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基于物联网和代理技术的智能交通信息系统
Hasan Omar Al-Sakran
Management Information Systems Department
King Saud University
Riyadh, Saudi Arabia
摘要
近年来私家车的普及使得城市交通越来越拥挤。因此，交通正成为世界各大城市的重要问题之一。一些交通问题是拥堵和事故，造成了巨大的时间浪费，财产损失和环境污染。本文提出了一种基于物联网的新型智能交通管理系统，具有成本低，可扩展性高，兼容性高，易升级，可替代传统交通管理系统的特点，所提出的系统可以极大地改善道路交通。物联网基于互联网，网络无线传感和检测技术，实现对标记交通对象的智能识别，自动跟踪，监控，管理和处理。本文提出了一种架构，将物联网与代理技术集成到一个平台中，其中代理技术处理物联网中大量异构的高度分布式和分散式设备之间的有效通信和接口。该架构引入了主动射频识别（RFID），无线传感器技术，对象自组织网络和基于因特网的信息系统的使用，其中标记的业务对象可以通过网络自动表示，跟踪和查询。本研究提出了通过基于移动代理技术的交通监控系统，使用分布式交通仿真模拟模型。
关键词：智能交通 物联网 RFID 无线传感器网络 代理技术
1.引言
近年来私家车的普及使得城市交通越来越拥挤。因此，交通监控正成为世界上大型智慧城市基础设施的重要问题之一。其中一些问题是交通堵塞和事故，通常导致大量的时间浪费，财产损失和环境污染。道路上的任何类型的拥堵最终都会导致经济损失。因此，迫切需要改善交通管理。物联网（IoT）的出现为智能交通发展提供了一个新的趋势。
本研究提出采用物联网，代理等技术改善交通条件，缓解交通压力。由交通IoT产生的信息和在所有道路上收集的信息可以呈现给旅行者和其他用户。 通过收集的实时交通数据，系统可以识别当前的交通操作，交通流量条件并且可以预测未来的交通流量。系统可以发布一些最新的实时交通信息，帮助驾驶者选择最佳路线。因此，系统可以精确地管理，监视和控制移动车辆。构建基于物联网的智能交通系统有许多好处，如改善交通状况，减少交通堵塞和管理成本，高可靠性，交通安全和天气条件的独立性[1,2]。
这种交通IoT必须包括交通的每一个要素，如道路，桥梁，隧道，交通信号，车辆，甚至司机。所有这些项目将连接到互联网，以便通过传感器设备，如RFID设备，红外传感器，全球定位系统，激光扫描仪等进行方便的识别和管理。
交通IoT提供交通信息收集和集成，支持自动和智能地处理和分析大面积道路上所有类别的交通信息。因此，现代交通管理正在演变成基于物联网的智能交通系统。
交通需要关于道路上服务和有用的物流的适当信息，因此系统可以变得更加自我可靠和智能。利用多个启用WSN和传感器的通信，将生成交通数据流量。这种流量监控应用需要得到保护，以防止在城市城市频繁发生任何安全攻击。这样少有的原型实现可以在[3,4]和智能桑坦德欧盟项目[5]中找到。
本文的目的是提出一个基于利用无线通信的物联网的实时交通信息采集和监测架构的框架。所提出的交通信息基础设施的主要特征是能其将不同技术与现有通信基础设施进行集成的能力。所提出的架构允许收集由传感单元产生的实时交通数据并使用基于多代理的系统监视交通流。代理可以以一定程度的智能和自主性执行特定任务，并以有用的方式与其环境进行交互，从而减少网络负载，促进异构IoT设备，为IoT和可编程的RFID和WSN的协作和互操作性提供支持，克服网络延迟，异步和自主执行。
本文的其余部分组织如下。第2节讨论了物联网的背景。第3节介绍了相关工作。第4节介绍提出交通系统的框架结构。第5节介绍了智能交通信息系统开发的基于代理的方法。讨论提出的交通模拟框架在第6节。最后，第7节讨论结果和未来工作。
2.物联网
在过去几年中，最近的通信模式物联网在学术界和工业界获得了极大的关注，因为它代表了大量行业的成本节约和新收入产生的巨大机会。这种兴趣背后的主要原因是它的能力。物联网可以用来创建一个世界，我们的日常生活中的所有智能对象连接到互联网和互动，最小的人为参与达到共同的目标[8]。术语物联网首先由Kevin Ashton在供应链管理的背景下出现。
Gartner预测，到2020年，物联网将达到260亿台，比五年前的9亿台增加，这将影响供应链领导者的信息。根据思科的研究，世界各地的城市将通过提供最佳的交通管理，停车和过境服务，在未来十年通过基于更智能的基础设施建设更智能的城市，从物联网中获得1.9万亿美元的价值[10]。
预期形成IoT中的感测和通信技术的构建块的使能技术是通过因特网或其他技术和协议连接在一起的无线传感器网络（WSN）和基于RFID的网络。RFID被认为是领先的技术之一，因为其低成本，以及来自商业界的强大支持。RFID可以将日常物体转换为智能物体。传感器网络集成了不同的技术，如传感器，分布式信息处理，嵌入式计算和无线通信。传感器和RFID在构建物联网方面发挥着重要作用。具有计算和通信能力的多个RFID和传感器连接到无线网络中并且彼此协作以与物理世界交换收集的数据以完成特定任务。
物联网的实施依赖于RFID系统，WSN和智能技术的集成。RFID和无线数据通信技术用于构建覆盖一切的网络。 诸如RFID标签和读取器，传感器，执行器，移动电话，智能设备，嵌入式计算机等对象将被包括在网络中，并且将通过独特的寻址方案彼此交互[11]。这些对象具有执行，处理，存储和联网能力。随着传感器技术的进步，传感器将嵌入在我们周围的所有对象。结果将是产生大量的数据，这些数据必须以有效和容易解释的形式存储，处理和呈现。物联网允许人们和各种对象随时随地连接任何东西和任何服务，并使用任何网络; 并且只要他们在线就可以实时地相互通信[12,13]。
其它必要的组件包括云，数据建模，存储，处理和通信技术[14]。用于构建无线传感器网络的主要无线技术是无线个域网（蓝牙），无线局域网（Wi-Fi），无线城域网（WiMAX），无线广域网（3G / 4G移动网络）网络（GPS）。图1中示出了基于RFID的传感器网络的典型结构。它包括生成数据（标签）的无线低端RFID传感器节点和从低节点检索数据的高端RFID传感器节点。由高节点收集的数据被发送到移动静态节点（读取器）。读取器将数据发送到无线低端计算设备（基站）。这些设备对传感器数据执行一定量的处理。然后，通过互联网（或其他网络）发送到高端计算服务器以进一步处理数据，并且将共享和存储数据。
3. 相关工作
许多研究人员已经处理了智能交通监测和控制的问题，并且作为其努力的结果，已经开发了几种不同的方法。Pang 等人[15]提出了一种基于混沌交通流时间序列中的模糊神经网络模型的交通流预测机制。 Bhadra等人 [16]应用基于代理的模糊逻辑技术用于涉及多种进近和车辆运动的交通控制情况。在[17]中，作者开发了将不同的动态数据集成到智能交通系统中的策略。Patrik等人[18]提出了一种面向服务的架构（SOA），用于物联网在企业服务中的有效集成。
图1基于RFID的传感器网络
最近，研究人员将注意力转移到物联网的革命性范例，从而构建了一个更加方便的环境，包括智能商业库存，医疗保健，智能家居，智能环境，智能计量，供应等不同领域的各种智能系统 连锁物流，零售，智能农业，监控电气设备等[19-22]，智能交通系统仍处于早期阶段[23-26]。不同的物联网系统，如UbiComp [27]，FeDNet [28，29]正在使用消息简单传递技术进行通信。这种技术消耗大量的带宽和能量。
代理技术已经在交通系统的不同方面实施，例如通过监测当前的交通拥塞并为车辆提供最佳路线来处理交通拥堵[30-32]。 Fortino [33]等提出了一种结合代理和云计算的架构，以在物联网中开发分散的智能对象，而Godfrey等人使用移动代理不仅处理IoT内的设备之间的通信，而且进行搜索所需的资源。
4.推荐系统的框架结构
所提出的系统的主要任务是检测移动对象及其位置，识别移动对象并将获取的数据发送到监控中心进行处理。
提出的智能交通系统的总体概述如表1所示。提出的交通IoT系统的结构由三个层组成：应用，网络和采集。
应用层的主要功能是收集，存储和处理流量数据，以产生增值服务;向用户呈现业务IoT的接口，并根据不同的需求分析从获取层接收的信息。
应用层包括以下子系统：
智能驱动程序管理子系统：驱动程序可以以最小的延迟获取实时交通信息。
车辆引导和道路信息管理子系统：监控一条路上的车辆数量，跟踪车辆的违规行为，发送警告按摩，指导驾驶员根据交通网络的预测，实时交通导航等避免可能拥挤的路段。
智能交通管理子系统：交通系统数据库包含来自车辆传感器的数据，来自环境传感器的天气信息和有关交通流的信息。子系统处理接收到的信息，并通过与其他子系统的接口共享。它允许快速，准确地跟踪车辆的位置，并优化交通调度。
表1 智能交通工具
信息收集和监测子系统：实时分布道路状况，天气信息，事故监测等信息。子系统合并不同子系统的数据，并以适当的格式提供给最终用户。
信息服务子系统：实时在线车辆信息查询和动态统计分析，跟踪特定车辆，并为交通管理部门生成报告。
网络层也称为传输层，由所有种类的专用网络，因特网，有线和无线通信网络，网络管理系统，全球定位系统（GPS），无线通用分组无线业务（GPRS），全球微波互操作性接入（WiMax），无线保真（WiFi），以太网和企业专用网络。它负责传输具有高可靠性和安全性的数据，并处理来自采集层的信息。 GPRS为移动用户提供高速无线IP服务，完全支持TCP / IP。由设备使用的无线通信信道可以包括诸如IEEE 802.11，Zigbee或蓝牙等的主要标准中的任何一个。
采集层由各种传感器和传感器网关构成，例如RFID，WSN，摄像机，用于传输移动对象的数据的智能终端以及用于收集实时流量和对象识别信息的其他传感器。它用作从物理世界收集的所有类型的信息（例如，识别的对象，交通流等）的源。其主要功能是从物联网传感器收集实时信息，监控对象并将数据传输到网络层。
该系统利用无线传感器来获得实时交通信息，例如每条道路上的交通状况，车辆数量，平均速度等。由于其低功耗，低成本，分布式处理和自组织，无线传感器的使用是非常合适的。为了实现大规模网络布局，系统使用无线集群传感器网络。每个集群具有一组无线传感器，每个集合由头节点表示。头节点处的数据由移动代理递送到后端系统。
已经有一些新车辆配备有能够在任何时间经由卫星通信设施接收和发送驾驶信息到监视器和控制中心的GPS和传感器。GPS可以与无线传感器网络连接，用于测量速度，行驶方向。
5.基于代理的智能交通信息系统的发展
在使用IoT的交通监控系统中存在大量各种各样的装置。在完全物联网部署的挑战中，IoT正在使这些需要适应和自主行为的异构互连设备实现完全的互操作性。物联网的主要问题是不同标准，数据格式，异构硬件，协议，资源类型，软件和数据库系统之间的互操作性[35,36]。另一个问题是智能接口和访问各种服务和应用的必要性。似乎移动代理是处理这些问题的方便的工具，提供用于在这样的设备之间通信的手段并且处理IoT互操作性。添加到该移动代理是在断开连接或低带宽的情况下的完美选择，将消息通过网络传递到未定义的目的地并处理IoT的互操作性。代理之间的所有消息交换都通过TCP / IP协议建立。
软件代理是观察并作用于环境并且用于实现预定目标的自主可执行实体。代理可以在携带其数据和执行状态的联网设备之间传输，并且必须能够与其他代理或人类用户通信。多代理系统是这样的实体的集合，在它们之间以一定程度的独立性或自主性协作。
在监控和控制流量的过程中应用代理技术是一种新的方法。由于其自主性，灵活性，可配置性和可扩展性，这种技术完美地适用于分布式和脱机系统，如交通监控和控制，从而减少网络负载并克服网络延迟。代理还可以用于跨目的地流量设备的地址未被识别的网络传递消息。每个业务对象表示为软件代理（智能对象代理）。在这种基础设施中，极其多样的设备将互连，并且将由其自己的智能代理来代表，智能代理收集信息并响应他人的请求。代理将提供其作为服务的功能。部署自主智能代理以提供在所提出的架构的每个层中执行功能任务所必需的服务。
代理被嵌入在每个设备内，并且每个设备支持所有代理功能，例如迁移，执行。整个系统可以由针对每个设备的移动代理所定义的特定应用来控制，定义它应该如何行为和智能地行动。网络中的移动代理从一个节点迁移到另一个节点，允许设备将信息传递给他人，检索信息和发现可用资源。
主要物联网流量代理是：
流量移动代理：向/从互联网的其他对象传输/接收不同类型的信息; 解释来自其他对象（RFID，传感器，用户）的数据，并提供上下文的统一视图; 与网络中的其他代理通信以完成特定任务。从该代理发送的所有消息将被传送到业务管理系统，并且与上述业务管理系统的预期应用的静态代理直接通信。
用户代理：向用户提供驻留在系统中的实体的实时信息。用户代理是与用户交互的静态代理。它希望与移动代理协调。
监视代理：监视系统以检测意外情况，并且触发一些动作以代表智能交通对象对一些标签读取事件做出反应，例如在紧急情况下。
RFID代理：负责读写RFID标签。当读取标签时，根据从其检索的数据，该代理在代表相关联的RFID的智能对象处理单
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