智能交通系统中的传感器与网络技术

引用：,"Sensorandnetworktechnologyforintelligenttransportationsystems,"2012IEEEInternationalConferenceonElectro/InformationTechnology,Indianapolis,IN,2012,,doi:10.1109/

传感器、计算与无线通信技术的最新发展使得包括民用和军用传输系统、个人通信、医疗保健、工业自动化、智能电网与智能家居等众多领域中的大量新兴应用成为了可能。尽管汽车自问世以来的机械形象似乎未发生太大变化，但汽车行业目前正在自我改变，以适应信息技术革命。因此，GPS辅助导航系统、用于并行停车的驾驶辅助技术、自适应巡航控制与车道偏离警告等技术如今已并不少见。技术同样在电子收费、交通监控、事故预警系统等交通基础设施中发展。本文回顾了当前支持智能交通系统的技术，并探讨了无线传感器网络技术的潜力。此技术旨在降低成本与功耗，同时提高灵活性与服务效率。

过去一百年以来，汽车行业的革新使得我们的车辆更加强大、易于驾驶和控制、安全、节能且环保。然而，当考虑到多种因素时，私人车辆并不一定是个人城市交通中最经济或最有效的交通方式。考虑到个人出行时车辆的普遍使用，当今的车辆在设计方面缺乏灵活性，它们未按照统一规格制造，物理尺寸上占用了大量空间，并且在道路和停车位上占用了很大面积[1]。未来的技术进步将有望解决这些挑战，并制造具有高效电力驱动系统、与道路和道路基础设施上的其他车辆具有无线通信能力、拥有能提供更好的导航、燃油效率与安全性的信息技术且带有交通管理能力的车辆。

据美国国家公路安全交通管理局报告，2009年美国机动车事故导致超过33,000人死亡、约222万人受伤[2]。为了减少事故的发生，在政府和私营部门的支持下，大量研究与开发计划正在研究如何整合技术，以提高汽车的安全性。据报道，大多数的事故是由于驾驶员的错误而引起的。因此，能够帮助实现车辆操作自动化并使人脱离控制回路的技术有望能极大地帮助提高道路安全性。

为了提高安全性、燃油效率和道路的最佳利用率，车辆正在配备智能传感、计算和通信技术。长远的目标是制造无需人工监督的自动驾驶汽车。美国国防部特别对这方面表现出极大的兴趣，希望通过将人员撤离危险的军事区域来最大限度的减少人员伤亡。由美国国防部高级研究计划局（DARPA）牵头的大奖赛有助于加速户外地形和城市环境中自主导航技术的发展[3,4]。最终，军方成功部署了一批远程操作的半自动海、陆、空运输工具，并取得了成功。

在民用领域，一些研究型大学和公司也在投资用于自动驾驶的部署技术。在斯坦福大学和卡耐基梅隆大学的研究人员的帮助下，Google已成功部署了配有复杂传感器和强大计算资源的车辆，以实现自主导航。该传感器套件包括了激光扫描仪、雷达、摄像机、惯性导航系统、车轮编码器和GPS。人工智能算法将所有传感器生成的原始数据整合在一起，以生成一幅3D的环境地图。该地图包括了道路上的周围车辆、交通信号灯、试图过马路的行人等。控制软件负责对车辆在周遭交通中的安全导航进行实时决策。其知道道路上的速度限制，决定何时可以安全的变道，并且遵循GPS导航所给出的路线[5]。此外，还有其他一些类似的项目成功案例，比如意大利帕尔马大学开发的从意大利开往中国的自动驾驶汽车[6]、在柏林街头漫游的自动驾驶汽车[7]和中国的自动驾驶汽车[8]。

智能交通系统（ITS）是指通信、控制和信息处理技术在交通基础设施和车辆中的集成应用[9]。由此产生的好处可以拯救生命，节约时间、金钱、能源，保护了环境。ITS基于信息的收集、处理、整合和传播，同时以车载传感器、道路传感器、卫星数据、数字地图、交通信息以及天气状况等获得的静态和实时数据为基础。ITS的用户包括驾驶者、商业运营商和公共交通客户，他们靠它来根据交通状况、道路维护或建筑工作情况以及天气状况等可能影响出行时间与安全的因素来做出明智的出行决定。政策制定者和道路或高速公路运营商也将ITS的信息用于管理和规划道路网。

ITS的主要利好源于交通拥堵所带来的问题。由于人口增长、城市化、机动化程度的提高和人口密度的变化，交通拥堵问题在世界范围内日益严重[10]。交通拥堵降低了交通基础设施的效率，并增加了出行时间、燃料消耗与空气污染。德克萨斯AM大学德克萨斯交通研究所（TexasTransportationInstitute）在2010年发布的一份城市交通报告显示，由于交通拥堵，美国人在道路上花费了额外的48亿小时。这意味着额外的19亿加仑的燃料，并使得由于时间与燃料的浪费而造成的交通拥堵的总成本约为1150亿美元。这远超仅为出行而消耗的汽油。2010年，每个汽车通勤者平均每年因交通堵塞而浪费时间约为34小时，而1982年为14小时[11]。因此，政策制定者、政治家、公路和高速公路工程师、城市规划者和普通民众在减少交通拥堵以及相关的经济和环境成本方面都有着重大利害关系。

借助构成ITS基础设施的分布式传感技术，可以收集道路实时状况的信息，例如事故、交通后备、恶劣天气情况和交通建设情况等，并可以通过动态信息标志、公路咨询电台、公路广播、车载导航系统和智能手机应用程序等进行传播，向驾驶者发出警报。驾驶员会权衡交通信息，做出是否走一条特定路线，重新安排驾驶路线和时间，或者更改交通方式的明智决定。商业车队运营公司使用ITS中的信息进行车队管理，决定何时以及如何部署车队。ITS还提供有关公共交通系统的信息，如公共汽车和火车时刻表，途径站点表和票价等。

ITS技术还大大改善了高速公路的收费状况。自动收费系统利用具有RFID技术的转发器、车牌识别系统或条形码标签来识别车辆并收取通行费，而无需停车或减速慢行。这有助于消除或减少收费站沿线上的堵塞点。在已划定拥堵收费价格警戒线的城市中，当车辆进入拥堵的城区时，会使用电子收费系统收取特殊费用。许多高车流量系统还提供共乘车辆（HOV）车道。为了执法目的，不同的车载和外部的自动车辆占用计数系统也被开发了[15]。

造成城市街道拥堵和污染的主要因素之一是汽车在街区周围开车寻找停车位的问题。管理在公共街道和停车场的实时信息是ITS预期服务的重要组成部分。分布式的电子传感器网络可以监控停车车位的可用性，并向正在寻找停车位的驾驶员提供实时信息。例如，洛杉矶市最近部署了一个名为ExpressPark的试点项目，该项目结合了基于需求的定价原则和技术，可以引导驾驶员打开停车位并显示当前的停车费率[16]。收费标准根据当前可用的停车位数量、一天中的时间和司机的停留时间实时确定。更加先进的技术甚至可以提供在到达之前提前预留停车位的机制，从而最大程度地减少因在城市街区周围寻找停车位而造成的延误、挫败感以及汽车的损耗[12]。

ITS技术在事故预防和快速应急响应方面也起着至关重要的作用。当今已可用的汽车安全技术包括：防撞系统、车道偏离警告系统和疲劳驾驶警告系统[13]。在事故和紧急情况下，ITS技术有助于识别和促进对车祸或其他意外情况的快速反应。车载自动碰撞通知系统采用传感器来检测碰撞，并自动将事故和车辆位置通知给紧急呼叫中心。应急车辆抢占技术为应急车辆在红绿灯处提供通行权，为事故提供快速反应的可能。应急响应人员、警察和交通管理人员之间的实时数据共享可实现协调的交通管理和紧急行动。为了支持协作系统的开发并确保技术的互操作性，标准化工作正在进行当中[14]。

为了有效地实现ITS服务，必须部署道路和车载基础设施，以收集和传递有关交通流量和道路状况的及时、准确和可靠的信息。该系统包括传感器技术、通信技术和交通控制技术。车辆检测和监控技术构成了ITS的基础，其可以提供速度检测、交通量计数、存在性检测、车距识别、车辆分类和动态重量数据采集等功能。在本节中，我们将讨论当前可用的道路ITS基础设施技术[17,18]。

(a)道路内部传感器技术。车行道内传感器是指既可以嵌入道路的路面中，也可以嵌入道路的路基中，或者贴在/附着在道路的表面的传感器。道路内部传感器的示例如下所述：

i)当车辆的轮胎经过橡胶管时，气动道路管传感器会沿着橡胶管发送一股气压。压力脉冲会关闭由计数器检测的电气开关。道路管垂直于交通流向安装，通常用于短期交通计数、按车轴数量和间距进行交通分类，以便于规划和研究。收集到的数据还可以用于计算包括车辆间距、交叉口停车延误时间、停车标志延误时间、饱和流量大小和地点车速等参数与车辆类别之间的关系。

ii)感应回路检测器（ILD）通过物体中的感应电流来感应导电金属物体的存在。导线回路由频率在10KHz至50KHz及以上的电流激励。线圈中的磁场可以在通过线圈的金属物体中感应电流。感应电流继而减小了回路电感，其作为车辆检测装置的附加电子单元检测。从常规的ILD获得的数据包括了车辆是否通过、是否存在、数量的统计和占用率的情况。尽管感应回路无法测量速度，但可以使用双回路速度方法来确定速度。ILD是交通管理应用中最常用的传感器。

iii)磁传感器，其是一种通过检测物体在地球磁场中产生的扰动来指示金属物体存在的无源设备，两种类型的磁传感器可以用于交通流的管理。第一类是两轴和三轴磁通门磁力计，用于检测黑色金属车辆产生的地球磁场的垂直和水平分量的变化。这些传感器可以识别停止和正在行驶的车辆。第二类的磁传感器被称为感应或搜索线圈磁强计。它通常仅检测移动的车辆（速度大约5英里/小时），是通过由移动的黑色金属车辆引起的磁通量变化来进行检测的。

iv)压电传感器采用压电材料，当它们受到机械冲击或振动时，会产生电压。测得的电压与车辆的力或重量成正比。这些传感器用于通过轴数和轴的间距对车辆进行分类，并测量车辆的重量和速度（多个传感器复合使用）。

(b)道路上方传感器技术。这些传感器不需要直接安装在路面上、路面内或下方。道路上方传感器安装在道路中心或道路侧面。下面讨论了道路上方传感器的示例：

ii)微波雷达。雷达（无线电探测和测距）利用微波频谱（1GHz至30GHz）中的无线电波进行目标探测和距离与速度的测量。安装在路旁的微波雷达传感器通过头顶上的天线向道路的某个区域发射无线电波。当车辆通过天线波束时，一部分发射的能量被反射回天线。接收器中的检测系统可以据其计算车辆数据，如体积、速度、占用率、长度等。交通管理应用中使用两种类型的微波雷达传感器：连续波（CW）多普勒雷达和调频连续波（FMCW）雷达。连续波多普勒雷达可用于检测行驶中的车辆并确定其速度；但它们无法检测静止的物体。但是，调频连续波雷达能够检测到静止的物体。

iii)红外传感器。主动和被动红外（IR）传感器可应用于交通监控之中。有源红外传感器可以通过在0.85µm的近红外光谱中工作的激光二极管所提供的低功率红外能量来照亮探测区域。从经过的车辆反射的能量通过光学系统聚焦到对IR敏感的接收器单元上。通过使用两个或更多光束，激光雷达可以通过记录车辆进入每个光束检测区域的时间来测量车速。主动红外传感器可以提供车辆的交通信号、体积、速度、长度和队列测量的数据。被动红外传感器可以检测车辆、路面、视野内其他物体和大气中发射的能量，但不会自行发射能量。被动红外传感器可以测量车辆数量、体积，可以进行车道占用检测和队列检测。

iv)超声波传感器以高于人的可听到范围（介于25KHz和50KHz之间）的频率传输声能。大多数超声波传感器使用脉冲波形进行操作，通过检测反射波从发射器光束宽度定义的区域至到达传感器的时间，来测量到路面和车辆的距离。传感器提供车辆计数、存在情况和占用信息等数据。可以使用两个间距已知的传感器测量车速。也可以使用多普勒原理测量速度的超声传感器，但它们比脉冲型的传感器价格更为昂贵。

v)被动声阵列传感器的工作原理是使用二维阵列麦克风来检测车辆交通所产生的声能，这些声能来自每辆车内的各种声源以及车辆轮胎与道路的相互作用。信号处理算法可以在车辆通过检测区域时，识别出声能增加的情况，以此来生成和确认车辆的存在。为了使干扰达到最小，来自探测区域外部的声音会被衰减。这些传感器可以测量车辆是否通过、是否存在和具体的行驶速度。

除了上一节介绍的道路传感器技术以外，为了有效地实现最新的ITS服务，车辆还需要变得更智能，并提供自己的车载传感和通信技术。本节介绍当前可用的导航辅助、车道偏离警告、疲劳驾驶检测、盲点监视、自适应巡航控制、交通标志识别、碰撞避免和自动碰撞通知系统的技术。

(a)导航功能由一组车载传感器提供，这些传感器包括速度表、指南针、行进距离、时间、位置、距目的地的剩余距离与时间的指示器、驾驶员的转弯向导以及实时交通信息。全球定位系统（GPS）正在成为导航辅助的重要组成部分。它的运行基于卫星群，在地球上任何一个能够与四个或更多卫星保持视线畅通的地方都可以提供位置、速度和时间信息。最新的GPS导航辅助提供地图更新、实时交通信息、事故报告、延迟信息更新、行程和到达时间计算以及备用路线建议的功能。

(d)盲点监视器是一种车辆上带有警告系统的传感器，可在车辆侧面和后部检测进入盲区的其他车辆。其可以使用视觉和听觉信号来提供警告。摄像机和侧面的雷达传感器可用于监视盲区中的车辆或快要进入盲区的车辆。在较新的车辆技术中，例如InfinityM中的盲点干预系统，该系统能够采取预防措施，通过施加相反侧的制动来引导车辆停留在正确的车道上，从而避免碰撞[20]。

(e)自适应巡航控制（ACC）与传统巡航控制相似，它可以保持车辆的预设速度，但是ACC可以自动调整速度以保持安全的跟车距离。该技术使用前视雷达检测前方车辆的距离和速度。如果领先车辆减速或雷达检测到其他物体，则传感器会向发动机控制器发送信号以使车辆减速。然后，当道路畅通时，ACC将车辆重新加速至设定速度。新的ACC系统正在进一步增强，其加入了碰撞警告功能，当碰撞似乎迫在眉睫，需要立即采取行动时，其可以通过视觉和/或音频警报来警告驾驶员。

(f)交通标志识别是一种传感器和计算技术，其可使车辆识别道路上的交通标志，例如限速，转弯或交通信号。通常，该技术基于视觉传感器和实时图像处理操作[21]，用于检测和识别道路上的交通标志。这种驾驶员辅助系统帮助驾驶员显著提高驾驶安全性，并实现智能机器人自动驾驶车辆的自主操作。

(g)碰撞避免系统（CAS）代表着汽车制造商对汽车安全看法的转变。传统中，重点一直放在减轻碰撞中人员的伤害上，例如通过提供更坚固的车架，安全带和安全气囊。现在的重点已转移到了防撞系统上。CAS基于放置在汽车内的传感器系统来警告驾驶员且/或在必要时采取行动，以避免道路前方可能出现的紧急危险。它是上述其他安全系统的扩展，包括车道偏离警告、盲点监控和自适应巡航控制。例如，用于ACC的前视雷达可以感应到车辆是否与前方的另一车辆距离太近，并警告驾驶员或施加制动以避免碰撞。除了车载传感器和执行器外，还可以与周围区域其他车辆和道路基础设施的通信，包括实时交通和天气信息，以提高安全性并避免发生车辆事故。

(h)自动碰撞通知系统使用车载单元，如安全气囊的展开或其他传感器来检测碰撞迹象。当车辆的传感器检测到碰撞时，碰撞通知系统会自动与呼叫中心通信，并发送有关事故和车辆位置的信息。通用汽车提供的OnStar服务[22]最近向公众开放，就是此类服务的一个例子。除事故通知外，OnStar还提供导航辅助、远程诊断、路边帮助、免提呼叫、车载安全和被盗车辆追踪。OnStar服务依赖于CDMA移动语音和数据通信。

这是一个新兴的领域，车辆和路边单位通过形成分布式节点网络，利用无线电通信传递信息，从而进行高效协作的通信。这种基于无线电通信的系统可以在上述雷达和视觉解决方案的视线范围之外运行；因此，车辆和基础设施可以合作，以感知在扩展的空间和时间范围内的潜在危险情况[22]。互联车辆可以帮助智能交通系统建立潜在的基础设施，为提高安全性和舒适性提供各种应用服务。

采用车辆通信技术的普遍趋势是使用适合于移动车辆应用的无线局域网。即将到来的标准是对802.11标准的修订，目的是在车载环境中添加无线访问以支持ITS。增强功能包括在行驶的车辆之间以及车辆与路边基础设施之间，在5.9GHz的许可ITS频段内进行数据交换。其中一种特殊的技术是车辆自组织网络（VANET），通过移动汽车和可能的路边单元，形成节点来创建自组织移动网络。VANET支持多跳无线通信，以支持车辆对车辆，车辆对基础设施以及基础设施对车辆的通信。

由于部署支持VANET的路边单元的成本较高，各研究小组正在考虑低成本的互补技术。其中一个互补的解决方案以无线传感器网络（WSNs）为基础[23]。形成自组织无线传感器网络的节点通常基于低成本、低功耗、电池供电的传感、处理和通信技术。这些低功率节点通常可以使用一对AA电池运行数年，从而减少了维护开销。由于其低成本和低功耗的特性，大量路边WSNs可以被经济地部署，以支持车辆通信系统。

布线是安装道路内部和道路上方交通监控基础设施的主要成本组成部分之一。通过使用无线网络解决方案，可以大大降低安装和维护成本。此外，该系统将具有更大的灵活性，因为它可以轻松更换和升级传感器节点，并易于重新配置网络设置。以下是不同供应商目前已提供的，可用于ITS中的各种传感和监视应用的无线节点的示例：

(a)Nu-Metrics公司的Groundhog®G-8磁力计和道路天气传感器[18]。如图1a所示，这是一个独立的电池供电的无线传感器。它安装在人行道上，但不需要安装任何外部回路、管道或连接到基站的电源和通信线路。该传感器以2.45GHz的扩频频带无线传输数据至最远300英尺远的基站。基站可以由太阳能充电的电池供电。传感器提供有关车辆计数、速度、长度、车道占用率、每日和每年平均日行车量、路面温度环境监测、路面干湿状况以及化学指标等数据。轮询间隔从5分钟到120分钟不等。G-8可使用4个锂亚硫酰氯电池供电长达5年，具体取决于轮询间隔。

(b)SensysTMNetworks的VDS240无线传感器[24]（如图1b所示）是一种三轴磁力计，可测量地球磁场的x、y和z分量。它用于检测车辆的是否存在和移动情况。传感器安装在齐平的路面上，无需电源或通信电线。它可以与75到150英尺范围内的接入点设备进行通信。制造商称，该传感器使用超低功耗通信协议，可以使电池寿命长达10年。

(c)DustNetworksSmartMesh无线网状网络解决方案[25]（如图1c所示），能够可靠地收集停车位的实时状态（已占用、空闲或到期）。市政当局可以使用此信息来监视城市街道和停车场上的停车位，向驾驶员提供实时停车信息，最大程度地减少因驾驶员寻找停车位而造成的交通拥堵。智能停车解决方案的提供商Streetline[26]使用带有超低功耗节点的DustNetworksSmartMesh无线传感器网络解决方案，该节点可使用两节AA电池运行数年。它利用时间同步的mesh协议来提供网络的弹性、可靠性和可伸缩性。Streetline的解决方案从SmartMesh网络收集街道级别的数据，以提供基于Web的实时停车管理应用程序。这些应用程序可将驾车者引导至可用的停车位，在其停车收费计时到期时向他们发送短信，甚至当到期欠费时，可以直接扣车要求结清钱款。

图1：（a）Groundhog®G-8磁力计和道路天气传感器，（b）SensysTM无线传感器，（c）DustNetworksSmartMesh

本文介绍了引领智能交通系统实现的技术进步情况。研究表明，ITS在最大程度地利用道路、减少油耗、缓解拥堵和车辆交通对环境的影响等方面，提供了巨大的机遇与可能。用于车辆和道路基础设施部署的传统传感系统以及无线传感器联网技术当今已被尝试与探索。WSN解决方案具有超低功耗的传感和通信技术、更低的安装和维护成本、更大的灵活性、更好的适应性和可扩展性的网状网络以及更久的电池供电的年限等特性。我们预计ITS技术和车辆通信系统将得到进一步改进，并有望在未来几年中得到更大的应用。

本文由南京大学软件学院2020级硕士刘关迪翻译转述

本论文转述项目受到国家自然科学基金重点项目（项目号：61932012，61832009）支持。