第 12 期
倪维健等: 一种智能交通信息采集系统的设计与实现
一 种 智 能 交 通 信 息 采 集 系 统 的 设 计 与 实 现 *
倪维健 1 , 康叶伟 2, 赵海山 2 , 黄 亚楼1
( 1. 南 开大学 软 件学 院, 天 津 300071; 2. 南 开大 学 信息 技术 科学 学院 , 天津 300071)
·172·
摘 要: 介 绍了 一种 智能 交通 信息 采集 系统 的设计 方案 , 对 数据 的 检 测 和 传 输 分别 建 立 了 数 学 模 型; 在 此 基 础
上, 从交 通信 息的 采集 、传 输和 实时 预处 理 三 个 方 面 介 绍 了 本 系 统 的 设 计 和 实 现。 经 测 试, 该 系 统 工 作 性 能 良
好, 适合 进一 步推 广。
关键 词: 智 能交 通系 统; 串行 通信 ; 传感 器; 通信 协议
中图 法分 类号 : TP302
文章 编号 : 1001- 3695( 2006) 12- 0271- 04
文献 标识码 : A
Design and Implementation for Intelligent
Transportation Information Collection System
NI Wei-jian1, KANG Ye-wei2, ZHAO Hai-shan2, HUANG Ya-lou1
( 1. College of Software, Nankai University, Tianjin 300071, China; 2. College of Information Technical Science, Nankai University, Tianjin
300071, China)
Abstract: Intelligent transportation system is a new type of transportation system which utilizes new technology in the tradi-
tional transportation system. We introduce a scheme of intelligent transportation information collection system and make mathe-
matical models on the process of data detection and transportation. The implementation of the system is represented from the
point of view of detection, transmission and real-time pretreatment of traffic information based on the modeling. The system we
designed works well in the road-test and adapts to future popularization.
Key words: Intelligent Transportation System; Serial Communication; Sensor; Communication Protocol
智能交 通系 统( Intelligent Transportation System, ITS) 是 在
较完善的基础 设施 ( 包 括道 路、港口、机 场和通 信) 之 上, 将 先
进的信 息技术、通信技术、控制技 术、传感 器、计 算机技术和 系
统综合技术有效地集成, 并应用 于地面 运输系 统, 从 而建立 起
大范围内发 挥 作用 的, 实时、准 确、有 效的 运输 系 统 [ 1] 。智 能
交通系统的本质是将高新技 术应用 到交通 信息的 采集、传输、
处理和反馈的各 个环 节, 最 大限 度 地实 现各 类 交通 信息 的 共
享, 并对其进行综合分析, 进而 提高交 通系统 的运行 效率和 安
全性能, 实现 交 通 系统 的 集 约式 发 展。从 技 术角 度 来 讲, ITS
涉及到包括信息技术、通 信技术、控制 技术和 计算机 技术等 多
个学科领域知识的综合, 具体主 要包括 交通信 息的检 测、传 输
和处理等。
1 体系结构
1. 1 交通信息采集系统结构
交通信息采集系统主要由激光传感器、传感器控制器组成
的传感器组和数据采集器组成。它们之间通过 RS-485 网 络进
行通信。其结构如图 1 所示。
当车辆在道路上通过时, 传感器控制器控制激光传感器检
测这些交通信息, 将这些交通信息进行快速处理后得到原始交
通数据, 数据采集器每隔 一定的 循检周 期, 通 过串行 网络向 传
收稿日期: 2005- 09- 05; 修返日期: 2006- 03- 27
基金项目: 天津市科技攻关培育项目( 033104711)
感器控制器 采集 这些 原 始交 通数 据, 并 进行 实 时预 处理。 车
速、车型的高精度检测和实 时、可靠的 交通数 据传输 是本系 统
设计的关键。
道
路
激光传感器 1# 激光传感器2# 噎 激光传感器 2n-1# 激光传感器 2n#
传感器控制器1#
传感器控制器 n#
噎
RS蛳485 网络
数据采集器
图 1 交通信息采集系统结构图
1. 2 交通信息采集系统与 ITS 中其他系统的关系
本智能交通信息采集系统 是图 2 所 示的智 能交通 系统 的
一部分。此智能交通系统主要由信息采集、数据中心和信息分
析处理三个子系统构成。其 中, 信 息采集 子系统 负责检 测、传
输原始交通数据, 并对原始交通数据进行实时预处理后提供给
数据中心, 为整个智能交通 系统提 供基础 数据支 持; 数据中 心
对实时交通数据进行不同类型的存储, 并为信息分析处理子系
统提供查询支持和 Web 服 务; 信息 分析 处理 子系 统对 交通 数
据进行统计、分析、显示, 提供交通状况信息及出行指导信息。
2 交通信息的检测
本系统使用激光回波脉冲法来实现交通信息的检测, 基于
激光技术的车辆检测方法具有架设简单、方向性强和测量精度
高等优点 [ 2] 。
·272·
计算机应用研究
2006 年
2. 1 交通信息检测的数学模型
2. 3 传感器控制器的设计
在实际安装中, 两个激光传感器和一个传感器控制器组成
一套检测设备。激光传 感器 安装 在距 离 道路 上方 H 处, 两 个
激光传感器之间的距离为 d( 图 3) , 另设 激光传感器 发送激 光
脉冲与收到回波脉冲的时间间隔为 t, 激光脉冲速度 为 C, 车辆
前端、后端分别通过激光传感器 A 的时刻为 t0 , t1, 通过激 光传
感器 B 的时刻为 t2, t3 。那么:
车 高 h = H - C ×t
2
, 车速 v =
车 长 l = v ×( t1 - t0 ) = d ×
d
t2 - t0
t1 - t0
t2 - t0
车 型 Type = f( h, l) ( 函数 f 根 据实际 情况 定义)
最终用户
交通信息分析处理子系统
违章警告 地图系统 数据显示
数据中心
实时数据 数据转存 统计数据
服务
Web
交通信息
采集子系统
数据格式化 实时显示
传感器 传输网络
交通信息
d
h
粤
l
月
H
图 圆 智能交通系统结构图
本系统检测的目的是获取车速和车型等原始交通数据, 图
2 中的信息分析处 理子 系统 在此 基础上 可进 一步 计算 得到 流
量、道路占有率等统计交通数据。
图 猿 交通信息检测原理
v
2. 2 激光传感器的设计
激光传感器主要由光电 发射单 元、光 电探测 单元、测距 单
元和光学系统单元等组成。传 感器控 制器产 生发射 控制编 码
信号后, 信号经发射驱动 电路进 行功率 放大, 使激励 电源产 生
发光需要的高压, 驱动发光器产生光脉冲。光脉冲经发射光学
单元产生一定视场的光束, 光脉 冲经地 面或汽 车反射 后, 进 入
接收光学单元。接收光学单元 将反射 光汇聚 到光电 转换器 光
敏面上, 光电转换器将光脉冲转换为电脉冲。电脉冲经放大处
理后, 由测距电路利用发射脉冲和回波信号进行实时测距。传
感器控制器对测距信号进行分析处理后, 即可判别车辆是否存
在以及车辆的行车时刻。激光传感器内部结构如图 4 所示。
发射光学单元
发光器
激励电源
驱动电路
接收光学单元
光电
转换器
前放及
主放电路
测距单元
传
感
器
控
制
器
图 4 激光传感器结构图
本系统使用窄脉冲发射及 脉冲前 沿处理 补偿技 术实现 高
精度实时测距。若窄脉冲使 用等效 三角波 表示, 设 VS 为信 号
幅度, VN为噪声幅度, ΔR 为作用 距离精 度, tr 为光 脉冲 上升 时
间, B 为信 噪比, 为 光 速, 由 于
Δt
tr
=
VN
VS
, ΔR = 1
2
C ×Δt, B =
, 则 ΔR = C
VS
VN
系统的测距精度 ΔR = 0. 25m。
tr
2B
。若取 C = 3 ×108 m/s, tr = 5ns, B = 3, 那么
传感器控制器的作用有: ①控制激光传感器激光脉冲的发
射; ②快速处 理激光传感 器传送的测距 信号, 提取车速、车长、
车高等原始交通数据; ③暂存并上传原始交通数据。
由于激光传感器检测到的交通数据量比较大, 为了减轻传
感器控制器的工作负荷, 保 证系统 的实时 性和可 靠性, 传感 器
控制器使用 主从 式 单片 机 系统 设计 [ 3] 。 其主 要由 串 / 并 口 接
收单元、测距信 号处 理单 元 ( 从机 ) 、实时 通信 单 元 ( 主 机) 组
成。其结构如图 5 所示。激光传感器 A, B 通过 串口传送车 辆
通过的时间信息, 并口传送高度信息, 串 / 并口接收单元实时地
将 这些信息传送 给从机; 从机对串 / 并口数据进 行处理后计 算
得到车型、车速, 主机从计时器中取出当前时刻与车型、车速信
息 组成如表 1 所示的原始交通数据后存储至 RAM 中; 同时, 主
机负责接收数据采集器 的通信 中断, 通过 RS-485 网络 上传 原
始交通数据。
激光传感器 粤 激光传感器 月
串辕并口接收单元
栽ime
单片机
渊从机冤
RAM
I/O
单片机
渊主机冤
双工串行
通信接口
图 缘 传感器控制器结构图
表 1 原 始交 通数据 格式
砸杂蛳485 网络
车 速 ( 8 bits) 车 型 ( 4 bits) 小 时 ( 8 bits) 分 钟 ( 6 bits) 秒 钟 ( 6 bits)
3 交通信息的传输
3. 1 通信网络结构
本系统中数据采集 器( 硬件 载 体是 PC) 的 一个 串口 与 多
套 检测设备组成一个通信子网。每个通信子网使用 RS-485 总
线 进行数据传输, 并附加 RS-485 中继器以延长传输距离; 数据
采集器使用 PC 的 串口 与由 单片 机构 成的传 感 器控 制器 进 行
串行通信。这种通信网络 结构 具有 如下特 点: ① RS- 485 串 行
通信可靠性较高、使用传输 介质少, 而 且在中 继器的 辅助下 可
以进行较长 距 离 的 传 输; ② PC 和 单 片 机 系 统 均 较 好 地 支 持
RS- 232 串口通信, 系统软硬 件实 现较 为方 便 [ 4] 。通信 网络 物
理结构如图 6 所示。
RS蛳232
RS蛳232
数据
采集器
RS蛳232辕
源愿缘转换器
RS蛳485 总线 中
继
器
中
继
器
RS蛳232辕源愿缘
转换器 噎 RS蛳232辕源愿缘
传感器控制器 传感器控制器
转换器
图 远 信息采集系统通信网络物理结构
3. 2 通信帧的设计
本系统通信帧的一 般格 式 如表 2 所 示 ( 以 下为 了方 便 说
明数据通信的实现, 将数据 采集器 简称为 上位机, 传 感器控 制
器简称为下位机) 。
表 2 通信帧 格式
起 始 符 包 类 型 地 址 数 据 长 度 单 车 信 息 1 … 单 车 信 息 n CR C
( 1) 起始符固定为 0xFF00, 占 用两个 字节, 用 来标 志一 个
通信帧的开始。
此外, 本系统采用窄带 滤光片 和幅度 鉴别电 路、时 域控 制
电路, 调整电路信噪比以 消除阳 光干扰 和内部 噪声干 扰; 在 系
统上电后, 进行自校准及 路面高 度自装 订, 保 证了对 环境的 自
适应性。
( 2) 包类型字段 占用一 个字 节, 用于 标 志数 据帧 的 类型,
进而使 通 信 双 方 确 定 对 方 的 当 前 动 作。 具 体 取 值 为 0x00,
0x01, 0x02, 0xFF, 分别用于标志数据请求帧、地址探 测帧、地 址
应答帧和数据帧。增加包类型 字段的 取值可 以使本 系统具 有
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倪维健等: 一种智能交通信息采集系统的设计与实现
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良好的可扩展性。
( 3) 地址字段占用一个字节, 在上位机 发送的帧 中用来 标
志地址探测或数据请求的下位机对象; 在下位机发送的帧中用
来标志本机, 使上位机确定所接收的帧的来源。
( 4) 数据长度字段 占用 两个 字 节, 当包 类 型为 0xFF 时 为
单车信息字段的长度; 当包类型为 0x00, 0x01, 0x02 时为 0。
( 5) 单车信息字段用来记录下位机所 检测到的每辆车的交
通原始数据( 结构如表 1 所示) , 长度为四个字节。数据帧中单
车信息字段的个数 n 为下位机在当前周期内检测到的车辆数。
( 6) CRC 字段用于错误检测, 占用两个字节。
综上所述, 地址探测帧、地址 应答帧 和数据 请求帧 的长 度
为 2 + 1 + 1 + 2 + 2 = 8( Bytes) , 数 据帧 长 度为 2 + 1 + 1 + 2 +
4n + 2 = 8 + 4n( Bytes) 。
3. 3 通信流程
在实时通信过 程中, 上位 机周 期 触发 与每 个 下位 机 的 通
信, 主动向某个下位机进 行地址 探测或 数据请 求, 该 下位机 收
到请求后回传相应的应答帧, 完成与上位机的一次通信。具体
的通信流程如下。
( 1) 上位机。与其 连接的 所有 下位 机通 信 一遍 即为 一 个
通信周期。通信 周期 开 始时, 首 先判 断 是否 需 要进 行地 址 探
测, 如果 满足 以下 条件: ① 系统 首次 通信; ② 已通 信了 较长 时
间, 需要刷新地址列表; ③人为指定需要地址探测, 那么转入地
址探测过程; 否则不需要地址探测, 开始接收数据, 当上位机接
收完地址列表中的 所 有下 位机 RAM 中 的原 始 交通 数据 后 当
前通信周期结束, 之后新的通信周期 开始( 一 个通信 周期的 通
信流程如图 7 所示) 。
通信周期
开始
需要地址
探测
Y
N
地址探测 确定地址
列表
数据接收 通信周期
结束
使用默认地址列表
图 7 上位机一个通信周期的流程
在地址探测过程中, 上位机依次向地址空间内的所有下位
机发送地址探测帧, 每次发送完后即开始定时等待。如果在指
定时间内收到下位机回传的地址应答帧且帧格式正确, 那么就
把这个下位机对应的地址添加至地址列表中, 否则就把这个地
址从地址列表中删除; 之后向地址空间中的下一台下位机发送
地址探测帧……这样上位机与 地址空 间中的 所有下 位机通 信
一遍后, 就可以确定其连 接的每 台下位 机的地 址, 使 整个通 信
过程可以自动适应通信网络中由于故障、维护等原因所引起的
下位机节点数目的变化。
在数据接收过程中, 上位机依次取出地址列表中的每台下
位机的地址, 发送数 据请求 帧, 然 后进入 定时等 待。在指定 时
间内收到下位机的数据帧且格式正确, 就把这个数据帧中的单
车信息取出并保存, 否则就认为出现了通信错误。如果该下位
机的累积连续通信错误次数超过某阈值, 就认为该下位机出现
故障, 将其从地址列表中删除。之后上位机取出下台下位机的
地址, 重复上述接收过程。
( 2) 下位机。在工作过程中, 它 根据激光 传感器 的脉冲 变
化不断生成原始交通数据。当上位机的通信帧到来时, 将触发
下位机的中断, 下位机接 收中断 后分析 通信帧 的功能 字段, 如
果是地址探测帧, 那么就把本机的地址封装成地址应答帧发送
给上位机; 如果是数 据 请求 帧, 那 么就 把当 前 RAM 中的 交 通
数据封装成数据帧发送给上 位机; 如果通 信帧格 式错误, 为 了
保证通信的实时性, 直接丢弃该帧, 从通信中断中返回。
3. 4 数据通信的数学模型及性能指标
在考察城市实际车流情况的基础上, 本系统中激光传感器
的最大检测频率 fmax = 2, 即 其每 秒钟 最 多可 检 测两 辆车。 此
外, 本系统 设 置 串 行 通 信 的 基 本 单 元 为 11bits( 内 含 起 始 位
1bit、数据位 8bits、校验位 1bit、停止位 1bit) 。
定义 1 地址探测率 α为 每次 通信 周期 中需 要进 行地 址
探测的概率, 0 < α≤100% 。
定义 2 循检周期 T 为图 7 所 示的 一个 通信 周期 的平 均
时间, 即 T = t1 ×α+ t2, 其中 t1 为地 址探测需要的 时间, α为 地
址探测率, t2 为接收数据帧需要的时间。循检周期描述了系 统
的数据传输延时, 同 时, 传 感器 控 制器 的 RAM 必须 至少 可 以
缓存一个循检周期 T 内 传感 器产 生 的交 通数 据; 否 则缓 冲 区
将溢出。
定义 3 路段繁忙率 η为 传感 器平 均每 秒实 际检 测到 的
车辆数与 fmax的 比值。η可 以衡 量 该路 段的 实 际 交通 繁 忙 情
况, 0≤fmax≤100% 。
定义 4 等效数据量 M 为 在一个 通信周 期内数 据采集 器
与一个传感器控制器之间 通信的 平均字 节数。如果 地址探 测
率为 α, 那么 根据 表 2 所示 的通 信帧 结构, M = ( 8 + 8) ×α+
8 + 8 + 4 ×( fmax ×η×T) 。
定义 5 可提供带 宽 Bprovide 为 RS- 232 /485 串 行网 络可 提
供的带宽, 本系统设置 Bprovide = 9 600bps。
定义 6 需求带宽 Brequire 是为了让所有传感 器控制器把 从
激光传感器接检测到的所有数 据上传 给数据 采集器 所需要 的
通信网络带宽。
根据上述定义, 设数据采集器每个串口连接的传感器控制
器数量为 n, 那么, Brequire = n ×M ×11
T
bps
在正常通信的条件下, 必须使 Bprovide≥Brequire , 即
B provide
≥ n ×M ×11
T
=
n ×[ ( 8 + 8 ) ×α+ ( 8 + 8 + 4 ×2 ×η×T) ] ×11]
T
考虑到最坏情况, α= 100% , η= 100% , 可得
88n +
352
T
×n≤9 600
此时传感器控制器个数 n≤ 9 600
88 + 352
T
情况下, 如果 η= 85% , α= 1% , 那么
( 1 )
< 109; 在通 常的交 通
( 2 )
( 3 )
74. 8 n + 177. 76n
≤9 600
T
如果把 Bprovide 增加至 19 200bps, 那么
74. 8 n + 177. 76n
≤19 200
T
图 8 为式( 1) ~式( 3) 对应的函数曲线。
80
70
60
50
40
30
20
10
0
波特率 :9 600
浊=100%,琢=100%
式(1)
载院员园园再院源源
波特率
:员9 圆00
浊=100%,琢=100%
式(圆)波特率:9 600
琢
式(猿)
=1%
浊=愿5%,
50
100
下位机个数 n
150
图 8 数据通信数学模型曲线
200
·472·
计算机应用研究
2006 年
从图 8 中可以 看出, 本系 统在最 繁忙的 交通环 境下( α=
100% , η= 100% ) , 数据采集器 每个串 口连接 的传感 器控制 器
个数 η= 100, 循检周期即最大数据传输延时 T = 44s, 传感 器控
制器需要的最大 RAM 容量为
T ×fmax ×单 车信 息字段 长度 = 44 ×2 ×4 = 352( Bytes)
这是本系统的性能指标, 式( 2) 和式( 3) 的曲线表明, 如果处
于通常的交通环境或提高 Bprovide, 本系统将具有更好的实时性。
4 交通信息的实时预处理
为了有效地向数据服务系统提供实时交通数据, 并向用户
反馈即时交通信 息, 本 系统 需对 原 始交 通数 据 进行 实时 预 处
理, 主要包括两个方面:
( 1) 原始交通数据的转存
数据采集器通过串口接收 到的是 数据帧 形式的 原始交 通
数据, 必须将其格式化为关系元组形式的实时交通数据以供信
息分析处理系统处理。处理过程是: ①取出接收缓冲区中的数
据帧的帧头, 得到地址字段和长度字段。②依照长度字段对帧
头之后的数据依次取四个字 节进行 分析, 得到 车速、车型和 时
间, 并附加地址信息得到实时交通数据, 暂存至数据缓冲区中。
③每个循检周期结束后, 将数据缓冲区的实时交通数据转存至
图 2 所示的数据中心的实时数据表中。
( 2) 实时交通数据的显示
为了使用户可以及时了解 交通的 详细状 况和交 通信息 检
测设备的工作情况, 数据采集器在采集到实时交通数据后即对
其进行图形化显示。由于数据采集器连接着多套检测设备, 每
套检测设备同时产生包含车速、车型和时间三种信息的实时交
通数据, 为了充 分图形化显 示这些信息 , 本系 统采用两种 显示
方式: ①单传感器多时间段 的显示; ② 多传感 器单时 间段的 显
示。其中方式①用来显示指定 传感器 在本循 检周期 内检测 到
的所有车辆信息; 方式②用来显示指定时刻内所有传感器检测
到的车辆信息。通过这两种显示方式, 用户可以在时间维度和
空间维度上全面、及时地了解当前的交通情况。
5 结束语
交通信息的采集是有效 地指挥 交通和 调度的 基础。在 设
计交通信息采集系统时, 对具体环境中的数据采集和数据通信
进行了分析, 实现过程中涉及到了激光检测、传感器、单片机控
制、串 行通 信、数据 库以及 数据 可视 化等 多方 面技 术的 综合。
本系统在实际测试中表现 出了良 好的性 能。 为了进 一步采 集
到更全面、可靠的交通信息, 今 后将把 多类型 传感器 融合技 术
应用到交通信息的检测中。
参考文献:
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作者简介:
倪 维健, 男 , 硕 士研究 生, 主要 研究方 向为 数据挖 掘、智能 交通; 黄 亚楼 ,
男 , 教授, 博导 , 主 要研 究方向 为智 能信息 处理 、智 能机器 人系 统。
( 上 接第 264 页)
4 结论
噎
噎
噎
图 1 模糊神经网络结构
图 2 剪枝后的网络结构
表 1 为剪枝过 的权 值( 剪 枝前 的权 值限 于 篇幅 就不 再 列
出) 。
表 1 剪枝后 的网络 权值
收 益 指 标
输 入 节 点 号
销 售 利 润 率
资 产 负 债 率
净 资 产 收 益 率
1
2
3
1
2
3
1
2
3
隐 节 点 1
2. 723 108 1
- 1. 934 233
1. 843 432
1. 900 343
0
1. 453 452
- 5. 234 216
4. 268 531
1. 452 129
隐 节 点 2
0
0
0. 343 672
- 2. 212 456
0. 498 732
2. 567 545
0
- 2. 342 117
5. 317 854
经过隐节点的聚类以及两阶段的规则提取, 得到商业规则
如表 2 所示。
表 2 提 取的商 业规 则
销 售 利 润 率
资 产 负 债 率
净 资 产 收 益 率
低
低
中
低
中
低
低
高
低
中
低
中
中
中
中
中
高
低
高
低
高
高
中
高
高
高
中
通过实际数据检查, 以上规则是合理的。
本文讨论了一种基于模糊 神经网 络进行 商业数 据挖掘 的
方法, 其基本思路如下: 根据所 要提取 的商业 规则相 关的属 性
建立模糊神经网络, 使用数 据集训 练神经 网络, 训练 结束后 对
神经网络进行剪枝, 然后对 隐节点 进行聚 类, 最后提 取商业 规
则。本文通过实例验证了这种算法的有效性。总之, 模糊神 经
网络通过结合神 经网 络 和模 糊逻 辑 的优 点, 克 服了 各自 的 缺
点, 在商业规则的数据挖掘中取得了良好效果。
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作者简介:
冯 征( 1978- ) , 男 , 山 西 太 原 人 , 博 士 研 究 生, 主 要 研 究 方 向 为 信 息 系
统 、数据挖 掘。