智能交通系统在中国的应用前景分析.pdf

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1、城市交通城市交通他山之石Urban Transport of China2002 年 第 3 期34智能交通系统在中国的应用前景分析智能交通系统在中国的应用前景分析陈雪明陈雪明1 美国美国 ITS 发展历史的简单发展历史的简单回顾回顾1.1 ITS 定义定义虽然 ITS 没有为各方所接收的统一定义，但从技术层面上来讲，ITS 运用以计算机、通讯和控制技术，即 3C 技术（Computer,Communication 和 Control）为代表的现代科技对交通系统进行控制和管理。ITS 涉及的技术领域很广，包括影像处理、土木工程、电子工程、机械工程、工业工程、交通工程、计算机科学、运筹学以及车辆

2、控制等领域。系统工程原理是 ITS 项目的灵魂，而信息流则是 ITS 研究的重点。ITS 代表了一种最高层次的交通系统管理技术，旨在以较低的造价和较短的时间来提高交通系统效率，降低交通拥挤，减轻空气污染和节省能源。交通系统管理技术至少包括 4 个层次：第一层次：交通信号同步化，信号机更新，以及简单的交通工程项目；第二层次：公共汽车优先项目；第三层次：计算机化交通信号控制和通讯联网；第四层次：聪明走廊和智能交通系统，包括中央交通控制中心。层次越高，技术越复杂和先进，建造和维护费用也越高。1.2 美国美国 ITS 发展的历史回顾发展的历史回顾在美国，ITS 的正式命名是在 1994 年，其 前 名

3、 为 智 能 车 辆 公路 系 统(IntelligentVehicle Highway System,IVHS)。虽然对 ITS的大规模研究和开发应用只有 10 年左右的时间，但对 ITS 技术有关的研究一直可以追溯到 1950 年代。美国私人公司在 1950 年代就开始对汽车的自动控制系统进行研究。美国政府交通部门在 1960 年代开始对电子线路诱导系统(Electronic Route Guidance Systems,ERGS)进行研究。但总体而言，这一时期美国对 ITS的研究不像现在这样积极投入。主要原因包括：1)当时的交通发展重点是建设全国州际高速公路系统；2)交通拥挤状况不像现在

4、这样突出；3)交通系统管理和交通设施维护不为交通部门重视，不是整个交通的主流。但是，在同一时期，欧洲、日本和澳大利亚等发达国家却对交通系统管理和控制技术的研究非常重视，并且逐步领先于美国。英国道路交通研究所(Transport and RoadResearch Laboratory,TRRL)在 1960 年代末就开始研制城市交通的区域信号网络协调配时优化设计控制程序 TRANSYT(TrafficNetwork Study Tool)。1970 年代 TRRL 又研制出第二代的区域交通信号网络优化实时控制系统 SCOOT(Split Cycle Offset Optimi-zation Te

5、chnique)，并取代了 TRANSYT 被广泛应用。澳大利亚研究的 SCATS(SydneyCoordinated Adaptive Traffic System)也非常成功。1980 年代以后，欧洲 10 多个国家投资 50 多亿美元，开始了 DRIVE(DedicatedRoad Infrastructure for Vehicle Safety inEurope)项目和作为 EUREKA 计划一部分的城市交通城市交通Urban Transport of China他山之石2002 年 第 3 期35PROMETHEUS(Programmed for a EuropeanTraffic

6、 System With Highest Efficiency andUnprecedented Safety)项目，并在建造欧洲车辆安全专用道路基础设施和其他技术方面取得了相当的成功。与此同时，日本也形成了官方、民间、私人公司和学术机构的 ITS协调机制，开始了庞大的 AMTICS(AdvancedMobile Traffic Information and Communi-cationSystem)项 目 和RACS(Road-Automobile Communication System)项目。由于受到这些外来的刺激，更由于 1980年代后美国大规模的全国州际高速公路系统建设已经告一段落

7、，交通发展重心逐步由交通系统建设转向交通系统管理，日益恶化的交通拥挤和无力继续扩展交通系统构成了深刻的矛盾，同时当时的计算机和通讯技术已经开始蓬勃发展，美国在 1980 年代末期终于再次对 ITS 加以重视，并且奋起直追。凭借其雄厚的科技实力，美国现在终于赶上和超过欧洲和日本在这一领域里的研究水平。以下为 1980 年代末期至今在美国发生的主要 ITS 事件：1986 年：联邦、州、学术界和私人公司代表成立 2000 年行动小组(Mobility2000)，对IVHS在美国的应用前景进行评估，并草拟联邦交通法来推动 IVHS 的研究；1990 年：美国 IVHS 协会(IntelligentV

8、ehicle Highway Society of America,IVHSAmerica)在首都华盛顿正式成立；1991 年：国会通过综合地面交通效率法案(Intermodal Surface TransportationEfficiency Act,ISTEA)，IVHS 研究正式开始。由美国交通部负责全国 IVHS 的开发工作，并在 1991 年以后的 6 年中由联邦政府拨款 6.6 亿美元经费用于研究和开发 IVHS技术；1992 年：IVHS America 向美国交通部提出全国 IVHS 发展规划；1994 年：IVHS 改名为 ITS，美国IVHS 协会改名为美国 ITS 协会；

9、1995 年：美国交通部公布国家 ITS 系统项目规划；1996 年：美国交通部长费得里科裴纳(Federico Pena)宣布实施时间节省行动计划(Operation Time Saver)，将在 10 年内在 75个 都 会 地 区 建 立 智 能 交 通 基 础 结 构(Intelligent Transportation Infrastructure,ITI)；1997 年：自动公路系统在圣地亚哥首次展示，大获成功；1998 年：国会通过21 世纪交通平等法案(Transportation Equity Act for the 21stCentury,TEA-21)，在 1998 年以

10、后的 6 年中由联邦政府拨款 13 亿美元经费用于研究和开发 ITS 技术。根据全国 ITS 系统项目规划，美国 ITS的研究、开发和应用主要在 4 条 ITS 优先走廊(南加州走廊、东北走廊、中西部走廊和休士顿走廊)内进行。从现在起到 2011 年，美国政府和私人公司将投资 2,000 亿美元建造全国 ITS 系统，包括智能交通基础结构和智能车辆系统，其中 80将由私人公司以各种方式提供。目前，美国对以下领域的研究和开发正在逐步完善，并趋完成：用户服务功能(User Services)；全国 ITS 系统结构(National ITSArchitecture)；全 国ITS标 准(Natio

11、nalITSStandards)；城市交通城市交通他山之石Urban Transport of China2002 年 第 3 期36 ITS系 统 整 合(ITSSystemIntegration)。ITS 除了在道路交通和车流控制方面得到广泛应用以外，在公共汽车信号优先以及商用车辆运行管理方面也得到了逐步的应用，并且取得了相当的成功。1.3 美国美国 ITS 项目的规划原则和项目的规划原则和过程过程1.3.1 ITS 项目的规划原则项目的规划原则建设技术上相互接口，区域间相互协调的交通系统：这是 ITS 系统最关键的要求；支持应用研究和技术转移：使得 ITS尽快地从实验室研究变成技术产品推

12、向市场；保证 ITS 技术和用户服务安全可靠，价格低廉：这里涉及到 ITS 产品的效率问题，要保质保量，同时要降低成本；将 ITS 发展成一个新的产业，鼓励私人公司加入：私人公司通常提供各种服务(Vendors)，而政府部门则制定政策和协调ITS 技术的发展。1.3.2 ITS 项目的规划过程项目的规划过程确定用户要求：知道用户需要什么样的 ITS 服务，而确定用户要求之前，必须先对用户进行调查；调查现有交通基础结构设施：要首先调查清楚现有的交通设备，作为建造新的ITS 系统的基础；设计运行规则：要规定各交通部门在操作和应用 ITS 系统时的具体规则。例如，一个交通部门可以查看和共享另一个交通

13、部门的交通数据和图像，但在没有事先征得另一个交通部门同意以前不能随便指挥和控制其所属的交通系统；提出系统要求：如何提供 ITS 系统功能来满足用户的需求；确定系统结构：要采用开放分散式系统方法来设计各交通系统之间的关系；进行高层次设计：对 ITS 项目的逻辑结构进行设计，并且初步确定所需要的硬件和软件；进行详细设计：对 ITS 项目的详细物理结构进行设计，最终确定计算机硬件、软件、通讯设备和网络连接细节；执行 ITS 项目：实施规划设计和系统整合；调试和接收：对完成的 ITS 项目进行实地测试和接收；运行和技术人员培训：进行具体运行，编制培训手册，对操作人员进行培训。2 中国大城市交通问题以及

14、中国大城市交通问题以及ITS 在中国应用中应注意的几种在中国应用中应注意的几种关系关系2.1 中国大城市交通问题以及对中国大城市交通问题以及对ITS 应用的影响应用的影响同发达国家相比，中国城市化水平和私人小汽车保有率较低，但城市人口密度高，交通需求量大。由于历史原因，中国城市道路交通基础设施十分薄弱，因此造成交通拥挤十分严重，给城市居民出行带来了极大的困难。与此同时，高密度的城市用地使得城市建成区难以通过大幅度扩大道路通行能力来改善交通状况。在这样一种情形下，ITS在中国的应用是十分迫切的。ITS 可以通过提高交通系统效率来降低交通拥挤，同时又城市交通城市交通Urban Transport

15、of China他山之石2002 年 第 3 期37避免修建大量道路带来的征地、拆迁和其他严重环境影响。必须指出的是，中国大城市交通中的一些具体问题对 ITS 技术在中国的应用有直接的影响。2.1.1 道路容量严重不足道路容量严重不足，车多路少车多路少，现状道路潜力小现状道路潜力小中国道路用地占整个城市用地的比例相当低，远远低于发达国家 20的平均水平，道路窄且道路网稀疏。这种道路用地严重不足的情形在旧城尤其严重。中国道路用地高度紧张的情形一时可能不会改变。而汽车增长速度要远远快于道路增长速度，这就导致了车速下降，交通堵塞恶化。中国道路低密度和严重交通拥挤决定了许多同高级出行者信息系统有关的改

16、道措施实际作用非常有限，因为在所有道路都拥挤的情况下，即使出行者知道交通拥挤的信息也无法改道。ITS 应用必须同现有的道路基础设施结构相适应。道路容量本身不足制约了 ITS 的应用。只建造中央交通信号系统，但不改善拥挤路口的容量将事倍功半。中国有些特大城市全天交通拥挤，使得许多交通量无法从高峰时段向非高峰时段扩散。2.1.2 居民出行以公共汽车为主居民出行以公共汽车为主尽管中国的公共交通日趋萎缩，十分艰难，但在居民出行中仍占极其重要的位置。根据预测，到 2010 年，居民出行将出现以下的交通工具分布状态：公共汽车：2535；轨道交通：510；公用和家用小汽车：1015；自行车、步行：4060。

17、公共汽车在中国的特别重要性决定了高级公共交通系统在中国的重要性。虽然中国机动车增长极快，但城市中机动车成为主要交通工具的可能性不大。大众交通工具仍是今后中国交通发展的趋向。2.1.3 道路上机动车和非机动车混合车道路上机动车和非机动车混合车流流，对对 ITS 提出了更高的要求提出了更高的要求中国交通中机非不分的现象十分严重，造成交通混乱。因此，理想的车辆感应器必须既能监测汽车，又能监测摩托车和自行车。这就对车辆感应器提出了比美国更高的要求。中国交通信号灯尚要增加步行时相，以方便行人通过。如果能在交通管理上先将混合车流的问题解决，那么 ITS 应用的有效性可能大为提高，否则交通监测的效果将大打折

18、扣。2.1.4 城市内外用地密度存在较大差别城市内外用地密度存在较大差别目前中国交通情况和美国第二次世界大战后的交通情况相似，旧城交通极其拥挤，郊区化刚刚开始，高速公路正在快速建设。新城建设可以考虑引进全新的 ITS 技术和设备，而在旧城，交通改造必须更多地考虑现有的交通控制设备，对其进行改造和利用。城际高速公路上引进电子无人收费技术显然是一个发展方向。在城内，可能要先考虑提高现有道路交叉口的通行能力，再对现有信号灯进行改进，然后再引进 ITS 技术。2.2 ITS 在中国应用中应注意的几在中国应用中应注意的几种关系种关系2.2.1 地面道路工程项目和地面道路工程项目和 ITS 的关系的关系一

19、般来说，道路工程项目造价较高，但城市交通城市交通他山之石Urban Transport of China2002 年 第 3 期38对道路通行能力的提高有较大的影响。而ITS 造价较低，但对道路通行能力的影响相对较小。如果可以直接应用 ITS 解决交通问题的话，那么应当首先应用 ITS 技术以减少工程造价。但是，如果道路交通工程更为有效的话，那么就应该先建造道路交通工程，再应用 ITS 技术。2.2.2 引进外国先进引进外国先进 ITS 技术和自己开技术和自己开发适合中国国情的发适合中国国情的 ITS 技术的关系技术的关系上海交警总队已完成澳大利亚 SCATS系统的引进安装。北京完成英国 SC

20、OOT 以及南斯拉夫TRANSYT7F交通信号控制系统的引进安装。1986 年开始在南京合作开发的第一套国产信号控制系统于 1991 年在南京主城区安装完毕，并且通过了调试。但是，引进国外先进 ITS 技术时，必须考虑中国的国情，并对技术进行一定的修正。总的来说，以TRANSYT为代表的定时控制软件系统和以 SCATS、SCOOT 为代表的实时自适应控制软件系统并不适应中国的混合交通特点，尤其不能有效地控制自行车交通。因此，在引进外国先进 ITS 技术的同时，要独立自主地开发适合中国国情的 ITS 技术。2.2.3 ITS 项目建设和维护的关系项目建设和维护的关系ITS 项目建成后，如何进行维

21、护是一个很大的问题。维护费用的分摊十分重要。有时 ITS 涉及许多地区，经费的获得和分摊不易解决。ITS 项目的资助者不一定能得到好处。在美国，ITS 建设经费通常来自多个渠道(联邦、州、地方和私人公司)，而 ITS 项目维护一般由具体单位负责。随着 ITS 技术的不断提高，ITS 的维护费用也相应提高，具体单位往往不能单独地负担维护费用。这时，如何分摊维护费用和平衡各种利益是十分重要的问题。2.2.4 公共汽车和小汽车出行的关系公共汽车和小汽车出行的关系这两方面有时存在矛盾，如何同时兼顾公共汽车乘客和小汽车使用者的利益是一个十分现实的问题。公共汽车信号优先技术虽然有利于节省公共汽车乘客的出行

22、时间，但对小汽车使用者，特别是横向车流，可能带来不便。因此，公共汽车信号优先项目要根据路况和道路的几何结构对不同有矛盾的需求进行协调。2.2.5 高速公路和地面道路高速公路和地面道路 ITS 的关系的关系由于高速公路和地面道路同为交通系统中不可分割的部分，他们的 ITS 项目就应该相互支持和协调，以发挥最大的效益。如果高速公路拥挤，车流会改道使用地面道路，这时地面 ITS 就要启动以保证车流的畅通，反之亦然。洛杉矶的圣塔莫尼卡高速公路聪明走廊项目(Los Angeles Santa MonicaFreeway Smart Corridor Project)应用ITS技术使得圣塔莫尼卡高速公路和

23、其平行的交通干道相互配合形成一个交通走廊，在一定程度上改善了走廊内的汽车行驶速度。这个项目在 1994 年洛杉矶北岭大地震时发挥了积极的作用，疏散了高速公路的车流。2.2.6 机构之间的相互关系机构之间的相互关系同 ITS 有关的机构一定要相互协调，共同处理 ITS 有关的问题。ITS 项目往往涉及到许多有利益冲突的机构，他们的机构大小、职责、项目优先顺序、位置、交通控制设备和经费来源都不同。他们之间的相互关系一定要协调好，否则 ITS 项目就不能成功地完成。城市交通城市交通Urban Transport of China他山之石2002 年 第 3 期39私人公司、交通信息产业部门等要积极参

24、与 ITS 的技术开发。参与的方式包括资金投入、技术转让、利益均占、风险分摊等等。中国 ITS 协会可以成为协调政府、民间、学术团体和科技界开发 ITS 技术的桥梁和纽带，逐步形成 ITS 技术开发的协同体制。由于交通管理和监控属于政府职能，因此应该由政府交通部门负责高级交通管理系统(Advanced Transportation ManagementSystem,ATMS)的设计、建造、运行和维护管理。而私人公司，尤其是互联网公司和其他信息产业公司，可以负责高级出行者信息系统(Advanced Traveler Information System,ATIS)的设计、建造、运行和维护管理。私

25、人公司虽然不能控制和垄断交通信息的获得和管理，但可以运用从政府部门获得的交通信息向出行者提供各种有偿服务。商用车辆管理系统(Commercial Vehicle Operation,CVO)则必须由政府和私人公司一起投入才能成功。2.2.7 沿海和内地沿海和内地 ITS 发展之间的关系发展之间的关系中国沿海特大城市具有较强的经济和科技实力，而内地城市的发展程度则相对落后。在这样一种城市发展不平衡的情形下，沿海城市可以考虑发展较为先进的高级 ITS系统，包括中央交通控制中心，而内地城市可以先开始实现交通信号同步化(SignalSynchronization)，对现有信号机进行更新换代，等将来条件

26、成熟时再考虑用 ITS 技术来集中控制所有的交通信号灯。因此，中国各大城市的 ITS 技术层次和开发应用进度应当是不平衡的。3 对具体对具体 ITS 技术在中国应技术在中国应用前景的展望用前景的展望3.1 出行和交通管理出行和交通管理3.1.1 出行中交通信息出行中交通信息有许多方法提供交通信息，例如无线手机、可变化信息牌、广播、互联网等。但是，这方面的技术可能对开车者、出租车司机和紧急车辆比较有用。一般的公共汽车使用者并不会从这种技术中获益，因为他们对交通工具、路径和出行时间没有很多选择。3.1.2 线路线路诱导诱导这种技术的应用前景同出行中交通信息技术的前景相同。开车者、出租车司机和紧急车

27、辆将从这种技术中获益。3.1.3 交通交通控制控制在美国，许多一定规模的城市都有交通控制中心(Transportation Management Center,TMC)。一般而言，大城市的交通控制手段比较先进，设备比较齐全，计算机软件更为新颖。但是交通控制的手段大同小异，大致分为以下几个阶段：车辆监控：感应圈、红外探测器、闭路电视摄像等；数据和图像通讯：光纤通讯、无线通讯等；交通信息处理：交通控制中心将收到的交通信息进行处理和整理，去伪存真，得到有用的交通信息；交通控制：对交通事故及时处理，将交通信息及时地以各种方式送给出行者，对交通进行管理。城市交通城市交通他山之石Urban Transpo

28、rt of China2002 年 第 3 期40很明显地，中国有条件的大城市都应该尽早地建立交通控制中心，使得更多有信号灯控制的交叉口纳入交通控制中心的统一管辖之下。3.2 交通需求管理交通需求管理3.2.1 出行前交通信息出行前交通信息出行者在出行前预知交通信息和路况，对其出行决定有相当的影响。出行前交通信息可能比出行中交通信息更加重要。因为，如果交通拥挤或某一路段正在修路的话，有些不必要的出行量就可以减少，从而减轻交通压力。因此，中国有必要向出行者提供更多的出行前交通信息，这方面的技术应当加强。3.2.2 汽车共乘和预约服务汽车共乘和预约服务这里涉及到许多具体技术，例如，要建立完善的地理

29、信息系统、出行者 OD 数据库、电脑通讯系统以及共乘预约服务等。但是，由于中国只有少数人才能拥有小汽车，这种共乘和预约服务技术目前对改善交通的影响可能相当有限。3.3 公共交通运行公共交通运行3.3.1 公共交通管理公共交通管理公交管理涉及的技术领域很广，大致分为以下几类：公共汽车的自动定位和跟踪：可以实时确定公共汽车的位置和行驶的路径。这些信息对于公交调度十分重要，可以及时纠正公共汽车的晚点和超前，使得公共汽车的行驶更加准点。万一公共汽车因为某种原因偏离了预定的路径，也可以得到及时的纠正；公共汽车信号优先：对晚点的公共汽车在通过交叉口时提供信号优先，使得绿灯提前或延长时间。其中涉及的技术包括

30、全球定位系统、公共汽车和交叉口之间的通讯系统以及信号机中微处理器改装技术等；公共汽车安全：在公共汽车上安装摄像机进行闭路电视监控、无线通讯和紧急处理等，以增加乘客的安全感。3.3.2 随需求而定的公共交通服务随需求而定的公共交通服务除了传统的有固定路径和时刻表的公共交通服务以外，尚有比较灵活、没有固定路径和时刻表的公共交通服务(Jitney)。这种公共交通的路径和出行时间随着出行者的需求而定，对老弱病残的出行非常方便。中国应该提供类似的公共交通服务，引进有关的 ITS 技术，包括通讯、数据处理、自动线路诱导、全球定位系统等。3.4 电子付款服务电子付款服务用车票卡等电子付款方法使得乘客不用现金

31、就可以购买车票，从而节省时间。这里也涉及到相当复杂的过程和技术，例如，要协调不同公交公司之间的票价政策，要运用多种语言翻译，计算机数据库，财务系统等一系列技术。在中国公共交通系统进行自动收费，减少现金购票是十分必要的。3.5 商用车辆运行商用车辆运行3.5.1 商用车辆电子通行商用车辆电子通行涉及到商用车辆的监测、定位、重量测定以及通讯等技术。城市交通城市交通Urban Transport of China他山之石2002 年 第 3 期413.5.2 自动路边安全检查自动路边安全检查涉及到的技术同商用车辆电子通行相似，要排除对商用车辆安全有影响的各种因素。这种技术在中国可能相当有用。3.5.

32、3 危险品事故处理危险品事故处理监视危险品的存放，及时处理有关的事故。3.5.4 商用车辆管理商用车辆管理主要包括货运管理和车队管理等技术。3.6 紧急管理紧急管理对紧急事故进行报告并且及时处理。交通控制中心承担这方面的工作，同时要同公路巡逻大队、交通警察、紧急救护人员等密切配合。这方面的技术在中国十分重要。3.7 自动车辆控制和安全系统自动车辆控制和安全系统这里涉及到建造智能车辆和自动公路系统有关的技术，以减少车辆碰撞，提高交通安全，逐步建成无人驾驶和自动控制的公路系统。这些设想是非常好的，但在目前中国是不现实的。因此，不应成为优先开发的ITS 技术。综上所述，本文认为 ITS 技术在中国应

33、用的优先顺序可能是：公共汽车 ITS 技术；交通控制和管理技术；紧急事故处理和线路诱导技术；交通安全 ITS 技术；商用车辆管理技术。智能车辆技术在将来可能比较重要，但不是目前 ITS 开发的重点。4 结论结论ITS 在全世界交通中的广泛应用是一个不可逆转的趋势，在中国也不会例外。中国的特大城市将率先应用最新交通科技对城市交通进行有效的管理。中国 ITS 发展的重点是 ITS 在公共交通中的应用，其中电子收费、自动车票卡、公共汽车信号优先和发展快速公共汽车系统是最具关键意义的技术。其次，要将机动车和非机动车在空间上加以分开。在此基础上，开发适合中国国情的交通信号时相控制软件和其他交通管理软件。

34、在有条件的城市，建立中央控制的城市交通控制中心，对车辆进行监控和管理，及时排除交通事故，将路况及时地报告给出行者，形成一个立体的相互联系的城市交通管理系统。随着中国经济的发展，货运交通的重要性将与日俱增。在发展快速货运系统中 ITS同样可以起到重要的作用。因此，对商用车辆运行的研究刻不容缓。在中国有条件的城市，ITS 发展可以快一些，交通管理项目在整个交通项目中的比重可以相对高一些。而在相对落后的地区，交通路网建设的比重可以高一些，以交通信号同步化为代表的低层次 ITS 技术可以先投入应用，等以后条件许可时再逐步引入先进的 ITS 技术。中国 ITS 的发展必然是呈梯度和破浪式的。ITS 发展和国际接轨是一个发展趋势。(作者工作单位：美国洛杉矶大都会交通局和北岭加州州立大学)