基于物联网技术的道路交叉口研究

张 勇

陆军军事交通学院学员五大队研究生队，天津 300161

物联网（Internet Of Things,IOT）是指通过信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，进行信息交互和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。物联网技术的发展建立在互联网基础之上，实现的是物与物、物与人、人与人的全面互联。物联网的体系架构可分为三层：感知层、网络层和应用层。本文所用的感知层技术为RFID系统，主要是对车流量的信息采集、车辆监控；网络层主要是通过有线电缆和一些路由设备将系统采集到的信息准确无误地传至区域数据中心；应用层主要是对数据的分析、处理、挖掘和存储等，可以开发相应的应用程序供道路参与者使用，实现智能化。

本文主要研究基于物联网技术的道路交叉口，充分发挥物联网技术智能感知、物物相联的优势，根据一天内交叉口的交通特性，采取灵活有效的控制，采用交叉口自适应控制、交通感应、行人请求和路网区域协调控制相结合的策略，追求交叉口平时通行能力最大，高峰时段拥挤度最小，真正实现道路交叉口的智能控制。

1 道路交叉路口运行现状

近几年来，随着国家经济的发展和工业基础的不断发展壮大，人民生活水平有了显著提高，出行更加方便，小汽车的保有量呈逐年递增态势。道路交通量急剧增加，许多交叉口由于设计不合理、交通设施不齐全、渠化不合理、组织不严密，交叉口内部交通流混乱，无法满足车辆的正常通行，交叉口拥挤现象严重，高峰时期极易发生堵车，浪费出行者的时间。并且交叉口位于各条路段的连接处，交叉口一旦发生拥堵，会形成连锁反应，影响道路交通，更为严重的是影响局部交通网，导致路网瘫痪。目前已有交通部门对本地的交叉口进行优化设计，并且取得了良好的效果，在一定程度上缓解了路口的交通压力，降低了交叉口的内部冲突，提高了交叉口的通行能力。当前，很多交叉口设计不合理，交通相关部门对此重视程度不够，交通设施不完善，交叉口的实际通行能力并不能满足现有交通量。因此，对交叉口进行现状调查并且提出相关优化建议，具有迫切的现实意义。

道路交叉口运行情况主要是通过摄像头监控、图像分析以及视频记录监测路口的状况，对交叉口进行管理。但这种方式无法做到自动、实时监控，不能得到通过该路口车辆的详细信息，并且交叉口视频监控系统容易受到天气气候的影响，在恶劣环境下系统不能很好地工作。目前道路交叉口信号灯都采用固定的信号灯配时，有些时段有些交叉口的一个方向车流量特别大，排队现象严重，而另一方向车流量少，这种固定式的信号灯配时很难适应一天内不同方向车流量的不同需求，难以发挥道路交叉口最大通行能力，造成资源的极大浪费。

2 道路交叉口系统组成

2.1 车辆信息采集系统

车辆信息采集系统采用远距离无线射频识别技术，即RFID系统。基于RFID技术的道路交叉口系统由射频识别部分、数据传输部分和控制三部分组成。其中，射频识别部分由车载标签、阅读器和天线组成；数据传输部分主要包括路由设备和电缆；控制部分由数据管理计算机终端和服务器组成。

车辆信息采集系统选型主要是通过RFID远距离识别系统收集数据，系统主要包括车载标签、阅读器和天线。车载标签，综合考虑电子标签的能量供应方式、读写技术、频率、内存容量、标签外形、识别距离等技术参数，结合我国道路交叉口环境条件，采用抗金属无源电子标签，并将该电子标签嵌入到车辆号牌上，车载标签就相当于该车辆的ID号。阅读器，根据阅读器的天线、使用频率、阅读器形式、输出功率和输出端口等技术参数，结合交叉口实际情况，本系统阅读器采用远距离一体化固定式阅读器，每个交叉口方向设置两个相对独立的阅读器。

2.2 道路交叉口控制模型与算法

车流量统计。当车载标签进入RFID读写器的读写范围后，读写器可快速识别车辆信息并把车辆相关信息传输至数据中心，根据交叉口读写器分布位置，可统计出每个交叉口右转、左转以及直行的车辆数，汇总后得出每个时段的车流量，并将这些数据存至数据中心。控制中心可以根据得到的最新车流量数据，分析交叉口拥堵情况，并通过交通广播播报路口通行情况，告知车主选择合适的行驶路线，避开拥堵交叉口，缓解交叉口拥堵情况，发挥城市道路交通的最大优势。

车辆监控。通过RFID系统采集到的一些数据，并通过网络传输传到后台计算机，进行数据的处理和管理，从数据中获取重要信息，通过设计一些先进的算法，对道路交叉口的车辆进行动态实时监控。根据数据分析和算法描述，可判断车辆在道路交叉口的行驶方向，进而判断车辆是否有闯红灯、逆行、超速、违规停车等违章行为，实现道路交叉口的智能化管理。根据存入到车载标签中的信息，若发现有车辆违章行为，系统可以立即向车主发送实时信息，提醒司机遵规守纪。根据系统连接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息，提供给车主合理的行驶路线，以实现均衡道路交通负荷的主动控制策略。

2.3 优化控制信号灯调整交通流

利用机器学习对信号灯配时方案不断优化。根据已采集到的交叉口各个时段的车流量，后台计算机进行大数据分析和挖掘，自动生成一周内的一天中的一个特定时段的交叉口信号灯配时方案，通过分析历史数据，再结合时空概念，自动对交通信号灯进行调节。结合人工智能技术，利用已经采集到的历史数据，结合时间，利用机器不断学习，使交叉口信号灯配时方案不断优化和调整。

利用云计算模型对区域交叉口进行协调控制。云计算具有很好的伸缩性和扩展性、自我容错能力、弹性计算、快速部署和处理等特性，对智能交通系统的建设具有很好的指导作用。因此，智能交通系统有必要构建自己的“云”系统。云计算是高效率地处理海量数据的一种计算模型，在云架构平台上将RFID系统采集到的大量数据进行分析、处理、挖掘、存储，并进行实时发布，实时服务于交通出行者和交通管理部门，保证城市道路高效有序运行。搭建Hapoo云计算平台，利用平台进行遗传算法的并行化，以此自动生成交叉口信号灯配时优化方案。将区域内各个交叉口采集的数据传至后台数据中心，后台数据中心对一天内各个道路交叉口的数据联机处理，并利用云计算模型，对区域内的道路交叉口实现联动控制，达到区域内全局最优，从而极大地利用交通资源，极大地提高道路通行能力。

3 道路交叉口系统需要解决的问题

3.1 RFID标签标准化问题

RFID技术在交通领域的使用与推广，一方面要考虑技术的先进性和适应性，另一方面要考虑统筹技术的成本和应用推广的可行性，从技术先进性、适应性、安全性和实用性等方面确定交通领域RFID电子标签的适用频段，并制定RFID相关标准和使用指南，推动RFID技术在交通领域的有序推广。使用电子标签的频段，标准研究和芯片研发，加快研发拥有我国自主知识产权的芯片，并在芯片的编码方式、防冲突和碰撞机制以及指令集等部分实现创新。

考虑到不同频段RFID技术工作原理的不同，为使电子标签被有效识别，多种标签能互不干扰地作用于同一微波现场，因此必须开展异频异构RFID一体化接入技术的研究，研制RFID通用读取设备。

考虑到现在我国车型众多，不同的车型技术性能参数不同，因此必须统一RFID电子标签在不同车型上的安装位置和方法，实现标识设备的的快速安装、自动检测和修复，保证装有RFID电子标签的每辆车能够被快速识别。

为使RFID技术在智能交通领域更好地推广，国家和地方应该尽快出台配套的法规制度，强制每辆车使用电子标签，电子标签大规模应用推广，并在车检、执法、保险等方面加强电子标签的执法监督。

3.2 RFID信息安全

由于RFID技术是一种采用射频信号在空间耦合方式下进行非接触式的信息交互技术，系统通信容易被监听，加密能力弱，其标签内用户信息容易被识别和非法跟踪，因此必须研究数据认证和加密技术，以保护用户权限和系统安全。RFID大部分应用仅限于身份识别层次，尚未形成“感知、互联、处理”特征的物联网应用。

基于物联网技术的信号灯配时研究，最基础的问题是对车流量数据的采集，利用RFID远距离射频识别系统不仅可以采集到一些基础数据，而且对构成智能交通的基础设施建设有很大的推动作用。真正实现智能交通，需要人、车、路、设备的协同，物联网技术能实现智能感知，对实现智能交通有很大的意义和帮助。

3.3 信号灯配时

本文信号灯配时采用大数据分析、处理、挖掘自动生成信号灯配时方案，利用人工智能机器学习技术对信号灯配时方案不断调整优化，并结合云计算模型对区域内的道路交叉口信号灯配时做出调整，使之联动处理，达到区域内协调一致，整体联动，充分发挥道路通行能力。但是由于道路交叉口复杂因素众多，对信号灯配时不仅要考虑车流量，而且要结合道路交叉口区划特性以及行人过街等心理因素，而本文在这一方面研究少，仅是从车流量角度对信号灯配时做出研究，构建一定的模型，下一步，结合影响道路交叉口的各种因素做出具体分析，并进行量化处理，使之更符合实际情况。

4 结语

本文对基于物联网技术的道路交叉口系统做了简单的研究，若将此项技术成功运用于现实情况，还需对该系统不断调整优化，例如，找出车辆在交叉口闯红灯、逆行、超速等违规行为的算法、云平台的构建等，还需要解决一系列的问题。目前物联网技术中的RFID远距离识别系统已经成功运用于高速公路不停车收费（ETC）系统、停车场、车辆检测等交通领域，将物联网技术用于道路交叉口信号灯配时方面，将这些领域无缝整合为统一的管理信息平台，实现车辆、行人、道路的协同发展，提高道路交叉口通行能力，缓解城市拥堵问题。构建智能交通云，达到资源优化共享，实时向交通参与者发布一些交通路况信息，并将区域内的交通资源整合，基于智能交通云开发关于交通领域的应用软件，如城市停车、道路路况等信息，从而真正实现智能交通。