无线传感器网络在智能交通中的应用

摘要：针对目前中国的交叉路口多、车流量大、交通混乱等现象，阐述了基于无线传感器网络的智能交通系统的基本原理。结合国内外将无线传感器网络应用于智能交通网系统的已有研究应用情况，指出了无线传感器网络技术应用于智能交通中的交通信息采集、交通信息传输、交通控制和诱导等方面的几个关键技术，以便为进一步研究并拓展无线传感器网络在智能交通中的应用提供参考。
关键词：无线传感器网络；智能交通系统；节点；系统模型

0 引言
    智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)是在传统的交通体系的基础上发展起来的新型交通系统，它将信息、通信、控制和计算机技术以及其他现代通信技术综合应用于交通领域，并将“人-车-路-环境”有机地结合在一起。事实上，在现有的交通设施中增加一种无线传感器网络技术，将能够从根本上缓解困扰现代交通的安全、通畅、节能和环保等问题，同时还可以提高交通工作效率。因此，将无线传感器网络技术应用于智能交通系统已经成为近几年来的研究热点。
    智能交通系统主要包括交通信息的采集、交通信息的传输、交通拧制和诱导等几个方面。无线传感器网络可以为智能交通系统的信息采集和传输提供一种有效手段，以用来监测路面与路口各个方向上的车流量、车速等信息。它主要由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间的数据传输与通信等子系统组成。信息采集子系统主要通过传感器来采集车辆和路面信息，然后由策略控制子系统根据设定的目标，并运用计算方法计算出最佳方案，同时输出控制信号给执行子系统，以引导和控制车辆的通行，从而达到预设的目标。

1 国内外无线传感器网络在智能交通中的应用研究
    美国的马萨诸塞大学建立的UMass DieselNet智能公文系统主要包括公交车节点以及安装在路边的Throwboxes，可用于提高网络的连通性。美国加州大学伯克利分校的ATMIS项目，哈佛大学的CitySense项目都开展了无线传感器网络在道路交通监测方面的研究。瑞典有一段公路，利用太阳能供电传感器，可以对行驶车辆做出路面结冰、事故拥堵和其他危险情况的预警。
    国内对车辆传感器网络的研究也在积极开展。武汉理工大学开展了无线传感器网络在火车车厢环境中的测控应用，对车厢内的空气质量、安全隐患等进行全程检测。中科院沈阳自动化所开展了基于无线传感器网络的高速公路交通监控系统研究，并利用此项技术来弥补传统设备能见度低、路面结冰时无法对高速路段进行有效监控等，从而提出了新的图像监视系统；此外，对一些天气突变性强的地区，该技术也能极大地降低汽车追尾等交通事故的发生。
    无线传感器网络在智能交通中还可以用于交通信息发布、电子收费、车速测定、停车管理、综合信息服务平台、智能公交与轨道交通、交通诱导系统和综合信息平台等技术领域。

2 无线传感器网络在智能交通中的应用关键技术
2．1 节点技术
    在无线传感器网络交通监控系统中，节点技术是最常见也是使用最多的一种技术，通常采用的普通节点、汇聚节点、网关节点等三类传感器节点的功能是：
    普通节点主要承担数据采集，并将感知的数据信息传递给近邻的节点；汇聚节点用于收集普通节点感知的信息，然后进行初步数据处理，并将处理结果传送到网关节点，汇聚节点之间可以互相通信；网关节点用于收集汇聚节点信息并通过3G网络将信息传送回控制中心，节点间不具备通信功能，也就是说，网关节点主要承担无线和有线信号转换，实现Internet网络的接入功能。
    根据各类节点功能上的不同，可对节点进行分层部署。首先，由普通节点将感知信息以单跳或多跳路由协议的方式把信息传送到距离其最近的汇聚节点，然后由汇聚节点采用相同的方式将信息传送给网关节点。
2．2 地磁传感技术
    目前在道路上的绝大多数车辆都由大量的铁制成，这些钢铁比周围的空气更具有磁渗透性。地磁传感器可以分辨出地球磁场六千分之一的变化，而当车辆通过时，对地磁的影响可能达到地磁强度的几分之一，因此，可以利用地磁传感器来检测车辆的存在，并且其具有极高的灵敏度。地磁传感器就是通过探测车辆通过时对地球磁场产生的扰动来探测车辆的，传感器模块可以依据测量过往车辆对地磁场的干扰情况来检测车辆。此外，也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动的不同来识别车辆类型。国外在这方面的应用已经非常广泛。

3 基于移动agent的道路交通网的算法系统模型
    在图1所示的无线传感器网络中，底层是由数个车辆传感器装置的移动agent实体组成的(移动agent在交通网络中看作一个节点)，底层可以从其他的agent上接收信息再传递信息到另外的移动agent。通过相互交换，它们可以获取城市交通网络中的不同信息，并通过对所得数据进行分析和处理得出结论，再传递给司机一些指示，从而指导司机在驾驶中选取正确的方向。车辆上的移动agent实体可以容易地进入和离开网络，所以，不需要额外的操作就能很容易地扩大网络的覆盖范围，提高整个网络的灵活性。

4 交通信息的采集
    信息采集主要是通过传感器来在道路上实时检测交通量、车速、车流密度和车道占有率等交通参数。在无线传感器网络结构中，安装在道路两旁的汇聚节点组成一个多跳的Mesh基础网络构架，终端节点与汇聚节点组成星型网络并进行通信，将最终数据汇聚到网关节点上。网关节点可集成安装在交叉路口的交通信号控制器内，通过信号控制器的专有网络将所采集到的数据发送到交管中心进行进一步处理。道路上的车辆安装传感器节点将动态地加入传感器网络在交通信息采集中，汇聚节点可安装在路边立柱、横杠等交通设施上。终端节点可采用非接触式地磁传感器来定时收集和感知区域内车辆的速度和车辆间距等信息。当车辆进入传感器的监控范围后，终端节点可通过磁力传感器来采集车辆的行驶速度等信息，并将信息传送给下一个定时醒来的节点。当下一个节点感应到该车辆时，结合车辆在两个传感器节点间的行驶时间估计，就可估算出车辆的平均速度。多个终端节点将各自采集并初步处理后的信息通过汇聚节点汇聚到网关节点，进行数据融合，获得道路车流量与车辆行驶速度等信息，从而为路口交通信号控制提供精确的输入信息。此外，通过给终端节点安装温湿度、光照度、气体检测等多种传感器，还可以进行路面状况、能见度、车辆尾气污染等检测。例如：在交叉路口由于视线被阻碍，容易发生车辆碰撞事故，而利用无线传感器网络采集交通信息，就可以设计车辆防碰撞机制，因而具有很大的现实意义。

5 测距与定位
    在智能公交网系统中，公交车辆在无线传感器网络中的定位是一项复杂而重要的技术。公交车辆的位置是基于无线传感器网络的智能公交监控网的重要交通参数，它决定着该系统运行的好坏。采用基于测距的算法或不基于测距的算法，可对位于无线传感器网络中的公文车辆进行定位。
    目前的定位技术主要有硬件技术与软件算法。硬件技术即是通过各种技术准确测出或者估算出两个节点之间的距离，这一技术是准确得到位置信息的基础。软件算法是在现有的各种测距技术的基础上，根据各种测距技术的特点，设计不同的算法来将已测出的距离信息计算成具体位置信息。其中基于测距算法的测距方式分为基于到达角度的测距方式、基于到达时间的测距方式、基于接收信号强度的测距方式、基于到达时间差的测距方式和对称双边双路测距等。不基于测距的定位方式分为质心定位算法、DV-Hop定位算法和APIT定位算法等。
    目前，对于无线传感器网络本身的研究热点主要集中在3个关键技术上，即网络通信协议、网络管理技术和网络支撑技术。其中节点定位问题属于网络支撑技术层的一项关键技术。

6 结语
    本文结合无线传感器网络在智能交通系统中的典型应用，阐述了无线传感器网络在智能交通中的关键技术。随着技术发展的日益成熟，无线传感器网络技术在智能交通系统中还将应用于更多的场合，例如电子收费、交通安全与自动驾驶、停车管理、交通诱导系统等，这将会更进一步推动智能交通系统的发展。