智慧交通系統(tǒng)的發(fā)展與展望

郝滿爐

（重慶城市交通開發(fā)投資（集團(tuán)）有限公司）

人類社會的進(jìn)步與交流離不開交通運(yùn)輸工作的支撐，從以馬代步到工業(yè)社會的汽車輪船，交通方式的每一次進(jìn)步都是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要反映。如今，社會快速發(fā)展，各類需求增大，交通的便捷水平受到越來越多的關(guān)注。在信息網(wǎng)絡(luò)與智能技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天，智慧交通的提出是符合時代潮流發(fā)展的，同時也是構(gòu)建智慧城市不可或缺的環(huán)節(jié)。交通發(fā)展的智能化和科學(xué)化是將來各個國家交通規(guī)劃的大趨勢，建設(shè)完備的智慧交通系統(tǒng)，是構(gòu)成智慧交通的關(guān)鍵條件。

一、智慧交通系統(tǒng)產(chǎn)生的現(xiàn)代背景

近幾十年來，城市人口持續(xù)不斷地增長，聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)指出，預(yù)計到2050年，城市人口的數(shù)量將增加到大約65億人。在這種趨勢下，居住人口的增加必然會嚴(yán)重影響城市地區(qū)居民的生活質(zhì)量。在交通方面，便利性和流動性對改善居民的生活質(zhì)量至關(guān)重要，但城市規(guī)劃又存在交通方面的窘境。一方面，交通被認(rèn)為是一個地區(qū)良好運(yùn)行的基礎(chǔ)，物資和人口的流動依賴于交通，而另一方面，交通又被認(rèn)為是環(huán)境惡化的重要原因之一，汽車尾氣的排放以及噪聲污染使得環(huán)境問題更加嚴(yán)峻[1]。由于世界各地的車輛數(shù)量不斷增加（到2050年將超過20億輛），道路交通事故被認(rèn)為是目前危害社會和公共健康的一個主要問題。據(jù)世界衛(wèi)生組織報告[2]稱，由于道路交通事故造成的死亡總?cè)藬?shù)每年約124萬人，此外還有2000萬至5000萬人因此受傷或致殘，這個數(shù)據(jù)一直居高不下。也有趨勢表明，9年后，在全球死亡成因中，交通事故將排在第五名。

道路交通事故不斷發(fā)生，由此也在一定程度上對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了不良效應(yīng)。美國汽車協(xié)會評估得出，交通事故的總成本約為1667億美元[3]，其中包括醫(yī)療、急救和警察服務(wù)費(fèi)用、財產(chǎn)損失等。世衛(wèi)組織也做過類似的預(yù)估，交通傷害造成的損失約占中等收入國家國民生產(chǎn)總值的2%，即每年超過1000億美元。諸如此類的預(yù)測和評估數(shù)據(jù)顯然在告知我們，交通事故會對社會和生活產(chǎn)生極大的影響，并要求我們在未來數(shù)年采取具體行動來應(yīng)對這些問題。更具體地說，可以通過各種措施來防止交通事故或降低交通事故帶來的不利后果，例如，開展具體的宣傳活動和國家戰(zhàn)略規(guī)劃，以促進(jìn)安全道路行為文化的養(yǎng)成，規(guī)范行車、控制車速等，以及執(zhí)行交通法規(guī)、規(guī)劃更安全的道路和交通系統(tǒng)設(shè)計。隨著移動計算、無線通信和遙感等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，智慧交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）被認(rèn)為是提高道路安全、交通效率和駕駛體驗的關(guān)鍵技術(shù)，使得與道路安全、交通效率和信息娛樂相關(guān)的各種應(yīng)用得以統(tǒng)籌[4]。

在20世紀(jì)80年代，ITS（起初稱為智能車輛—公路系統(tǒng)）的想法由一小群交通專業(yè)人士提出，將計算機(jī)和通信技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域。該系統(tǒng)利用技術(shù)和工程概念之間的協(xié)同作用，來開發(fā)和改進(jìn)多種類型的交通系統(tǒng)應(yīng)用程序。智慧交通的研究領(lǐng)域在過去數(shù)十年蓬勃發(fā)展，通過利用云計算等現(xiàn)代化工具進(jìn)行處理和分析，使得ITS在全球范圍內(nèi)發(fā)揮了重要作用，其應(yīng)用范圍甚至超出了公路交通領(lǐng)域。綜合應(yīng)用信息處理、通信、電子技術(shù)等，ITS可以創(chuàng)造“更智能”的道路、車輛和用戶。這些技術(shù)還有望通過提供更高效的路線和碰撞預(yù)警機(jī)制，改善運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行和安全。此外，云處理、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的進(jìn)步確實(shí)使更經(jīng)濟(jì)地處理數(shù)據(jù)、識別模式和優(yōu)化流程成為可能。

二、智慧交通系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

ITS的高層架構(gòu)包括車載域、V2X通信域和基礎(chǔ)設(shè)施域三個主要通信域。

車載域包括一輛裝有電子控制單元、無線車載設(shè)備、可信平臺模塊和應(yīng)用單元的聯(lián)網(wǎng)車輛。電子控制單元收集有關(guān)車輛動態(tài)（如位置、速度、航向、車輛大小等）的數(shù)據(jù)，以及周圍環(huán)境信息 （如相鄰車輛的數(shù)量、當(dāng)?shù)氐缆方煌顩r等），再由與無線車載設(shè)備和應(yīng)用單元進(jìn)行信息互換協(xié)作，構(gòu)成車載網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用裝置負(fù)責(zé)運(yùn)行一個或多個應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序由遠(yuǎn)程服務(wù)提供商提供，并使用無線車載設(shè)備的通信能力與附近的其他ITS實(shí)體通信，每輛聯(lián)網(wǎng)車輛還配備了可信平臺模塊，從而實(shí)現(xiàn)相對安全、可信任的高效率通信?；谝陨希賾?yīng)用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)施來獲得較為精確的位置信息。

V2X通信域指車與外界萬物進(jìn)行百分百的互聯(lián)（vehicleto-everything），這是智慧交通運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，由車輛的無線車載設(shè)備和沿著道路安裝的道路路邊系統(tǒng)組成。無線車載設(shè)備收集到的信息經(jīng)由各類車載通信技術(shù)與四周的ITS實(shí)體（如無線車載設(shè)備、路邊系統(tǒng)等）進(jìn)行實(shí)時信息互換，包括利用專用短程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)相鄰車輛（或路邊系統(tǒng)）之間的車—車（vehicle-to-vehicle，V2V）通信、周邊無線車載設(shè)備和路邊系統(tǒng)之間的車—基礎(chǔ)設(shè)施（vehicle-to-infrastructure，V2I）通信、無線車載設(shè)備或路邊系統(tǒng)與周圍行人之間的車—人（vehicle-to-pedestrian，V2P）通信[5]。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)域包括可信第三方（如汽車制造商）、服務(wù)提供商和信任機(jī)構(gòu)。固定的路邊系統(tǒng)一般不完全受信任機(jī)構(gòu)的信任和從屬，但可以看作是V2X域與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)域之間的聯(lián)系橋梁，這些路邊系統(tǒng)和無線車載設(shè)備的注冊和認(rèn)證由可靠機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。服務(wù)提供商主要是為車輛的應(yīng)用單元提供應(yīng)用程序和一系列軟件更新，以及其他相關(guān)增值服務(wù)，交叉碰撞預(yù)警、錯誤行車預(yù)警、車輛遠(yuǎn)程診斷等多個應(yīng)用，將利用上述網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成，構(gòu)成互聯(lián)車輛。

三、智慧交通系統(tǒng)的應(yīng)用

ITS利用收集的數(shù)據(jù)來改善車輛的使用、司機(jī)的安全和舒適度，并使公共基礎(chǔ)設(shè)施的使用更加合理化。如圖1所示，ITS的應(yīng)用主要分為四大類：道路安全、交通管理、信息娛樂、自動駕駛[6]。

圖1 ITS的應(yīng)用分類

（一）道路安全

道路安全應(yīng)用程序借助周圍ITS實(shí)體（如車輛、道路基礎(chǔ)設(shè)施等）之間的無線通信，以期待能夠使發(fā)生交通事故的概率變小，并保護(hù)司機(jī)和行人免受各種道路危險。為此，每個ITS實(shí)體需定期廣播安全信息，報告其周圍的環(huán)境和位置信息。此外，根據(jù)具體事件（如事故、檢測到的道路危險），每個ITS實(shí)體還可以通過多條通信線路向附近車輛或服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送具體信息。例如，行人過馬路警告應(yīng)用程序?qū)鞲衅餮刂诵械啦渴?，從而檢測人的存在，并在路邊單元收集相應(yīng)的感知事件，從而在行人過馬路時及時通知附近司機(jī)。再例如，臨近的應(yīng)急車輛預(yù)警應(yīng)用，當(dāng)一輛臨近的應(yīng)急車輛（如救護(hù)車、警車或消防車）需要周圍車輛提供一條暢通的通道，此時應(yīng)急車輛可以與周邊道路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通訊，將交通燈設(shè)置為綠色，從而最大限度地縮短應(yīng)急響應(yīng)時間。道路安全的其他應(yīng)用包括緊急電子剎車燈提醒、靜止車輛提醒、變道提示等。

（二）交通管理

交通管理是ITS應(yīng)用的第二大類，其主要目標(biāo)是加強(qiáng)對交通流量的管理和協(xié)調(diào)，為駕駛員提供各種協(xié)同導(dǎo)航服務(wù)。這些應(yīng)用程序依賴于收集和分析交換的ITS信息（即ITS實(shí)體之間的信息），以建立和維護(hù)全球交通地圖數(shù)據(jù)庫。交通數(shù)據(jù)通常由部署的道路傳感器收集，并通過無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理，其中收集的數(shù)據(jù)包括與車輛司機(jī)和交通事件相關(guān)的位置信息和其他信息。一旦收集到的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為有效信息，就會通過服務(wù)提供商傳遞給司機(jī)，從而讓司機(jī)獲取當(dāng)前或未來的擁堵路段、推薦路線、導(dǎo)航指示、限速通知等信息。交通管理應(yīng)用的其他例子，諸如法定限速通知、綠燈最佳速度咨詢、電子收費(fèi)、公路車輛管理等[7]。

（三）信息娛樂

信息娛樂主要是為了給駕駛員提供各類增值服務(wù)，從而達(dá)到增強(qiáng)司機(jī)駕駛體驗感的目的。這些服務(wù)一般由受信任的服務(wù)提供商提供，相應(yīng)的應(yīng)用程序和服務(wù)通過下載并安裝在車輛應(yīng)用單元上，基于信息網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信，使用不同的通信技術(shù)（如 4G/LTE、5G）。例如，遠(yuǎn)程車輛診斷和維護(hù)應(yīng)用基于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，從車輛內(nèi)的傳感器收集信息，并向駕駛員發(fā)送關(guān)于檢測到的安全缺陷，或提醒他們進(jìn)行汽車維護(hù)。再例如，通過對車輛乘客提供全球互聯(lián)網(wǎng)接入，從而提供廣泛的舒適服務(wù)，包括在線游戲、視頻流、天氣信息等。

（四）自動駕駛

自動駕駛應(yīng)用代表了人類交通技術(shù)的下一個大飛躍，預(yù)計將在2030年全面實(shí)現(xiàn)該功能。這項新技術(shù)依賴于汽車傳感和駕駛功能的自動化，人類司機(jī)將轉(zhuǎn)變?yōu)槌丝偷慕巧?，不再需要人工進(jìn)行車輛駕駛（即完全自動化）。未來的自動駕駛汽車將融合不同的技術(shù)，主要包括超聲波傳感器檢測障礙物技術(shù)、激光雷達(dá)建立全視野、高清攝影機(jī)拍攝、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器、高速通信技術(shù)等。除此之外，自動駕駛應(yīng)用還可以增加道路和停車容量，減少交通擁堵、汽車盜竊、碰撞等事故的發(fā)生。

四、智慧交通體系中的現(xiàn)代技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、無所不在的汽車網(wǎng)絡(luò)接入，傳統(tǒng)的V2X技術(shù)正在逐步發(fā)展為汽車互聯(lián)網(wǎng)（IoV）技術(shù)，以滿足對ITS應(yīng)用日益增長的需求。近年來，汽車互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，取得了較大的進(jìn)步[8]。原V2X無線電技術(shù)基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.11p，自1999年首次發(fā)布以來，為支持車輛用戶無處不在的、大規(guī)模的、高性能的通信方式開發(fā)了多種V2X技術(shù)，其中包括IEEE 802.11 V2X和蜂窩V2X技術(shù)。V2X應(yīng)用程序的發(fā)展包括三個階段，第一階段和第二階段分別側(cè)重于ITS遠(yuǎn)程信息技術(shù)和先進(jìn)輔助駕駛領(lǐng)域，隨著5G時代的到來，V2X技術(shù)正進(jìn)入第三階段，在以前的基礎(chǔ)上，IoV技術(shù)被要求為新興的汽車應(yīng)用提供廣泛和實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)接入，包括協(xié)同自動駕駛、智能交通控制和協(xié)同環(huán)境感知，這需要巨大數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，這是傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)車輛無法做到的。為了更好地幫助未來的道路應(yīng)用，IoV技術(shù)必須應(yīng)對諸如動態(tài)拓?fù)渥兓?、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、中斷無線電連接、頻譜資源稀缺和計算資源局限等挑戰(zhàn)。

基于大數(shù)據(jù)處理的人工智能（AI）在ITS中發(fā)揮著巨大的作用[9]。20世紀(jì)50年代至60年代，AI被計算機(jī)科學(xué)家首次創(chuàng)造提出，基于各種設(shè)備存儲的大數(shù)據(jù)信息，并搭配各類軟硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，使得AI可以進(jìn)行自動化、流程化的操作，使各種問題的處理變得愈加方便。在ITS中，收集的大數(shù)據(jù)信息通過合適的算法數(shù)學(xué)模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蟻群優(yōu)化等，可以進(jìn)行相關(guān)的模擬和預(yù)測，給交通管理者或司機(jī)提供合理的建議和解決方案。通過AI技術(shù)的支持，可以更高效地進(jìn)行交通管理，例如，基于某一區(qū)域車流量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而對之后將會產(chǎn)生的車流量及高峰期時間段進(jìn)行合理預(yù)測，并給出相對應(yīng)的不同時段的交通管理方式，提供給居民出行建議，減少交通擁堵發(fā)生的概率，提高出行效率，同時也期望通過合理的交通管控和出行方式進(jìn)一步減少交通事故發(fā)生的概率，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。

五、關(guān)于智慧交通體系的一些思考

隨著交通擁堵程度和次數(shù)的持續(xù)增加，更多的車輛被連接在一起，更多的數(shù)據(jù)信息被實(shí)時交換，由此產(chǎn)生的空氣污染對環(huán)境和健康構(gòu)成了更大的威脅，對更快、更高效的交通運(yùn)輸?shù)男枨笞兊酶訌?qiáng)烈。ITS作為智慧城市、智慧交通中的核心環(huán)節(jié)之一，它的進(jìn)一步發(fā)展需要依靠科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新，從而達(dá)到改善交通管理、提高出行效率、減少交通事故發(fā)生的目的。

V2X通信技術(shù)的發(fā)展是迅速的，但仍需要進(jìn)一步研究和加強(qiáng)。隨著云計算技術(shù)的應(yīng)用，基于云計算的IOV成為未來的發(fā)展趨勢之一，汽車制造商等趨向于建立云平臺服務(wù)來提升車輛客戶體驗，并基于無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和云平臺實(shí)現(xiàn)車輛與遠(yuǎn)程控制等之間的互動。與移動通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或其他網(wǎng)絡(luò)不同，車輛網(wǎng)絡(luò)的特殊之處在于它與人類生活密切相關(guān)。例如，當(dāng)車輛處于自動駕駛模式時，突然斷開云連接可能會導(dǎo)致不良后果，如發(fā)生交通事故，更有甚者，如果車輛通信系統(tǒng)被入侵，攻擊者可能會控制車輛進(jìn)而為所欲為，危及道路安全。因此，打造一個值得信賴的云通信技術(shù)，讓人們可以毫無顧慮地完全擁抱這項技術(shù)，意義重大。

改進(jìn)ITS各方面的新數(shù)據(jù)算法模型不斷被提出，但是還有很多問題需要考慮，比如，使用大數(shù)據(jù)算法涵蓋除道路以外的其他交通類型較為困難。另外，深度學(xué)習(xí)是ITS最主要的大數(shù)據(jù)算法，未來的研究可以集中在如何從運(yùn)籌學(xué)的角度確定深度學(xué)習(xí)模型在ITS中的應(yīng)用。隨著大數(shù)據(jù)算法的數(shù)量增加以及計算工具效率和能力的提升，使得更復(fù)雜、更浩瀚的數(shù)據(jù)得到了優(yōu)化處理和算法模型，從而可以在縮減時間的基礎(chǔ)上獲取更為精準(zhǔn)的分析處理結(jié)果。人工智能AI在ITS方面具有很好的應(yīng)用，但由于AI應(yīng)用是科技數(shù)據(jù)驅(qū)動的，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)隱私無法得到完全的保障，存在被盜取和被攻擊的風(fēng)險，自動駕駛汽車尤其如此。因此，在今后的技術(shù)研發(fā)和AI應(yīng)用過程中，保護(hù)個人信息的隱私性和防止黑客攻擊等問題將一直作為重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。此外，在面對鮮活生命的案例中，全自動化車輛中的AI算法相較于人類而言會作出怎樣的決定尚未可知。