基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鄭州市智慧交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孫喜梅，王震

（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064）

引言

有著“新一線城市”的鄭州市被當(dāng)?shù)厝藨蚍Q為“堵城”，特別是近幾年，機(jī)動(dòng)車及常住人口數(shù)量不斷增長，使得交通擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重。

為了緩解交通擁堵，鄭州市進(jìn)行了大規(guī)模的智能化通建設(shè)，建立了交叉路口信號控制、卡口監(jiān)控、視頻監(jiān)控、交通誘導(dǎo)等一系列智能交通系統(tǒng)。從2009年開始，鄭州更是陸續(xù)修建了地鐵線路和高架立交橋，開設(shè)了多條BRT營運(yùn)線路，這些建設(shè)大幅度緩解了交通擁堵。然而，隨著車輛保有量不斷上升，在市區(qū)局部區(qū)域和部分路段仍存在擁堵情況。

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)造成鄭州市區(qū)路口擁堵的原因主要有以下兩個(gè)：

（1）交通流復(fù)雜，出行者素質(zhì)不高

鄭州市是一個(gè)常住人口數(shù)量超過900萬的中心城市，每天的出行人員眾多，交通流復(fù)雜，有私家車、公交車、電動(dòng)自行車、行人等。在上下班高峰，路口往往出現(xiàn)多方擁堵情況，大家各不相讓，導(dǎo)致通行速度緩慢。非機(jī)動(dòng)車占用機(jī)動(dòng)車道，機(jī)動(dòng)車駛?cè)敕菣C(jī)動(dòng)車道，行人橫穿馬路等現(xiàn)象層出不窮。為了快速通過路口，一些素質(zhì)不高的機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)嘶ゲ幌嘧專踔廉?dāng)街對罵，使得道路擁堵情況加劇。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善

近幾年，鄭州市不斷加強(qiáng)道路設(shè)施建設(shè)，大的路口交通信號燈、電子警察等設(shè)備齊全，但是一些小的交叉路口還存在沒有紅綠燈的情況。另外，鄭州路面建設(shè)存在不合理現(xiàn)象，很多地方的設(shè)計(jì)都沒有考慮到可持續(xù)問題。比如說黃河路文化路的天橋，才剛建成5年，就因?yàn)榈罔F5號線的施工而被拆除。

1 智慧交通系統(tǒng)和車聯(lián)網(wǎng)

1.1 智慧交通系統(tǒng)

近幾年，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)相繼出現(xiàn)，這些技術(shù)被不斷的運(yùn)用在各行各業(yè)中，也給了交通管理者啟發(fā)，使得他們提出了新一代綜合交通體系的概念——智慧交通。智慧交通與智能交通，都是信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用的產(chǎn)物[1]。與智能交通相比，智慧交通融入了物聯(lián)網(wǎng)[2]、云計(jì)算等高新IT技術(shù)來匯集交通信息，大量的使用了數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為出行者提供出行信息服務(wù)，甚至能與人們進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，充分滿足了現(xiàn)代人的個(gè)性化需求。

從本質(zhì)上來說，智慧交通系統(tǒng)是在應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，把人、車、路、環(huán)境四者智能的連接起來。同時(shí)，綜合運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)[3]、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)對交通信息進(jìn)行全面的處理分析，從而提高了系統(tǒng)對道路交通狀態(tài)的感知能力，實(shí)現(xiàn)決策和控制的智慧型交通系統(tǒng)。

1.2 車聯(lián)網(wǎng)

21世紀(jì)的今天，信息技術(shù)飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算作為信息技術(shù)新的高度和形態(tài)被提出、發(fā)展。其中，物聯(lián)網(wǎng)更是信息化時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展的，用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品之間，來進(jìn)行信息交換和通信的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在智慧交通領(lǐng)域產(chǎn)生了汽車移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（簡稱車聯(lián)網(wǎng)）的概念。車聯(lián)網(wǎng)是指利用車載電子、標(biāo)準(zhǔn)信息源、傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛的信息采集。[4]同時(shí)，利用無線射頻識別、專用短程通信（DSRC）、廣域無線通信等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車輛的信息互聯(lián)。最后，在網(wǎng)絡(luò)平臺上完成對車輛靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息的深度挖掘與綜合利用，并根據(jù)不同的功能需要來實(shí)現(xiàn)車輛的綜合信息服務(wù)及監(jiān)管?？偠灾?，車聯(lián)網(wǎng)就是通過人、車和道路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和感知，從而實(shí)現(xiàn)車內(nèi)網(wǎng)、車外網(wǎng)、車際網(wǎng)的無縫鏈接，給交通參與者提供智能管理和信息服務(wù)。

2 鄭州市智慧交通系統(tǒng)的研究

2.1 智慧交通系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鄭州市的擁堵，主要體現(xiàn)在在交通流量大、無信號燈或者是信號燈故障的交叉路口。為了緩解這些路口的擁堵情況，可以在原有的智能交通系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電子檢測技術(shù)綜合運(yùn)用，建立一個(gè)人、車、交通信號設(shè)備聯(lián)網(wǎng)感知的智慧交通系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于車聯(lián)網(wǎng)，包括通信網(wǎng)絡(luò)、智能車載導(dǎo)航與車流誘導(dǎo)系統(tǒng)、交通信號控制系統(tǒng)、車輛監(jiān)控系統(tǒng)以及服務(wù)管理中心。系統(tǒng)框架如圖1所示：

圖1 智慧交通系統(tǒng)框架

2.2 智慧交通系統(tǒng)子系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)是連接路側(cè)設(shè)備、車載設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，它負(fù)責(zé)各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee[5]無線可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量達(dá)到65535個(gè)，具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢，使其被廣泛應(yīng)用于智慧交通系統(tǒng)中。通過互聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)的聯(lián)合使用可以實(shí)現(xiàn)交通設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)一體化管理功能?；诖送ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的智慧交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能車載導(dǎo)航[6]系統(tǒng)借助由地理信息系統(tǒng)和通信技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化地圖，運(yùn)用其內(nèi)部的 GPS定位技術(shù)進(jìn)行車輛定位，在根據(jù)實(shí)時(shí)交通信息為車輛選定最優(yōu)行駛路線。目前市場上的 GPS車載導(dǎo)航儀種類很多，具有的基本功能包括：GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位、電子地圖瀏覽查詢、智能的路線規(guī)劃、全程的語音提示。

智能車流誘導(dǎo)系統(tǒng)主要承擔(dān)行車誘導(dǎo)功能，它可以為駕駛員提供實(shí)時(shí)的路線引導(dǎo)，避免迷路和錯(cuò)誤駕駛，并降低交通事故率。還可以針對用戶的出行目的地，向其提供最優(yōu)的路線信息。交通誘導(dǎo)系統(tǒng)主要由信息探測采集、傳輸、匯總處理、誘導(dǎo)信息發(fā)布等方面組成。

車輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是采用高清 CCD攝像機(jī)，自動(dòng)采集車輛信息并完成車牌的自動(dòng)識別功能，并具有黑名單對比報(bào)警、黑名單更新及數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)等功能的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以根據(jù)時(shí)間段、車輛類型、車道方向進(jìn)行交通流量統(tǒng)計(jì)，當(dāng)車流量超出某一數(shù)值時(shí)，能夠報(bào)警并將信息反饋到服務(wù)管理中心。

交通信號控制系統(tǒng)可以根據(jù)交通流大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)交通信號燈的配時(shí)方案，使停車次數(shù)和延誤時(shí)間減至最小[7]。由于鄭州市內(nèi)路面交通情況復(fù)雜，交通流包括機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車，因此，交通信號控制系統(tǒng)可以設(shè)置在一些機(jī)動(dòng)車道和非機(jī)動(dòng)車道完全分開的路段。同時(shí)，該系統(tǒng)還配備交通信號燈故障監(jiān)控模塊，能夠有效的檢測到路口各種不同類型信號燈存在的邏輯控制故障[8]和硬件損壞，并將結(jié)果反饋給服務(wù)管理中心。

服務(wù)管理中心可以實(shí)現(xiàn)交通控制管理及服務(wù)功能。管理中心設(shè)置專業(yè)的大型城市交通監(jiān)控室、指揮室和服務(wù)臺，監(jiān)控室交替顯示不同路口的實(shí)時(shí)交通情況，指揮室可以在接收到警報(bào)信號后通知附近的交通警察和交通協(xié)管到對應(yīng)地點(diǎn)進(jìn)行交通疏導(dǎo)，服務(wù)臺主要為出行者提供出行服務(wù)，并能通過互聯(lián)網(wǎng)、交通廣播等形式發(fā)布交通擁堵信息。

3 系統(tǒng)建設(shè)難點(diǎn)

智慧交通系統(tǒng)的涉及面廣，研究內(nèi)容多。在實(shí)際的應(yīng)用中，智慧交通有以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)需要突破：

3.1 需要先進(jìn)的檢測、感知、識別技術(shù)及相應(yīng)的車載設(shè)備

人與車的地理位置、身份信息需要通過射頻識別、傳感器等技術(shù)獲取。這就需要研制與開發(fā)具有對應(yīng)功能的設(shè)備。如車載電子裝置、車輛自動(dòng)駕駛技術(shù)等，而這些技術(shù)與設(shè)備的開發(fā)目前還處于起步階段。

3.2 建立覆蓋面廣的信息網(wǎng)絡(luò)

信息網(wǎng)絡(luò)需要收集的信息很多，包括交通基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)，設(shè)計(jì)、施工，環(huán)境狀況，交通流狀態(tài)等信息。形成這樣一個(gè)完整的信息網(wǎng)絡(luò)，需要大量的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

3.3 先進(jìn)的交通管理調(diào)度系統(tǒng)

交通管理調(diào)度系統(tǒng)，應(yīng)能實(shí)時(shí)監(jiān)視、探測區(qū)域性交通流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，快速收集各種交通流的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析交通流運(yùn)行特征，預(yù)測交通流的變化趨勢，并據(jù)此制定出最佳應(yīng)變措施和方案。這就需要建立如“車輛-道路自動(dòng)化協(xié)作系統(tǒng)”、“車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”。

4 結(jié)束語

針對鄭州市交通擁堵情況，本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧交通系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要借助信息技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等，用于改善交叉路口通行能力，包括通信網(wǎng)絡(luò)、智能車載導(dǎo)航系統(tǒng)、智能車流誘導(dǎo)系統(tǒng)、智能交通信號控制系統(tǒng)、車輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和服務(wù)管理中心。智慧交通系統(tǒng)能更好的把人、車、路三者連接起來，讓出行者更方便的獲得出行信息，管理者更精確的掌握路面信息。