智慧交通系統(tǒng)對(duì)交通系統(tǒng)安全的影響與應(yīng)用

摘要 隨著科技的不斷進(jìn)步，智慧交通系統(tǒng)作為一種創(chuàng)新性的解決方案逐漸成為城市交通管理的重要組成部分?；诖?，文章研究了智慧交通系統(tǒng)對(duì)交通系統(tǒng)安全的影響與應(yīng)用，首先通過(guò)車(chē)輛感知、道路感知和環(huán)境感知等傳感器技術(shù)，以及車(chē)輛與基礎(chǔ)設(shè)施和車(chē)輛之間的通信技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通環(huán)境的全面感知和實(shí)時(shí)信息交流；然后通過(guò)對(duì)智慧交通系統(tǒng)的事故預(yù)防、交通流優(yōu)化和突發(fā)事件響應(yīng)等方面的分析，探討了其對(duì)交通系統(tǒng)安全的積極影響。

關(guān)鍵詞 智慧交通；交通系統(tǒng)；交通系統(tǒng)；安全措施

中圖分類(lèi)號(hào) TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0019-03

0 引言

交通系統(tǒng)安全是指在交通運(yùn)輸中，通過(guò)采取一系列的措施和技術(shù)手段，確保交通參與者（包括駕駛員、乘客、行人等）在道路上能夠免受傷害、保障交通流暢、預(yù)防交通事故和減少事故損失的綜合性目標(biāo)[1]。智慧交通系統(tǒng)是一種綜合運(yùn)用先進(jìn)信息技術(shù)和通信技術(shù)，以提高交通系統(tǒng)效率、降低交通擁堵、增強(qiáng)交通安全等為目標(biāo)的系統(tǒng)[2]。它涵蓋了多個(gè)方面，包括感知技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和智能決策等，通過(guò)將車(chē)輛、道路和交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互和智能控制，為城市交通帶來(lái)更智能、高效、安全的運(yùn)行[3]。傳統(tǒng)交通系統(tǒng)往往面臨諸如交叉口擁堵、事故頻發(fā)等問(wèn)題，而智慧交通系統(tǒng)以其先進(jìn)的技術(shù)手段為解決這些問(wèn)題提供了新的可能[4]。因此，該文通過(guò)設(shè)計(jì)智慧交通系統(tǒng)的總框架，從事故預(yù)防、交通流優(yōu)化和突發(fā)事件響應(yīng)等方面，分析其對(duì)交通系統(tǒng)安全的影響，有望為城市交通帶來(lái)更加智能、便捷和安全的出行體驗(yàn)，同時(shí)也有助于提高交通系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。

1 智慧交通系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

智慧交通系統(tǒng)的總框架設(shè)計(jì)包括多個(gè)關(guān)鍵組件，這些組件共同工作以實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的智能化、安全性、高效率等目標(biāo)。智慧交通系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)具體如圖1所示：

（1）感知層：使用視覺(jué)傳感器、雷達(dá)、激光雷達(dá)等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路上的車(chē)輛位置、速度和狀態(tài)。通過(guò)地磁傳感器、攝像頭和圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別道路標(biāo)志、車(chē)道線和交叉口等信息[5]。集成氣象傳感器、空氣質(zhì)量傳感器等，監(jiān)測(cè)天氣、空氣質(zhì)量和交通噪聲等環(huán)境因素。

（2）通信層：實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與交通信號(hào)燈、停車(chē)場(chǎng)、充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)互聯(lián)。利用V2V通信，車(chē)輛共享位置、速度等信息，實(shí)現(xiàn)協(xié)同行駛和碰撞避免。采用云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù)，將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳輸至云端或進(jìn)行本地處理。

（3）決策與控制層：通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)感知層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，提取有用信息。基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，制定智能交通管理策略，包括信號(hào)控制、路況優(yōu)化和事故預(yù)防。將決策結(jié)果傳遞至交通信號(hào)燈、路邊設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通流的實(shí)時(shí)控制。

（4）用戶(hù)界面層：為駕駛員提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航、交通信息和駕駛輔助功能，為市民提供實(shí)時(shí)交通信息、公共交通查詢(xún)、共享出行服務(wù)等功能。交通管理人員通過(guò)該界面監(jiān)控交通流、制定交通規(guī)劃和應(yīng)對(duì)緊急事件。

（5）安全與隱私保護(hù)層：采用加密技術(shù)確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)被惡意篡改或竊取。制定隱私保護(hù)策略，確保個(gè)人信息得到充分保護(hù)，合規(guī)處理用戶(hù)數(shù)據(jù)。

這個(gè)總框架設(shè)計(jì)提供了一個(gè)綜合的視角，涵蓋了智慧交通系統(tǒng)的關(guān)鍵層面，確保各個(gè)組件之間的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)交通系統(tǒng)的智能化和高效運(yùn)行。

1.2 傳感器技術(shù)

傳感器是智慧交通系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在系統(tǒng)的感知層和決策與控制層中起到重要作用，通過(guò)各種傳感器收集并處理環(huán)境數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的決策和控制提供準(zhǔn)確的信息。在車(chē)輛感知中，系統(tǒng)可以使用Tesla Autopilot的8攝像頭系統(tǒng)，車(chē)輛速度V可以通過(guò)相鄰兩幀圖像中車(chē)輛位置的變化計(jì)算得到，具體如式（1）所示：

式中，Δa——車(chē)輛位置；Δt——時(shí)間（min）。通過(guò)圖像處理，獲得車(chē)輛在圖像中的位置，便可計(jì)算速度。系統(tǒng)歷代選用Velodyne HDL-64ELIDAR激光雷達(dá)，可用于高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)形式表示周?chē)?chē)輛的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Velodyne VLP-16 LIDAR激光雷達(dá)用于實(shí)時(shí)生成三維地圖，利用其測(cè)得的距離和方向信息計(jì)算車(chē)輛位置和速度，生成高分辨率的點(diǎn)云地圖，表示道路上的車(chē)輛位置。

在道路感知中，MagneRide地磁傳感器用于檢測(cè)車(chē)輛通過(guò)的地點(diǎn)，監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)的變化，推導(dǎo)出車(chē)輛位置和車(chē)流量，記錄車(chē)輛通過(guò)的時(shí)間和位置，用于道路流量分析。Sony IMX586圖像傳感器用于拍攝道路場(chǎng)景，使用圖像識(shí)別算法檢測(cè)和識(shí)別道路標(biāo)志、車(chē)道線等，識(shí)別圖像中的交通標(biāo)志、車(chē)道線的類(lèi)型和位置。

在環(huán)境感知中，Vaisala Weather Transmitter氣象傳感器用于監(jiān)測(cè)氣象條件，如溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)，分析天氣狀況，記錄當(dāng)前溫度、濕度和風(fēng)速，用于天氣預(yù)測(cè)。Sharp GP2Y1010AU0F空氣質(zhì)量傳感器，用于監(jiān)測(cè)空氣中的顆粒物濃度，通過(guò)測(cè)量的顆粒物濃度評(píng)估空氣質(zhì)量，提供空氣中PM2.5、PM10等顆粒物濃度數(shù)據(jù)。SparkFun Sound Detector聲音傳感器，用于監(jiān)測(cè)交通噪聲，分析聲音頻率和強(qiáng)度，判斷并記錄當(dāng)前交通噪聲水平，用于城市噪聲監(jiān)測(cè)。

1.3 通信技術(shù)

智慧交通系統(tǒng)的通信技術(shù)是系統(tǒng)框架中至關(guān)重要的一環(huán)，涉及通信層、用戶(hù)界面層及安全與隱私保護(hù)層，涉及車(chē)輛與基礎(chǔ)設(shè)施、車(chē)輛之間的實(shí)時(shí)互聯(lián)，以及感知層獲取的數(shù)據(jù)傳輸和處理。在車(chē)輛與基礎(chǔ)設(shè)施的通信方面，通過(guò)使用LTE無(wú)線通信協(xié)議，車(chē)輛能夠與交通信號(hào)燈、停車(chē)場(chǎng)和充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的雙向通信。信號(hào)傳輸距離d與信號(hào)強(qiáng)度S的關(guān)系可由自由空間傳播模型表示為式（2）：

式中，Pt——發(fā)射功率（bm）；Gt和Gr——天線增益；λ——波長(zhǎng)（MHz）；d——信號(hào)傳輸距離（km）。這樣的交流機(jī)制使得車(chē)輛能夠?qū)崟r(shí)獲取交通信號(hào)燈狀態(tài)、停車(chē)場(chǎng)車(chē)位信息，甚至與充電樁協(xié)商的充電功率和費(fèi)用。同時(shí)，車(chē)輛之間的通信通過(guò)V2V通信得以實(shí)現(xiàn)，采用5G-V2X車(chē)輛間通信協(xié)議，車(chē)輛能夠共享實(shí)時(shí)的位置、速度等信息，以支持協(xié)同行駛和避免碰撞的智能交通系統(tǒng)功能，使車(chē)輛能夠更加智能地做出駕駛決策，提高整體交通系統(tǒng)的效率和安全性。

在數(shù)據(jù)傳輸和處理方面，云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于從感知層獲取的大量數(shù)據(jù)的處理和分析。通過(guò)云計(jì)算，車(chē)輛將感知層獲取的數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和決策，以實(shí)現(xiàn)更為智能化的交通管理。而邊緣計(jì)算則在車(chē)輛本地進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)處理，減少云端傳輸延遲，提高實(shí)時(shí)性，使得車(chē)輛能夠更加及時(shí)地做出反應(yīng)。

2 智慧交通系統(tǒng)對(duì)交通系統(tǒng)安全的影響

2.1 事故預(yù)防

為測(cè)試智慧交通系統(tǒng)對(duì)交通系統(tǒng)安全的影響，此次實(shí)驗(yàn)通過(guò)智慧交通系統(tǒng)的事故預(yù)防功能，特別關(guān)注了實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)，以及預(yù)警系統(tǒng)的效果。表1是模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，展示了系統(tǒng)在事故預(yù)防方面的表現(xiàn)效果。

數(shù)據(jù)中的“預(yù)測(cè)碰撞概率”是通過(guò)系統(tǒng)分析車(chē)輛間距、速度等數(shù)據(jù)后，得出的潛在碰撞概率。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在以上示例中，車(chē)輛001和車(chē)輛002之間存在潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并進(jìn)行了實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到潛在的事故風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)車(chē)輛界面、交通標(biāo)志或移動(dòng)應(yīng)用向駕駛員發(fā)出警告。同時(shí)，相關(guān)的數(shù)據(jù)也可以傳送至交通管理中心，以協(xié)助實(shí)時(shí)的交通管理決策，減緩或避免潛在事故的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)中具體的預(yù)警情況如表2所示：

預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)的結(jié)果，向駕駛員發(fā)送了多種預(yù)警信息，包括車(chē)輛碰撞預(yù)警、道路狀況預(yù)警及交叉口預(yù)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)智慧交通系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)以及預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠在潛在事故發(fā)生前警示駕駛員，從而提高了交通系統(tǒng)的安全性。同時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)也可以傳送至交通管理中心，為實(shí)時(shí)的交通管理決策提供支持。

2.2 交通流優(yōu)化

為測(cè)試智慧交通系統(tǒng)的交通流優(yōu)化功能，實(shí)驗(yàn)主要涉及智能信號(hào)控制和動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。表3是模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，展示了系統(tǒng)在交通流優(yōu)化方面的表現(xiàn)效果。

數(shù)據(jù)表中的“擁堵減輕比例”表示通過(guò)智能信號(hào)控制后平均等待時(shí)間的減少百分比。結(jié)果表明，通過(guò)智能信號(hào)控制系統(tǒng)有效降低了交叉口的平均等待時(shí)間，減輕了擁堵情況。

基于車(chē)輛感知獲取的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)和通信層的路況信息，系統(tǒng)可以為駕駛員提供實(shí)時(shí)的最佳行駛路徑。通過(guò)避開(kāi)擁堵、事故發(fā)生區(qū)域，系統(tǒng)能夠有效降低交通事故發(fā)生的概率，具體規(guī)劃情況如表4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)通過(guò)基于實(shí)時(shí)交通狀況的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃成功優(yōu)化了車(chē)輛的行駛路徑，減少了行駛時(shí)間。通過(guò)智慧交通系統(tǒng)的交通流優(yōu)化功能，系統(tǒng)能夠有效降低交叉口的擁堵情況，提高交通流效率，并通過(guò)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃減少車(chē)輛行駛時(shí)間，從而降低了潛在的事故風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 突發(fā)事件響應(yīng)

為測(cè)試智慧交通系統(tǒng)的突發(fā)事件響應(yīng)功能，實(shí)驗(yàn)主要涉及車(chē)輛協(xié)同應(yīng)對(duì)和緊急通信系統(tǒng)。表5是模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，展示了系統(tǒng)在突發(fā)事件響應(yīng)方面的表現(xiàn)效果。

實(shí)驗(yàn)中模擬了兩種突發(fā)事件，分別是剎車(chē)失效和道路障礙。車(chē)輛通過(guò)V2V通信系統(tǒng)成功獲取到突發(fā)事件信息，并采取協(xié)同應(yīng)對(duì)措施，減小了事故發(fā)生的概率。

表6是模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，展示了系統(tǒng)在緊急通信響應(yīng)方面的表現(xiàn)效果。

實(shí)驗(yàn)中模擬了兩種緊急事件，分別是交通事故和火災(zāi)。車(chē)輛通過(guò)緊急通信系統(tǒng)迅速響應(yīng)，向周?chē)?chē)輛和交通管理中心發(fā)送緊急信息，成功調(diào)度了緊急救援資源，減少了事故損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，智慧交通系統(tǒng)能夠通過(guò)V2V通信和緊急通信系統(tǒng)的應(yīng)用，使車(chē)輛之間迅速做出協(xié)同應(yīng)對(duì)，及時(shí)獲得幫助，有效降低了事故發(fā)生概率和減少損失。

3 結(jié)論

綜合而言，智慧交通系統(tǒng)通過(guò)感知、通信和智能決策等技術(shù)手段，為交通系統(tǒng)的安全性帶來(lái)了顯著提升。它不僅能夠在事故發(fā)生前預(yù)防潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高交通流效率，還能夠在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間的協(xié)同應(yīng)對(duì)和緊急通信，有效減小事故的影響。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧交通系統(tǒng)有望在未來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)交通系統(tǒng)的安全性和效率，為城市交通帶來(lái)更加智能、安全、便捷的出行體驗(yàn)。

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