無線傳感器網絡在智能交通中的應用

摘要：針對目前中國的交叉路口多、車流量大、交通混亂等現象，闡述了基于無線傳感器網絡的智能交通系統的基本原理。結合國內外將無線傳感器網絡應用于智能交通網系統的已有研究應用情況，指出了無線傳感器網絡技術應用于智能交通中的交通信息采集、交通信息傳輸、交通控制和誘導等方面的幾個關鍵技術，以便為進一步研究并拓展無線傳感器網絡在智能交通中的應用提供參考。
關鍵詞：無線傳感器網絡；智能交通系統；節點；系統模型

0 引言
智能交通系統(Intelligent Transportation System，ITS)是在傳統的交通體系的基礎上發展起來的新型交通系統，它將信息、通信、控制和計算機技術以及其他現代通信技術綜合應用于交通領域，并將“人-車-路-環境”有機地結合在一起。事實上，在現有的交通設施中增加一種無線傳感器網絡技術，將能夠從根本上緩解困擾現代交通的安全、通暢、節能和環保等問題，同時還可以提高交通工作效率。因此，將無線傳感器網絡技術應用于智能交通系統已經成為近幾年來的研究熱點。
智能交通系統主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通擰制和誘導等幾個方面。無線傳感器網絡可以為智能交通系統的信息采集和傳輸提供一種有效手段，以用來監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、輸出執行、各子系統間的數據傳輸與通信等子系統組成。信息采集子系統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根據設定的目標，并運用計算方法計算出最佳方案，同時輸出控制信號給執行子系統，以引導和控制車輛的通行，從而達到預設的目標。

1 國內外無線傳感器網絡在智能交通中的應用研究
美國的馬薩諸塞大學建立的UMass DieselNet智能公文系統主要包括公交車節點以及安裝在路邊的Throwboxes，可用于提高網絡的連通性。美國加州大學伯克利分校的ATMIS項目，哈佛大學的CitySense項目都開展了無線傳感器網絡在道路交通監測方面的研究。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冰、事故擁堵和其他危險情況的預警。
國內對車輛傳感器網絡的研究也在積極開展。武漢理工大學開展了無線傳感器網絡在火車車廂環境中的測控應用，對車廂內的空氣質量、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絡的高速公路交通監控系統研究，并利用此項技術來彌補傳統設備能見度低、路面結冰時無法對高速路段進行有效監控等，從而提出了新的圖像監視系統；此外，對一些天氣突變性強的地區，該技術也能極大地降低汽車追尾等交通事故的發生。
無線傳感器網絡在智能交通中還可以用于交通信息發布、電子收費、車速測定、停車管理、綜合信息服務平臺、智能公交與軌道交通、交通誘導系統和綜合信息平臺等技術領域。

2 無線傳感器網絡在智能交通中的應用關鍵技術
2．1 節點技術
在無線傳感器網絡交通監控系統中，節點技術是最常見也是使用最多的一種技術，通常采用的普通節點、匯聚節點、網關節點等三類傳感器節點的功能是：
普通節點主要承擔數據采集，并將感知的數據信息傳遞給近鄰的節點；匯聚節點用于收集普通節點感知的信息，然后進行初步數據處理，并將處理結果傳送到網關節點，匯聚節點之間可以互相通信；網關節點用于收集匯聚節點信息并通過3G網絡將信息傳送回控制中心，節點間不具備通信功能，也就是說，網關節點主要承擔無線和有線信號轉換，實現Internet網絡的接入功能。
根據各類節點功能上的不同，可對節點進行分層部署。首先，由普通節點將感知信息以單跳或多跳路由協議的方式把信息傳送到距離其最近的匯聚節點，然后由匯聚節點采用相同的方式將信息傳送給網關節點。
2．2 地磁傳感技術
目前在道路上的絕大多數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生的擾動來探測車輛的，傳感器模塊可以依據測量過往車輛對地磁場的干擾情況來檢測車輛。此外，也可以根據不同車輛對地磁產生的擾動的不同來識別車輛類型。國外在這方面的應用已經非常廣泛。

3 基于移動agent的道路交通網的算法系統模型
在圖1所示的無線傳感器網絡中，底層是由數個車輛傳感器裝置的移動agent實體組成的(移動agent在交通網絡中看作一個節點)，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絡中的不同信息，并通過對所得數據進行分析和處理得出結論，再傳遞給司機一些指示，從而指導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絡，所以，不需要額外的操作就能很容易地擴大網絡的覆蓋范圍，提高整個網絡的靈活性。

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。在無線傳感器網絡結構中，安裝在道路兩旁的匯聚節點組成一個多跳的Mesh基礎網絡構架，終端節點與匯聚節點組成星型網絡并進行通信，將最終數據匯聚到網關節點上。網關節點可集成安裝在交叉路口的交通信號控制器內，通過信號控制器的專有網絡將所采集到的數據發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點將動態地加入傳感器網絡在交通信息采集中，匯聚節點可安裝在路邊立柱、橫杠等交通設施上。終端節點可采用非接觸式地磁傳感器來定時收集和感知區域內車輛的速度和車輛間距等信息。當車輛進入傳感器的監控范圍后，終端節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點。當下一個節點感應到該車輛時，結合車輛在兩個傳感器節點間的行駛時間估計，就可估算出車輛的平均速度。多個終端節點將各自采集并初步處理后的信息通過匯聚節點匯聚到網關節點，進行數據融合，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，容易發生車輛碰撞事故，而利用無線傳感器網絡采集交通信息，就可以設計車輛防碰撞機制，因而具有很大的現實意義。

5 測距與定位
在智能公交網系統中，公交車輛在無線傳感器網絡中的定位是一項復雜而重要的技術。公交車輛的位置是基于無線傳感器網絡的智能公交監控網的重要交通參數，它決定著該系統運行的好壞。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絡中的公文車輛進行定位。
目前的定位技術主要有硬件技術與軟件算法。硬件技術即是通過各種技術準確測出或者估算出兩個節點之間的距離，這一技術是準確得到位置信息的基礎。軟件算法是在現有的各種測距技術的基礎上，根據各種測距技術的特點，設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，對于無線傳感器網絡本身的研究熱點主要集中在3個關鍵技術上，即網絡通信協議、網絡管理技術和網絡支撐技術。其中節點定位問題屬于網絡支撐技術層的一項關鍵技術。

6 結語
本文結合無線傳感器網絡在智能交通系統中的典型應用，闡述了無線傳感器網絡在智能交通中的關鍵技術。隨著技術發展的日益成熟，無線傳感器網絡技術在智能交通系統中還將應用于更多的場合，例如電子收費、交通安全與自動駕駛、停車管理、交通誘導系統等，這將會更進一步推動智能交通系統的發展。