Sensor Technologies for Intelligent
Transportation Systems
Juan Guerrero-Ibanez , Sherali Zeadally and Juan Contreras-Castillo L
Faculty of Telematics, University of Colima, 333 University Avenue, Colima C.P. 28040, Mexico; antonio_guerrero@ucol.mx
College of Communication and Information, University of Kentucky, 315 Little Library Building, Lexington, KY 40506-0224, USA; szeadally@uky.edu Correspondence: juancont@ucol.mx
Abstract:
Modern society faces serious problems with transportation systems, including but not limited to traffic congestion, safety, and pollution. Information communication technologies have gained increasing attention and importance in modern transportation systems. Automotive manufacturers are developing in-vehicle sensors and their applications in different areas including safety, traffic management, and infotainment. Government institutions are implementing roadside infrastructures such as cameras and sensors to collect data about environmental and traffic conditions.
By seamlessly integrating vehicles and sensing devices, their sensing and communication capabilities can be leveraged to achieve smart and intelligent transportation systems. We discuss how sensor technology can be integrated with the transportation infrastructure to achieve a sustainable Intelligent Transportation System (ITS) and how safety, traffic control and infotainment applications can benefit from multiple sensors deployed in different elements of an ITS. Finally, we discuss some of the challenges that need to be addressed to enable a fully operational and cooperative ITS environment.
Keywords: applications; intelligent transportation systems; sensors; vehicle
1 Introduction
Transportation systems have become a fundamental base for the economic growth of all nations. Nevertheless, many cities around the world are facing an uncontrolled growth in traffic volume, causing serious problems such as delays, traffic jams, higher fuel prices, increase of CO2 emissions, accidents, emergencies, and the degradation of quality of life in modern society. According to a report by the Texas Transportation Institute, in the United States, commuters spend approximately 42 h a year stuck in traffic, drivers waste more than 3 billion gallons of fuel per year, having a total nationwide price tag of $160 billion, equivalent to $960 per commuter [1]. Such problems will worsen in the future because of population growth and the increasing migration to urban areas in many countries around the world as reported by the United Nations Population Fund [2] and the Population Reference Bureau [3]. Hence, there is a strong need to improve the safety and efficiency of transportation.
Advances in Information and Communication Technologies (ICT) in areas such as hardware, software, and communications have created new opportunities for developing a sustainable, intelligent transportation system. The integration of ICT with the transportation infrastructure will enable a better, safer traveling experience and migration to Intelligent Transportation Systems (ITS) which focus on four fundamental principles: sustainability, integration, safety, and responsiveness. These principles will play a fundamental role in achieving the main objectives of the Intelligent Transportation Systems which include access and mobility, environmental sustainability, and economic development [4].
The success of ITS largely depends on the platform used to access, collect, and process accurate data from the environment. Sensing platforms are broadly classified into two categories. The first category is the intra-vehicular sensing platform which collects data about a vehicles conditions. The second category, urban sensing platforms, are used to collect information about traffic conditions. Sensor technology is a vital component used for data collection during Vehicle-to-Vehicle (V2V) and Vehicle to Infrastructure (V2I) communications. This data is then provided to transportation management systems for further processing and analysis and subsequent decisions/actions. Smart and intelligent ITS promise to address issues such as high fuel prices, high levels of CO2 emissions, high levels of traffic congestions, and improved roads [5,6].
1.1 Research Contributions of This Work
The main contributions of this work are three-fold. First, we describe and discuss how sensor technology can be integrated with the transportation infrastructure to achieve a sustainable intelligent transportation system that addresses issues such as high levels of CO2 emissions, high levels of traffic congestions, and improved road safety. We describe where sensors can be placed in the transportation infrastructure, the type of information they collect and how that information is used to improve transportation making it smarter. Second, we discuss how user applications (driving assistance, passenger entertainment, collision alert, among others) and ITS applications (traffic control, road conditions, among others) can benefit from sensor technologies embedded in ITS components. We also present a taxonomy of applications that will directly benefit from all sensor data collected and improve transportation systems by making them more cost-effective, more energy-efficient and operate more efficiently for end-users and transportation systems management organizations. Finally, we discuss some of the challenges that sensor technologies need to address in the future to achieve a fully operational, non-intrusiv
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智能交通中的传感技术
Juan Guerrero-Ibanez, Sherali Zeadally 和Juan Contreras-Castillo L
1墨西哥科利马大学大道333号科里马大学远程信息处理学院，邮编28040；antonio_guerrero@ucol.mx
2肯塔基大学传播与信息学院，美国肯塔基州列克星敦小图书馆3156号，40506-0224；szeadally@uky.edu
*通讯：juancont@ucol.mx
摘要：
现代社会在运输系统方面面临严重问题，其中包括交通拥堵、安全问题和污染问题等。因此信息通信技术在现代交通系统中越来越受到重视。汽车制造商正在研发可以兼顾行驶安全、交通管理方便、信息传递快速等多个方向需求的车辆传感器。政府机构正在加强路边基础设施的建设，例如增加摄像头和传感器的数量，以收集有关环境和交通状况的数据。
通过配合使用车辆本身和传感设备，可以实现智能交通系统。我们在此讨论如何将传感器技术与交通基础设施配合使用，从而实现智能交通系统（ITS），以及满足行驶安全、交通管理方便、信息传递快速等方面的需求。最后，我们讨论了实现完整的ITS环境需要解决的一些难题。
关键字：应用；智能交通系统；传感器；交通工具
1 介绍
交通运输系统已成为所有国家经济增长的基本基础。然而世界上许多城市都面临着交通量不受控制的增长，造成了严重的问题，例如延误，交通拥堵，燃油价格上涨，CO2排放量增加，交通事故频发，以及生活质量的下降。在如今的社会，根据美国得克萨斯州交通运输研究所的报告，美国的汽车驾驶者每年在道路上停留约42公顷，驾驶员每年浪费超过30亿加仑燃料，全美国因此浪费1600亿美元，平均每人960美元[1]。根据联合国人口基金会报告，由于人口增长以及世界上许多国家城市化的发展，这类问题今后将进一步恶化。[2] 美国人口资料局表示[3]我们急需提高运输的安全性和效率。
信息通信技术（ICT）在硬件，软件和通信等领域的进步为实现可持续的智能交通系统创造了新的机遇。ICT与交通基础设施的应用将提供更好，更安全的旅行体验。智能交通系统（ITS），该系统着重于四个基本要素：可持续性，集成性，安全性和快速响应能力。这些要素为实现智能交通系统（便捷的交通出行，环境保护以及经济发展）而起到重要作用。[4].
ITS是否成功很大程度上取决于使用的平台是否能准确地进行环境访问，收集和处理数据。ICT所使用的传感平台大致分为两类。第一类是车内传感平台，其收集有关车辆状况的数据。第二类是城市传感平台，用于收集有关交通状况的信息。传感器技术是在车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信期间用于数据收集的重要组件。其将该数据提供给运输管理系统，从而进行进一步的处理和分析以及后续的决策与操作。智慧便捷的ITS有望解决诸如高油价，CO2排放大，交通拥堵严重等问题[5,6]。
1.1 本研究的贡献
本次研究主要为三方面内容。首先，我们研究和讨论如何将传感器技术与交通基础设施集成在一起，从而实现可持续的智能交通系统，进而解决诸如二氧化碳排放量高，交通拥堵度严重以及如何提高道路安全性等问题。我们研究了传感器可以放置在交通基础设施中的位置，它们收集的信息的类型以及如何使用这些信息来改善运输使其更加智能化。然后，我们讨论了用户应用系统（驾驶安全辅助系统，乘客娱乐系统，碰撞警报系统等）和ITS应用程序（交通控制，道路状况等）如何从ITS中受益。我们还提出了一种应用程序分类法，该方法通过处理收集到的所有传感器数据，可将交通管控变得更加高效，更加节约，从而更加方便的改善运输系统。最后，我们讨论了要完全实现传感器技术，实现非侵入性的协作ITS环境需要面对的一些挑战。
2.传感器技术
在过去的十年中，传感器技术变得无处不在，并引起了很多关注。传感器已部署在医疗保健等许多领域[7,8]，例如农业[9,10]和林木业[11,12]，车辆和船舶[13,14] 监控。在交通运输领域，传感器的设计和应用在努力满足交通控制、行驶安全、娱乐等多个方面的要求。近年来，传感器和执行器（例如轮胎压力传感器和后视能见度系统）在车辆制造和智能交通系统的实施的背景下，已成为强制性的（由于美国的联邦法规[15]）要求，其目的在于提供可以提高驾驶员和乘客的满意度的服务，从未改善道路安全情况并减少交通拥堵概率。制造商可以选择安装另外的传感器，以监控车辆的性能和状态，从而为驾驶员提供更舒适的驾驶体验。当前，车辆中传感器的平均数量约为60-100个，但是随着车辆变得“更智能”，传感器的数量可能达到每辆车200个传感器[16].
在新型汽车传感器书中[17]，作者根据在车辆中安放的位置，将传感器分为三类：动力传动系统类，底盘类和车身类。另一种分类是根据传感器要支持的应用类型进行分类，其确定了四类传感器：用于安全的传感器，用于诊断的传感器，用于便利的传感器和用于环境监控的传感器[18].我们扩展了传感器的分类（四个类别）[18] 增加了两个附加类别的传感器，即用于行驶监控的传感器和用于交通监控的传感器，总体如表1所示。
表1.车辆中使用的传感器的分类（基于[18]).
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传感器类别 |
描述 |
例 |
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安全类 |
安全系统的基础，并且几乎可以实时地识别事故隐患和普通事件。 |
微机械振荡器，速度传感器，摄像头，雷达和激光束，惯性传感器，超声传感器，距离传感器，夜视传感器。 |
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诊断类 |
专注于收集数据以提供有关车辆状态和性能的实时信息，以检测车辆的任何故障。 |
位置传感器，化学传感器，温度传感器，气体成分传感器，压力传感器，安全气囊传感器。 |
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交通类 |
监控特定区域的交通状况，收集数据以改善交通管理。 |
相机，雷达，超声波。 |
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帮助类 |
负责收集为数据吗，从而实现舒适和便利应用的程序 |
气体成分传感器，湿度传感器，温度传感器，位置传感器，扭矩传感器，图像传感器，降雨传感器，防雾传感器，距离传感器。 |
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环境类 |
监视环境状况，为驾驶员和乘客提供警报和警告服务，以改善他们的旅程。 |
压力传感器，温度传感器，距离传感器，摄像头。 |
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用户类 |
专注于收集支持检测异常健康状况和驾驶员行为的数据，这些异常状况和行为可能会降低驾驶员的判别能力。 |
摄像头，热敏电阻，心电图（ECG）传感器，脑电图（EEG）。传感器，心率传感器。 |
2.1 车载传感器
在ITS中，确定不同传感器类型有助于解决不同的问题需求，例如：（1）交通拥堵和停车困难;（2）较长的驾驶时间;（3）较高的CO2排放量;（4）道路交通事故数量的增加，这对于提高车辆的性能以及改善驾驶体验至关重要。图 1 描述了当今车辆中使用最广泛的一些传感器。
图1.不同类型的车载传感器
车载传感器的应用
轮胎压力监控是美国国家公路交通管理局要求的应用程序，如果轮胎气压低，则通过声音，灯光或振动警告来警告驾驶员[19],
超声波和电磁传感器用于停车辅助和倒车警告应用中，接近传感器可以检测到车辆何时接近物体，超声波传感器使用一种声纳来识别车辆与物体的距离，向驾驶员发出警报当车辆接近设定的阈值时，当物体进入前后保险杠周围产生的电磁场时，电磁传感器会向驾驶员发出警报，近程传感器已用于开发基于矩形电容式感应阵列的系统，其可以检测驾驶员头部的位置，在驾驶员头部不在适当位置时发出警报，从而满足公路安全保险协会（IIHS）的准则[20]，但是，这些类型的传感器会因为受到温度和湿度的影响，而降低其准确性
雷达探测与测距（RADAR）和激光传感器不断扫描道路上是否存在来自正面，侧面或者后方碰撞，并允许安全应用通过使用无线电波确定障碍物与障碍物之间的距离来调节油门并激活制动器，以防止潜在的碰撞或危险情况。如果检测到车辆附近的物体，该应用程序会通知驾驶员，并自动激活制动器以避免碰撞，
惯性导航系统（INS）使用陀螺仪和加速度传感器确定车辆的参数，例如车辆的位置，方向和速度，INS与全球定位系统（GPS）结合使用以提高准确性，
雷达和速度传感器用于警告驾驶员，如果检测到改变车道或走出车道时可能存在危险，通常会通过座椅或方向盘的振动或声音警报来警告驾驶员，
摄像头用于：（1）监视驾驶员的身体姿势，头部位置和眼睛活动，以检测异常状况，例如疲劳迹象或车辆行为异常（在道路上驶出直线或行人突然越过前方（2）执行夜视辅助应用程序，以帮助驾驶员更深入地观察道路并检测道路上可能引起潜在危险情况或事故的物体，例如动物，人或树木，
LIDAR（光检测和测距）传感器已成为自动驾驶汽车发展的重要组成部分，LIDAR使自动驾驶汽车（或任何机器人）能够观察世界，并具有一些特殊特征，例如连续360度可见度和高度可见性。准确的深度信息，激光雷达传感器不断发射激光束，然后通过测量光返回传感器需要多长时间，计算出对应的距离。
尽管每辆车中安装的传感器更多，但它们与其他组件的集成以及不同品牌之间缺乏广泛接受的标准是使用它们时的巨大困难。另一方面，当前的自动化系统的能力有限，例如，沃尔沃的城市安全速度限制为50 km / h或更低，以避免与其他车辆发生碰撞或撞到摩托车或骑自行车的人。城市安全系统基于激光装置，因此在黑暗条件下，只有在前灯和尾灯亮着的情况下，它才能检测到车辆并且清晰可见[21],
2.2 安装在道路上的传感器
对交通基础设施的战略投资对于一个国家的发展至关重要，并且是现代经济的核心。每年，世界各国政府在交通运输领域花费大量资金，在美国，每年的投资约占国内生产总值的1.6％[22] 欧洲在2014年投资了约1,020亿欧元，其中52％用于道路基础设施建设[23]。在汽车行业已经投入大量资金来使用车辆内的传感器，从而提高车辆的安全性，性能和舒适性的背景下；使用沿路边的模块收集交通数据已成为智能交通系统的新的挑战，传感器在交通网络中的部署为驾驶员提供了新的服务，例如智能停车（驾驶员与可用的停车位相匹配）其降低了各个驾驶员到达目的地所选道路的拥堵程度。传感器实时收集环境数据，然后对其进行处理和分析，以改善运输网络并使其具有弹性。
传感器根据其位置可以分为两类：侵入式和非侵入式[24].侵入式传感器安装在路面上。它们具有很高的精度，但是它们也具有很高的安装和维护成本。基本上侵入式传感器（如图 2) 可以分为三类：（1）安装在道路上并以有线或无线方式连接到处理单元的无源磁传感器（2）遍布道路的气动管传感器，它们通过有线/无线媒体将数据传输到处理单元，（3）感应回路，它们是埋在道路上的线圈，并将数据发送到处理单元。这组传感器是交通控制系统中使用最多的传感器[25].
图2.侵入式传感器组，（a）嵌入式磁力计，（b）气动管传感器，以及（c）感应回路。
道路传感器的主要优点是其技术成熟度。它们已被广泛实施并且在检测车辆方面具有很高的准确性。但是，道路传感器的主要缺点是：高昂的安装成本，安装、维护和维修期间的会造成交通中断。解决上述缺点的一种解决方案是引入无线电池供电的传感器节点，该节点取代了侵入传感器并安装在人行道上。该技术代表了交通传感器的一种变化，有望以比当前解决方案更低的成本，对从道路收集的数据的质量，数量，准确性和可信赖性进行提高[26-28]。
如图3所示，非侵入式传感器安装在道路上的其他位置（道路上方），可以检测车辆的过境以及其他参数，例如车速和车道覆盖率。但是，它们很昂贵，并且可能会受到环境条件的影响。通常，非侵入式传感器用于开发提供选定位置信息的应用程序，例如交通信号灯处的队列检测，交通状况，道路和人行道的天气状况。一些传感器安装在桅杆上，用于监视特定的覆盖区域。其他传感器安装在桥的正下方，并具有监控区域。最后，一些传感器被放置在地面的路边，并
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