新型智慧城市建設(shè)背景下智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

樊晟姣

（蘇州城際鐵路有限公司，江蘇蘇州，215000）

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)在新型智慧城市建設(shè)方面取得喜人成果，智能交通系統(tǒng)在其中做出了較大貢獻(xiàn)。但結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段我國(guó)很多城市仍存在智能交通系統(tǒng)建設(shè)不完善、管理效率低、服務(wù)水平差等不足，為保證智能交通更好滿(mǎn)足新型智慧城市建設(shè)需要，正是本文圍繞智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)展具體研究的原因所在。

1 新型智慧城市建設(shè)中智能交通重要性

作為智慧城市的重要組成部分，城市交通規(guī)劃在智慧城市建設(shè)中的重要性極高，智能交通可由此依托監(jiān)測(cè)、監(jiān)控等技術(shù)，健全公路、城管、公安等監(jiān)控系統(tǒng)，并建立起以智能出行、應(yīng)急指揮、交通誘導(dǎo)等系統(tǒng)組成的智能化城市交通系統(tǒng)，交通的監(jiān)控力度和智能化水平能夠?qū)崿F(xiàn)全面提升，城市交通運(yùn)輸?shù)耐〞?、安全也能夠更好得到保障。智能交通能夠更好貫徹人本理念，如?duì)于長(zhǎng)期以來(lái)城市交通存在的“人躲車(chē)”現(xiàn)狀，智能交通能夠通過(guò)新型法律取證方法解決“不按規(guī)矩讓行”問(wèn)題，在路口調(diào)度、停車(chē)指揮等方面，智能交通同樣有著突出表現(xiàn)，由此可直觀了解新型智慧城市建設(shè)中智能交通重要性[1]。

2 新型智慧城市建設(shè)背景下智能交通系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

本文設(shè)計(jì)的智能交通系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象為交通信息服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)前需要評(píng)估交通沙盤(pán)，明確智能交通的作用，智能交通系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需要結(jié)合不同交通場(chǎng)景的具體需求。智能交通系統(tǒng)可細(xì)分為三類(lèi)，包括公共出行交通信息系統(tǒng)、交通信息安全服務(wù)系統(tǒng)、出行交通產(chǎn)品訂購(gòu)系統(tǒng)，本文研究主要圍繞公共出行交通信息系統(tǒng)進(jìn)行，設(shè)計(jì)模型選擇智能交通沙盤(pán)，通過(guò)獲取信息，提供實(shí)時(shí)交通出行信息服務(wù)。研究采用的智能交通沙盤(pán)能夠?qū)?chē)輛行駛情況進(jìn)行模擬，通過(guò)建立的停車(chē)場(chǎng)、交叉路口、道路等實(shí)體模型，即可對(duì)典型智能交通場(chǎng)景進(jìn)行建立，進(jìn)而提供停車(chē)場(chǎng)服務(wù)信息、道路車(chē)流信息，智能停車(chē)、車(chē)流智能誘導(dǎo)調(diào)度可由此實(shí)現(xiàn)，這能夠?yàn)橹腔鄢鞘械闹悄芙煌ńㄔO(shè)提供有力支持?？偟膩?lái)說(shuō)，本文設(shè)計(jì)的智能交通系統(tǒng)需求體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，使用便利。設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)能夠較為便利使用，保證過(guò)多因素不會(huì)對(duì)其造成限制；第二，信息準(zhǔn)確。系統(tǒng)需要對(duì)交通數(shù)據(jù)信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集；第三，高穩(wěn)定性。系統(tǒng)需要能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而保證使用體驗(yàn)[2]。

■2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

基于智能交通沙盤(pán)，設(shè)計(jì)需要采集交通場(chǎng)景信息，分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)后需要發(fā)布并用于展示。智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇三層架構(gòu)，包括應(yīng)用層、傳輸控制層、數(shù)據(jù)感知層。數(shù)據(jù)感知層由無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)信息，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將采集的信息向網(wǎng)關(guān)匯集，數(shù)據(jù)集中匯集能夠基于傳輸控制層完成，匯集數(shù)據(jù)由中心服務(wù)器處理、分析、存儲(chǔ)，通過(guò)對(duì)該服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)，應(yīng)用層可實(shí)現(xiàn)交通數(shù)據(jù)信息獲取和展示。智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)層為感知層，其通過(guò)LoRa傳感器節(jié)點(diǎn)采集停車(chē)場(chǎng)、環(huán)境、道路數(shù)據(jù)信息，這類(lèi)實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)上傳，傳輸控制層需要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化的原始數(shù)據(jù)能夠形成可視數(shù)據(jù)。智能交通系統(tǒng)需要得到通信模塊LoRa和TCP/IP協(xié)議支持，以此實(shí)現(xiàn)信息匯集、上傳、解析、存儲(chǔ)、發(fā)布，應(yīng)用層可由此為智能停車(chē)場(chǎng)、城市環(huán)境檢測(cè)、城市道路車(chē)流信息發(fā)布提供服務(wù)，圖1為系統(tǒng)架構(gòu)示意圖[3]。

2.2.2 系統(tǒng)功能模塊

圖1 所示智能交通系統(tǒng)需要得到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持，以此采集和上傳交通數(shù)據(jù)，用戶(hù)的交通出行數(shù)據(jù)可基于交通信息服務(wù)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取，該系統(tǒng)的功能模塊由三部分組成：第一，路口車(chē)輛調(diào)度功能模塊。該功能模塊需要提供道路車(chē)流信息，同時(shí)基于每個(gè)路口車(chē)流量對(duì)交叉路口交通燈進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)路口車(chē)輛通過(guò)率提升；第二，智能停車(chē)誘導(dǎo)功能模塊。實(shí)時(shí)的停車(chē)場(chǎng)內(nèi)車(chē)位狀態(tài)可通過(guò)該功能模塊提供，用戶(hù)能夠了解車(chē)位的占用情況，如停車(chē)場(chǎng)空閑數(shù)量，同時(shí)系統(tǒng)能夠引導(dǎo)用戶(hù)?？吭谧罴淹＼?chē)位處；第三，環(huán)境信息發(fā)布功能模塊。該模塊能夠?qū)Φ缆窚貪穸鹊刃畔⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)采集，向公眾提供實(shí)時(shí)信息[4]。

圖 1 智能交通系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 新型智慧城市建設(shè)背景下智能交通系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 感知平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能交通系統(tǒng)感知平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于終端節(jié)點(diǎn)LoRa，該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)交通環(huán)境中大量分布，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)?；趥鞲衅鳎?jié)點(diǎn)能夠在環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)交通數(shù)據(jù)信息的感知，同時(shí)負(fù)責(zé)處理信息，LoRa通信模塊能夠?qū)⑻幚砗蟮男畔⑥D(zhuǎn)發(fā)至匯集節(jié)點(diǎn)，采集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能夠由此完成，圖2為感知平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖。

圖 2 感知平臺(tái)設(shè)計(jì)示意圖

結(jié)合圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)濕度傳感器、溫度傳感器、超聲波測(cè)距模塊采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)封裝由節(jié)點(diǎn)芯片STM32負(fù)責(zé)，這一過(guò)程涉及數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)類(lèi)型、節(jié)點(diǎn)信息。系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)，具體采用的芯片為SX1276，該芯片存在覆蓋區(qū)域廣、能耗較低特點(diǎn)[5]。

3.1.2 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

智能交通系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)基于Linux系統(tǒng)開(kāi)展，其需要在LoRa網(wǎng)關(guān)中內(nèi)嵌，同時(shí)預(yù)留蜂窩網(wǎng)口、以太網(wǎng)網(wǎng)口、WiFi模塊，各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的靈活連接可由此簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，圖3為智能交通系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)示意圖。

圖 3 智能交通系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)示意圖

結(jié)合圖3進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，智能交通系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)通信鏈路連接，因此設(shè)計(jì)采用擴(kuò)頻芯片SX1278，匯集信息打包由微處理器負(fù)責(zé)，具體型號(hào)為ATMega328p，Linux系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)接收節(jié)點(diǎn)信息，網(wǎng)關(guān)能夠完成數(shù)據(jù)封裝，數(shù)據(jù)向服務(wù)器的上傳基于WiFi網(wǎng)絡(luò)完成，在網(wǎng)關(guān)的具體工作過(guò)程中，開(kāi)機(jī)后的網(wǎng)關(guān)需要開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)初始化，同時(shí)長(zhǎng)期保持待機(jī)狀態(tài)，在收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求后，網(wǎng)關(guān)需要完成節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)操作，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)信息接收，接收的數(shù)據(jù)信息需要在封裝后向中心服務(wù)器上傳。

3.1.3 中心服務(wù)器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中化控制，智能交通系統(tǒng)需要做好中心服務(wù)器設(shè)計(jì)，以此處理、反饋現(xiàn)場(chǎng)傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)?；谥悄芙煌ㄏ到y(tǒng)需求，設(shè)計(jì)需要完成服務(wù)器程序的搭建，用于處理原始數(shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)支持下，該程序需要為前端界面提供數(shù)據(jù)服務(wù)并涉及邏輯算法內(nèi)容，數(shù)據(jù)信息發(fā)布也需要由中心服務(wù)器完成。在完成信息采集后，基于公共網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息需要由中心服務(wù)器接收，這一過(guò)程需要得到網(wǎng)關(guān)的支持，因此設(shè)計(jì)采用Socket連接，以此設(shè)法分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，滿(mǎn)足前端需要，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

結(jié)合圖4進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，中心服務(wù)器的功能包括處理和分析數(shù)據(jù)信息、推送發(fā)布數(shù)據(jù)信息、邏輯算法實(shí)現(xiàn)，具體的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)基于Node.js平臺(tái)完成，功能實(shí)現(xiàn)選擇js腳本，這一過(guò)程中TCP服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求和物理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊負(fù)責(zé)調(diào)用和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖 4 中心服務(wù)器設(shè)計(jì)示意圖

3.1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)需要充分結(jié)合智能交通系統(tǒng)需求，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性，因此本文選擇非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)需要結(jié)合系統(tǒng)功能模塊，具體可分為三部分；第一，道路車(chē)輛信息數(shù)據(jù)表。為提供道路車(chē)流數(shù)據(jù)信息，對(duì)于周期變化的車(chē)流數(shù)據(jù)信息記錄，需要形成交通車(chē)流量記錄表，記錄更新頻率為1min，具體信息包括車(chē)流量、道路編號(hào)、道路區(qū)域；第二，停車(chē)場(chǎng)數(shù)據(jù)表?？紤]到停車(chē)時(shí)車(chē)輛流程，需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)入時(shí)間及車(chē)輛本身信息進(jìn)行記錄，同時(shí)需要關(guān)注車(chē)輛駛出信息，基于車(chē)位狀態(tài)表的車(chē)位實(shí)時(shí)狀態(tài)查看也極為關(guān)鍵，因此需要做好車(chē)輛駛出用表、車(chē)位使用狀態(tài)表、車(chē)輛信息表設(shè)計(jì)，涉及的信息包括車(chē)輛駛?cè)?、?chē)輛駛出、車(chē)輛駛?cè)霑r(shí)間、車(chē)輛駛出時(shí)間、車(chē)輛牌照號(hào)碼、車(chē)位編號(hào)、車(chē)位使用狀態(tài)、停車(chē)場(chǎng)區(qū)域，以此停車(chē)費(fèi)用計(jì)算、最佳車(chē)位推薦均能夠由此獲得支持；第三，道路環(huán)境信息數(shù)據(jù)表。通過(guò)對(duì)環(huán)境情況的記錄，需要設(shè)計(jì)空氣濕度、溫度數(shù)據(jù)信息表，涉及的信息包括溫度、溫度值、濕度、濕度值、更新時(shí)間。

■3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

本文設(shè)計(jì)智能交通系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Windows系統(tǒng)，同時(shí)使用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)、Node.js平臺(tái)、js腳本、LoRa網(wǎng)關(guān)，信息發(fā)布界面基于B/S架構(gòu)和Web前端設(shè)計(jì)。瀏覽器能夠?yàn)橛脩?hù)提供主要服務(wù)，服務(wù)器端集中核心事物邏輯部分。

3.2.2 路口調(diào)度算法

路口調(diào)度算法負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的路口調(diào)度功能，如城市道路中的行駛車(chē)輛過(guò)多，以往多采用擴(kuò)建路網(wǎng)規(guī)模和增加信號(hào)燈的方式實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)車(chē)輛容量增加，但受到暴躁的機(jī)動(dòng)車(chē)保有量影響，路口的擁塞問(wèn)題無(wú)法由傳統(tǒng)信號(hào)燈較好解決，因此智能交通系統(tǒng)需通過(guò)路口調(diào)度功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈智能控制，這一控制以道路車(chē)流數(shù)據(jù)為依據(jù)，路口交通壓力緩解、車(chē)輛行駛智能調(diào)度可由此實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而保證各路口通行能力。設(shè)計(jì)圍繞單交叉路口進(jìn)行，需要對(duì)車(chē)輛行駛方向和道路建設(shè)規(guī)劃進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合信號(hào)燈，開(kāi)展路口車(chē)輛智能調(diào)度?；谥悄芙煌ㄉ潮P(pán)，設(shè)計(jì)需要部署路口傳感器，同時(shí)設(shè)法提供道路信息服務(wù)。具體設(shè)計(jì)需要設(shè)置檢測(cè)器于道路中，包括用于獲取車(chē)流大小的上游檢測(cè)器，以及用于路口車(chē)輛數(shù)測(cè)量的下游檢測(cè)器，無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)LoRa負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)信息至服務(wù)器，分析和處理數(shù)據(jù)后發(fā)布道路車(chē)流信息?；讷@取的信息，智能交通系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)度滯留于道路交叉口的車(chē)輛，車(chē)輛的高效通行能夠順利實(shí)現(xiàn)，這需要得到路口調(diào)度算法支持，本文設(shè)計(jì)采用遺傳算法，路口車(chē)輛調(diào)度目標(biāo)函數(shù)可表示為：

T、ti分別為信號(hào)燈周期時(shí)長(zhǎng)、四個(gè)相位的綠燈時(shí)長(zhǎng)，iq、pi分別為第i相位的車(chē)輛到達(dá)率、車(chē)輛的駛出率，Si(h)、S(h)代表第i相位車(chē)輛在h周期相位放行后的滯留量、第h個(gè)路口車(chē)輛在交叉路口的總滯留量。設(shè)t1、t2、t3、t4分別為交叉口4個(gè)相位，可基于式（2）進(jìn)行式（1）的極小值求解，以此完成智能路口調(diào)度。

進(jìn)一步的交通量?jī)?yōu)化需要在遺傳算法支持下實(shí)現(xiàn)，遺傳算法流程如圖5所示。

3.2.3 停車(chē)指揮算法

基于城市交通沙盤(pán)，獲取停車(chē)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息后向中心服務(wù)器發(fā)送對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集合，分析和處理后的數(shù)據(jù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)布。智能交通系統(tǒng)的智能停車(chē)誘導(dǎo)功能模塊由信息發(fā)布模塊、中央控制中心模塊、信息傳輸模塊、信息采集模塊組成，中央控制中心模塊屬于其中核心，其需要對(duì)停車(chē)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)最佳停車(chē)位推薦并進(jìn)行路徑誘導(dǎo)，設(shè)計(jì)基于圖6所示的停車(chē)場(chǎng)模型開(kāi)展，以此提供停車(chē)場(chǎng)信息、車(chē)輛信息查看、車(chē)位信息及誘導(dǎo)等功能。

圖 7 部署交通沙盤(pán)傳感器示意圖

設(shè)計(jì)采用路徑誘導(dǎo)算法，這一過(guò)程需首先開(kāi)展影響車(chē)位選擇因素建模，通過(guò)多屬性決策權(quán)重分析，最終形成最佳車(chē)位決策算法，建模涉及行駛距離、步行距離、停車(chē)難度，采用的算法為Dijkstra；多屬性決策權(quán)重分析需要設(shè)法測(cè)量空閑車(chē)位屬性，即停車(chē)難度、步行距離、行駛距離，以此為依據(jù)完成綜合評(píng)估矩陣建設(shè)，輔以綜合集成賦權(quán)法，可確定人們停車(chē)時(shí)對(duì)步行距離的重視程度更高。本文采用灰熵關(guān)聯(lián)理想解方法選取最佳車(chē)位，該方法以多屬性決策為基礎(chǔ)，具體實(shí)踐需要開(kāi)展多目標(biāo)決策模型和加權(quán)決策模型的建立，結(jié)合最差方案和最優(yōu)方案集合，確定最優(yōu)理想方案并計(jì)算相對(duì)貼近度，最優(yōu)車(chē)位可順利明確并同時(shí)獲得推薦路徑。為實(shí)現(xiàn)停車(chē)指揮，需依托智能停車(chē)誘導(dǎo)算法對(duì)各車(chē)位指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算，最佳停車(chē)位可通過(guò)計(jì)算結(jié)果確定，用戶(hù)可基于可視界面數(shù)據(jù)信息選擇最佳車(chē)位，同時(shí)可快速確定到達(dá)車(chē)位的路徑。對(duì)于進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛，車(chē)輛信息能夠由智能交通系統(tǒng)收集，車(chē)位的使用狀態(tài)可通過(guò)中心服務(wù)器輪詢(xún)，進(jìn)而滿(mǎn)足用戶(hù)停車(chē)需要。

■3.3 系統(tǒng)測(cè)試分析

為測(cè)試智能交通系統(tǒng)的性能和功能，需按照?qǐng)D7所示部署交通沙盤(pán)傳感器，數(shù)據(jù)獲取圍繞圖中所示的三個(gè)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)，車(chē)位使用狀態(tài)信息獲取需要將無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)部署于停車(chē)場(chǎng)，車(chē)流數(shù)據(jù)和環(huán)境信息獲取需要將節(jié)點(diǎn)在道路處布置。

測(cè)試過(guò)程需要對(duì)感知層數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行匯聚和驗(yàn)證，同時(shí)基于原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)用層開(kāi)展功能驗(yàn)證。基于測(cè)試可以確定，匯集網(wǎng)關(guān)與無(wú)線(xiàn)傳感器間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信，匯集網(wǎng)能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至服務(wù)器，而在LoRa無(wú)線(xiàn)傳感器的支持下，智能交通系統(tǒng)的三大功能能夠發(fā)揮預(yù)期作用。

4 結(jié)論

綜上所述，智能交通系統(tǒng)能夠較好服務(wù)于新型智慧城市建設(shè)。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的感知平臺(tái)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)、中心服務(wù)器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、路口調(diào)度算法、停車(chē)指揮算法、系統(tǒng)測(cè)試等內(nèi)容，則直觀展示了智能交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)路徑。為更好滿(mǎn)足智慧城市建設(shè)需要，智能交通系統(tǒng)建設(shè)還需要關(guān)注交互體驗(yàn)的強(qiáng)化、各個(gè)路口的聯(lián)合調(diào)度等方面。