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車聯(lián)網(wǎng)智能交通管理論文
1系統(tǒng)設(shè)計方案
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定位及測速技術(shù)、GPＲS數(shù)傳技術(shù)、ＲFID射頻識別技術(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，研究優(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，及前臺應(yīng)用和后臺數(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，系統(tǒng)還可以與停車場智能管理系統(tǒng)對接，為機(jī)動車司機(jī)提供停車場信息服務(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上。
2系統(tǒng)主要研究內(nèi)容
系統(tǒng)主要包括交通管理和道路優(yōu)化兩個方面。交通管理方面:主要包括公交車輛的實(shí)時運(yùn)行監(jiān)控機(jī)制、公交調(diào)度自動化機(jī)制、行人候車服務(wù)、行人自助打車機(jī)制、周邊停車場信息聯(lián)動機(jī)制、交通事故上報及處理自動化機(jī)制、道路意見上報自動化機(jī)制、實(shí)時天氣服務(wù)、實(shí)時路況服務(wù)、道路維護(hù)信息發(fā)布機(jī)制等。道路優(yōu)化方面:主要依據(jù)實(shí)時路況信息、各公交站點(diǎn)上下班人數(shù)及時間統(tǒng)計，及通過車載終端上報的交通事故和道路意見、停車場的分布及動態(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)研究內(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)時路況查詢、智能打車、天氣狀況等服務(wù)。
2．2公交車實(shí)時運(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)各時間段行人上下車情況、實(shí)時車位及車速等信息，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)某站計劃用時與實(shí)際用時的比較服務(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)時查看周邊出租車的位置和狀態(tài)，并且進(jìn)行實(shí)時連線呼叫，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)尋找客源的時間、油耗。
2．5實(shí)時路況服務(wù)
提供實(shí)時路況查詢服務(wù)，為行人、車主提供交通狀況參考，及時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動態(tài)停車場信息服務(wù)
為機(jī)動車司機(jī)提供周邊停車場信息服務(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、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進(jìn)行事故上報，由后臺交警部門的遠(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，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)化意見上報機(jī)制
所有車主都可以通過智能車載終端提交對道路優(yōu)化信息的機(jī)制和方法，操作便捷。交通管理部門可對信息進(jìn)行匯總，發(fā)現(xiàn)同一地點(diǎn)上報頻率高的意見則重點(diǎn)考慮。
2．9道路維護(hù)信息發(fā)布機(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，提前給予提醒，以便車主及時、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)時路況模型，要比僅以車速建模的實(shí)時路況信息更為準(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、位置信息三部分。上下車人數(shù):采用紅外對射和13．56MＲFID讀卡器，統(tǒng)計公交車某時刻經(jīng)由某站刷卡人數(shù)和上下車人數(shù)，并計算車上在乘人數(shù)，為計算上下班出行高峰、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:通過紅外對射或反射傳感器檢測后門是否關(guān)閉;通過MQ2煙霧和可燃?xì)怏w檢測傳感器檢測是否有可燃?xì)怏w泄漏，或者在無人情況時發(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)和車流量兩部分。環(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)上發(fā)布的天氣預(yù)報，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射頻識別技術(shù)統(tǒng)計車流量信息，為實(shí)時路況提供數(shù)據(jù)支持。出租車數(shù)據(jù)采集:包括乘客監(jiān)測和位置信息兩部分。乘客監(jiān)測:采用人體紅外檢測傳感器，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。車輛定位及測速:以車載終端附帶的GPS模塊，提供車位、車速的檢測，為實(shí)時路況提供數(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GPS定位和測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移動網(wǎng)絡(luò)方式與后臺服務(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數(shù)據(jù)，或者對車載終端實(shí)施遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)在這里對傳輸?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)傳的時候，在連接到外部數(shù)據(jù)網(wǎng)時通常有兩種方法:方法一:撥號上網(wǎng):常見的如撥ATD*99＊＊＊#。方法二:指定Server的IP地址、Port端口號，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)庫操作四個方面做個全面考慮。傳輸協(xié)議:GPＲS網(wǎng)絡(luò)按流量計費(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)用層中超時重傳等功能完全可以滿足對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，但編解碼都需要時間，也就是需要犧牲一些CPU的處理能力。折中處理，進(jìn)行簡單編碼，某些字段內(nèi)容用字段編號代替。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時間沒有數(shù)據(jù)傳送，會自動壓縮帶寬，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，GPＲS模塊都會獲得一個動態(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)器必然無法識別終端。心跳包就是為了保證每次建立的臨時連接，在數(shù)據(jù)傳輸過程中不改變。本系統(tǒng)中的�；顧z測就是定時發(fā)心跳包產(chǎn)生流量，維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。當(dāng)需長時間收發(fā)數(shù)據(jù)時，需要保證終端在線，否則一旦網(wǎng)絡(luò)連接斷開，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程失敗。如何判斷連接是否正常，一般采用定時發(fā)送簡單的通信包即心跳包，如果在指定時間段內(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�？紤]到資費(fèi)問題，心跳包長度無需過長。在有數(shù)據(jù)收發(fā)發(fā)生時，無需發(fā)送心跳包;只有無操作時，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。不主動收發(fā)數(shù)據(jù)時，每5分鐘一個心跳包，全天24小時在線僅需耗費(fèi)10K左右的流量。且在信號較弱、無法連接服務(wù)器時，支持延遲機(jī)制，重要數(shù)據(jù)可先保存，等信號穩(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、處理和發(fā)布，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，為人機(jī)交互和海量數(shù)據(jù)存儲提供了接口。系統(tǒng)研究的機(jī)動車覆蓋公交車、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。
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