智能运输系统概论.doc

ITS智能运输系统：通过关键基础理论模型的研究，从而将信息技术、通信技术、电子控制技术和系统集成技术等有效的应用于交通运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的实时、准确、高效的交通运输管理系统。特点属性：先进性、综合性、信息化、智能化。意义和作用：对传统交通运输系统的一种革命，充分发挥现有交通基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通拥挤的有力措施。智能运输系统是一个庞大的系统，系统建设涉及众多部门与领域，管理体制、信息沟通能力、考虑问题角度等均会对系统建设与运行产生巨大的影响。智能运输系统包括多个子系统，子系统之间相互联系紧密。正是因为系统庞大，其建设是逐步完成的，有时会不断建设与整体协调。1以监控为主体的交通工程系统-交通工程基本设施、传感器、电子设备、数据采集2初级智能交通系统-计算机、信息技术、地理信息处理3模型化智能交通系统-系统辨识、模式识别4高级智能交通系统-人工智能VICS道路交通信息通信系统（日本出行者信息系统的核心）SOCRATES交通效率与安全蜂窝式通信系统（DRIVE项目的核心，欧洲）EURO SCOUT以红外信标为媒体的动态路线引导系统（车载装置由导航装置、红外线收发信号机、车辆位置测定装置及显示器、键盘等组成）研究方法：面向过程。开发过程：1确定用户服务内容2建立逻辑框架3建立物理框架4明确标准化内容。服务领域：交通管理与规划、电子收费、出行者信息、车辆安全和辅助驾驶、紧急事件和安全、运营管理、综合运输、自动公路。意义：智能运输系统体系框架是运输系统体系和规格的说明，他决定系统如何构成，确定功能模块以及允许模块间进行通信和协同的协议和接口。组成：用户主体、服务主体、用户服务（是框架基础）、逻辑框架、物理框架、（ITS标准、ITS评价）逻辑框架：对系统功能的一种分类，四个层次：功能域，基本上和服务域等同；系统功能，基本上和服务等同，但进行了功能的重新整合；过程，基本上与子服务相同；子过程，基本的逻辑单元。最主要的内容就是描述系统功能和系统功能之间的数据流。物理框架：是逻辑框架的具体实现，他是由一些系统和子系统连接构成的。系统和子系统基本上是按交通系统的习惯和职能进行划分的。物理框架主要描述物理系统的功能和系统之间交换的框架流。交通系统管理：把汽车，公共交通，出租汽车，行人和自行车等看成一个整体城市交通运输系统的多个组成部分。城市交通系统管理的目标是通过运营，管理和服务政策来协调这些个别的组成部分，使这个系统在整体上取得最大交通效益。 交通需求管理：各种提高交通运输系统效率的策略的总称。1综合交通运输协同技术2智能化交通管理控制技术不断提升3交通信息服务技术迅速发展并催生相关产业发展4交通安全技术仍然是发展的焦点5智能汽车与车路协同技术将成为近年发展的热点和重要发展方向动态交通分配：将时变的交通出行合理分配到不同的路径上，以降低个人的出行费用或系统的总费用。是以路网交通流为对象，以交通控制与诱导为目的开发出来的交通需求预测模型。动态用户最优DUO：路网中任意时刻、任何OD对之间被使用的路径上的当前瞬时行驶费用相等，且等于最小费用的状态。动态系统最优DSO：在所研究的时段内，出行者各瞬时通过所选择的出行路径，相互配合，使得系统的总费用最小。FIFO原则：先进先出原则，即从平均意义上来讲，陷阱如路段的车辆先离开该路段。动态交通分配模型的分类：根据模型的研究方法可以分为两大类： 一类是解析的动态交通分配模型，一类是基于仿真的动态交通分配模型。解析的动态交通分配模型注重于纯理论研究， 常被称为纯理论模型。可以分为三类：a）数学规划；b）最优控制理论模型；c）变分不等式、不动点理论模型。基于仿真的动态交通分配模型更偏重于应用， 常被称为面向应用的动态交通分配模型或应用型模型。动态系统最优控制的目标：1使系统总行程时间最小2使系统总费用最小3使系统总延误时间最小4使系统平均拥挤度最小。动态交通分配中“动”的含义：（ 1 ）交通流随着时间的推移，在所选的路径上沿着各个路段逐渐向终点运动，而不是瞬间布满各路段；（ 2 ）路段阻抗是真动而不是“伪动”。在静态分配中用来计算路段路阻的流量不是真正存在于该路段上的流量；（ 3 ）交通需求是时变的。动态路径选择行为的不同描述：Wieet(1990) 的定义：交通网络中的每一时刻，每一 OD 对之间被使用的路径中瞬时单位期望费用相等，且等于最小瞬时单位期望费用（中途不改变路径）。Ranet(1993) 的定义：交通网络中的每一时刻，每一 OD 对之间每一个决策点（交叉口）上，被使用路径上瞬时走行时间相等且等于最小瞬时路径走行时间（中途允许改变路径）。控制系统与公交系统的协同机理：公交系统根据实时交通流量、客流量及其预测信息生成车辆调度方案，在保证运输效率的同时降低运营成本。同时，混合交通自适应控制系统在感知到公交车辆后，为其提供优先信号，尽可能降低其运行延误。这种协同关系可以提高公交系统的吸引力，增加公交出行人数，进而提高城市主干路网的交通均衡性。主要体现在公交的信号优先。城市交通控制UTCS系统与城市交通诱导UTFGS系统的协同模式：数据共享式、主从式、递阶协同式、一体化方式短时交通信息预测的常用的方法(又见下分类)：交通量预测（卡尔曼滤波方法、神经网络方法、统计分析方法），行程时间预测（卡尔曼滤波方法、神经网络方法、随机服务系统）。短时交通预测的模型分类：1基于统计方法的模型（历史平均模型（History Average Model）、线性回归模型（Linear Regressive Model）、时间序列模型（Time Serial Model）、卡尔曼滤波模型（Kalman Filtering Model）、Markov预测、极大似然估计模型（Maxium Lidelihood Formulation Model）等。特点：计算简便，但他们都未能反映交通流过程的不确定性与非线性，尤其无法克服随机干扰因素的影响。）2动态交通分配模型3交通仿真模型4非参数回归模型5神经网络模型（BP神经网络、高阶广义神经网络）6基于混沌理论的模型7综合模型数据处理环节：ITS相关技术1数据采集：空间数据-地球空间信息（GPS，GIS）、道路设施信息（GIS-T）、交通环境信息交通信息-车流检测、AVI技术、浮动车、车载传感器2信息传送：RFID、DSRC，无线传感网络WSN3数据处理：多传感器信息融合，短时交通预测，动态交通分配，交通仿真，事件自动检测，云计算4信息利用：城市交通控制、匝道控制、路径诱导、辅助驾驶、实时公交调度、紧急救援支持、交通规划支持类别：车辆传感器、外界传感器、驾驶员异常状态传感器、电子视野图像识别技术、位置测量技术、判断技术、数值化和数据库、车辆控制技术、电子技术、计算机系统、移动通信技术、通信网络技术、人-机联系技术、人体机能学。定位技术的分类：自主定位、星基定位、陆基定位。GPS单独定位、GLONASS单独定位、GPS/GLONASS组合定位、GPS/DRS组合定位、GPS/INS组合定位、GNSS定位、GSM定位、北斗卫星导航系统定位。（辅助定位方法：地图匹配技术、信号杆SP、无线电确定的卫星服务RDSS）常用的定位技术：1自主定位-DR（Dead Reckoning）定位、惯性导航定位；2星基定位-GPS定位系统、GLONASS、北斗星定位系统、伽利略定位系统；3陆基定位-GSM网定位、信标定位、RFID定位。GPS定位原理：采用空间被动式测量原理，即在测站上安置GPS用户接收系统，以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号，由计算机求解站星关系和测站的三维坐标。GPS /DR组合定位系统的组成：GPS定位系统、航位推算系统DR、信息处理系统。解决短时间内车辆丢失GPS卫星信号的问题。DR技术：车辆航位推算导航系统是一种自主式的车辆导航系统，利用陀螺和里程仪的传感信息来记录和推算当前的导航位置，具有短时间内精度高，但导航误差随时间积累的特点。GPS的误差源（电离层延迟误差、对流层的延迟影响、SA的影响、星历误差、地球自转的影响、接收机相关误差）1卫星钟差某时刻各原子钟之间的同步差2星历误差卫星轨道误差 3相对论效应影响椭圆轨道，速度不断变化4电离层、对流层折射延迟介质不均匀5多路径效应影响多路反射波干涉GPS差分定位DGPS：将一个已精确测定的已知点作为查分基准点，在此点安装GPS接收机，连续接收GPS信号，通过处理再与已知的精确位置作比较，不断确定当前的误差，然后把它通过通信链传送至该地区的所有移动GPS用户，以修正它们的定位解。方法：位置差分法、伪距差分法、载波相位差分法。局域差分LADGPS：技术特点是向用户提供综合的差分GPS改正信息-观测值改正，而不是提供单个误差源的改正，作用范围比较小，一般在150km以内。基本构成：基准站、数据通信链、用户站。提高用户占定位精度的原理：建立在基准站和用户站对GPS卫星的同步、同轨迹的基础上。广域差分:技术特点是将GPS定位中主要的误差源分别加以计算，并分别向用户提供这些差分信息，作用范围比较大，往往在1000km以上。位置差分：最简单的差分方法。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在各种误差，结算出的坐标与基准站的已知坐标存在误差。基准站利用数据链将此改正数发出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改进。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站与用户占的共同误差。先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。优点是计算方法简单，能适用于一切GPS接收机。缺点是必须严格保持基准站与用户占观测同一组卫星。（8颗不行）伪距差分：是目前用途最广的一种技术。优点：基准站能够提供可见的所有卫星的修正值，用户可以选择接受任意四颗卫星的信号；计算的伪距修正值是直接在WGS-84坐标系上求得的，是直接修正值，不用换算为当地坐标，因而定位精度高。两方法都要求：基准站的坐标精确测定；用户与基准站之间的距离一般在100km以内。宏观交通流参数的自动采集技术：1感应线圈检测器2超声波检测器3磁性检测器4红外线检测器5微波雷达检测器侧向安装：安装在道路横断面的一侧，通过分层和车道设置后可以检测各条车道的交通参数根据目标至发射源的半径进行分层根据各层在道路断面上的投影进行设置从而确定车道根据各层的反射频率特性确定各层的交通状态，进而根据车道的设置可得到各车道的交通参数6视频检测器（VIP交通检测技术）根据各应用场合的目的、要求、限制条件等不同，视频检测在智能交通系统中的应用可分为四大类:第一类是自动车辆导航，它是通过对车道线和静止或运动的障碍物的自动检测识别来完成自动导航任务，主要运用于高速公路;第二类是道路交通监控，利用图像处理进行道路交通流的流量、事件、速度等方面的检测，此类检测多结合交通管理中的检测器进行，形成商业产品;第三类是利用模式识别技术进行车牌识别，广泛运用于不停车收费、停车场管理、违章车辆查处等多项应用领域;第四类是利用计算机视觉技术进行交通个体的行为特性捕捉和运动跟踪，这类研究主要处于实验室阶段，还没有成型的软件或产品可供选择。7道路管检测器8声学检测器 地埋式交通检测器：环形线圈检测器，磁力检测器，道路管检测器，压电检测器。 非地埋式交通检测器：微波雷达检测器，超声波检测器，红外线检测器，噪声检测器，视频图像车辆检测器，复合型交通检测器。交通信息采集的分类，根据被采集车辆是否与采集系统进行交互可分为：独立式采集技术和协作式采集技术。独立式采集技术：感应线圈检测、地磁检测、微波检测、红外线检测、视频检测协作式采集技术主要包括：基于GPS 定位的采集技术、基于RFID 的采集技术、基于蜂窝网络的采集技术交通信息采集技术的发展趋势：1车辆内部信息的直接获取2交换式信息采集（V2V，V2R）3多种采集技术的融合4从多时相、高分辨率的航空和航天影像中进行交通要素的识别、监测, 提取车辆类型、运行速度等特征, 获取道路流量信息和拥堵状况等。行程时间采集方法：1浮动车法FCD的主要流程：浮动车运行数据采集（车型、规模、采集频率等）、地图数据预处理(地理坐标系转换、修正)、浮动车异常数据处理、地图匹配（点到点、点到线、线到线）、旅行时间和平均行程速度估计及预测（单辆时间、路段时间、短时预测）、拥堵状态判断2车辆识别法3探测车法AVI车辆自动识别法：在私人或公用车辆上安装电子标签，在给定的道路或运输路线的路旁安装识别器。中央系统连续识别装有电子标签的车辆，并计算一系列的道路交通参数。由车载电子标签、路边识别装置、中心计算机系统三部分组成。交通信息服务系统的目标：1促进以实时准确的交通状态为基础的出行方式选择2减少出行者在陌生地区出行的压力3减少出行者个体在多方式出行中的出行时间和延误4降低整个交通系统的出行时间和延误5提高交通系统的总体效率，降低交通系统的总体成本6减少碰撞危险和降低伤亡事故交通信息系统的分类：1按照向交通参与者提供信息服务的时机进行分类：出行前信息系统、在途驾驶员信息系统、在途出行者换乘信息系统。2按照所提供信息内容的不同进行分类：路径诱导系统、交通流诱导系统、停车场信息诱导系统、个性化信息服务系统。3根据信息流三要素：信息采集、处理与传输的集成程度以及系统功能分配的不同进行分类：自主导航系统、中心式导航系统（单向通信系统）、中心式导航系统（双向通信系统）交通信息系统的发展历程：1传统的信息发布系统：道路交通标志与标线、交通广播电台、电视、报刊。特点：伴随着汽车交通的产生而产生，提供的信息是静态的，信息滞后于交通实况，适合于大范围复杂信息的发布，是汽车交通发展的各个阶段不可缺少的交通基础设施。2第二代信息发布系统：出现于20世纪60年代末70年代初；是人们利用现代通信技术进行信息发布的初始阶段；可变信息板是这一代通信系统的代表；主要用来提高局部路段的通行能力和交叉口的通行能力；信息只能单向通讯，向车辆传递通用的出行信息。特点：局部的，被动的。3第三代信息发布系统：为更广泛的出行者提供更广泛的实时交通信息和个性化信息；主要提供方式有：:移动通信信息发布（声讯、短信、彩信、车载终端）、信息互动性强，信息量小、现场LED显示屏、触摸屏一般布置在公共场所、可变情报板适合发布动态信息、分布面广、表现力强、播放时间自由、针对性差、互联网信息发布。特点：广泛的，主动的。向驾驶员提供关于出行路径选择及车辆运行状态的精确信息以及道路情况信息和警告信息，向不熟悉地形的驾驶员提供向导的功能。具体包括以下子服务领域：(1) 车辆运行状态信息 (2) 交通事件信息 (3) 停车/乘车选择(4) 停车场信息 (5) 交通状况信息 (6) 公共交通调度信息 (7) 交通法规信息 (8) 道路工程施工信息 (9) 收费站信息 (10) 气象信息 (11) 路边服务信息交通流诱导系统经历了从静态系统到动态系统的发展过程。 动态路径诱导系统：通过车辆与交通管理部门之间的通信联系，由后者提供实时的交通信息，在最优路径计算时使用随时间变化的动态出行费用，而产生的，基于现代通信技术的动态路径诱导系统。自主型路径导航中心型路径导航路径诱导系统交通流诱导系统动态交通流诱导系统的组成、功能：1交通信息中心，是动态诱导系统的核心，该系统中硬件系统是由计算机和各种通信设备组成，主要功能是从各种信息源获得实施交通信息，并处理成用户需要的数据形式。2通信系统，负责完成车辆和交通信息中心的数据交换。信息中心通过通信系统向所有车辆不断发送实时交通状态数据，包括路段行程时间、交通事件以及其他相关数据。3车载诱导单元，车载诱导设备主要由计算机、通信设备和车辆定位设备组成。定位设备为GPS接收机或信标信号接收机及速度、方向传感器等其它定位设备。该模块的功能是接受、储存和处理交通信息，为驾驶人员提供良好的人机界面，方便驾驶人员输入信息和获得诱导指令。路径引导交通流诱导系统发展趋势关键技术分层路径诱导算法（TC-B算法）：远距离出行者倾向于走主要道路，备选路径之间的差异主要体现在主要道路的选取上；将城市道路分成主要道路和次要道路；用主要道路将城市路网分成若干个小区；路径由三段构成：发生地经次要道路至发生小区的边界、发生小区的边界经主要道路至目的小区边界，目的小区边界经次要道路至目的地；智能公共交通系统的功能：1运用车载数据采集技术实现对运营车辆的监视2线路网规划与时刻表管理3车辆维修计划与计划编制4车辆维护运营安全5司售人员配班安排6车载收费管理7乘客信息服务关键技术：车辆定位技术、地理信息系统、交通通信技术、自动乘客计数器、公交运营软件、交通信号优先策略（、电子站牌）先进的公共交通系统体系结构：1公共交通系统优化与设计：管理模式；线网布局；站点优化2公交智能化调度系统:实时监控；发车时刻表；驾驶员排班；实时调度；公交信号优先；区域调度协调3公交信息服务系统：公交出行中转换乘信息；公交客流量信息；行程时间预测信息；公交车当前位置信息；公交车内拥挤程度信息；车辆临时变更的调度信息4公交服务水平评价与监管系统公交调度：车辆调度形式:按车辆工作时间的长短与类型，分为正班车、加班车与夜班车。按车辆运行与停站方式，可分为全程车、区间车、快车、定班车、跨线车等。实时调度方法：1前车加大站点停靠时间法2前车减速方法3后车加速方法4后车缩短站点停车时间方法5放车调度方法。智能公交调度：方法、组成公交优先：迟启、早断、有两类公共汽车信号优先技术：被动式（Passive）和主动式（Active）。主要的方法是对交叉口的晚点公共汽车在红灯时提前给予绿灯，同时对正在交叉口内行驶的晚点公共汽车延长绿灯时间使其有足够的时间来通过交叉口。主动优先：主动式公共汽车信号优先技术是应用ITS技术来提高公共汽车运行速度，使得公共汽车更加准时和提高其运行效率。主动式公共汽车信号优先技术的关键是要确保公共汽车和交叉口信号机之间有无线通讯。被动优先：被动式公共汽车信号优先技术就是将道路的交通信号灯按照平均公共汽车行驶速度（而不是平均私人汽车行驶速度）来进行同步配时，从而有利于公共汽车较快速度在道路上行驶；信号优先过程：第一阶段：确定公共汽车位置。确定公共汽车到达的地点，以确定交叉口是否要进行信号优先。这一功能也提供位置数据给公共汽车上的处理器以确定汽车是否晚点。第二阶段：公共汽车向交叉口的信号机提出信号优先请求。由公共汽车上的处理器来执行，对汽车到达设定点后是否要提供信号优先作出决定。决定的因素包括目前公共汽车所在的位置，公共汽车行驶的方向，公共汽车是否晚点，以及汽车上的乘客数等。第三阶段：交叉口的信号机同意公共汽车提出的信号优先请求。第四阶段：实施信号优先。根据公共汽车和前方交叉口的相对位置，通过信号机调整信号时相，使得信号灯提前变绿灯，或延长绿灯时间，以便公共汽车能够顺利地通过前方的交叉口。如果公共汽车到达时正好碰到绿灯，或者公共汽车没有晚点，那么信号时相保持不变。行程时间预测：公交行程时间预测信息：路段行驶时间、进出站时间、上下客时间、交叉口延误时间、通过交叉口的时间乘客自动计数信号控制系统的分类：1按控制方法：定时控制、感应控制和自适应控制；2按控制范围：点控、线控和面控；3按控制方式：方案选择式和方案生成式。面控系统的分类：1按控制策略分类：定时式脱机控制系统、感应式联机控制系统；2按控制结构分类：集中式控制结构、分层式控制结构。交通流诱导系统与信号控制系统之间的关系：见协同。仿真模型：用来模拟在信号灯控制下交通网上的车辆行驶状况，以便计算在一组给定的信号配时方案下交通网络的运行指标。相位差优化：在初始配时方案相位差的基础上，以适当的步距（如信号周期长度的1/50）调整交通网上某一个交叉口的相位差,计算性能指标PI