基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路交通擁堵導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亞平， 李占鋒， 高彥軍

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710049)

0 引言

目前，城市交通問(wèn)題不斷凸顯出來(lái)，嚴(yán)重影響了城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。尤其是交通擁堵問(wèn)題，在部分大城市中心區(qū)上班和下班的高峰階段中，交通的速度只有每小時(shí)15km左右。交通擁堵導(dǎo)致的負(fù)面影響主要包括：車(chē)輛行走的速度降低，提高了運(yùn)行時(shí)間；降低了運(yùn)行的速度，提高了燃油及運(yùn)營(yíng)的成本；提高了交通事故的發(fā)生機(jī)率；對(duì)環(huán)境造成污染。在道路擁堵的時(shí)候，因?yàn)檐?chē)輛要頻繁的加速、減速、啟動(dòng)等，從而提高了發(fā)送機(jī)的燃油消耗。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表示，在道路擁堵的情況下家用小車(chē)的能耗是最佳運(yùn)行情況下的兩倍。除了直接的經(jīng)濟(jì)損失，交通擁擠還會(huì)影響到生態(tài)環(huán)境，比如大氣污染、溫室效應(yīng)、交通噪聲等。尤其是大氣污染，在我國(guó)大城市中的交通擁堵高峰時(shí)間，空氣污染大部分都是來(lái)源于交通車(chē)輛。車(chē)輛在擁堵怠速的過(guò)程中，環(huán)境污染要比正常行駛過(guò)程中要高很多。在此背景下，對(duì)于道路交通擁堵車(chē)輛的導(dǎo)引就是相關(guān)研究人員需要重視的問(wèn)題。

1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求

據(jù)調(diào)查，導(dǎo)致城市出現(xiàn)交通擁堵主要包括交通事故、行人不根據(jù)交通規(guī)則行走、駕駛?cè)藛T不根據(jù)交通信息形式、天氣惡劣等多種因素，總體來(lái)說(shuō)，其主要四方面的因素，分別為人、車(chē)、道路和環(huán)境，為了能夠避免出現(xiàn)交通擁堵，對(duì)四種因素的信息進(jìn)行精準(zhǔn)的掌握，就要選擇滿足行車(chē)需求的時(shí)間、工具、路線和地點(diǎn)等。

1.1 人方面的需求

從安全出行方面進(jìn)行分析，駕駛?cè)藛T的違法行為都是導(dǎo)致出現(xiàn)交通事故的主要因素，比如酒后駕駛、無(wú)證駕駛、超速、疲勞駕駛等。行人橫穿馬路、攀爬道路護(hù)欄、和機(jī)動(dòng)車(chē)搶道導(dǎo)致的交通事故也比較多。從出行方面進(jìn)行分析，為了能夠使人們?cè)诔鲂械臅r(shí)候能夠使用合理的時(shí)間和路線，人們能夠使用網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)或者車(chē)載設(shè)備對(duì)道路交通信息進(jìn)行全面的掌握，比如交通信號(hào)燈的數(shù)量、出行的合理路線等，從而便于調(diào)整出行計(jì)劃。

1.2 車(chē)方面的需求

車(chē)輛在道路行駛的過(guò)程中，車(chē)輛因?yàn)樽陨砘蛘咂渌蚨紩?huì)導(dǎo)致出現(xiàn)交通事故和停車(chē)等對(duì)交通造成阻礙的情況，從而使道路出現(xiàn)擁堵，那么人們?cè)隈{駛車(chē)輛的時(shí)候要對(duì)汽車(chē)的維修、保養(yǎng)及安全技術(shù)進(jìn)行全面的檢驗(yàn)。

1.3 道路方面的需求

道路方面也會(huì)使出現(xiàn)交通事故，比如交通信號(hào)燈出現(xiàn)故障、路面出現(xiàn)損壞、道路施工等，如果在交通高峰期出現(xiàn)交通信號(hào)燈故障，沒(méi)有外界指揮的時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)擁堵壓力。如果道路施工和道路出現(xiàn)故障，就會(huì)使車(chē)輛能夠臨時(shí)的避讓?zhuān)源顺霈F(xiàn)交通擁堵[1]。

1.4環(huán)境方面的需求

惡劣的天氣是導(dǎo)致交通擁堵的主要因素，比如雨雪天氣會(huì)導(dǎo)致路面濕滑，降低輪胎的抓地能力。霧霾或者大風(fēng)天氣都會(huì)是能見(jiàn)度降低，以此駕駛?cè)藛T在駕駛過(guò)程中的車(chē)速也會(huì)有所降低，從而就會(huì)出現(xiàn)交通擁堵的情況。

對(duì)以上4個(gè)方面的需求進(jìn)行明確，能夠使駕駛?cè)藛T及行人能夠?qū)Φ缆方煌ㄐ畔⑷娴恼莆眨源税踩鲂校⑶疫€能夠?qū)Τ鞘薪煌ǖ膿矶虑闆r進(jìn)一步的緩解。所以，本文就以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種道路交通擁堵導(dǎo)引系統(tǒng)。

1.5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要包括嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，利用多種技術(shù)的相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象及環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、收集和感知，利用嵌入式系統(tǒng)處理信息，并且利用隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多跳中繼方式到信息處理中心傳遞感知信息。

傳感器能夠根據(jù)一定的規(guī)律轉(zhuǎn)變成為可用信號(hào)的裝置及器件，主要包括轉(zhuǎn)換及敏感元件，其是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的主要手段。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)包括無(wú)線通信芯片、傳感器及微處理器等，其能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)收集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Φ缆分械能?chē)輛信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，也是數(shù)據(jù)收集和傳輸?shù)闹饕位A(chǔ)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通數(shù)據(jù)收集

交通流的收集是解決道路交通擁堵的基礎(chǔ)，要求收集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)并且全面。傳統(tǒng)交通信息收集方式主要包括微波探測(cè)器、超聲波檢測(cè)器、測(cè)速雷達(dá)、環(huán)形感應(yīng)線圈等，各種方式都具有自身的有限和局限型。在物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別裝置、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器和激光掃描儀等信息技術(shù)不斷成熟的過(guò)程中，因?yàn)槠湓谑占煌ㄐ畔⒎矫婢哂休^大的信息量，并且精度比較高，實(shí)現(xiàn)收集信息的綜合處理，能夠?qū)崿F(xiàn)交通監(jiān)控與管理的支撐。

在技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)等不斷的發(fā)展，城市交通信息收集方式也包括傳統(tǒng)信息收集和全新交通信息收集兩種方式。傳統(tǒng)信息收集主要包括地磁檢測(cè)、有線圈檢測(cè)、紅外檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、微波檢測(cè)、壓電檢測(cè)及氣壓管檢測(cè)等。全新交通信息收集方式主要包括基于GPS定位、視頻檢測(cè)、基于RFID車(chē)輛身份識(shí)別等。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通數(shù)據(jù)收集示意圖[2]，如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交通數(shù)據(jù)收集示意圖

3 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠全面覆蓋城市中的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)互聯(lián)交通擁堵感知網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，以此能夠?yàn)槿藗冊(cè)诔鲂袝r(shí)候展現(xiàn)相應(yīng)的城市道路交通界面。那么本文就以分布式處理和集中控制為基礎(chǔ)，創(chuàng)建基于物聯(lián)網(wǎng)的道路交通擁堵導(dǎo)引系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路交通擁堵導(dǎo)引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括3層，分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層及感知層。應(yīng)用層的主要目的就是對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，還能夠?qū)崿F(xiàn)用戶出行體驗(yàn)，此層的主要使用人員為用戶群體。網(wǎng)絡(luò)層的主要目的就是利用4G、無(wú)線、衛(wèi)星通信、電視等實(shí)現(xiàn)短距離或者長(zhǎng)距離的無(wú)線或者有線通信網(wǎng)絡(luò)相互連通；感知層的主要目的就是收集駕駛信息，其主要面向群體為個(gè)人及公眾，實(shí)現(xiàn)個(gè)人駕駛信息及公眾交通擁堵信息的收集。

3.1 集中控制

集中控制單元的模塊有十一個(gè)，其中反饋監(jiān)督和控制中心兩個(gè)模塊中的數(shù)據(jù)不能夠直接的交換，其他都能夠?qū)崿F(xiàn)此功能。其中的控制模塊中屬于應(yīng)用層中的核心，其主要作用對(duì)其他模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的控制、管理和操作，以此能夠?qū)⑾鄳?yīng)的數(shù)據(jù)信息傳遞到上層應(yīng)用單元。而且，集中控制模塊中的數(shù)據(jù)信息還能夠和其他的模塊數(shù)據(jù)信息相互同步和協(xié)調(diào)，以此能夠有效提高數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程中的有效性及及時(shí)性。集中控制模塊的訪問(wèn)主要為管理人員，其他的用戶就不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行訪問(wèn)。

集中控制中反饋監(jiān)督模塊的主要功能為：(1)用戶的反饋。在用戶進(jìn)行使用的時(shí)候能夠?qū)ο到y(tǒng)提出自身的看法和建議，系統(tǒng)能夠在一定的時(shí)間中對(duì)相應(yīng)的問(wèn)題進(jìn)行有效的解決。(2)監(jiān)督。如果相應(yīng)企業(yè)和業(yè)務(wù)沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間中對(duì)用戶的問(wèn)題進(jìn)行答復(fù)，就要根據(jù)規(guī)定對(duì)相關(guān)部門(mén)進(jìn)行處罰和物質(zhì)懲罰，如果駕駛?cè)藛T出現(xiàn)疲勞駕駛、酒駕等違法駕駛的時(shí)候，這些記錄就會(huì)通過(guò)告警的方式對(duì)相關(guān)部門(mén)進(jìn)行反饋，并且對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行電話提醒和處罰。(3)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)。在系統(tǒng)檢測(cè)故障或者失效設(shè)備的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)告警信息，提醒相關(guān)企業(yè)檢修或者更換設(shè)備，并且設(shè)備的養(yǎng)護(hù)信息也會(huì)到相關(guān)系統(tǒng)中進(jìn)行發(fā)布，以此有效提高設(shè)備的使用率。

3.2 分布式處理

將數(shù)據(jù)收集傳感器和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備布置到汽車(chē)內(nèi)部和城市的道路中，以此能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的收集。分布式處理模塊中的駕駛?cè)藛T信息能夠管理駕駛?cè)藛T在駕駛過(guò)程中的危險(xiǎn)系數(shù)，并且還能夠利用身份識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)駕駛?cè)藛T的駕駛證信息。如果車(chē)輛啟動(dòng)，那么車(chē)輛及駕駛?cè)藛T兩者的信息就會(huì)綁定，駕駛?cè)藛T在進(jìn)行車(chē)輛駕駛的時(shí)候其信息就會(huì)到此模塊中進(jìn)行上傳和保存，如果出現(xiàn)危險(xiǎn)駕駛行為的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)告警信息，之后詢問(wèn)駕駛?cè)藛T的責(zé)任。駕駛員信息模塊工作的流程，如圖3所示。

圖3 駕駛員信息模塊的工作過(guò)程

此模塊中的自檢信息模塊能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的有效管理，駕駛?cè)藛T不僅能夠?qū)?chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行密切的關(guān)注，還要對(duì)駕駛?cè)藛T提醒車(chē)輛的定時(shí)維修及保養(yǎng)。假如車(chē)輛行駛的時(shí)候出現(xiàn)問(wèn)題或者故障，就能夠?qū)⒏婢畔?duì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，從而及時(shí)的修理車(chē)輛，以此避免出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的交通擁堵。

智能信號(hào)燈模塊能夠集中管理信號(hào)燈的運(yùn)行，比如紅燈剩余時(shí)間、信號(hào)燈故障的位置等，其中具備大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，如果在自身出現(xiàn)故障的時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)故障信息的上傳，并且還能夠?qū)煌ㄐ畔舻牡却龝r(shí)間進(jìn)行計(jì)算，智能信號(hào)燈模塊的工作流程，如圖4所示。

圖4 智能信號(hào)燈模塊的工作流程

其中的停車(chē)誘導(dǎo)模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)停車(chē)范圍和數(shù)據(jù)的集中管理，主要包括定位功能、查詢功能和預(yù)約功能。其中的定位功能實(shí)現(xiàn)城市地圖的集成，對(duì)附近的停車(chē)場(chǎng)信息進(jìn)行全面的掌握，并且通過(guò)汽車(chē)中自帶的導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)。查詢功能能夠?qū)崿F(xiàn)停車(chē)場(chǎng)位置的集成，將停車(chē)場(chǎng)信息充分的顯示出來(lái)。

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)

在對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候，要求設(shè)置簡(jiǎn)單安全，并且成本較低。首先，能夠在業(yè)務(wù)管理層實(shí)現(xiàn)防火墻的設(shè)置，從而保證信息的安全性和通信的質(zhì)量。然后，其中各個(gè)信息收集設(shè)備能夠通過(guò)無(wú)線信號(hào)裝置對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交互、上傳和互相連接。比如公共交通工具和移動(dòng)車(chē)載終端利用在道路兩邊設(shè)置的無(wú)線通信接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)和道路標(biāo)示、交通信號(hào)燈的數(shù)據(jù)交換，從而能夠進(jìn)行交通流量控制。車(chē)輛自身的事故、停車(chē)場(chǎng)方位及施工信息都能夠利用自身的導(dǎo)航系統(tǒng)及GPS將信息發(fā)布出去，提醒機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)藛T對(duì)行車(chē)路線進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)使用人員能夠利用無(wú)線或者有線終端對(duì)附近局域網(wǎng)對(duì)目前擁堵、公共交通及天氣等信息的查詢[3]。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 總結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)代城市擁堵問(wèn)題進(jìn)行了分析，根據(jù)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)背景下對(duì)城市道路交通擁堵導(dǎo)引系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將行人、車(chē)輛、駕駛?cè)藛T、天氣、信號(hào)燈、道路標(biāo)識(shí)等都都充分的展現(xiàn)了出現(xiàn)，以此能夠?qū)崿F(xiàn)道路交通的導(dǎo)引，使出行人員能夠主動(dòng)出行，以此有效緩解了交通擁堵的問(wèn)題。

[1] 趙凌, 張冰菲. 物聯(lián)網(wǎng)框架下城市道路交通擁堵導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 29(2):103-109.

[2] 曾實(shí)現(xiàn), 薛蕊, 陳江波. 基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2017, 40(19)：56-57.

[3] 胡捷程, 胡共由, 凌力. 基于RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光纖管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 微型電腦應(yīng)用, 2013, 30(5):29-31.