智能运输系统理论及发展研究 绪论 1.1概述 敦能运输系统(ITS，Intelligent Transportation Systems)是将先进的信息技术、计算机 技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等有 效地综合运川于交通运输、服务控制和车辆制造，加强了车辆、道路、使川者之间的联系, 从而形成一种定时、准确?、高效的综合运输系统。 从ITS的定义可以看出，ITS是通过信息通信技水，将人、车、路联系起来，通过提高 道路的使用效率以及减轻出行者的负担来达到其“保障安全、提高效率、改善环境、节约能 源”的目标。ITS的概念如图1所示。 保障安全、提高效率 改善环境、节约能源 图1 ITS概念示意图 目前国际上的ITS研究形成了美国、日本和欧洲三大阵营，在ITS这个名称出现之前， 美国的 IVHS(Intelligent Vehicle-Highway Systems)、欧洲的 RTKRoad Transport Informatics), DRIVE二期工程都是和ITS意义等同的称谓。美国的ITS研宂开发体系最为完善，已受到 国际ITS研宂领域的广泛认可。 智能运输系统的研究内容分为以下7大部分： 先进的交通管理系统 ATMS (Advanced Traffic Management System); 先进的出行者信息系统 ATIS (Advanced Traveler Information System)； 先进的公共交通系统 APTS (Advanced Public Transportation System)； 运营车辆调度管理系统 CVO (Commercial Vehicle Operation)； 先进的乡村运输系统 ARTS (Advanced Rural Transportation System)； 先进的车辆控制系统 AVCS (Advanced Vehicle Control System)； 自动公路系统 AHS (Automatic Highway System)o 某屮，本文重点讲述出行者信息系统ATIS，主要从ATIS的工作原理、研究进展和应用 情况、发展趋势等几个方面进行阐述。 1.2相关内涵 先进的出行者信息系统ATIS是以个体驾驶员为服务对象，驾驶员可以通过车载路径诱 导系统，在与信息系统的双向信息传递中，使自己始终行驶在最优路线上。在信息类型以及 信息接收方面，AT1S与ATMS有明显的优势，虽然ATMS中同样具有许多向驾驶员提供信 息的设备，如可变信号板、公路咨询广播等，但它们传递的信息量是有限的，而且是为整个 交通流总体服务的，其信息只具有普遍性。而ATIS则可以压缩旅行时间，降低燃汕消耗和 减少废气排放，使交通拥挤状况得到缓解。 它包含有以下几个子系统： 出行者信息系统； 车载路径诱导系统； 停车场停车引导系统； 数字地阁数裾库。 1.3发展历程 出行者信息系统经历了两代的发展过程。 第一代系统称为出行者信息系统(Traveler Information System，TIS)，足在20世纪60 年代末70年代初出现的计算机技术和交通监控系统的基础卜.发展起來的。最初的将通信技 术进行信息发布。用于提高路网局部的通行能力，如严重拥挤的干道与干道的交叉口，或者 由特别事件和交通事故引起阻塞的部分路口与路段等。可通过可变信息标志(VMS)和公 路顾问广播(Highway Advisory Radio，HAR)等手段发布信息。 第一代系统具有如下特点：VMS和HAR是单向的通讯系统，用来向车辆传递通用出行 信息，由出行者个人对信息进行筛选，选择出对其有用的信息(如果有的话)。目前VMS 仍是发布交通信息的重要手段。 访二代系统称为先进的出行者信息系统(Advanced Traveler Information System, ATIS)， 它采用信息采集、传输、处理和发布方Ifif的最新技术成果，可以为更广泛的出行者提供多种 方式的实时交通信息和动态路线诱导功能。与第一代系统相比，ATIS则是通过车载终端、 蜂窝电话、有线电话、有线电视、大屏幕显示和互联网等手段发布信息。 ATIS具有如下特点：通信电子地图、计算机和多媒体技术的高度发展，使得先进的出 行者信息系统为出行者提供个性化的出行帮助成为可能；ATIS着眼于提供出行者想要的信 息，因而可以大大减少山行者对信息进行筛选的工作量。 1.4发展现状 从现实屮讲，我国rrs的发展依然处于起步阶段。在atis方谢，国家自然科学基金重 点项目“城市交通流诱导系统理论模型和方法的研究”是我国S早进行的atis科研项0之 一。同济大学杨晓光教授在探讨我国实现交通信息化的充分必要性的基础上，研究提出了适 应于屮国实际的交通信息系统基木框架、交通信息化所关联的基本技术，以及推进我国城市 交通信息化的对策和措施。北京理工大学王武宏等在国防科技预研基金项H里对驾驶员信息 系统进行了适宜性分析。由同济大学和东南大学所承担的科技部“十五”科技攻关项0之一 一一“rrs效益评价方法研究”在atis方面展开了效益分析方法的研究。东南大学曾在rrs 方面开展了一些研究课题，有些涉及到atis的基本概念和设计理念。 江苏省山行者信息系统是基于“江苏省rrs体系框架和规划研究项目”、“江苏省公路智 能交通发展规划研宂项目”等的研宂成果基础上，为了更具体地在公路上实施its而进行研 宂的。根据公路发展的特点和发达国家在its应川7/面的实践，rrs在公路上的实施选择信 息化作为起点。通过信息化的实施，I上出行者及时掌握交通动态，调整、优化出行汁划，减 少不必要的交通延误和拥堵，同时提髙交通安全性，使整个路网运行效率和安全性达到提髙。 1.5 ATIS发展目标 目前，各国的出行者信息系统应该满足本国的发展目标，一般情况下，其目标体现在以 下六个方而： 促进以实时准确的交通状态为基础的出行方式选择； 减少出行者个体在多方式出行中的出行时间和延误； 减轻出行者在陌生地区出行的压力； 降低整个交通系统的行程时间和延误； 通过公私合作降低交通系统的总成本； 减少碰撞危险和降低伤亡程度。 ATIS系统组成及工作原理 2. 1系统组成 先进的出行者信息系统由交通信息(信息控制)屮心、通信网络系统和车载设备系统俎 公众信息 显不终端车载设i 车辆 公众信息 显不终端 车载设i 车辆 公用 信息亭 个人 信息络端 图2先进的出行者信息系统结构示意图 交通信息中心（TIC）交通信息屮心是先进的出行者信息系统的主控屮心，它集交通信 息采集、处理和发送于一体，主要功能有：数裾库的建立和更新、与其他信息源的通信、与 车载没备的通信、交通信息数据分析和处理等。其硬件系统由计算机和各种通信没备组成。 通信网络通信系统负责道路交通信息的数据传输以及车辆和信息控制中心的数据交换。 车载设备系统车载设备系统主要由车载导航计算机、车辆通信设备、定位系统设备和显 示装置构成。 2.2 ATIS工作原理简介 下面我们将分部对ATIS系统的主要工作原理进行介绍。 正如图2所示，出行者信息系统除了外部的硬件设备以外，主要的工作原理图如下图所 示，由信息采集、信息传输、信息处理、信息发布和车载信息显示等儿部分组成。其屮，信 息传输过程贯穿于整个信息流动和出行者出行过程。 图3出行者信息系统的信息流程示意图 下图是具体到交通信息的整个流动过程的示意图，同时，也展示丫出行者信息系统的相关原 理。 图4出行者信息系统的系统原理示意图 2.2.1 ATIS信息采集及获取 出行者信息种类主要有三种，具体如表1所示。 表格1 ATIS交通信息的分类表 类别 基本内容 动态信息 车流量、突发事件、交通控制信号、动态诱导信息、运行速度等 静态信息 路网分布、收费价格、里程、养护、交通管制、设计车速、通行能 力、事故多发时段和路段等 相关信息 停车场、气象信息、环境信息、物流中心、旅游信息、服务信息 根据上述信息分类，可以将信息来源分为道路基本信息、交通流信息、交通管控信息、 气象信息、紧急信息和服务信息六大类。 其中，道路基本信息的获取和采集上式主要是从相关的管理部门获取。 交通流信息的检测及获取方式基本都是通过在道路上安装车辆检测器，通过车辆检测器 来反映交通量、占用率、速度等等。 气象信息对交通的影响是显而易见的，尤其是对公路行车安全有很大影响，风速、风向 对于汽车的行驶阻力、能量消耗、抗侧向倾翻及抗滑移性能都有很大影响，能见度对行车速 度有较大的影响，温度和湿度对道路表面状况起着决定性作用，雨雪冰冻则大大影响道路表 面状况。 气象信息的采集主要采取两种方式：定期采集和随机采集。定期采集主要从气象部门、 媒体气象预报、公路气象信息小组、沿路气象监测装置、历史资料分析等几方而。随机采集 主要从路政、交警巡逻车、养护作业车、过往司乘人员、W路电视等几方面。 紧急信息主要通过车辆检测器检测的数据，自动对于异常数据分析处理进行判断得出，有时 使用视频证实，还辅助以人工措施，主要有：无线电话、紧急电话系统、交警巡逻和路政巡 逻等措施。 2. 2.2 ATIS信息交换和传输 信息传输系统主要是通过光纤、电缆、微波等传输媒介，在终端与交通信息中心/交通 信息平台之间的传输语言、文字、图像、视频等。信息传输系统是控制巾心与信息采集、发 布系统终端之间进行联系的主要渠道，是整个信息系统的重要组成部分。为了确保系统内部 数据、语音、图像信息准确、及时地传输，以满足运营管理的通信需求，通常需要建立内部 通信专川网。主要的信息传输过程如下。 图5ATIS的信息传输过程示意图 在信息屮心与同定信息源之间，通过光纤数字网络进行数据传输。道路交通信息、社会 服务公共信息通过光纤网络传送到信息屮心作进一步处理，并传送到信息发送装置。 双向动态无线数据传输系统负贵完成信息中心与车辆之间的数据交换。一方面，车辆利 用接收器可以获得从TIC发射来的实时交通信息，如当前路段通行时间估计、堵塞或事故 发生地点等；另一方画，车辆又是流动的交通信息探测器，通过车载发射装置把当前的交通 信息（实际路段通行时间）反馈给信息中心。常用的无线通信方式有：集群通信、蜂窝移动 通信、无线交通信息中心基本数据处理 ATIS信息处理系统足对上述收集来的各种交通倍息进行相关的处理，以便于通过 ATIS的信息传输通道传输到车载终端或者用户终端等等。 道路基本信息 交通流信息交通管控信息气象信息服务信息静态信息数裾库信息S4 合分析知识库信息油取、 挖掘集成信息分析预劃信息发布系统车载 交通流信息 交通管控信息 气象信息 服务信息 静态信息数裾库 信息S4 合分析 知识库 信息油取、 挖掘集成 信息分 析预劃 信息发布系统 车 载 信 息 动态信息数据庠 模型库 图6ATIS的信息处理分析示意图 TIC部分数据处理的原理主要包括以下五个部分的P、j容。 根裾实时道路交通状况，更新交通运输信息数据庳。 生成并定期更新预估的历史路段通行时间数据库，如在一天中的各个时间段，一 个星期屮的各天和一年屮的各个季节。对驾驶员来说，在缺少当前交通报告情况下，这是对 路段通行吋间做出的最好估计。 进行连续的数据重组工作，该工作比较并组合当前的道路交通信息和历史的路段 通行时间数据，给车辆提供最佳的路段通行时间估计，它是综合各方而信息以建立最佳的交 通状况预测模型。 利用实时交通模型，HC根据当前交通状况计算出预估的通行时间和一条从出发 点到达目的地的最优路线，驾驶员利用这些信息选择通往目的地的最优路线。国内外已研究 了多种最优路线搜索算法，比较典型的有Dijkstra算法、启发式搜索算法等。在车辆行驶过 程屮，路线搜索算法应能在较短的、可接受的时间闪，根据当前的道路交通状况，不断对已 选择的最优路线及路段通行时间估计进行修正。 进行事故调查工作，以确定不正常的路段通行时间的起因，不正常即指某天某时, 某路段上的通行时间均超过了历史通行时间，事故调査过程是用来査明路段通行时间突然增 加的缘由，并利用这些信息通知出行者可能发生了事故。 2. 2.4 ATIS信息发布 ATIS交通信息发布的主要形式见下表所示。 表格2 ATIS信息发布的形式表 发布信息分类 发布信息的形式 行驶中驾驶员信息服务 图片、文字、视频、音频 路径诱导与导航 视频、音频 途屮出行者其他信息服务 文字、视频、音频 出行前信息服务 图片、文字、视频、音频 途中公共交通信息服务 文字、视频、音频 个性化信息服务 图片、文字、视频、音频 出行者信息发布方式是ATIS系统通过信息平台/信息管理部门为出行者提供的出行者 息，为最终用户的使用和服务商提供基木的交通信息（包括静态、动态信息及相关信息等）。 系统可以通过WEB网站、电视、交通广播、可变信息板（VMS）、车载导航系统显示设备、 DSRC、BP机、PDA （Personal Digital Assistant,个人数字助理）等技术來发布这些信息。 2. 2.5车载设备进行相关定位信息的处理和显示 车载计算机的功能是储存和处理交通信息，为驾驶员提供良好的人机界而，方便驾驶员 输入信息和获得信息。 ATIS能够向驾驶员实时地提供准确的各种车辆和道路信息，车辆导航定位模块包括车 轮速度和方向传感器，以及全球定位系统GPS接收器，这些均用来为导航提供精确的地理 位賈和时间数据，以跟踪车辆在道路网络屮的位賈，它所使用的数据源有传感器数器、数字 地图数据库和GPS信号。 2.3 ATIS的服务功能 先进的出行者信息系统为出行者提供全方位的信息服务，系统的服务功能由下而4个子 功能系统來完成。 （1）车内路径诱导系统IRANS 车内路径诱导系统IRANS为驾驶人员提供两类信息：如何从一个地方到达另个地方的 信息和交通拥挤信息。该子系统具有以下7个功能：出行计划、多方式出行计划协调、出行 前的路径和目的地选择、动态路径选择、路径引导、路径导航和自动付费。 .午.内驾驶人员服务信息系统IMSIS IMSIS包括以下功能：路边服务广播信息、路边服务项目的获取、与目的地的联络、联 络信息的传递。例如与FI的地的联络功能，它使驾驶人员方便地与FI的地进行通信，进行各 种安排，如预定旅社和饭馆等事宜。 车内道路标志信息系统ISIS ISIS提供道路、警告、规定和建议信息，具体有道路标志指导信息、道路标志提示信息 和道路标志规定信息等。 车内安企和预警系统IVSAWS IVSAWS为驾驶人员提供即将遇到的可能危险情况和道路条件的变化情况，以便使驾驶 人员有足够的吋间去采取措施，如减速、请求帮助等。这一系统不包括紧急情况下的警告系 统，如紧急避让系统。主要功能有危险情况警告、道路状况信息、自动援助请求和手动援助 请求等。 先进的出行者信息系统是ITS研究巾的一个非常重要的领域，向來是智能运输系统研究 的重点和热点，也被认为是rrs的核心系统领域。欧、美、日等国家和地区投入了大量的人 力、物力和财力进行研宄、幵发和试验，并积极投入运营，积累了丰富的经验并且取得了相 当的成绩。以下我们重点介绍儿个国家地区的atis系统的研宄应用情况。 3.1日本ATIS的研究应用 H本是最早进行ITS研究的国家。20世纪70年代是日本研究ITS的初始阶段，1973 年円本国际贸易和工业省发起了全而的车辆交通控制系统的研究，从而拉开了国际ITS研究 的序幕。闩本最初正式投入的系统有汽车综合控制系统CACS。通过CACS实验，积累了汽 车在城市公路网的动态路线引导方法及相关技术方面的经验，但由于完成的时期过早，没有 投入实际使川。 20世纪80年代，继CACS之后的各项工作取得了扎实的成果。警察厅从20世纪70年 代始，在全国设置了交通控制中心，以连接东京都巾心部和成m机场接送旅客的大客车力对 象，通过路、车间的通信，利用AVI （车辆自动识别）功能进行了行程吋间的测定。后来， 乂实施应用了以省为主导的路车间通信系统RACS和以警察厅为主导的新汽车交通信息通 信系统AMTICS两个项目。 道路交通信息通信系统（VICS）是日本出行者信息系统的核心。巾道路上的交通流检 测器和车辆上的发射天线将动态交通信息传输给信息中心，信息巾心经过规范化处理后利用 FM多重放送等手段将多种诱导信息再发送给车辆，结合车载GPS接收机的定位功能，从而 实现弓I导车辆更好地完成出行的H的。1996年春在东京圈的主要普通道路、首都高速公路、 东名和名神商速道路全线开始正式导入该系统。在此之后，大阪府等8个地区的主要道路、 高速道路全线也导人了该系统。 据报道，在日本首都高速公路网上V1CS的普及率达到20%的水平，首都高速路上的阻 塞率降低了 10%，另外，VICS在日本全国的普及率达30%，则总拥挤损失率可降低6%。 ATIS （先进的交通信息服务系统，Advanced Traffic Information Service）系统的通信媒 体是电话线路（无线、有线）。交通信息利用者通过车上装载的导航装貫或向己家及办公室 的微机，可按需要接收多媒体的地图信息和文字信息。 3.2欧洲ATIS的研究应用 欧洲从1986年开始涉足ITS领域的研究。由欧洲主要汽车公司发起的欧洲高效安全道 路交通计划（PROMETHUS）旨在以汽车为主体，利用先进的信息、通信自动化技术来改 善运输系统，解决交通问题。在1991年末成立的欧洲道路交通通信信息实施协调组织 （ertico）作为K办的公共组织，负责监督和协调欧洲的rrs研究、发展和实施。 瑞典进行着TSWS项目的研究，该项目建立了评价道路系统和车队管理、交通管理等 系统的综合实验场，实验主要包拈以下内容：出行计划的决定，在地图上表示出不同出行方 式的到达时间和收费信息；交通信息的提供，如交通状况和天气情况信息等；路径诱导，为 出行者提供到达目的地所谣的车道变更、高速公路的出人U位置、限速信息、停车场信息等。 徳国西门子公司开发的Euro-Scout是基于红外信标通信方式的中心决定式路径诱导系 统，它的研究应用具有一定的国际影响，不但安装于德国柏林等欧洲城市，亦应用到了美国 Michigan的Oakland Country。后来德国又在广域内开发基于RDS-TMC交通广播的路径诱 导，该系统现已或即将在英国、德国、意大利等11个欧洲国家开通。 Trafficmaster系统是以伦敦巾心的大范围高速公路使用的系统采用丫现有的传呼机网络 提供交通信息的系统。该网络由收集高速公路交通状况数据的传感器、整理发送信息的控制 屮心及接收送达信息并显示在显示器上的车載终端装罝纟 11成。 3.3美国ATIS的研究应用 20世纪60年代末期，美国就开始了智能交通系统方面的研宄，当时称为电子路线引导 系统ERGS。美国在20世纪60年代到80年代期间，在道路交通的信息化、智能化方而， 儿乎没有任何进展。但是受到日、欧进展的触动，产生了危机感，开始加快进行ITS研究。 在美国ATIS应用中，比较有代表性的有在佛罗里达州奥兰多市进行的TRAVTEK研光, 该试验以实时道路引导和信息服务系统的实W化为目的。TRAVTEK系统屮，交通管理屮心 负责收集、管理并提供道路交通信息，同时还要提供系统运行所必需的信息管理与服务；车 裁导航装罝提供车辆定位、路径选择、界面等三个功能，该装置能够品示包含堵塞地点、事 故和施工等信息的奥兰多地区地阁，并能提供符合驾驶员要求的路径引导，以及提供服务的 文字信息等。 另外，美国在Chicago进行丫先进的驾驶员车辆资讯导航系统(Advanced Driver and Vehicle Advisory Navigation Concept)的研究。该系统的车辆定位主要基于差分GPS,在GPS 处于盲区时辅以基于车轮速度和方向传感器的车位推算法为车辆提供定位数据，是一个比较 典型的自主型路径诱导系统。 在具体的应用中，美国圣保罗市建立了一个先进的停车信息系统(Advanced Parking Information System, APIS)。该系统管理7个停车库和3个停车场，使用丫 56个标志牌來 显示停车设施的位置和泊位占有情况。驾乘人员可根据系统提供的信息选择要去的0标源停 车场(库)后，就可跟着诱导标志走，诱导驾驶员更方便快捷地寻找停车泊位。 目前美国投入使用的MAYDAY系统可以是用户通过连续保持与服务屮心的无线通信 联系A动车辆A身的位置，在必要时可以获得紧急帮助。该系统的扩充功能包栝提供：出行 者信息、路径帮助和诱导等服务；另外美国各地广泛布置丁区域性的多方式出行者信息系统 (Multimodal Traveler Information Systems )，包括在 Internet 上进行实吋交通信息的发布。 3.4中国ATIS的研究应用 在ATIS方面，国家自然科学基金重点项目“城市交通流诱导系统理论模型和方法的研 究”是我国最早进行智能运输系统研究的科研项目，此项目结合我M城市交通运输的实际情 况，主要研究与开发城市车辆运行中的动态路径诱导系统的理论模型和实施技术。该项n正 在运行之中，并取得了一定的阶段性成果。 在国内许多城市引进了国外先进的ATIS系统，如：北京的SCOOT等、上海的SCATS、 沈阳的SCATS、长春的比利时系统、广州的SCATS、大连的SCOOT、深圳的日本系统、无 锡的円本系统。使用国闪开发系统的城市有南京、屮山、昆明、重庆、厦门和威海。城市A 的公共交通定位调度管理系统、出租车定位调度系统也在广泛使用。 具体地，北京市在08年奥运会的时候，研宂设计并实施了 AFTS系统的停车场停车诱 导系统，以保障奥运会期间的交通停车秩序。上海世博会准备期间，以上海己有的城市交通 控制系统（UTCS）为研宄基础，将出行者信息系统（ATIS）引入其中，即建立一种基于 UTCS的“城市交通控制和诱导系统UTCGS”，将ATIS提供的动态交通信息加进UTCS控 制策略的制定中，使城市交通控制系统不仅A有控制交通流的功能，而且还能对交通流实现 诱导。此外，上海市外环线浦西段交通监控诱导系统是国内的一条在城市快速路网中投入使 用的交通监控诱导系统，由交通信息监视、检测、诱导、区域控制等设备组成，基本实现了 全覆盖，构成了一个实时有效的全线交通状况的视频图像和交通信息数据M络。 4.总结及发展展望 4.1 ATIS的实施效果 实践证明，出行者信息系统在出行时间、消费者满意度、路网通行能力以及环境影响等 方而具有显著效益，也能够减轻道路拥挤和减少交通事故的数W:,极人地

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