基于WSID的交通信息采集系統

丁柏群，王月紅

(東北林業大學 交通學院， 哈爾濱 150040)

目前道路交通信息采集領域應用較廣的技術主要有環形線圈車輛檢測器采集、視頻檢測器采集、微波車輛檢測器采集、GPS浮動車交通信息采集等[1]。雖然上述交通信息采集手段已經十分成熟，但是在實際的使用過程中，不同的交通信息采集技術各有優缺點。環形線圈車輛檢測器采集技術發展成熟，成本較低，但安裝過程會破壞路面導致路面使用壽命降低，從而影響車輛的正常通行，且工作過程易受冰凍、鹽堿等自然環境的影響，維護檢修不便[1]。視頻檢測器采用分析處理圖像信息的方法，易受外部工作環境條件的影響，輸出的數據質量難以保證，實時性較差，成本高，易出現數據丟失、異常和噪聲污染等情況[2]。微波車輛檢測器對安裝地點周邊地形條件的要求較高，在車型單一、車速分布均衡且車流量較大的路段上檢測精度較高，在但車流量較低、交通擁堵嚴重且車型混亂的道路上檢測精度較低。GPS浮動車交通信息采集技術更大的優勢在于對車輛的定位與跟蹤，但不能針對單個車輛的信息進行檢測，且所采集的實時信息不能完全代表所有車輛的行駛信息[3]。

無線傳感器射頻識別(WSID)技術是指將無線射頻識別(RFID)技術[4]和無線傳感器網絡(WSN)[5]進行集成的一種技術。WSN通過集成傳感器技術、信息處理技術和網絡通信技術組成多跳自組織無線網絡，通過協作的方式感知、采集、處理和傳輸對象的監測信息[6]。目前WSN技術憑借其覆蓋區域大、可遠程監控、監測精度高、部署速度快、自組織動態性網絡等優點被廣泛應用于環境與生態監測、健康監護、智能家居、視頻監控以及工業監控等領域[7-9]。

WSN和RFID技術同屬于物聯網體系架構的最底層——感知層，主要負責識別物體、采集信息。RFID主要應用于對物體的存在性及身份的識別，對被檢目標自身信息的保存更安全，進行信息的讀取或修改更方便，并能在極短的時間內讀取大量的電子標簽，信息讀取的效率大大提高[10]。WSN對網絡分布區域內感知對象的當前狀態及周圍環境信息進行采集，通過自組織網絡將數字信息傳遞至后臺，實現實時監控、獲取信息的目的。WSN通過傳感器來感知對象的相關信息，RFID是標識物品的基本屬性，將兩者功能相結合，可以大大提高對信息的收集能力[11]。本文將RFID技術與WSN技術相集成，利用各自的技術優勢彌補缺點，對該集成技術在交通信息采集系統中的應用可行性進行分析，希望對交通信息采集系統的深入開發及發展有一定的參考價值，為下一步的應用打下良好的理論基礎，方便研究開發人員進行系統設計。

1 交通信息采集系統

交通信息是城市交通規劃和交通管理的重要基礎信息，也是交通控制與誘導的基礎和關鍵[12-13]。交通信息可分為靜態交通信息和動態交通信息，本文主要討論對于動態交通信息的采集技術。動態交通信息采集技術根據交通檢測器工作地點的不同可劃分為固定型采集技術和移動型采集技術兩大類[14]。固定型采集技術和移動型采集技術的分類及優缺點等比較分析結果分別如表1和表2所示。

所有交通信息采集檢測裝置構成交通信息采集系統，交通信息是智能交通系統(ITS)順利實施的前提和核心要素。通過對國內外智能交通的發展趨勢深入研究可知，目前我國在交通信息采集系統方面還存在如下問題：

① 缺乏覆蓋全路網的交通動態信息采集技術。

② 缺乏對道路運行車輛全過程信息的采集技術。

③ 無線傳輸技術及多種通信網集成未達到大規模應用要求。

④ 信息互通共享機制還存在技術欠缺，行業信息網絡資源未有效整合利用。

⑤ 缺乏對現有智能交通系統(ITS)數據源的深入挖掘和智能處理。

表1 固定型交通信息采集檢測技術的分類及比較

表2 移動型交通信息采集檢測技術的分類及比較

2 系統分析與設計

2.1 系統技術分析

RFID技術與無線傳感器網絡有多種集成方式，目前常見的WSID網絡主要有RFID標簽和傳感器集成、RFID標簽和WSN節點集成、RFID讀寫器和WSN節點集成以及RFID讀寫器和WSN基站集成4種網絡結構形式。具體集成方式為[15-16]：

1) RFID標簽和傳感器集成。將電子標簽與傳感器節點芯片融合，傳感器節點感知周圍環境信息，電子標簽存儲無線傳感器節點采集到的數據。這種集成方式不僅能識別單個物體，而且可以感知周圍環境，但這種集成方式只能使用RFID協議和機制進行傳輸，傳輸能力有限。該融合模型如圖1(a)所示。

2) RFID標簽和WSN節點集成。這種方式集成后的WSN節點和電子標簽一樣有唯一的ID號，融合后的節點可以帶有多個傳感器，節點間通信采用多級跳的形式，傳輸范圍和能力大大增強，對數據的處理也很方便。該融合模型如圖1(b)所示。

3) RFID讀寫器和WSN節點集成。融合后的智能節點既可以讀取標簽信息又可以采集環境信息。該融合方式不僅可以對電子標簽和傳感器的信息進行讀寫和監控，還可以和其他智能節點進行多級跳通信實現遠距離通信，RFID通過WSN遠程交換數據，擴大了識別范圍。該融合模型如圖1(c)所示。

4) RFID讀寫器和WSN基站集成。該集成技術保持了WSN和RFID的原有架構，彼此獨立工作，通過引入智能基站進行系統集成，組成異構網絡。智能基站的主要任務是控制WSN和RFID協同工作，采集的RFID和WSN信息更加綜合化和智能化。該融合模型如圖1(d)所示。

圖1 4種RFID與WSN融合模型

交通信息網絡是一個巨大的系統，交通網絡數據規模與日劇增，且數據來源廣泛、交通路網環境復雜。針對交通數據信息存在來源復雜、信息具有嚴重的重疊性、海量的數據存儲與處理困難、缺乏覆蓋全路網的交通動態信息采集技術以及沒有對道路運行車輛全過程信息的采集技術等問題，本文提出一種由優化后的新型融合節點組成的新型RFID-WSN融合系統，具體融合系統的簡圖如圖2中感知層所示。該融合系統可以實現WSN與RFID之間的動態切換和自適應構建，具有更優的特性和更靈活的應用，簡化了交通數據的來源，降低了交通信息的重復率，建立了一種能對道路運行車輛全過程信息的采集并可覆蓋全路網的交通動態信息采集系統。

2.2 系統結構功能模塊設計

基于WSID技術的交通信息采集系統結構如圖2所示。該系統架構主要包括感知層、網絡層和應用服務層3部分。

1) 感知層。處于系統的最底層，是交通信息采集系統的核心和關鍵部分。整個系統主要通過合理有效地部署傳感器、電子標簽、傳感器節點、讀寫器-WSN節點、WSN節點等實時獲取電子標簽和傳感器信息，通過智能基站簡單處理整合后將有效的數據傳送至上層管理系統。

2) 網絡層。主要負責將感知層獲取的信息實時、可靠傳輸，也是目前研究的熱點和重點。目前交通領域信息傳輸常用的通信協議主要有GPRS、CDMA、3G、Wimax以及TCP/IP等。

3) 應用服務層。交通信息的采集不是目的，目的在于通過對實時信息和歷史信息的處理使得城市交通更便捷、快速、綠色、安全、高效。感知層采集到的信息通過網絡層最終傳輸至應用服務層，通過對各種信息進行整合處理和深入挖掘，全面利用相關信息，實現對交通的管理、控制及誘導。

3 基于WSID技術交通信息采集系統的必要性和可行性

3.1 WSID技術應用于交通信息采集系統的必要性

交通信息是智能交通系統的核心要素，交通信息采集技術是交通信息采集系統中一個極為重要的環節。由于目前我國交通信息采集系統還存在很多問題，本文將RFID技術和WSN技術進行集成應用于交通信息采集系統中，可以最大限度地發揮各自技術優勢。通過將這兩種技術相集成，在中央監控室的電腦上就可以實時掌握整個城市車輛運行的詳細情況，從而獲取研究目標的更多關鍵信息和實用信息。WSID技術可利用無線自組網的方式進行數據通信和簡單數據處理，及時發現道路上出現的異常情況，進而對異常情況及時處理。該集成系統也可以在一定程度上簡化道路交通信息采集系統，減少交通信息采集的重復率，從而降低數據處理的難度，為系統提供更有效的數據。通過對檢測設備的合理安裝布置，還可對單個車輛的實時運行軌跡和歷史軌跡進行保存與查詢，一定程度上也可以增大交通信息檢測的精確度。

3.2 WSID技術應用于交通信息采集系統的可行性

3.2.1 技術可行性

由于交通網絡是一個異常復雜的龐大系統，監測對象具有數據種類多、數據量大、狀態多變、高速分散等特點，故對其中單個車輛的監控以及對監測數據的傳輸處理一直是交通信息采集系統中的重點和難點。RFID和WSN技術單獨使用時其體系架構已經成熟。WSN通過傳感器來感知對象的相關信息，具有自組織動態性的特點；RFID能大大提高對交通信息的收集能力。

3.2.2 成本可行性

當前對于道路車輛信息采集應用最廣泛就是基于傳感器的交通信息采集，主要技術有環形線圈檢測器、超聲波檢測器、微波雷達檢測器、地磁車輛檢測器等。這些檢測技術只能探測到車輛所運行的外部環境信息，卻不能實時感知車輛本身的信息，所監測信息不能滿足交通管理部門的需求。交通網絡中已經存在大量的傳感器，而電子車牌的使用也是大勢所趨，所以只需在原有設備基礎上增加電子標簽和讀寫器即可。目前國內外已經有一些WSID產品開始應用于市場上，如Gentag公司的無源RFID溫度傳感器標簽，日立制作所的DNA檢測用RFID傳感器芯片等。WSID系統將WSN與RFID兩者技術的優點結合到一起，所帶來的社會效益遠遠高于所增加設備的成本。系統運行后，可以減少由于檢測器故障、天氣狀況或者通信系統故障等原因造成的數據丟失，增加數據的完整性，減少數據的重復率，降低數據存儲的空間，減少數據處理的難度。

3.2.3 政策可行性

一項新技術從開發研究到現實實施離不開國家的政策支持。2010年4月1日，中國工業和信息化部科技司司長聞庫提出，為推進物聯網產業發展，將采取四大措施支持電信運營企業開展物聯網技術創新與應用。其中一項措施就是重點發展高端傳感器、MEMS、智能傳感器和傳感器網節點、傳感器網關以及超高頻RFID、有源RFID和RFID中間件產業等，重點發展物聯網相關終端和設備以及軟件和信息服務，可見國家對高端傳感器和RFID技術發展及應用十分重視[17]。一旦技術難關突破以后，這項技術真正應用到交通信息采集系統中將不再有問題。

4 結束語

本文針對目前交通采集系統的不足，提出了一種基于RFID技術和WSN技術相融合的新系統(WSID)，對WSID技術在交通信息采集系統的功能模塊進行了設計，分析了WSID系統在交通信息采集系統中的必要性和可行性。由于實際交通系統的復雜性、隨機性以及相關技術的不成熟，此方法在實際應用過程中還存在不足，因此還有待進一步深入研究，不斷改進完善。如何建立適用于交通環境的WSID系統，在現實環境中有效部署相關網絡設備節點，將會是交通信息采集技術研究的一個重要方向。

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