基于物联网技术的交通信息采集和服务_图文

1、第6卷 第1期 工程研究跨学科视野中的工程6 (1: 73-802014年3月JOURNAL OF ENGINEERING STUDIES Mar., 2014收稿日期: 20130915; 修回日期: 20140117作者简介:孙正良（1965），男，研究员，研究方向为交通管理信息处理与集成技术。E-mail: SZL8205张雷元（1978），男，助理研究员，研究方向为城市交通控制技术。E-mail: zhangleiyuanDOI: 10.3724/SP.J.1224.2014.00073基于物联网技术的交通信息采集和服务孙正良，张雷元(公安部交通管理科学研究所，江苏无锡 214151摘

2、 要: 通过分析我国智能交通系统建设现状和存在问题，结合目前道路交通管理信息采集与服务需求，设计了基于物联网技术的道路交通信息采集与服务框架，以公安交通指挥平台为核心，集成各类交通信息采集与服务系统，实现交通路况信息全天候采集和智能分析、交通信息服务和出行诱导，以及区域交通流协调组织等功能。基于该框架体系，分别从交通流信息采集、交通信息发布与诱导服务、交通信号协调控制、公交优先等方面，对比分析了基于ITS 技术的传统应用与基于物联网技术的新型应用的优缺点。结论：物联网技术应用将有利于突破现有ITS 应用模式的弊端，提高交通信息采集精度，提升公众出行服务水平。关键词: 物联网；交通信息采集与服务

3、；智能交通；无线射频中图分类号: U491 文献标识码: A 文章编号: 1674-4969(201401-0073-08引言随着我国社会经济的快速发展和城镇化建设步伐的加快，汽车保有量持续增加，公众出行需求的变化使机动车交通流量呈爆炸式增长，城市交通拥堵和空气污染已经成为大城市面临的突出问题。公安机关作为我国城市交通管理的执法管理部门，在交通指挥中心建设和应用方面发挥了积极作用。截至2012年年底，全国542个城市建成了公安交通指挥中心（其中243个城市建立了基于地理信息系统的智能化指挥调度平台），423个城市实现了交通信号联网控制，路口渠化率达96.1%。城市交通管控技术的广泛应用有效缓解

4、了城市交通拥堵，改善了道路交通安全状况。截至2012年年底，全国公安机关在高速公路上已建成交通视频监控设备6 505套、交通流量检测设备 1 991套、事件检测设备515套、交通违法取证设备11 288套、交通诱导显示设备1 172套；在重要国道、省道上已建成交通视频监控设备 13 576套、交通违法取证设备15 324套。目前，公路监控设备基本覆盖全国高速公路和国省干线公路的关键点段，提高了公安机关对闯红灯、严重超速等交通违法行为的查处能力，公路交通违法行为和交通事故得到明显遏制。但从总体情况看，全国道路交通管理智能化水平仍然不高，主要表现在：道路交通信息采集不规范，采集精度不高，采集范围较

5、小；多源数据融合、共享不够，导致发布的公众服务交通信息不及时、不准确；个性化的动态出行诱导终端缺乏；公安机关掌握的道路交通信息（动态的交通流量、交通事故和交通管制等信息）对外发布和服务机制尚未建立等。近五年来物联网技术在我国迅猛发展，为智能交通管理增加了新的科技内涵，提供了新的解决思路，即通过物联网技术将人、车、路等交通要素进行互联1，实现交通信息自动采集、处理、“智能交通：技术、管理与产业化”专刊74 工程研究跨学科视野中的工程, 6 (1: 73-80 (2014智能化管理决策和信息服务。相对于以往以环形线圈感应和视频图像识别为主要手段的交通流量检测技术，基于物联网技术的智能交通管理将涵盖

6、交通信息感知、车辆身份识别、车辆动态诱导、区域协调控制和智能指挥调度等环节。通过对机动车信息的实时感知，整合应用卫星定位系统（global position system，GPS ）、无线射频电子标签（radio frequency identification，RFID ）、地理信息系统（geographic information system，GIS ）等技术，实现车辆从物理空间到信息空间的交互式双向映射，实现对路网交通的可视化管控2。物联网传感器技术（包括车联网技术）的广泛应用，必将实现路网交通状态和车辆身份信息的实时感知和精准采集，促进交通管理部门实现交通事件的“事后处置”向“事前预

7、警”转变，从而引起道路交通管理工作警务模式的深刻变革3。1 基于物联网技术的交通信息采集与服务框架针对目前交通信息感知不准确、实时获取能力缺乏且受天气影响大、出行服务和动态诱导手段不足、突发事件处置不及时等实际情况，基于物联网技术的交通信息采集与服务系统将综合采用环形线圈感知、微波感应、视频图像识别、浮动车测速、地磁感应检测和RFID 识读等多种采集手段，可全天候实时获取路网各道路断面上的交通流量、占有率、车道饱和度、行驶速度和延误时间等交通信息，同时利用无线传输、数据融合、数学建模、人工智能控制等技术，结合GIS ，可实现交通状态感知、交通堵塞预警、动态诱导、干线绿波/红波控制、突发事件处置

8、等功能；通过对路网交通流量的统计分析和预测，为城市管理部门调整城市路网道路规划和交通控制策略提供决策依据。基于物联网技术的交通信息采集和服务系统的整体框架如图1所示。其前端由交通信息采集系统、交通信号协调控制系统、车辆智能监测系统、非现场执法系统、车辆和警员定位系统等组成。作为核心的公安交通指挥平台，它起到交通信息汇聚融合、智能处置、情报分析提取和信息分发的作用；可与PGIS （Police Geographic In-formation System）平台无缝对接，通过智能分析系统对各种交通数据流进行情报分析处理后，对外提供交通信息服务和出行诱导4。这种架构下的智能交通体系通过全时空交通信息

9、的实时全天候采集和智能分析，结合车载GPS 定位装置和多种无线通信设备，实现车辆出行动态诱导、交通信号干线协调控制和区域路网交通优化控制，以及路网交通信息资源的整合和系统集成。其主要功能包括：汇集处理各类交通采集信息，综合分析道路交通运行状态，向公众发布实时路况信息和交通诱导信息，组织和管控区域交通流，指挥调度各类警力资源等5。2 基于物联网技术的信息采集与服务应用2.1 传统的信息采集与服务系统2.1.1 交通流信息采集目前国内外应用较为广泛的交通流信息采集主要有固定式采集和浮动车采集两种方式。固定式采集方式主要用于检测路网道路某个断面的交通流信息，包括流量、速度、占有率、排队长度和车头时距

10、等。传统固定式采集设备有环形线圈、微波、超声波、视频检测器等67140844。我国多数城市的灯控路口和公路卡口主要采用环形线圈或视频检测器，较少使用微波和超声波检测器。浮动车采集（floating car data，FCD ）技术主要用于检测城市区域大范围的交通流信息，包括车辆身份、经纬度、速度、车辆状态等原始信息，经过综合推算后可得到交通流量、平均速度和旅行时间等信息。因此，FCD 是固定式采集方式的重要补充。北京、上海、宁波等大中城市广泛利孙正良，等：基于物联网技术的交通信息采集和服务 75 图1 基于物联网技术的交通信息采集和服务框架体系用浮动车技术采集城市区域道路交通信息9116。它通

11、过安装在出租车、公交车和警车上的定位和无线通信装置，定期向数据中心发送车辆位置、时间或状态信息。数据中心对这些数据进行存储和处理，利用相关模型推算出车辆行驶速度、旅行时间等参数，为城市交通管理提供全方位的交通流数据支持。 2.1.2 交通出行诱导当前，用于交通诱导的载体包括交通诱导显示屏、交通广播、公众手机短信、互联网网站等。交通诱导显示屏设置在城区主干道和主要出入口，用于向出行者提供前方道路交通状态（如交通拥堵信息、路面设施检修状况、交通事故信息、交通管制信息等）和天气状态等各种警示信息，实现车流的合理导向，缓解因交通流分配不均衡造成的交通不畅或拥堵。上海、北京等城市通过在诱导显示屏使用红、

12、黄、绿三种颜色显示道路通行状态，红色表示道路堵塞，黄色表示道路拥堵，绿色表示道路畅通（图2）10。南京、常州等公交发达城市在公交站台设立了电子显示屏，用于发布车辆到站提示信息（图3）。其原理是通过安装在公交车辆上的GPS 定位装置或RFID 识别装置，以及无线通信模块或路侧设备，将公交车位置信息、速度信息等上传到调度中心，进行线路跟踪和到站预测，并将到站预测信息发布到公交站台电子显示屏。这种信息服务方式，增加了公交车运行的透明度，直观地提供了公交车辆运行动态信息，方便市民合理安排换乘车次，有利于提高出行效率。图2 交通诱导显示道路交通状态示例图图3 公交站台车辆到站信息示例图76 工程研究跨学

13、科视野中的工程, 6 (1: 73-80 (2014 2.1.3 城市交通信号控制系统城市交通信号控制系统是由交通信号控制机、交通信号灯、交通流检测设备、通信设备、中心控制计算机及相关软件等组成，用于道路交通控制的系统（图4）。其主要作用是减少道路交叉口、行人过街路段和快速路匝道的交通冲突点，确保道路安全有序通行。我国的城市交通信号控制系统采用分布式的三层结构：信号控制中心、路口控制设备和通信设备（图5）。路口信号机负责交通信息的采集和图4 交通信号控制系统工作原理图图5 交通信号控制系统结构图孙正良，等：基于物联网技术的交通信息采集和服务 77 上传，执行控制中心下达的配时方案，实现路口信号

14、灯的有序控制。路口信号机通过分布于路口的光端机和通信网络与信号控制中心联网，并具备自适应功能，可自行根据路口当前的交通流量和优化算法，对控制中心下达的配时方案进行微调(绿灯相位时间 。2.2 基于物联网技术的新型信息采集与服务系统2.2.1 基于多源感知的大范围交通流信息采集近两年南京、重庆、沈阳等城市已开始使用地磁感应检测器和RFID 识读器等新型交通采集设备7143847，用于交通流量的检测和车辆身份的识别。各类固定式采集设备的优缺点如表1所示9119。综合各类交通流信息采集技术的优点、缺点及其适用范围，为实现交通信息的全天候实时采集，必须综合采用多种交通感知技术，实现多源数据的采集，通过

15、后台服务端对多源数据进行集成融合和格式化处理，为交通诱导服务、信号优化控制等提供标准数据。通过融合各种交通检测器、传感器和感知终端，逐步形成一个覆盖大范围路网的感知网络11（图6）。基于新型传感技术和移动通信技术的交通信息采集手段，结合信息融合、处理、分析技术，区域路网动态交通信息的实时获取和全信息化将成为可能，同时使得交通流量的检测精度和车辆身份识别的准确性得到极大提高。表1 固定式检测器的优缺点比较检测器类型 优点缺点环形线圈精度高，适应性强，故障率低，性价比高安装维护困难，易损坏，无法感知具体车辆信息（如车辆身份、车辆类型等）视频监测安装维修方便，可检测参数多，可重现场景，可捕获图像易受

16、环境影响，在大雾、大雨等天气状态下不能准确感知，耗电不节能（需使用强光辅助照明），实时性较差 微波、超声波 安装维修方便，使用寿命长易受环境影响（受非机动车等干扰），检测精度较差地磁感应安装尺寸小，灵敏度高，施工量小，使用寿命长，对路面的破坏小 识读延误（因此，不能用于电子警察等设备的检测触发要求）无线射频 可准确识别每辆车的电子身份设备成本高，汽车需安装电子标签2.2.2 基于移动传感网的智能车载导航服务车载导航服务主要利用GPS 车载定位装置和数据通信模块，配合车载电子地图实现路径导航。我国多数车载导航系统目前还只能实现最短路径诱导，不能结合实际道路交通状态信息提供最优路径诱导。而公安机关

17、掌握的一些重要交通管控信息（如交通事故信息、道路维修信息、道路管制信息等）尚无法直接发送给车载导航终端，难以有效地实现车流的合理诱导。未来基于移动传感网的短程通信技术或云计算技术的普及应用，有望解决这一问题，真正实现基于路网实时交通状况的车载智能导航服务。图6 基于多源感知的大范围交通信息采集示意图78 工程研究跨学科视野中的工程, 6 (1: 73-80 (2014 2.2.3 基于交通状态感知的信号控制 当前我国多数信号交叉口仍然使用定时信号 控制技术，其智能化程度较低，不能很好地适应 日常交通流变化，无法满足实时优化调控需求。 通过引入交通状态感知技术，可以实现交通信号 实时优化和动态调

18、整， 提升交通信号控制的效益。 基于交通状态感知的信号控制功能主要包括： 1）感应控制。 感应控制是通过车辆检测器测定到达进口道 的交通情况，使信号显示时间根据当前交通流情 况而变化的一种控制方式。其工作原理如图 7 所 示。与定时控制相比，感应控制能充分利用绿灯 时间提高通行能力，减少路口停车次数，从而可 图7 感应控制原理图 得到安全、通畅的通车效果。感应控制在交通流 较少的时段内可取得很好的控制效果，但在高峰 时期其控制效果趋于定时控制。 图8 公交信号优先控制原理图 2）公交信号优先控制。 公交信号优先控制工作原理如图 8 所示。 当 公交车驶入路口时， 位于进口路侧的 RFID 阅读

19、 器可快速感知到安装在公交车上的 RFID 电子 标签 12 ，并将准确识别出的公交车信息传送到 路口信号控制机。路口信号控制机根据设定的 公交车通行线路进行综合判断，可适当延长当 前绿灯时间或缩短当前红灯时间，保证公交车 辆优先通过交叉口，或缩短公交车等候时间。 同时， 路侧的 RFID 阅读器也可有效感知非法抢 占公交专用车道的社会车辆，以便公安机关进 行后续处理。 3）干线绿波控制。 干线绿波控制又称“线控制” ，主要用于协调 控制城市部分主干道上的相邻路口的信号灯，以 提高主干道的通行能力。参与协调控制的路口采 用相同的信号周期，通过实时感知到的交通流信 息及平均车速，计算并实施各个信

20、号路口的绿灯 相位时间差。绿波控制通常分为单向绿波控制和 双向绿波控制（图 9） 。 孙正良，等：基于物联网技术的交通信息采集和服务 79 查控与处置，同时，为涉车治安案件提供有效且 有力的侦破手段，提高公安机关的办案能力。 图 10 公路车辆智能监测系统结构图 目前，各地公安交通管理部门已建公路车辆 智能监测系统约 7 600 套。这些监测系统仅在各 地市、县行政区域内形成局部区域监控网络，无 图9 绿波控制方式 法实现跨区域的监控和布控。为此，公安部交通 管理局于 2012 年下发了 全国机动车缉查布控系 统联网工作指导意见 ，要求各地在 2013 年启用 全国机动车缉查布控系统，实现所有

21、公路车辆智 能监测系统的全国联网和集成融合，为公安各警 种打击涉牌、涉证等各类违法犯罪行为提供技术 保障和手段，进一步提高了公路管控、路面执法 和服务公众的能力。 注： A、 B、 C 代表三个不同的交通信号相位。 2.2.4 基于 RFID 技术的公路车辆智能监测系统 传统的公路车辆智能监测系统主要利用视频 图像识别、环形线圈等技术，对受控路面经过的 所有机动车进行号牌识读和图像取证，并存储至 数据库，为公安机关及时侦破交通事故逃逸与盗 抢车辆等案件、纠正严重超速和不按规定车道行 驶等违法行为提供重要的证据信息 13。但由于受 天气和照明光线的影响， 以及无法有效辨别假牌、 套牌等问题， 车

22、辆号牌识读准确率只有 50%左右。 基于 RFID 技术的公路车辆智能监测系统将 利用先进的 RFID、视频图像识别等技术，全天候 对受控路面经过的每辆机动车进行电子身份快速 识别和图像取证，精准统计交通流量。它一般由 工控机、RFID 识读器、摄像机、辅助照明、车辆 检测器及图像处理单元等组成（图 10 ） 。其主要 功能包括车辆电子身份识别及车辆号牌自动识 别、图像自动记录、车速测定、严重超速及违规 占道行驶报警、布控报警、交通流量检测、数据 传输等。它不仅可以用于监测道路交通状况，而 且还可以通过对所记录的车辆身份信息、通行轨 迹信息与其他道路交通信息的比对分析，实现对 交通违章和嫌疑车

23、辆（如假牌、套牌车辆等）等 3 结语 综上所述，物联网技术在智能交通管理中的 广泛应用，可以从交通信息采集、信号控制、公 交优先、出行诱导和公路监控等多方面解决现有 技术无法解决的一些实际问题，有利于突破传统 ITS （ intelligent transport system） 应用模式的弊端， 全面提升我国道路交通信息采集与服务的智能化 水平，为交通信息分析预测和交通管理警务模式 的转变提供了有力的技术保障，为降低能耗、提 升交通出行效率提供了先进的技术支撑，因此具 有巨大的社会效益和经济效益。可以预见，未来 感知交通网的形成，将使人、车、路三要素之间 的相互作用关系以全新的方式呈现，我国

24、道路交 通管理智能化水平将达到前所未有的高度，最终 实现实时、准确、高效、安全、畅通、环保的交 通管理目标。 80 工程研究跨学科视野中的工程, 6 (1: 73-80 (2014 参考文献 1 王晓静 , 张晋 . 物联网研究综述 J. 辽宁大学学报 ( 自 然科学版 , 2010, 37(1: 3739. 2 张海亮 . 智能交通物联网发展展望 J. 中国交通信息化 , 2010(12: 3032. 3 颜志国 , 唐前进 . 物联网技术在智能交通中的应用 J. 警察技术 , 2010(6: 2123. 4 公 安 部 道 路 交 通 管 理 标 准 化 技 术 委 员 会 . GA/T4

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28、ecurity, Wuxi 214151, Jiangsu, China Abstract: By analyzing the situation and problems of the construction of intelligent transportation system, combined with the current needs of traffic management information collection and service, the framework of traffic information collection and service based on the technology of Internet of Things has been designed. Working as the core, the