孟 妮

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

引言

近年來，隨著私家車的普及使城市交通越來越擁擠，因此，交通監(jiān)控成為智能城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要問題之一。主要問題是交通堵塞和交通事故會造成大量的時間、財產(chǎn)損失以及環(huán)境污染，因此，迫切需要改善交通管理。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)提供了更多的車輛信息采集手段，為智能交通的發(fā)展提供了新的方向。

本研究提出利用物聯(lián)網(wǎng)、代理等技術(shù)改善交通條件，緩解交通壓力，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在所有道路上收集車輛信息并提供給終端用戶。該系統(tǒng)通過采集實(shí)時交通數(shù)據(jù)，能夠識別當(dāng)前的交通運(yùn)行情況、交通流狀況，并能夠預(yù)測未來的交通流，幫助司機(jī)選擇最佳的出行路線。構(gòu)建這樣的系統(tǒng)必須包括交通、橋梁、隧道、交通信號、車輛、甚至司機(jī)等元素作為交通要素。所有的信息采集通過傳感器設(shè)備，如RFID設(shè)備、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、紅外激光等，通過與互聯(lián)網(wǎng)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳，以作為智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。通過對道路車輛信息的實(shí)時采集構(gòu)建交通物聯(lián)網(wǎng)，為用戶提供服務(wù)和后勤信息，因此智能化和可靠性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。而利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器的通信，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)通信量，可能會造成城市中頻繁發(fā)生的安全攻擊，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需考慮對流量監(jiān)控應(yīng)用的保護(hù)。

本文的目的是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建道路車輛信息采集單元，為構(gòu)建智慧交通提供實(shí)時準(zhǔn)確的道路數(shù)據(jù)，提出了一種體系框架，可集成道路信息采集的多源傳感器設(shè)備，并利用代理技術(shù)處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理交通數(shù)據(jù)產(chǎn)生的感官單位和監(jiān)測交通流量，通過多代理的方式智能化地處理不同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的交互，實(shí)現(xiàn)道路車輛信息的實(shí)時處理及利用。

1 物聯(lián)網(wǎng)介紹及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Gartner預(yù)測，到2020年物聯(lián)網(wǎng)將達(dá)到260×109個用戶單元，將極大地影響人類的生活。根據(jù)Cisco公司的研究，全世界的城市都將在未來十年中，通過提供更為智能的基礎(chǔ)設(shè)施，為人類提供最佳的交通管理、停車和運(yùn)輸服務(wù)，將形成智能化的城市，并且整個市場估值大約為9 000×109美元。

有望為物聯(lián)網(wǎng)傳感和通信技術(shù)提供支撐的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和基于RFID的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它們通過因特網(wǎng)或其他技術(shù)和協(xié)議互聯(lián)。其中RFID由于其成本低、可靠性高已被業(yè)界廣泛運(yùn)用，RFID可以將日常物品轉(zhuǎn)化為智能對象；傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了傳感器、分布式信息處理、嵌入式計(jì)算和無線通信等多種技術(shù)。傳感器和RFID在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用，具有計(jì)算和通信能力的多個RFID和傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，相互協(xié)作，將收集的數(shù)據(jù)與物理世界交換來完成特定的任務(wù)。

如圖1所示為基于RFID的傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)，它由無線低端RFID傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)（標(biāo)簽）和高端RFID傳感器節(jié)點(diǎn)，從低節(jié)點(diǎn)檢索數(shù)據(jù)，由高節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)被發(fā)送到移動靜態(tài)節(jié)點(diǎn)（讀取器）。讀者將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線低端計(jì)算設(shè)備（基站），這些設(shè)備對傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行一定量的處理，然后通過因特網(wǎng)（或其他網(wǎng)絡(luò)）發(fā)送到高端計(jì)算服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和存儲。

圖1 基于RFID的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

已有許多研究人員利用對車輛信息的采集來構(gòu)建智能交通，許多研究人員已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了一定的成果。Bhadra等人[1]開發(fā)了將不同動態(tài)數(shù)據(jù)集成到智能交通系統(tǒng)中的策略；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，催生了智能社會的形成，文獻(xiàn)[2]提出當(dāng)前在庫存、醫(yī)療、智能家居、智能環(huán)境、智能計(jì)量不同領(lǐng)域以及在環(huán)境建設(shè)、供應(yīng)鏈物流、零售、智能農(nóng)業(yè)、監(jiān)測電氣設(shè)備等應(yīng)用方面均用到了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，但前期的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在帶寬和能量消耗方面較差；文獻(xiàn)[3-4]中引入了代理技術(shù)，并應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)的構(gòu)建，文獻(xiàn)[5]中提出了集成代理和云計(jì)算的體系結(jié)構(gòu)，以開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)中分散的智能對象；文獻(xiàn)[6]中運(yùn)用代理不僅處理物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間的通信，而且還進(jìn)行搜索所需資源。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及Agent服務(wù)開發(fā)介紹

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

該系統(tǒng)的主要任務(wù)就是利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對車輛信息進(jìn)行采集，完成對車輛信息、位置、對象識別等工作，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行處理。本文所提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛信息采集系統(tǒng)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和采集層構(gòu)成，如圖2所示[7-9]。

1）應(yīng)用層的主要功能是收集、存儲和處理采集來的車輛數(shù)據(jù)，生成增值服務(wù)；根據(jù)用戶的不同需求，向用戶提供業(yè)務(wù)物聯(lián)網(wǎng)接口，并分析采集層接收到的信息。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用層包括以下子系統(tǒng)：

a）智能驅(qū)動管理子系統(tǒng)：用戶（駕駛?cè)藛T）可以以最小的延遲獲得實(shí)時交通信息；

b）車輛導(dǎo)航信息管理子系統(tǒng)：通過道路監(jiān)控車輛號碼，跟蹤車輛的違章，發(fā)送報警信息，引導(dǎo)駕駛員避開擁擠路段可能基于交通網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測、實(shí)時交通導(dǎo)航等；

c）智能交通管理子系統(tǒng)：交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包含從車輛傳感器的數(shù)據(jù)、從環(huán)境傳感器的氣象信息以及交通流信息數(shù)據(jù)等。子系統(tǒng)處理接收到的信息，并通過與其他子系統(tǒng)的接口共享；

d）信息采集與監(jiān)控子系統(tǒng)：實(shí)時分布路況信息、氣象信息、事故監(jiān)測等信息。子系統(tǒng)融合不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以統(tǒng)一的格式提供給最終用戶；

e）信息服務(wù)子系統(tǒng)：完成在線車輛信息查詢和實(shí)時交通流動態(tài)統(tǒng)計(jì)分析。

2）網(wǎng)絡(luò)層，也稱為傳輸層，由有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、GPS、GPRS、WiMAX、WiFi、以太網(wǎng)和企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。主要負(fù)責(zé)傳輸高可靠性和安全性的數(shù)據(jù)，并處理來自采集層的信息。

3）采集層由各種傳感器和傳感器網(wǎng)關(guān)組成，如RFID、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、攝像機(jī)、智能終端等，主要用于傳輸車輛的數(shù)據(jù)和用于采集實(shí)時交通和目標(biāo)識別信息的其他傳感器。它是從物理世界收集的所有類型信息（例如，識別的對象、流量等）的來源。

2.2 基于Agent的智能服務(wù)開發(fā)

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用中，采用基于代理的方式解決不同標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、異構(gòu)硬件、協(xié)議、資源類型、軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的互操作性，同時解決各種服務(wù)和應(yīng)用程序的接口互聯(lián)。代理可以在承載數(shù)據(jù)和執(zhí)行狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中運(yùn)行，并且必須能夠與其他代理或用戶進(jìn)行通信。

在交通監(jiān)控過程中引入Agent技術(shù)非常適合分布式和錯位的系統(tǒng)應(yīng)用，這是由于交通監(jiān)控的自主性、靈活性、可配置性和可擴(kuò)展性并且需要降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)延遲，從而實(shí)現(xiàn)近實(shí)時性。代理還可以用來在目的地通信設(shè)備地址不明的網(wǎng)絡(luò)之間傳遞消息，每個業(yè)務(wù)對象都可被表示為軟件代理（智能對象代理）。在車輛信息采集過程中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的代理如下：

1）交通移動代理：發(fā)送/接收不同類型的信息，對來自其他對象的數(shù)據(jù)（RFID、傳感器、用戶），并提供上下文的統(tǒng)一視圖；與網(wǎng)絡(luò)中的其他代理交互完成特定的任務(wù)。從該代理發(fā)送的所有消息將被傳輸?shù)搅髁抗芾硐到y(tǒng)，并直接與上述的流量管理系統(tǒng)的靜態(tài)應(yīng)用程序的靜態(tài)代理進(jìn)行通信；

2）用戶代理：為用戶提供實(shí)時駐留在系統(tǒng)實(shí)體信息，用戶代理是一個與用戶交互的靜態(tài)代理，并與移動代理協(xié)調(diào)；

3）RFID代理：負(fù)責(zé)讀寫RFID標(biāo)簽，當(dāng)讀取標(biāo)簽時，根據(jù)從它檢索到的數(shù)據(jù)，該代理代表相關(guān)RFID的智能對象處理單個任務(wù)，并在運(yùn)行時遷移到不同的平臺，執(zhí)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎?/p>

4）傳感器代理：接收、處理數(shù)據(jù)，已從相關(guān)的傳感器讀取和保存（或發(fā)送它的地方）；

5）信號燈代理：檢測不規(guī)則的交通狀況，并立即更改交通控制指示；

6）攝像頭代理：負(fù)責(zé)圖像采集，攝像機(jī)代理和視頻Web服務(wù)器之間的所有通信都是通過網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行的。

基于RFID的智能交通對象（以代碼為中心的RFID系統(tǒng)）需要大量的存儲空間來存儲業(yè)務(wù)對象邏輯和數(shù)據(jù)。以代碼為中心的RFID系統(tǒng)可用于將移動代理存儲到RFID標(biāo)簽中，使其能夠與交通系統(tǒng)的其他部分集成。使用這種技術(shù)在交通信息系統(tǒng)將消除需要相關(guān)的RFID編碼信息從數(shù)據(jù)庫搜索和從標(biāo)簽檢索服務(wù)信息，減少整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間，從而實(shí)現(xiàn)更快的服務(wù)響應(yīng)和執(zhí)行不同對象在不同情況下的按需行動。

每個智能車輛的RFID對象由2部分組成，即對象處理邏輯和對象數(shù)據(jù)：對象數(shù)據(jù)包含一個全局唯一的電子產(chǎn)品代碼（EPC）作為它唯一的標(biāo)識符，每個RFID標(biāo)記的業(yè)務(wù)對象可以被分配一個IPv6映射EPC地址。

RFID可以作為汽車牌照的轉(zhuǎn)發(fā)器，配備RFID標(biāo)簽和傳感器，使每輛車都能從現(xiàn)場獲得所需的數(shù)據(jù)并傳送到指定的目的地。車輛RFID標(biāo)簽存儲車輛及其所有人的信息，如車牌號、車輛類型、車速、到達(dá)監(jiān)控點(diǎn)的時間、駕駛員的姓名和車牌號碼。它可以用來估計(jì)道路上的車輛數(shù)量，車輛的平均速度，車輛密度等。每個車輛的數(shù)據(jù)被捕獲的固定或移動RFID讀取器在監(jiān)控站作為車輛的信息，并將其發(fā)送到中央服務(wù)器單元進(jìn)行收集、處理和存儲。當(dāng)帶有RFID標(biāo)簽的車輛通過道路上的每個監(jiān)控站時，這些點(diǎn)上的RFID讀取器將自動讀取與車輛及其所有者相關(guān)的標(biāo)記數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到無線傳感器活動節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)將累積的數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點(diǎn)，同時，安裝在監(jiān)控站的GPS接收機(jī)可以與GPS衛(wèi)星通信，獲得其作為車輛位置參數(shù)的位置信息。然后將數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)綄?shí)時中心數(shù)據(jù)庫中，并確保周期性的更新。

通過各種專業(yè)算法對車輛的信息進(jìn)行推論學(xué)習(xí)，如通過攝像機(jī)代理計(jì)算某個車輛的速度，計(jì)算原理如圖3所示。

圖3 攝像機(jī)測速原理圖

而攝像頭代理的實(shí)現(xiàn)，遵循雷達(dá)測速儀的工作原理，其算法描述如下：

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的無線電波遇到障礙物后會發(fā)生發(fā)射，根據(jù)多普勒效應(yīng)，如圖4所示為雷達(dá)工作脈沖圖。

圖4 測速雷達(dá)脈沖圖

由以下公式即可推導(dǎo)出車輛的速度v，其中c為光速，f為脈沖頻率，T為脈沖周期，N為反射率

同時利用信號燈代理對車流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可按照用戶的需求對某類型車輛在某段時間周期內(nèi)的車流量進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，如圖5所示為統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖。

圖5 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果圖

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)框架介紹

本節(jié)通過分布式仿真系統(tǒng)中驗(yàn)證所提出的基于Agent的車輛信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用成果，通過模擬代理的功能，并在仿真框架下運(yùn)行代理，環(huán)境如下：通過代理模擬RFIDs和傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)，并能夠連續(xù)運(yùn)行，整個分布式仿真由一系列的分段模擬組成，其中物聯(lián)網(wǎng)的每個小部分的總流量是根據(jù)本地標(biāo)準(zhǔn)建模的，每個仿真段以異步方式運(yùn)行，這些仿真段允許交換關(guān)于從一個仿真段移動到另一個仿真段的車輛的信息。每個模擬器的部分在本地模擬當(dāng)前的交通狀況，只關(guān)注其關(guān)注區(qū)域。如圖6所示。

圖6 分布式交通仿真框架圖

圖6 所描述的分布式交通仿真框架的一般模型。模擬服務(wù)器維護(hù)當(dāng)前和將來的網(wǎng)絡(luò)流量的狀態(tài)信息，如流量、平均速度和生成信息的時間，以接收實(shí)時交通數(shù)據(jù)，這種總體模擬提供了預(yù)測系統(tǒng)未來狀態(tài)所需的詳細(xì)信息。在仿真服務(wù)器上保存和管理詳細(xì)的交通信息（如速度、位置、網(wǎng)絡(luò)上車輛的平均加速度和交通控制裝置的當(dāng)前狀態(tài)），如圖7所示。

目前大規(guī)模的分布式仿真方法要求每個模擬器主機(jī)具有巨大的網(wǎng)絡(luò)帶寬和巨大的計(jì)算量。移動代理用于減少放置在網(wǎng)絡(luò)中的通信負(fù)載，代理與特定的仿真部分通信，提供發(fā)送到模擬器服務(wù)器的所有狀態(tài)信息。本文采用NetLogo仿真器，可以同時運(yùn)行大量的獨(dú)立代理，在該仿真中，代理實(shí)體是車輛、交通信號燈和十字路口和車道的傳感器。代理創(chuàng)建和隨機(jī)分布在網(wǎng)絡(luò)交叉口上，根據(jù)模型中定義的限制生成隨機(jī)數(shù)目的車輛；傳感器獲得通過車輛的數(shù)量；交通燈運(yùn)行的目標(biāo)是盡量減少穿越十字路口的車輛的等候時間和增加通過這些交叉路口的車輛的吞吐量。在每次運(yùn)行中，產(chǎn)生以下指標(biāo)：不移動車輛、平均等待時間和車輛在時間步長上的平均速度。NetLogo仿真器管理所有的視覺方面，界面如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文所提出的架構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)，RFID、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、GPS、云計(jì)算、代理等先進(jìn)技術(shù)來收集、存儲、管理和監(jiān)控車輛信息。其中代理提供了交通信息系統(tǒng)內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)設(shè)備之間通信的有效機(jī)制?？偟膩碚f，物聯(lián)網(wǎng)將在交通管理中發(fā)揮重要作用，提高信息傳輸效率，改善交通條件和管理效率，提高交通安全，降低管理成本。