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物联网技术结课论文

物联网技术在智能交通中的应用

西安电子科技大学
电子工程学院 智能科学与技术
李东櫆
02115098

西安电子科技大学电子工程学院
智能科学与技术 李东櫆
【摘要】
近年来，沸沸扬扬的物联网概念开始进入人们的视野，物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。本文主要介绍了基于物联网架构的智能交通信号采集与控制体系，指出了物联网技术和智能交通领域的相互融合趋势。文章以智能交通中的信号实时采集、动态控制诱导、最优路径规划等环节入手，阐释了各种智能传感器、电子标签、地理信息系统及定位技术在智能交通中的应用情况，整体描述了物联网架构的智能交通的具体实现。

1. 概述
随着经济的发展和社会的进步，城市人口增多，汽车的数量持续增加，交通拥挤和堵塞现象日趋严重，由此引发的环境噪声、大气污染、能源消耗等已经成为现在全球各工业发达国家和发展中国家面临的严峻问题。智能交通系统作为近十年大规模兴起的改善交通堵塞减缓交通拥挤的有效技术措施，越来越受到国内外政府决策部门和专家学者的重视，在许多国家和地区也开始了广泛的应用。
随着近两年物联网技术在国内的迅捷发展，智能交通领域被赋予了更多的科技内涵，在技术手段和管理理念上也引起了革命性变革。
目前，社会各界对物联网“理解不一，专家对物联网解读各有侧重。一般认为，物联网指通过射频识别、传感器网络、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。1999年由麻省理工学院Auto-ID研究中心提出物联网概念，它实质上等于RFID技术和互联网的结合应用。2005年，ITU在《The Internet of Things》报告中对物联网概念进行扩展，提出任何时刻，任何地点，任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景，除RFID技术外，传感器技术、纳米技术、智能终端等技术将得到更加广泛的应用。 
相对于以前以环形线圈和视频为主要手段的车流量检测及依此进行的被动式交通控制，物联网时代的智能交通，全面涵盖了信息采集、动态诱导、智能管控等环节。通过对机动车信息和路况信息的实时感知和反馈，在GPS、RFID、GIS（地理信息系统）等技术的集成应用和有机整合的平台下，实现了车辆从物理空间到信息空间的唯一性双向交互式映射，通过对信息空间的虚拟化车辆的智能管控实现对真实物理空间的车辆和路网的“可视化”管控。 
作为物联网感知层的传感器技术的发展，实现了车辆信息和路网状态的实时采集，从而使得路网状态仿真与推断成为可能，更使得交通事件从“事后处置”转化为“事前预判”这一主动警务模式，是智能交通领域管理体制的深刻变革。
目前的智能交通系统（ITS，Intelligent Transport System）主要包括以下几个方面：先进的交通信息服务系统、先进的交通管理系统、先进的公共交通系统、先进的车辆控制系统、先进的运载工具操作辅助系统、先进的交通基础设施技术状况感知系统、货运管理系统、电子收费系统和紧急救援系统。
根据ITS的定义，ITS是将传感器技术、RFID技术、无线通信技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术、视频检测识别技术、GPS、信息发布技术等运用于整个交通运输管理体系中，从而建立起实时的、准确的、高效的交通运输综合管理和控制系统。显然，智能交通行业中无处不在利用物联网技术、网络和设备来实现交通运输的智能化。ITS，是作为继计算机产业、互联网产业、通信产业之后的又一新兴产业，其与物联网的结合是必须的也是必然的，智能交通行业已被公认为是物联网产业化发展落实到实际应用的最能够取得成功的优先行业之一，必将能够创造出巨大的应用空间和市场价值。
2. 智能交通系统的模型框架
针对目前交通信息采集手段单一，数据收集方式落后，缺乏全天候实时提供现场信息的能力的实际情况，以及道路拥堵疏通和车辆动态诱导手段不足，突发交通事件的实时处置能力有待提升的工作现状，基于物联网架构的智能交通体系综合采用线圈、微波、视频、地磁检测等固定式的多种交通信息采集手段，结合出租车、公交及其他勤务车辆的日常运营，采用搭载车载定位装置和无线通讯系统的浮动车检测技术，实现路网断面和纵剖面的交通流量、占有率、旅行时间、平均速度等交通信息要素的全面全天候实时获取。通过路网交通信息的全面实时获取，利用无线传输、数据融合、数学建模、人工智能等技术，结合警用GIS系统，实现交通堵塞预警、公交优先、公众车辆和特殊车辆的最优路径规划、动态诱导、绿波控制和突发事件交通管制等功能。通过路网流量分析预测和交通状况研判，为路网建设和交通控制策略调整、相关交通规划提供辅助决策和反馈。 
这种架构下的智能交通体系通过路网断面和纵剖面的交通信息的实时全天候采集和智能分析，结合车载无线定位装置和多种通讯方式，实现了车辆动态诱导、路径规划、信号控制系统的智能绿波控制和区域路网交通管控，为新建路网交通信息采集功能设置和设施配置提供规范和标准，便于整个交通信息系统的集成整合，为大情报平台提供服务。等功能。通过路网流量分析预测和交通状况研判，为路网建设和交通控制策略调整、相关交通规划提供辅助决策和反馈。 
这种架构下的智能交通体系通过路网断面和纵剖面的交通信息的实时全天候采集和智能分析，结合车载无线定位装置和多种通讯方式，实现了车辆动态诱导、路径规划、信号控制系统的智能绿波控制和区域路网交通管控，为新建路网交通信息采集功能设置和设施配置提供规范和标准，便于整个交通信息系统的集成整合，为大情报平台提供服务。
美国是应用ITS较为成功的国家。1995年美国交通部出版的“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能交通系统的7大领域和29个用户服务功能。7大领域包括出行和交通管理系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。目前ITS在美国的应用已达80%以上，而且相关的产品也较先进。美国ITS应用在车辆安全系统（占51%）、电子收费（占37%）、公路及车辆管理系统（占28%）、导航定位系统（占20%）、商业车辆管理系统（占14%）方面发展较快。下面结合美国成功的ITS案例，简要说明物联网下的智能交通系统模型。
（1）中心型子系统。该子系统包括交通管理子系统、突发事件管理子系统、收费管理子系统、商用车辆管理子系统、维护与工程管理子系统、信息服务提供子系统、尾气排放管理子系统、公共交通管理子系统、车队及货运管理子系统及存档数据管理子系统10个子系统。该类子系统的共同特点是空间上的独立性，即在空间位置的选择上不受交通基础设施的制约。这类子系统与其它子系统的联络通畅依赖于有线通讯。
（2）区域型子系统。该子系统包括道路子系统、安全监控子系统、公路收费子系统、停车管理子系统和商用车辆核查子系统5个子系统属于区域类型。这类子系统通常需要进入路边的某些具体位置来安装或维护诸如检测器、信号灯、程控信息板等设施。区域型子系统一般要与一个或多个中心型子系统以有线方式连接，同时还往往需要与通过其所部署路段的车辆进行信息交互。
（3）旅行者子系统。该类子系统以旅行者或旅行服务业经营者为服务对象，运用智能交通系统的有关功能实现对多式联运旅行的有效支持。远程旅行支持子系统和个人信息访问子系统属于旅行者子系统。旅行者子系统可通过有线或无线方式与其它类型的子系统间进行直接的信息传递。
（4）车辆型子系统。该类子系统的特点是安装在车辆上。根据载体车辆的种类，车辆型子系统又可细分为普通车辆子系统、紧急车辆子系统、商用车辆子系统、公交车辆子系统和维护与工程车辆子系统。这些子系统可根据需要与中心型子系统、区域型子系统及旅行者子系统进行无线通讯，也可与其它载体车辆进行车辆间通讯。
每种类型的子系统通常共享通讯单元。作为子系统间信息渠道的一个构成部分，通讯单元所起的作用仅仅是传递信息，并不参与智能交通系统的信息加工和处理。具体通讯单元的选定具有相当大的自由度，有线通讯单元可选择光缆、同轴电缆或双绞线网络等。而广域无线通讯是近些年来发展很快的一个领域，可供选择的技术种类繁多且更新很快。
3. 物联网智能交通应用举例
在实际的应用中，智能交通有以下几个关键技术突破点：
（1）先进的检测、感知、识别技术和车载设备。通过采用射频识别技术、传感器技术获取人与物的地理位置、身份信息等，实现物物相通，包括新一代车载电子装置、车辆自动驾驶设备、驾驶员驾驶能力和精神状态自动检测仪表的研制与开发使用。
（2）建立信息网络。信息网络需要收集的信息包括：交通基础设施的现行自然状态，设计、施工、使用与维护档案，环境状况，有关的天气条件和预测的天气变化等信息。 
（3）交通事故自动检测、预警应变技术。交通事故一旦发生，关键是要尽快地将救护人员召集到事故现场。要求车载装置能自动检测事故的发生，及时自动地通报事故发生地点和伤员人数及其伤情。 
（4）先进的交通管理调度系统。需要具备“智能地”、自适应地管理各种地面交通的能力，实时地监视、探测区域性交通流运行状况，快速地收集各种交通流运行数据，及时地分析交通流运行特征，从而预测交通流的变化，并制定最佳应变措施和方案。如：“车辆-道路自动化协作系统”、“车联网系统”。
交通诱导概述
交通诱导系统指在城市或高速公路网的主要交通路口，布设交通诱导屏，为出行者指示下游道路的交通状况，让出行者选择合适的行驶道路，既为出行者提供了出行诱导服务，同时调节了交通流的分配，改善交通状况。
交通诱导系统由以下四个子系统构成：交通流采集子系统、车辆定位子系统、交通信息服务子系统和行车路线优化子系统。
（1）交通流采集子系统
城市安装自适应交通信号控制系统是实现交通诱导的前提条件。这个子系统包括两个关键词：一个是交通信号控制应是实时自适应交通信号控制系统，另一个是接口技术的研究，即把获得的网络中的交通流传送到交通流诱导主机，利用实时动态交通分配模型和相应的软件进行实时交通分配，滚动预测网络中各路段和交叉口的交通流量，为诱导提供依据。
（2）车辆定位子系统
车辆定位子系统的功能是确定车辆在路网中的准确位置。车辆定位技术主要有如下几种方法：地图匹配（Map Matching）定位、推算（Dead-Recking）定位、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、路上无线电频率（TRF）定位。
（3）交通信息服务子系统
交通信息服务子系统是交通诱导系统的重要组成部分，它把主机运算出来的交通信息（包括预测的交通信息）通过各种传播媒体传送给公众。这些媒体包括有线电视、联网的计算机、收音机、路边的可变信息标志和车载的信息系统等。
（4）行车路线优化子系统
行车路线优化子系统的作用是依据车辆定位子系统所确定的车辆在网络中的位置和出行者输入的目的地，结合交通数据采集子系统传输的路网交通信息，为出行者提供能够避免交通拥挤、减少延误及高效率到达目的地的行车路线。在车载信息系统的显示屏上给 出车辆行驶前方道路网状况图，并用箭头线标示建议的最佳行驶路线。
北京智能交通物联网
荣获国家科技进步一等奖的北京市公安局公安交通管理局“城市智能交通管理指挥控制系统”，让首都交通管理步入科技时代。十年来，首都交管部门构建了以“一个中心、三个平台、八大系统”为核心的智能交通管理系统体系框架，高度集成了视频监控、单兵定位、122接处警、GPS警车定位、信号控制、集群通信等近百个应用子系统，达到了733T的实时海量异构数据的高度融合，强化了智能交通管理的实战能力。 
在北京的环路上，安装着157个高清摄像头，它们可以自动记数，统计交通流量；当道路上发生事故、拥堵、路面积水、道路遗洒等9种意外事件时，系统便会自动对意外事件全程录像、自动报警。 
目前北京大部分时间主干道都在饱和交通量以上运转，交通非常脆弱，一个点发生意外事件都可能造成局部拥堵，这就要求交管部门对意外交通事件快速发现、快速出警、快速处置。 
在北京的快速路、主干路网中，有上万个检测线圈，它们埋在接近路口的地面下，通过电子感应传递到检测器，就像城市的神经末梢，24小时自动采集路面交通流量、流速、占有率等运行数据。此外，超声波、微波、视频等科技设备也随时检测着交通信息，它们通过系统后台的整合、分析、处理，除了以图形的方式在地图上显示出实时动态路况信息外，还可以准确发现道路上的异常况。 
这套交通流量检测系统还能自动与前四周的相关数据进行对比，如果车流量、拥堵情况超过了历史平均的常量，系统便自动发出警告提示，交管部门便可以据此部署警力。

结语：
物联网技术在智能交通控制领域的应用，将全面提升智能交通的管控水平和信息服务水平，实现从现场物理实体的管控到信息空间中虚拟镜像的管控，将为交通信息的情报化分析和交通管理模式的转变提供了强大的科技保障，也为降低能耗、改善环境污染、提升城市形象提供了先进的技术支撑，具有巨大的社会效益和经济效益。不过，当前的智能交通物联网脸处于创新探索的初级阶段，相当于分散的、小规模的局部物联网形式，还远未形成规模。随着政府的大力扶持与技术和标准的成熟，智能交通物联网会是物联网发展的重要领域，将朝着大规模网络化、集成化和面向服务化发展，成为智慧城市的重要组成部分。