胡玉華

(江西省智慧交通運(yùn)輸事務(wù)中心,江西 南昌 330008)

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人口的不斷增加,交通問(wèn)題成為當(dāng)今社會(huì)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一[1]。傳統(tǒng)的交通管理方式已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的車(chē)輛數(shù)量和日益復(fù)雜的城市道路情況。因此,智慧公路交通通信技術(shù)的研究與應(yīng)用成為提高交通效率、減少擁堵、提升交通安全的重要途徑。5G通信技術(shù)的快速發(fā)展為智慧公路交通通信技術(shù)提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。該技術(shù)具備高速、低延遲和大容量的特點(diǎn),為智慧公路交通通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持[2-3]。通過(guò)利用5G技術(shù),智慧公路交通系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛之間、車(chē)輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的高效通信和信息交換,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的交通監(jiān)測(cè)、車(chē)輛導(dǎo)航、交通信號(hào)控制等功能。本文將探討5G背景下智慧公路交通通信技術(shù)的研究與展望,設(shè)計(jì)智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng),期望進(jìn)一步提高交通效率,推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。

1 5G背景下智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

5G背景下智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中,需要使用不同的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)通信、感知、計(jì)算和控制等功能。在該系統(tǒng)中,車(chē)載通信單元至關(guān)重要。系統(tǒng)采用的Qualcomm驍龍X60 5G通信芯片能提供強(qiáng)大的5G通信能力;采用的NVIDIA Drive AGX系列車(chē)載計(jì)算平臺(tái),能高效完成數(shù)據(jù)處理和決策計(jì)算。對(duì)于道路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備,交通信號(hào)燈控制器起著關(guān)鍵作用,本系統(tǒng)使用的Bosch信號(hào)燈控制器能夠提供高精度的信號(hào)控制功能。道路傳感器采用Delphi雷達(dá)傳感器及Autoliv攝像頭傳感器,感知道路狀況和車(chē)輛信息。在交通管理中心設(shè)備方面,系統(tǒng)采用Dell服務(wù)器或HP存儲(chǔ)設(shè)備,以此來(lái)處理和存儲(chǔ)大量的交通數(shù)據(jù)。此外,交通數(shù)據(jù)處理單元采用Intel Xeon處理器,以便高效處理和分析復(fù)雜的交通數(shù)據(jù)任務(wù)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 實(shí)時(shí)交通信息采集傳輸

為實(shí)時(shí)采集交通信息,需要安裝如GPS、雷達(dá)、攝像頭等車(chē)載傳感器。在交通基礎(chǔ)設(shè)施上,安裝交通攝像頭、感應(yīng)器等傳感器,用于采集交通流量、車(chē)速等數(shù)據(jù)。將車(chē)載傳感器和基礎(chǔ)設(shè)施傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,得到更準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)交通信息。對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括數(shù)據(jù)清洗、去噪、異常檢測(cè)等,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,提取有用的交通特征及趨勢(shì),如車(chē)輛速度、車(chē)輛加速度及交通流量等。計(jì)算車(chē)輛速度如式(1)所示。

(1)

其中,v表示車(chē)輛速度,s1和s2分別表示2個(gè)時(shí)刻車(chē)輛的位置,t表示時(shí)間間隔。車(chē)輛加速度計(jì)算如公式(2)所示。

(2)

其中,a表示車(chē)輛加速度,v1和v2分別表示2個(gè)時(shí)刻的車(chē)輛速度。交通流量計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

其中,Q表示交通流量,n表示通過(guò)某個(gè)路段的車(chē)輛數(shù)量。根據(jù)公式計(jì)算后獲取的數(shù)據(jù),利用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)高速度、低延遲的數(shù)據(jù)通信,車(chē)輛通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將采集到的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器。通過(guò)車(chē)輛間的無(wú)線(xiàn)通信(V2V),將采集到的實(shí)時(shí)交通信息傳輸給周?chē)能?chē)輛,實(shí)現(xiàn)交通信息共享,選擇合適的傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),以確保實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)的高效傳輸。該系統(tǒng)使用的MQTT傳輸協(xié)議框架,如圖1所示。

圖1 MQTT傳輸協(xié)議

MQTT是一種輕量級(jí)的發(fā)布-訂閱模式消息傳輸協(xié)議,適用于交通資源受限及低帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。MQTT協(xié)議的應(yīng)用為車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)建立一個(gè)高效的傳輸通道,將實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)從車(chē)輛、傳感器或交通基礎(chǔ)設(shè)施傳輸?shù)街行姆?wù)器。此外,MQTT還具有靈活的可擴(kuò)展性,使得智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)能夠采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并進(jìn)行高速傳輸。

1.2.2 5G智能交通信號(hào)控制

在智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)信號(hào)控制與調(diào)整是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通狀況,并根據(jù)數(shù)據(jù)采集到的信息對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,以?xún)?yōu)化交通流量、提高交通效率。在信號(hào)調(diào)整策略生成中,應(yīng)用模擬退火算法尋找最優(yōu)的信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)和相位配置方案,基本流程如圖2所示。

圖2 模擬退火算法的基本流程

算法的初始化首先要設(shè)置初始溫度T和終止溫度Tmin。隨機(jī)生成一個(gè)初始解作為當(dāng)前解x,設(shè)置初始目標(biāo)函數(shù)值f(x)。在當(dāng)前溫度下,進(jìn)行一定次數(shù)的迭代,在當(dāng)前解x的鄰域中隨機(jī)選擇一個(gè)新解x′,計(jì)算新解x'的目標(biāo)函數(shù)值f(x′)。之后判斷接受條件,如果f(x′)

(4)

在公式(4)中,p為接受新解的概率,f(x)為當(dāng)前解x的目標(biāo)函數(shù)值,f(x′)為新解x′的目標(biāo)函數(shù)值,T為當(dāng)前溫度。在計(jì)算概率后,生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)r,如果r

1.2.3 交通數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)

在5G背景下的智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,交通數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)起著關(guān)鍵的作用?；跉v史數(shù)據(jù)及提取到的特征,采用回歸分析,建立交通數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型。線(xiàn)性回歸模型的公式如式(5)所示。

y=β0+β1X1+β2X2+...+βnXn

(5)

其中,y表示預(yù)測(cè)的交通數(shù)據(jù)(如車(chē)流量),X1、X2等表示特征變量(如時(shí)間、天氣等),β0、β1等表示模型的參數(shù)。利用訓(xùn)練好的模型對(duì)未來(lái)的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè),如預(yù)測(cè)未來(lái)的車(chē)流量、交通擁堵情況等。將預(yù)測(cè)結(jié)果可視化展示,以便系統(tǒng)決策者和用戶(hù)能夠直觀(guān)地理解和應(yīng)用。

2 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇SmartRoad Platform作為5G背景下智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)建平臺(tái),平臺(tái)的具體型號(hào)和配置為SmartRoad v2.0,處理器為Intel Core i7-8700(16GB RAM,1TB SSD)。選擇與SmartRoad Platform兼容的設(shè)備和傳感器,用于數(shù)據(jù)采集和測(cè)試;選擇XYZ-Camera高精度交通監(jiān)測(cè)攝像頭、GPS-Tracker車(chē)輛定位裝置,使用高速以太網(wǎng)連接將SmartRoad Platform連接到實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)。使用UPS(不間斷電源)或穩(wěn)定電源適配器為SmartRoad平臺(tái)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng),確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常運(yùn)行,并與SmartRoad Platform進(jìn)行連接。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用專(zhuān)業(yè)的測(cè)試工具和設(shè)備,按照標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試,并記錄測(cè)試結(jié)果。選擇5個(gè)不同的運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)(T1、T2、T3、T4、T5)進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)速度、處理能力和傳輸速率,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表1可以看出5G背景下智慧公路交通車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)從T1到T5的時(shí)間節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)的響應(yīng)速度逐漸降低,表明系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)交通數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸需求。系統(tǒng)具備較高的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理能力,能夠應(yīng)對(duì)大量交通數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)需求。系統(tǒng)的高傳輸速率支持實(shí)時(shí)交通信息共享和車(chē)輛之間的實(shí)時(shí)通信,能夠有效提高公路交通的通信效率。

3 結(jié)語(yǔ)

在5G背景下,智慧公路交通通信技術(shù)充滿(mǎn)著無(wú)限的潛力和機(jī)遇。隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和進(jìn)一步發(fā)展,智慧公路交通通信技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更高效的傳輸速率、更穩(wěn)定的連接和更精確的數(shù)據(jù)處理能力,以便在未來(lái)為交通系統(tǒng)的智能化、高效化和安全化提供強(qiáng)有力的支持。