車聯(lián)網(wǎng)智能交通管理論文

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1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1．1總體方案

城市智能交通管理及決策依據(jù)的研究，意在以車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPS定位及測(cè)速技術(shù)、GPRS數(shù)傳技術(shù)、RFID射頻識(shí)別技術(shù)等技術(shù)手段，以車載終端、公交車站點(diǎn)終端、智能手機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控PC終端作為信息采集和查詢的終端載體，輔助交通管理部門、公交調(diào)度公司、道路管理處等部門，研究?jī)?yōu)化公共交通工具調(diào)度、道路改擴(kuò)建優(yōu)化的決策依據(jù)和方法。

1．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分公交車終端、Taxi終端、私家車終端、公交站點(diǎn)終端，及前臺(tái)應(yīng)用和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器幾部分。車載終端通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集安全及空閑狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過GPS提供實(shí)時(shí)位置、速度信息，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給服務(wù)器。公交站點(diǎn)終端通過Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)采集大氣環(huán)境數(shù)據(jù)、車流量信息，并通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給服務(wù)器。同時(shí)，系統(tǒng)還可以與停車場(chǎng)智能管理系統(tǒng)對(duì)接，為機(jī)動(dòng)車司機(jī)提供停車場(chǎng)信息服務(wù)。系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)需要建立在一套基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通管理平臺(tái)上。

2系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容

系統(tǒng)主要包括交通管理和道路優(yōu)化兩個(gè)方面。交通管理方面:主要包括公交車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控機(jī)制、公交調(diào)度自動(dòng)化機(jī)制、行人候車服務(wù)、行人自助打車機(jī)制、周邊停車場(chǎng)信息聯(lián)動(dòng)機(jī)制、交通事故上報(bào)及處理自動(dòng)化機(jī)制、道路意見上報(bào)自動(dòng)化機(jī)制、實(shí)時(shí)天氣服務(wù)、實(shí)時(shí)路況服務(wù)、道路維護(hù)信息機(jī)制等。道路優(yōu)化方面:主要依據(jù)實(shí)時(shí)路況信息、各公交站點(diǎn)上下班人數(shù)及時(shí)間統(tǒng)計(jì)，及通過車載終端上報(bào)的交通事故和道路意見、停車場(chǎng)的分布及動(dòng)態(tài)使用情況，數(shù)據(jù)匯入道路優(yōu)化專家系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘，分析易擁堵路段、易發(fā)生交通事故路段、上下班高峰期及人口出行密集區(qū)域，以及市民交通成本分析、城市交通狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)分析，最終形成交道優(yōu)化的智能決策依據(jù)。綜合上述兩大方面，系統(tǒng)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容如下:

2．1智能候車服務(wù)

通過電子站牌，即公交站點(diǎn)智能終端，提供準(zhǔn)確的公交車輛預(yù)到站服務(wù)，還可以提供實(shí)時(shí)路況查詢、智能打車、天氣狀況等服務(wù)。

2．2公交車實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控機(jī)制

基于物聯(lián)網(wǎng)、ZigBee和傳感器技術(shù)，采集可燃?xì)怏w、門窗安全狀態(tài)、各站點(diǎn)各時(shí)間段行人上下車情況、實(shí)時(shí)車位及車速等信息，供司機(jī)、公交調(diào)度人員控制車輛及調(diào)度提供依據(jù);可為司機(jī)提供到達(dá)某站計(jì)劃用時(shí)與實(shí)際用時(shí)的比較服務(wù)。

2．3公交智能調(diào)度機(jī)制

查看某線路所有在運(yùn)行車輛的位置信息，可提前估算出下一班車到達(dá)時(shí)間，如壓車嚴(yán)重、車輛拋錨等情況，可提前做出調(diào)度方案，提高乘坐公共交通工具乘客的滿意度。

2．4智能自助打車機(jī)制

通過智能手機(jī)、公交站點(diǎn)智能終端，可以實(shí)時(shí)查看周邊出租車的位置和狀態(tài)，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)連線呼叫，立刻就可以得到出租車司機(jī)的回復(fù)，無需中轉(zhuǎn)，可操作性強(qiáng)。減少出租車司機(jī)尋找客源的時(shí)間、油耗。

2．5實(shí)時(shí)路況服務(wù)

提供實(shí)時(shí)路況查詢服務(wù)，為行人、車主提供交通狀況參考，及時(shí)選擇合適的出行路線，避免擁堵，提升道路的綜合利用率。

2．6動(dòng)態(tài)停車場(chǎng)信息服務(wù)

為機(jī)動(dòng)車司機(jī)提供周邊停車場(chǎng)信息服務(wù)，包括位置、距離、規(guī)模、空位數(shù)、收費(fèi)情況等。減少司機(jī)問路誤時(shí)、無處停車而違章停車等現(xiàn)象。

2．7交通事故快速定位、排除、預(yù)警機(jī)制

由過往車輛車主通過智能終端平臺(tái)進(jìn)行事故上報(bào)，由后臺(tái)交警部門的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心快速定位及處理。當(dāng)車輛即將到達(dá)交通事故發(fā)生地時(shí)，車載智能終端提前提示司機(jī)前方發(fā)生事故，提前做好準(zhǔn)備。

2．8道路優(yōu)化意見上報(bào)機(jī)制

所有車主都可以通過智能車載終端提交對(duì)道路優(yōu)化信息的機(jī)制和方法，操作便捷。交通管理部門可對(duì)信息進(jìn)行匯總，發(fā)現(xiàn)同一地點(diǎn)上報(bào)頻率高的意見則重點(diǎn)考慮。

2．9道路維護(hù)信息機(jī)制

車主可通過智能車載終端直接查看道路維護(hù)信息的機(jī)制和方法，并在即將進(jìn)入道路維修或封閉路段時(shí)，提前給予提醒，以便車主及時(shí)、正確地選擇其他路線，避免交通堵塞。

2．10智能交通專家系統(tǒng)

系統(tǒng)研究意在通過大量的數(shù)據(jù)采集，深入挖掘，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，給出道路優(yōu)化的決策依據(jù)，減少人力成本和過多的主觀因素影響。

3核心技術(shù)及解決方案

3．1實(shí)時(shí)路況建模

以GPS位置、車速、車流量、道路本身參數(shù)，構(gòu)建精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)路況模型，要比僅以車速建模的實(shí)時(shí)路況信息更為準(zhǔn)確。

3．2海量數(shù)據(jù)采集

公交車數(shù)據(jù)采集:包括上下車人數(shù)、公交安全監(jiān)測(cè)、位置信息三部分。上下車人數(shù):采用紅外對(duì)射和13．56MRFID讀卡器，統(tǒng)計(jì)公交車某時(shí)刻經(jīng)由某站刷卡人數(shù)和上下車人數(shù)，并計(jì)算車上在乘人數(shù)，為計(jì)算上下班出行高峰、居住和工作密集區(qū)、公交車調(diào)度方案等提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為等候公交的乘客提供公交剩余載客能力信息;公交安全監(jiān)測(cè):通過紅外對(duì)射或反射傳感器檢測(cè)后門是否關(guān)閉;通過MQ2煙霧和可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器檢測(cè)是否有可燃?xì)怏w泄漏，或者在無人情況時(shí)發(fā)生自然等;位置信息:采用GPS模塊，為等候公交的乘客提供最近一班公交的位置信息，乘客可以有更多更好的選擇。公交站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集:包括環(huán)境數(shù)據(jù)和車流量?jī)刹糠帧－h(huán)境數(shù)據(jù):采用DHT11溫濕度傳感器采集溫濕度，采用MQ135空氣污染傳感器采集當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)上的天氣預(yù)報(bào)，一同為行人提供穿衣指數(shù)、出行建議;車流量數(shù)據(jù)采集:采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)統(tǒng)計(jì)車流量信息，為實(shí)時(shí)路況提供數(shù)據(jù)支持。出租車數(shù)據(jù)采集:包括乘客監(jiān)測(cè)和位置信息兩部分。乘客監(jiān)測(cè):采用人體紅外檢測(cè)傳感器，為智能打車提供周邊出租車狀態(tài)信息;位置信息:采用GPS模塊，為智能打車提供周邊出租車位置信息。車輛定位及測(cè)速:以車載終端附帶的GPS模塊，提供車位、車速的檢測(cè)，為實(shí)時(shí)路況提供數(shù)據(jù)支持。

3．3GPS信息采集及分析

采集的GPS數(shù)據(jù)分析是基于NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。車載終端GPS信息采集模塊選用了U-blox公司的GPS模塊NEO-6系列，支持NMEA-0183和UBX二進(jìn)制協(xié)議，定位精度＜2．5m，支持SBAS，可控誤差＜2m。本系統(tǒng)中，根據(jù)NMEA-0183協(xié)議完成對(duì)GPS定位和測(cè)速信息的采集和分析。NMEA-0183格式以“”開始，其中常用的語句有6句，本系統(tǒng)主要使用了GPRMC和GPVTG。GPRMC為推薦定位信息，其中包含了GPS應(yīng)用程序所需的時(shí)間、日期、位置、方向和速度等數(shù)據(jù)，是最常用的一條語句。數(shù)據(jù)樣例如下:$GPRMC，161227．467，A，3721．2473，N，12157．3413，E，0．17，307．63，120578，*13＜CR＞＜LF＞，

3．4數(shù)據(jù)幀格式定義及分析

傳感器數(shù)據(jù)、ZigBee數(shù)據(jù)、RFID數(shù)據(jù)、GPRS數(shù)據(jù)等都封裝成固定格式協(xié)議，便于數(shù)據(jù)的匯總和分析。GPS參考NMEA-0183數(shù)據(jù)協(xié)議。

4．5ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)搭建

分為傳感器模塊和ZigBee節(jié)點(diǎn)兩層架構(gòu)。傳感器模塊，以STM8單片機(jī)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，輸出都是或者轉(zhuǎn)化為數(shù)字量及開關(guān)量，以串口TTL電平傳給ZigBee節(jié)點(diǎn)。ZigBee節(jié)點(diǎn)，基于最流行的TI公司的CC2530芯片，支持最流行的Zig-Bee2007協(xié)議棧。ZigBee節(jié)點(diǎn)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3．6數(shù)據(jù)無線傳輸

傳感器數(shù)據(jù)采集后，以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給嵌入式網(wǎng)關(guān)。嵌入式網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、RFID數(shù)據(jù)，以GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方式與后臺(tái)服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用UDP協(xié)議，并自行定義數(shù)據(jù)幀格式。

3．7GPRS2．5G業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸

1)GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳車載終端與服務(wù)器的通信選用GPRS網(wǎng)絡(luò)為主。GPRS模塊與車載終端處理器的通信通過串口完成，處理器向GPRS模塊發(fā)送AT指令以及數(shù)據(jù)。GPRS模塊連接網(wǎng)絡(luò)后利用TCP/UDP協(xié)議與數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行無線通信。車載終端通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)Internet的無線接入，將車載終端要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊無線發(fā)給中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部服務(wù)器中，然后再傳遞到事先設(shè)定的Internet上某IP地址處，即本系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程服務(wù)器。遠(yuǎn)程服務(wù)也可以向車載終端返回?cái)?shù)據(jù)，或者對(duì)車載終端實(shí)施遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)在這里對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)定義了一套協(xié)議，便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

2)網(wǎng)絡(luò)連接使用GPRS無線設(shè)備做數(shù)傳的時(shí)候，在連接到外部數(shù)據(jù)網(wǎng)時(shí)通常有兩種方法:方法一:撥號(hào)上網(wǎng):常見的如撥ATD*99＊＊＊#。方法二:指定Server的IP地址、Port端口號(hào)，使用特定的AT指令來連接到外部的數(shù)據(jù)網(wǎng)，即Internet。兩種方式各有特點(diǎn):撥號(hào)上網(wǎng)方式采用的是外部協(xié)議棧，需要用戶自己實(shí)現(xiàn)PPP、TCP、UDP等協(xié)議棧。第二種方式則采用模塊自帶的協(xié)議棧，用戶的底層應(yīng)用程序不需要實(shí)現(xiàn)上述較為復(fù)雜的協(xié)議棧。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用第一種方式，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，但是使用靈活，用戶的數(shù)據(jù)封裝比較靈活，可以適應(yīng)用戶的特殊應(yīng)用。采用第二種方式，由于自身帶有完備的通信協(xié)議棧，所以用戶實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單但成本較高，數(shù)據(jù)的封裝格式也較為固定。

3)流量控制為了節(jié)省GPRS網(wǎng)絡(luò)流量，從傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)編碼、協(xié)議格式、數(shù)據(jù)庫操作四個(gè)方面做個(gè)全面考慮。傳輸協(xié)議:GPRS網(wǎng)絡(luò)按流量計(jì)費(fèi)，發(fā)送數(shù)據(jù)包由“IP頭+UDP/TCP頭+應(yīng)用數(shù)據(jù)”構(gòu)成。由于UDP頭比TCP頭小12字節(jié)，并且TCP協(xié)議還需要三次握手等額外開銷，所以實(shí)際上數(shù)據(jù)傳輸效率UDP要比TCP高。通過應(yīng)用層中超時(shí)重傳等功能完全可以滿足對(duì)UDP協(xié)議中少量丟包情況的處理。數(shù)據(jù)編碼:ASCII數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼體積將大大減少，但編解碼都需要時(shí)間，也就是需要犧牲一些CPU的處理能力。折中處理，進(jìn)行簡(jiǎn)單編碼，某些字段內(nèi)容用字段編號(hào)代替。協(xié)議格式:應(yīng)用數(shù)據(jù)需要按照協(xié)議規(guī)定進(jìn)行組織，采用可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)協(xié)議，可以節(jié)省很多空間。數(shù)據(jù)庫操作:部分?jǐn)?shù)據(jù)如公交乘客信息，可在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)一次性寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，而無需每到一站就傳輸一次。

4)永久在線?；顧C(jī)制GPRS是聲稱永久在線的，但是如果己連接鏈路長(zhǎng)時(shí)間沒有數(shù)據(jù)傳送，會(huì)自動(dòng)壓縮帶寬，或者把網(wǎng)絡(luò)斷開，也就是形成虛鏈接。由于每次GPRS接入Internet時(shí)，GPRS模塊都會(huì)獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)IP地址，每一次GPRS網(wǎng)絡(luò)地址都不一樣。所以在這種情況下，一旦連接斷開，則服務(wù)器必然無法識(shí)別終端。心跳包就是為了保證每次建立的臨時(shí)連接，在數(shù)據(jù)傳輸過程中不改變。本系統(tǒng)中的?；顧z測(cè)就是定時(shí)發(fā)心跳包產(chǎn)生流量，維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。當(dāng)需長(zhǎng)時(shí)間收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，需要保證終端在線，否則一旦網(wǎng)絡(luò)連接斷開，將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程失敗。如何判斷連接是否正常，一般采用定時(shí)發(fā)送簡(jiǎn)單的通信包即心跳包，如果在指定時(shí)間段內(nèi)未收到響應(yīng)，則判斷連接已經(jīng)斷開。出于效率的考慮，采用客戶端主動(dòng)向服務(wù)器端發(fā)送心跳包的方式實(shí)現(xiàn)在線?；顧C(jī)制。考慮到資費(fèi)問題，心跳包長(zhǎng)度無需過長(zhǎng)。在有數(shù)據(jù)收發(fā)發(fā)生時(shí)，無需發(fā)送心跳包;只有無操作時(shí)，才發(fā)送心跳包。在發(fā)送心跳包過程中，需要保證一旦有接收的數(shù)據(jù)過來，立即跳轉(zhuǎn)至接收處理程序，暫停心跳發(fā)送。不主動(dòng)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，每5分鐘一個(gè)心跳包，全天24小時(shí)在線僅需耗費(fèi)10K左右的流量。且在信號(hào)較弱、無法連接服務(wù)器時(shí)，支持延遲機(jī)制，重要數(shù)據(jù)可先保存，等信號(hào)穩(wěn)定后再發(fā)送。

4結(jié)語

與現(xiàn)有技術(shù)相比，系統(tǒng)在公共交通智能化，交通信息收集、處理和，智能交通專家系統(tǒng)等方面做了深入研究和優(yōu)化。系統(tǒng)底層通過不同的硬件電路模塊采集了多種數(shù)據(jù)信息，為決策研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ);網(wǎng)絡(luò)層以ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)作數(shù)傳，基本不受天氣、地形、位置、距離的限制;應(yīng)用層以Qt、Android作用戶界面、以嵌入式SQLite和MySQL作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為人機(jī)交互和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了接口。系統(tǒng)研究的機(jī)動(dòng)車覆蓋公交車、出租車、私家車，參與人覆蓋行人、司機(jī)、調(diào)度員、交警和道路管理處等，研究范圍全面、客觀，實(shí)現(xiàn)了真正的多位一體化。

作者：曹新 楊濤 張旭東 倪長(zhǎng)寶 單位：大連東軟信息學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 大連東軟信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)研發(fā)中心 中國人民解放軍65523部隊(duì)