物联网感知综合课程设计-智能交通.doc

XX 错误！文档中没有指定样式的文字。 智能交通系统项目方案设计报告天津工业大学学院：计算机科学与软件学院 班级：物联1501班学号：姓名： 任课教师：苏卫星2017/6/152 物联网感知综合课程设计 物联网项目方案设计报告修订记录日期版本说明作者2017.6.15V1.0目录1 引言11.1 编写目的11.2 项目背景11.3 定义22 系统概述22.1 系统描述22.2 开发环境32.3 一般约束33 系统目标和设计原则33.1 系统目标33.2 设计原则44 系统设计44.1 架构设计44.1.1 网络架构设计44.1.2 功能架构设计74.2 功能设计94.3 操作设计114.4 硬件选型155 参考资料23第25页项目方案设计报告关键词：交通物联网、交通系统摘 要：从国际上智能交通系统的发展历史来看，各国普遍认为起步于60-70年代的交通管理计算机化就是智能交通系统的萌芽。随着城市经济的快速发展，城市化、汽车化进程加快，越来越迫切地需要运用先进的信息技术、数据通讯传输技术及计算机技术，建立一种大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的道路交通管理综合集成系统。 智能交通系统将以道路交通有序、安全、畅通以及交通管理规范服务、快速反应和决策指挥为目标，初步建成集高新技术应用为一体的适合于城市道路交通特点的、具有高效快捷的交通数据采集处理能力、决策能力和组织协调指挥能力的管理系统，实现交通管理指挥现代化、管理数字化、信息网络化。 1 引言1.1 编写目的本文档作为系统详细设计、系统开发阶段的技术依据，智能交通系统（intelligent transportation system，ITS，以下简称ITS）的规划、建设，归根到底是服务于城市交通发展的总体目标，提高设施系统的使用效率和服务水平。也就是说，ITS 的建设目的，是为 控系统等技术的实施，可以提高现有交通基础设了使交通规划更科学、设施更有效、管理更智能、 施的运行效率和交通供给能力；在交通需求方向，行为更规范。 通过交通信息服务、交通拥堵收费等系统，可以在交通供给方面，通过智能公交系统、智能 改善交通需求的时空分布特性，“削峰填谷”，使交通管理系统、智能车辆运行管理系统、交通监 交通需求与交通供给的矛盾得到缓解。供交通系统架构设计工程师、项目经理等项目相关人员使用。1.2 项目背景智能交通系统中心平台通过对智能交通各子系统的高度集成，汇总融合、分析处理各类交通数据，并依据最终获取的有效信息进行决策和交通指挥调度，同时对各种交通突发事件进行判断、确认和处理；以达到提高城市交通的管理水平，加强对道路交通宏观调控和指挥调度的能力，并对突发事件形成快速高效的应对机制。主要功能如下：l 交通实时检测系统；l 路口信号协调控制；l 实时信息发布系统；l LED交通诱导信息发布系统；l 视频监控系统（含隧道监控）；l 超速抓拍系统；l 治安卡口系统；l 智能高速公路系统；l GPS定位系统 l 中心大屏建设；1.3 定义ITS：智能交通系统ITCS：高度交通控制系统UTMS21：21世纪城市交通管理系统RFID：射频识别GPS：全球定位系统DSSS：安全驾驶支持系统DRGS：动态线路诱导系统VICS：道路交通情报通信系统2 系统概述2.1 系统描述智能交通管理系统是智能交通系统的最重要组成部分，也是城市智能交通系统的重要基础部分。自从 20 世纪 70 年代世界各大城市开始建设联网信号控制系统以来，众多大中城市形成了以信号控制系统为核心的城市智能交通综合管理系统。同时，高速公路较为发达的国家和地区也形成了覆盖高速公路的智能交通管理系统。智能交通管理系统的发展趋势主要体现在集成性、预测性、主动性、实时性等方面，即集成了众多交通管理功能，并基于全面的检测信息及预测分析进行主动性交通管理，摆脱被动适应性管理的滞后性，如日本目前不断发展完善的UTMS21（Universal Traffic Management System）1 就是很有代表性的案例之一。目前东京、柏林、伦敦、新加坡、香港等众多城市均形成了智能交通综合管理系统。 2.2 开发环境基于核心组件库ArcObjects搭建ArcGIS Engine。2.3 一般约束本系统硬件设备需满足基本交通生产环境相关使用标准；3 系统目标和设计原则3.1 系统目标l 中国城市目前正面临机动化的关键时刻，应确立可持续发展的战略指导思想，建立良性发展的交通系统基础。 l 为尽快实现产业化，中国智能交通系统发展应该首先在较为成熟的技术基础上，通过技术集成，形成新的系统概念和系统功能。l 智能交通系统的建设，应该有利于提高交通企业和管理部门的管理水平，向管理要效益，要资源。l 初步建立城市交通综合信息平台,实现道路交通、公共交通、航空、铁路、水运等交通信息在综合平台上的交换和共享,接入多种交通方式的实时信息,展示交通服务的综合集成概念l 整合综合交通枢纽的航班车次信息、客流信息、停车信息、公交信息以及相关城市道路的实时交通信息等, 提出城市交通枢纽综合交通信息共享的技术方案和信息服务模式, 实现多式交通的信息互联与动态发布, 建设在城市重要交通枢纽进行集成应用的工程示范。3.2 设计原则在智能交通系统设计中，有效的数据管理和分析能力，包括操作型数据管理和分析型数据管理。其目的是保障日常运营的高效管理、规划和调度的科学决策分析，以及对公众提供高质量的信息咨询服务。 成熟性：在测试过程中，系统运行稳定，容量达到和超出规定极限时，系统不崩溃、不异常退出也不丢失数据。实用性：以能满足用户当前的实际需要为主要出发点，考虑用户预期可能的需要，力求用户能获得最大直接效益和用户易于掌握、便于使用。在设计上满足车间生产整体通畅的工作流程。经济性：在满足应用要求的基础上尽可能降低造价。容错性：数据校验，应对数据的有效性，数据项之间的逻辑关系进行校验，保证数据的有效可靠性：智能交通系统选用成熟的优秀平台和工具软件，采用模块化设计，具有安全管理的策略和功能，并尽可能优化系统。易安装性：是否能够根据安装智能政策完成安装过程易维护性：采用集中式的控制管理与分布式的具体应用相结合的模式。应用系统应具备较好的自适应能力，关键硬件设备模块化结构，具有热插拔功能，易于维护并降低维护成本。4 系统设计4.1 架构设计4.1.1 网络架构设计城市智能交通管理系统采用三层结构模型：数据层、中间层(逻辑层)和客户层(表示层)。数据层主要由中心数据库、子系统数据库和元数据子系统组成，中间层是由交通信息子系统、交通信息数据管理应用服务器、PGIS服务器和WEB服务器组成，客户层（表示层）主要是应用程序客户端和Web客户端，由一些图形界面组成。系统结构的核心是交通信息平台应用服务器。 采用三层结构能通过动态伸缩更好地平衡各个层面上服务器的负载，均衡网络上的信息流量，从而提高系统的吞吐量；系统硬件采用这种分层结构、分布式分布可方便地以添加方式扩展相应层面上服务器数量以扩展处理能力和系统规模；同时，由于采用介于用户终端和数据库服务器中间的应用服务器，可提高数据库中数据的安全性；另外，主要业务数据的集中管理，也可减轻系统的日常维护工作。因此在网络架构设计上来说，根据城市智能交通管理系统的三层结构模型，核心业务数据交换，中间层业务数据处理，接收前端各子系统基础数据。设计三级架构模式采用QOS子系统网络需求对系统集成设计 在实际应用过程中，网络的应用越来越复杂，视频、音频、数据等多种应用同时在一条链路中传输，但是它们对网络的要求却不一样，比如视频要求带宽极高，一路普通视频流可以到达23Mbps左右，音频要求延迟很低，数据要求可靠性很高。为满足这些不同应用的不同需求同时存在，QOSQoS技术的提出解决了这个问题。QoS（QualityofService）即服务质量，可以赋予不同数据流（即不同业务应用）以不同的优先级，这样当网络发生拥塞时，保证优先级高的业务获得足够的带宽和较低的延迟。 一方面选择网络产品具有强大的基于硬件的QoS功能，可以根据数据流的源端口、源IP、目的IP、目的端口等信息进行流量分类排队，每个队列赋予不同的优先级别，这样可以保障在网络发生拥塞时，关键应用得到足够的带宽，得以正常运行，设计并应用可控的网络。 总之，根据不同的应用，结合网络设备支持的多种QOoS技术，提供端到端的QOoS解决方案，从流量监管、动态带宽分配、流分类、流量控制着手来保障数据、语音、视频等多种业务的无缝集成。 网络安全设计 城市智能交通管理系统网络架构在设计时，充分的考虑了外部非可信区域接入的网络安全问题，建立内外网数据交换平台，作为系统平台网络边界接入业务与其他网络进行数据交换和授权访问的基础。安全隔离网闸、防火墙、三层交换机、数字认证系统等将终端、网络、通信、业务全部纳入完整监控管理体系，实现事件关联管理。在实现大量业务信息交换的同时，保障系统网络安全。网络安全可以从物理层、网络层、应用层、管理层几个方面考虑。物理层的安全风险主要指设备的被盗、损坏、链路损坏、电磁辐射泄漏、自然灾害导致的损坏等，这些损害可能导致关键数据的整体破坏，因此要加强防范。 网络层的安全风险指数据传输时被窃听、截获、更改，或者被假冒，还有网络设备存在的漏洞，导致被攻击等。 应用层的安全风险指各种系统软件及应用软件如操作系统、数据库、WEBServer、MailServer等，存在各种漏洞，被黑客、病毒等攻击，导致数据被盗或损坏、系统服务瘫痪。可通过加强对用户系统访问权限的管理，设置复杂密码并定期更换密码，开放仅需要的服务端口，及时升级系统补丁程序，定期更新防病毒软件，开启系统服务日志等来增强系统的安全性。 管理层的安全风险主要指网络管理规章制度的制定、人员管理、人员技术水平、综合素质等导致的安全风险。可通过加强监管、提高人员素质来减少风险。 在网络层的风险，由于移动警务系统和无线地磁流量采集系统采用移动通信公司APN专线接入，一方面在接入端通过部署防火墙、安全隔离网闸或边界接入平台来接入系统，另一方面通过系统平台核心三层交换机VLAN的划分，ACL访问控制列表的介入，实现访问策略应用，以此来层层杜绝非法用户的非法访问，同时还可以对关键部门的交换机实现端口、MAC地址绑定、MAC地址过滤等技术，来实现更高的安全性。所部署的交换机和路由器本身也提供很多安全特性，例如防DOS攻击、AAA、TACSCA+认证等，这样进一步提高了网络的安全性。总之，根据不同的应用，结合网络设备支持的多种QOSQoS技术，提供端到端的QOSQoS解决方案，从流量监管、动态带宽分配、流分类、流量控制着手来保障数据、语音、视频等多种业务的无缝集成。整体网络架构拓扑图4.1.2 功能架构设计中心集成平台智能交通系统中心平台通过对智能交通各子系统的高度集成，汇总融合、分析处理各类交通数据，并依据最终获取的有效信息进行决策和交通指挥调度，同时对各种交通突发事件进行判断、确认和处理；以达到提高城市交通的管理水平，加强对道路交通宏观调控和指挥调度的能力，并对突发事件形成快速高效的应对机制。主要功能如下：l 中心大屏建设； l 交通信息汇集； l 整合交换； l 融合处理； l 数据信息分析； l 各种交通突发事件进行调度处理；l 辅助决策（平台软硬件和通信设备）各功能模块的关系及详细功能划分如图4-3所示。图4-3 功能架构图4.2 功能设计主要功能模块说明如下：l 交通流量系统交通流量采集系统是智能交通建设的基础性设施，主要实现对过往车辆进行计数、测速、分析计算占道信息、单位时间内车流量、车流平均速度等，通过通信接口把采集到的数据发送到管理监控中心，为交通信号控制、信息发布与诱导、指挥与调度提供决策服务。以色列产品可以实时监测道路车流量、车辆拥堵等异常情况，并上传到发布系统中。l 交通诱导系统交通诱导系统接受系统内部其他模块或系统外接口发送的交通流量、交通拥堵情况、交通事故等相关交通信息。将交通信息进行分类整理，去除不正确的信息，过滤出有效信息。通过LED诱导屏发布交通状态（图示或文字），气象状态对交通参与责的提示，道路检修、施工信息、道路开闭信息、限速信息、交通安全用语、动画显示功能等。系统能提供自动诱导显示，人工诱导显示，通用信息显示；可以将显示内容预先存储到诱导屏本地的存储介质，在通讯断开等情况下，诱导屏可根据本地存储的内容进行显示。l 交通违法监测系统l 出入境全覆盖卡口系统 出入境全覆盖卡口系统是在城市出入口道路上特定场所设置的过往车辆自动记录设备，系统对所有通过该卡口监控点的机动车辆进行拍摄、记录，并可以根据需要对通过的车辆做出反应（报警）。l 道路超速监测系统 道路超速监测系统是在城市重点道路上所设置的监测设备，系统对通过该路段且超速的机动车辆进行拍摄、记录，并可以根据需要对通过的车辆做出反应（报警）。此系统可以利用以色列产品先进的视频识别技术监测车辆，扩展到对车辆其他交通违章行为的监测。l 闯红灯监测系统 闯红灯监测系统是由触发单元、抓拍单元、控制单元、数据传输单元和后台处理单元组成，系统分为前端设备、网络通信设备和中心（后端）系统三部分组成，前端设备具有车辆检测和视频抓拍功能，通过触发单元检测闯红灯的车辆，产生抓拍信号，从尾部拍摄闯红灯车辆图片存储到系统中。l GPS定位系统GPS定位系统是一套综合利用GPS卫星定位技术、移动通信技术、互联网服务和地理信息系统的集成系统，用于指定车辆的监控、管理、调度。系统由监控调度中心、通信系统、GPS车载终端三部分组成。l 视频监控系统 智能交通视频监控系统由前端图像采集单元、信号传输单元、智能视频分析单元、中心控制显示单元、数字存储单元及网络视频管理发布单元等组成。系统将各被监控单元的图像信息准确、清晰、快速地传送到控制中心，控制中心通过中心监控系统，能够实时、直接地了解和掌握各个被监控单元的实时状况，并实时对网络内授权用户提供监控现场视频图像。以色列产品在此领域处于世界领先地位。l 旅行时间检测系统旅行时间检测系统，是测算出某路段车辆的平均旅行时间，由此估算出该时间段该路段的车速，并将信息提供给中心管理系统，由此预测路段的交通拥堵状况，为出行者提供实时路况信息。l 交通信号控制系统交通信号系统控制是智能交通系统的一个重要部分，可以检测到车流量等交通信息参数，调节路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统连接的数据库完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车信息，提供给交通参与者合理的行驶路线，以达到均衡道路交通负荷的主动的控制策略，从而真正实现交通的智能化控制，为人们的日常生活提供方便。l 指挥调度系统交通指挥调度系统通过对智能交通各子系统的高度集成，汇总融合、分析处理各类交通数据，并依据最终获取的有效信息进行决策和交通指挥调度，同时对各种交通突发事件进行判断、确认和处理；目的是提高城市交通的管理水平，加强对道路交通宏观调控和指挥调度的能力，对突发事件形成快速高效的应对机制。4.3 操作设计 该系统的目标是建立创新的可移动式服务平台。通过对欧洲各国乃至全球已有的出行信息平台的信息交换；提供出行者跨国、跨地区的多种交通方式的动态出行信息。以使出行者在不同时间和地点通过移动或固定终端/设备。在出行前和出行途中获取个人所需的出行信息WISETRIP 系统结构如图4所示。互联网PDA手机短信其他WISETRIP系统使用者界面固定式,移动式系统界面层出行规划系统主要数据语言调整系统WISETRIP服务固定,移动式WISETRIP核心系统个性化系统出行规划系统界面实时决策机制出行生命周期模型发布WISETRIP平台参与服务及数据出行规划系统出行规划系统出行规划系统外部数据打包预订预付系统使用者档案出行周期时间位置警告图4WISETRIP系统结构构想Fig.4ThemainsystemarchitectureconceivabilityofWISETRIPITS的一个重要特点，就在于系统中包含了一个采集基础数据，将数据组织成为信息，并进一步将信息提炼成为知识的过程。这一过程可以通过图4.3概略加以说明。交通量、密度路线诱导数据附加通过时间的车辆移动数据ITS产生的原始数据区分时间段的OD信息非集计区分目的地路线选择信息区分时间段的路段交通量、密度交通工程角度的原始信息交通流分析单位排放量环境负荷分析交通行为分析动态交通分配宏观交通状态仿真分析数据分析各种参数输出信息不同时间段路段交通量预测交通监控交通需求管理道路规划交通诱导信息提供收费对策环境对策交通对策图4.3 ITS中的信息加工过程1) ITS 6大操作系统智能交通系统管理机构包括市交警支队、市交通局、市城管办以及资产经营公司等。有些管理业务存在一定范围的错位与重叠。根据对各管理部门的交通信息化建设状况、可利用资源、信息资源分布等情况，从统筹安排全市ITS建设的角度出发，兼顾各部门建设ITS的可操作性，设计了城市智能交通信息系统结构框架，如图5所示。 智能交通信息系统 智能交通信息系统是智能交通系统的基础。是各应用系统之间进行信息交换的枢纽, 是交通参与者获取信息的重要窗口。作为ITS系统中地位重要的子系统。交通信息系统包括交通信息采集、交通信息管理、交通信息发布、交通信息服务4 大组成部分。提供道路交通状况信息、换乘服务信息、旅游服务信息、城市规划建设与管理决策信息、停车服务信息、公交服务信息等综合性的交通信息服务。 智能交通管理系统智能交通管理系统为交通管理者提供交通事务管理、交通管理方案的形成和评价、辅助决策支持等功能。 智能交通控制系统其关键技术采用的是澳大利亚的SCATS技术。该系统主要面向机动车交通流控制而开发。对于控制混合交通流尚有不适应的问题,因此。有必要结合杭州市交通特征。研究以混合交通流为主的系统控制技术以及以机动车交通流为主兼顾混合交通的整合控制技术。通过相应的模型算法及软件技术来加以实现。同时，探索挖掘将SCATS技术本土化的经验。 紧急事件快速反应系统紧急事件快速反应系统旨在提高交通对突发事件的报告和反应速度及能力, 改善紧急事件快速反应的资源配置, 提高紧急事件反应处理能力。该系统目前主要定位在对交通事故的快速处理以及事故引起的火灾的处理上。 公共交通管理系统公共交通管理系统是由公交信息采集系统(公交车辆车载GPS 技术、公交IC 卡收费、乘客计数系统)、信息传输系统(无线、有线通信)、信息显示系统(GIS技术、电子站牌、触摸屏)以及智能化处理系统等组成。智能化处理系统主要对公交路网规划、出行路线查询系统、行车计划编制、突发事件处理、杭州市智能交通系统示范工程实施方案运营数据统计分析、公交优先等进行处理。其服务对象主要包括乘客和企业两方面。 综合运输业务系统综合运输业务系统是基于“大交通”的考虑。以现阶段杭州市交通局已建的交通信息化设施为基础。进一步整合综合运输业务管理信息。最终实现对公路、水路、铁路、轨道交通以及民航等多种运输方式相关信息的高效管理。 3) ITS共用信息平台 ITS 共用信息平台作为交通信息系统的核心。将负责采集共用数据(如道路使用情况、交通状况、交通管理数据、物资运输信息等等)。对数据进行处理、融合。供其他子系统使用。同时提供交通信息服务。 交通信息系统通过ITS共用信息平台接口与其他各ITS应用系统进行数据交换。ITS各应用系统围绕交通信息系统展开各种信息交换共享工作。ITS共用信息平台是建立其他ITS应用系统的信息枢纽。主要发挥以下功能：明确各子系统之间相互衔接的关系。制定接口规范和功能衔接要求, 为各子系统的建立提供依据；在子系统建立后。从各子系统中收集共享数据。并对不一致的数据进行数据融合处理。完成对实时数据和历史数据的组织。以保证数据间关系的正确性、可理解性。避免数据冗余；根据服务请求和查询权限对客户系统提供信息服务。对自身存放的细节数据由共用信息平台提供查询通道；保障各子系统与公用平台的对接。最终实现对信息资源的共享。图6为ITS应用系统信息流程图。它反映了各应用系统之间的信息流程以及接口信息内容。图6 ITS应 用 系 统 信 息 流 程 图4.4 硬件选型（1） 全系列编码器主要特点：l 体积小，质量轻l 安装方便l 抗干扰强l 使用范围广l 工作寿命长图.固定欧姆龙旋转编码器E6B2-CWZ6C 1000P（2） 微波雷达主要特点：l 利用多普勒原理,发射和接受高频微波信号（准确感知物体的移动变化），通过信号放大和单片机程序智能识别，l 智能感应：1当有人进入感应探测范围（直径16m内)时，负载灯具点亮；当人穿越感应探测范围离开且设定的延迟时间倒计时结束后，负载灯具自动熄灭。2当人进入感应探测范围内，负载灯具已经点亮后，如人一直停留在感应探测范围内，在设定的延迟时间倒计时结束前，只要人有轻微的移动（包括肢体的运动），感应器将驱动负载灯具持续点亮，直至人离开且设定时间倒计时结束后，负载灯具自动熄灭。l 智能识别：1简单地说，就是本产品可以设定为白天灯不亮，晚上有人时灯才点亮；也可按需求设定为任何时候都点亮。2本产品有多种光亮设置选择，客户可根据需要自行调整，以适应不同环境光亮情况下的点灯需求。l 抗干扰性：众所周知，空间中存在有很多不同频率的信号（如手机的3GHz信号，wifi的2.4GHz信号，电视遥控器的433KHz信号，声波信号等等），某些信号洽洽又类似于人体感应的信号，我们产品能智能识别有用的人体感应信号，防止其他干扰信号的误触发点灯，确保产品可靠性。图.微波雷达感应220规格表（3） RFID固定式读写器Intermec IF5UC 产品实际图片如图4-11所示。图4-11 RFID式读写器Intermec IF5UC主要特点：l 面向EPC Gen 2和ISO tag的智能型RFID读写器；l 基于Linux平台，可以运行IBM WEME（WebSphere Everyplace Micro Environment）；l 支持三个频段的RFID；l 提供四个天线接口可组成灵活的扫描隧道；l 工业级的结构强度，可工作在各种恶劣的工业环境。技术规格如表4-1所示。表4-1 Intermec IF5UC技术规格表型号IF5UC操作系统Linux V2.4.23主机接口10/100BaseT以太网或IEEE 802.11gRFID频率范围865Mhz，915Mhz，950Mhz支持RFID标准Intellitag Gen1;ISO 18000-6b;Philips V1.19;EPCglobal UHF Gen 2天线接口四个Reverse SMA工作温度-25-70密封防尘IP53（4） 移动和固定车牌识别仪主要特点：l 设备具有视频自动车辆检测、图像抓拍功能，安装时不必附加外部检测设备、不需矫正触发位置，系统构建更加灵活；l 2车牌号码、颜色自动识别，车牌识别仪内部的识别运算程序对采集到的图像进行牌照定位、字符分割、字符识别等处理，识别完成后将得到牌照号码、牌照底色、牌照类型、特征图像、彩色牌照图像等结果，识别仪将这些结果通过接口控制单元传送到系统主机用于查询、比对、验证等；l 设备可以识别牌照类型，包括单层牌、双层牌、农用牌、军牌、警牌、港澳牌等；l 结果输出可提供牌照号码、牌照颜色、车辆图像、车辆通行时间、地点等信息；l 智能化分析图像亮度，闭环控制摄像机曝光参数，根据亮度分析确定曝光参数，由摄像机控制单元控制快门速度、光圈大小、增益、补光灯的开启以及亮度；l 高识别率、高速度、高可靠性，车辆捕获率99%、牌照定位正常率98%、识别正确率95%；l 视频车辆检测可适应0-200公里/小时的速度，识别仪在采集图像的同时即开始分析是否存在车辆，并对视频信号连续检测；l 夜晚消除车辆大灯的影响主动补光，在各种光线条件下都能采集到清晰有利于识别的图像，提高了系统的全天候的实际识别率。图.移动和固定车牌识别仪LPR600（5） 停车诱导系统主要特点如图所示：技术参数如图：（6） 高速高清摄像机主要特点如图：参数列表如图：5 参考资料1 UTMS society of Japan. 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