无线传感器网络在城市智能公交系统中的应用

无线传感器网络在城市智能公交系统中的应用

无线传感器网络在城市智能公交系统中的应用

张雄希

1,2

(1.武汉科技大学信息科学与工程学院,湖北武汉430081;2.冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心,湖北武汉430081)

摘要:结合智能交通系统特点及要求,介绍了无线传感器网络技术在城市公交车辆智能化管理中的典型应用,通过无线传感器网络技术将车载终端与调度监控中心相结合,能够对行驶的公交车辆进行实时监控、交通信息传送等功能,有助于交通系统的智能化。关　键　词:无线传感器网络;智能交通系统;定位中图分类号:TN911　　　　　文献标志码:A　　　　　文章编号:167420696(2009)0621064203

ApplicationofWirelessSenorNetworktoIntelligentTransportationSystemofCityPublicBus

ZHANGXiong2xi

1,2

(1.SchoolofInformationScience&Engineering,WuhanUniversityofScienceTechnol430081,China;2.EngineeringResearchCenterofMetallurgicalAutomation&Detection430081,China)

Abstract:Combiningwiththecharacteristicsm,thetypicalapplicationofwirelesssensornetworkmanagementisintroduced.Thesystemcanachieverealtimethewirelesssensornetworkstechnology,whichintegratestheve2hicletermandsupervisionandcontributestointelligentizethetransportationsystem.Keywords:sensornetwork;intelligenttransportationsystem;orientation

1　引　言

智能交通系统(IntelligentTransportationSystem,简称ITS)总体来说是利用各种电子信息技术,形成人、道路和车辆三位一体的交通系统。引入该系统可以实现减轻交通拥堵,改善交通环境,节约能源等功能。由具有感知、计算和通信能力的微型传感器构成的无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,简称WSN)被认为是本世纪最重要的技术之一,将WSN技术应用于城市交通系统中将会对城市交通系统的智能化发展具有较大促进作用。

笔者针对我国城市交通智能化的特点和需求,以城市公交为研究对象,构建出以无线传感器网络为基础的城市公交实时管理系统。将公共汽车上放置移动节点,站牌、路灯或指定建筑物上放置固定节点,通过移动节点采集公交车辆的实时信息通过无线传感器网络把信息传送给监控管理中心,实现对公交车辆跟踪定位、实时通信、传递交通信息等功能,该系统具有投资少、见效快等优势。

2　无线传感器网络技术简介

无线传感器网络技术现在已经逐步成为广受关

注的新兴技术,无线传感器网络是由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点,通过自组织的方式构成的无线网络。通过节点中内置的传感器测量目标信号将其转化为无线电信号后,信号在这些节点中按特定路由方式传递,最后由具有数据处理能力的节点进行处理。

无线传感器网络可应用在各种工业现场、生活领域或其它领域起到智能监测和控制等作用,具有能量效率要求高、无中心、自组织、多跳路由及动态拓扑等特点,以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络(图1)。网络组成部分包括普通节点、中继

[1]

节点、网关节点和监控中心,各功能为:

1)普通节点、中继节点。主要承担数据采集以及多跳中继传输功能。

2)网关节点。主要承担无线和有线信号转换,实现Internet网络的接入功能。

收稿日期:2009207224;修订日期:2009208214　　作者简介:张雄希(19752),男,湖南平江人,讲师,博士研究生,主要从事检测技术与信号处理方面的工作。E2mail:zxx417

@。

无线传感器网络在城市智能公交系统中的应用

3)监控中心。主要承担特定区域数据信息的综合处理,具有信息处理、决策等功能

。

无线传感器网络具备的这些优势可以为城市智

能公交系统的信息采集与管理提供有效手段,如:通过无线传感器网络技术进行城市道路实时信息采集、信息分析融合,建立区域性交通信号优化系统或交通容量评估系统;构建基于无线传感器网络技术的先进的城市交通导航和信息发布系统,从而大幅提高运输部门的服务水平和交通运营管理水平。

笔者采取无线和有线相结合的方式来构建智能公交管理监控网络,将公交车辆上的移动终端节点以及固定专用节点以无线的方式接入,网关节点与监控中心以有线的方式相连,从而发挥了无线传感器网络的自组织性特点保证了公交车辆无缝接入网络,且提高了数据传输过程的可靠性。

4　无线传感器网络构建城市智能公交

图1　无线传感器网络的体系结构

网系统方案设计

,系

3　无线传感网络在城市智能公交网中

的应用优势

要实现城市公交的智能化,从其运行特点来说,,有两种无线方式可以考虑,一是采用全球卫星定位系统(GPS),系。,立交桥道路交错,目标车辆易被遮挡,使得车载终端接收到的GPS信号有效性降低。采用GPS技术需依赖国外卫星,系统的建设和使用费用较高,应用功能较单一,不适合公交系统的广泛应用;二是采用无线互联网,但采用该方式需要修建许多基站才能保障整个网络正常的运行,投入也较大。通过多方面的比较,采用无线传感器网络来构建智能公交系统网络是较经济实用

[2]

的,相对于其他技术具有以下几个方面的优势:

1)无线传感器结构较简单、成本较低廉。

2)无线传感器网络采用无线电波传送方式,不易受环境、时间、天气等因素的限制,在能见度较低的条件下,也能正常工作。

3)无线传感器网络具有分布性、自组织性特点,可实现大数量节点网络的实时、分布式处理,利用这些特点来构建一个自组织、开放的系统,更符合交通管理的特点。

4)通过在道路旁添加特定无线传感器节点,整个网络可传送除公交车辆位置信息以外的其他信息,扩展网络及操作较简便。

5)采用基于IEEE80211514规范的ZigBee技术具有功耗低、组网能力强、传输距离远、可靠性高等特点。

图2　无线传感器网络构建的城市智能公交网系统构架

各组成部分承担的功能为:

1)车载移动终端。将特定的公交车辆信息发送到邻近的电子站牌,并实现自动报站功能。

2)电子站牌。为车站处候车人员提供实时信息发布,诸如即将到站的车号及到站时间等信息。

3)小型基站。相当于无线网关,负责启动网络、配置网络成员地址,通过专用网络与监控中心连接起来。

4)监控中心。将从电子站牌处汇集来的信息进行处理并显示,确定各公交车辆的具体位置,必要时通过相关交通控制设施作出决策,实现对公交系统的智能监控及管理。

在该无线传感器网络结构中,各电子站牌作为中继节点组成自组织的多跳网状Mesh基础网络构

无线传感器网络在城市智能公交系统中的应用

1066重庆交通大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第28卷

从第1个方程开始,依次与最后一个方程相减

得到式(2):

22222

x21-xn-2(x1-xn)x+y1-yn-2(y1-yn)y=r1-rn22222x22-xn-2(x2-xn)x+y2-yn-2(y2-yn)y=r2-rn

架,车载移动终端及采集交通信息专用节点与每个

临近的电子站牌组成星型网络,在固定时间点与电子站牌节点主动通讯。电子站牌节点是车载移动终端节点功能上的扩展,具有扩展网络及路由功能,可按照全功能设备(FFD)标准进行设计;而车载移动终端和交通信息采集专用节点可按照精简功能设备(RFD)标准进行设计。各个车载移动终端将采集后初步处理的信息通过电子站牌汇聚到小型基站进行数据融合处理,获得相关交通信息参数。小型基站相当于是网关节点,充当网络协调器,负责启动网

[3]

络、配置地址等。为了有效地利用资源,可将小型基站作为一个功能模块安装在各路口的交通信号控制设施内,通过专有网络将所汇集到的数据发送到监控中心。监控中心处理信息后产生的决策、控制信息将反馈给车载无线终端,以此实现循环监控。

…

22222

x2n-1-xn-2(xn-1-xn)x+yn-1-yn-2(yn-1-yn)y=rn-1-rn

(2)

式(2)可简化为求AX=b,其中:

2(x1-xn)2(xn-1-xn)

A=

2

…2(y1-yn)

2

2

2

…2(yn-1-yn2

;

2

x1-xn+y1-yn+rn-r1

b=

2

2

2

…

xn-1-xn+yn-1-yn+rn-rn-2

2

2

。

5　基于无线传感器网络的公交车辆定

位算法

无线传感器网络应用于城市智能公交系统须解

决一系列关键技术问题,管理,省能量,[2]

技术指标,。软件上的关键问题则是公交车辆在无线传感器网络中的定位。公交车辆的位置是基于无线传感器网络的智能公交监控网的重要交通参数,它是决定着该系统运行好坏的关键性因素。可采用基于测距的算法或不基于测距的算法对位于无线传感器网络中的公交车辆进行定位。511　基于测距定位算法

基于测距的定位算法需准确地测出参考点和被测点之间的距离,再利用三角测量原理对被测点进行定位。该方法至少需要知道被测点到3个参考点的距离才能唯一确定被测点的坐标。参考节点数较少时,若测量距离时存在误差,得到的坐标容易偏离准确值。现将已知节点数扩展到多个点,将方法进行改进来提高测算精度。假设待测节点d的坐标设为(x,y),已知节点个数为n(n≥3),n个已知节点坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、…、(xn,yn),到待测节点的距离分别为r1、r2、…、rn,根据距离关系有式(1)成立:

(x1-x)(x2-x)(xn-x)

22

标,3):

AA)

T-1

b

T

(3)

,可以较显著地降低定位偏离程度,提高定位精度。由以上分析可知,要得到较准确的定位,得先知道待测节点到各个已知节点间距离的准确值,由于待测节点处于运动状态,一般可采取到达时间测距法或时间差测距法来进行测距,前者要求较准确地把握信号开始传输的时刻,且节点处要有较精确的时钟。后者通过计算两种不同性质信号(如:无线电和超声波)传播的时间差来测算定位,基于测距的定位算法在定位精度上相对较高,但技术稍复杂,受到功耗与成本的限制。512　不基于测距的定位算法

不基于测距的定位算法是利用节点间的估计距离或者通过求特定区域的质心来进行定位,不需要测量节点间的绝对距离或方位。以DV-hop定位算法为例进行说明,该算法思想就是通过估计节点间的最短距离来定位。每个节点只与它直接相邻的节点通信,未知节点收到已知节点发送位置信息后,将跳数增加一次并转发该信息,使得所有的节点均被连通。每个已知节点计算求出与其他已知节点的距离和跳数,节点每一跳的平均距离可由式(4)求[4]得:

di=

+(y1-y)+(y2-y)

22

=r=r

2122

(xi-xj)

2

+(yi-yj)

j

2

…

2

(1)

∑h

(i≠j)(4)

式中:(xi,yi)、(xj,yj)分别为已知节点i、j的坐

(下转第1082页)

+(yn-y)

2

=rn

2

无线传感器网络在城市智能公交系统中的应用

1082重庆交通大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第28卷

[3]　TresilianJR.Empiricalandtheoreticalissuesintheper2

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(17):8652876.[4]　FranklinA,CliffordA,WilliamsionE,etal.Colorterm

knowledgedoesnotaffectcategoricalperceptionofcolor[J].CognitivePsychology,2005(90):1142125.[5]　刘浩学,赵炜华,刘凯铮,等.驾驶员昼间动态环境暖

由表2及图2可见,绝对距离判识差异随着深

度距离增加而增大,随着速度增加而减小,相对距离判识差异变化幅度较小,在空间形成一个连续变化的曲面。通过模拟计算所呈现的差异变化规律,与被试总结一致,模拟结果可信。

6　结　语

1)在夜间地面动态环境中,相同深度距离的绿

色障碍物判识距离大于红色。

2)绝对距离判识差异随着深度距离增加而增加,在深度距离为80m以下时,差异随速度增加而减小;在80m以上时,差异呈先减小,后增加再减小的变化规律。

3)相对距离判识差异变化较小,随深度距离增加而减小,随速度增加而减小。参考文献:

[1]　[英]M.W.艾森克,M.T.基恩.认知心理学[M].高定

色调障碍物空间距离判识规律[J].交通运输工程学

报,2009,9(2):1052109.[6]　赵炜华,刘浩学,董宪元,等.色调对昼间动态环境中

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国,译.上海:华东师范大学出版社,2008.

[2]　刘浩学,刘晞柏.交通心理学[M].西安:陕西省科学

技术出版社,1992.

(上接第1066标;hj是节点ij的跳数。已知节点把该距离信息传送给周围的节点,未知节点接收到离它最近已知节点的距离信息后就可进行定位。当网络节点密度大和网络连通性强的条件下,采用该方法进行定位精度较高,且不需要额外的硬件支持。

基于无线传感器网络定位算法较多,它们有各自的优缺点,在实际应用中需充分考虑实际系统的状况,因地制宜地选择恰当的算法或采用多种算法相结合的方式解决定位问题。

用,更进一步推动智能交通系统的发展。参考文献:

[1]　宋　颂,韩　东,马学森.基于无线传感器网络的智能

6　结　语

无线传感器网络技术应用与研究目前已成为技

术热点并得到了广泛的关注,结合ITS的特点和要求对基于无线传感器网络技术的城市智能公交监控网进行设计,对系统网络构建、工作原理、关键技术等问题进行了介绍。系统具有定位精度高、传输及时、抗干扰强等特点,是对现有公交系统的良好补充,具有较好的应用价值。随着技术发展,无线传感器网络将在智能交通系统中更多关键性场合得到应

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zin4.html