CN101763720B - 基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统，该系统由基于无线传感器网络的感知子系统和交通提醒子系统组成，感知子系统包括传感器模块和无线传输模块，无线传输模块包括无线收发汇聚节点、簇头节点和无线控制子节点，传感器模块连接簇头节点并安装在坡道转弯的路面和两侧，无线控制子节点连接设置在道路两侧的交通提醒设备，无线收发汇聚节点连接远程控制计算机。交通提醒子系统包括基于有限状态自动机的控制电路、限速牌和高音喇叭。控制电路接收无线控制子节点的命令，控制限速牌和高音喇叭。本发明采用无线传感器网络为技术平台，主要完成对坡道转弯处车辆交通的自动监测控制提醒。

Description

基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统

技术领域

本发明涉及坡道转弯的交通提醒技术，涉及无线传感器网络的通信技术，具体地说是无线传感器网络在交通控制中的使用方法，以解决坡道转弯的交通控制和车辆调度问题。

背景技术

智能交通指挥系统是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术以及远程控制计算机处理技术相结合，使其有效地综合运用于交通运输的服务、控制和管理的大型系统。其目的是使统一调度行人和车辆，极大地提高综合交通运输效率，保障交通安全。

坡道转弯处的交通情况较为复杂，控制更加困难。并且坡道转弯是交通常见情形，盘山公路、大型停车场门口、风景区小区门口、地下车库入口等处都存在坡道转弯。坡道转弯的示意图如图2所示。由于受到视觉范围、坡度及拐角弯度的限制，坡道转弯处成为交通控制的一个难点，易造成交通堵塞和车辆挂擦等事故。与普通转弯路口相比，坡道转弯处的交通状况具有以下特点：第一，上坡行驶时，前导车可能会由于换档而下滑，因此跟驰车辆的司机保持与前导车的安全距离将会比在相同速度条件下直线上行驶的安全距离大；并且跟驰车辆对前导车的加速反应迟缓，对前导车的减速反应灵敏；第二，下坡行驶时，前导车一般情况下，坡上的速度小于坡下的速度，会加速，不会突然减速；因此跟驰车紧随前导车的速度变化改变车速，比在一般情况下更灵敏，坡度对司机的跟驰起正刺激作用；第三，当道路上车辆较少时，车辆容易发生行驶过快的情况，在转弯处，由于拐角弯度的限制，易造成越界并与相向而行的车辆发生冲突等危险；第四，当道路上车辆较多时，由于拐角处司机视觉所限，如果前导车在转弯处突然减速，跟驰车辆的司机没有足够的反应时间，易发生堵车和挂擦等交通事故；第五，在风景游览区和大型超市门口等地方，机动车、非机动车和行人混行，由于行驶速度上的差别及坡道转弯处对交通工具的影响，易因避让不及而发生碰撞事故。

如何利用有限的资源获得最优的控制效果，成为智能交通指挥系统研究的重点。其中环境和车辆的智能感知，系统对车辆的智能调度以及现代远程控制计算机技术的应用等方向，是目前研究的热点。早期的交通控制主要采用基于精确数学模型的方法，难以实现对交通的优化控制。希腊学者Pappis和英国学者Mamdani最早提出使用模糊控制方法实现交通信号智能控制，在一些复杂控制领域有良好的应用，但模糊建模或模糊规则的提取成为一个难点。随后各国学者都做了大量关于模糊控制的研究，提出了改进方案。但这些方案采用的模糊控制规则或者过于复杂，降低了系统的实时控制效果，或者对交通状况做了过多的简化，失去了模型的实用性。杨立才等人在此基础上将粗集理论与模糊集相结合，提出粗模糊建模的方法，此方法减少了从交警的经验中直接提取模糊规则的不足，较为客观，其思想值得借鉴，但其计算约减的复杂性随着测量数据的增多快速上升，无法达到准确控制的效果。

20世纪80年代初，波兰的Pawlak教授提出了Rough集理论，这是一种新型的处理模糊性和不精确性知识的数学工具。经过二十多年的研究和发展，Rough集理论已经在信息系统分析、人工智能、决策支持系统、知识与数据发现、模式识别与分类、故障检测等方面取得了较为成功的应用。目前，对Rough集理论的研究主要集中在其数学性质、Rough集的扩展模型、与其它不确定方法的关系和互补以及有效算法等方面。Rough集在有效算法方面的研究包括如何求等价类、上近似、下近似、正区域、约简和核等。由于约简是Rough集理论的核心内容之一，所以目前Rough集有效算法方面的研究主要集中在属性约简方面。

属性约简是指在保持信息系统的分类或决策能力不变的条件下，删除其中的冗余属性。Skowron提出的区分矩阵(discernibility matrix)为属性约简提供了很好的思路。该方法将信息系统中所有有关属性的区分信息都浓缩进一个矩阵中，通过区分矩阵可以很方便地得到信息系统中的属性核。由于区分矩阵直观明了，使核与约简等的计算较为简单，目前很多属性约简算法都是基于区分矩阵或在此基础上进行改进的。基于区分矩阵的约简算法的时间复杂度一般为O(|A|2|U|2)，其中|U|为论域U中个体的数目，|A|为属性个数。

目前的智能交通指挥系统侧重于对车流的宏观调度以进行整体道路交通疏导，很少涉及针对事故易发地段具体交通问题的检测、预报与控制。最近的文献中，杜军朝针对城市十字路口的交通问题，设计和实现了一个应用感知的无线传感器网络MAC协议App-MAC，用于城市十字路口交通目标检测，进行实时监测交通异常事件，并使用声音设备向司机和行人发出警告信息，避免城市十字路口紧急交通事故的发生。借鉴该方法，本发明研究坡道转弯这一交通问题的解决途径，设计与实现了基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统。虽然坡道转弯和十字路口交通问题都具有车辆转向控制等问题，但是十字路口的各个方向的道路平坦，不存在上下坡问题；而坡道转弯存在上坡和下坡控制以及视线受限等问题，交通控制更加复杂，这使得常规交通控制方法不能直接应用。需要针对坡道转弯这一特殊的交通情况，设计一种便于布置、实时感知、现场处理的交通指挥系统。

发明内容

本发明的目的针对坡道转弯这一特殊交通情形，提出一种成本低、易于部署、自组织、实时感知、现场处理的基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统。系统利用无线传感器网络设计和实现智能交通指挥系统，以解决坡道转弯处的交通控制问题，减少交通事故的发生，从而提高交通运输效率。避免了传统有线部署困难、系统成本高、需要人员照看的缺点。

本发明的目的是通过如下方式实现的：基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统，它包括基于无线传感器网络的感知子系统和基于有限状态自动机的交通提醒子系统两个部分，其中基于无线传感器网络的感知子系统包括无线传感器和无线传输模块；无线传输模块包括簇头节点、无线收发汇聚节点、无线控制子节点和远程控制计算机，无线传感器安装在坡道转弯的路面和两侧并连接簇头节点，无线控制子节点连接设置在道路两侧的提醒设备，无线收发汇聚节点通过串口连接远程控制计算机；交通提醒子系统包括利用基于有限状态自动机的控制电路和提醒设备的设置；无线传感器节点检测车辆信息，和簇头节点直接通信，把检测到的事件数据发送给簇头节点，簇头节点通过无线电的方式将数据发送给无线收发汇聚节点；远程控制计算机将决策信息通过串口发送给无线收发汇聚节点，无线收发汇聚节点将决策信息通过无线电的方式发送给无线控制子节点，无线控制子节点将决策信号输入交通提醒子系统，由交通提醒子系统发出提示或警告信息。

所述基于无线传感器网络的感知子系统中，所述无线传感器分别设置在坡道转弯内的上、下坡双向车道内，所述簇头节点设置在双向车道的分隔线上。为了从多角度准确获得车辆行驶信息，所述无线传感器采用多种类型的传感器节点，如压力传感器节点、红外传感器节点等，压力传感器节点部署在道路表面，红外传感器节点和图像传感器节点部署在道路的两侧，融合各类传感器节点获得的数据，能使数据更加准确，并且能减少监视死角。

所述交通提醒子系统中包括若干设置在坡道转弯路段的交通提醒点，具体可以是，第一下坡交通提醒点A_d1、第二下坡交通提醒点A_d2、第三下坡交通提醒点A_d3、第一上坡交通提醒点A_u1、第二上坡交通提醒点A_u2、第三上坡交通提醒点A_u3安装在弯道的两侧，第一下坡交通提醒点A_d1和第三上坡交通提醒点A_u3分别安装在坡上两侧，第三下坡交通提醒点A_d3和第一上坡交通提醒点A_u1分别安装在坡下两侧，第二下坡交通提醒点A_d2和第二上坡交通提醒点A_u2分别安装在两侧转角处，其中A_d1、A_d2、A_d3提醒上坡车辆，A_u1、A_u2、A_u3提醒下坡车辆。无线收发汇聚节点设置在拐角处，这样所有的传感器和无线收发汇聚节点之间，以及无线收发汇聚节点和交通提醒点之间进行无障碍数据传输，丢包率较低。

六个交通提醒点A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3分别负责下坡通道P_d1、P_d2、左侧上下通道交界、上坡通道P_u1、P_u2、右侧上下通道交界六处的提醒。当P_u2中的车辆越界进入P_d1时，传感器监测到这一事件，汇报给无线收发汇聚节点；无线收发汇聚节点向A_d1发出控制命令，由A_d1警告越界车辆返回自己通道。与此类似，P_d1中的车辆越界进入P_u2时，A_u3警告其返回；P_u1中的车辆越界进入P_d2时，A_d2警告其返回；P_d2中的车辆越界进入P_u1时，A_u1警告其返回。

本发明根据坡度转弯交通的实际情况，采用事件驱动机制设计系统，并结合需要设置提醒点的情况，将交通提醒子系统划分为八个状态{q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆，q₇，q₈}，它们由各交通提醒点A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3确定。Car_u1、Car_u2表示上坡汽车，Car_d1和Car_d2表示下坡汽车。各个状态的含义为：

q₁：初始状态，无车辆越界，A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3均不发指令；

q₂：第一上坡通道P_u1中的Car_u1拐弯时越过分隔线8，同时第一下坡通道P_d1中的Car_d1越过分隔线8，A_d1、A_d3、A_u1均不发指令，A_d2发指令提醒Car_u1返回，A_u2、A_u3发指令提醒Car_d1返回；

q₃：第二下坡通道P_d2中的Car_d2越过分隔线8，A_d1、A_d2、A_d3、A_u2、A_u3均不发指令，A_u1发指令提醒Car_d2返回；

q₄：第一下坡通道P_d1中的Car_d1和拐角处的Car_d2均越过分隔线8，A_d1、A_d2、A_d3、A_u2均不发指令，A_u1、A_u3发指令分别提醒Car_d1、Car_d2返回；

q₅：拐角处的Car_u1越过分隔线8，A_d1、A_d2、A_u1、A_u2、A_u3均不发指令，A_d3发指令提醒Car_u1返回；

q₆：拐角处的Car_u1和第一下坡通道P_a1中的Car_d1均越过分隔线8，A_d1、A_d2、A_u1均不发指令，A_d3发指令提醒Car_u1，A_u2、A_u3发指令提醒Car_u1返回；

q₇：第二上坡通道P_u2中的Car_u2越过分隔线8，A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3均不发指令，A_d1发指令提醒Car_u1返回；

q₈：第一上坡通道P_u1中的Car_u1和拐角处的Car_u2均越过分隔线8，A_u1、A_u3均不发指令，A_d1、A_d2、A_d3发指令分别提醒Car_u1，A_u2发指令分别提醒Car_u2返回。

用知识表达系统的形式表示基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统为S＝(U，A)，其中，U＝{q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆，q₇，q₈}，A＝{A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3}。设定0表示提醒点不发指令，1表示提醒点向下坡车辆发警告指令，2表示提醒点向上坡车辆发警告指令。

交通提醒点采用高音喇叭、信号灯和限速牌等多种方式，在不同情况下采用一种或多种提醒方式相结合。

在基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统中，系统任意时刻处于某一确定的状态，即高音喇叭提醒点警告或不警告。系统的某一状态决定了下一时刻的可能状态集，状态的转移条件成立时，系统转移到下一个状态。状态的转移条件与当前交通状态以及车辆所处的位置信息有关。在基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统运行过程中，系统的状态不断变化，但整个运行过程中出现的状态只有有限多个，是一个有限状态系统，可以采用有限状态自动机M＝(Q，∑，δ，q₀，F)来刻画坡道转弯的交通状况。上文已经给出系统的八个状态{q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆，q₇，q₈}，依据状态的含义确定q₁为初始状态，同时也是终止状态。设定在P_d1中行驶的车辆为Car_d1，P_d2中行驶的车辆为Car_d2，P_u1中行驶的车辆为Car_u1，P_u2中行驶的车辆为Car_u2。根据车辆位置信息，状态转移条件为{C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆，C₇，C₈}，具体含义为：

C₁：Car_d1越过分隔线8行驶；

C₂：Car_d2越过分隔线8行驶；

C₃：Car_u1越过分隔线8行驶；

C₄：Car_u2越过分隔线8行驶；

C₅：越过分隔线8的Car_d1返回自己的通道；

C₆：越过分隔线8的Car_d2返回自己的通道；

C₇：越过分隔线8的Car_u1返回自己的通道；

C₈：越过分隔线8的Car_u2返回自己的通道。

综合考虑系统状态、条件设置和实际交通状况，系统的状态转移函数δ定义如下：

δ(q₁，C₁)＝q₂，δ(q₁，C₂)＝q₃，δ(q₁，C₃)＝q₅，δ(q₁，C₄)＝q₇；

δ(q₂，C₂)＝q₄，δ(q₂，C₃)＝q₆，δ(q₂，C₅)＝q₁；

δ(q₃，C₁)＝q₄，δ(q₃，C₆)＝q₁；

δ(q₄，C₆)＝q₂，δ(q₄，C₅)＝q₃；

δ(q₅，C₁)＝q₆，δ(q₅，C₄)＝q₈，δ(q₅，C₇)＝q₁；

δ(q₆，C₇)＝q₂，δ(q₆，C₅)＝q₅；

δ(q₇，C₃)＝q₈，δ(q₇，C₈)＝q₁；

δ(q₈，C₈)＝q₅，δ(q₈，C₇)＝q₇。

基于无线传感器网络的感知系统根据系统的当前状态做出决策后，向系统控制系统发送控制信号来提醒司机或行人。根据系统的八个状态，我们以三位二进制数据为感知子系统的输出信号，用来控制提醒系统。设定0表示提醒点不发指令，1表示提醒点向下坡车辆发警告指令，2表示提醒点向上坡车辆发警告指令。

如图6，与基于无线传感器网络的感知系统的输出相对应，定义变量X₁、X₂、X₃作为提醒系统的输入，取值为000到111，从而控制系统的八个状态，即根据X₁、X₂、X₃的取值决定提醒点A_d1、A_d2、A_u1、A_u2的提示与否。具体控制方式如下：X₁X₂X₃＝000时，A_d1、A_d2、A_u1、A_u2不提示；X₁X₂X₃＝001时，A_d1、A_d2、A_u1不提示，A_u2提示；X₁X₂X₃＝010时，A_d1、A_d2、A_u2不提示，A_u1提示汽车Car_d2；X₁X₂X₃＝011时，A_d1、A_d2不提示，A_u1、A_u2提示汽车Car_d2、Car_d1；X₁X₂X₃＝100时，A_d1、A_u1、A_u2不提示，A_d2提示汽车Car_u1；X₁X₂X₃＝101时，A_d1、A_u1不提示，A_d2、A_u2分别提示汽车Car_u1、Car_d1；X₁X₂X₃＝110时，A_d2、A_u1、A_u2均不提示，A_d1提示汽车Car_u2；X₁X₂X₃＝111时，A_u1、A_u2不提示，A_d1、A_d2分别提示汽车Car_u2、Car_u1。

理论上，无线传感器节点部署的越多，采集的车辆信息就越详细，越能反映坡道转弯的交通状况。但是无线传感器节点部署的越多，不仅提高了系统的硬件部署代价，而且在节点汇报时的数据包冲突就越严重，数据传输延迟就越大，造成系统无法实时指挥交通，降低了系统的性能。反之，如果无线传感器节点部署的太少，会出现检测空洞，节点不能检测到所有交通异常事件，从而做出不完整或错误的决策。同样，如果提醒点设置越多，一些提醒点的功能相互重叠，系统部署硬件代价就越大。但是如果提醒点设置的太少，不能将所有提醒或警告信息反馈给司机或行人，系统的意义就大打折扣。所以我们要在系统代价和系统性能之间找到一个平衡点。

为了以最少的无线传感器节点和提醒点的部署代价获得最佳的效果，本发明采用基于粗糙集的知识约简方法，去除冗余节点和提醒点，获得具有最小的独立性的节点和提醒点集合，根据约简后的集合部署传感器节点和提醒点，最大程度的降低系统硬件代价，同时提高了系统的效率。约简后的提醒子系统中，包括四个交通提醒点：第一下坡提醒点A_d1、第三下坡提醒点A_d3、第一上坡提醒点A_u1和第三上坡提醒点A_u3，A_d1和A_u3分别安装在坡上两侧，A_d3和A_u1分别安装在坡下两侧，其中A_d1、A_d3提醒上坡车辆，A_u1、A_u3提醒下坡车辆，无线收发汇聚节点设置在拐角处。

本发明与常规交通指挥系统相比，具有以下优点：

1.便于布置，本发明充分考虑到坡道转弯的实际需要，无需大范围的布线，利用无线传感器网络自组网的特点，将传感器随机部署在检测区域，其自组成网，而且无需过多的人为管理；

2.实时感知、现场处理，本发明能实时采集车辆信息，并及时向司机或行人发出有效提醒或警告，无需将数据发往控制中心集中处理；

3.代价低，本发明的硬件部署之间，首先利用粗糙集理论的知识约简方法去除了冗余硬件设备，将系统代价降到了最低。同时，系统的交通提醒子系统采用了基于确定型有限状态自动机电路图设计，提高了系统的反应速度，同时进一步降低了硬件代价；

4.开放性好，采用模块化设计思想，为软件的功能扩充和完善提供了接口，方便了系统组件之间的软件重用；

5.网络的扩展性强，无线传感器节点采用竞争方式汇报事件，无论新节点还是原有节点在发送事件数据之前，首先向汇聚节点汇报事件，汇聚节点根据汇报事件的情况分配时隙，而不需要原有节点的信息；

6.传感器节点采集车辆信息时，采用了多种类型的传感器节点，通过不同的空间视角获得更大的信噪比，提高检测的精确度，减少监测盲区，提高了系统工作的可靠性。

本发明采用无线传感器网络技术增强了系统的可靠性，系统易于部署，采用传感器网络相比单个传感器来说，保证了检测数据的全面性和可靠性。采用了硬件设备冗余处理技术，降低了系统部署代价，提高了系统的效率。系统能够对车辆违规行驶信息自动监测，实时给出处理信息。

附图说明

图1为本发明的系统工作原理框架图

图2为坡道转弯结构示意图

图3为本发明实施例1无线传感器网络节点和提醒设备部署图

图4为本发明实施例2无线传感器网络节点和提醒设备部署图

图5为有限状态自动机状态转换图

图6为交通提醒子系统控制电路图

图7为无线传感器网络的通信模型图

图8为实施例1的知识表达系统

图9为实施例2的知识表达系统

图10为系统的状态和输出信号的对应关系

具体实施方式

下面结合附图做进一步说明。

实施例1

如图1和图7所示，基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统，它包括基于无线传感器网络的感知子系统和基于有限状态自动机的交通提醒子系统两个部分，其中基于无线传感器网络的感知子系统包括无线传感器6和无线传输模块；无线传输模块由簇头节点5、无线收发汇聚节点4、远程控制计算机2和无线收发控制子节点7组成，若干无线传感器6和一个簇头节点5形成一个簇9。交通提醒子系统包括利用有限状态自动机的状态转换图辅助设计控制电路和提醒设备。同一簇9的若干无线传感器6将检测的车辆信息，经过初步数据处理后，通过无线电的方式发送给簇头节点5，簇头节点5将各簇9的数据发送至无线收发汇聚节点4，无线收发汇聚节点4将无线传感器检测的数据通过连接串口传输给远程控制计算机2，由远程控制计算机完成数据的融合，并做出决策；远程控制计算机将决策信息通过串口发送给无线收发汇聚节点4，无线收发汇聚节点4将决策信息通过无线电的方式发送给无线控制子节点7，无线控制子节点7将决策信号输入交通提醒子系统，由交通提醒子系统发出提示或警告信息。其中基于无线传感器网络的感知子系统是核心部分，承担着车辆信息采集、数据融合、提醒决策信号产生。

如图7所示，基于无线传感器网络的感知子系统中，无线传感器6分别设置在坡道转弯内的上、下坡双向车道P_u1、P_u2、P_d1、P_d2内，簇头节点5设置双向车道的分隔线8上，无线收发汇聚节点4设置在坡道拐角处。为了从多角度准确获得车辆行驶信息，采用多种类型的传感器，如压力传感器、红外传感器等，压力传感器部署在道路表面，红外传感器和图像传感器部署在道路的两侧，融合各类传感器获得的数据，能使数据更加准确，并且能减少监视死角。

如图3所示，交通提醒子系统包括若干设置在坡道转弯路段的交通提醒点3A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3，第一下坡交通提醒点A_d1、第二下坡交通提醒点A_d2、第三下坡交通提醒点A_d3、第一上坡交通提醒点A_u1、第二上坡交通提醒点A_u2、第三上坡交通提醒点A_u3安装在弯道的两侧，第一下坡交通提醒点A_d1和第三上坡交通提醒点A_u3分别安装在坡上两侧，第三下坡交通提醒点A_d3和第一上坡交通提醒点A_u1分别安装在坡下两侧，第二下坡交通提醒点A_d2和第二上坡交通提醒点A_u2分别安装在两侧转角处，其中A_d1、A_d2、A_d3提醒上坡车辆，A_u1、A_u2、A_u3提醒下坡车辆。无线收发汇聚节点4设置在拐角处，这样所有的传感器6和无线收发汇聚节点4之间，以及无线收发汇聚节点4和交通提醒点之间进行无障碍数据传输，丢包率较低。

六个交通提醒点A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3分别负责下坡通道P_d1、P_d2、左侧上下通道交界、上坡通道P_u1、P_u2、右侧上下通道交界六处的提醒。当P_u2中的车辆越界进入P_d1时，传感器节点6监测到这一事件，汇报给簇头节点5，然后簇头节点5将数据传输给无线收发汇聚节点4；无线收发汇聚节点4将收到的数据通过串口传输给远程控制计算机2，远程控制计算机进行数据融合和计算，向A_d1发出控制命令，由A_d1警告越界车辆返回自己通道。与此类似，P_d1中的车辆越界进入P_u2时，A_u1警告其返回；P_u1中的车辆越界进入P_d2时，A_d2警告其返回；P_d2中的车辆越界进入P_u1时，A_u2警告其返回。

根据坡度转弯交通的实际情况，采用事件驱动机制设计系统，并结合需要设置提醒点的情况，将系统划分为八个状态{q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆，q₇，q₈}，它们由提醒点3(A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3)确定。各个状态的含义为：

q₁：初始状态，无车辆越界，A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3均不发指令；

q₂：第一上坡通道P_u1中的汽车Car_u1拐弯时越过分隔线8，同时第一下坡通道P_d1中的汽车Car_d1越过分隔线8，提醒点A_d1、A_d3、A_u1均不发指令，提醒点A_d2发指令提醒Car_u1返回，提醒点A_u2、A_u3发指令提醒Car_d1返回；

q₃：第二下坡通道P_d2中的汽车Car_d2越过分隔线8，提醒点A_d1、A_d2、A_d3、A_u2、A_u3均不发指令，A_u1发指令提醒汽车Car_d2返回；

q₄：第一下坡通道P_d1中的汽车Car_d1和拐角处的汽车Car_d2均越过分隔线8，提醒点A_d1、A_d2、A_d3、A_u2均不发指令，提醒点A_u1、A_u3发指令分别提醒汽车Car_d1、Car_d2返回；

q₅：拐角处的汽车Car_u1越过分隔线8，提醒点A_d1、A_d2、A_u1、A_u2、A_u3均不发指令，提醒点A_d3发指令提醒汽车Car_u1返回；

q₆：拐角处的汽车Car_u1和第一下坡通道P_d1中的汽车Car_d1均越过分隔线8，提醒点A_d1、A_d2、A_u1均不发指令，提醒点A_d3发指令提醒汽车Car_u1，提醒点A_u2、A_u3发指令提醒汽车Car_u1返回；

q₇：第二上坡通道P_u2中的汽车Car_u2越过分隔线8，提醒点A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3均不发指令，提醒点A_d1发指令提醒汽车Car_u1返回；

q₈：第一上坡通道P_u1中的汽车Car_u1和拐角处的汽车Car_u2均越过分隔线8，提醒点A_u1、A_u3均不发指令，提醒点A_d1、A_d2、A_d3发指令分别提醒汽车Car_u1，提醒点A_u2发指令分别提醒汽车Car_u2返回。

用知识表达系统的形式表示基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统为S＝(U，A)，其中，U＝{q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆，q₇，q₈}，A＝{A_d1，A_d2，A_d3，A_u1，A_u2，A_u3}。设定0表示提醒点不发指令，1表示提醒点向下坡车辆发警告指令，2表示提醒点向上坡车辆发警告指令。知识表达系统如图8所示。

在基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统中，系统任意时刻处于某一确定的状态，即提醒点提醒点警告或不警告。系统的某一状态决定了下一时刻的可能状态集，状态的转移条件成立时，系统转移到下一个状态。状态的转移条件与当前交通状态以及车辆所处的位置信息有关。在基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统运行过程中，系统的状态不断变化，但整个运行过程中出现的状态只有有限多个，是一个有限状态系统，可以采用有限状态自动机M＝(Q，∑，δ，q₀，F)来刻画坡道转弯的交通状况。上文已经给出系统的八个状态{q₁，q₂，q₃，q₄，q₅，q₆，q₇，q₈}，依据状态的含义确定q₁为初始状态，同时也是终止状态。设定在第一下坡通道P_d1中行驶的车辆为Car_d1，第二下坡通道P_d2中行驶的车辆为Car_d2，第一上坡通道P_u1中行驶的车辆为Car_u1，第二上坡通道P_u2中行驶的车辆为Car_u2。根据车辆位置信息，状态转移条件为{C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆，C₇，C₈}，具体含义为：

C₁：汽车Car_d1越过分隔线8行驶；

C₂：汽车Car_d2越过分隔线8行驶；

C₃：汽车Car_u1越过分隔线8行驶；

C₄：汽车Car_u2越过分隔线8行驶；

C₅：越过分隔线8的汽车Car_d1返回自己的通道；

C₆：越过分隔线8的汽车Car_d2返回自己的通道；

C₇：越过分隔线8的汽车Car_u1返回自己的通道；

C₈：越过分隔线8的汽车Car_u2返回自己的通道。

综合考虑系统状态、条件设置和实际交通状况，系统的状态转移函数δ定义如下：

δ(q₁，C₁)＝q₂，δ(q₁，C₂)＝q₃，δ(q₁，C₃)＝q₅，δ(q₁，C₄)＝q₇；

δ(q₂，C₂)＝q₄，δ(q₂，C₃)＝q₆，δ(q₂，C₅)＝q₁；

δ(q₃，C₁)＝q₄，δ(q₃，C₆)＝q₁；

δ(q₄，C₆)＝q₂，δ(q₄，C₅)＝q₃；

δ(q₅，C₁)＝q₆，δ(q₅，C₄)＝q₈，δ(q₅，C₇)＝q₁；

δ(q₆，C₇)＝q₂，δ(q₆，C₅)＝q₅；

δ(q₇，C₃)＝q₈，δ(q₇，C₈)＝q₁；

δ(q₈，C₈)＝q₅，δ(q₈，C₇)＝q₇。

有限状态机的图形表示更能直观的反映状态之间的变化，系统状态转换图如图5所示，其中的气球形圆圈代表状态，连接圆圈的箭头线代表转移，箭头线上的标注代表事件。

基于无线传感器网络的感知系统根据系统的当前状态做出决策后，向系统控制系统发送控制信号来提醒司机或行人。根据系统的八个状态，我们采用三位二进制数据作为感知系统的输出信号，用来控制提醒系统。系统的状态和输出信号的对应关系如图10。设定0表示提醒点不发指令，1表示提醒点向下坡车辆发警告指令，2表示提醒点向上坡车辆发警告指令。

基于无线传感器网络的感知系统根据系统的当前状态做出决策后，向提醒系统发送控制信号。根据系统的状态，我们采用三位二进制数据作为感知系统的输出，用来控制提醒系统。

与基于无线传感器网络的感知系统的输出相对应，定义变量X₁、X₂、X₃作为提醒子系统的输入信号10，取值为000到111，从而控制系统的八个状态，即根据X₁、X₂、X₃的取值决定提醒点3(A_d1、A_d2、A_u1、A_u2)的提示与否。具体控制方式如下：X₁X₂X₃＝000时，提醒点A_d1、A_d2、A_u1、A_u2不提示；X₁X₂X₃＝001时，提醒点A_d1、A_d2、A_u1不提示，提醒点A_u2提示汽车A_d1；X₁X₂X₃＝010时，提醒点A_d1、A_d2、A_u2不提示，提醒点A_u1提示汽车Car_d2；X₁X₂X₃＝011时，提醒点A_d1、A_d2不提示，提醒点A_u1、A_u2分别提示汽车Car_d2、Car_d1；X₁X₂X₃＝100时，提醒点A_d1、A_u1、A_u2不提示，提醒点A_d2提示汽车Car_u1；X₁X₂X₃＝101时，提醒点A_d1、A_u1不提示，提醒点A_d2、A_u2分别提示汽车Car_u1、Car_d1；X₁X₂X₃＝110时，提醒点A_d2、A_u1、A_u2均不提示，提醒点A_d1提示汽车Car_u2；X₁X₂X₃＝111时，提醒点A_u1、A_u2不提示，提醒点A_d1、A_d2分别提示汽车Car_u2、Car_u1。

根据上述对提醒点3(A_d1、A_d2、A_u1、A_u2)的控制机制，以X₁、X₂、X₃作为输入信号10设计的提醒点控制电路图，如图6所示。

在实施基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统时，首先是系统的硬件部署，将无线传感器节点和提醒设备按图3的要求部署，然后启动基于无线传感器网络的坡道转弯提醒系统，即开启所有的无线传感器节点和提醒系统电路。系统启动后，系统会依次经过初始化，簇结构形成，通信模型建立，如图7所示。最后系统进入交通实时监控状态，监控整个坡道转弯的交通。各个过程的内容为：

初始化阶段：所有传感器节点初始化自身变量，获取自身的编号，电压值，传感器板型号等，为簇的建立做准备。

簇结构形成阶段：传感器节点做好初始化工作后，向全网广播自己的编号，能量值，传感器板信号等信息，根据最基本的分簇路由协议LEACH(low energy adaptive clusteringhierarchy)建簇。

通信模型建立阶段：簇建立之后，簇内传感器6与簇头节点5直接通信，把检测到的事件数据先发送给簇头节点；簇头节点5和无线收发汇聚节点4通信，簇头节点5融合簇内传感器节点6的数据，然后发送给无线收发汇聚节点4。形成从传感器节点6到簇头节点5，再由簇头节点5到无线收发汇聚节点4的通信模型。

实时监控阶段：传感器节点在活动周期和不活动周期之间周期性变换。活动周期分为信标周期、竞争访问周期和非竞争访问周期。其中，在信标周期所有传感器节点处于监听状态，接收无线收发汇聚节点4的信标数据包，根据信标数据包的信息，决定自己是否活动竞争时隙或发送数据的权利，如果获得该权利，等待自己获得的时隙；否则，直接进入睡眠状态，节省能量。

检测到事件的传感器节点，首先向无线收发汇聚节点4汇报自己检测到的事件信息，竞争发送事件数据的时隙。一旦获得时隙，便在自己获得的时隙内向无线收发汇聚节点4发送事件数据。无线收发汇聚节点4根据系统当前所处状态以及所接收的事件信息，进行状态转移，并做出控制提醒系统的控制信号。

以上是基于无线传感器网络的感知子系统在各个阶段的实施情况。接下来介绍交通提醒子系统的实施过程。

提醒点装置采用高音喇叭和限速牌这两种设备，其中高音喇叭用来提醒进入坡道转弯的违规车辆，但车辆越过分隔线进入对方通道行驶时，高音喇叭会警告越界司机返回自己的通道。如图2所示，车辆Car_u3违规行驶，高音喇叭就会向其司机发出警告。车辆Car_d3，Car_d4也将接收到警告信息。

限速牌是用来提醒即将进入坡道弯道的车辆，系统会根据坡道弯道内的交通情况控制限速牌，给司机一个安全行驶的参考速度值。如果坡道弯道内的交通正常，车辆可以通行的速度就较大，即限速牌的值就较大；反之，如果坡道弯道内有车辆越分隔线行驶，车辆可以通行的速度就较小或暂时不能通行，限速牌的值就较小或以红色STOP显示不能通行。

本实施实例采用无线传感器网络作为技术平台，主要完成对坡道转弯处车辆信息的自动检测指挥报警。在应用中，在坡道转弯内部署一系列的传感器节点，传感器将检测的车辆信息，经过初步数据处理后，通过无线电的方式发送给无线收发汇聚节点，无线收发汇聚节点将传感器检测的数据通过mib520发送到远程控制计算机，由远程控制计算机完成数据的融合，并做出决策；远程控制计算机将决策信息通过mib520发送给无线收发汇聚节点，无线收发汇聚节点将决策信息通过无线电的方式发送给无线控制子节点，无线控制子节点将决策信号输入交通提醒子系统，由交通提醒子系统向司机或行人发出提示或警告信息，避免交通事故的发生或加剧。

实施例2

本实施例与上例的不同之处在于，交通提醒子系统中的交通提醒点布置不同。

如图4所示，提醒子系统中，包括四个交通提醒点3：第一下坡提醒点A_d1、第三下坡提醒点A_d3、第一上坡提醒点A_u1和第三上坡提醒点A_u3，A_d1和A_u3分别安装在坡上两侧，A_d3和A_u1分别安装在坡下两侧，其中A_d1、A_d3提醒上坡车辆，A_u1、A_u3提醒下坡车辆。本实施例减少了拐角处的第二下坡交通提醒点A_d2和第二上坡交通提醒点A_u2，但可以达到与原有硬件部署的提醒效果，从而降低了整个系统的代价。删除冗余属性A_d2、A_u2后，约简后的知识表达系统如图9所示。

Claims (10)

1.基于无线传感器网络的坡道转弯交通指挥系统，其特征是，它包括基于无线传感器网络的感知子系统和基于有限状态自动机的交通提醒子系统两个部分，其中基于无线传感器网络的感知子系统包括无线传感器和无线传输模块；无线传输模块包括簇头节点、无线收发汇聚节点、无线控制子节点和远程控制计算机，无线传感器安装在坡道转弯的路面和两侧并连接簇头节点，无线控制子节点连接设置在道路两侧的提醒设备，无线收发汇聚节点通过串口连接远程控制计算机；交通提醒子系统包括利用基于有限状态自动机的控制电路和提醒设备的设置；无线传感器节点检测车辆信息，和簇头节点直接通信，把检测到的事件数据发送给簇头节点，簇头节点通过无线电的方式将数据发送给无线收发汇聚节点；远程控制计算机将决策信息通过串口发送给无线收发汇聚节点，无线收发汇聚节点将决策信息通过无线电的方式发送给无线控制子节点，无线控制子节点将决策信号输入交通提醒子系统，由交通提醒子系统发出提示或警告信息。

2.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述无线传感器包括压力传感器节点、红外线传感器节点和图像传感器节点，压力传感器节点部署在道路表面，红外传感器节点和图像传感器节点部署在道路的两侧。

3.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述交通提醒子系统包括若干设置在坡道转弯路段的交通提醒点A_d1、A_d2、A_d3、A_u1、A_u2、A_u3，第一下坡交通提醒点A_d1和第三上坡交通提醒点A_u3分别安装在坡上坡道两侧，第三下坡交通提醒点A_d3和第一上坡交通提醒点A_u1分别安装在坡下坡道两侧，第二下坡交通提醒点A_d2和第二上坡交通提醒点A_u2分别安装在坡道两侧转角处，其中A_d1、A_d2、A_d3提醒上坡车辆，A_u1、A_u2、A_u3提醒下坡车辆。

4.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述交通提醒子系统包括若干设置在坡道转弯路段的交通提醒点A_d1、A_d3、A_u1、A_u3，第一下坡交通提醒点A_d1和第三上坡交通提醒点A_u3分别安装在坡上坡道两侧，第三下坡交通提醒点A_d3和第一上坡交通提醒点A_u1分别安装在坡下坡道两侧，其中A_d1、A_d3提醒上坡车辆，A_u1、A_u3提醒下坡车辆。

5.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述无线收发汇聚节点设置在坡道拐角处。

6.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述无线控制子节点设置在坡道道路两侧。

7.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述感知子系统的输出信号为三位二进制数据。

8.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述感知子系统执行下列步骤：

初始化：所有传感器初始化自身变量，获取自身的编号、电压值和传感器板型号，为簇的建立做准备；

簇结构形成：传感器做好初始化工作后，向全网广播自己的编号、能量值和传感器板信号信息，根据最基本的分簇路由协议LEACH建簇；

通信模型：簇建立之后，簇内传感器与簇头节点直接通信，把检测到的事件数据先发送给簇头节点；簇头节点和汇聚节点通信，簇头节点融合簇内节点的数据，然后发送给汇聚节点；

实时监控：传感器在活动周期和不活动周期之间周期性变换。

9.根据权利要求1所述的交通指挥系统，其特征在于：所述交通提醒子系统中的提醒装置采用高音喇叭和限速牌。

10.根据权利要求9所述的交通指挥系统，其特征在于：所述交通指挥系统根据坡道弯道内的交通情况，控制限速牌显示实时参考速度值。

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