基于无线传感网的智能交通拥堵监测与控制系统研究设计Word格式文档下载.docx

基于无线传感网的智能交通拥堵监测与控制系统研究设计Word格式文档下载.docx

《基于无线传感网的智能交通拥堵监测与控制系统研究设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于无线传感网的智能交通拥堵监测与控制系统研究设计Word格式文档下载.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

江苏省科学技术厅

二○一一年

一、立项依据

1、本工程国内外科技创新发展简况和最新发展趋势

交通安全、交通堵塞及环境污染是困扰当今国际交通领域的三大难题。

拥堵就是在一个有限的空间过度地集中，解决这个问题最好办法就是把它分散开。

当然最好的办法是不开车，但是现实条件下不能不开车，所以要把它分散开。

中国的城市要想解决拥挤问题，首先要从疏散开始，这是解决实际交通问题的合理和有效的途径。

交通拥堵问题严重影响着城市的运转效率和经济发展，同时也带来诸如环境、社会稳定等不良影响，制约着居民的生产、生活和出行。

解决交通拥堵问题，是现代社会无法回避的现实、重大问题。

解决拥堵问题，主要从两个方面着手：

第一，靠合理的规划和大力建设，提高道路和交通设施的能力。

第二，采用科学有效的手段，如采用智能交通系统，提高运输和通行效率，让每个开车、坐车的人都能随时随地得到交通信息；

同时加强交通管理，解决秩序问题，如靠信号控制解决排队问题，也就是通行权的取舍。

在很多城市的拥堵路段，往往都是市区繁华地段，升级、改造现实难度和代价太大，现实的常见方法就是通过智能监测和调度来缓解、解决拥堵问题的。

据专家研究，采用智能交通技术提高道路管理水平后，每年仅交通事故死亡人数就可减少30%以上，并能提高交通工具的使用效率50%以上，可以有效地解决交通拥堵问题。

为此，世界各发达国家竞相投入大量资金和人力，进行大规模的智能交通技术研究实验。

智能交通技术（ITS），是指将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、计算机处理技术等应用于交通运输行业从而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统，它使交通基础设施能发挥最大效能。

该技术于上世纪80年代起源于美国，随后各国都积极寻求在这一领域中的发展。

（1）国外科技创新发展简况

随着信息产业的快速发展，ITS以信息技术为先导，融合其它相关技术应用到交通运输智能管理上有其广大市场，国外发达工业化国家和民营企业纷纷投入到这一新兴的产业。

美国联邦政府从1990年到1997年用于ITS研究开发的年度预算总计为12.935亿美元；

欧盟从1984年到1998年仅用于ITS共同研究开发工程的预算就达280亿欧洲货币单位；

日本政府仅1996年和1997年用于ITS研究开发的预算为161亿日元，用于ITS实用化和基础设施建设的预算为1,285亿日元。

IBM公司正在研发一种预测装置来测出后1小时的车流状况，其准确率可达99%。

这种装置以流动分析学为基础，用计算机软件对流入的大量数据进行分析，交通指挥中心便据此预测来改变速度限制或交通信号灯。

这样，当车主们还在办公室或在家时就可事先得到何处将会出现拥堵的信息，从而改变原定的出行路线，可以有效解决交通拥堵问题。

IBM公司在瑞典与KTH皇家技术研究所合作对斯德哥尔摩市的交通状况进行分析与预测，目前已从全市1500个定点GPS监视器获得了大量数据，同时还会从其他方面得到补充。

伦敦市在英国政府资助下正在实施一项称作“畅通无阻（Freeflow）”的计划，参加此项计划的有5家企业、3所大学、当地3家主管部门。

其根本目的就是把数据转化成信息，为交管人员在不同介入的基础上即时做出前面有拥堵预测的决定提供技术支持。

伦敦街头安装了许多摄像机、传感器和GPS系统，它们可将大量交通数据传回交通指挥中心，帮助管理人员对实时路况的判断，进而做出拥堵预测和调控。

（2）国内相关技术发展现状

目前国内在ITS方面的研发和应运尚出在发展初期，取得了一定成绩的同时，还需要加大投入力度，以解决我国交通密集、问题众多的问题，就目前的运用情况而言，还远没有达到解决、缓解我国大中城市的交通问题。

另外，在系统智能化程度、系统集成度和运用范围上都不能够和发到国家相比，还有更大的提升空间。

以下是我国在ITS方面取得的一些成绩：

在北京建成了比较完善的智能化道路交通指挥管理系统，包括城市道路交通信号控制系统，交通检测、电视监控系统，交通违法检测系统，以及全市“122”交通事故接处警系统。

建成了动物园公交枢纽运营管理和乘客信息服务系统，公交区域运营组织与调度系统，公交抢修救援调度系统，BRT智能管理系统。

建成了全市统一的高速公路信息中心，实现了五环路和六条高速公路的联网监控，并与交管部门共享。

建成了包含全市10家省际长途客运站的联网售票系统，5家出租汽车安防监控中心（其中2家开展了调度服务），8家化学危险品运输企业建立了化学危险品运输车辆GPS监控系统等。

（3）基于无线传感网的智能交通拥堵监控技术的发展趋势

智能交通是无线传感网的一个重要的、基本的研究方向，它的主要技术方向为：

① 

交通精确算法和传感技术。

传统的“计数型”采集手段基础上，基于视觉分析、红外线反射和RFID传感技术，在算法上往往不能精确地确定车辆的数目，需要开发新的算法以实时获取通过交通断面的每辆车的准确信息，从而精细、准确地感知交通动态，特别是产生传统采集手段无法获取的精确数据。

② 

多源数据融合处理技术。

经过网络传输和海量数据融合，形成基于交通立方体的融合数据库，产生旅行时间、分类旅行时间、车流量、分类车流量、路段平均速度等更加丰富、完备、准确、及时的精确动态交通信息。

③ 

交通传感网的综合应用。

通过提供各类组件、Web服务、嵌入式中间件等，带动交通传感网和交通信息服务产业链的形成，使精确交通信息得到广泛应用，在为交管等“交通管理者”服务的同时，为所有的城管、公安、环保等“交通相关管理者”，以及公交、物流、出租等“交通营运者”服务，还能够为驾车出行者、公交候车者等“出行者”提供个性化服务。

④ 

在智能交通精确传感网的支撑下，开展基于动态交通信息的辅助导航、面向全局优化的交通信号灯配时策略、基于交通精确传感网的交通预测等基础和应用研究。

2、本工程研究的目的、意义

（1）研究的目的

通过集成在无线监测传感模块上的摄像头、测速传感器器、车辆计数器对交通拥堵路段进行实时监测，计算出路段上车辆的数量、移动速度和现场故障情况。

对于从传感器收集到的信息进行统计和分析，然后分两个途径的双向处理：

一方面，无线传感器节点把现场交通信息通过zigbee构成的无线网络传递到主zigbee节点，主节点通过以太网和我们的交通管理平台对接，用于控制人员对我们交通情况的调度与控制。

另一方面，控制人员通过分析和判断，给出此时交通的解决方案，比如告知在拥堵路段的驾驶员如何绕行，控制人员把这些控制信息通过控制平台传递给zigbee主节点，主节点再通过zigbee无线网络传递到相应位置的zigbee子节点，最后子节点把这些信息通过集成在无线监测传感模块上的LCD显示屏告知在此路段上拥挤的车辆。

运用上述方法不但可以收集路段的交通信息，而且还能够通过模块告知驾驶员如果改道、绕行，达到了信息的双向流通，提高了交通管理效率和质量。

（2）研究的意义

我国交通最大的问题是人口多。

此外，交通流的构成也很复杂，除了庞大的机动车流、行人流、自行车流外，还有越来越多的助力自行车、三轮车等交通方式。

从城市的结构看，我国城市化进程也与国外很不一样，主要体现在城市结构和道路网络的不同。

与纽约、伦敦、东京这些有代表性的国际都市相比，国外都市的城市功能区相对分散在市中心的周边地区，很少有像北京一样，城市中心区的功能高度集中，近千万人集中在面积狭小的市中心生活、工作，城市的交通压力在这一区域内高度集中。

这是我国交通与国外相比一个突出的特点。

比如，北京市道路网络经过几十年的建设和完善，基本形成了环形加放射式的道路网络。

由于城市人口密度长期维持在每平方公里2.7万人左右，市区人口集聚进一步加剧，人口流动量大。

智能交通体系建设已成为我国交通可持续发展的必由之路。

3、本工程研究现有起点科技水平及已存在的知识产权情况

◆本工程研究现有起点科技水平

目前，我院主要以zigbee、bluetooth、wifi、GPRS、RFID等无线技术作为无线传感网的主要研究对象；

考虑到功耗问题，嵌入式系统则主要以ARV单片机为主要CPU，辅以以ARM、MIPS作为系统CPU；

软件系统方面则主要以linux和VC为主。

本工程的建设，将提高苏北地区温室种植的传感网应用水平，充分体现无线传感网系统与实际应用紧密结合的价值。

淮安信息技术学院作为主要技术承担单位的《基于嵌入式技术瓷绝缘子超声探伤仪》2007年获省科技厅中小企业创新资金30万元；

《基于嵌入式技术剩余电流保护装置动作特性测试仪》2009年获省科技厅中小企业创新资金工程立项，并已公示。

◆有关的主要论文与知识产权情况

本工程前期研究成果基于ARM核的剩余电流保护装置动作特性测试仪、基于嵌入式技术瓷绝缘子超声探伤仪，经省科技查新咨询中心查询，未见公开报导，本工程专利申请已经受理。

◆近三年承担的主要服务工程、标志性工程

“社区医院居民健康档案管理系统”是我院和淮安市王营镇社区卫生院合作的工程。

于2008年8月开始调试运行并通过淮安市卫生局与科技局联合组织的工程验收，被推荐为省级社区信息化示范点工程，正拟制在淮安全市社区医院推广的具体方案。

农村信息化服务工程，为支持社会主义新农村建设，提高社会服务能力，积极响应淮安市政府“十百万工程”，我院投入巨资，协助淮安市委、市政府“十乡百村”实现农村信息化示范点建设；

实施“百网工程”，建设一百个特色农业网站；

建立农民信息技能培训基地，培训万民农民成为具备信息技能的新型农民。

我院利用SMT贴片中心、数控加工中心等国家级高技能培训基地为中小企业培训高技能型人才1000多名，同时为当地企业进行技术改造、新产品研制、小试、产品加工、中试产品生产服务，扩大了服务地方经济的力度。

省“级软件外包人才实训平台“建设，获省政府工程资金310万元，已为淮安市软件企业培训外包人才1200余名。

“LonWorks智能化家居示范工程”建设，2008年12月通过淮安市科技局组织的科技工程验收。

该工程采用LonWorks智能测控网络整合相关智能设备，体现LonWorks技术在解决现场设备与设备之间连网通信的互操作性、易操作性和性能上的特殊优势。

主要创新点：

解决传统控制系统各子系统之间彼此孤立的问题；

实施并研究Echelon公司最新推出的NES（NetworkedEnergyServices）系统，从能源管理的角度研究解决绿色节能的问题；

有效解决了家电上网的问题。

⑥“基于.NET技术远程称重系统控制平台”建设，2008年12月通过市科技成果鉴定。

在江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司货运码头对4台大型电子皮带秤实施远程控制，系统运行稳定，实现了称重数据的自动记录和管理，提高了劳动生产率、降低了人员劳动强度。

每日新增称重3000吨，每日提高的效益与减少的损失折算3万至4万元，每年经济效益可达1200万元，2007年、2008两年新增经济效益达2000万元。

该系统同时在江苏清拖农业装备有限公司电子汽车衡地秤系统中应用，日称重量达1500吨以上，日称重量超过4000吨，为企业提高生产效率与减少跑冒滴漏损失所带来的经济效益年均达150万元。

⑦淮安信息技术学院作为主要技术承担单位的《基于嵌入式技术瓷绝缘子超声探伤仪》2007年获省科技厅中小企业创新资金30万元，该工程已在淮安苏达电气有公司进行试产。

⑧淮安信息技术学院作为主要技术承担单位的《基于嵌入式技术剩余电流保护装置动作特性测试仪》2009年获省科技厅中小企业创新资金工程立项，并已公示。

4、本工程研究国内外竞争情况及产业化前景

当前，许多国家和地区已开始把大量公共支出投向智能交通研发，尤其是解决交通拥堵问题的工程，同时全球还有数百家大小公司也把重金投到此方面的研发计划中，它们当中既有小型创业公司，也有像IBM这类计算机巨人。

就国家而言，英国政府的动作更大些，其下属的技术战略局高级运输技术专家称，5年内该局将投入4000万英镑用于减少拥堵的技术研发，英国市场一年的价值约为12亿英镑。

我国已提出将ITS作为我国未来交通运输领域发展的重要方向和优先领域予以重点支持，同时写进了国家的十二五规划。

在规划中明确指出要发展中国特色的智能交通系统，制定智能交通系统标准和发展规划，推动智能交通系统产品的开发和产业化。

1999年中国在公路方面的建设投资为2157亿元，如果其中的1000亿元用于高速公路的建设，在通讯、监控和收费系统方面的投资为30亿元到40亿元。

这仅仅是当前ITS应用的初级水平，且仅限于高速公路建设。

如果再考虑到人们出行对城市交通服务系统的需求；

考虑到汽车进入家庭的趋势，汽车对导航系统的需求；

考虑到城市基础设施的建设以及今后ITS应用水平的提高，中国ITS市场的容量将是一个天文数字。

市场的巨大，产业的起步，政府的支持，给我们无限的机遇。

二、研究内容

1、具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题

⑴无线传感网的节点设计

以车速、车数、路面能见度等为测试对象进行节点设计，对节点进行传感器选择和整合，分别设计子节点和主节点。

子节点设计时，需要把收集车速、路面能见度、路面视频信息等传感器和zigbee套片、LCD显示屏集成到一块电路板上；

主节点设计时，需要把zigbee套片、CPU、LCD等进行整合，并安装liunux操作系统。

⑵交通状况分析专用软件包开发

根据收集的交通信息进行分析、整理，和正常的交通模型进行对比，得出交通正常、拥堵、事故等状况判断信息，之后把控制和调度信息通过无线传感网传到相应节点通过LCD进行显示，以告知行车者进行合理避让、绕行。

2、工程的特色和创新之处

工程特色：

工程集成了红外、视频、智能计数等多种传感装置同时采集拥堵或问题路段交通信息，完成了交通信息的智能采集和分析系统，提高了系统的实时性和准确性，可以做到无人在现场即可完成掌握交通情况、完成交通调度的目的，符合智能交通的要求。

采用专用的信息分析软件包，完成控制平台与各个节点互通信息的目的，在控制平台分析得到的控制指令可以通过节点的LCD进行实时显示，达到信息互通、实时调节的目的，大大提高了交通控制的效率。

工程创新之处：

①以zigbee无线传感网作为主要技术的智能交通测控系统，有节能、网络布控和扩展方便、易于控制等特点；

结合各个节点的LCD显示，达到信息实时传递、有效传递的目的。

②配合专用分析软件，对监控参数进行分析后再进行智能控制，对于模型中正常或低级别问题进行自行闭环控制；

对于较大问题或异常问题向监控平台进行传输，保证交通问题准确、及时地暴露和上报。

③系统中除了提供外接电源接口和5号电池外，还同时配备了太阳能电池系统，保证系统的电力不会因为电池耗尽或没有得到及时更换而不能正常工作。

3、要达到的主要技术、经济指标及社会、经济效益

①技术指标

建立基于无线传感网的智能交通测控系统，系统指标主要有：

a）系统可同时监测车辆数量、车速、街道画面、空气质量等参数；

b）测控模型准确，路段拥堵状况监测准确，车辆统计误差为1辆/统计时段；

c）系统速率250Kbps，能够满足系统数据传输和LCD显示的带宽要求；

d）系统适应性强，稳定性好，符合国家CCC认证标准，适应复杂的交通路面状况；

e）系统待机长，子节点更换电池时间控制在两个月以上，太阳能供电可以保证在无电池情况下工作一个月以上。

②社会效益

通过新技术的运用，让交通测控更加智能和高效，提高了交通信息采集和分析的准确性和效率，减少了交通的拥堵时间，同时也提高了人们出行的便利性和效率，在一定程度上可以缓解城市道路，尤其是市内常拥堵路面的交通问题。

③经济指标及效益

1.减少交通拥挤和行车延误

随着城市人口的增加和社会经济活动的活跃，道路交通量不断增加，相应引起的交通拥挤也在增加。

不但在中国、泰国等发展中国家，就是在美国、日本、欧洲等发达国家，每年由于交通拥挤造成的经济损失也十分巨大。

ITS的应用，将会大大缓解交通拥挤，节约交通利用者的出行时间，产生经济效益。

ITS通过提供各种有选择的信息服务，能够使得出行者的路径选择向网络均衡的系统最优方向接近，达到路网负荷的均匀化，再加上能够将交通事故迅速通报从而使事故现场得到迅速清理的实时监测系统、能够根据当前情况调整的高速公路入口匝道和交通信号系统、能够减少收费站外车队长度的不停车收费系统等一系列ITS子系统，可大大减少行车延误，实现道路资源的高效率使用。

美国交通部估计，若将ITS与新增交通容量相结合，可以将未来用于应付交通拥挤而需要扩建基础设施的费用减少一增。

2.减少交通事故的发生率、死亡率

根据美国的预测，到2020年，美国因交通事故造成的经济损失每年将超过1500亿美元，而采用智能交通系统将会提前对危险的预知和加快反应速度，从而大大增加交通的安全性，将事故损失率降至最低。

如在采用智能汽车-高速公路系统后，如果驾驶员比现在早0.5s预知危险，就可以减少追尾和交叉口事故50%、减少下面碰撞30%；

如果早1s预知危险，就可以回避90%的交通事故。

另据统计可知，在交通事故中，20%是立即死亡、59%是现代医学无法医救的伤害，21%是因为得不到即时的抢救而死亡的。

所以，采用IVHS后因即时抢救，交通事故死亡率也将大大减少。

根据日本的计算，采用ITS后，2025年交通事故将减少50%，平均车速将提高10km/h，交通堵塞现象完全消除。

由此可以减少56亿小时/年的时间损失和12.3兆日元/年的经济损失，燃油消耗降低25%，CO2降低15%，NOx降低30%。

3.产业发展与就业机会的增加

ITS涉及道路建设、通信、计算机、电子、汽车、自动控制、信息服务、网络技术等众多的领域，是具有巨大经济效益的未来新兴产业群，也是未来多媒体技术应用可能性最大的行业。

同时，ITS的技术发展与市场需求也将会推动与其相关的产业发展，增加就业岗位，促进社会经济的健康发展。

4.能源消耗量减少，污染程度降低

事实表明，单纯依靠交通基础设施建设解决交通问题，不但不能完全满足交通需求，还占用和消耗了大量的土地、燃油等资源，并造成了汽车尾气排放量剧增，给环境带来了恶劣的影响。

如美国人口不足世界人口的5%，但能源消耗占了全世界交流中心消耗的30%以上，其中交通运输所消耗的能源占了1/4，而其中95%是石油。

而根据世界经济合作与发展组织1988年的计算，其成员国中交通运输产生的CO2排放量占总排放量的21%，汽车尾气排放产生的大量硫化物、氮氧化合物、碳氢化合物以及颗粒物所造成的地方性污染成本占GNP的0.5%~1.0%。

在未来，ITS的大规模、大范围应用将明显改善这一状况，大大降低交通运输系统能源的消耗和对环境的污染。

三、研究实验方法、技术路线以及工艺流程

1、研究实验方法

采用公司的工程管理方式进行管理，主要分为两条线进行开发：

一条线是硬件系统开发；

另一条线是软件开发，其中包括了对参数控制模型和参数阀值的确定。

参照大型通讯企业华为的管理方式，采用“产品设计，软件先行”的开发策略，因为在开发过程中，软件开发和调试往往占到了较大的比重和工程周期，所以在硬件原理图设计的同时，就要开始软件系统的底层驱动和大小boot的开发，保证两条线同时走，省去软件等待硬件的时间。

待硬件回板后即可加载小系统测试，这样可以最大限度地节省开发周期和开发成本。

2、技术路线

具体的技术路线可以分为两条，一条硬件研发路线；

一条软件研发路线，其中硬件的技术路线如下图1所示：

图1硬件开发技术路线示意图

具体硬件研发时的主要技术问题及解决方案：

①软件需要确定CPU的主频、内部Cache的容量、存储器的大小等资源的最小值，除了满足以上操作系统必需的资源外，硬件还要综合考虑各种接口的需求、功耗、成本、体积、升级等诸多问题，包括后续安装的便利性对产品形态的要求。

在器件选型这一块上需要综合各个方面的需求，实地考察温室、大棚的实际情况；

收集农户的耕种、安装、使用意见，做到产品设计从开始就是正确的、有依据的。

②设计多传感器的主、从节点时，尽量选择低功耗、多通道的采集芯片、LCD显示器，比如采用多通道的A/D转换器和低功耗LCD，这样不但可以减小节点功耗，还可以减小节点体积，更适合安装在拥堵的路段而不影响交通。

③传感网节点设计需要充分考虑扩展性和兼容性，根据不同的作物，方便更换、升级测量传感器，在原理图和PCB设计时，尽量选择可以pintopin兼容的器件，便于后期升级和拓展。

充分考虑传感网节点的使用场景环境，做好各种可靠性测试，比如防雷设计、防腐蚀设计等，那么在PCB和结构设计时就需要做好防腐蚀设计和避雷设计。

具体的方法可以在机壳外涂上锌层，在PCB板加装空气放气管、接口PCB挖空等；

还可以在zigbee天线口加空气放电管进行避雷、在机壳处的PCB处留出接地点，同时保证强电、弱点的绝对隔离。

无线传感网主、从节点的系统功能框图如图2所示。

图2传感网主、从节点设计硬件框图

以上是硬件研发的技术路线描述，下面就软件技术路线做一个规划和阐述。

首先，软件在工程初期需要评估系统资源需求，根据系统软件的容量选择适合主频的CPU和内存大小等硬件资源；

一般linux操作系统，在内核和部分扩展功能使用的情况下，4MFlash、16MSDRAM即可完成主要的功能，就此工程而言，甚至更少即可满足，待仔细评估后给出具体要求。

CPU方面，主要考虑cache级数和容量、主频大小、流水线级数等指标，基本上ARM7以上的均可满足此方案的需求。

再者，器件评估完毕后需要进行驱动程序开发和大小boot开发，此时硬件同步进行原理图设计。

此阶段的关键是根据器件型号、厂家提供的驱动进行修改、对接，保证各个部分的驱动程序都能够嫁接到linux上，保证整个小系统下的驱动没有问题。

最后需要把各个关键端口驱动做到大小boot中去，部分驱动待boot起来后再进行加载，保证小系统能够正常工作，重要端口能够进行基本的读写操作。

此阶段完成后，硬件单板回板，软件人员需要和硬件人员进行联合调试，保证单板小系统可以正常运行。

驱动、boot完成后是形成系统软件阶段，加入各种应用程序形成一个软件系统，即一个完整的操作系统。

最后是和硬件联调，在调试中发现软件或者硬件问题，最后形成闭环改进，通过版本升级或者打补丁的方式进行修改，对于所修改点进行详细纪录，保证最后成品版本的正确性。

实际的做法是建立一个版本库，里面不但放置每个版本，同时有更新、更改日志，保证软件的管理符合软件工程的要求，从制度上保证软件的可靠性。

软件技术路线的示意图如图3所示。

图3软件开发技术路线示意图

整个工程的开发工艺流程图如图4所示，整个流程图展开后即可分为两个主线，一个是硬件研发工艺流程，另一个是软件研发流程。

上文已经分别阐述了，这里不再赘述。

图4工程开发工艺路线示意图

四、工作基础和条件

1、承担单位简况，拥有知识产权状况

淮安信息职业技术学院是教育部2006年人才培养水平评估优秀的高等院校。

以省电子产品装备制造工程技术研究开发中心、省物流公用信息技术服务中心、省软件外包人才培训基地、市电子信息工程技术研究中心、市新世纪应用技术研究所以及与美国独资公司—北京威世达通信控制技术有限公司联合共建的“威世达公司苏北‘LonWorks’技术研发基地”为基础，建有7大工业实训中心、108个实验实训室、102个校外实训基地，科研设备配套完整，管理水平先进。

学院拥有电子类、信息类、机械类正教