基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路車輛定位技術(shù)

引言

物聯(lián)網(wǎng)主要通過傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)來實(shí)時(shí)采集需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程,包括聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，然后通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入,進(jìn)行物與物、物與人的泛在鏈接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理。

由"物聯(lián)網(wǎng)'‘名稱可見，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，這一概念有兩層意思：第一是物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò);第二是其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間的信息交換和通信。因此,物聯(lián)網(wǎng)的定義就是通過射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議，可將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，來進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。本文的主要目的是研究基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路上的車輛定位技術(shù)與方法。

1  物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施的步驟

物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用上，通常需要各行各業(yè)的參與,并且需要國家政府的主導(dǎo)及其國家在相關(guān)法規(guī)政策上的扶助，物聯(lián)網(wǎng)的開展具有規(guī)模性、廣泛參與性、管理性、技術(shù)性、物的屬性等等特征，圖1所示是物聯(lián)網(wǎng)的特征示意圖。其中，技術(shù)上的問題是物聯(lián)網(wǎng)最為關(guān)鍵的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù),是一個(gè)大系統(tǒng)。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要步驟，首先是對(duì)物體屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí),屬性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的屬性，靜態(tài)屬性可以直接存儲(chǔ)在標(biāo)簽中，動(dòng)態(tài)屬性往往需要先由傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)；其二是需要識(shí)別設(shè)備完成對(duì)物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式;其三是要將物體的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行模ㄌ幚碇行目赡苁欠植际降?，如家里的電腦或者手機(jī)，也可能是集中式的,如中國移動(dòng)的IDC）,然后由處理中心完成物體通信的相關(guān)計(jì)算。

2  無線定位技術(shù)

無線定位技術(shù)最初是為了滿足遠(yuǎn)程航海的導(dǎo)航等要求而產(chǎn)生的。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的出現(xiàn)使得無線定位技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，定位精度得到大幅度提高。同時(shí)，移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展也使一些新的定位技術(shù)成為可能。全球三大通信廠商：愛立信、摩托羅拉和諾基亞于2000年10月成立了“位置信息互操作論壇LIF（LocationInteroperabilityForum）",其目標(biāo)是在全球范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)和終端上提供基于位置的服務(wù)LBS（LocationBasedService）_o歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)ETSI對(duì)GSM系統(tǒng)的無線定位也提出了一系列標(biāo)準(zhǔn)。近年來，基于RFID技術(shù)的定位也得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1  GPS技術(shù)

GPS是一套具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過十多年全球眾多專業(yè)部門的使用表明，GPS具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)。如今,GPS客戶端接收器體積不斷縮小，客戶端的精確度越來越高，甚至己經(jīng)出現(xiàn)在一些高端手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品中。

2.2  蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)

GPS功能強(qiáng)大，但是需要專門的客戶端設(shè)備才能使用，因而不利于其在廣泛人群中的普及。但是，在應(yīng)急服務(wù)等領(lǐng)域，用戶往往迫切需要了解自己的地理位置。因此，一些國家開始考慮使用手機(jī)這一普及率很高的終端設(shè)備提供定位信息。美國通信委員會(huì)在1996年通過了增強(qiáng)911法案（在1999年再次修訂），這個(gè)法案要求手機(jī)運(yùn)營商必須知道每一部手機(jī)的地理位置（誤差在50?100m誤差之內(nèi)）。任何一部手機(jī)撥打美國緊急服務(wù)電話911,政府就要知道其位置，即使用戶自身不知道身在哪里。這一法案，迫使電信運(yùn)營商開始發(fā)展蜂窩網(wǎng)定位系統(tǒng)。

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)行定位估計(jì)的位置、定位主體及采用的設(shè)備的不同，可將移動(dòng)臺(tái)的無線定位方案分為三類:基于移動(dòng)臺(tái)的定位方案，基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案及GPS輔助定位方案。

2.3  RFID定位技術(shù)

RFID定位技術(shù)可以由用戶自己布置在特定區(qū)域進(jìn)行定位，例如停車場(chǎng)、滑雪場(chǎng)。在這些區(qū)域的特定地點(diǎn)（例如關(guān)鍵出入口）安放RFID閱讀器之后，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到帶有RFID裝置的物體處于什么位置，其原理類似于在關(guān)鍵位置安排眾多看守人員對(duì)過往物品進(jìn)行登記，需要尋找特定物體的時(shí)候，只要查詢一下看守人員的登記信息就可以了。

2.4  RFID定位技術(shù)與GPS的比較

GPS定位技術(shù)的缺點(diǎn)是在城市會(huì)受到高樓、立交橋、隧道、無線電干擾等，從而造成GPS信號(hào)接收困難或丟失,不能準(zhǔn)確導(dǎo)航定位；而在野外也會(huì)由于樹林、山洞、惡劣天氣等，造成GPS信號(hào)中斷而無法確認(rèn)位置。另外，在GPS系統(tǒng)中，也有難以奏效的室內(nèi)定位領(lǐng)域。

RFID定位系統(tǒng)不需要衛(wèi)星或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)的配合,其精確度在于RFID閱讀器的分布，而閱讀器的分布可以由用戶自身根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置,很適合只需要在特定區(qū)域進(jìn)行定位的用戶，因而具有極高實(shí)用價(jià)值。

3  基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛定位設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)上可分為四大部分:車載有源RFID電子標(biāo)簽、RFID射頻集信基站、分控中心和高速公路車輛管理中心。系統(tǒng)可通過無線射頻技術(shù)提供其所在車輛的基本信息，包括車主信息、車輛狀態(tài)等。RFID射頻集信基站的功能是接收車載有源RFID電子標(biāo)簽發(fā)射的信息。該系統(tǒng)采用有源RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)路邊RFID射頻集信基站與車載有源RFID電子標(biāo)簽間的通信,并對(duì)車輛身份進(jìn)行識(shí)別。該系統(tǒng)可用于高速路的交通和車輛管理。通過在需要管理和監(jiān)控的場(chǎng)合設(shè)立集信基站（以下簡(jiǎn)稱基站），基站就可通過無線射頻通信方式與安裝在汽車上的車載有源RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，以獲取車輛牌照（或其他有關(guān)信息），并發(fā)布必要的交通信息給車輛駕駛員?；究膳c高速路段的分控中心聯(lián)網(wǎng)，而分控中心又可與交通車輛管理中心聯(lián)網(wǎng),從而構(gòu)成整個(gè)高速路動(dòng)態(tài)交通監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

分控中心和高速公路車輛管理中心根據(jù)所獲取車載RFID有源電子標(biāo)簽中的信息、地域編碼和車輛通過RFID射頻集信基站的時(shí)間來形成車輛

行駛記錄，并以數(shù)據(jù)庫的形式存檔。在全國范圍內(nèi)，高速公路車輛管理中心可通過互聯(lián)網(wǎng)查詢?nèi)魏诬囕v信息。高速公路車輛管理中心是交通管理的通信、調(diào)度、監(jiān)控和協(xié)調(diào)指揮樞紐，可分級(jí)分區(qū)設(shè)置。主區(qū)域控制中心下轄多個(gè)分控中心，分控中心按不同的區(qū)域平行設(shè)置。控制中心之間可以相互交換數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)交通車輛的跨區(qū)域管理、調(diào)度與協(xié)調(diào)。分控中心的設(shè)置應(yīng)該根據(jù)交通道路的主次、道路密度及道路的交通密度來設(shè)置。

基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛定位技術(shù)方案的關(guān)鍵問題有兩個(gè)，其一是車輛的高速識(shí)別。要想實(shí)現(xiàn)車輛在高速公路上的定位，首先要解決的問題就是實(shí)現(xiàn)車輛的高速識(shí)別問題。車輛在高速公路上行駛正常速度為100-120km/h,車速較高時(shí)可以達(dá)到200km/h以上,一個(gè)標(biāo)識(shí)站中的讀寫器可以覆蓋的有效距離大約為100米，所以，通過標(biāo)識(shí)站的時(shí)間只有大約30ms。這么短的時(shí)間內(nèi)，要能夠正確的讀取車內(nèi)的RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，是需要解決的主要關(guān)鍵問題。

第二便是RFID電子標(biāo)簽的封裝。RFID電子標(biāo)簽的封裝形態(tài)通常要求識(shí)別率高、可靠性高、成本低、便于在車上安裝和拆卸、封裝中應(yīng)避免由于操作原因而產(chǎn)生無法識(shí)別的現(xiàn)象。同時(shí)還要便于攜帶以及與現(xiàn)有IC卡的有機(jī)合成等，這些都將是需要重點(diǎn)攻關(guān)的內(nèi)容。

4  物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與展望

物聯(lián)網(wǎng)的用途遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理、個(gè)人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵査和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域。

盡管物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在整體上還處于起步階段，但其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)初見成效。目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要集中在物流、軍事、監(jiān)控管理、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域。通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在軍事領(lǐng)域可以減少打擊時(shí)間，擴(kuò)大探測(cè)范圍，提高跟蹤的準(zhǔn)確性與連續(xù)性，增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與鑒別能力，從而有效地提高作戰(zhàn)效能;在其他領(lǐng)域,可以更好地掌握關(guān)注對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息，從而為目標(biāo)識(shí)別、診斷、應(yīng)急處置等應(yīng)用提供決策依據(jù)。

隨著傳感、測(cè)控、通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展完善,物聯(lián)網(wǎng)將展現(xiàn)出更為強(qiáng)大的生命力，其應(yīng)用將會(huì)滲透到各個(gè)行業(yè)，遍布人們生活的各個(gè)方面。物聯(lián)網(wǎng)作為以強(qiáng)大的需求為牽引的前沿技術(shù)，將繼續(xù)推動(dòng)計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將使信息獲取出現(xiàn)革命性的轉(zhuǎn)機(jī),引領(lǐng)信息技術(shù)邁上新的臺(tái)階，并同時(shí)也將帶動(dòng)集傳感、采集、處理、收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)于一體的微系統(tǒng)與傳感器產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。因此，物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)無疑將具有難以估量的市場(chǎng)價(jià)值與發(fā)展前景。