智能交通系统及发展趋势

    1 智能交通系统( ITS )的发展

    伴随着经济的高速发展，交通运输业也得到了飞速发展，但是交通状况却不断恶化，产生了一系列交通问题：交通拥挤、交通安全问题、交通污染严重等。

    面对如此严峻的交通问题，交通专家极力地寻求解决的途径。过去常用的最直接的方法是增加交通供给，多修路，修更高等级的路。但是交通供给不是无限的，而且交通供给的代价非常昂贵。因此交通供给达到一定的水平以后，人们将解决交通问题的视线转向对交通需求的控制，如减少城市中小汽车的数量、提高泊车收费、发展高乘载率的公共交通等，以期从供、需这一交通矛盾的两方面解决问题。这一交通思想的确为现代城市交通问题的解决带来了转机。随着现代信息通讯技术和计算机技术的高度发展，交通专家从系统工程学的角度出发，提出了基于现代信息通讯技术和计算机技术之上的、将“人车路”作为三位一体的交通系统，通过人对交通信息的使用，在不增加现有交通供给的条件下，大大提高道路交通的安全性、运输效率、行车舒适性，并减少交通污染。在此基础上逐步形成了智能交通系统的概念[1]。

    智能交通系统是现代科技手段在交通领域的具体表现，是以缓和道路堵塞和减少交通事故、提高道路使用者的方便、舒适为目的，利用高科技信息通讯技术创新的交通系统的总称。是未来道路交通发展的方向。世界发达国家都竞相把ITS作为交通领域的前沿学科加以研究，日本更是将其作为国家发展计划来定位。据科学家预测，应用智能交通系统以后，可有效提高交通运输效率，使交通拥挤降低20%,延误损失减少 10%～25%,车祸降低 50%～80%,油耗减少30%，废气排放减少20%[2]。

    2 车辆导航系统(VNS)

    车辆导航系统是 ITS 的核心系统。ITS 要提高路网运输效率，就应该告诉在路网上行驶的驾驶员，哪一条路线是他到达目的地的最快、最佳路线。以往司机主要是依靠交通地图和路边的交通信号标志以及经验来做出选择。如果行车到不熟悉的地方，司机就要为寻找目标花费很多时间，即使去一个熟悉的目标，也可能由于交通状况的不同，凭经验选择的路线并不一定是最佳路线。因此实时动态的为驾驶员提供车辆导航就成为 ITS 的主要功能。

    2.1 车辆导航系统的基本功能

    为了使车辆在地理空间上有目的得行驶，VNS应具备以下 5 个功能[3]（如图 1）。 

    （1）地理数据库 具有地理空间的结构信息，以及道路建筑物等实体的信息。关键部分包括支持车辆导航的数据内容、有助于快速获取数据的数据结构以及数据源。目前，随着地理信息系统(GIS)的发展，交通地理信息系统(GIS—T)得到很快的发展，必将取代地理数据库成为 VNS 的基础功能。

    （2）车辆和目的地的定位 确定车辆在数据库提供的参考坐标系中的现时位置，同时明确目的地的位置，以便设计算导航的方向和距离。

    （3）行车路线规划 确定车辆从当前位置到达网络中的任一目标所经过的线路。在车辆和目的地的定位后，通过对交通网络的交通状况分析判断，经过拓扑运算得出行车最佳路线。

    （4）指令生成 指出沿规划路线行驶时，在下一个决策点(通常为十字路口)应该如何行驶(直行或转弯)，以及如何辨别决策点。

    （5）转向控制。

    2.2 车载式车辆导航系统(IVNS)

    将车辆定位系统安装在汽车上就是目前的车载式车辆导航系统。IVNS 包括导航计算机、彩色地图显示、以及 DVD-ROM 地图数据库存储三种主要功能。可以提供车辆实时定位、显示道路鸟瞰画面、道路横断面图，可以接收 ITS 控制中心发送的各种文字和图像信息，还可通过手机电话联结互联网，获得更多的交通信息。

    IVNS的关键技术是车辆定位技术，目前常用的车辆定位技术有以下几种[3]：

    （1）地图匹配 这是一项确定车辆在带有街道名称和地址名称的地图之中的位置的技术。源于 20世纪 70 年代，是一种类似于人工智能的软件技术。车辆的行驶路线同道路网络的图形相关，利用具有确定性的坐标(如十字路口)确定车辆的位置。它通常与其他技术匹配，利用数字道路地图修正车辆的定位误差，及时协调车辆的位置。这种方法需要严格制作的数字地图。定位精度取决于数字地图的要素数量及精度。

    （2）推算定位 推算定位技术是从测量到的车辆位移和航向进行定位的技术。它使用电子罗盘、陀螺仪、里程表、轮胎脉冲传感器，由这些传感器传来的信号推算出车辆的行驶距离、速度及行驶方向。在短时间内，这种方法定位精度较高，但时间长了会产生累积误差。

    （3）GPS 定位 GPS(Global Positioning System)即全球定位系统是美国国防部用于军事目的的第二代全球定位系统，它由空间导航星座、地面工作站和用户接收机组成。可以在全球范围内全天候地为各类用户提供高精度三维位置、三维速度和时间信息。是当今世界上最高精度的星基无线电导航系统。

    用GPS进行车辆定位，关键在于定位精度。目前，GPS民用动态定位精度可达到 25 m，这一定位精度还不能满足高速行驶的车辆快速定位的要求。因此，目前日本、美国和欧洲一些国家研制的实用车载式车辆导航系统大都使用了这三种方法联合定位。其原理是：利用GPS定位系统为车载式车辆导航系统提供一个原始的定位坐标，再由导向系统的推算定位和地图匹配设备对定位坐标不断的修正[4]。

    由于中国地域辽阔，地形复杂，要建立地图匹配和推算定位所需的全国性的地图数据库的困难很大，因此宜选用 GPS 作为导航系统的定位技术。除了车辆导航系统以外，ITS 还应包括以下一些基本功能：

    （1）自动收费系统 通过 IC 卡进行收费。

    （2）道路构造信息系统 通过信息板、图形显示板、信标等道路路侧设备，预先向司机提供肉眼看不到的前方道路情报。如道路线形、路宽、纵坡等。

    （3）交通流控制诱导系统 通过 ITS 控制中心，一方面及时调整路网上的交通流向。使欲驶向拥挤路段的车辆绕道行驶。另一方面可为驾驶员推荐最佳行车路线。

    （4）紧急救援系统 当道路发生交通事故后，该系统负责快速处理事故、及时救治伤员、合理疏导交通。

    随着 ITS 的发展和成熟，智能交通系统将具有车间侧面控制系统，周边移动体识别系统，自动驾驶系统等多种功能强大的子系统。

    3 ITS 发展趋势

    ITS 发展趋势从技术角度看，在完成从利用情报技术来缓解交通拥挤，到开发以安全为目的的车辆控制系统后，有朝着自动驾驶系统的开发和应用方向发展的趋势。自动驾驶系统的两个核心组成如下。

    3.1 智能道路

    由交通流理论可知，在交通量一定的情况下，车速和交通密度成反比的关系。这种反比关系其实是交通安全所必需的。车速提高，为了防止碰撞，驾驶员必须拉大车头间距，交通密度随之减小，因此，车速和交通量不能同步提高。要实现交通量大、车速高的交通模式，必须改变种反比关系。人们受火车运输的启发，设想有一种道路，高速运行的汽车车列能以较小的车头间距连续运行。于是提出了智能道路的概念。目前日本和欧美各发达国家都在进行智能道路的试验[5]。

    3.2 智能车辆

    ASV(Advance Safety Vehicle)亦称先进安全型车辆，是在汽车上安装电子导航系统，车间通讯设备，自动驾驶装置等先进电子仪器，使之能了解行车路途上的交通状况，不断选择最佳路线，依靠车道白线、车间通讯器等自动或半自动驾驶[6]。

    4 结论

    尽管自动驾驶系统的应用前景广泛，也已经建成了不少实验路段，但考虑到这项长期投资的风险和当前的迫切需要，近期内智能交通系统的研究重点应是一些近期能付诸实施的项目。

    ITS 是下个世纪交通领域最活跃、最有效的交通管理系统，对于解决交通拥挤、提高运输效率、确保运输安全、减少环境污染都有非常重要的作用，是交通运输业实现可持续发展的有效手段。