2012年--（節(jié)選）外文翻譯--用于交通管理和道路安全的無線傳感網(wǎng)絡（譯文）

1、<p><b>　　5700漢字</b></p><p>　　出處：Pascale A, Nicoli M, Deflorio F, et al. Wireless sensor networks for traffic management and road safety[J]. IET Intelligent Transport Systems, 2012, 6(1): 67-

2、77.</p><p>　　用于交通管理和道路安全的無線傳感網(wǎng)絡</p><p>　　A.帕斯卡爾 M.尼科利 F. 德弗洛里奧 B.達拉基亞拉 U. 斯帕格魯里尼 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡（ WSN）使用的是自供電傳感器件，這些器件通過無線ad-hoc技術彼此聯(lián)

3、系。本研究介紹了基于WSN的交通監(jiān)測技術，綜述了WSN應用于智能交通系統(tǒng)對改善交通質量提高安全性的好處。相比傳統(tǒng)的基于基礎設施的監(jiān)控系統(tǒng)，該技術長處在于其方便于沿路部署密集的傳感器，使得流量參數(shù)的采樣更足，從而獲得更高的空間分辨率。在本文研究成果中將通過對一組實驗數(shù)據(jù)的分析,解釋高空間分辨率是如何做到提高交通建模的可靠性以及短期交通狀態(tài)預測的準確性的。這一實驗分析用到了加州大學伯克利分校高速公路績效評價體系和加州運輸部發(fā)布的數(shù)據(jù)。一個微

4、型蜂窩式自動無線通訊系統(tǒng)模型用于估算在一段交通流量異常的路段上，隨著時間的推移，交通流量和交通占用率情況。分析表明，增加有源傳感器數(shù)量能使估計精度提高，這在無線傳感器網(wǎng)絡為基礎的監(jiān)測系統(tǒng)中是可以實現(xiàn)的。</p><p><b>　　1、簡介</b></p><p>　　目前交通行業(yè)的主要關注點是如何通過提高運輸效率、質量、安全性，以及減少對環(huán)境有破壞的能源的使用，來實

5、現(xiàn)交通運輸行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標。而智能交通系統(tǒng)（ITS）將通過整合遠程信息技術（電信、電子與信息技術）與運輸工程技術促進此目標的實現(xiàn)。交通信號的自適應調節(jié)，匝道控制，搜集航路駕駛信息，車輛路線優(yōu)化，停車指導，故障檢測和管理功能是智能交通系統(tǒng)應用于交通管理的關鍵。所有這些功能的實現(xiàn)都需要系統(tǒng)有可靠且連續(xù)的交通數(shù)據(jù) （通常指的是車流量，速度和道路占用情況 ），這些數(shù)據(jù)可由部署在整個路網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡提供。盡管智能交通管理的戰(zhàn)略效用（降低事故率

6、，縮減旅行時間和減少燃料消耗以及隨之而來的污染）已經被科學界廣泛的分析和證明，但由于缺乏足夠好的交通監(jiān)測技術，實際應用中智能交通系統(tǒng)的大部分功能都沒有實現(xiàn)。典型的監(jiān)控配置有檢測點，在最好的情況下，大約每0.5 - 1公里有一個，但實證分析表明在城市地區(qū)，為了控制擁塞和改進安全，更高的采樣密度是必需的。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)中，測量儀器例如感應線圈，磁強計，微波雷達，紅外和視頻圖像處理，都需要一個固定的有線基礎設施提供電力、控制設備和收集測得的數(shù)

7、據(jù)。鋪設電纜、安裝設</p><p>　　如今基于移動或固定無線互聯(lián)傳感裝置的高分辨率交通監(jiān)測技術不斷涌現(xiàn)。在移動系統(tǒng)中，探測車感知車輛的位置和速度用以做定位，移動無線終端共享感測到的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)優(yōu)點是低成本（無固定需的基礎設施）和高靈活性（采樣交通流較高，在堵塞等高密度的情況下，他們是真正有用的） 。另一方面，主要的缺點是可靠性和準確性，受限于裝備的擴散網(wǎng)絡和它們整體數(shù)量的普及率。特別是對于市區(qū)頻繁擁堵，一種

8、可能的解決辦法是整合基</p><p>　　于探測車-基礎設施的監(jiān)測系統(tǒng)，或是基于探測車-公路嵌入式無線傳感器的系統(tǒng)。在本文中，我們側重于第二類技術-基于固定無線探測器。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡代表了一種交通檢測技術的突破，即結合低成本的小型車輛探測器（電池供電或是可充電系統(tǒng)供電）與可擴展的自組建控制無線網(wǎng)絡。傳感器尺寸約幾個厘米使安裝方便快捷。精度被證明可以與回路系統(tǒng)相媲美，

9、但有更低的故障率。相對于現(xiàn)有的監(jiān)控維護技術，無線連通性降低了安裝成本，并在同一時間，提供了一個更大的部署的靈活性：大量的傳感器，安裝在整個路網(wǎng)，提供全面和高分辨率交通動態(tài)信息。交通變量的這種密集</p><p>　　采樣增強了空間分辨率，從而產生了一個實際上的交通流量的持續(xù)重建過程。</p><p>　　本文闡述了基于交通檢測的無線傳感器網(wǎng)絡的基礎知識，它綜述了智能交通系統(tǒng)應用的好處，并展

10、示了可以提高建模能力的更高密度的數(shù)據(jù)收集是如何重構的交通流的時空演變和本地化道路上檢測到的異常。該分析的實驗數(shù)據(jù)由加州大學 - 伯克利分校高速公路績效測量系統(tǒng)（ PEMS ）和加州交通運輸部提供 。</p><p>　　本文涉及到智能交通系統(tǒng)的一般結構，各種服務可被提供給用戶，其中，數(shù)據(jù)采集主要是基于無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，具體如圖1所示。整個網(wǎng)絡中，傳感器部署在整個道路，負責收集和轉發(fā)測量數(shù)據(jù)到遠程服務器。服務

11、器收集和處理錯雜的監(jiān)控設施產生的宏觀車流參數(shù)，然后分發(fā)數(shù)據(jù)到交通管理中心，道路控制單元（ RCU）和信息提供者。這些宏觀參數(shù)可用于流量分析管理和道路安全應用。所有這些子系統(tǒng)可以合理地使用，得益于如下面討論的無線傳感器網(wǎng)絡技術。</p><p>　　部署交通傳感器，結合車對車和車對基礎設施的通信的新標準，不僅能提供更多的流量數(shù)據(jù)，也能代表在道路安全領域，智能基礎設施已經起步?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的高空間分辨率監(jiān)控系統(tǒng)

12、，能夠在危險的情況下（如意外事故或交通堵塞），通過道路基礎設施快速識別，警告并作出反應，以此提高道路安全。無線傳感器網(wǎng)絡在安全應用方面可取的一大優(yōu)勢是自動事件檢測（AID），AID依賴于檢測技術來檢測和定位事件，無論是時間還是空間上的定位，都基于觀測到的交通數(shù)據(jù)流。就檢測速率和本地化事件解決而言，無線傳感器網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)提供的這種高的采樣部署能夠提高AID性能。另外，高采樣部署也能夠減少因為個別傳感器故障引起的數(shù)據(jù)流失。</p>

13、;<p>　　公路和交叉路口嵌入式無限傳感器網(wǎng)絡還能顯著增強城市交通控制的效果。電流驅動和自適應調節(jié)在交叉路口控制的典型應用是，使用有限傳感器（主要是感應線圈和數(shù)字圖像處理（VIP）），根據(jù)所感測到的交通狀況（如正在接近的車輛的長度和種類），自適應的調節(jié)交通信號燈，在有些交通燈控制應用中，紅綠燈的分段時間是進行了優(yōu)化的，這樣做是為了處理車輛隊列，或是讓公共交通車輛能優(yōu)先通過。慕尼黑的MOBINET項目就是一個創(chuàng)新的、基于自

14、適應控制系統(tǒng)的例子，控制所需數(shù)據(jù)通過不同傳感設施（電磁傳感器、雷達、攝像頭、氣象站）獲得，WSN對于交通狀況的精準的估計，能夠提高這種系統(tǒng)的性能。另外，無線傳感網(wǎng)絡可以實現(xiàn)對車輛的檢測和識別，這能被用來估算某輛車的駕駛時間。</p><p>　　本文的主要關注點是交通變量的高精度測量，這對于交通流量模型的設計和校準也相當重要。過去一段時間和最近一段時間的數(shù)據(jù)是交通預測的基礎，同時也是許多目前正在使用和正在研究的交

15、通控制系統(tǒng)的重要的輸入信息。宏觀交通流量模型將交通參量（車流、密度、車速）轉換為流體動力學數(shù)量，而微觀模型跟蹤單一車輛的軌跡。近來，基于貝葉斯網(wǎng)絡的新交通預測方案已經準備實施，而預測主要靠傳感器采集的時空相關的數(shù)據(jù)。遍布的無線傳感網(wǎng)絡允許從單一車輛到整個空間車況的檢測，能夠平衡宏觀模型和微觀模型。觀測是很重要的，但是，準確的交通監(jiān)管系統(tǒng)還必須保證在少數(shù)傳感器失靈、誤操作、數(shù)據(jù)不連貫等情況下仍然能正確工作。 本文中，一種基于蜂窩式自動無線

16、通訊系統(tǒng)（CA）的仿真工具用來模仿在丟失時空相關數(shù)據(jù)部分后傳感器數(shù)據(jù)傳遞過程。PEMS使用契合于實際系統(tǒng)的電磁檢測器部署（與無線傳感器網(wǎng)絡相媲美）校準和檢測該模型校準提供的數(shù)據(jù)的真實性。建模/設計工具重構在數(shù)據(jù)部分缺失與流量異常（即，擁堵）場景下的交通參數(shù)。這項研究通過改變流量檢測器隨空間的部署密度，以探討空間部署對流量估計的準確度的影響。數(shù)值結果表明，該模型具有正確地再現(xiàn)流量的能力，特</p><p>　　綜述

17、本文所做的貢獻如下：</p><p>　　·對基于無線傳感器網(wǎng)絡的高分辨率交通監(jiān)控系統(tǒng)的潛力進行了分析，強調其在成本和性能上的優(yōu)勢，以及對交通質量和安全的影響。對無線網(wǎng)絡架構，協(xié)議和主要技術問題進行了討論。</p><p>　　·對交通模型在實際應用中得到的數(shù)據(jù)進行了定量分析，研發(fā)了基于CA的微型交通模型，并用PEMS監(jiān)控系統(tǒng)提供的流量的真實數(shù)據(jù)校準它。該模型借助大量

18、不同傳感器收集的數(shù)據(jù)對交通流量評估性能進行研究，雖然用于此分析的流量數(shù)據(jù)來自傳統(tǒng)的感應線圈，但這里的目的是研究傳感器密度對交通評估的影響，而不是數(shù)據(jù)源的影響，所以得到的結果可被認為具有普遍有效性。該分析顯示了傳感器的部署對于可靠的交通流重現(xiàn)的重要性，并證實高密度的監(jiān)測技術具有巨大潛力。</p><p>　　2、基于無線傳感網(wǎng)絡的交通檢測</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡是一種小型電池供電

19、設備的網(wǎng)絡，能夠感測物理環(huán)境，例如：磁場、聲波、溫度、濕度、光、位移等，通過無線通信相互共享遙感數(shù)據(jù)。交通監(jiān)視應用中，該設備配備有一個檢測流量的傳感器，與低功率無線收發(fā)器一起封裝后安裝在路面上，既可以在道路中間也可以在路邊。</p><p>　　相較于電纜為基礎的技術，無線傳感器網(wǎng)絡解決方案在安裝，維護，精度和可靠性（和電纜為基礎的系統(tǒng)相同時）方面更符合成本效益。此外，它的硬件/軟件平臺可以是動態(tài)的，可以重新配置

20、新功能或容錯性能。異構傳感器可以集成在同一塊設備上感測各種安全相關的路況（例如，溫度和濕度傳感器，用于檢測冰，雪，雨；加速度感測橋梁和路面的結構損害；聲學傳感器，磁力計，紅外傳感器或其它類型的設備被用來檢測障礙，車輛逆行駛或速度等等） 。無線電通信系統(tǒng)可以用來開啟直接監(jiān)測基礎設施與通過車輛之間的通信，前提是這些車輛是根據(jù)新的無線標準安全中的道路-車輛通信的車輛。這些新系統(tǒng)可以使道路本身成為管理的積極參與者，通過感知自身的情況，反應關鍵信

21、息（如事故），與過往車輛交換實時的交通與安全信息（例如，研究項目SAFESPOT [ 14 ] ， COOPERS</p><p>　　[15] ， CVIS [16]） 。由于設備體積小，它們可以一個接一個地安裝得非常接近，從而能讓道路交通變量有一個進乎（空間）連續(xù)的監(jiān)測。此外， ad-hoc網(wǎng)絡的協(xié)議和協(xié)同處理算法使網(wǎng)絡能在異常情況下（例如，事故）自我提醒 ，自我組織和自我維護。無線傳感器網(wǎng)絡的另一個特點是合

22、作：節(jié)點可以通過多級跳點通信傳輸和處理數(shù)據(jù)， 例如，低功耗制約情況下對本地車輛檢測，數(shù)據(jù)融合和異常檢測 。</p><p>　　2．1、無線傳感裝置</p><p>　　嵌入在無線監(jiān)視裝置中的傳感器，應根據(jù)系統(tǒng)限制來選擇，例如尺寸和成本，精確度和可靠性，機械應力阻力（惡劣的道路環(huán)境）和能源消耗。對于路面監(jiān)控，最關鍵的要求是能量效率，由于裝置是由電池供電的，并且它預定自主工作多年，不更換電池

23、或充電。因此，節(jié)約型的能源預算是強制性的，設計者需要做一個使用電池的吝嗇鬼。</p><p>　　關于在所述無線裝置中進行整合的傳感器類型，目前的方案是基于磁力計 ，聲傳感器和紅外傳感器 。對于以無線傳感器網(wǎng)絡為基礎的流量監(jiān)控，磁力計，由于其尺寸和功能的特點，是目前被認為最有前途的傳感器。它們通過沿兩個或三個空間軸感應出的磁場的變化</p><p>　　檢測車輛存在，長度和速度。不同磁性圖

24、案可用于估計隊列長度，認識各類車輛和估計行程時間。為了替換常規(guī)感應環(huán)系統(tǒng)，基于磁力計的無線監(jiān)控網(wǎng)絡已經于最近開發(fā)。詳盡的性能分析[ 7 ]證明了磁力計在沒有更好選擇的情況下，其準確度、抗電磁干擾能力、抗機械應力能力、維護和安裝時間（需要花費時間中斷交通）能與常規(guī)感應環(huán)系統(tǒng)相媲美。另外，磁力計不會對車輛行駛造成不利影響。</p><p>　　在復雜的情況下，可能需要將磁力儀與其它傳感器結合，比如在大型城市十字路口，

25、也需要控制行人流量（即在人行橫道），因此需要對車輛和行人雙監(jiān)控[41]。</p><p>　　聲學傳感器通過檢測車輛交通產生的聲音，測量是否有車輛、車輛通行和車輛速度。聲傳感器的安裝是不需要侵入道路的 ，它們被放置在道路側，或中心巷道上面。在后一種情況下，該裝置能夠監(jiān)測最多五，甚至七路車道，這是一個巨大的優(yōu)勢，5 – 7個雙感應線圈可以被替換成1個單聲傳感器。缺點是靈敏度受溫度（特別是寒冷的溫度）影響，且在車輛停

26、停走走或車輛速度慢時精度低，另外相比磁力計成本高。</p><p>　　被動式紅外傳感器通過可視場中物體發(fā)射的光測量熱源。通過測量輻射能量在場景中的變化，它們可以用于檢測車輛，行人或自行車。多區(qū)域傳感器能夠測量車輛存在，流量，速度和車長，性能與感應線圈相媲美。同時安裝不侵入，多車道車輛存在檢測，可使用側面安裝模式。然而，它們對惡劣天氣（雨，雪）非常敏感 ，并且容易因為對太陽光的反射發(fā)生誤報。</p>

27、<p>　　在研究工作中，以新型光電子器件做的泊車傳感器也進行了測試[43]。耦合安裝后，它們能獲得準確的車輛數(shù)和速度。其優(yōu)點是體積小，價格低，而主要的缺點是無法區(qū)分車輛行人和摩托車。</p><p>　　2.2、無線傳感網(wǎng)絡技術及網(wǎng)絡協(xié)議</p><p>　　大規(guī)模，可靠和具有成本效益的無線傳感器網(wǎng)絡的交通監(jiān)視和控制系統(tǒng)的設計 </p><p>　　必

28、須符合以下技術要求：</p><p>　　1． 能源效率。傳感器預期自主運行多年不更換（比如說最高交通量情況下10 - 15年）。滿足這一要求一個可能的辦法是從環(huán)境中采集能量：比如可以使用壓電器件，通過車輛輪子的壓力振動自主充能 ；或使用其他可用于充電電池或傳感器的能源如太陽能（供電電池的無線傳感器網(wǎng)絡具有幾乎無限的壽命，見[ 44 ] ）。這種技術不準備應用在市場上，但是可作為新興的低功耗傳感應用的原型。另一方

29、面，目前現(xiàn)成的設備是基于電池供電的傳感器，對于使用這種類型技術的監(jiān)控裝置，可以通過盡可能減少消耗的能量延長電池的使用壽命，</p><p>　　這是至關重要的。為了這個目標，必須設計無線點對點協(xié)議以使無線通信高能效，獲得無線設備通信耗時最小的方法。時分多址（TDMA ）協(xié)議是最適合的，因為它能避免閑置設備監(jiān)聽產生的能源浪費，，從而使電池更有效使用。</p><p>　　2．自配置和自維護。

30、網(wǎng)絡必須能夠自組織，以適應不斷變化的環(huán)境和傳感器故障時重新配置的情況。不需要現(xiàn)場的維修業(yè)務（只遠程診斷）。</p><p>　　3．可擴展性。網(wǎng)絡應能夠滿足大規(guī)模的擴展操作，而不需要考慮交換信息的監(jiān)測設備的數(shù)量。</p><p>　　4．數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。可靠的通信，保證感測裝置之間的連通，是絕對的要求，但因為是低功率無線電而且可能是惡劣環(huán)境，這也是在無線傳感器網(wǎng)絡中一個顯著挑戰(zhàn) 。由于有

31、限的傳輸距離，數(shù)據(jù)傳輸可能需要多跳到達接入點（多跳通信）。多跳協(xié)議旨在得到可靠的連接。為應對在相同的頻率范圍內其它設備造成的干擾，需要有數(shù)據(jù)質量控制策略（標準/混合自動重復請求ARQ/ HARQ）。</p><p>　　5．高密度的傳感器。為了提供精確且?guī)缀踹B續(xù)的交通流量監(jiān)測，可能需要每20-200米就采樣，當然，具體取決于特定的車流環(huán)境（如：在城市路口需要高傳感器密度，在非市區(qū)和高速公路就可以降低傳感器密度）。