等。不基于測(cè)距的定位方式分為質(zhì)心定位算法、DV-Hop定位算法和APIT定位算法等。
    目前，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的研究熱點(diǎn)主要集中在3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上，即網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)。其中節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題屬于網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)層的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)
    本文結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著技術(shù)發(fā)展的日益成熟，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中還將應(yīng)用于更多的場(chǎng)合，例如電子收費(fèi)、交通安全與自動(dòng)駕駛、停車管理、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)等，這將會(huì)更進(jìn)一步推動(dòng)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。