CN101609605B - 智能交通系统及其监测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种智能交通系统及其监测控制方法，属于交通系统优化和监测控制的技术领域。本发明将智能交通系统划分成n个结构相同的Zigbee网络模块，每个Zigbee网络模块都包含m个的硬件结构相同的固定节点，每个站台和路口都设置有一个固定节点，每辆公交车上设置有一个车载移动节点。本发明所述方法采用在每个Zigbee网络模块中设立一个中心节点管理该Zigbee网络；车载移动节点采集车辆运行信息并及时发送至路边固定节点；路边固定节点将该信息快速传递至后向路口固定节点并在路口电子显示屏上显示公交行驶路段的路况信息。本发明模块化好、抗干扰、成本低、实时性好、分布式调控、车辆的定位精度高。

Description

智能交通系统及其监测控制方法

技术领域

发明涉及一种智能交通系统及其监测控制方法，属于交通系统优化和监测控制的技术领域。

背景技术

目前，国内外智能交通系统中交通信息的获取主要有两种方法：一是通过道路上的交通流监测设备，如环形感应线圈、雷达、CCTV等进行采集，这些设备成本高昂、需人工维护、易磨损、受气候和光线条件影响大。二是基于GPS/GSM交通信息采集系统。即车载GPS接收机接收并处理GPS信息，通过GSM/GPRS与监控中心进行双向信息交流。但是GPS定位技术用于智能交通本身尚存在一些问题，由于GPS卫星信号的传输和接收很容易受环境的影响，因此GPS车辆跟踪定位系统对车辆定位的准确度与车辆运行的环境有密切关系，容易被地形和地物遮挡，导致定位精度降低，尤其在高楼林立、立交桥纵横的大城市，车载GPS接收机接收到的卫星信号的有效性很低，常常不能单独利用GPS信号进行有效的定位。在目前基于GPS/GSM智能公交系统中，信息的传送都采纳了GPRS或GSM无线通讯方式，需要利用现有移动运营商的2.5G无线宽带网络。GPRS本身是大众使用的无线宽带网，并没有单独为交通行业提供专用的带宽资源，大众使用GPRS的高峰时间点，GPRS传输存在延时现象，延时时间在5-40秒之间，交通信息的及时传送就不能得到保证。系统成本也较高：包括初期的GPS设备和网络设备安装费用以及运营时产生的网络使用费。在我国目前市政经费普遍紧张的情况下，无疑制约了目前国内智能公交系统具体实施。目前出现的Zigbee技术可以很好的解决这个问题，虽然有人提出应用于智能公交的方案，如宋颂，韩东等撰写的文章《基于无线传感器网络的智能公交系统》(合肥工业大学学报，2008年1月)，对基于Zigbee的智能公交系统加以了描述，但并没有给出具体的实施方案和对系统进行验证；专利方面截止2009年5月已经有朱开宇，刘佳宇等提出的《用区域化无线网络传输公交车辆信息的装置》(中国专利，申请号200720101730.6)和高忠康，林强凯等提出的《基于紫蜂的智能公交车管理系统》(中国专利，申请号200820082900.5)，这两个发明创造均将Zigbee技术引进了智能公交系统，但是两个专利均没有实现车辆运行过程中的全程监控和高精度的定位，同时也没有对于整个城市如何进行合理有效的Zigbee网络布局提出解决方案，满足不了实际应用要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提供一种智能交通系统及其监测控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明智能交通系统，其特征在于将智能交通系统划分成n个结构相同的Zigbee网络模块，每个Zigbee网络模块都包含m个的硬件结构相同的固定节点；每个站台和路口都设置有一个固定节点，每辆公交车上设置有一个车载移动节点；将位于Zigbee网络模块中心区域的固定节点设置为中心节点；每个固定节点都包括固定Zigbee芯片、固定天线和电子显示屏(可选)，每个车载移动节点都包括车载Zigbee芯片、车载天线和传感器；固定Zigbee芯片与固定天线电连接，固定节点与相邻固定节点或移动节点间采用Zigbee无线方式通信，固定Zigbee芯片的输出端接电子显示屏的输入端(可选)；车载Zigbee芯片与车载天线连接，传感器的输出端、公交车上里程仪的输出端分别接车载Zigbee芯片的输入端，车载Zigbee芯片的输出端接公交车上报站器的输入端，其中n为自然数，m为小于65536的自然数。

所述的智能交通系统的监测控制方法，主要包括两方面：

1)分布式交通调控方法，其特征在于包括如下步骤：

a)在每个Zigbee网络模块中设立一个中心节点，负责本网络的路由建立，网络管理，和作为与外界进行信息交互的接口；

b)采用所述传感器采集公交车的实时信息，并将公交车的实时信息输出至车载Zigbee芯片；

c)步骤b所述的车载Zigbee芯片将步骤b所述的实时信息依次经过车载天线、固定天线发送至路边固定节点中的固定Zigbee芯片；

d)固定Zigbee芯片首先将步骤b所述的实时信息通过固定天线发送至后向路口固定节点，路口固定节点根据该实时信息得出道路拥挤度状况并输出至路口电子显示屏上显示；同时该实时信息也被通过Zigbee无线多跳方式传递到网络模块内该公交路线上的各个站台固定节点，并在各站台固定节点电子显示屏上显示。

2)智能交通系统的车辆定位方法，其特征是：

采用相对定位的方法削弱里程仪刻度系数K带来的误差，在公交车经过布置有固定节点的站台或路口时通过无线传感器量测信息进行车辆位置校正，在车辆行进过程中车载Zigbee芯片通过监测里程仪脉冲数N。则获得公交车相对于前一校正处距离的方法为如下之一：

e) $D=\frac{\mathrm{NL}}{\stackrel{\‾}{N}},$ 其中L为车辆行驶路段前后两相邻校正处间的实际长度，N为两校正处间的历史脉冲数；

f)

其中L_前路段为前一路段两相邻校正处间的实际长度，N_前路段为本车辆通过前一路段两相邻校正处间的里程仪脉冲数；

g)通过无线传感器测量的距离信息经过数据融合获得；

h)将步骤g)得到的距离数据与里程仪数据进一步融合得到更精确的距离。

本发明的有益效果是，系统的覆盖范围及功能灵活可调，既可以在城市的重要路段加设小规模的单个分布式系统实现主干道路公交线路电子站台改造和对通行车辆实现交通引导，也可以在城市大范围的覆盖实现整个公交系统的可视化调控及进行全局的交通调控。系统通过车载移动节点自动采集并快速处理公交运行和道路拥挤度信息，以无线传感器网络无线单/多跳方式传输，实时直接引导所在区域的车辆选择较为通畅的路段通行，同时可以通过电子站牌发布公交车辆的信息，极大方便市民出行；所提出的基于无线传感器和里程仪组合定位的方法使得公交车运行过程中定位的精度达到了5米以内，因而可以准确获取车辆的位置及对应道路的拥挤度情况；在基于无线传感器的“广域”智能交通系统中，使用无线传感器专用通信网络和Internet相结合的方式作为其传输方案，既解决了信息传递的快速性难题，也同时大大降低了整个系统的投入维护费用。

附图说明

图1是分布式交通调控示意图；

图2是系统信息传递示意图；

图3是城市整体通信网络拓扑图；

图4是节点硬件设计框图，(a)车载移动节点，(b)固定节点；

图5是里程仪相对定位示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

城市中交通车辆拥堵主要发生在使用频率较高重要路段，解决这些路段的拥堵问题，就能从根本上提高城市交通的整体效率。考虑到担负城市重要交通运输任务的公交车覆盖了城市中所有重要路段，本系统利用公交车作为智能交通系统中的“采样载体”获取城市路段的路况信息，将这些路况信息快速传递给其它车辆，从而有助于公交车的调度、重要路段交通的监控和城市整体交通效率的提高。同时为了克服现有的基于GPS的智能交通系统的卫星信号易受干扰及设备投入和运行维护成本较高等方面的不足，本发明提供了一种基于Zigbee网络的分布式智能交通系统，该系统一方面无需设立专门的监控中心就能自成系统独立地对该区域的交通进行有效的引导和调控，并实现公交电子站牌实时显示，方便市民出行；另一方面，只要在城市中合理的布置多个上述分布式交通系统，并加设一个总的交通监控中心，便可将各处的分布式Zigbee网络的信息汇总处理，为整个城市交通系统的全局管理、控制和决策提供参考，为广大的市民提供全面周到的交通增值服务，即实现了基于无线传感器的“广域”智能交通系统。

当建立基于无线传感器的“广域”智能交通系统时，本发明采用了蜂窝状分区的方法将覆盖整个城市的各个Zigbee网络连成了一体，并能够实现公交车载移动节点在整个城市范围内的漫游，在对城市所有的公交运行状况进行实时监控的同时也间接反应了整个城市的道路交通状况，本发明所提及的基于无线传感器网络车辆里程仪组合定位方法对车辆的定位精度可以达到5米以内。

参见图1

图中A、B、C、a、b、c均为道路名称；1、2、3、4、5、6、7、8为该十字路口的8股车流。公交车从路口Bb到路口Ab运行过程中(图中实心箭头所示方向)，实时得到Bb-Ab路段道路拥挤状况，将此路况定时发给后向十字路口Bb处固定节点；该固定节点即时将Bb-Ab段的道路通行状况显示在电子提示牌上，供Bb-2、Bb-4、Bb-8(图中空心箭头所示)车流中可能进入Bb-Ab路段的车辆参考。同理，设有相应的路况信息提示牌和无线传感器的各个路口，都可以让即将进入某路段的车辆选择通行状况相对好的路段通行，在实现了各个路段畅通的同时也促进了整个城市交通效率的优化。

参见图2

本发明的硬件组成由安装在公交车辆上的车载移动节点和安装在公交站台和路口的固定节点以及监控中心服务器(分布式独立小系统则不需要该部分)等组成。在公交车上的车载移动节点集成了各种传感器，主要负责公交运行数据的采集，通过与路边固定节点交换数据进行车辆定位，并能实时接收监控中心调度系统发出的信息。其主要功能有：采集车辆的人数、温度等数据；定时发送最新的车辆运行状态和位置信息，发送周期1-60秒(可调)。公交站台和路口固定节点具有两个主要功能：a)转发车载移动节点发送的数据，并将该信息发往网络的中心节点；b)公交站台固定节点同时及时提取和本站台相关的公交运行信息并在电子站牌上显示供候车的乘客参考，路口固定节点则提取前向路段传来的路况信息并在路况电子提示牌上加以显示。监控中心负责处理车辆传回的各种数据，实现车辆监控与大屏幕显示、公交运营管理、协调调度车辆、交通信息采集发布等功能。采集的数据均存放在数据库中，通过访问数据库，可以提供多种服务。固定节点随时与调度中心保持联系，由控制中心随时发布最新的公交信息，包括最近班车信息，前方路况信息等，方便在站台候车的乘客了解情况，有准备地选择所要乘坐的车辆，合理安排时间；控制中心也可向固定节点发送公益信息，向市民宣传市政政策等；控制中心还可向固定节点发送广告信息，取得一定的广告收益。

参见图3

虽然每个Zigbee网络可以容纳的节点多达65536之多，但考虑到整个城市公交线路覆盖的范围比较大和Zigbee网络的跳数控制在m＝15跳以内有利于数据的快速传输，所以用一个Zigbee网络覆盖整个城市公交线路是不现实的。本发明提出了采用蜂窝式分区方式通过多个Zigbee分布式网络对整个城市的进行网络覆盖。相邻的蜂窝块内的Zigbee网络的PAN ID(网络编号)和CHANNEL(通信信道)均不相同。并加设有一个总的监控中心接受处理各个Zigbee网络汇总的公交运行信息。每个Zigbee网络中心节点和监控中心之间使用Internet连接。监控中心的服务器接收车载移动节点经由网络发送过来的数据包，解析、存储后将监控数据可视化至显示屏，同时将需要“跨区”传递的公交位置和道路通行状况信息通过Internet传递到指定的Zigbee网络里的中心节点，再经该中心节点将数据通过Zigbee网络发送给各个公交站台和路口电子显示牌。

在每个Zigbee芯片里均存储有全球唯一的64位MAC值，因此所有的路边站台，路口，和公交车的身份都可以用相应的MAC值一一对应。因此通过对在网络中传输的数据里加载节点的MAC值，结合对应的无线信号强度值及里程仪脉冲信息和其它车辆传感器的信息就可以实时的掌握公交车的运行状况。当公交车运行时，公交车载移动节点能够适时搜索网络，当同时收到几个固定节点的信号时，自动进行比较，选择一个较强的信号，同时脱离先前的节点，将拥有较强信号的节点作为自己的父节点。而当公交从一个Zigbee网络进入另外一个网络的时候，公交车载移动节点首先重新初始化更改网络参数和信道与新的网络相匹配，接着便在新网络内实现网络内漫游。

参见图4

本发明采用的无线传感器节点核心芯片为Zigbee芯片，集成了微处理器，可以充分兼容2.4GHz IEEE802.15.4收发器，具有一定的内存，同时提供丰富的模拟量和数字外围设备接口。Zigbee芯片除了做无线通信外，还能实现一定量的运算和控制功能，快速优质地开发应用程序。单芯片的解决方案大大降低了开发的难度和成本，同时增加了系统的稳定性。移动节点和固定节点在节点的整体设计方面略有不同：移动节点是安装在公交车上的，上面扩充了采集车辆信息的传感器和与报站器相连接的音频输出部分，而固定节点是安装在公交站台或路口的，上面连接有电子站台显示屏或电子路况提示牌。在城郊等较为空旷，GPS卫星信号接收良好的情况下可以在移动节点上直接加装GPS接收芯片通过GPS卫星信号进行定位。

通常Zigbee芯片的有效传送距离在100米左右，本发明中所选用的芯片为增强型芯片，其能够在满足国家无线电管理委员会对在城市使用无线电发射设备功率限定要求(小于100mW)的前提下实现最远至3公里的通信距离，完全可以满足公交系统对节点间通信距离的需求。城市公交站台一般相距500米-800米，一个Zigbee网络可以覆盖的区域可以达到5-10平方公里。因此一般几个Zigbee网络就可以实现对整个城市公交线路的全覆盖。

本发明系统中采用Zigbee技术在无线数据传输中应用的碰撞避免策略技术(CSMA/CA)和直序扩频技术(DSSS)能够有效的保证系统信息传递的抗干扰性和可靠性。

参见图5

如何通过无线传感器网络获取和传递路况信息是一个关键问题。在本系统中通过对公交的运行状态间接的获取道路的通行状况，随即上述的关键问题便转换为如何通过无线传感器网络对公交车进行精确的定位和测速，在本系统中采用了利用无线传感器网络和车辆里程仪组合定位的方法提高公交车定位精度。

LQI(link quality indicator)是链路质量指示，表征接收数据帧的能量与质量。LQI值在无线传感器每接收一个数据帧时都可以得到，及时反映信号强度的变化和受到的干扰的变化。LQI值随距离的增加而衰减。由于公交线路固定的特殊性，可以通过安装在道路两旁公交站台上的已知节点和公交车上节点间的LQI确定公交的位置。可以通过设立LQI阀值对应相应距离的方法实现车辆的粗定位，精度可以达到100米，但由于LQI易于被环境干扰存在一定的不稳定性，所以公交车不能完全依靠LQI进行定位。

里程仪是车辆必备的仪器之一，采用里程仪定位和LQI校正的方法可以极大的提高公交运行过程中的定位精度。里程仪的输入输出关系：D＝K×N；

式中：D—车辆在单位时间内行驶的距离；

K—里程仪刻度系数(或称刻度因子)；

N—单位时间内里程仪累加的脉冲数。

里程仪的误差主要体现在刻度系数K上，而影响K的误差源主要有车轮的充气程度、车轮的磨损程度、车辆的载荷大小以及行驶中车轮的滑动等。采用相对定位的方法可以有效的去除K带来的误差使得距离仅和里程仪脉冲数有关。

如图5所示，设车辆某次从A开到B站里程仪输出脉冲数为N₁，刻度系数为K₁，则车辆行驶的距离为D₁＝K₁×N₁；

又设下次车辆行驶到AB中的某一点C时里程仪输出脉冲数为N₂，刻度系数为K₂，则此时车辆行驶的距离为D₂＝K₂×N₂；

两次测量之比为 $\frac{D2}{D1}=\frac{K_2\×N_2}{K_1\×N_1};$

因为近期内的刻度系数一般是相接近的，即可认为K₂＝K₁；

此时有： $\frac{D2}{D1}=\frac{N_2}{N_1};$

相对距离的比值可通过里程表输出脉冲的比值求得，也就是说若已知全程的脉冲数，则中间任意一点的相对距离值等于该点对应的脉冲数与总全程脉冲数的比值。但一次测量全程脉冲数的随机性较大，为此应采用多次测量取平均的方法。设经过q次测量，

$\stackrel{\‾}{N}=\frac{N_1+N_2+...+N_q}{q}=\frac{1}{q}\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i;$

同一段路程在相隔较长时间内里程表输出的脉冲数会有较大的差异，为提高上式脉冲平均值的可信度，样本应取近期的数值。

在公交停靠站台A时，车载移动定节点通过收到的LQI强度最大推算出已经到达A站(站台A的所发的出信号含有站台固定节点的MAC值)。此时清零里程仪脉冲实时计数器，当车开动时，计数器开始计数并根据其和历史AB站间历史脉冲数N的比值实时推算公交自身的当前位置，而通过无线传感器上的定时器定期记录的单位时间脉冲数，即可推算该车辆的运行速度，进一步可以间接反映道路的拥挤程度。所提取脉冲数的时间段应在公交进站和等待红绿灯等特殊状况之外，可以通过车载移动节点感应路边固定节点间的LQI强度剔除这些特殊状态。

Claims (8)

1.一种智能交通系统，其特征在于将智能交通系统划分成n个结构相同的Zigbee网络模块，每个Zigbee网络模块都包含m个的硬件结构相同的固定节点；每个站台和路口都设置有一个固定节点，每辆公交车上设置有一个车载移动节点；将位于Zigbee网络模块中心区域的固定节点设置为中心节点；每个固定节点都包括固定Zigbee芯片和固定天线；每个车载移动节点都包括车载Zigbee芯片、车载天线和传感器；固定Zigbee芯片与固定天线连接，固定节点与相邻固定节点或移动节点间采用Zigbee无线方式通信；车载Zigbee芯片与车载天线连接，传感器的输出端、公交车上里程仪的输出端分别接车载Zigbee芯片的输入端，车载Zigbee芯片的输出端接公交车上报站器的输入端，其中n为自然数，m为小于65536的自然数。

2.根据权利要求1所述的智能交通系统，其特征在于还包括监控中心，所述各Zigbee网络模块中的中心节点通过Internet网络与监控中心连接。

3.根据权利要求1或2所述的智能交通系统，其特征在于所述车载移动节点还包括GPS芯片，GPS芯片的输出端接车载Zigbee芯片的输入端。

4.根据权利要求1或2所述的智能交通系统，其特征在于所述固定节点还包括电子显示屏，电子显示屏的输入端接固定Zigbee芯片的输出端。

5.一种基于权利要求1所述的智能交通系统的监测控制方法，其特征在于包括如下步骤：

a)在每个Zigbee网络模块中设立一个中心节点，负责本网络的路由建立，网络管理，和作为与外界进行信息交互的接口；

b)采用所述传感器采集公交车的实时信息，并将公交车的实时信息输 出至车载Zigbee芯片；

c)步骤b所述的车载Zigbee芯片将步骤b所述的实时信息依次经过车载天线、固定天线发送至路边固定节点中的固定Zigbee芯片；

d)固定Zigbee芯片首先将步骤b所述的实时信息通过固定天线发送至后向路口固定节点，路口固定节点根据该实时信息得出道路拥挤度状况并输出至路口电子显示屏上显示；同时该实时信息也被通过Zigbee无线多跳方式传递到网络模块内该道路上的各个站台固定节点，并在各站台固定节点电子显示屏上显示。

6.根据权利要求5所述的智能交通系统的监测控制方法，其特征是：采用传感器和里程仪的共同信息消弱里程仪刻度系数K带来的误差，在公交车经过布置有固定节点的站台或路口时通过无线传感器量测信息进行车辆位置校正，在车辆行进在两个相邻的布置有固定节点的站台或路口的过程中车载Zigbee芯片通过监测里程仪脉冲数N，则获得公交车相对于前一校正处距离的方法为如下之一：

e) 其中L为车辆行驶路段前后两相邻校正处间的实际长度， 

为两校正处间的历史脉冲数；

f) 

其中L_前路段为前一路段两相邻校正处间的实际长度，N_前路段为本车辆通过前一路段两相邻校正处间的里程仪脉冲数；

g)通过无线传感器测量的距离信息经过数据融合获得；

h)将步骤g)得到的距离数据与里程仪数据进一步融合得到更精确的距离。 

7.根据权利要求5或6所述的智能交通系统的监测控制方法，其特征在于，各Zigbee网络模块中的中心节点通过Internet网络与监控中心连接，监控中心通过控制中心节点分别监测控制各Zigbee网络模块。

8.根据权利要求5所述的智能交通系统的监测控制方法，其特征在于当公交车位于城市郊区，采用GPS对车辆进行定位和测速。 

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