車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)

車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)使用說明書1.車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)隨著現(xiàn)代社會人民生活水平的提高，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通擁擠、道路阻塞頻繁發(fā)生，為了阻止交通擁堵現(xiàn)象的進(jìn)一步惡化，各國政府啟動智能交通計劃。智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵在于交通信息的采集，開發(fā)成本低、可大量布設(shè)到各個路口的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車流量監(jiān)控系統(tǒng)，通過控制交叉口合適的信號參數(shù)，使不同方向的車流在時間上隔離，控制車流的運行秩序，實現(xiàn)交叉口車輛運行的安全、有序，是解決交通擁擠的一種基本手段。2．車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)編寫背景、目的及意義2.1編寫背景在汽車內(nèi)安裝無線通信模塊，使汽車通過自身安裝的傳感器節(jié)點或道路基礎(chǔ)設(shè)施上安裝的無線傳感器節(jié)點感知行駛途中的各種信息，已經(jīng)成為提高行駛安全和城市的交通性能的一種重要手段。[1]大量的車輛傳感器節(jié)點通過車上以及道路基礎(chǔ)設(shè)施上安裝的無線通信設(shè)備，可構(gòu)成車載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2],通過車輛之間的中繼傳輸?shù)玫饺娴某鞘薪煌ㄐ畔?。車載無線網(wǎng)絡(luò)可以讓行駛者或交管部門得到車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)和城市的交通數(shù)據(jù)。車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)包括行駛時的各種內(nèi)在狀態(tài)、比如位置或快慢等；交通數(shù)據(jù)包括交通流量或路面狀況等。除了車上安裝的傳感裝置外，駕駛員也可以通過對道路和交通的觀察，獲知復(fù)雜事件，如發(fā)生的交通事故、比較危險的路段等即時事件。世界各國的研究機(jī)構(gòu)在近年來對車載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)關(guān)注，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)1999年在5.9GHz的頻譜上為智能交通通信分配了75MHz的帶寬[3]，并制定了DSRC協(xié)議。這個75MHz的頻帶包括了7個10MHz的信道，另外還提供了1個信道用于傳遞控制信息和6個信道傳遞服務(wù)信息。DSRC協(xié)議是一個不及歐美等一些發(fā)達(dá)國家。為了提高交通現(xiàn)代化水平，滿足人們生活和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，構(gòu)建一個更為和諧、安全、穩(wěn)定的交通環(huán)境，就迫切需要發(fā)展和完善ITS。ITS將各自獨立的車輛、道路、環(huán)境、信息等融合起來，將各種交通運輸手段融合起來，構(gòu)建成一個快速、實時、安全、便捷、舒適、節(jié)能、智能化的交通運輸網(wǎng)絡(luò)，從而可以使交通、環(huán)境和人能夠更加協(xié)調(diào)和諧地相處。這一問題已經(jīng)引起了我國各級政府部門的高度關(guān)注，國家已經(jīng)將發(fā)展ITS寫入了“十二五”交通規(guī)劃中，作為國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略的一部分。3.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1國外現(xiàn)狀I(lǐng)TS與以往交通控制和管理的本質(zhì)區(qū)別是信息技術(shù)成為支撐ITS的技術(shù)群中的核心技術(shù)。由于ITS中所涉及的交通信息來源于各種交通管理系統(tǒng)，類型繁多，數(shù)量龐大，交通信息資源的共享成為ITS中首要的關(guān)鍵問題。一方面，要對大量靜態(tài)交通信息和實時性動態(tài)交通信息進(jìn)行采集；另一方面，更側(cè)重于各種交通信息整合、信息傳輸、信息匯總、信息融合、信息的深度發(fā)掘和共享利用。除了信息存儲和發(fā)布外，還增加了大量的“人、車、路、管”的信息交互與共享，突出和加強(qiáng)了人、道路、車輛駕駛和系統(tǒng)管理的一體化操作。國外在智能交通系統(tǒng)的建設(shè)中，普遍重視信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用、系統(tǒng)的集成和集成信息平臺的建設(shè)。主要體現(xiàn)在ITS中分析各種來源的交通信息的軟件技術(shù)的迅速發(fā)展、先進(jìn)的快速探測道路交通狀態(tài)信息的設(shè)備的使用、感知并預(yù)測未來交通擁塞并且給出交通管理最佳策略的專家系統(tǒng)的建立以及基于集成化交通綜合信息平臺的智能化交通信息服務(wù)[9]。美國ATMS（先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)）的指揮控制中心就是ATMS的綜合集成系統(tǒng)，它通過通信控制機(jī)從系統(tǒng)公路走廊沿線的傳感器得到數(shù)據(jù)，經(jīng)中心處理計算機(jī)處理并通過道路模擬屏顯示公路交通情況與其他相關(guān)的數(shù)據(jù)，形成并更新交通管理信息數(shù)據(jù)庫。目前美國的ATMS的綜合集成系統(tǒng)的研究主要集中在以下幾個方面：實時交通分析系統(tǒng)、動態(tài)交通分配系統(tǒng)、實時自適應(yīng)信號控制系統(tǒng)、事故檢測與反應(yīng)系統(tǒng)。日本警視廳開展的UTMS（通用交通管理系統(tǒng)）項目，在原有交通指揮管理中心的基礎(chǔ)上，交通管理綜合集成系統(tǒng)（ITCS）在指揮控制中心將以下系統(tǒng)綜合集成為一個整體：先進(jìn)的動態(tài)交通信息系統(tǒng)、動態(tài)路線誘導(dǎo)系統(tǒng)、公交車輛優(yōu)先系統(tǒng)、車輛運行管理系統(tǒng)、環(huán)保管理系統(tǒng)、其他輔助系統(tǒng)。ITCS以交通管理地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過先進(jìn)的感應(yīng)器收集動態(tài)交通信息，進(jìn)行融合處理、統(tǒng)計分析、輔助決策，最終實現(xiàn)對信號燈的最優(yōu)控制和自動化交通信息發(fā)布。ITCS是UTMS的核心系統(tǒng)與集成環(huán)境。3.2國內(nèi)現(xiàn)狀隨著中國交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，智能交通技術(shù)的普及應(yīng)用也引起了各界的廣泛關(guān)注。目前我國基礎(chǔ)交通設(shè)施的水平時很高的，但不同交通方式的銜接不流暢。僅北京市就每天新增機(jī)動車2000多輛，為交通的管理與服務(wù)提出了更高的要求。在智能交通領(lǐng)域，北京、廣州、深圳走在我國前列。目前北京市已初步建成4大類ITS系統(tǒng)：道路交通控制、公共交通指揮與調(diào)度、高速公路管理、緊急事件管理，約30個子系統(tǒng)，分散在各交通管理和運營部門。在北京市已頒布的《北京交通發(fā)展綱要》中，明確了2010年初步實現(xiàn)智能化交通管理的近期目標(biāo)，并將建立以智能交通系統(tǒng)為技術(shù)支持的“新北京交通體系”作為北京城市交通發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)，其中綜合信息平臺和智能交通控制系統(tǒng)是發(fā)展的重點。作為全國首批智能交通示范城市之一的廣州，智能交通系統(tǒng)構(gòu)建包括廣州市交通信息共用平臺、物流信息平臺、靜態(tài)交通管理系統(tǒng)等智能交通系統(tǒng)的主框架。其中共用信息平臺已初具規(guī)模，實現(xiàn)了羊城通系統(tǒng)、線網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)、出租車綜合管理平臺、聯(lián)網(wǎng)售票系統(tǒng)、96900呼叫中心等多個子系統(tǒng)的連接，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分類和有效存儲、查詢、訂閱等相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作，實現(xiàn)了諸多的數(shù)據(jù)處理功能，提供了初步的交通數(shù)據(jù)服務(wù)功能。深圳全面推進(jìn)城市交通信息化動態(tài)管理，采用先進(jìn)信息技術(shù)對城市交通運輸系統(tǒng)進(jìn)行改造升級，努力緩解日益嚴(yán)重的交通擁堵問題，計劃在3年內(nèi)重點建設(shè)交通信息采集、交通信息共享平臺、綜合交通調(diào)控、公交服務(wù)、政府決策支持、交通信息服務(wù)等6大領(lǐng)域的26個項目。市民未來可通過手機(jī)、路邊顯示屏、網(wǎng)絡(luò)、電臺等多種渠道獲得實時綜合交通信息查詢服務(wù)。未來的智能交通系統(tǒng)將設(shè)立公交電子站臺、客運場站顯示屏，告知乘客預(yù)計候車時間、公交車位置、線路換乘等實時信息，出現(xiàn)擁堵或車禍，政府部門可實時阻止車輛進(jìn)入相關(guān)路段，并調(diào)控附近路網(wǎng)紅綠燈的時長，確保車流快速疏導(dǎo)，全面建成掌握動態(tài)交通狀況，并進(jìn)行實時調(diào)控、有效誘導(dǎo)、快速服務(wù)的全市一體化交通服務(wù)系統(tǒng)。市交通綜治辦相關(guān)報告預(yù)計，至2020年，智能交通系統(tǒng)將有望使交通擁擠降低20%，交通延誤損失率降低20%，交通事故死亡降低60%，交通排污總量降低50%。4.建立車流量監(jiān)控系統(tǒng)面臨的問題交通流是一種隨時間連續(xù)變化的流量，相鄰交叉路口之間如果不能考慮彼此之間的協(xié)同，有可能會使車輛經(jīng)常停車，從而達(dá)不到好的控制效果，造成城市區(qū)域負(fù)載不均衡，使城市交通系統(tǒng)的整體性能如車輛延時和吞吐量等無法達(dá)到全局最優(yōu)。因此還應(yīng)考慮多交叉路口之間的相互作用，進(jìn)行控制行為的協(xié)調(diào)。早期出現(xiàn)的多交叉路口協(xié)調(diào)控制多為集中式聯(lián)動信號控制系統(tǒng)。一般可對相鄰的十到二十個左右的交叉路口進(jìn)行集中控制。經(jīng)不斷改善和發(fā)展成為目前實際使用的交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。但對于包含成百上千個交叉路口的大型城市交通網(wǎng)絡(luò)，使用集中式控制方式往往會給計算和網(wǎng)絡(luò)帶來較大的負(fù)擔(dān)，影響了交通協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效性和可擴(kuò)展性。在城市交通網(wǎng)中，要對車流量進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)控，需要做到以下工作：（1）已知路網(wǎng)中當(dāng)前和過去若干時段內(nèi)的交通信息，比如流量，路段行駛時間，費用，延誤等；（2）收集歷史和當(dāng)前的交通信息，通過一定的預(yù)測算法，預(yù)測下一時刻各路段的交通情況；（3）采用先進(jìn)的無線通信技術(shù)和定位系統(tǒng)對車輛進(jìn)行定位，同時實現(xiàn)駕駛員與監(jiān)控中心雙向信息的傳遞；（4）建立選擇最優(yōu)路徑的優(yōu)化模型；（5）檢測監(jiān)控誘導(dǎo)策略的實際效果并進(jìn)行修改。其中整個交通誘導(dǎo)過程要不斷的滾動循環(huán)迭代進(jìn)行，其中最重要的是獎勵選擇最優(yōu)路徑的優(yōu)化模型并能夠?qū)崟r產(chǎn)生優(yōu)化路徑。其難點在于避免搜索優(yōu)化路徑時產(chǎn)生的組合爆炸問題。5.任務(wù)概述5.1需求分析近年來，隨著我國機(jī)動車保有量的持續(xù)增長，私人汽車占總保有量的66%，出現(xiàn)了日益嚴(yán)重的交通安全、擁堵、污染等問題，城市交通擁堵排放的尾氣已經(jīng)成為了交通污染的主要來源。因此，解決交通安全、擁堵和停車難等問題已經(jīng)成為近期城市智能交通系統(tǒng)發(fā)展的主要目標(biāo)。目前，從我國人均出行次數(shù)及旅行距離與國際水平的比較發(fā)現(xiàn)，我國交通現(xiàn)代化的水平比較低，與西方國家有40-50年的差距。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)速度逐漸加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口和機(jī)動車保有量迅猛增長，城市道路需求與城市車輛激增之間的矛盾日益凸顯，城市交通環(huán)境不斷惡化，城市交通擁堵、安全、污染等問題已經(jīng)成為困擾整個城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的殺手锏?，F(xiàn)階段，雖然我國城市布局日趨合理，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)也逐漸完善，但交通環(huán)境惡化趨勢仍然沒有得到明顯改善。其實，在我國每年汽車擁有量的增長速度遠(yuǎn)超城市道路擴(kuò)建速度，據(jù)了解，我國車輛的平均增速達(dá)22%，而同期道路增速僅為1.99%，因此，現(xiàn)有城市道路基礎(chǔ)設(shè)施根本無法滿足當(dāng)前交通快速發(fā)展的需求[10]。要從根本上解決這一問題，就要從提高現(xiàn)有交通基礎(chǔ)設(shè)施的有效利用率上出發(fā)，使得現(xiàn)有交通設(shè)施能夠充分發(fā)揮其作用，提高交通運輸效率，提升交通現(xiàn)代化服務(wù)水平，這樣才能從根本上有效地緩解交通壓力、減少交通事故頻發(fā)等一系列交通問題。我國政府已將智能交通系統(tǒng)作為中國未來交通發(fā)展的重要方向，在“十二五”交通規(guī)劃中，明確將智能交通列為交通規(guī)劃的重要組成部分。由此可見，無論從國家的戰(zhàn)略角度出發(fā)還是從市場需求出發(fā)，智能交通系統(tǒng)都具有廣闊的應(yīng)用前景。基于無線傳感器的車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)分為兩大模塊，分別是管理員模塊和駕駛員模塊。管理員模塊一方面實現(xiàn)對傳感器及攝像頭的參數(shù)設(shè)置，并對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將數(shù)據(jù)入庫，以便駕駛員查詢。另一方面，負(fù)責(zé)對駕駛員信息的增刪改查等情況。駕駛員模塊主要功能是能夠查詢指定路段的即時交通流情況，根據(jù)系統(tǒng)提示選擇最佳行駛路徑。5.2該項目設(shè)計目標(biāo)通過該系統(tǒng)實現(xiàn)以下目標(biāo)：第一，管理員后臺功能，通過登錄系統(tǒng)后臺調(diào)整參數(shù)設(shè)置對各個路口交通狀況進(jìn)行監(jiān)控。第二，駕駛員功能，通過用戶登錄獲取實時交通信息。第三，交通信息管理功能。第四，用戶信息管理功能。5.3車流量監(jiān)控系統(tǒng)上下文圖(此圖重匯,最好有彩圖)圖5.2車流量監(jiān)控系統(tǒng)上下文圖5.4功能層次圖車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)管理員模塊駕駛員模塊管理員模塊駕駛員模塊故障報警車流量查詢個人信息管理參數(shù)調(diào)整攝像頭設(shè)置車道管理駕駛員信息管理故障報警車流量查詢個人信息管理參數(shù)調(diào)整攝像頭設(shè)置車道管理駕駛員信息管理圖5.2車流量監(jiān)控系統(tǒng)功能層次圖6．系統(tǒng)測試模型6.1車輛探測模型測試實驗是在一條雙向單車道道路上進(jìn)行的，道路示意圖如圖9.1所示。圖6.1車輛探測實驗場景將兩信息采集節(jié)點分別置于兩個車道中間用于監(jiān)測兩車道的車輛，使磁阻傳感器的X軸沿著車輛的行駛方向，Z軸垂直于車輛的行駛方向豎直向上。信息采集節(jié)點將采集的車輛信息通過路由節(jié)點傳輸?shù)铰愤叺膮R聚節(jié)點，匯聚節(jié)點直接通過RS232接口與筆記本電腦相連。6.2車速測量模型本實驗的目的是為了分析車速測量算法的測量精度，具體實驗場景如圖9.2所示。圖6.2車速測量實驗場景節(jié)點A、B分別部署在道路中間且處于同一條直線上，L為節(jié)點A、B之間的距離，在本實驗中L取5m，同樣也使磁阻傳感器的X軸沿著車輛的行駛方向，Z軸垂直于車輛的行駛方向豎直向上。7.設(shè)計原則車流量監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案時將遵循以下原則：（1）可靠性該系統(tǒng)必須有穩(wěn)定、可靠的運行系統(tǒng)。設(shè)計時要充分考慮后備以及恢復(fù)系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時仍然能夠提供客戶服務(wù)，并能很快的排除故障正常運行。（2）擴(kuò)展性、開放性設(shè)計時應(yīng)按最經(jīng)濟(jì)的原則，設(shè)計—個擴(kuò)展性很強(qiáng)且在擴(kuò)容升級時浪費最少的系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計遵循開放性原則，能夠支持多種硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，軟、硬件支持二次開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和通信樞紐采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，具有與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享的能力，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)適應(yīng)將來的廣域擴(kuò)展。（3）安全性、可維護(hù)性系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的安全性必須予以高度重視，要采取防范措施防止黑客人侵。另外，對內(nèi)部員工以及調(diào)度客戶也要加強(qiáng)權(quán)限控制，避免用戶能夠操作到超越權(quán)限的數(shù)據(jù)。提供自動故障報警檢測以及一定程度的自動恢復(fù)。（4）實時性、并行性考慮到機(jī)動車輛流量遠(yuǎn)程監(jiān)控點的數(shù)量，系統(tǒng)應(yīng)采用傳輸速度快的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，保證環(huán)保信息數(shù)據(jù)的及時有效；同時系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)避免采用輪巡的方式進(jìn)行點點操作，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備自動并行數(shù)據(jù)上傳和對多個遠(yuǎn)程監(jiān)控點并行控制的功能。8.系統(tǒng)運行環(huán)境操作系統(tǒng)：Windows2000/2003/2008/7/8/XP、Linux等Microsoftvisualstudio2012硬件環(huán)境：Intel(R)Core(TM)i5-5200UCPU@2.20GHz2.20GHz9.車載車流量監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向未來，物聯(lián)網(wǎng)重大專項、“863”計劃、國家道路交通安全科技行動計劃以及交通運輸部即將出臺的智能交通規(guī)劃將促使智能交通技術(shù)從單個交通要素的智能化向交通要素一體化的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在：（1）運用車-路協(xié)同提升交通安全水平；（2）運用信息技術(shù)提升交通管理水平；（3）基于信息共享實現(xiàn)多種運輸方式協(xié)同和效能提升。9.1運用車-路協(xié)同提升交通安全水平車-路協(xié)同系統(tǒng)是基于無線通信、傳感探測等技術(shù)進(jìn)行車-路信息獲取，通過車-車、車-路信息交互和共享，實現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同與配合，達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標(biāo)。車-路協(xié)同系統(tǒng)的成功實施將為交通安全帶來革命性變革，基于車-路協(xié)同系統(tǒng)實現(xiàn)的主動安全保障技術(shù)能有效減少各種碰撞事故的發(fā)生。典型應(yīng)用場景包括：（1）交叉口車-路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用，包括交通信號信息發(fā)布系統(tǒng)、盲點區(qū)域圖像提供系統(tǒng)、過街行人檢測系統(tǒng)、交叉口通行車輛啟停信息服務(wù)、先進(jìn)的緊急救援體系；（2）危險路段車-路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用，包括車輛安全輔助駕駛信息服務(wù)、路面信息發(fā)布系統(tǒng)、前方障礙物碰撞預(yù)防、彎道自適應(yīng)車速控制[11]。9.2運用信息技術(shù)提升交通管理水平新型檢測傳感技術(shù)、高清視頻技術(shù)、移動通信技術(shù)的發(fā)展，使大范圍進(jìn)行交通動態(tài)信息獲取和交互成為可能。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智慧地球等新的信息理念和技術(shù)進(jìn)步，將進(jìn)一步提升交通信息的處理和服務(wù)水平。低成本、高可靠性的基礎(chǔ)交通信息獲取和交互、更為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化交通信息系統(tǒng)的建設(shè)和服務(wù)，將是未來的發(fā)展方向。充分應(yīng)用智能網(wǎng)絡(luò)化新型傳感器技術(shù)和新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建國家公路交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)感知和動態(tài)監(jiān)管體系。建立公路交通基礎(chǔ)設(shè)施、運載工具和交通運行環(huán)境的三大感知網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對國家高速公路網(wǎng)和重要國省干線公路的可視、可測和可控，動態(tài)掌握路網(wǎng)的運行狀態(tài)，對特大橋梁、隧道、樞紐、重點路段等關(guān)鍵設(shè)施實施狀態(tài)感知、實時監(jiān)管，為公路網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行提供有效手段，并在遇有災(zāi)害和突發(fā)事件時，能夠?qū)β肪W(wǎng)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)度管理