無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用

摘要：針對目前中國的交叉路口多、車流量大、交通混亂等現(xiàn)象，闡述了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)的基本原理。結(jié)合國內(nèi)外將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能交通網(wǎng)系統(tǒng)的已有研究應(yīng)用情況，指出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能交通中的交通信息采集、交通信息傳輸、交通控制和誘導(dǎo)等方面的幾個關(guān)鍵技術(shù)，以便為進一步研究并拓展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能交通系統(tǒng)；節(jié)點；系統(tǒng)模型

0 引言
智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)是在傳統(tǒng)的交通體系的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型交通系統(tǒng)，它將信息、通信、控制和計算機技術(shù)以及其他現(xiàn)代通信技術(shù)綜合應(yīng)用于交通領(lǐng)域，并將“人-車-路-環(huán)境”有機地結(jié)合在一起。事實上，在現(xiàn)有的交通設(shè)施中增加一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將能夠從根本上緩解困擾現(xiàn)代交通的安全、通暢、節(jié)能和環(huán)保等問題，同時還可以提高交通工作效率。因此，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)已經(jīng)成為近幾年來的研究熱點。
智能交通系統(tǒng)主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通擰制和誘導(dǎo)等幾個方面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集和傳輸提供一種有效手段，以用來監(jiān)測路面與路口各個方向上的車流量、車速等信息。它主要由信息采集輸入、策略控制、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。信息采集子系統(tǒng)主要通過傳感器來采集車輛和路面信息，然后由策略控制子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標，并運用計算方法計算出最佳方案，同時輸出控制信號給執(zhí)行子系統(tǒng)，以引導(dǎo)和控制車輛的通行，從而達到預(yù)設(shè)的目標。

1 國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用研究
美國的馬薩諸塞大學(xué)建立的UMass DieselNet智能公文系統(tǒng)主要包括公交車節(jié)點以及安裝在路邊的Throwboxes，可用于提高網(wǎng)絡(luò)的連通性。美國加州大學(xué)伯克利分校的ATMIS項目，哈佛大學(xué)的CitySense項目都開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通監(jiān)測方面的研究。瑞典有一段公路，利用太陽能供電傳感器，可以對行駛車輛做出路面結(jié)冰、事故擁堵和其他危險情況的預(yù)警。
國內(nèi)對車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也在積極開展。武漢理工大學(xué)開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火車車廂環(huán)境中的測控應(yīng)用，對車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等進行全程檢測。中科院沈陽自動化所開展了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)研究，并利用此項技術(shù)來彌補傳統(tǒng)設(shè)備能見度低、路面結(jié)冰時無法對高速路段進行有效監(jiān)控等，從而提出了新的圖像監(jiān)視系統(tǒng)；此外，對一些天氣突變性強的地區(qū)，該技術(shù)也能極大地降低汽車追尾等交通事故的發(fā)生。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中還可以用于交通信息發(fā)布、電子收費、車速測定、停車管理、綜合信息服務(wù)平臺、智能公交與軌道交通、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)和綜合信息平臺等技術(shù)領(lǐng)域。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)
2．1 節(jié)點技術(shù)
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交通監(jiān)控系統(tǒng)中，節(jié)點技術(shù)是最常見也是使用最多的一種技術(shù)，通常采用的普通節(jié)點、匯聚節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點等三類傳感器節(jié)點的功能是：
普通節(jié)點主要承擔(dān)數(shù)據(jù)采集，并將感知的數(shù)據(jù)信息傳遞給近鄰的節(jié)點；匯聚節(jié)點用于收集普通節(jié)點感知的信息，然后進行初步數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，匯聚節(jié)點之間可以互相通信；網(wǎng)關(guān)節(jié)點用于收集匯聚節(jié)點信息并通過3G網(wǎng)絡(luò)將信息傳送回控制中心，節(jié)點間不具備通信功能，也就是說，網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要承擔(dān)無線和有線信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)的接入功能。
根據(jù)各類節(jié)點功能上的不同，可對節(jié)點進行分層部署。首先，由普通節(jié)點將感知信息以單跳或多跳路由協(xié)議的方式把信息傳送到距離其最近的匯聚節(jié)點，然后由匯聚節(jié)點采用相同的方式將信息傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。
2．2 地磁傳感技術(shù)
目前在道路上的絕大多數(shù)車輛都由大量的鐵制成，這些鋼鐵比周圍的空氣更具有磁滲透性。地磁傳感器可以分辨出地球磁場六千分之一的變化，而當車輛通過時，對地磁的影響可能達到地磁強度的幾分之一，因此，可以利用地磁傳感器來檢測車輛的存在，并且其具有極高的靈敏度。地磁傳感器就是通過探測車輛通過時對地球磁場產(chǎn)生的擾動來探測車輛的，傳感器模塊可以依據(jù)測量過往車輛對地磁場的干擾情況來檢測車輛。此外，也可以根據(jù)不同車輛對地磁產(chǎn)生的擾動的不同來識別車輛類型。國外在這方面的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。

3 基于移動agent的道路交通網(wǎng)的算法系統(tǒng)模型
在圖1所示的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，底層是由數(shù)個車輛傳感器裝置的移動agent實體組成的(移動agent在交通網(wǎng)絡(luò)中看作一個節(jié)點)，底層可以從其他的agent上接收信息再傳遞信息到另外的移動agent。通過相互交換，它們可以獲取城市交通網(wǎng)絡(luò)中的不同信息，并通過對所得數(shù)據(jù)進行分析和處理得出結(jié)論，再傳遞給司機一些指示，從而指導(dǎo)司機在駕駛中選取正確的方向。車輛上的移動agent實體可以容易地進入和離開網(wǎng)絡(luò)，所以，不需要額外的操作就能很容易地擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高整個網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

4 交通信息的采集
信息采集主要是通過傳感器來在道路上實時檢測交通量、車速、車流密度和車道占有率等交通參數(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，安裝在道路兩旁的匯聚節(jié)點組成一個多跳的Mesh基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，終端節(jié)點與匯聚節(jié)點組成星型網(wǎng)絡(luò)并進行通信，將最終數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點可集成安裝在交叉路口的交通信號控制器內(nèi)，通過信號控制器的專有網(wǎng)絡(luò)將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心進行進一步處理。道路上的車輛安裝傳感器節(jié)點將動態(tài)地加入傳感器網(wǎng)絡(luò)在交通信息采集中，匯聚節(jié)點可安裝在路邊立柱、橫杠等交通設(shè)施上。終端節(jié)點可采用非接觸式地磁傳感器來定時收集和感知區(qū)域內(nèi)車輛的速度和車輛間距等信息。當車輛進入傳感器的監(jiān)控范圍后，終端節(jié)點可通過磁力傳感器來采集車輛的行駛速度等信息，并將信息傳送給下一個定時醒來的節(jié)點。當下一個節(jié)點感應(yīng)到該車輛時，結(jié)合車輛在兩個傳感器節(jié)點間的行駛時間估計，就可估算出車輛的平均速度。多個終端節(jié)點將各自采集并初步處理后的信息通過匯聚節(jié)點匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，進行數(shù)據(jù)融合，獲得道路車流量與車輛行駛速度等信息，從而為路口交通信號控制提供精確的輸入信息。此外，通過給終端節(jié)點安裝溫濕度、光照度、氣體檢測等多種傳感器，還可以進行路面狀況、能見度、車輛尾氣污染等檢測。例如：在交叉路口由于視線被阻礙，容易發(fā)生車輛碰撞事故，而利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集交通信息，就可以設(shè)計車輛防碰撞機制，因而具有很大的現(xiàn)實意義。

5 測距與定位
在智能公交網(wǎng)系統(tǒng)中，公交車輛在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位是一項復(fù)雜而重要的技術(shù)。公交車輛的位置是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能公交監(jiān)控網(wǎng)的重要交通參數(shù)，它決定著該系統(tǒng)運行的好壞。采用基于測距的算法或不基于測距的算法，可對位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的公文車輛進行定位。
目前的定位技術(shù)主要有硬件技術(shù)與軟件算法。硬件技術(shù)即是通過各種技術(shù)準確測出或者估算出兩個節(jié)點之間的距離，這一技術(shù)是準確得到位置信息的基礎(chǔ)。軟件算法是在現(xiàn)有的各種測距技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各種測距技術(shù)的特點，設(shè)計不同的算法來將已測出的距離信息計算成具體位置信息。其中基于測距算法的測距方式分為基于到達角度的測距方式、基于到達時間的測距方式、基于接收信號強度的測距方式、基于到達時間差的測距方式和對稱雙邊雙路測距等。不基于測距的定位方式分為質(zhì)心定位算法、DV-Hop定位算法和APIT定位算法等。
目前，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的研究熱點主要集中在3個關(guān)鍵技術(shù)上，即網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)。其中節(jié)點定位問題屬于網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)層的一項關(guān)鍵技術(shù)。

6 結(jié)語
本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著技術(shù)發(fā)展的日益成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中還將應(yīng)用于更多的場合，例如電子收費、交通安全與自動駕駛、停車管理、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)等，這將會更進一步推動智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。