基于蓝牙的道路行程时间检测设备设计及测试＊

刘星良 李孟晖 熊子瑜

（长安大学公路学院 西安710064）

0 引 言

路网行程时间是评价道路交通运行状态的重要参数，也是现代化道路交通管理与控制的基础。近年来，车载蓝牙设备的应用逐渐广泛，通过检测车载蓝牙信息可实现实时、精确及便捷地检测道路行程时间。因此，开发基于车载蓝牙信息的路网行程时间检测设备对于有效地获取路网行程时间具有重要意义，也是我国发展物联网，构造车路协同环境的重要组成部分。

通过在路段上下游或交叉口处设置路侧蓝牙信息检测单元，采集不含私人信息的蓝牙设备识别码（media access control，MAC），可获取路网行程时间。国外有学者研究了在国外道路交通环境中，蓝牙信息检测设备在检测距离的误差、检测频率、侦测范围与车速的关系、检测精度的提高及概率模型［1］等方面的内容，并对天线特性对于蓝牙检测器性能的影响进行分析，给出了蓝牙检测器的设置位置及天线设置方法［2］；国内学者对于蓝牙检测器的应用前景、数据传输性能及安全问题也有相关研究［3］，但依然属于起步阶段，需要进一步的发展。

通过对所开发的基于蓝牙信息的路网行程时间检测设备在理想环境和西安市南二环的实际道路环境中的测试，分析了设备的特性，为有效采集路网行程时间提供了依据及参考。

1 设备运行原理

蓝牙检测设备通过无线通信和串口，将各设备间相互连接。蓝牙模块检测到过往车辆的车载蓝牙信号并进行匹配，采集其MAC地址、设备类型和信号强度，通过串口上传至ARM单片机，单片机对信号进行处理并驱动蓝牙模块。所检测的信息通过串口上传信息至上位机，由上位机进行数据的显示、配时、存储及分析处理。设备整体运行原理见图1，所开发的设备见图2。

图1 硬件系统运行原理图Fig.1 The schematics of hardware system

2 蓝牙检测设备的场地测试及数据分析

2.1 漏检率影响因素分析

漏检率测试以单车搭载蓝牙设备为基础，选择某无车路段，将检测设备同录像设备置于路段中间外缘处。使试验车以不同的速度多次通过测试点，记录每次通过测试点时的设备侦测状况，计算不同车速下的平均漏检率，并分析漏检率与车速的关系。

图2 蓝牙行程时间检测设备Fig.2 Bluetooth based road travel time detection deveice

在忽略车体对信号的屏蔽情况下进行试验，漏检率普遍较高。为降低车体对信号的阻隔，试验人员持蓝牙设备，打开两侧车窗，测试20～80 km／h区间内各速度下的漏检率，共获取7组140条数据，漏检率－速度关系图见图3。由图3可见，漏检率与车速关系近似于凹形抛物线，在50和60 km／h的2种速度下达到最低。测试发现，车体对车载蓝牙设备的检测影响较大。

图3 漏检率－速度关系图Fig.3 The relationship between undetected rate and vehicle speed

2.2 设备初次检测位置分布规律分析

应用视频拍摄方式记录车辆的运行位置，拍摄时长为15 min，期间使试验车以30～60 km／h之间的随机速度往返通过测试点。通过视频信息和采集的蓝牙信息读取时刻相对比，记录车辆所处的位置见图4。由图4可见，大部分车辆将会在道路中线以前检测到，因此建议将定向天线设置在所检测方向的中线前方区域。

图4 初次检测到的车辆分布位置图Fig.4 The distribution of first－detected location

3 实地测试及设备可靠性分析

为获取国内道路交通流中蓝牙设备的采样率及其交通运行特征，选取西安市南二环西安科技大学人行天桥至文艺路南口人行天桥间自西向东长度为600 m的路段进行实地测试。测试时间为2013年6月1日（周六）17：05～18：05时。所选取测试路段为北侧路段，测试过程中全程录像，以获取全样本信息，测试路段见图5。

实验共取得匹配数据80组，去除不可靠数据（明显大于时段内平均通行时间）5组，共得到75组匹配数据，通过起终点的时刻计算实地测试路段的时长，计算其平均值，得到路网平均通行时间，见表1。通过观测到视频信息可获取测试过程中共通过车辆3 826辆，采样率为2.1%，与国外采样率类似［4］。由表1可见，路段行程时间随时间推移而不断增加，数据的整体走势与晚高峰时期的交通特征相符。为进一步确定设备的可靠性，和视频采集的全样本数据进行比较分析。

图5 实地测试路段卫星图Fig.5 The satellite map of the section of real－road test

通过视频全样本数据分析可知，交通量在晚高峰时期呈明显的上升趋势，对应的出行时间不断增长，与设备数据所呈现的趋势一致。视频采集而得的平均通行时间为2 min 12 s，与设备数据统计而得的2 min 18 s相差6 s。可见，在交通特性明显的情况下，设备拥有一定的准确性与可靠性。

表1 蓝牙设备检测数据Tab.1 The data of Bluetooth device

通过实地测试、计算得到误差率为4.5%；在实地测试中将误差率稳定在此水平是可以接受的［5］，证明设备具有应用推广的条件。此外，在车流量较高的情况下，在60 min内可以实现80组以上的配对数目，且车载蓝牙设备的应用将会愈加广泛，检测数会进一步提高。虽然误差稳定在较小的范围之内，但数据的离散度仍然较高，以视频统计时间差和设备实测时间差为依托制作盒型图，观测数据的均值及离散程度，见图6。

图6 均值及离散度盒形图Fig.6 The boxplot of dispersion and mean

盒形图中央黑色部分为均值大小，可见视频数据与设备数据所得均值相近，但盒型图覆盖面积较大，所以数据离散度较高，那么设备数据是否可靠，则需要进一步的验证。以视频采集数据为标准数据，以设备采集数据为判别数据，假设未知2组数据的总体及分布，设2组数据均值相等，来自于同一总体，且符合相同分布；分别对2组数据进行2个独立样本的t检验、曼－惠特尼U检验和W－W检验，以验证2组数据是否来自同一总体，是否能够接受均值相等，以及2组数据是否符合相同的分布规律。检验均采用90%的置信区间［6］，表2～4分别为为各项检验的结果数据。

表2 t检验结果分析表Tab.2 The analysis table of t－tests result

由表2可见，方差项中的显著性水平为0.703，大于0.1（置信区间取值为0.9），所以无法由方差项否定原假设，且双侧显著性水平0.031＜0.1，那么原假设成立，即2组数据拥有相等的均值，且来自于同一总体。由表3、表4可见，曼－惠特尼U检验中双侧显著性水平为0.081＜0.1，W－W检验中双侧显著性水平为0.012＜0.1，所以原假设成立，即2组时间数据符合相同的分布规律。所以，设备采集的数据不论从数据量、均值、方差或者分布等方面来看，均具有较高可靠度，可应用于实际分析之中，而设备的实际应用性也得到了证明。

表3 曼－惠特尼U检验结果分析表Tab.3 The analysis table of Mann－Whitney U test｀s result

表4 W－W检验结果分析表Tab.4 The analysis table of W－W tests result

4 结束语

通过场地测试，得出了蓝牙检测设备漏检率与速度的关系，证明在无干扰的情况下，漏检率与速度的关系曲线呈凹形抛物线状；同时分析了检测位置的分布规律。初步验证了设备用于实地测试的可行性。通过对实地测试结果进行详细的分析，探索了实际交通状况下平均车速与检测数及配对数的关系，通过建立统计学模型与深入研究数据间的相关关系，确定了设备所检测而得平均通行时间的可靠度，进一步证明了设备的可靠性及实用性。

基于蓝牙的路网行程时间检测器的相关研究在设备精度方面仍有不足。由场地测试和实地测试可知，降低漏检率对于提高检测精度和效率都具有十分重要的意义。而解决设备漏检率问题应着重研究如何增加蓝牙模块的搜索信号强度和功率。

［1］ Bakula C，Schneider W，Roth J.Probabilistic model based on the effective range and vehicle speed to determine bluetooth MAC address matches from roadside traffic monitoring［J］.Journal of Transportation Engineering，2012，138（1）：43－49.

［2］ Porter J，Kim D S，Magana M E，et al.Arriaga antenna characterization for Bluetooth－based travel time data collection［J］.Journal of Intelligent Transportation Systems，2012，17（2）：142－151.

［3］ 金茂菁.我国智能交通系统技术发展现状及展望［J］.交通信息与安全，2012，30（5）：1－5.

［4］ Sydanheimo L，Keskilammi M.Performance issues on the wireless 2.4 GHz ISM band in a multisystem environment［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2002，48（3）：638－643.

［5］ Hager C T，Midkiff S F.An analysis of Bluetooth security vulnerabilities［C］∥2003 IEEE Wireless Communications and Networking.Los Angeles：IEEE Wireless Communications and Networking，2003，1823：1825－1831.

［6］ Brennan T，Ernst J，Day C.Influence of vertical sensor placement on data collection efficiency from bluetooth MAC address collection devices［J］.Journal of Transportation Engineering，2010，136（12）：1104－1109.