物联网框架下道路交通论文范文

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1城市道路交通拥堵的治理现状

1．1公交体系落后观公交体系落后观认为不完善的公共交通体系是造成交通拥堵的主要原因。此类观点建议大力发展快速公交(BRT，busrapidtransit)系统，设置公交专用通道将会促使一部分私家车主放弃开车的频率而选择公交出行［5］。从载客量方面讲，公共交通工具确实比私家车更有优势。但是，公共交通工具的添置不仅会增加政府财政压力，还有可能在非交通高峰期间造成资源闲置或浪费。此外，公交车与私家车可能存在更加激烈的道路资源竞争，从而带来更严重的交通拥堵。因此单方发展公交系统对于缓解交通拥堵是有争议的。

1．2资源过分集中观资源过分集中观认为优良的医疗和教育资源过分集中在城市，导致人口向城市聚集，从而更加依赖交通工具，是产生交通拥堵的主要原因。该观点认为降低人口流动频率或将人口流动限制在某个特定范围是解决交通拥堵的根本措施［6－7］。对此，城市的总体规划设计需要充分论证，且实施应具连续性，同时地区甚至国家层面的政策支持仍不可少。随着人们对生活多样化的追求，过分限制人口流动的可操作性不强。因此，合理设计、有效分散、协调发挥城市优良资源，对于缓解城市交通拥堵在短期内难以成型。综上分析，城市道路交通拥堵是一个复杂的系统问题，很难通过单一的方法解决，需要大量的物力、财力、时间和政策机制等资源的统一协调，且不同城市情况各异，没有统一的参考模式。伴随着信息时代的蓬勃发展，物联网应用逐渐走进了大众视线，它将为城市道路交通拥堵提供较好的解决方案。

2发展物联网的需求分析

造成交通拥堵的原因有行人交通安全意识淡薄、驾驶员对道路交通情况不了解、交通事故、占道停车、车辆故障、恶劣天气、交通信号灯故障、道路施工，以及道路标示不清等，概括起来，主要是4种因素:人、车、路和环境。为避免交通拥堵，实时准确地获取人、车、路、环境信息对于选择行车路线、交通工具、出行时间以及出行地点显得十分重要。

2．1对人因素的需求分析首先，从安全出行角度来看，机动车驾驶员的违法行为，例如超速占道、无证驾驶、酒后驾驶、疲劳驾驶、药物驾驶、冒险驾驶以及攻击性驾驶［8］等是造成交通事故的主要原因;而非机动车驾驶员和行人横穿道路、攀爬道路中央护栏或与机动车抢道造成的交通事故也不在少数。这些都是造成交通拥堵的潜在隐患。其次，从出行服务角度来看。为了选择合理的出行时间和线路，所有出行者往往希望能够通过互联网、手机、车载设备等手段随时随地获取道路交通情况，例如哪些出行线路比较通畅、沿线交通信号灯的个数、当前红灯的剩余时间、公共交通工具是否准点到等，以便及时调整出行计划。最后，从快捷停车的角度来看。机动车驾驶员在到达目的地之前更关心的是停车需求，包括目标停车场是否有空位、能否预定车位、如何找到该停车位等。这些都是驾驶员想要获得的信息。

2．2对车因素的需求分析车辆在行驶的过程中，车辆本身的未知缺陷或其他原因可能引起停车或交通事故，导致交通拥堵。与车辆相关的因素包括轮胎的磨损情况、胎压大小、制动灵敏度、转向、底盘悬挂、发动机运行状态、油箱剩余油量等，此外维修保养、安全技术检验、驾驶证及保险是否到期也是值得关注的。

2．3对道路因素的需求分析道路因素导致的交通拥堵主要包括路面损坏、道路施工、道路标示不清以及交通信号灯故障等。路面损坏和道路施工将导致车辆临时避让，造成交通瓶颈致使交通拥堵。道路标示包括路面标示和路旁标示，道路标示不清将导致机动车驾驶员左顾右盼、注意力不集中、车辆方向乱打、出现交通冲突，致使交通拥堵的发生。在交通高峰时段交通信号灯出现故障，若无外部行为指挥协调，交通拥堵压力将会加剧。

2．4对环境因素的需求分析恶劣天气是造成交通拥堵的主要环境因素，例如雨雪天气致使路面湿滑，轮胎抓地能力下降，车辆剐蹭机率增加。而雾、霾、大风天气使得空气能见度降低，行车速度下降可能导致交通拥堵的发生。明确上述4个方面需求将有利于出行者及时掌握道路交通信息，变被动出行为主动，对于安全、快捷、便利出行，缓解城市道路交通拥堵具有重要的现实意义。为此本文将从信息化智能交通角度入手，围绕物联网体系结构，设计了一种智能化城市道路交通拥堵导引系统。

3物联网框架下城市道路交通拥堵导引系统设计

3．1系统搭建物联网通过射频识别(radiofrequencyidentifi-cation，RFID)、无线传感器网络(wirelesssensornetworks，WSN)、无线通信网络将各种信息采集设备(各种类型的传感器、定位装置、扫描装置)与现有互联网连接起来，实现物理对象与互联网的无缝连接，使得物体间、人物间能够实时通讯，从而达到智能化识别、定位、跟踪和管理的目的，是未来互联网的重要组成部分［9］。物联网体系结构自下而上依次是感知层、网络层和应用层。感知层负责相关信息的采集，网络层负责信息的处理或传输，应用层负责具体应用。

3．1．1感知层感知层针对人、车、路、环境4个方面的信息需求，主要采集面向个人的驾驶信息和面向公众的交通信息。前者包括2个功能:其一，评估当前机动车驾驶员的身体、精神状况信息，判断其当前驾驶行为是否适合规范、安全;其二，对当前车体进行自检，实时提醒驾驶员及时采取相应的措施，确保安全驾车。后者会全面采集城市道路和环境信息。

3．1．2网络层网络层的作用是实现人、车、路、环境之间的互联互通，主要包括2个方面:第一，负责各类交通拥堵因素信息的接入，主要的接入方式有:3G/4G网络、DSRC(DedicatedShortRangeCommunica-tions，专用短程通信技术)、WLAN技术、ZigBee、UWB(UltraWideBand，超宽带)、Bluetooth(蓝牙)或卫星通信等;第二，基于原有的电信网络、电视网、电话网实现信息的远程传输，与出行者实现信息交换。

3．1．3应用层应用层可细化为上下两层:下层业务管理单元和上层出行体验单元。下层控制中心模块实现交通拥堵信息的汇总、分析和研判，上层通过现有终端设备实现各类交通信息的融合以多媒体界面呈现。用户群体可以通过选择不同的功能模块来掌握实时的道路交通状况。

3．2系统架构该系统将铺设覆盖全市城区范围的传感网节点，构建广泛互联的交通拥堵要素感知互联网络，为公众出行提供人性化界面。本文以物联网体系结构为基础，结合集中控制和分布式处理［10－11］搭建系统总体架构，如图1所示。

3．2．1集中控制方面主要包括了应用层中业务管理单元的11个模块，除控制中心、反馈监督模块外其余9个模块均与感知层中的2个信息采集单元有直接的数据交换。1)控制中心模块它是整个应用层的核心，包括2个方面的作用:一是集中管理、集中控制、集中操作其余模块的数据信息，为上层应用提供人性化数据信息;二是协调其余模块的数据信息在时间上同步，保证数据信息的实时有效。控制中心模块需要系统管理员权限才能访问，一般用户无权访问该模块。2)反馈监督模块模块的主要功能包括以下几个方面:一是反馈，接收用户在数据信息使用过程中提出的疑问，甚至是投诉、建议和意见，并在规定时间内答复;二是监督，若政府、相关企业或其他业务归口部门未在规定时间内回复用户的问题，可按照规定给予对应部门一定的处分或物质惩罚，若驾驶员一旦出现酒驾、疲劳驾驶或危险驾驶等违法违规驾驶时，这些记录将会以告警呈现的形式在第一时间反馈至相关政府行政部门，这些部门会立即对驾驶员电话提醒、约谈甚至做出行政处罚，并将记录备份至驾驶员的驾驶档案中，规范其以后的驾驶行为;三是设备养护提示，当系统检测到故障或失效设备(传感器、定位设备、网络设备等物联网硬件设备)时发出告警，提示相关企业对设备进行检修或更换，且设备的养护信息应及时至系统平台，接收公众和主管部门的监督，提高设备的利用率。

3．2．2分布式处理方面大量的数据采集传感器和网络通信设备设置在车辆内部和城市道路附近，为道路交通状况数据信息的采集提供支撑。1)驾驶员信息模块集中管理驾驶员体内酒精含量、疲劳状态和危险驾驶数据。驾驶员血液内或呼气中的酒精含量是衡量其酒驾的唯一标准，①为此将酒精传感器节点安装在主驾驶座位附近，通过传感信号分类处理算法［12］辨识驾驶员或乘客体内酒精含量是否超标。同时，可以在车内外安装光电传感器(例如CCD或CMOS)，根据驾驶员疲劳驾驶时面部表情的变化和在危险驾驶时行车路线和车速变化的图像特征结合相关算法模型估计出当前驾驶员的疲劳状态或驾驶的危险程度。若驾驶员面部出现疲劳状态或行车路线异常，车载警报系统将会实时提醒驾驶员。另外，通过身份识别系统明确该驾驶员的驾驶证信息，车辆一旦启动，则该驾驶员与所驾驶车辆信息就进行绑定，整个驾驶过程日志将会被上传至驾驶员信息模块并保存至该驾驶员的驾驶档案中。一旦出现酒驾、疲劳驾驶或危险驾驶行为，相关监督部门将立即收到告警提示，然后通过控制中心模块访问该驾驶记录并对该驾驶员进行问责。驾驶员信息模块工作流程如图2所示。2)车辆自检信息模块集中管理车辆主设备运行数据，它的作用相当于ECU(electroniccontrolunit，电子控制单元或行车电脑)。驾驶员不但可以随时关注车辆的运行状态，同时车辆服务企业(例如车辆4S店、保险公司)通过访问终端可实时或定期监控车辆运行状态，及时提醒驾驶员进行维修保养。若车辆在行驶过程中出现故障，车辆服务企业将会在第一时间获取告警提示赶赴现场救援，将交通拥堵的程度或影响降到最低。3)事故处理与道路施工模块这2个模块分别管理交通事故和道路施工的方位数据。当出现交通事故或道路施工时，事故当事人员、施工人员或者附近群众将会在第一时间通过分布在道路周边大量的传感器节点(采集事件位置数据)和网络设备(传递事件数据)建立连接，并及时向系统平台事故或施工信息，提醒路人可能会造成交通拥堵的可能。针对交通事故，必要情况下交管部门也会赶赴现场进行事故处理，处理完毕后，需登录系统平台提示处理完毕;针对道路施工，施工完毕后，需登录系统平台提示施工完毕。这里需要注意的是，如在这2种情况下当事人员没有及时或解除事件提醒，造成严重交通拥堵的，相关部门将会通过反馈监督模块获取举报信息，经查证后将会对相关当事人员进行必要处罚。4)道路标示模块集中管理道路标示的提示数据，其功能为:一是将各种传感器节点、通信网络和卫星定位系统嵌入到道路标示内，把标示牌“由死变活”，成为可显示和可远程访问的标识;二是道路标示信息不仅附近的人员(包括机动车、非机动车驾驶员)可见，而且凡是登录到系统平台的所有人员均可见。5)智能信号灯模块集中管理信号灯运行故障数据，这里关心的是出现故障的信号灯方位、红灯剩余时间和下个路口信号灯灯颜色［13］。十字路口的交通信号灯内嵌入具有定位、信息处理、有线或无线通信等功能的传感器节点，可实现自身故障上报、自行计算交通信号灯等待时间、实时变换交通信号灯的亮灭时间［14］等功能，其流程如图3所示。6)气象模块集中管理实时与未来气象数据，将大量分布在城市中的气象传感器采集的实时数据上传至气象模块，经过数据信息的融合，在系统平台上呈现当前和未来的气象信息，为出行者提供天气预报。7)停车诱导模块集中管理停车方位与车位数据，主要包括:一是定位功能，集成城市GIS地图，明确目的地附近公共停车场的位置信息，由车载导航系统实现位置导引;二是查询功能，集成停车场车位管理系统，实时显示停车场剩余车位信息及对应的收费标准;三是预约功能，在车辆出发前预订目标车位，实现远程缴费。8)公交运行模块集中管理公交实时运行数据，主要是为出行者提供公共交通工具的到发时间、停靠站点、距离、最近一班车的到站时间等。它是系统的辅助模块，便于非驾车人员公交出行，有利于缓解道路交通拥堵压力。

3．3通信网络通信网络设置的原则是安全、简单、方便、成本低。首先，在业务管理层收发数据前设置防火墙(例如VPN－虚拟专用网络)，确保信息安全和通信质量;其次，各数据信息采集设备通过自身的无线信号收发装置实现数据信息的交换、互联、上传和反馈。例如，移动的车载终端、公共交通工具通过设置在道路两旁的无线通信接入点(无线AP)实时与交通信号灯、道路标示之间进行数据交换，实现交通流量控制;固定的交通信号灯、道路标示则是通过WSN中的汇聚节点以有线或无线方式接入到Internet;故障或事故车辆、施工、停车场方位信息可以通过自身的GPS或北斗导航系统或道路两旁的无线AP在系统平台进行，实时提醒机动车驾驶员调整行车路线;系统使用者可以通过无线/有线终端访问附近的局域网实现对当前交通拥堵、天气、公共交通等相关信息的查询。系统网络布局见图4。

3．4系统功能由图1可知，该系统的用户群体包括出行者、相关企业和政府部门，因此不同用户在使用过程中系统所反映的功能侧重点是不同的。

3．4．1对于出行者人是影响道路交通最活跃的因素，主要包括机动车驾驶员和其他行人。对于机动车驾驶员而言，主要关注以下几点:一是车载导航设备可以实时更新显示道路两旁传感设备釆集的交通拥堵信息，以及时调整出行线路;二是车载提醒系统随时提醒个人驾车行为是否规范合法;三是可以实时关注车辆主要部件的运行状况，对于安全行驶做到心中有数;四是可以提前预约目的地附近的停车场车位及收费标准，做到顺利、规范停车。对于其他行人而言，则可以提供便利的出行信息，包括天气状况、公共交通工具到发时间及换乘信息等。

3．4．2对于相关企业主要包括车辆售后服务商、负责数据信息采集和传输的传感器、网络设备售后服务商、道路施工承包商。对于车辆售后服务商，提供的信息包括:一是实时接收来自车辆主要设备的故障告警信息，并在必要时提醒驾驶员，确保车辆及时得到维修保养;二是接收来自客户的反馈监督，及时回答或满足客户提出的问题或诉求，提升售后服务质量。对于数据信息采集和传输设备售后服务商，首要的工作就是维护好设备的正常运行，当设备出现故障时及时检修或者更换，将交通拥堵的可能性降到最低。对于道路施工承包商，如道路附近基础设施出现问题，要在规定的时间内及时施工道路的方位消息和撤销道路施工的提示信息，有效疏散交通拥堵。

3．4．3对于政府部门主要包括公安机关道路管理部门和行政监督管理部门。对于公安机关道路管理部门，首要任务就是指挥疏导道路车流，包括在规定时间内及时处理交通事故，和撤销交通事故方位信息，以及通过信息媒介定时城市交通道路状况信息。对于行政监督管理部门，主要是接收来自公众对相关企业工作完成情况的监督。按照谁主管谁负责的原则，建立健全相关制度和法规，为个人、企业的问责或处罚提供制度和法律依据。同时本级部门受上级直属部门的监督，监督不力同样要接受追责。

4结束语

本文基于物联网体系结构设计了一款城市道路交通拥堵导引系统，将驾驶员、人、车辆、事发点方位、道路标示、信号灯、天气、公交等“隐藏”信息“显现”出来，起到道路交通导引作用，使出行者由“被动”变为“主动”，从而缓解交通拥堵。但在具体的实施过程中还需要解决许多问题，例如:在稀缺的道路资源附近如何利用、架设、集成新旧数据信息采集设备与网络通信设备;各业务部门之间如何协调合作实现数据信息的共享;如何在法律、制度层面完善系统监管机制;如何保护个人隐私安全;如何确保信息安全等。总之，代表信息化发展方向的物联网为解决城市道路交通拥堵提供了一种全新方案。

作者：赵凌张冰菲单位：铁道警察学院治安系中国移动通信集团河南有限公司网络管理中心