物联网在智能交通中的主要应用

7.2　智能交通

7.2.1　智能交通的定义及构成

1.智能交通的定义

智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。ITS可以有效地利用现有交通设施，减少交通负荷和环境污染，保证交通安全，提高运输效率，因而，日益受到各国的重视。

2.智能交通的系统构成

（1）先进交通管理服务（ATMS）

ITS的核心与基础，利用传感、通信及控制等技术，实现先进交通控制中心、动态交通预测、智能控制交通信号、车辆导航、电子式自助收费（ETC）、可变信息标识（Changeable Message Sign，CMS）、最近线路导引等功能。

（2）先进路人资讯服务（ATIS）

其主要功能是可变资讯标识（CMS）、公路路況广播（Highway Advisory Radio，HAR）、全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）、最佳路线引导、电视、广播路况报道、无线电通信（Wireless Communications）、车辆导航、交通资讯查询。

（3）先进大众运输服务（APTS）

利用ATMS、ATIS与AVCSS（先进车辆控制及安全服务）的技术服务，可以实现自动车辆监视（Automatic Vehicle Monitoring，AVM）、自动车辆定位（AVL）、公车电脑排班、公车电脑辅助调度、车内、站内信息显示、双向通信、最佳路线引导、公车资讯查询。

（4）商务车营运服务（CVOS）

利用ATMS、ATIS与AVCSS的技术服务，可以实现自动车辆监视（AVM）、自动车辆定位（AVL）、行进间车辆测重（WIM）、电子式自助收费（ETC）、最佳路线引导、双向通信、自动货物辨识（Automatic Cargo Identification，ACI）。

（5）电子收付费服务（EPS＆ETC）

利用车上电子卡单元与路侧电子收费电源双向通信技术实现地面交通不停车、无票据、自动化收费（包括道路通行费、运输费和停车费）以及费用、余额查询。经由电子卡记账的方式进行收费，利用自动车辆辨识（AVI）、影像执法系统（VES）来辅助。

（6）交通信息管理（IMS）

交通实时信息综合采集，包括道路条件、交通状况、服务设施位置、导游信息等。通过CMS、广播、电视等方式实现多方式交通信息发布，其内容主要有交通、旅游和旅行者信息服务、交通信息交互式服务、车辆信息、驾驶员信息等。

（7）紧急救援管理服务（EMS）

其主要包括车辆故障与事故救援、应急车辆交通信号诱导（交通优先）、应急车辆定位与调度管理、地理信息系统（GIS）、公路路况广播（HAR）、应急物资配置和调度、应急车辆通信、事件自动侦测、最佳线路引导、突发事件应急指挥。

（8）先进车辆控制及安全服务（ACVSS）

其主要包括结合传感器、电脑、通信、电子自动控制技术的防撞警示系统，自动停放车辆，车与车间——路路间通信，自动车辆检测，自动横向／纵向控制。

（9）弱势使用者保护服务（VIPS）

其主要包括路口行人触动及警示接近车辆，机车前方路况警示，身心障碍人士服务设施，道路设施有声标志，PDA路径引导，LED个人显示设备。

3.智能交通的技术构成

（1）无线通信技术

目前，已经有多种无线通信解决方案可以应用在智能交通系统中。UHF和VHF频段上的无线调制解调器通信被广泛用于智能交通系统中的短距离和长距离通信。

短距离无线通信（小于几百米）可以使用IEEE802.11系列协议来实现，其中美国智能交通协会以及美国交通部主推WAVE和DSRC两套标准。理论上来讲，这些协议的通信距离可以利用移动Ad—hoc网络和Mesh网络进行扩展。目前提出的长距离无线通信方案是通过基础设施网络来实现，如WiMAX（IEEE802.16）、GSM、3G技术。使用上述技术的长距离通信方案目前已经比较成熟，但是和短距离通信技术相比，它们需要进行大规模的基础设施部署，成本很高。目前还没有一致认可的商业模式来支持这种基础设施的建设和维护。

目前车辆已经能够通过多种无线通信方式与卫星、移动通信设备、移动电话网络、道路基础设施、周围车辆等进行通信，并且利用广泛部署的Wi-Fi、移动电话网络等途径接入互联网。

（2）计算技术

目前汽车电子设备占普通轿车成本的30%，在高档车中占到60%。根据汽车电子领域的最新进展，未来车辆中将配备数量更少但功能更为强大的处理器。2000年一辆普通的汽车拥有20～100个联网的微控制器／可编程逻辑控制模块，使用非实时的操作系统。目前的趋势是使用数量更少但是更加强大的微处理器模块以及硬件内存管理和实时的操作系统。同时新的嵌入式系统平台将支持更加复杂的软件应用，包括基于模型的过程控制、人工智能和普适计算，其中人工智能技术的广泛应用将有望为智能交通系统带来质的飞跃。

（3）感知技术

电信、信息技术、微芯片、RFID以及廉价的智能信标感应等技术的发展以及在智能交通系统中的广泛应用为车辆驾驶员的安全提供了有力保障。智能交通系统中的感知技术是基于车辆和道路基础设施的网络系统。交通基础设施中的传感器嵌入在道路或者道路周边设施（如建筑）之中，因此它们需要在道路的建设维护阶段进行部署或者利用专门的传感器植入工具进行部署。车辆感知系统包括了部署道路基础设施至车辆以及车辆至道路基础设施的电子信标来进行识别通信，同时利用闭路电视技术和车牌号码自动识别技术对热点区域的可疑车辆进行持续监控。

（4）视频车辆监测

利用视频摄像设备进行交通流量计量和事故检测属于车辆监测的范畴。视频监测系统（如自动车牌号码识别）和其他感知技术相比具有很大优势，它们并不需要在路面或者路基中部署任何设备，因此也被称为“非植入式”交通监控。当有车辆经过的时候，黑白或者彩色摄像机捕捉到的视频将会输入处理器中进行分析以找出视频图像特性的变化。摄像机通常固定在车道附近的建筑物或柱子上。大部分的视频监测系统需要一些初始化的配置来“教会”处理器当前道路环境的基础背景图像。该过程通常包括输入已知的测量数据，例如车道线间距和摄像机到路面的高度。根据不同的产品型号，单个的视频监测处理器能够同时处理1～8个摄像机的视频数据。视频监测系统的典型输出结果是每条车道的车辆速度、车辆数量和车道占用情况。某些系统还提供了一些附加输出，包括停止车辆检测错误行驶车辆警报等。

（5）全球定位系统GPS

车辆中配备的嵌入式GPS接收器能够接收多个不同卫星的信号并计算出车辆当前所在的位置，定位的误差一般是几米。GPS信号接收需要车辆具有卫星的视野，因此在城市中心区域可能由于建筑物的遮挡而使该技术的使用受到限制。GPS是很多车内导航系统的核心技术。很多国家已经或者计划利用车载卫星GPS设备来记录车辆行驶的里程并据此进行收费。

（6）探测车辆和设备

部分国家开始部署所谓的“探测车辆”，它们通常是出租车或者政府所有的车辆，配备了DSRC或其他的无线通信技术。这些车辆向交通运营管理中心汇报它们的速度和位置，管理中心对这些数据进行整合分析得到广大范围内的交通流量情况以检测交通堵塞的位置。同时有大量的科研工作集中在如何利用驾驶员持有的移动电话来获得实时的交通流量信息，移动电话所在的车辆位置信息能够通过GPS系统实时获得。例如，北京已经有超过10 000辆出租车和商务车辆安装了GPS设备并发送它们的行驶速度信息到一个卫星。这些信息将最终传送到北京交通信息中心，在那里这些信息经过汇总处理后得到了北京各条道路上的平均车流速度状况。

4.我国智能交通应用现状

作为近年兴起的改善交通堵塞、减缓交通拥堵的有效技术措施，智能交通在我国目前主要应用于三大领域：

（1）公路交通信息化

包括高速公路建设、省级国道公路建设两大领域。目前热点项目主要集中在公路收费，其中又以软件为主。公路收费项目分为两部分，联网收费软件和计重收费系统。此外，联网不停车收费（IETC）是未来高速公路收费的主要方式。

（2）城市道路交通管理服务信息化

兼容和整合是城市道路交通管理服务信息化的主要问题，因此，综合性的信息平台成为这一领域的应用热点。除了城市交通综合信息平台，一些纵向的比较有前景的应用有智能信号控制系统、电子警察、车载导航系统等。

（3）城市公交信息化

目前国内的公交系统信息化应用还比较落后，智能公交调度系统在国内基本处于空白阶段，也是方案商可以重点发展的领域。在地域分布上，国内的各大城市特别是南方沿海地区对于智能交通的发展都非常重视。

7.2.2　物联网在智能交通中的主要应用

随着近几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。相对于以前以地感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。

1.基于物联网的智能交通系统的整体框架

基于物联网的智能交通系统架构如图7.11所示。智能交通系统在整体架构上可以从3个层次来进行划分：

图7.11　基于物联网的智能交通体系架构

（1）物联网感知层

物联网感知层主要通过综合采用了RFID、GPS、地感线圈、微波、视频、地磁检测等M2M终端设备实现基础信息的采集，并结合出租车、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信系统的浮动车检测技术，然后通过无线传感网络将这些M2M的终端设备连接起来，使其从外部看起来就像一个整体，这些M2M设备就像神经末梢一样分布在交通的各个环节中，不断地收集视频、图片、数据等各类信息，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。

（2）物联网网络层

物联网网络层主要通过专用通信网络、移动通信网络将感知层所采集的信息运输到数据中心，并在数据中心得到加工处理形成有价值的信息，以便作出更好的控制和服务。

（3）物联网应用层

物联网应用层是基于信息展开工作的，通过将信息以多样的方式展现到使用者面前，供决策、服务、业务开展。它将利用数据融合、数学建模、人工智能等技术，结合警用GIS系统，实现交通信息服务、交通信号控制、车辆诱导、电视监控、非现场执法系统、警务通等综合应用。

2.基于物联网的智能交通系统的应用框架

智能交通系统的应用架构如图7.12所示，由应用子系统、信息服务中心和指挥控制中心三部分构成。

（1）应用子系统

该子系统包括交通信息采集系统、信号灯控制系统、交通诱导系统、停车诱导系统。

（2）信息服务中心

该子系统包括远程服务模块、远程调测模块、在线监测模块、在线运维模块、数据交换模块和咨询管理模块6个部分。其以前期调测、远程运维管理和远程服务为目的，结合数据交换平台实现与应用子系统的数据共享，通过资讯管理模块实现信息的发布、用户和业务的管理等。

（3）指挥控制中心

该子系统包括交通设施数据平台、交通信息数据平台、GIS平台、应用管理模块、数据管理模块、运行维护模块和信息发布模块。其以GIS平台为支撑，建立部件和事件平台，部件主要指交通设施，事件主要指交通信息，通过对各应用子系统的管理，实现以集中管理为目的，具有数据分析、数据挖掘、报表生成、信息发布和集中管理的功能。

3.主要应用子系统简介

（1）道路交通信息采集系统

①总体架构：道路交通信息采集系统按功能结构划分，主要由4个部分组成，即交通数据采集子系统、道路交通数据综合处理平台与地面道路视频监控控制交换平台、通信系统、交通信息发布子系统，如图7.13所示。

图7.13　道路交通信息采集系统总体架构

交通数据采集子系统主要负责采集实时交通参数和视频图像信息，并按一定的格式进行预处理。

道路交通数据综合处理平台与道路视频监控交换平台主要负责将接收到的预处理数据进一步进行处理、分析、融合。完成交通信息的处理、存储和发布功能，并将中心区地面道路交通信息采集系统接入城市交通信息服务中心和指挥控制中心，并通过信息服务中心能与其他应用子系统进行交通信息共享。

交通信息发布子系统主要负责将融合后的结果数据转化为相应的交通信息，以不同的方式发布，提供给交通参与者。

基于光纤和电缆的通信系统为完成交通信息采集设备、交通信息发布设备与地面道路交通数据综合处理平台（以及摄像机与道路交通视频监视系统的视频图像信息交换控制平台）之间的互联建立通信信道。

为了满足道路交通信息采集系统的近期和远期功能需求，需要建立一个中央控制和处理中心——道路交通数据综合处理平台，完成本系统中各种交通信息的汇集、存储、处理、管理和发布控制，并为交通管理人员提供与系统的接口界面，对外提供交通信息共享。为此，在系统构架中，道路交通信息采集系统以道路交通数据综合处理平台为核心，完成所要求的各项功能。

②信息采集子系统：交通信息采集系统被认为是ITS的关键子系统，是发展ITS的基础，已成为交通智能化的前提，无论是交通控制还是交通违章管理系统，都涉及交通动态信息的采集，交通动态信息采集也就成为交通智能化的首要任务。智能交通系统（ITS）进程较快的国家或地区都把交通信息采集技术作为重中之重加以开发研究。交通信息采集常用的技术有环形线圈、微波、视频、磁敏、超声波等几种探测技术。一般需要采集的交通数据信息主要有原始流量、折算流量、5分钟流量、占有率、饱和度、拥堵程度、行程时间和行驶度速等，通过传输网络连接到汇集层网络系统，进而连接到核心层应用子系统数据库，实现交通信息的采集。下面简述系统设计中的常用几种信息采集终端。

目前交通信息采集的方法和技术很多，主要有如下几类：

●磁敏无线车辆检测器：磁敏探测技术具有低功耗、低成本、安装维护方便、采集信息量多等特点，预计将来会成为交通动态信息采集技术的主流。

图7.14所示检测器（EZS-L031／t）是一种通过磁敏传感器探测车辆对地磁的影响，以此来判断车道上车辆经过情况的无线传感器网络装置。图7.15所示为检测器的安装示意图，通过这种装置可实时准确感应车道上经过的车辆，并将采集到的信息通过无线传感器网络发送至与之配套使用的接收主机（EZS-L031／r），完成智能红绿灯控制的前端信息采集，接收主机再把相关信息传送给信号控制机，信号控制机通过获取的车流量信息来分析当前车道的占有率，从而智能分配红绿灯的开启时间，达到真正的智能控制效果。

图7.14　磁敏传感器

●微波车辆检测器：图7.16所示为MPR-U2（MPMicrowave Radar-U2，微普微波雷达），将微普微波超速抓拍触发与交通信息检测雷达安装于道路上方，用于精确测量车辆实时速度和其他交通信息参数，并提供车辆超速抓拍触发信号。

●视频摄像机：适用于道路监控、卡口监控、出入口监控等交通车辆不同运行速度的抓拍；路口逆光环境中监看红绿橙交通灯、车辆车型、车牌、车流量等路况的全景监看。

图7.15　磁敏传感器安装示意图

图7.16　MPR-U2微波车辆检测器

●环形线圈车辆检测器：图7.17所示为环形线圈车辆检测器，它是一种基于电磁感应原理的车辆检测器。环形线圈检测器是传统的交通流检测器，是目前世界上应用最广泛的检测设备。它由3部分组成：埋设在路面下的环形线圈传感器、信号检测处理单元（包括检测信号放大单元、数据处理单元）、通信接口及馈线，具有工作稳定、检测精度高的特点。它的传感器是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈（一般为2 m×1.5m），当车辆通过环形地埋线圈或停在环形地埋线圈上时，车辆的自身铁质会切割磁通线，引起线圈回路电感量的变化。检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的通过或存在。检测这个电感变化量一般来说有两种方式：一种是利用相位锁存器和相位比较器，对相位的变化进行检测；另一种方式则是利用由环形地埋线圈构成回路的耦合电路对其振荡频率进行检测。

图7.17　环形线圈车辆检测器

（2）智能信号灯控制系统

智能信号灯控制系统可采用地磁感应车辆检测器完成对道路横截面车流量、道路交叉路口的车辆通过情况的检测，以自组网的方式建立智能控制网络，如图7.18所示。通过系统平台数据与信号机自适应数据协同融合处理的方式，制定符合试点路网车辆通行最优化的信号机配时方案。以“智能分布式”控制交通流网络平衡技术，对路口、区域交通流、道路交通流饱和度、总延误、车辆排队长度、通行速度进行交通流的绿波控制和区域控制，最大限度保证道路交叉口的通行顺畅。

图7.18　无线自组网智能交通信号控制系统

（3）交通诱导系统

动态交通诱导系统由交通信息采集平台、交通数据综合处理平台和交通信息动态发布平台组成，系统组成与结构如图7.19所示。

根据城市路网的交通流分布特征，制定常发性交通堵塞及突发交通事件时的交通流组织及疏导预案，针对不同的系统用户设计不同的信息发布应用软件，一般包括以下几种发布方式：

①交通诱导信息屏：如图7.20所示，主要对出行车辆进行群体性交通诱导，由出行车辆根据诱导信息自主选择出行路径。这种格式的显示屏除了显示路段的实时路况外，还可以在嵌入的图文LED显示区域上显示以下几种信息：

●前方路段发生的交通事件提示：事故、施工、交通管制等。

●到达前方重要目的地的最佳路径及预计行程时间，例如体育场馆、风景区等。

●交通安全宣传等公共信息显示。

②面向车载和移动终端的信息发布：如图7.21所示，可通过移动终端发布实时路况及实时交通事件信息，还可结合车载导航系统，为车辆提供更为先进、复杂的动态交通诱导服务。

图7.19　交通诱导系统架构图

图7.20　交通诱导信息屏

图7.21　车载信息发布终端

③面向公共网络用户的发布：如图7.22所示，可以通过公共Internet网络平台以GIS 实时交通状态 实时交通事件的形式发布城市路网的实时交通状态。

（4）智能停车场系统

如图7.23所示，综合运用物联网技术，可建设智能化停车场系统。通过车位探测器实时采集停车场的车位数据；节点控制器按照轮询的方式对各个车位探测器的相关信息进行收集，将数据压缩编码后传送给中央控制器；中央控制器对信息进行分析处理，并传送到停车场管理电脑、数据库服务器；同时，该系统将相关处理数据通过各LED车位引导屏、车位状态指示灯对外发布，引导车辆进行停放。

图7.22　交通信息网络发布示意图

图7.23　智能停车场系统

（5）电子警察系统

基于物联网的电子警察系统结构如图7.24所示，包括如下三部分：

①前端部分：闯红灯电子警察前端部分安装在路口，它基于视频 线圈检测触发高清摄像机，实现闯红灯违法行为的判断、图片抓拍、车辆号牌识别、号牌颜色识别、数据压缩、数据存储和传输、设备管理等功能。前端设备主要包括安装在立杆上的视频采集前端、控制与处理系统以及相关的外围设备。

图7.24　电子警察系统

②通信部分：通信部分的功能是将前端部分收集的信息，包括车辆违法信息、流量信息等，通过特定的通信网络，上传到中心的应用服务系统。该部分需支持各种有线、无线通信设备。

③中心部分：中心部分通过通信系统，接收前端传输回来的违法信息、交通信息和状态信息，并存储在数据库中，供应用程序处理使用。