張 勇

陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊研究生隊，天津 300161

物聯(lián)網(wǎng)（Internet Of Things,IOT）是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交互和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)的是物與物、物與人、人與人的全面互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。本文所用的感知層技術(shù)為RFID系統(tǒng)，主要是對車流量的信息采集、車輛監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)層主要是通過有線電纜和一些路由設(shè)備將系統(tǒng)采集到的信息準確無誤地傳至區(qū)域數(shù)據(jù)中心；應(yīng)用層主要是對數(shù)據(jù)的分析、處理、挖掘和存儲等，可以開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序供道路參與者使用，實現(xiàn)智能化。

本文主要研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路交叉口，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能感知、物物相聯(lián)的優(yōu)勢，根據(jù)一天內(nèi)交叉口的交通特性，采取靈活有效的控制，采用交叉口自適應(yīng)控制、交通感應(yīng)、行人請求和路網(wǎng)區(qū)域協(xié)調(diào)控制相結(jié)合的策略，追求交叉口平時通行能力最大，高峰時段擁擠度最小，真正實現(xiàn)道路交叉口的智能控制。

1 道路交叉路口運行現(xiàn)狀

近幾年來，隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)基礎(chǔ)的不斷發(fā)展壯大，人民生活水平有了顯著提高，出行更加方便，小汽車的保有量呈逐年遞增態(tài)勢。道路交通量急劇增加，許多交叉口由于設(shè)計不合理、交通設(shè)施不齊全、渠化不合理、組織不嚴密，交叉口內(nèi)部交通流混亂，無法滿足車輛的正常通行，交叉口擁擠現(xiàn)象嚴重，高峰時期極易發(fā)生堵車，浪費出行者的時間。并且交叉口位于各條路段的連接處，交叉口一旦發(fā)生擁堵，會形成連鎖反應(yīng)，影響道路交通，更為嚴重的是影響局部交通網(wǎng)，導(dǎo)致路網(wǎng)癱瘓。目前已有交通部門對本地的交叉口進行優(yōu)化設(shè)計，并且取得了良好的效果，在一定程度上緩解了路口的交通壓力，降低了交叉口的內(nèi)部沖突，提高了交叉口的通行能力。當(dāng)前，很多交叉口設(shè)計不合理，交通相關(guān)部門對此重視程度不夠，交通設(shè)施不完善，交叉口的實際通行能力并不能滿足現(xiàn)有交通量。因此，對交叉口進行現(xiàn)狀調(diào)查并且提出相關(guān)優(yōu)化建議，具有迫切的現(xiàn)實意義。

道路交叉口運行情況主要是通過攝像頭監(jiān)控、圖像分析以及視頻記錄監(jiān)測路口的狀況，對交叉口進行管理。但這種方式無法做到自動、實時監(jiān)控，不能得到通過該路口車輛的詳細信息，并且交叉口視頻監(jiān)控系統(tǒng)容易受到天氣氣候的影響，在惡劣環(huán)境下系統(tǒng)不能很好地工作。目前道路交叉口信號燈都采用固定的信號燈配時，有些時段有些交叉口的一個方向車流量特別大，排隊現(xiàn)象嚴重，而另一方向車流量少，這種固定式的信號燈配時很難適應(yīng)一天內(nèi)不同方向車流量的不同需求，難以發(fā)揮道路交叉口最大通行能力，造成資源的極大浪費。

2 道路交叉口系統(tǒng)組成

2.1 車輛信息采集系統(tǒng)

車輛信息采集系統(tǒng)采用遠距離無線射頻識別技術(shù)，即RFID系統(tǒng)?；赗FID技術(shù)的道路交叉口系統(tǒng)由射頻識別部分、數(shù)據(jù)傳輸部分和控制三部分組成。其中，射頻識別部分由車載標(biāo)簽、閱讀器和天線組成；數(shù)據(jù)傳輸部分主要包括路由設(shè)備和電纜；控制部分由數(shù)據(jù)管理計算機終端和服務(wù)器組成。

車輛信息采集系統(tǒng)選型主要是通過RFID遠距離識別系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要包括車載標(biāo)簽、閱讀器和天線。車載標(biāo)簽，綜合考慮電子標(biāo)簽的能量供應(yīng)方式、讀寫技術(shù)、頻率、內(nèi)存容量、標(biāo)簽外形、識別距離等技術(shù)參數(shù)，結(jié)合我國道路交叉口環(huán)境條件，采用抗金屬無源電子標(biāo)簽，并將該電子標(biāo)簽嵌入到車輛號牌上，車載標(biāo)簽就相當(dāng)于該車輛的ID號。閱讀器，根據(jù)閱讀器的天線、使用頻率、閱讀器形式、輸出功率和輸出端口等技術(shù)參數(shù)，結(jié)合交叉口實際情況，本系統(tǒng)閱讀器采用遠距離一體化固定式閱讀器，每個交叉口方向設(shè)置兩個相對獨立的閱讀器。

2.2 道路交叉口控制模型與算法

車流量統(tǒng)計。當(dāng)車載標(biāo)簽進入RFID讀寫器的讀寫范圍后，讀寫器可快速識別車輛信息并把車輛相關(guān)信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，根據(jù)交叉口讀寫器分布位置，可統(tǒng)計出每個交叉口右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)以及直行的車輛數(shù)，匯總后得出每個時段的車流量，并將這些數(shù)據(jù)存至數(shù)據(jù)中心。控制中心可以根據(jù)得到的最新車流量數(shù)據(jù)，分析交叉口擁堵情況，并通過交通廣播播報路口通行情況，告知車主選擇合適的行駛路線，避開擁堵交叉口，緩解交叉口擁堵情況，發(fā)揮城市道路交通的最大優(yōu)勢。

車輛監(jiān)控。通過RFID系統(tǒng)采集到的一些數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸傳到后臺計算機，進行數(shù)據(jù)的處理和管理，從數(shù)據(jù)中獲取重要信息，通過設(shè)計一些先進的算法，對道路交叉口的車輛進行動態(tài)實時監(jiān)控。根據(jù)數(shù)據(jù)分析和算法描述，可判斷車輛在道路交叉口的行駛方向，進而判斷車輛是否有闖紅燈、逆行、超速、違規(guī)停車等違章行為，實現(xiàn)道路交叉口的智能化管理。根據(jù)存入到車載標(biāo)簽中的信息，若發(fā)現(xiàn)有車輛違章行為，系統(tǒng)可以立即向車主發(fā)送實時信息，提醒司機遵規(guī)守紀。根據(jù)系統(tǒng)連接的數(shù)據(jù)庫完成與交通參與者之間的信息交換，向交通參與者顯示道路交通信息，提供給車主合理的行駛路線，以實現(xiàn)均衡道路交通負荷的主動控制策略。

2.3 優(yōu)化控制信號燈調(diào)整交通流

利用機器學(xué)習(xí)對信號燈配時方案不斷優(yōu)化。根據(jù)已采集到的交叉口各個時段的車流量，后臺計算機進行大數(shù)據(jù)分析和挖掘，自動生成一周內(nèi)的一天中的一個特定時段的交叉口信號燈配時方案，通過分析歷史數(shù)據(jù)，再結(jié)合時空概念，自動對交通信號燈進行調(diào)節(jié)。結(jié)合人工智能技術(shù)，利用已經(jīng)采集到的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合時間，利用機器不斷學(xué)習(xí)，使交叉口信號燈配時方案不斷優(yōu)化和調(diào)整。

利用云計算模型對區(qū)域交叉口進行協(xié)調(diào)控制。云計算具有很好的伸縮性和擴展性、自我容錯能力、彈性計算、快速部署和處理等特性，對智能交通系統(tǒng)的建設(shè)具有很好的指導(dǎo)作用。因此，智能交通系統(tǒng)有必要構(gòu)建自己的“云”系統(tǒng)。云計算是高效率地處理海量數(shù)據(jù)的一種計算模型，在云架構(gòu)平臺上將RFID系統(tǒng)采集到的大量數(shù)據(jù)進行分析、處理、挖掘、存儲，并進行實時發(fā)布，實時服務(wù)于交通出行者和交通管理部門，保證城市道路高效有序運行。搭建Hapoo云計算平臺，利用平臺進行遺傳算法的并行化，以此自動生成交叉口信號燈配時優(yōu)化方案。將區(qū)域內(nèi)各個交叉口采集的數(shù)據(jù)傳至后臺數(shù)據(jù)中心，后臺數(shù)據(jù)中心對一天內(nèi)各個道路交叉口的數(shù)據(jù)聯(lián)機處理，并利用云計算模型，對區(qū)域內(nèi)的道路交叉口實現(xiàn)聯(lián)動控制，達到區(qū)域內(nèi)全局最優(yōu)，從而極大地利用交通資源，極大地提高道路通行能力。

3 道路交叉口系統(tǒng)需要解決的問題

3.1 RFID標(biāo)簽標(biāo)準化問題

RFID技術(shù)在交通領(lǐng)域的使用與推廣，一方面要考慮技術(shù)的先進性和適應(yīng)性，另一方面要考慮統(tǒng)籌技術(shù)的成本和應(yīng)用推廣的可行性，從技術(shù)先進性、適應(yīng)性、安全性和實用性等方面確定交通領(lǐng)域RFID電子標(biāo)簽的適用頻段，并制定RFID相關(guān)標(biāo)準和使用指南，推動RFID技術(shù)在交通領(lǐng)域的有序推廣。使用電子標(biāo)簽的頻段，標(biāo)準研究和芯片研發(fā)，加快研發(fā)擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片，并在芯片的編碼方式、防沖突和碰撞機制以及指令集等部分實現(xiàn)創(chuàng)新。

考慮到不同頻段RFID技術(shù)工作原理的不同，為使電子標(biāo)簽被有效識別，多種標(biāo)簽?zāi)芑ゲ桓蓴_地作用于同一微波現(xiàn)場，因此必須開展異頻異構(gòu)RFID一體化接入技術(shù)的研究，研制RFID通用讀取設(shè)備。

考慮到現(xiàn)在我國車型眾多，不同的車型技術(shù)性能參數(shù)不同，因此必須統(tǒng)一RFID電子標(biāo)簽在不同車型上的安裝位置和方法，實現(xiàn)標(biāo)識設(shè)備的的快速安裝、自動檢測和修復(fù)，保證裝有RFID電子標(biāo)簽的每輛車能夠被快速識別。

為使RFID技術(shù)在智能交通領(lǐng)域更好地推廣，國家和地方應(yīng)該盡快出臺配套的法規(guī)制度，強制每輛車使用電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽大規(guī)模應(yīng)用推廣，并在車檢、執(zhí)法、保險等方面加強電子標(biāo)簽的執(zhí)法監(jiān)督。

3.2 RFID信息安全

由于RFID技術(shù)是一種采用射頻信號在空間耦合方式下進行非接觸式的信息交互技術(shù)，系統(tǒng)通信容易被監(jiān)聽，加密能力弱，其標(biāo)簽內(nèi)用戶信息容易被識別和非法跟蹤，因此必須研究數(shù)據(jù)認證和加密技術(shù)，以保護用戶權(quán)限和系統(tǒng)安全。RFID大部分應(yīng)用僅限于身份識別層次，尚未形成“感知、互聯(lián)、處理”特征的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信號燈配時研究，最基礎(chǔ)的問題是對車流量數(shù)據(jù)的采集，利用RFID遠距離射頻識別系統(tǒng)不僅可以采集到一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且對構(gòu)成智能交通的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有很大的推動作用。真正實現(xiàn)智能交通，需要人、車、路、設(shè)備的協(xié)同，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能實現(xiàn)智能感知，對實現(xiàn)智能交通有很大的意義和幫助。

3.3 信號燈配時

本文信號燈配時采用大數(shù)據(jù)分析、處理、挖掘自動生成信號燈配時方案，利用人工智能機器學(xué)習(xí)技術(shù)對信號燈配時方案不斷調(diào)整優(yōu)化，并結(jié)合云計算模型對區(qū)域內(nèi)的道路交叉口信號燈配時做出調(diào)整，使之聯(lián)動處理，達到區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)一致，整體聯(lián)動，充分發(fā)揮道路通行能力。但是由于道路交叉口復(fù)雜因素眾多，對信號燈配時不僅要考慮車流量，而且要結(jié)合道路交叉口區(qū)劃特性以及行人過街等心理因素，而本文在這一方面研究少，僅是從車流量角度對信號燈配時做出研究，構(gòu)建一定的模型，下一步，結(jié)合影響道路交叉口的各種因素做出具體分析，并進行量化處理，使之更符合實際情況。

4 結(jié)語

本文對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路交叉口系統(tǒng)做了簡單的研究，若將此項技術(shù)成功運用于現(xiàn)實情況，還需對該系統(tǒng)不斷調(diào)整優(yōu)化，例如，找出車輛在交叉口闖紅燈、逆行、超速等違規(guī)行為的算法、云平臺的構(gòu)建等，還需要解決一系列的問題。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的RFID遠距離識別系統(tǒng)已經(jīng)成功運用于高速公路不停車收費（ETC）系統(tǒng)、停車場、車輛檢測等交通領(lǐng)域，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于道路交叉口信號燈配時方面，將這些領(lǐng)域無縫整合為統(tǒng)一的管理信息平臺，實現(xiàn)車輛、行人、道路的協(xié)同發(fā)展，提高道路交叉口通行能力，緩解城市擁堵問題。構(gòu)建智能交通云，達到資源優(yōu)化共享，實時向交通參與者發(fā)布一些交通路況信息，并將區(qū)域內(nèi)的交通資源整合，基于智能交通云開發(fā)關(guān)于交通領(lǐng)域的應(yīng)用軟件，如城市停車、道路路況等信息，從而真正實現(xiàn)智能交通。