《物聯(lián)網(wǎng)應用基礎》課件 第四章-智慧交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

第四章智慧交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)《物聯(lián)網(wǎng)應用基礎》1背景概述2圖像識別技術(shù)本章要點45智慧交通中的物聯(lián)網(wǎng)案例藍牙技術(shù)與網(wǎng)絡3全球定位系統(tǒng)GPS4.1背景概述4.1.1我國道路交通系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)目前的道路交通系統(tǒng)主要面臨以下幾個問題：

（1）汽車車速慢、路網(wǎng)運行效率低（2）汽車能耗高、尾氣排放量大（3）交通安全事故發(fā)生頻率高面對這些交通運輸系統(tǒng)帶來的擁堵、能耗、污染以及安全問題，簡單地通過限制車輛增加或增大路網(wǎng)覆蓋率，是遠遠不夠的。解決復雜的交通運輸問題，必須將道路、車輛、出行者作為一個有機的整體加以考慮，利用系統(tǒng)工程的方法改造傳統(tǒng)的交通運輸系統(tǒng)，尋找實現(xiàn)交通系統(tǒng)優(yōu)化的方案。面對機動化水平提高帶來的交通擁堵和道路安全等問題，世界各國政府和交通專家都開始了研究電子通信技術(shù)在交通領(lǐng)域的應用，形成了早期的智慧交通系統(tǒng)。發(fā)達國家紛紛認識到，將電子通信技術(shù)和信息技術(shù)引入到交通領(lǐng)域應用中，不但有助于緩解交通擁堵的問題，而且對交通安全、交通事故的處理與救援、高速公路收費系統(tǒng)等方面都將產(chǎn)生巨大的影響。ITS作為現(xiàn)代交通運輸發(fā)展的趨勢，在全球交通發(fā)展中正扮演著越來越重要的角色。4.1.2智慧交通與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為未來交通系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢，國家對發(fā)展智慧交通產(chǎn)業(yè)高度重視，各相關(guān)部門都采取了多種措施予以積極推動，提出將智慧交通作為我國未來交通運輸領(lǐng)域發(fā)展的重要方向和優(yōu)先領(lǐng)域予以支持。4.1.3智慧交通的市場前景巨大的市場面前，眾多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、金融、科技企業(yè)紛紛搶灘入駐，并且在頭部已經(jīng)誕生了幾家巨頭，如阿里、騰訊、百度、華為、平安、高德等。在國家政策的大力支持，以及社會需求、技術(shù)的大力推動下，近年來我國智慧交通行業(yè)發(fā)展迅速。4.1.3智慧交通的市場前景4.1.3智慧交通的市場前景4.2.圖像識別技術(shù)4.2.1概述圖像識別技術(shù)是人工智能的一個重要領(lǐng)域。它是指對圖像進行對象識別，以識別各種不同模式的目標和對像的技術(shù)。（1）技術(shù)發(fā)展：圖像識別技術(shù)是人工智能的一個重要領(lǐng)域。為了編制模擬人類圖像識別活動的計算機程序，人們提出了不同的圖像識別模型。模式識別包括兩個階段，即學習階段和實現(xiàn)階段，前者是對樣本進行特征選擇，尋找分類的規(guī)律，后者是根據(jù)分類規(guī)律對未知樣本集進行分類和識別。圖像識別技術(shù)是人工智能的一個重要領(lǐng)域。它是指對圖像進行對象識別，以識別各種不同模式的目標和對像的技術(shù)。（2）基本過程：信息的獲取——>預處理——>特征抽取和選擇——>分類器設計——>分類決策4.2.1概述（3）主要應用領(lǐng)域：

圖像識別技術(shù)是立體視覺、運動分析、數(shù)據(jù)融合等實用技術(shù)的基礎，在導航、地圖與地形配準、自然資源分析、天氣預報、環(huán)境監(jiān)測、生理病變研究等許多領(lǐng)域有重要的應用價值：

遙感圖像識別、通訊領(lǐng)域的應用、軍事、公安刑偵等領(lǐng)域的應用、生物醫(yī)學圖像識別、機器視覺領(lǐng)域的應用。

4.2.1概述

OCR（OpticalCharacterRecognition，光學字符識別）是指電子設備（例如掃描儀或數(shù)碼相機）檢查紙上打印的字符，通過檢測暗、亮的模式確定其形狀，然后用字符識別方法將形狀翻譯成計算機文字的過程。

OCR系統(tǒng)性能好壞的主要指標有：拒識率、誤識率、識別速度、用戶界面的友好性，產(chǎn)品的穩(wěn)定性，易用性及可行性等。4.2.2光學字符識別（1）發(fā)展簡史OCR的概念是在1929年由德國科學家Tausheck最先提出來的，后來美國科學家Handel也提出了利用技術(shù)對文字進行識別的想法。早在60、70年代，世界各國就開始有OCR的研究，而研究的初期，多以文字的識別方法研究為主，且識別的文字僅為0至9的數(shù)字。20世紀70年代初，日本的學者開始研究漢字識別，并做了大量的工作。到1986年，我國提出“863”高新科技研究計劃，漢字識別的研究進入一個實質(zhì)性的階段。4.2.2光學字符識別（2）軟件結(jié)構(gòu)OCR軟件主要是由下面幾個部分組成：1）圖像輸入、預處理2）二值化3）噪聲去除4）傾斜較正5）版面分析6）字符切割7）字符識別8）版面恢復9）后處理、校對（3）工作流程從影像到結(jié)果輸出，須經(jīng)過影像輸入、影像前處理、文字特征抽取、對比識別、最后經(jīng)人工校正將認錯的文字更正，將結(jié)果輸出。4.2.2光學字符識別

車牌識別系統(tǒng)是計算機視頻圖像識別技術(shù)在車輛牌照識別中的一種應用。車牌識別系統(tǒng)是指能夠檢測到受監(jiān)控路面的車輛并自動提取車輛牌照信息（含漢字字符、英文字母、阿拉伯數(shù)字及號牌顏色）進行處理的技術(shù)。牌照自動識別技術(shù)可以在汽車不作任何改動的情況下實現(xiàn)汽車“身份”的自動登記及驗證，這項技術(shù)已經(jīng)應用于公路收費、停車管理、稱重系統(tǒng)、交通誘導、交通執(zhí)法、公路稽查、車輛調(diào)度、車輛檢測等各種場合。4.2.3車牌識別系統(tǒng)（1）車牌識別系統(tǒng)的應用：1）監(jiān)測報警

2）超速違章處罰

3）車輛出入管理4）自動放行5）高速公路收費管理6）計算車輛旅行時間7）牌照號碼自動登記4.2.3車牌識別系統(tǒng)（2）識別原理：1）識別流程：當車輛檢測部分檢測到車輛到達時觸發(fā)圖像采集單元，采集當前的視頻圖像。車牌識別單元對圖像進行處理，定位出牌照位置，再將牌照中的字符分割出來進行識別，然后組成牌照號碼輸出。2）車輛檢測：車輛檢測可以采用埋地線圈檢測、紅外檢測、雷達檢測技術(shù)、視頻檢測等多種方式?？梢员苊馄茐穆访?、不必附加外部檢測設備、不需矯正觸發(fā)位置、節(jié)省開支，而且更適合移動式、便攜式應用的要求。4.2.3車牌識別系統(tǒng)3）號碼識別：

①牌照定位②牌照字符分割③牌照字符識別方法（3）技術(shù)路線：國際ITS通行的兩條主流技術(shù)路線是自然光和紅外光圖像采集識別。自然光和紅外光不會對人體產(chǎn)生不良的心理影響，也不會對環(huán)境產(chǎn)生新的電子污染，屬于綠色環(huán)保技術(shù)。4.2.3車牌識別系統(tǒng)（4）觸發(fā)方式

車牌識別系統(tǒng)有兩種觸發(fā)方式，一種是外設觸發(fā)，另一種是視頻觸發(fā)。（5）識別方法1）間接法2）直接法：①圖像處理技術(shù)

②統(tǒng)模式識別技術(shù)③人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)4.2.3車牌識別系統(tǒng)4.3.1概述

GPS是美國從20世紀70年代開始研制，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位功能的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。（1）全球定位系統(tǒng)的發(fā)明：

20世紀70年代，美國國防部為了給陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并進行情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的，開始研制“導航衛(wèi)星定時和測距全球定位系統(tǒng)”，簡稱全球定位系統(tǒng)。4.3GPS（2）全球定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史：

GPS是指利用GPS衛(wèi)星，向全球各地全天候、實時性地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統(tǒng)。GPS的前身是1958年美國軍方研制的一種子午儀（Transit）衛(wèi)星定位系統(tǒng)。（3）定位原理：

GPS定位包括偽距單點定位、載波相位定位和實時差分定位。4.3.1概述4.3GPS4.3.2GPS的組成部分

全球定位系統(tǒng)由以下三個部分組成：空間部分（GPS衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分和用戶部分。GPS衛(wèi)星可分為試驗衛(wèi)星和工作衛(wèi)星兩類。4.3.3GPS的特點（1）全球，全天候連續(xù)不斷的導航定位能力（2）實時導航，定位精度高，觀測時間短（3）測站無需通視（4）可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標（5）儀器操作簡便（6）抗干擾能力強、保密性好（7）功能多、應用廣泛4.3GPS

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（英文名稱：BeiDouNavigationSatelliteSystem，簡稱BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，也是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)是全球性公共資源，多系統(tǒng)兼容與互操作已成為發(fā)展趨勢。中國始終秉持和踐行“中國的北斗，世界的北斗”的發(fā)展理念，服務“一帶一路”建設發(fā)展，積極推進北斗系統(tǒng)國際合作。與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)攜手，與各個國家、地區(qū)和國際組織一起，共同推動全球衛(wèi)星導航事業(yè)發(fā)展，讓北斗系統(tǒng)更好地服務全球、造福人類。4.3.4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（1）系統(tǒng)標志創(chuàng)意說明北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)標志由正圓形、寫意的太極陰陽魚、北斗星、網(wǎng)格化地球和中英文文字等要素組成，如圖4-6所示。圓形構(gòu)型象征中國傳統(tǒng)文化中的“圓滿”，深藍色的太空和淺藍色的地球代表航天事業(yè)。太極陰陽魚蘊含了中國傳統(tǒng)文化。4.3.4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（2）北斗系統(tǒng)建設第一步，建設北斗一號系統(tǒng)。第二步，建設北斗二號系統(tǒng)。第三步，建設北斗三號系統(tǒng)。4.3.4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（3）北斗應用與產(chǎn)業(yè)化1）基礎產(chǎn)品及設施北斗基礎產(chǎn)品已實現(xiàn)自主可控，國產(chǎn)北斗芯片、模塊等關(guān)鍵技術(shù)全面突破，性能指標與國際同類產(chǎn)品相當。2）行業(yè)及區(qū)域應用北斗系統(tǒng)提供服務以來，已在交通運輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象測報、通信系統(tǒng)、電力調(diào)度、救災減災、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應用，融入國家核心基礎設施，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。3）大眾應用北斗系統(tǒng)大眾服務發(fā)展前景廣闊?；诒倍返膶Ш椒找驯浑娮由虅?、移動智能終端制造、位置服務等廠商采用，廣泛進入中國大眾消費、共享經(jīng)濟和民生領(lǐng)域，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式。4.3.4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)4.4藍牙技術(shù)與網(wǎng)絡4.4.1概述藍牙（Bluetooth）是一種無線技術(shù)標準，可實現(xiàn)固定設備、移動設備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。4.4.2藍牙的特點藍牙技術(shù)的特點：（1）全球范圍適用（2）可同時傳輸語音和數(shù)據(jù)（3）可以建立臨時性的對等連接（4）ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。藍牙技術(shù)規(guī)范的目的是使符合該規(guī)范的各種應用之間能夠?qū)崿F(xiàn)互操作，互操作的遠端設備需要使用相同的協(xié)議棧，不同的應用需要不同的協(xié)議棧。但是，所有的應用都要使用藍牙技術(shù)規(guī)范的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。藍牙協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)由底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高端應用層三部分組成。4.4.3藍牙協(xié)議棧（1）底層硬件模塊它包括鏈路管理協(xié)議（LinkManagementProtocol,LMP）、基帶（BaseBand,BB）、射頻（RadioFrequency,RF）等三部分。

（2）中間協(xié)議層它由邏輯鏈路控制和適配協(xié)議、服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議、串口仿真協(xié)議（或稱線纜替換協(xié)議RF-COMM）、二進制電話控制協(xié)議等構(gòu)成。4.4.3藍牙協(xié)議棧4.4.4藍牙應用模式

（1）文件傳輸模式文件傳輸?shù)哪康氖鞘箖蓚€終端之間的數(shù)據(jù)交換成為可能。

（2）因特網(wǎng)網(wǎng)橋模式文種用戶模式可通過手機或無線調(diào)制解調(diào)器向PC提供撥號入網(wǎng)和收發(fā)傳真的功能。4.4.4藍牙應用模式（3）頭戴式設備模式使用該模式，用戶打電話時可自由移動。

（4）藍牙手機模式藍牙手機可接入公用電話網(wǎng)與其他座機或手機通話，也可在基站內(nèi)使用。4.4.4藍牙應用模式（5）局域網(wǎng)訪問模式無線接入過程類以于撥號接入。

（6）個人資料管理模式常見的個人資料管理有電話簿記錄查詢、日歷、任務通知和名片的輸入及更新，傳送的協(xié)議或格式由收發(fā)雙方共同確認。4.4.4藍牙應用模式（7）數(shù)據(jù)同步模式數(shù)據(jù)同步模式提供設備到設備的個人資料管理（PIM）的同步更新功能，其典型應用如電話簿、日歷、通知和記錄等。4.4.4藍牙應用模式4.4智慧交通中的物聯(lián)網(wǎng)案例4.5.1區(qū)域交通控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的交通控制方法主要包括定時控制、多時段控制、感應或半感應控制、綠波帶控制和區(qū)域靜態(tài)控制。以上幾種區(qū)城交通控制方案基本都是離線控制，方法簡單、可靠，但不能及時響應交通流的隨機變化。真正的智慧交通控制系統(tǒng)將不僅僅是一個實現(xiàn)反饋控制的信號控制系統(tǒng)，而是轉(zhuǎn)變?yōu)橐越煌ㄕT導為主從而實現(xiàn)真正的智能交互。（1）城市交通出行誘導系統(tǒng)：

依托物聯(lián)網(wǎng)強大的交通狀態(tài)感知和處理技術(shù)，通過實時采集城市道路交通流量、可用停車位等數(shù)據(jù)，持續(xù)進行建模和分析，并實時分析路網(wǎng)交通狀態(tài)和交通事件，向出行者提供實時交通信息和路徑引導信息。通過誘導出行者的出行行為來改善道路交通狀況，實現(xiàn)交通流路網(wǎng)交通流的均衡分配。4.5.2動態(tài)交通信息服務一個典型的城市交通綜合誘導系統(tǒng)：4.5.2動態(tài)交通信息服務（1）城市交通出行誘導系統(tǒng)：

交通誘導信息主要包括車輛速度和旅行時間，一般通過可變信息板、用戶移動終端和互聯(lián)網(wǎng)等方式進行分布。4.5.2動態(tài)交通信息服務（2）智能停車誘導系統(tǒng)：

通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時采集停車場的車位信息，將結(jié)果融合后發(fā)布給駕駛者，以構(gòu)建智能停車系統(tǒng)。作為城市智慧交通的組成部分它能合理地安排停車，提高停車設施泊位利用率，促使停車設施利用均衡化，減少駕駛者尋找停車泊位的時間消耗，從而減少市中心為停車而附加的交通量。4.5.2動態(tài)交通信息服務

電子收費系統(tǒng)（ElectronicTollCollection,ETC）是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在道路收費中的應用。通過在車輛上安裝具有身份標識的標簽，在收費口安裝對應的通信和計費裝置通過自動識別通信車輛并使用電子貨幣結(jié)算實現(xiàn)了道路不停車收費。（1）高速公路電子收費系統(tǒng)：4.5.3道路電子收費系統(tǒng)整個ETC電子收費運行過程如下：（1）用戶前往發(fā)行安裝部門申請安裝車載裝置，預繳通行費或設立事后付費賬戶，相應的信息被存入車載裝置中，然后該車便可上路。（2）在進入收費站時，車輛按規(guī)定限速通過收費車道。路邊裝置識別車輛相關(guān)信息，并通過無線通信與車載單元雙向通信來完成收費過程。（3）每次收費操作都需將收費操作的相關(guān)信息遞交收費計算機，事后付款方式的收費數(shù)據(jù)將定時（或?qū)崟r）遞送給后臺系統(tǒng)，以便生成轉(zhuǎn)賬清單向金融機構(gòu)請求支付。4.5.3道路電子收費系統(tǒng)（2）新加坡的電子道路收費系統(tǒng)：新加坡開發(fā)了電子公路收費系統(tǒng)（ElectronicRoadPricing,ERP），針對高峰時段駛?cè)胫行纳虡I(yè)區(qū)、高速公路和交通