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Ad Hoc 网络课程期末调研报告

智能交通系统架构和国内外工程应用实例

内容摘要
在物联网蓬勃发展的契机下，解决日益发展的交通运输行业的ITS（智能交通系统）应运而生。本文的主要目的是构建基于物联网环境下的智能交通系统模型，提出了新环境下ITS的整体架构，并针对新架构建立相应的评价体系进行实例分析。信息的感知和共享是物联网环境下智能交通系统的基础，如车辆载体信息、货物信息、个人车辆信息、路况信息等内容都可以进行综合应用。整体而言，信息的感知和共享和某些领域的快速发展都可以帮助我们解决现有交通问题。
关键词：物联网;智能交通系统;信息感知
引言
物联网(Internet of Things ,IOT)是指通过射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、视频监控等信息感知设备，按一定的协议标准，将互联网延伸至任何物品，进行信息感知和互联通信，以实现无处不在的智能化目标的网络。其实质就是利用传感器等信息感知技术通过无线网络和计算机互联网以实现任何物品的自动识别、状态检测，达到感知信息的互联和实时共享的目的。
中国智能交通产业目前处于蓬勃快速发展的过程中，在多个领域都取得了显著成效，如交通控制系统、交通监视系统、交通管理系统、交通动态显示系统、交通诱导系统、交通节点监控系统、电子不停车收费系统等，同时覆盖面、技术手段也在不断提升。但目前的问题就是所有这些重点快速发展的系统都偏向于某一类突出问题的解决或应用，尚未形成系统与系统间的联系及多系统融合和共有平台的应用。

一、 智能交通系统架构
（一）物联网环境下智能交通系统的服务功能模型
为了了解我们需要的交通系统架构，我们需要对我们所希望的ITS系统服务进行分类，研究。
ITS系统控制中心

ITS系统控制中心主要负责交通流控制、车辆智能识别、车辆停泊统筹管理、公共车辆时间规划、城市交通基于统计知识的交通规划与管理;在应用层面分为三个方面:应用服务、建维管理和运行管控。
在应用层面中核心的部分是基础信息/数据的采集与实时发布。在应用服务中交通信息中心收集路况信息、实时天气状况，同时包含公共车辆的日程安排、路网的数字化地图以及一些特定条件下的路径引导算法，传送给管理部门和需要信息服务的旅行者，用户可根据需要选取相应的信息;建维管理则对交通运输过程涉及的静态设施和环境信息进行定时采集和处理，并根据实际状况进行信息应用;运行管控是体现物联网智能交通系统特点的重要组成部分，其核心部分在于信息的反馈与控制，着重运输行为的调度、货物的运输路线规划，并对车辆和运行环境的安全性提出更高要求。
二、智能交通系统与物联网的融合
我国现有的城市交通是交通参与者自发进行的，与交通管理者之间信启、互不相通。在正常运行状况下，交通参与者根据自己的判断选择出行路线，交通管理者仅仅通过固定模式的交通标志和信号灯等做有限的行车指导。这导致交通资源未能得到高效率的使用，当车流量饱和、无法进行有效疏导时，由此产生不必要的交通拥堵。而智能交通物联网技术将整个城市内的交通参与者和道路交通状况、事件信J}, I3l等实时收集起来，交通管理者通过信息、汇总、交通组织优化来得出最优的交通协调方法和车辆行驶路线。当道路交通不通畅时，感知设备向交通管理中心发出事件告警，通过对事件原因分析，采取相应的处理措施，在事件发生的第一时间内做出反应，便于及时处理道路交通异常状况以减少不必要的损失;后方行驶的车辆及时得到消息，被合理的引导，绕开交通状况异常的路段。

基础交通数据是城市智能交通系统的原始数据的重要来源之一，也是道路交通管理系统的基础数据源。没有全面、丰富、准确和实时的城市道路网络车流运行状况的原始数据，交通管理系统就无法为出行者提供有效的交通信息，不能对路网的运行现状进行正确的评价，先进的交通管理机制也不可能发挥有效管理作用。所以交通信息采集系统是交通管理最为基础和前端的一环。交通管理的科学化、智能化必须建立在准确获取交通参数的基础之上。缺乏必要的交通基础信息，许多系统都无法发挥其应有的作用;而基础信息不完备也将直接影响到交通控制、交通诱导的效果。
通过物联网技术，让交通信息采集技术由量变产生质变。利用无线传感网络(WSN)，可以成功地实现实时监测路面交通情况，并从整体和局部上及时掌握交通状况变化趋势，通过历史数据库可以推导出各时间各条道路的交通流的变化规律和对突发事件的异常状态，从而提前预测交通变化的可能性，提早做出相应的应对措施。交通流量、车速、车流密度和占有率等交通参数是交通设计需要的最基本参数。交通流量的原始数据应是车辆的计数，但在数据统计分析中，应把车辆数按各种车辆的车型折算成标准车当量数计数。
交通信息、采集的数据源可分为两大类，一类是静态数据，另一类是动态交通信息。静态数据有RFID等阅读器获得预先已经录入进标签的不可随意变动的数据，车牌一号码等信息。若静态数据中含有可唯一标识的ID号，则可成为交通参与对一象的身份识别号。若不存在静态数据捕获的设备，感知的对象信息由系统目动分配。
动态交通信息采集是基于ITS传感器来实现的，在道路检测点设置ITS传感器可以识别道路交通状况、道路环境信J自、及交通异常事件等，并实时传送给感知信息、中心。动态交通信息采集技术是城市交通管理与控制系统有效运行、管理和控制的基础。

三、 物联网环境下智能交通系统的网络层次模型

根据不同的层级的功能和应用划分，以三层架构模型来实现对物联网体系架构的描述，从而实现模型化、系统化。
首先，基于物联网的ITS的具体应用是基于相关硬件基础设施(车辆、人员、环境)，包括路本身和辅助性设施如信标、路边传感器等基础感知工具或信息采集终端均属于感知层。其次，基于物联网的工TS强调信息的共享及充分利用，信息在各个子系统的动态运行及选择由网络层来完成，包括短程微波通信、卫星、光缆通信、工nternet、无线移动通信等相关技术和基础内容:同时网络层还包含、信息的提取、处理、存储功能，并针对不同部门或不同服务的要求提供不同的信息。第三，应用层划分为服务应用和反馈控制两方面内容:服务应用包括基于统计知识的专家系统如公共车辆日程安排、辅助决策如自动路径引导及规划、自适应处理如根据实时交通流信息、调整交通灯以及用户对交通信息的实时查询;反馈控制一方面根据智能层所提供的功能用于不同的服务领域进行交通管理或信息处理，另一方面根据不同的服务需求不断地对智能层的功能进行扩展。
总之，基于物联网的智能交通系统作为一个开放的网络体系，感知层的信息采集、网络层的传输方式和信息、处理、应用层的服务范围和水平都会随着科技的进步与人们需求的增长不断扩展与提高。
四、 物联网环境下智能交通系统架构
智能交通系统是一个由实现不同功能的多个子系统进行一互联互通、有效集成，而形成的复杂的系统或巨系统。在物联网环境一下的智能交通系统中，一方面要对大量的静态交通信息和实时性动态信息进行采集、传输和处理;另一方面，更侧重于各类信息的整合、信息传输、信息汇总、信息融合、信息的深度发掘和共享利用，增加了“人一车一环境”的信息交互与共享，加强了人、道路、车辆和系统管理的一体化运作。
由于智能交通系统是以信息高速公路为技术平台，交通信息(通过动态采集、处理和提供服务)系统为基础，因此在真正意义上促成了交通出行者、交通工具、交通设施以及交通环境所构成的智能交通系统各大要素间的有机联系，并从根本上提高了交通系统的安全性和交通效率。从上述分析可知，智能交通系统是以先进的交通信息系统为基础的。例如日本率先在世界上建立起的“道路车辆信息交换系统(包括车内诱导、信息板诱导、出发前信息诱导等，（ViCS, Vehicle Information &Communication Systems)”，以及车辆导行系统(CNS, Car Navigation System)及其他交通出行者提供多方位的交通信息服务，以调整交通需求趋于合理分布。

五、 感知层、应用层、网络层
（一）、感知层
处于最下方的为感知层是该体系的末端神经，也是物联网技术在智能交通中应用的基础层面，它为上层的作业控制和业务管理等提供高效的信息交互技术手段，为整个交通体系采集交通环境中发生的物理事件和数据。在感知层中又分为数据采集层和传感器组网信息协同处理两部分内容。
(1)数据采集层
数据采集层包括各类交通物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、物品编码、智能嵌入和纳米技术等多种技术。在交通运输过程中，信息的感知作为基础内容，需要根据不同的应用采用相应的方式和技术完成。
(2)传感器组网信息协同处理
自低速与中高速短距离传输技术主要是指传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输过程应用的技术;自组织网络技术则可提高网络的灵活性和抗毁性，增强数据传输的抗干扰能力，而且建网时间短、抗毁性强，然而，它在组网中的同步技术的重要性却日益突出。同时，组织组网以及多个传感器要通过协同信息处理技术对感知到的信息要进行处理，经传感器中间件进行转换和过滤筛选之后传递到网络层进行远距离传输。
（二）、网络层
网络层在智能交通系统中的应用时为了实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高效安全地进行信息传送，因此需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。现阶段移动通信、互联网等技术己比较成熟，基本能够满足物联网交通信息传输的需要，无线网络和行业专网技术的研究有助于促进物联网信息传输新的发展需求，而异构网络间融合的技术有利于物联网时代更加充分的应用己有的网络资源，实现信息大规模、高速度的安全传输。由于智能交通系统需要对末端感知网络与感知结点进行标识解析和地址管理，因此物联网的网络层还要提供相应信息资源管理和存储技术，M2M无线接入和远程控制技术是为了实现物联网中物与物之间的直接智能化控制。数据经过汇总、处理和分流通过相应的系统接口高速准确地传输至相应的交通系统，从而服务于各类交通管理和应用。
（三）、应用层
应用层依据感知层所采集的交通数据资源按入到智能交通系统平台中，通过统一的数据标准形成各类交通子系统的应用规范，应用于支撑平台和应用服务，其中数据接口用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。在物联网数据支持下，智能交通系统的主要应用分为四大模块:交通管理系统、用户服务系统、道路交通管理系统、交通控制系统。
(1)交通管理系统
交通管理系统主要包括交通规划与决策、物流管理、环境管理、公共交通服务等内容。交通规划与决策依据物联网采集的基础交通数据，结合运输活动，依据相应交通规划理论与方法，最终提出规划方案和决策意见;物流管理在系统中的主要内容是根据物质资料实体流动的规律，通过运输活动的计划、组织、指挥、协调、控制和监督，使各项物流活动实现最佳的协调与配合，提高物流效率和经济效益;环境管理包括物联网环境与交通运输环境，系统对这两方面的基础设施、环境属性进行信息实时采集与反馈管理;公共交通服务主要针对出行者或系统用户的交通活动进行组织优化，提供运输辅助。
(2)用户服务系统
物联网环境的智能交通系统在用户服务方面注重以人为本，为用户提供在线实时信息查询服务和出行信息服务，将物联网中海量的交通信息资源，有效信息传递至客户终端;系统结合民航和铁路等交通方式，为用户提供快捷方便的出行订票服务;用户服务系统在用户自主出行的过程中通过对车辆或其他终端设备的管理诱导，以达到道路网络交通流运行稳定的要求。
(3)道路交通管理系统
道路交通智能管理分为交通综合信息管理、自动检测系统、信号控制系统和警务指挥系统四个方面。交通综合信息管理依据基础数据采集获取当前交通网络的使用水平，并对各种运输模式的交通需求和交通运输规划的历史数据进行统计存档处理;自动检测系统主要针对交通流检测信息、实施交通流信息获取、交通流控制测量以及违章信息等方面进行信息获取，为道路管理提供基础数据;信号控制系统包括交通设施设备管理、交通地理信息、气象信息以及提供V工尸服务;警务指挥系统主要面向交通管理过程中的突发事件应急处理，通过感知层的探测和预报，获取事件发生的位置、事件性质以及当前交通状况等信息，及时为相关部门提供数据支持，以实现交通损耗最小化。
(4)交通控制系统
智能交通系统下的交通控制系统实现信息流通的关键步骤:反馈控制。感知层所获取的数据提供给交通系统进行运输规划和交通流优化，核心部分即为交通控制管理。其中交通决策支持包括交通仿真和交通信息统计分析，为系统对运输过程的操作提供信息处理支持;交通业务管理针对事故处理、车辆和人员控制以及路政设施设备管理分别对“事一人/车辆一环境”进行一对一控制管理;交通管理指挥调度分为交通信号控制和VMS信息展示两方面，采用自适应控制策略对交通流进行控制，从而实现城市或区域的交通流运行的通畅很平稳;交通诱导主要通过VMS信息发布、车辆导航和交通广播等信息和控制手段保障交通管理策略的实现。
六、 国内外研究现状
尽管目前物联网研究和开发和仍处于起步阶段，物联网概念模糊，各个国家和地区正抓住机遇，出台政策，进行战略布局。
美国在智能电网，云计算等方面的物联网应用已经取得建设成果，电子传感器等相关产业快速发展，在物联网基础设施、关键技术、架构标准等领域已有领先优势。美国的RFID应用规模占全世界的59% 占据美国电科院分析，智能电网在美国的总投资将达到4000亿美元，而收益将达总投资的3倍以上。美国联邦政府各部门每年预期花费200亿美元完成出体部门云计算迁移的工作。
日本2004年己提出u-Japan国家战略推动物联网发展，即所谓的4U(Ubiquitous, Universal, User-oriented, Unique)，日本已在安全保障、灾难预防、公众服务等领域着手物联网应用，并实现了移动支付产业化发展。
欧盟出台包含《欧洲数字化议程》等竺系列政策促进物联网技术应用。欧盟RFID已经在物流、零售和制药领域等大规模应用。
韩国在2011年5月份发布‘、云计算推广与竞争强化战略”，通过国家战略在物联网应用方面抢占先机，明确提出打造“云计算”强国计划以适应本国物联网产业链的发展。
从全球角度来看物联网发展，中国与美、日、欧、韩等国不相上下。但是，我国在物联网核心器件和软件方面尚做不到自主可控，这需要相关产业加大自主研发力度，掌握更多核心技术。我国的物联网主要发展战略是以政策为导向，形成产业联盟协同发展。国内成立了国家物联网标准联合工作组积极推进物联网标准化工作，《十二五规划建议》再次强调，要“推进物联网研发应用”。移动、联通等电信运营商积极投入“物联网”的技术开发和应用的工作，争夺物联网网络运营商的制高点。
目前国内传感网核心技术不是处于全球领先水平，我们应当尽早研究突破核心技术，第一应当把传感系统和新一代无线通信网络技术结合起来发展，第二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展;三是尽快建立中国的传感信息中心。
我国物联网在智能交通方面取得的新进展有电子不停车收费、视频检测等平安城市建设、智能公交等便民服务设施、交通运输GPS安全定位监管系统、轨道交通物联网系统、RFID定位及车号识别等方面应用。
七、 未来发展趋势
智能交通插上物联网的翅膀，赋予参与交通的各类物体智能，实现人和交通对象的沟通对话，让智能交通朝着“智慧交通”的方向发展。物联网中的智能交通，是将先进的无线网络通信技术、信息感知技术、传感网技术、海量数据处理融合技术、信息共享和发布技术等联合应用于整个交通运输体系而搭建的一种实时的、准确的、智能化的交通管理和控制平台。具体的发展有以下六个方面:
(1)实现交通基础设施的可视、可控技术，交通参与对象的可测，可互联技术，应在交通基础设施网络构建相对应的信息感知、数据提取应用和监管监测服务体系。
(2)实现智能化的数学模型实时模拟交通运输系统状态，让多种运输方式运行协同与效能提升，应对中国综合运输体系构建对应的运输信息、感知、运输效率保障与监管服务。
(3)实现在城市公交与出行信息服务等方面的功能重造，深入结合智能交通发展及城市居民需求，让人民充分享受智能交通带来的便利服务。增强交通数据处理和挖掘能力，通过多种途径向社会发布交通信息，实现主动诱导交通的功能。
(4)实现让每一位交通运输参与者便捷获取交通运输信息，公平、公开地享受同质化、一体化的公共交通服务。提高公共交通服务水平，建立完善的公交信息服务系统。增加信息来源，实现地铁、公交、出租车等多渠道信息的整合与共享。
(5)结合中国国情和各地不同应用需求，在交通信号协调控制、车路协同、航运智能化管理、管控与安全保障等智能交通前沿技术方面，形成具有自主知识产权的科学合理的交通管制措施、完善的基础设施和先进的ITS应用系统协调运作等核心技术，取得实践效果并协调发展，为实现智慧交通下的人、车、路协调一体化创造条件。
(6)积极探索智能交通的商业模式和产业发展机制。深化交通运输领域的智能交通应用，大力推动物联网在ETC, RFID、物流运输和综合交通信息服务等领域大规模建设，并取得产业化成果。

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