無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能交通中的應用

摘要：針對目前中國的交叉路口多、車(chē)流量大、交通混亂等現象，闡述了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的智能交通系統的基本原理。結合國內外將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用于智能交通網(wǎng)系統的已有研究應用情況，指出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能交通中的應用提供參考。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；智能交通系統；節點(diǎn)；系統模型

0 引言
智能交通系統(Intelligent Transportation System，ITS)是在傳統的交通體系的基礎上發(fā)展起來(lái)的新型交通系統，它將信息、通信、控制和計算機技術(shù)以及其他現代通信技術(shù)綜合應用于交通領(lǐng)域，并將“人-車(chē)-路-環(huán)境”有機地結合在一起。事實(shí)上，在現有的交通設施中增加一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將能夠從根本上緩解困擾現代交通的安全、通暢、節能和環(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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于智能交通系統已經(jīng)成為近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
智能交通系統主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通擰制和誘導等幾個(gè)方面。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以為智能交通系統的信息采集和傳輸提供一種有效手段，以用來(lái)監測路面與路口各個(gè)方向上的車(chē)流量、車(chē)速等信息。它主要由信息采集輸入、策略控制、輸出執行、各子系統間的數據傳輸與通信等子系統組成。信息采集子系統主要通過(guò)傳感器來(lái)采集車(chē)輛和路面信息，然后由策略控制子系統根據設定的目標，并運用計算方法計算出最佳方案，同時(shí)輸出控制信號給執行子系統，以引導和控制車(chē)輛的通行，從而達到預設的目標。

1 國內外無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能交通中的應用研究
美國的馬薩諸塞大學(xué)建立的UMass DieselNet智能公文系統主要包括公交車(chē)節點(diǎn)以及安裝在路邊的Throwboxes，可用于提高網(wǎng)絡(luò )的連通性。美國加州大學(xué)伯克利分校的ATMIS項目，哈佛大學(xué)的CitySense項目都開(kāi)展了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在道路交通監測方面的研究。瑞典有一段公路，利用太陽(yáng)能供電傳感器，可以對行駛車(chē)輛做出路面結冰、事故擁堵和其他危險情況的預警。
國內對車(chē)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在火車(chē)車(chē)廂環(huán)境中的測控應用，對車(chē)廂內的空氣質(zhì)量、安全隱患等進(jìn)行全程檢測。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開(kāi)展了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的高速公路交通監控系統研究，并利用此項技術(shù)來(lái)彌補傳統設備能見(jiàn)度低、路面結冰時(shí)無(wú)法對高速路段進(jìn)行有效監控等，從而提出了新的圖像監視系統；此外，對一些天氣突變性強的地區，該技術(shù)也能極大地降低汽車(chē)追尾等交通事故的發(fā)生。
無(wú)線(xiàn)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、車(chē)速測定、停車(chē)管理、綜合信息服務(wù)平臺、智能公交與軌道交通、交通誘導系統和綜合信息平臺等技術(shù)領(lǐng)域。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能交通中的應用關(guān)鍵技術(shù)
2．1 節點(diǎn)技術(shù)
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )交通監控系統中，節點(diǎn)技術(shù)是最常見(jiàn)也是使用最多的一種技術(shù)，通常采用的普通節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)等三類(lèi)傳感器節點(diǎn)的功能是：
普通節點(diǎn)主要承擔數據采集，并將感知的數據信息傳遞給近鄰的節點(diǎn)；匯聚節點(diǎn)用于收集普通節點(diǎn)感知的信息，然后進(jìn)行初步數據處理，并將處理結果傳送到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，匯聚節點(diǎn)之間可以互相通信；網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)用于收集匯聚節點(diǎn)信息并通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò )將信息傳送回控制中心，節點(diǎn)間不具備通信功能，也就是說(shuō)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)主要承擔無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)信號轉換，實(shí)現Internet網(wǎng)絡(luò )的接入功能。
根據各類(lèi)節點(diǎn)功能上的不同，可對節點(diǎn)進(jìn)行分層部署。首先，由普通節點(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點(diǎn)，然后由匯聚節點(diǎn)采用相同的方式將信息傳送給網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。
2．2 地磁傳感技術(shù)
目前在道路上的絕大多數車(chē)輛都由大量的鐵制成，這些鋼鐵比周?chē)目諝飧哂写艥B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，而當車(chē)輛通過(guò)時(shí)，對地磁的影響可能達到地磁強度的幾分之一，因此，可以利用地磁傳感器來(lái)檢測車(chē)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)探測車(chē)輛通過(guò)時(shí)對地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)來(lái)探測車(chē)輛的，傳感器模塊可以依據測量過(guò)往車(chē)輛對地磁場(chǎng)的干擾情況來(lái)檢測車(chē)輛。此外，也可以根據不同車(chē)輛對地磁產(chǎn)生的擾動(dòng)的不同來(lái)識別車(chē)輛類(lèi)型。國外在這方面的應用已經(jīng)非常廣泛。

3 基于移動(dòng)agent的道路交通網(wǎng)的算法系統模型
在圖1所示的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，底層是由數個(gè)車(chē)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)對所得數據進(jìn)行分析和處理得出結論，再傳遞給司機一些指示，從而指導司機在駕駛中選取正確的方向。車(chē)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擴大網(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)檢測交通量、車(chē)速、車(chē)流密度和車(chē)道占有率等交通參數。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構中，安裝在道路兩旁的匯聚節點(diǎn)組成一個(gè)多跳的Mesh基礎網(wǎng)絡(luò )構架，終端節點(diǎn)與匯聚節點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò )并進(jìn)行通信，將最終數據匯聚到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可集成安裝在交叉路口的交通信號控制器內，通過(guò)信號控制器的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )將所采集到的數據發(fā)送到交管中心進(jìn)行進(jìn)一步處理。道路上的車(chē)輛安裝傳感器節點(diǎn)將動(dòng)態(tài)地加入傳感器網(wǎng)絡(luò )在交通信息采集中，匯聚節點(diǎn)可安裝在路邊立柱、橫杠等交通設施上。終端節點(diǎn)可采用非接觸式地磁傳感器來(lái)定時(shí)收集和感知區域內車(chē)輛的速度和車(chē)輛間距等信息。當車(chē)輛進(jìn)入傳感器的監控范圍后，終端節點(diǎn)可通過(guò)磁力傳感器來(lái)采集車(chē)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)的節點(diǎn)。當下一個(gè)節點(diǎn)感應到該車(chē)輛時(shí)，結合車(chē)輛在兩個(gè)傳感器節點(diǎn)間的行駛時(shí)間估計，就可估算出車(chē)輛的平均速度。多個(gè)終端節點(diǎn)將各自采集并初步處理后的信息通過(guò)匯聚節點(diǎn)匯聚到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，進(jìn)行數據融合，獲得道路車(chē)流量與車(chē)輛行駛速度等信息，從而為路口交通信號控制提供精確的輸入信息。此外，通過(guò)給終端節點(diǎn)安裝溫濕度、光照度、氣體檢測等多種傳感器，還可以進(jìn)行路面狀況、能見(jiàn)度、車(chē)輛尾氣污染等檢測。例如：在交叉路口由于視線(xiàn)被阻礙，容易發(fā)生車(chē)輛碰撞事故，而利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集交通信息，就可以設計車(chē)輛防碰撞機制，因而具有很大的現實(shí)意義。

5 測距與定位
在智能公交網(wǎng)系統中，公交車(chē)輛在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的定位是一項復雜而重要的技術(shù)。公交車(chē)輛的位置是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的智能公交監控網(wǎng)的重要交通參數，它決定著(zhù)該系統運行的好壞。采用基于測距的算法或不基于測距的算法，可對位于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的公文車(chē)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)準確測出或者估算出兩個(gè)節點(diǎn)之間的距離，這一技術(shù)是準確得到位置信息的基礎。軟件算法是在現有的各種測距技術(shù)的基礎上，根據各種測距技術(shù)的特點(diǎn)，設計不同的算法來(lái)將已測出的距離信息計算成具體位置信息。其中基于測距算法的測距方式分為基于到達角度的測距方式、基于到達時(shí)間的測距方式、基于接收信號強度的測距方式、基于到達時(shí)間差的測距方式和對稱(chēng)雙邊雙路測距等。不基于測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，對于無(wú)線(xiàn)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)。其中節點(diǎn)定位問(wèn)題屬于網(wǎng)絡(luò )支撐技術(shù)層的一項關(guān)鍵技術(shù)。

6 結語(yǔ)
本文結合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能交通系統中的典型應用，闡述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能交通中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展的日益成熟，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在智能交通系統中還將應用于更多的場(chǎng)合，例如電子收費、交通安全與自動(dòng)駕駛、停車(chē)管理、交通誘導系統等，這將會(huì )更進(jìn)一步推動(dòng)智能交通系統的發(fā)展。