基于5G技术的智能交通系统设计与实现.pdf

2023 年 7 月基于技术的智能交通系统设计与实现梁能（广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江 524088）【摘要】为了提高交通系统的效率尧安全性和环境友好性袁需研发新型的智能交通系统遥 而 5G 技术的快速发展和广泛应用为智能交通系统的设计与实现提供了新的机遇遥 基于此袁对智能交通系统进行研究袁设计一种基于 5G 技术的智能交通系统袁以提高交通系统的效率和安全性袁具有重要参考价值遥【关键词】5G 技术曰智能交通系统曰实时通信【中图分类号】U491.71【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）07-0013-030 引言随着城市化进程的加快和交通需求的不断增长，交通拥堵、交通事故和环境污染等问题已成为制约城市可持续发展的重要因素。因此，设计一种高效、智能的交通系统成为当今城市交通发展的必由之路。1 5G 技术概述1.1 5G 技术的发展历程和特点相较于 2G、3G 和 4G 技术，5G 技术具有高速率、低延迟和大链接数据等特点，给智能交通系统的设计和实现带来了新的机遇。在智能交通系统的发展历程中，5G 技术突破了多项关键技术壁垒，例如，采用毫米波通信技术实现更大的带宽和数据传输速率，引入大规模天线阵列和波束成形技术，扩大网络的覆盖范围，提高信号质量，并引入网络切片、边缘计算和虚拟化等技术，赋予 5G 网络更强的灵活性、可扩展性和更高的资源利用率。（1）高速率。5G 技术的峰值数据传输速率是 4G技术的几十倍甚至上百倍，可支持更快的数据传输和下载速度。（2）低延迟。5G 技术能够实现毫秒级别的实时响应和即时交互，提高智能交通系统的精确性和效率。（3）链接数据量大。5G 技术能够同时连接大量设备和用户，满足智能交通系统中各个设备的互联需求。（4）高可靠性。5G 技术通过多路径传输和网络切片提供更高的网络可靠性和安全性，确保智能交通系统的稳定性。（5）低能耗。5G 技术通过智能功耗管理和调度策略降低智能交通系统设备能耗，延长终端设备的续航时间1。1.2 5G 技术在智能交通系统中的应用潜力首先，可以实现车联网和车辆通信。通过 5G 技术，车辆可以与周围基础设施、其他车辆之间进行高效的实时通信。这种车辆与车辆之间、车辆与基础设施之间的实时通信可以实现车辆之间的协同行驶、交通信息共享和交通管理优化，有利于提高交通系统的效率和安全性。其次，可以支持基于 5G 技术的交通信号控制系统。通过在交通信号灯上部署 5G 通信模块，可以实现交通信号的智能控制和优化。交通信号可以根据实时交通流量和需求进行调整，减少交通拥堵和等待时间，提高交通流畅度和交通效率。最后，可以实时获取和处理交通信息。通过 5G网络，交通系统可以实时采集并传输车辆和道路的各种数据，如车速、车辆密度、道路状况等，并对这些数据进行实时处理和智能分析，进而为交通管理者提供准确的交通状况信息，帮助其做出科学决策和调度，提高智能交通系统的效率和安全性。2 智能交通系统的设计2.1 智能交通系统的架构2.1.1 感知层感知层是智能交通系统的基础，可通过各种传感器和监测设备，获取道路、车辆和环境等信息。传感器包括交通摄像头、雷达、无线传感器网络和车载传感器等，用于实时收集和监测交通数据。2.1.2 通信层通信层负责数据的传输和通信，将感知层获取到的数据传输给上层处理。在基于 5G 技术的智能交通系统中，5G 网络扮演着重要角色，具有高速、低延迟和大链接数据的通信能力，可快速传输和处理数据。2.1.3 数据处理层数据处理层负责对感知层获取的数据进行处理和分析，进而提取有用的信息。数据处理层应用数据存储、数据挖掘、机器学习和人工智能等技术，对大量数据进行实时处理和智能分析，以支持交通决策通信设计与应用132023 年 7 月和管理。2.1.4 应用层应用层是智能交通系统的最上层，主要提供各种交通管理和服务功能，这些功能包括实时交通监控、交通信号控制、路线规划和导航、车辆追踪和管理、交通事故预警等。应用层通过与数据处理层和通信层的交互，实现智能化的交通决策和优化2。2.2 智能交通系统的功能需求（1）智能交通系统需要具备实时交通监测功能，以准确监测道路交通流量、速度、拥堵情况等信息，并提供可靠的交通状态和路况预测，进而帮助用户选择最佳出行路线，同时，为交通管理部门提供数据支持。（2）智能交通系统应具备交通信号控制与优化功能，通过实时数据分析和优化算法，自动调整信号灯配时，以提高交通流畅度，减少拥堵，有利于缓解交通压力，提升道路通行效率。（3）智能交通系统需要提供精准的路线规划和导航服务，根据用户需求和实时交通情况，为用户提供个性化的出行方案，帮助用户避开拥堵路段，节省时间，减少能源消耗。（4）智能交通系统应具备车辆追踪与管理功能，通过车载设备或其他定位技术实现对车辆的实时追踪和管理，包括车辆位置监控、行驶轨迹记录、违规行为检测等，进一步提高交通管理的效率和安全性。（5）智能交通系统需要具备交通事故预警与处理功能，能及时发现并预防交通事故，通过智能分析和决策，为用户提供快速的事故处理指导，降低事故发生概率，缩短处理时间，提高交通安全水平。（6）智能交通系统应提供个性化的用户信息服务，如实时公交到站信息、停车位查询、交通费用计算等，以提升用户出行便利性和体验。（7）智能交通系统应具备强大的数据安全和隐私保护机制，确保用户和交通数据的安全性和隐私性。3 5G 技术在智能交通系统中的关键应用3.1 实现车联网和车辆通信3.1.1 实现车辆与基础设施之间的通信基于 5G 技术，车辆可以与周围基础设施进行高效通信。例如，交通信号灯、路侧传感器、路边摄像头等基础设施可以通过 5G 技术与车辆进行实时通信，交换交通信息和控制命令。在此过程中，车辆可以获取交通灯状态、路况信息、交通管制指令等，从而实现更精确的行驶决策和调整。同时，基于车辆与基础设施之间的通信，交通管理部门可以实时获取车辆位置、行驶轨迹等信息，为交通管理决策提供数据支持。此外，车辆与基础设施之间的通信可以用于交通流优化和拥堵管理。通过 5G 技术，交通系统可以实时掌握道路上车辆的数量、速度和位置信息，进行交通流预测和调度优化。其中，交通信号灯可以根据实时交通情况自动调整配时，优化道路通行效率，减少交通拥堵3。3.1.2 实现车辆之间的通信5G 技术为车辆之间的通信提供了更大带宽和更低延迟，实现了车辆之间快速、可靠的通信。车辆之间的通信可以用于实时交换行驶信息，如车速、位置、加速度等，以实现更精准的车辆控制和协同行驶。例如，在高速公路上，车辆之间可以通过 5G 技术进行协作，形成车队，实现车辆的自动跟随和自动驾驶，提高交通流量和安全性。车辆之间的通信还可以用于实现车辆的合作感知和协同决策。通过共享周围环境信息，车辆可以更准确地感知和识别交通障碍物、行人等，实现危险预警和避免碰撞。同时，车辆之间可以进行协同决策，共同制定行驶策略和交通规划，实现更高效、更安全的道路使用。3.2 支持基于 5G 技术的交通信号控制系统传统的交通信号控制系统受限于定时或感应控制，无法灵活地应对实时交通情况，而基于 5G 技术的交通信号控制系统则能够提供更精准、更高效、更智能的交通信号控制。通过与车辆和交通管理中心之间的通信，该系统可以实时获取道路上的交通信息，准确评估交通状况，动态调整信号配时方案，以提高车辆通行效率。此外，该系统还支持交通优先策略，为公共交通工具提供优先通行权，提高公共交通的准时性和可靠性。同时，通过实时交通监测和交通冲突预测，能够为交通参与者提供安全保障，减少交通事故的发生。总而言之，基于 5G 技术的交通信号控制系统具有实时性、灵活性和智能化的特点，为城市交通管理部门提供了更有效的管理工具和手段，能够优化交通流量，提升道路交通的安全性和通行效率。3.3 实时获取和处理交通信息3.3.1 数据采集与传输在基于 5G 技术的智能交通系统中，实时交通信息的获取是关键环节。通过传感器、摄像头、雷达等装置，可以采集道路上的交通数据，包括车辆流量、速度、密度以及交通事件等。这些数据通过 5G 技术进行传输，由于 5G 技术具有高带宽和低延迟的特点，可以快速、稳定地将数据传送到交通管理中心或云服务器进行处理。3.3.2 数据处理和分析交通管理者需要将获取到的实时交通数据进行通信设计与应用142023 年 7 月处理和分析，以提取有用的信息并做出相应的决策。基于 5G 技术的智能交通系统利用大数据分析、机器学习和人工智能等技术，对交通数据进行实时处理和智能分析。通过对数据进行实时监测、预测和模拟，识别交通拥堵、事故风险和交通流量变化等情况，为交通管理者提供决策支持4。同时，通过数据的可视化呈现和交互式分析工具，交通管理者可以直观地了解交通状况，并采取相应的措施，如调整信号配时、引导交通流动等，以提高智能交通系统的运行效率和安全性。4 智能交通系统的实现路径4.1 5G 网络4.1.1 核心网架构5G 网络的核心网采用了分布式、虚拟化的架构，以提供灵活、可扩展的网络服务。核心网中的网络切片技术被广泛应用，将网络资源划分为不同的切片，以满足智能交通系统的不同需求。例如，针对车辆通信和交通信号控制等应用场景，可以创建专门的切片来提供定制化服务。4.1.2 边缘计算5G 网络引入了边缘计算的概念，将计算和存储资源移动到网络边缘，以降低时延和减少数据传输量。在智能交通系统中，边缘计算可用于实时交通数据的处理和分析，提供快速的决策支持。同时，边缘节点还可以部署智能交通设备和应用，实现更高效的交互和协同。4.1.3 大规模天线阵列和波束成形技术5G 网络利用大规模天线阵列和波束成形技术，提高了网络的覆盖范围和信号质量。在智能交通系统中，这种技术可以用于车辆与基础设施之间的通信，提供稳定、高速的数据传输，以实现实时的交通信息获取和车辆控制。4.1.4 安全性与隐私保护智能交通系统的安全性与隐私保护是极为重要的内容。5G 网络采用了多层次的安全机制，包括身份验证、加密和认证等技术，以保障通信的安全性。此外，网络切片技术也可以用于隔离数据传输，保护用户隐私和敏感信息。4.2 车辆感知与控制技术在基于 5G 技术的智能交通系统中，车辆感知与控制技术起着关键作用。通过传感器、车辆通信和定位导航等技术，车辆能够实时感知道路、交通标识和障碍物等信息，实现精确的感知。同时，通过自动驾驶技术和车辆运行状态监测与管理，车辆能够自主驾驶并进行状态监测与管理。上述技术的应用使交通系统更加高效、安全和智能化。在 5G 网络的支持下，车辆之间和车辆与基础设施之间可以进行高速、低延迟的实时通信，实现协同感知。4.3 数据处理与智能决策在基于 5G 技术的智能交通系统中，数据处理与智能决策是实现智能化交通管理和优化的关键步骤。通过 5G 技术收集到的大量实时交通数据需要进行高效的处理和分析，以提取有用的信息，并及时发现关键问题，并支持智能决策的制定和执行。数据处理阶段涉及数据清洗、整合、存储和处理等过程。首先，对采集到的交通数据进行清洗，去除错误、重复或不完整的数据，确保数据的准确性和可靠性。其次，将不同来源的交通数据进行整合，包括车辆感知、交通信号、路况等数据，以建立全面的交通信息数据库。最后，通过存储和管理这些数据，确保数据的可持续性和可访问性5。智能决策阶段利用数据处理的结果进行交通管理和优化决策。通过数据分析和挖掘技术，对交通数据进行模式识别、趋势分析和预测，以了解交通状况和趋势。基于这些分析结果，智能交通系统可以实时调整交通信号灯的配时，缓解拥堵。同时，智能决策还可以通过交通预测和路径规划等手段，为驾驶员和乘客提供最佳的出行建议，减少行程时间和能源消耗。5 结语智能交通通过充分利用 5G 技术的优势和特点，实现高效、安全和智能化的交通服务，提升了城市交通的通行效率和用户的出行体验。然而，基于 5G 技术的智能交通系统设计与实现是一个复杂且重要的任务，需要综合考虑技术、需求等方面的因素。通过不断的研究和创新，构建更加智能、高效和可持续发展的智能交通系统，为未来的城市交通发展做出贡献。参考文献1 梁东晓.浅谈 5G 通信的行业应用：智能交通系统J.中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022（8）：160-162.2 王遥.5G 通信技术在智能交通系统中的应用J.电脑乐园，2018（10）：396.3 马和平.5G 技术在智能交通领域的应用J.科技资讯，2022，20（7）：22-24.4 钟志文.基于 5G 技术的智慧城市交通系统分析J.电子技术与软件工程，2020（21）：26-27.5 衣华军，王昆鹏，张书民.城市智能交通系统设计分析及应用研究J.时代汽车，2022（23）：193-195.作者简介院梁能（1969），男，汉族，广东高州人，本科，讲师，研究方向为现代通信网、无线宽带通信、通信工程设计、计算机网络通信、移动通信。通信设计与应用15