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智能城市交通管理系统
作者：Sarjo Das , Priyankar Roychowdhury
摘要
近年来，私家车的拥有量增加了很多倍，这给城市交通管理造成了困难。交通管理是大多数城市居民和规划者的重点领域。大城市交通管理的一些主要问题是交通的拥堵和避免，因为这些问题造成在个人的环境方面巨大损失。并且，在许多城市的道路交叉口的交通信号灯基于定时器，这是种交通管理的低效方法。本文提出了一种更加高效的城市交通管理方法，即借助使用物联网实现的智能交通管理系统。这种智能流量管理方法使用RFID和检测技术等组件来感知标签物体的存在和移动，使用此系统将自动监控和管理流量。从这个系统收集的数据将被发送到一个中央系统进行进一步分析。此外，交叉点处的交通信号灯基于在该点交叉的道路的交通密度。本文提出了一种集成了物联网和其他移动组件（如数据管理技术）的架构，为流量管理和监控创建了一个模型。该模型将由单一平台组成，其中该平台将与大量分散的异构组件进行通信。
关键词：RFID；单板计算机；物联网；云计算；智能交通；道路管理；道路规划；城市规划
1.绪论
智慧城市[1]是一个与各种创新技术相关的术语，以便为提高人们的生活质量打造一个“更智能”的城市。在使城市变得智能的不同层面中，非常重要的一个就是交通。智能交通管理系统，该系统具有拥塞检测和拥塞避免，应急管理，汽车安全和事故预防等。其还试图通过帮助减少车辆的气体排放，燃料或能源消耗来使交通更环保。交通运输部门贡献了27％的二氧化碳排放的相关能源，并且是在发展中国家中温室气体排放增长最快的部门[2]。
图1 1990年至2017年全球销售的汽车数量
( 来源
https://www.statista.com/statistics/200002/international-car-sales-since-1990/)
如图1所示。全球销售的汽车数量持续增加，所售汽车数量的逐渐增加已经给当前道路的基础设施带来了巨大的压力。此外，与购买和登记的汽车数量相比，道路总面积的增加要慢得多。交通堵塞和长时间等待排队的问题非常普遍，同时事故和交通事故的数量也大幅增加。
通过对道路系统进行智能监控，自动管理交通信号系统，以便在考虑到交通密度，交通量并在每天的任何时间通知司机哪条路线最好的情况下将交通拥堵降至最低是迫切需要的。此外，印度等不同国家的政府正在规划智慧城市，智能交通系统是任何智慧城市中最重要的部分之一[3]。
图2显示了了2013-2030年期间欧洲和美国的交通挤塞造成的经济影响超过数万亿美元。
图2 欧洲和美国道路拥挤造成的经济影响：2013-2030
(来源:
http://inrix.com/economic-environment-cost-congestion/)
本文由以下部分组成：“文献研究”描述了相关的研究，“问题描述”部分说明了我们在本文中解决的问题。“方法论”部分描述了开发该模型的方法和方法，“框架和设计”部分解释了所提出模型的功能框图。“结果与分析”部分包含我们提出的智能道路管理系统模型及其优势。“讨论”部分包含与我们的模型及其经济价值相关的可持续性和道德。
2.文献研究
许多研究人员提出了实施智能道路交通管理系统的解决方案，并因此开发了多种方法。
zeng，等[4]通过整合多种技术来讨论城市内部重要交通枢纽和外部交通的智能交通管理系统的设计，框架和功能模块，从而实现决策自动化，提高其利用率，安全性和舒适性水平。另一方面，Al-Sakran[5]提出了基于物联网的低成本，高扩展性和兼容的智能交通管理系统框架。该框架采用RFID，无线传感器技术，云计算，GPS等先进技术来实现智能交通管理系统。为减少交通堵塞，交通事故并提高交通生产力和效率，Bitam等人 [6] 解释了一个云计算模型，其可以添加到智能交通系统，以改善交通管理。
为了研究RFID移动车辆检测的效率，Lee等人 [7] 研究了RFID读取延迟以及车载读取器安装在各种速度下的有效性。通过实验研究读取器和标签的相对位置对读取错误和读取率的影响。道路试验以不同的速度进行。结果揭示了关键因素对车载RFID读取性能的影响，并为识别和追求改进方向提供指导。
从换向器的角度来看，为了找到驾驶者最合适的道路，Mbodila等人[8]在他们的论文中讨论了南非约翰内斯堡和比勒陀利亚之间车辆交通监测模型的实施情况。无线传感网络作为控制沿路边交通信号的工具，而RFID扫描仪用于识别拥堵区域的车辆，以便交通监控中心（TMC）的交通管理人员可以利用全球定位系统（全球定位系统GPS），通过在道路上的任意位置建立车辆的位置并为驾驶者确定合适的道路。
从大的角度来看Djahel等人[9]在其出版物中介绍了对交通管理系统涉及的不同阶段所使用的不同技术的最新评论，并讨论了智能汽车和社交媒体的潜在用途，以实现快速和更准确的交通拥堵检测，减轻。同时还讨论了可能危及交通管理运营的安全威胁。
通过讨论一些开放的挑战，阐述他们自己的愿景，从而为未来的智能城市的开发健全交通管理系统。
3.问题陈述
激励我们进行这项研究的是因为，在世界的许多城市，信号分配仍然基于计时器。定时器方法的一个缺点是，即使在道路上的交通量较少时，仍然将绿色信号分配给道路，直到其定时器值降至0，而另一条道路上的交通更拥堵，在那时产生红色信号，导致拥堵和换向器的时间损失。目前的大多数系统都不是自动的，容易出现人为的错误。本文的主要目标是在城市内创建一个更好的道路网络系统，以便更平稳地过渡交通，从而提高城市的整体的生产力。
4.方法
在本文中，已经提出了一种方法，其中基于在交叉点处相互交叉的道路的交通密度执行交通信号灯控制决策。我们受到Roychowdhury P.和Das S.著作中提出的这种新的交通管理系统模型的影响，该模型发布为“城市自动道路交通管理系统”，“运输工程与应用趋势”，第1卷，问题2。
为了跟踪车辆，需要传感器，并且在我们的工作中识别特定车辆，需要车辆ID。 RFID可以有效地满足我们的要求并且Viswanathan.B和Sukhadha. V.发表在“国际电子通信和计算机工程杂志”第4卷第5期中的“智能交通控制和RFID车辆跟踪系统”一直鼓励我们决定使用RFID来跟踪车辆。目前的趋势是在物联网和云计算的趋势下Al-sakran的发表在“国际先进计算机科学与应用杂志”上的“基于物联网与代理技术集成的智能交通信息系统”中6卷，2号影响了我们使用云数据库和RFID以及单板计算机（SBC）[10]与云接口来提出基于物联网流量管理的模型。
在阅读这些出版物之后，我们决定采用定性方法，因为我们提出的模型是基于我们自己研究中的一些现有模型和附加特征的最佳特征。本文提出的模型纯粹是理论上的，我们希望在未来运用这个模型进行一些模拟来获得定量数据。但是，对于本文，由于时间和资源有限，我们决定采用定性方法。
5.框架和设计
我们提出的系统的框架和设计如下：
RFID阅读器获取数据并将其发送到云端[11]。在Crossing Server中，使用单板计算机，该计算机也连接到云。而不是每个道路的数据库存储在相应的穿越服务器，在这项工作中使用云数据库[12]。交通信号灯的每个灯连接到相应的单板计算机的输出端口，并且不需要使用微控制器。
如同所提出的，该模型具有与物联网结合的各种组件。该模型具有由多个部分组成的核心系统。下面是显示此模型中涉及的组件的图示。
图3 系统的功能框图
- 数据源：数据收集将通过RFID传感器的帮助完成，这些传感器将嵌入车辆的顶部。数据采集询问者将被放置在路径的入口点和出口点。这些入口和出口点将作为系统的数据源。
- 云：将数据发送到负责处理数据的云，并就确定道路是拥塞还是还有其他流量问题作出重大决定。
- 数据汇总和处理：数据汇总和处理与数据存储密切相关。在存储数据之前，它将在云中进行处理。
- 数据存储：在数据处理之后，从数据源收集的数据将被转移到云数据库。这些数据可以根据需要用于未来道路的进一步分析和规划。
- 数据分析：该组件用于分析系统中存在的现有数据。选取相关数据进行分析，并将其提供给模型的数据分析组件进行分析。分析可以帮助为现有基础架构规划更好的系统，或帮助我们设计新的基础架构。
- 单板计算机：它将用于从云端获取实时交通信息以控制交通信号灯。
- 用户：数据处理后的最终产品交付给客户。消费者可以按需访问实时交通数据。消费者可以是交通管制室或希望在他/她的智能手机中查看交通状况的任何通勤者。
6.结果与分析
6.1.我们的推荐模型
在道路的入口和出口以及停车场的入口和出口处，固定式RFID读取器[13]被放置用于检测车辆在各个点处的移动。位于道路入口和出口处的读者称为十字路口读取器（CRs）[14]，位于停车场入口和出口处的读者称为泊车读取器（PRs）。CRs有两种类型：
1.放置在车辆离开道路的道路位置的CRs。
2.放置在车辆进入道路的道路位置的CRs。
如果是停车场，则有两种可能性：
（1）入境和出境点可以相同，
（2）出入境点可以不同。
对于情况（1），必须使用单一类型的PR来检测作为cat-1 PR的车辆的进入和退出，而对于情况（2）中，将有两个PR：停车场入口处的入口PR和构成cat-2 PR的停车场出口处的PR出口。
在我们的模型中，有源RFID标签放置在车辆顶部与水平线成0度[7]。该标签由车辆的登记号码编码，随着车辆靠近读卡器点，RFID读卡器读取这些车辆的登记号码[15]。
另一方面，必须将RFID阅读器放置在高于道路上方的某个高度，该高度大于该国家车辆的最大可能高度。RFID阅读器天线贴片角度与水平距离为70度[7]，因为在这个角度可以读取的面积最大。
图4 RFID读取器示例
（来源:
http://ops.fhwa.dot.gov/publications/fhwahop12016/sys_design.htm)
数据通过RFID标签收集，每辆车都嵌入了远场标签。一旦标签穿过询问器，它就将其上的数据传送给询问器。RFID标签有一个转发器，它一接触到存在于读写器中的收发器就会被唤醒，因为收发器为它提供必要的电源来处理[16]。这个时间点标签为询问器提供了嵌入实体所需的所有数据。 RFID询问器中存在的数据被发送到使用互联网的基于云的服务器。一个区域内的每个节点都连接到一个无线路由器，该无线路由器充当将RFID集群连接到服务器的自动设备。数据以可读格式进行处理和存储。存储在云系统上的数据在云上处理，并通Internet路由提供给单板计算机。单板计算机与交通信号灯直接连接，最终为交通灯提供所需的信息。
图5 城市四点道路交叉口的示例模型
以上图表代表有交叉点的城市道路的样本。入口类型的CR被放置在道路的入口位置是2,4,6,8,22,24,18,20。出口类型CR被放置在道路的出口位置，即1,3,5,7,21 ，23,17,19。里面写着字母“P”的白色方块代表停车场。 PR位于位置 9,10,11,12,13,14,15,16。在位置14处，PR是入口类型PR，而在位置15处，PR是出口类型，因为它们是入口点和出口点单个停车场分别。第14和第15位的PR构成了第2个PR，而其余的PR是第1个PR。每个CR和PR被分配到一个确定的道路。在该图中，以下是CR和PR与道路的关联：
（1）道路A：3,4,13
（2）道路B：1,2,9,10
（3）1道路C：5,6,11,12,13,14道路C：
（4）道路D：7,8,14,15,16
（5）道路E：17,18
（6）道路F：21,22
（7）道路G：19,20
（8）道路H：23,24
在云端，每条道路都有一个特定的数据库。
每当车辆进入道路时，进入类型CR将其ID发送到道路数据库，并且将道路的交通密度增加1。当车辆退出道路时，出口类型CR将其ID发送到道路数据库。在道路数据库中，当从出口类型CR接收到相同的ID时，从入口类型CR接收到的已经存在的车辆的ID被删除。然后交通密度减少一。
对于cat-1 PR，PR检测车辆并将其ID发送到相应的道路数据库。
1.如果该识别码存在于与PR关联的道路的数据库中，则意味着该车辆正从道路驶向停车区域。它的ID从道路数据库中删除，道路的交通密度减少一个。 2.如果该ID不存在与PR关联的道路的数据
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