智能交通系統(ITS)主要由交通信息采集、交通狀況監視、交通控制、信息發布和通信5大子系統組成。各種信息都是ITS的運行基礎,而以嵌入式為主的交通管理系統就像人體內的神經系統一樣在ITS中起著至關重要的作用。嵌入式系統應用在測速雷達(返回數字式速度值)、運輸車隊遙控指揮系統、車輛導航系統等方面,在這些應用系統中能對交通數據進行獲取、存儲、管理、傳輸、分析和顯示,以提供交通管理者或決策者對交通狀況現狀進行決策和研究。
通俗來講,嵌入式系統是帶有操作系統的單片機系統;主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件和嵌入式軟件系統組成。他的框架可分為5個部分:處理器、內存、輸入/輸出、操作系統與應用軟。嵌入式軟件包括與硬件相關的底層軟件、操作系統、圖形界面、通訊協議、數據庫系統、標準化瀏覽器和應用軟件等。總體看來,嵌入式系統具有便利靈活、性能價格比高、嵌人性強等特點,可以嵌入到現有任何信息家電和工業控制系統中。從軟件角度來看,嵌入式系統具有不可修改性、系統所需配置要求較低、系統專業性和實時性較強等特點。
對于目前發展迅速的信息產品來說,其最關鍵的核心技術就是嵌入式操作系統。嵌入式操作系統EOS(Embedded Operating System)是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件。嵌入式操作系統具有通用操作系統的基本特點,如能夠有效管理越來越復雜的系統資源;能夠把硬件虛擬化,使得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來;能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序;另外,嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。
嵌入式系統通常都具有耗電低、體積小、集成度高等特點,能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部,從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化。除此之外,嵌入式系統開發軟件困難,要使用交叉開發環境。嵌入式系統的程序都固化在ROM 上,為了設計一個滿足功能、性能和時限要求的代碼并把他寫進給定數量、位置的ROM 中是困難的。他需要專門的開發平臺進行交叉開發。這種軟件開發環境對開發安全可靠、高性能和復雜的嵌入式系統起著非常重要的作用。
智能交通系統對產品的要求比較嚴格,而嵌入式系統產品的各種優勢都可以非常好地符合要求。對于嵌入式一體化的智能化產品在智能交通領域內的應用已得到越來越多的人的認同。
在智能交通的各類管理系統中,一般都要求系統能夠在無人值守的狀態下24小時不間斷運行,對產品工作的穩定性要求很高,更不允許出現死機的現象,嵌入式產品的工作穩定特性正好適應其在這方面的嚴格的要求。
嵌入式系統一般都是一體化形式設計的,在結構設計、功能模塊設計中都充分考慮了對環境的適應能力,結構簡單、元器件數量少、封閉式設計都使其比微機甚至于高檔工控機的環境適應能力強得多。這一特性在智能交通管理系統中也可以得到充分的發揮。智能交通管理系統中使用的絕大部分設備都運行在室外,甚至于野外環境中,必須考慮到設備在冬季嚴寒、夏季酷熱、南方潮濕、西北塵沙等惡劣氣候和環境下能否保證正常穩定地工作,環境適應能力強將是智能交通系統設備選型工作中首先必須考慮的重要因素之一。而這正是嵌入式一體化產品的特點之一。
嵌入式產品處理的是數字信號,可以毫無困難地與微機控制系統實現數據通訊,而且由于往往設計為一體化的形式,從外觀和功能上都相當于一個可獨立工作的“器件”,獨立地完成某個環節的功能,與外界的數據交換僅僅通過數據傳輸協議進行,因此設備獨立性、可更換性、通用性都非常好,可靈活裝配、更換、升級。各地智能交通系統發展狀況不一,有些地區發展較快,或者在新的道路上建造新的交通管理系統,有些地區發展較慢,只能盡可能地利用已有設備或系統,爭取花費最小的代價對原有的系統進行功能升級或模塊添加,對嵌入式一體化產品來說,其設備的獨立性使其可以很靈活地嵌入到各類管理系統中,
作為其中的一個功能模塊,對新系統來說大大減少了整個系統的耦合性,降低了其復雜性和故障發生概率,提高了系統的穩定性和易維護性,對舊系統改造和升級中,可以盡可能地利用原有系統或設備,添加或升級其中某一個功能模塊,對整個系統也只需很小的改動(如接口部分等),從整體上大大節約了投資,增加了系統效益。
ITS中的車輛監控系統、車載GPS導航產品、機頂盒電子地圖等許多系統都使用的是嵌入式技術。
電子警察就是使用嵌入式系統,在該系統中,當車輛闖紅燈時,地感線圈感應到車輛信號,檢測器被觸發,并給嵌入式系統發出一個信號,由信號燈控制器發出“紅燈”信號同時也給計算機發出另一信號,兩者同時具備時,嵌入式系統給攝像機發出一個控制信號。照相機動作,拍攝違章車輛圖像。車輛經過檢測線圈時,嵌入式系統檢測車速,同時記錄闖紅燈時間。由于嵌入式系統處理器運行速度高,他能滿足高速處理圖像數據的要求。嵌入式系統可以根據數字化后的車輛灰度圖像,對車輛顏色進行提取和識別,對車牌類型進行分類,對車輛字符進行識別。車輛字符識別系統包括圖像二值轉換,圖像差分、濾波與平滑,車牌定位與旋轉,字符切割,字符識別,車牌顏色提取與識別和車牌分類等功能模塊。違章車輛速度和顏色、闖紅燈時間、違章車輛類型和經過識別的車牌字符等信息,由嵌入式系統以數據信號形式發送給無線接入裝置。無線接入裝置把這些數據傳給lnternet,Internet再把這些數據傳給交通管理系統數據中心。交通管理系統可以及時得到違章車輛信息,從而更好地對交通系統進行管理,更好地保證交通管理系統正常運作。
GPS(Global Positioning System,全球衛星定位系統)在ITS整個系統中應用較為廣泛,像運輸車隊遙控指揮系統、最佳運行路線的調整、公交車輛的調度與管理、特種車輛實時跟蹤等工程中,都用到GPS系統。GPS車輛監控系統的拓撲結構如圖4所示,各移動車輛的組成與功能均相同,監控中心兼有地理信息顯示部分,提供信息查詢和可視化監控。中心和移動車輛都具有基本相同的通信控制器,形成系統工作的時序邏輯及數據結構。按照功能劃分系統主要有3部分:定位子系統、通信子系統和監控子系統。
GPS車輛監控系統基于無線通信正常工作,通信子系統在中心站和各子站之間提供傳輸信息的必要條件。各子站配備的GPS接收機用以獲取自己當前的位置、時間等信息,經差分修正后通過通信鏈路時向中心站發送狀態和位置等信息;在中心站,系統配備的GPS接收機(基準GPS接收機)用以求解關于一定區域的差分修正信息并在指定時間發送給子站,無線接收機定時接收各子系統的位置信息,并通過通信控制器送往電子地圖(監控子系統是由基于電子地圖的監控軟件構成),顯示各子站的運動軌跡。系統由監控軟件實現對各子站的狀態監控,并可利用無線通信對各子站進行調度指揮。這樣就實現了對各子站的監控管理。在監控中心可以采取兩種工作方式:主動查詢方式和被動顯示車輛信息方式,在查詢方式下,子站只在查詢時發送自身的數據;被動顯示方式下,中心站定時接收各子站的位置及狀態等相關信息。因此,此系統在ITS系統中的應用使整個交通系統的通行能力將大有提高,也減少了車輛的堵塞時間,節省了能源,減少了交通造成的污染,該系統無疑對交通系統是一個巨大貢獻。
為實現我國交通信息化的預期目標,最大限度地為社會公眾提供優質服務,減少交通事故,提高工作效率,嵌入式系統在ITS中應用應在全國推廣。這樣,就可以更充分發揮出現有交通基礎設施潛力,改善交通安全、提高運輸效率、經濟效益,減少事故、違章等現象,為建立更和諧的社會作出巨大貢獻。