基于物联网技术的郑州市智慧交通系统设计研究

孙喜梅，王震

（郑州科技学院，河南 郑州 450064）

引言

有着“新一线城市”的郑州市被当地人戏称为“堵城”，特别是近几年，机动车及常住人口数量不断增长，使得交通拥堵现象日益严重。

为了缓解交通拥堵，郑州市进行了大规模的智能化通建设，建立了交叉路口信号控制、卡口监控、视频监控、交通诱导等一系列智能交通系统。从2009年开始，郑州更是陆续修建了地铁线路和高架立交桥，开设了多条BRT营运线路，这些建设大幅度缓解了交通拥堵。然而，随着车辆保有量不断上升，在市区局部区域和部分路段仍存在拥堵情况。

经过分析，发现造成郑州市区路口拥堵的原因主要有以下两个：

（1）交通流复杂，出行者素质不高

郑州市是一个常住人口数量超过900万的中心城市，每天的出行人员众多，交通流复杂，有私家车、公交车、电动自行车、行人等。在上下班高峰，路口往往出现多方拥堵情况，大家各不相让，导致通行速度缓慢。非机动车占用机动车道，机动车驶入非机动车道，行人横穿马路等现象层出不穷。为了快速通过路口，一些素质不高的机动车、非机动车驾驶人互不相让，甚至当街对骂，使得道路拥堵情况加剧。

（2）基础设施建设不完善

近几年，郑州市不断加强道路设施建设，大的路口交通信号灯、电子警察等设备齐全，但是一些小的交叉路口还存在没有红绿灯的情况。另外，郑州路面建设存在不合理现象，很多地方的设计都没有考虑到可持续问题。比如说黄河路文化路的天桥，才刚建成5年，就因为地铁5号线的施工而被拆除。

1 智慧交通系统和车联网

1.1 智慧交通系统

近几年，物联网、大数据、云计算、移动互联网等信息技术相继出现，这些技术被不断的运用在各行各业中，也给了交通管理者启发，使得他们提出了新一代综合交通体系的概念——智慧交通。智慧交通与智能交通，都是信息技术、传感器技术、通信技术在交通运输领域进行应用的产物[1]。与智能交通相比，智慧交通融入了物联网[2]、云计算等高新IT技术来汇集交通信息，大量的使用了数据模型、数据挖掘等数据处理技术，为出行者提供出行信息服务，甚至能与人们进行人机互动，充分满足了现代人的个性化需求。

从本质上来说，智慧交通系统是在应用物联网、互联网、移动互联网等技术的基础上，把人、车、路、环境四者智能的连接起来。同时，综合运用云计算、大数据[3]、计算机视觉等技术对交通信息进行全面的处理分析，从而提高了系统对道路交通状态的感知能力，实现决策和控制的智慧型交通系统。

1.2 车联网

21世纪的今天，信息技术飞速发展，物联网和云计算作为信息技术新的高度和形态被提出、发展。其中，物联网更是信息化时代的重要发展阶段。物联网就是物物相连的互联网，是在互联网基础上发展的，用户端延伸和扩展到任何物品之间，来进行信息交换和通信的网络。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中。

物联网应用在智慧交通领域产生了汽车移动物联网（简称车联网）的概念。车联网是指利用车载电子、标准信息源、传感网络等技术实现车辆的信息采集。[4]同时，利用无线射频识别、专用短程通信（DSRC）、广域无线通信等技术来实现车辆的信息互联。最后，在网络平台上完成对车辆静态、动态信息的深度挖掘与综合利用，并根据不同的功能需要来实现车辆的综合信息服务及监管。总而言之，车联网就是通过人、车和道路基础设施进行联网和感知，从而实现车内网、车外网、车际网的无缝链接，给交通参与者提供智能管理和信息服务。

2 郑州市智慧交通系统的研究

2.1 智慧交通系统总体设计

郑州市的拥堵，主要体现在在交通流量大、无信号灯或者是信号灯故障的交叉路口。为了缓解这些路口的拥堵情况，可以在原有的智能交通系统基础上，将物联网技术与电子检测技术综合运用，建立一个人、车、交通信号设备联网感知的智慧交通系统。

该系统的设计基于车联网，包括通信网络、智能车载导航与车流诱导系统、交通信号控制系统、车辆监控系统以及服务管理中心。系统框架如图1所示：

图1 智慧交通系统框架

2.2 智慧交通系统子系统

通信网络是连接路侧设备、车载设备和应用系统的桥梁，它负责各个系统之间的数据传输。ZigBee[5]无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势，使其被广泛应用于智慧交通系统中。通过互联网和ZigBee技术的联合使用可以实现交通设备的网络一体化管理功能。基于此通信网络的智慧交通系统结构如图2所示。

图2 智慧交通系统结构图

智能车载导航[6]系统借助由地理信息系统和通信技术构建的数字化地图，运用其内部的 GPS定位技术进行车辆定位，在根据实时交通信息为车辆选定最优行驶路线。目前市场上的 GPS车载导航仪种类很多，具有的基本功能包括：GPS卫星导航定位、电子地图浏览查询、智能的路线规划、全程的语音提示。

智能车流诱导系统主要承担行车诱导功能，它可以为驾驶员提供实时的路线引导，避免迷路和错误驾驶，并降低交通事故率。还可以针对用户的出行目的地，向其提供最优的路线信息。交通诱导系统主要由信息探测采集、传输、汇总处理、诱导信息发布等方面组成。

车辆状态监控系统是采用高清 CCD摄像机，自动采集车辆信息并完成车牌的自动识别功能，并具有黑名单对比报警、黑名单更新及数据查询、统计等功能的智能化监控系统。该系统还可以根据时间段、车辆类型、车道方向进行交通流量统计，当车流量超出某一数值时，能够报警并将信息反馈到服务管理中心。

交通信号控制系统可以根据交通流大小，自动调节交通信号灯的配时方案，使停车次数和延误时间减至最小[7]。由于郑州市内路面交通情况复杂，交通流包括机动车和非机动车，因此，交通信号控制系统可以设置在一些机动车道和非机动车道完全分开的路段。同时，该系统还配备交通信号灯故障监控模块，能够有效的检测到路口各种不同类型信号灯存在的逻辑控制故障[8]和硬件损坏，并将结果反馈给服务管理中心。

服务管理中心可以实现交通控制管理及服务功能。管理中心设置专业的大型城市交通监控室、指挥室和服务台，监控室交替显示不同路口的实时交通情况，指挥室可以在接收到警报信号后通知附近的交通警察和交通协管到对应地点进行交通疏导，服务台主要为出行者提供出行服务，并能通过互联网、交通广播等形式发布交通拥堵信息。

3 系统建设难点

智慧交通系统的涉及面广，研究内容多。在实际的应用中，智慧交通有以下几个技术难点需要突破：

3.1 需要先进的检测、感知、识别技术及相应的车载设备

人与车的地理位置、身份信息需要通过射频识别、传感器等技术获取。这就需要研制与开发具有对应功能的设备。如车载电子装置、车辆自动驾驶技术等，而这些技术与设备的开发目前还处于起步阶段。

3.2 建立覆盖面广的信息网络

信息网络需要收集的信息很多，包括交通基础设施的状态，设计、施工，环境状况，交通流状态等信息。形成这样一个完整的信息网络，需要大量的设备和网络通信技术。

3.3 先进的交通管理调度系统

交通管理调度系统，应能实时监视、探测区域性交通流运动状态，快速收集各种交通流的运行数据，分析交通流运行特征，预测交通流的变化趋势，并据此制定出最佳应变措施和方案。这就需要建立如“车辆-道路自动化协作系统”、“车联网系统”。

4 结束语

针对郑州市交通拥堵情况，本文设计了基于物联网的智慧交通系统。该系统主要借助信息技术、电子技术、控制技术等，用于改善交叉路口通行能力，包括通信网络、智能车载导航系统、智能车流诱导系统、智能交通信号控制系统、车辆状态监控系统和服务管理中心。智慧交通系统能更好的把人、车、路三者连接起来，让出行者更方便的获得出行信息，管理者更精确的掌握路面信息。