智能交通系統(tǒng)技術(shù)在交通管理與控制領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

李夢露

摘 要：智能交通系統(tǒng)（ITS）是21世紀(jì)交通領(lǐng)域的核心發(fā)展方向，ITS技術(shù)可以解決當(dāng)今交通領(lǐng)域面臨的很大一部分交通問題。本文簡單論述了我國智能交通管控系統(tǒng)的發(fā)展近況，重點(diǎn)分析了ITS技術(shù)在交通管理與控制領(lǐng)域的應(yīng)用，展望了智能交通管理與控制的未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng);管理與控制;城市管理;協(xié)調(diào)控制;交通供需

中圖分類號：U495文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0098-03

Abstract： Intelligent Transportation System （ITS） is the core development direction of transportation in the 21st century， ITS technology can solve a large part of the traffic problems facing today's transportation field. This paper briefly discussed the recent development of China's intelligent transportation control system， mainly analyzed the application of ITS technology in the field of traffic management and control， and looked forward to the future development direction of intelligent traffic management and control.

Keywords： intelligent transportation system;management and control;urban management;coordinated control;traffic supply and demand

我國現(xiàn)有交通系統(tǒng)供給能力的增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于不斷發(fā)展與變化的交通需求的增長，而對于已經(jīng)基本成型的交通基礎(chǔ)設(shè)施體系來說，已經(jīng)無法完全通過交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)與設(shè)施建設(shè)來緩解交通供給的不平衡，如此一來后期的交通管理和控制階段的思想、技術(shù)與方法就顯得尤為重要?，F(xiàn)在的交通管理與控制強(qiáng)調(diào)在不斷完善交通供給的同時調(diào)節(jié)交通需求，通過提高交通資源的利用率、交通需求的合理性來達(dá)到交通需求與供給的動態(tài)平衡。而ITS的出現(xiàn)及應(yīng)用使得這一管理控制思想得以更好的實(shí)現(xiàn)。

1 國內(nèi)外對ITS的認(rèn)識與研究

歐洲、美國和日本的ITS起步較早，這些國家很早就開始在某些領(lǐng)域采用智能化的管理和控制措施來解決交通供給失衡問題。20世紀(jì)90年代，歐洲就開始在城市中心區(qū)域通過電子收費(fèi)系統(tǒng)對城市中心車輛征收擁堵費(fèi)，如羅馬、倫敦、米蘭等歐洲大中城市。相較于歐洲經(jīng)濟(jì)與技術(shù)相結(jié)合的方式，美國則更傾向于純技術(shù)的管控手段，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、圖像識別、無線通信等尖端技術(shù)都將被廣泛應(yīng)用于相關(guān)管理系統(tǒng)中。日本作為一個土地資源非常有限的國家，其環(huán)保理念也深入人心，交通系統(tǒng)的發(fā)展則側(cè)重于大容量的公共軌道交通，智能化的管控手段則更好地引導(dǎo)了國民需求。

與歐洲、美國、日本相比，我國的ITS起步較晚。21世紀(jì)初，我國才開始發(fā)布智能交通系統(tǒng)研究與建設(shè)的相關(guān)政策，后來取得了多項(xiàng)技術(shù)突破，如大城市區(qū)域協(xié)調(diào)控制、跨區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化不停車收費(fèi)、智能出行誘導(dǎo)技術(shù)等。目前，智能交通系統(tǒng)研究已被列入國家21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的一個重點(diǎn)，智能交通系統(tǒng)將成為我國現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容。

2 ITS在交通管理與控制方面的相關(guān)技術(shù)

2.1 智能交通管理控制中心平臺

ITS中一個基本應(yīng)用領(lǐng)域就是先進(jìn)的城市交通管理系統(tǒng)（ATMS），其最鮮明的特點(diǎn)就是系統(tǒng)高度集成化，可實(shí)現(xiàn)信息的高度集中和快速集成處理。其與傳統(tǒng)管控系統(tǒng)最大的不同就是可以對動態(tài)交通流情況及交通基礎(chǔ)設(shè)施狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和管理，并能獲取實(shí)時、準(zhǔn)確的交通信息來進(jìn)行后續(xù)的指令發(fā)布。現(xiàn)代國際經(jīng)驗(yàn)表明，城市街道和路網(wǎng)的交通管理首先需要這樣一個全市范圍內(nèi)的智能管理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)應(yīng)該可以對整個城市交通系統(tǒng)各方面進(jìn)行宏觀把控，實(shí)時監(jiān)測城市的交通狀況，并能在必要或者緊急的情況下做出及時的反應(yīng)與調(diào)控，如交通事故、嚴(yán)重?fù)矶?、基礎(chǔ)設(shè)施破壞等。

交通管控中心平臺方面，國內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了許多理論設(shè)想，研發(fā)出多項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品。蔣燕[1]對智能交通管理控制平臺的信息采集子系統(tǒng)、信號控制子系統(tǒng)、通信服務(wù)子系統(tǒng)、交通管理子系統(tǒng)以及控制試驗(yàn)平臺進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。阮永華等[2]從不同單位間信息共享及融合、集中管理、操作方便及系統(tǒng)美觀等方面研究設(shè)計(jì)了可將各子系統(tǒng)集中管理、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動、提高信息利用率的網(wǎng)絡(luò)化智能交通綜合管控平臺，最終實(shí)現(xiàn)了交通數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、處理、傳輸、調(diào)度、發(fā)布，以便即刻采取相關(guān)控制措施。杜洋等[3]闡述了智能交通系統(tǒng)集成管控軟件平臺的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)功能，其基本思路就是將不同種類、不同建設(shè)時期的管理控制子系統(tǒng)整合到統(tǒng)一的框架下，并可與其他相關(guān)部門進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，給用戶提供統(tǒng)一、友好的操作界面，建立一個可伸縮的智能交通信息采集、處理、分析和管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交管部門對城市交通系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)管和控制決策。

2.2 智能交通信號控制

城市信號控制是交通管理與控制的重要領(lǐng)域之一，現(xiàn)階段主要應(yīng)用的智能控制系統(tǒng)依然是基于埋設(shè)于道路下或設(shè)置在道路旁的固定傳感器所采集的交通信息來進(jìn)行控制方案的調(diào)控的，不同的智能控制方法則分別在信息獲取、分析處理、發(fā)布等單個或多個環(huán)節(jié)融入智能交通系統(tǒng)技術(shù)。未來，若實(shí)現(xiàn)了智能車輛的普及、車聯(lián)網(wǎng)及車路協(xié)同環(huán)境，智能信號控制系統(tǒng)便可基于移動的車輛或者行人實(shí)時獲取非常直觀且準(zhǔn)確的動態(tài)信息數(shù)據(jù)來采取相應(yīng)的控制方案，這對信號控制和交通系統(tǒng)管理技術(shù)突破都起到了極大的推進(jìn)作用。

2.2.1 基于車用無線通信技術(shù)（V2X）的智能交通信號控制。V2X可實(shí)現(xiàn)車輛與外界環(huán)境的實(shí)時數(shù)據(jù)交互，車輛與車輛、車輛與基站、車輛與人之間都可以進(jìn)行智能通信，同時也是實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同環(huán)境的必要技術(shù)之一。許多國內(nèi)外學(xué)者都對此技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。徐秀妮[4]基于V2X數(shù)據(jù)交互的時效性，設(shè)計(jì)了一種交通信號燈智能控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了自組網(wǎng)流程和道路狀態(tài)檢測流程來減少冗余步驟，從而保證指令傳輸過程的有效性，最后通過試驗(yàn)證明了該信號控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率提升效果非?？捎^。Zhang等[5]還研究了在V2X通信系統(tǒng)環(huán)境下的使用者是如何通過信息接收來改變駕駛行為的，尤其是對行駛速度的控制。

2.2.2 基于數(shù)字圖像處理的智能交通信號控制。數(shù)字圖像處理是利用攝像機(jī)獲取的視頻圖像信息來獲取、分析和處理數(shù)據(jù)的，相比于其他信息獲取方法，其對車輛的檢測更為直觀，但對環(huán)境條件要求較高。吳則平[6]基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的各種方法，通過Matlab工具中的bwlable函數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種依據(jù)不同方向車流量及路口停車數(shù)量的多少來進(jìn)行紅綠燈配時調(diào)控的智能信號燈控制系統(tǒng)。赫麗敏[7]將圖像處理方法與計(jì)算機(jī)視覺相結(jié)合，用不同的方法分別對白天和夜晚的排隊(duì)車輛長度進(jìn)行檢測識別來制定紅綠燈的停留時間。最后采用KNN算法（鄰近算法）將晝夜區(qū)分，利用所測車輛排隊(duì)長度制定相應(yīng)的信號配時方案，并通過試驗(yàn)證明該方法更能適應(yīng)不同的環(huán)境和光照亮度，更能合理地制定信控方案。

2.2.3 基于人工智能技術(shù)的交通信號控制。人工智能技術(shù)是21世紀(jì)三大尖端技術(shù)之一，未來，若人工智能技術(shù)能被很好地運(yùn)用到智能交通系統(tǒng)中，則有助于加強(qiáng)城市信號控制，更好地實(shí)現(xiàn)區(qū)域甚至整個城市交通流的協(xié)調(diào)控制。目前，我國對于該方面的研究力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但已經(jīng)有學(xué)者對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及模糊邏輯的運(yùn)用進(jìn)行了研究。孔祥杰[8]對于城市區(qū)域交通分布式協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究，在每個交叉口設(shè)置一個模糊信號控制器，各個交叉口的控制器之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以對該區(qū)域進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，能夠優(yōu)化相位順序及相位長，并用遺傳算法訓(xùn)練模糊邏輯，提高了系統(tǒng)的魯棒性。外國學(xué)者Król[9]建立了一個由若干類道路連接組成的雙層網(wǎng)絡(luò)模型。在上層，目標(biāo)函數(shù)是用總旅行時間表示的使用成本，在較低的層次上，每個步驟中都是搜索交通的最優(yōu)分布，并對搜索優(yōu)化過程中分別使用的三個不同的算法（即人工免疫系統(tǒng)、遺傳算法、模擬退火）所得的結(jié)果進(jìn)行分析對比，說明了不同算法的不同適應(yīng)性。

2.3 智能高速公路管理與控制

2.3.1 基于車路協(xié)同系統(tǒng)的匝道控制。車路協(xié)同系統(tǒng)的研究在我國還處于試驗(yàn)展示階段，其中展示過的應(yīng)用場景包括盲區(qū)預(yù)警、多車協(xié)同換道、交叉口沖突避免、行人非機(jī)動車避撞、緊急車輛優(yōu)先通行、車速引導(dǎo)、車隊(duì)控制、車隊(duì)協(xié)同通過信號交叉口等。除了應(yīng)用于城市交通系統(tǒng)外，其在高速公路系統(tǒng)中的應(yīng)用也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如高速公路的匝道控制。王翀等[10]將車路協(xié)同技術(shù)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)、可變限速控制技術(shù)、匝道控制技術(shù)整合成一個面向高速公路匝道區(qū)域的綜合交通控制系統(tǒng)，包括車輛系統(tǒng)和路側(cè)系統(tǒng)，最后通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建并對其控制效果進(jìn)行評估。

2.3.2 基于射頻識別技術(shù)（RFID）的高速公路收費(fèi)管理。RFID是一種短程的無線通信技術(shù)，它可以通過無線電信號識別特定目標(biāo)并存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，并不需要被識別目標(biāo)與識別系統(tǒng)之間的機(jī)械或者光學(xué)接觸。特定目標(biāo)上用于存儲自身信息數(shù)據(jù)并接收識別的硬件設(shè)備則為電子標(biāo)簽。如今，電子標(biāo)簽已經(jīng)被運(yùn)用到多個領(lǐng)域，其中交通領(lǐng)域的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）就是其主要應(yīng)用之一，也是智能交通系統(tǒng)的服務(wù)功能之一。電子收費(fèi)車輛無須停車和人工收費(fèi)就可直接由ETC通道通過，安裝在車輛內(nèi)的電子標(biāo)簽被識別系統(tǒng)識別并讀取和存儲信息，就可以實(shí)現(xiàn)從卡中自動扣費(fèi)并記錄。

2.3.3 智能公路管控系統(tǒng)。除了目前已經(jīng)開始應(yīng)用的智能匝道控制技術(shù)和電子自動收費(fèi)技術(shù)外，新一代智能公路系統(tǒng)的概念也被提出。未來的高速公路系統(tǒng)將會是基于車路協(xié)同技術(shù)的閉環(huán)公路系統(tǒng)，車輛與道路的通信將允許車輛作為傳感器和執(zhí)行器，使車輛與道路實(shí)時傳輸速度、位置、起訖點(diǎn)及狀態(tài)等信息，并通過道路系統(tǒng)返回的指令做出實(shí)時響應(yīng)。這種將車輛技術(shù)、控制系統(tǒng)和交通管理相結(jié)合的新一代智能公路管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了公路管控的全自動化，大大提高了公路系統(tǒng)的運(yùn)行和服務(wù)效率。

2.4 其他方面相關(guān)ITS技術(shù)

交通管理與控制的體現(xiàn)不僅僅局限于上述所提的方面，其他方面有智能誘導(dǎo)與出行信息系統(tǒng)、交通安全與事故管理、交通污染排放管理等。利用實(shí)時信息發(fā)布和智能誘導(dǎo)系統(tǒng)主動引導(dǎo)交通需求分布均衡也是實(shí)現(xiàn)主動管控的重要思想之一，另外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G等最新的概念或技術(shù)也開始運(yùn)用在智能交通管理與控制中。

3 結(jié)論

目前，我國大城市的交通系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初步智能化，未來的ITS也將會朝全國范圍內(nèi)的中小城市發(fā)展。除了覆蓋范圍外，ITS技術(shù)也會不斷取得突破，尤其是實(shí)現(xiàn)整個ITS控制的核心技術(shù)，即車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、車路協(xié)同技術(shù)。智能車輛的普及將會是ITS發(fā)展的最終體現(xiàn)之一，同時也是ITS實(shí)現(xiàn)自主控制的最大挑戰(zhàn)。除了核心技術(shù)的突破，其他技術(shù)如信息技術(shù)、車輛自動駕駛技術(shù)、個性化用戶出行相關(guān)技術(shù)也會不斷發(fā)展，最終都會體現(xiàn)在高度集成化的智能交通運(yùn)輸管理控制系統(tǒng)中。ITS的應(yīng)用不會局限于單個領(lǐng)域，而是要實(shí)現(xiàn)整個城市交通網(wǎng)絡(luò)人、車、路與環(huán)境的有機(jī)結(jié)合、協(xié)同運(yùn)作，形成新一代國家交通管理控制網(wǎng)。

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