交通工程学课件11

1、一、一、1.1 ITS的产生和发展的产生和发展 随着经济的发展和汽车保有量及流动人口的不断增多，现有的交通设施与交通需求的剧增越来越不相适应，严重制约国民经济和社会的发展。国内外的理论和实践证明，发展智能交通系统是解决此问题最为有效的途径。 ITS的定义的定义 在对关键基础理论研究的前提下，将先进的信息技术、通信技术、电子控制技术和系统集成技术等有效地应用于交通运输系统，从而建立起大范围、全方位内发挥作用的实时、准确、高效的交通运输管理系统。使交通运输达到人车路综合协调的新境界，提高道路的使用效率，节约能源，保护环境. 世界上目前正在发展的ITS技术多种多样，但其内涵或核心技术主要包括以下几个

2、方面： （1） 先进的交通管理系统（ATMS）（2） 先进的交通信息系统 (ATIS) （3） 先进的车辆控制系统（AVCS）（4） 先进的公共交通系统 (APTS)（5） 先进的电子收费系统（ETC） ITS对社会的影响对社会的影响ITS的出现和逐步使用，使旅客旅行更加便捷和安全，节约能源并且保护环境，提高交通运输的社会经济性。 ITS极大地提高了使用者的方便性和安全性极大地提高了使用者的方便性和安全性 应用ITS，路上的每一辆车，经过ITS系统的检测器都能将其反应到ITS的系统中心，驾驶员可以根据自己的情况随时询问最佳的行车路线和最佳的运行状态。全球定位系统的使用，保证任何时候都能确定出车

3、辆的位置。由于天气、道路或其它的行车情况，ITS中心会及时地通过车内通讯设施告诉驾驶员，使其选择最佳的对策，提高便捷性和安全性。 ITS的车内系统与ITS中心相连，也就是说，它与所有信息系统都相连，使用者可以在车内知道世界上的任何事情，可以找出不同运输方式之间的最佳转换时间，同时也可以进行各类消费活动。 发展公交ITS系统，尽可能使公交更加便利，运行更加快捷和准确，费用更加低廉，服务设施更加全面。随着环保意识的增强和公交服务质量的提高，乘用公交的人会越来越多，其中ITS的作用是不可忽视的。 ITS节约了运输费用 ITS中的商用车辆子系统使得商业车辆在北美洲可以不受任何限制畅通无阻。它可以用接触

4、和非接触式的检测器识别车辆并记录其运行情况。减少了许多检查和不必要的停车，提高了平均运行速度，运输费用大幅度下降。 对于小汽车，ITS系统能够使其选择一条路途最短或用时最少的路线，这无疑使出行的延误最小，提高了道路的运输效率，降低了运行费用。 ITSITS提高了整个路网的运输效率和通行能力提高了整个路网的运输效率和通行能力 ITS通过全面的、实时的交通数据来优化运输系统。在现在道路网络的条件下，根据各路径、各节点的交通条件实时分配交通量，达到整个路网在某种服务水平下的稳定与平衡。 ITS在美国的研究内容 ITS仍处于开发试验阶段，其功能和规模不断发展扩大，对其构成的描述不尽相同。美国将ITS项

5、目分为如下七类： 该系统主要为先进的监测、控制和信息处理系统，向交通管理部门和驾驶员提供对道路交通流进行实时疏导、控制和对突发事件应急反应的功能。它包括：城市集成交通控制系统、高速公路管理系统、应急管理系统、公共交通优先系统、不停车自动收费系统、交通公害减轻系统、需求管理系统等。在道路、车辆和监控中心之间建立起通讯联系，监控中心接收到各种交通信息(如车辆检测、车辆识别、交通需求、告警和救助信号)并经过迅速处理后，通过调整交通信号，向驾驶员和管理人员提供交通实时信息和最优路径诱导，从而使交通流始终处于最佳状态。 该系统主要是对交通出行者提供及时的信息服务。在出行前通过办公室或家庭的计算机终端、咨

6、询电话、咨询广播系统等，向出行者提供当前的交通和道路状况以及服务信息，以帮助出行者选择出行方式、出行时间和出行路线。在出行途中，通过车载信息单元或路边动态信息显示板，向出行者提供道路条件、交通状况、车辆运行情况、交通服务的实时信息，通过路径诱导系统对车辆定位和导航，使汽车始终行驶在最佳路线上，使出行者以最佳的出行方式和路线到达目的地。APTS主要是采用各种智能技术促进公共运输业的发展，它包括：公共车辆定位系统、客运量自动检测系统、行驶信息服务系统、自动调度系统、电子车票系统、响应需求的公共交通系统等。如利用全球卫星定位系统和移动通信网络对公共车辆进行监控和调度，采用IC卡进行客运量检测和公交出

7、行收费，通过个人计算机、闭路电视等向公众就出行时间和方式、路径及车次选择等提供咨询，在公交车辆上和公交车站通过电子站牌向候车者提供车辆的实时运行信息，提供电话预约公共汽车的门到门服务，提高公共交通的吸引力。 该系统是专为运输企业(主要是经营大型货运卡车和远程客运汽车的企业)提高盈利而开发的智能型运营管理技术，目的在于提高商业车辆的运营效率和安全性。通过卫星、路边信号标杆等装置，以及车辆自动定位、车辆自动识别、车辆自动分类和动态称重等设备，实现电子通关，辅助企业的车辆调度中心对运营车辆进行调度管理。 AVCS或AVCSS主要指智能汽车的研制。先进的车辆控制系统包括事故规避系统和监测调控系统等。智

8、能汽车具有道路障碍自动识别、自动报警、自动转向、自动制动、自动保持安全车距、车速和巡航控制功能。安装在车身各部位的传感器、盲点监测器、微波雷达、激光雷达、摄像机等设施由计算机控制，在易发生危险的情况下，随时以声、光形式向司机提供车体周围必要信息，并可自动采取措施，从而有效地防止事故的发生。车内计算机中存储大量有关驾驶员个人和车辆各部分的信息参数，当监测到这些参数发生变化、超过某种安全极限值时就会向司机发出警报，并采取相应措施，以预防事故发生。 自动公路系统是更高级的智能车辆控制系统和智能道路系统的集成-汽车自动驾驶系统。由路面设施和车辆上的特殊装备组成。如路面设施是在车道中心按一定间隔距离埋设

9、的磁铁，车载装置是磁传感器、障碍物检测雷达、车道白线识别装置、电子导向仪、电子自控油门、电子刹车装置等。以电偶将汽车组成一组一组的列车运行，每辆车可随时加入或退出列车车队，当汽车在车队中行驶时为自动驾驶，保证汽车的行驶绝对安全高效。 ARTS是根据乡镇运输的特殊需要，其它各类ITS系统在乡村环境下有选择性的运用。针对这种特殊要求，也有一些特殊技术的开发和研究，如紧急呼救和事故防止、不利道路和交通环境的实时警告、高效益成本比的通信和监测等。 研究领域主要研究内容先进的交通管理系统（Advanced Traffic Management System，ATMS）城市区域的中央化交通信号控制系统高速

10、公路管理系统交通事故管理系统电子收费及交通管理系统先进的出行者信息系统（Advanced Traveller Information System，ATIS）出行者信息系统车载路径诱导系统停车场停车引导系统数字地图数据库先进的公共交通系统（Advanced Public Transportation System，APTS）车队管理系统乘客出行信息系统电子支付系统（智能卡）运输需求管理系统公交优先系统先进的乡村运输系统（Advanced Rural Transportation System，ARTS） 出行者的安全与保护 紧急情况管理系统 旅游和出行者信息服务系统 基础设施的运营和保养 车队

11、运营与管理系统 商业车辆运营 公共性的出行者服务系统商业车辆运营（Commercial Vehicle Operation，CVO）商业车辆的电子通关系统车载安全监控系统路边安全检查的自动化系统商业车队管理系统车队运营与管理系统商业车辆的行政管理程序危险品的应急响应系统先进的车辆控制和安全系统（Advanced Vehicle Control & Safety System，AVCSS）防碰撞系统智能行车控制系统Mayday系统（无线电话求救信号，SOS）驾驶员视野加强系统车辆防抱死系统（ABS）驾驶员安全监控系统车辆安全监控系统车载路线诱导系统协作驾驶自动公路系统（Automated Hig

12、hway System，AHS）基于车辆智能化的自动驾驶基于公路基础设施智能化的公路控制自动系统 二者综合在日本分为以下四个阶段: 第一阶段 （2000年前后）ITS的初始发展阶段，在这一阶段，交通信息主要提供给己经运行的VlCS和相关系统，交通堵塞信息和最佳路线信息将提供给车载导航系统 ，使驾驶员能够减少出行时间并提高旅行的舒适性。在本阶段的后半段，通过使用电子收费系统，达到减少收费站拥堵的目的。 第二阶段 （2005前后）通过逐步引入用户服务的思想开始交通系统的革命，ITS将有关目的地的服务信息和公共交通信息直接提供给用户。在这一阶段，通过驾驶员安全驾驶系统和行人安全保护系统来减少交通事故

13、的发生。另外，公共交通的舒适性和便利性也将得到极大的提高。 第三阶段 （2010年前后）ITS将被推进到一个更高的水平，基础设施，车载装置，法律和社会系统将促使lTS成为一个稳固的社会系统。ITS的作用将是全国性的，通过对ITS更多更高级功能的认识，自动驾驶将全方位地发挥作用，汽车将成为一个安全和舒适的处所。 第四阶段 （2010年之后），ITS的所有系统都已经投入使用，ITS己经进入到了一个成熟的时期。由于ITS布设的大量光纤网和建立的各个服务系统，整个社会将进入到高度信息和通信的时代；自动驾驶的需求在这一阶段将会大大增加，ITS作为一个基木的系统将会被整个社会所接受，尽管交通量在不断增加，

14、但交通事故将极大地减少。道路己经不再拥堵，道路环境与整个地球环境更加和谐。欧洲欧洲ITSITS的研究内容的研究内容 欧洲的ITS研究开发是由官方（主要是欧盟）与民间并行进行的，由于欧洲的国家大部分很小，因此欧洲的ITS主要是从洲际的角度进行的。在80年代中期，就由欧洲十多个国家投资50多亿美元，联合执行一项旨在完 善 道 路 设 施 提 高 服 务 水 平 的 D R I V E 计 划 ， D R I V E 是Dedicated Road Infrastructure for Vehicle Safety in Europe的缩写，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施。其主要的研究内

15、容有： 需求管理(Demand Management) 交通和旅行信息系统(Traffic and Travel Information) 城市综合交通管理(Integrated Urban Traffic Management) 城 市 间 综 合 交 通 管 理 ( I n t e g r a t e d I n t e r - U r b a n Traffic Management) 辅助驾驶(Driver Assistance and Cooperative Driving) 货运和车队管理(Freight and Fleet Management) 公共交通管理(Public Tr

16、ansport Management)该计划到94年已完成。从研究的结果看，其研究领域和系统功能与美、日大致相同。目前正在进行Telematic的全面应用开发工作，欧洲计划在全欧范围内建立专门的交通（以道路交通为主）无线数据通信网，ITS的主要功能如交通管理、导航和电子收费等都围绕Telematic和全欧无线数据通信网来实现。由于欧盟国家有着不同的文化背景和法律，因此作为ITS的发展，有许多日美不曾遇到的问题。例如，欧洲有许多国家，各国的法律制度和技术标准不同，为了实施统一的ITS，标准化就成为欧洲的首要任务。又例如欧洲人对隐私权的要求比日美高得多，这给自动导航和电子收费带来了更多的困难，因此

17、欧洲人评论说“美国开发的系统太简单，不符合欧洲的要求，我们要求的系统比这复杂”。中国中国ITSITS的研究内容的研究内容我国道路在未来20年内仍然处于建设期，建 设12条约35 000公里以高等级公路组成的国道主干线。这一期间正是智能运输系统在全世界进入全面实施 的阶段，因此，中国也需要根据中国公路运输的实际需求探讨在中国公路运输网中应用智能运输系统来提 高运输效率、保障安全和保护环境的可能性。19861995年国家在交通管理系统方面开展了一系列科学研 究和工程实施，制定了一系列的标推和规范，无疑这些工作是我们今天进行ITS研究和开发的基础。 近期内，我国的智能运输系统将在以下几个方面重点开展

18、工作：1、 制定我国ITS发展标准；2、 改造和完善城市的交通管理系统；3、 发展公共交通系统；4、 汽车安全和事故预防系统；5、 快速货运系统；6、 监控、通信收费；7、 交通信息服务。服务领域主要研究内容交通管理与规划系统（Traffic Management and Planning ）交通法规监督与执行交通运输规划支持基础设施维护管理交通控制需求管理紧急事件管理电子收费（Electronic Payment Service ）电子收费出行者信息（ Traveler Information System，ATIS）出行前信息服务行驶中驾驶员信息服务在途公共交通信息服务个性化信息服务路径诱

19、导及导航服务车辆安全与辅助驾驶（Advanced Vehicle Safety and Driving Assistance ，AVCSS）视野范围的扩展纵向防撞横向防撞交叉路口防撞安全状况（检测）碰撞前乘员保护自动车辆驾驶紧急事件与安全 （Emergency and Security）紧急情况的确认与个人安全紧急车辆管理危险品及事故通告公共出行安全易受伤害道路使用者的安全措施交汇处的安全服务运营管理 （Transport Operation Management）公交规划车辆监视公交运营管理一般货物运营管理特种运输管理综合运输 （Intermodal Transport ）交换客货运信息资源

20、提供旅客联运服务提供货物联运服务 自动公路 （Automated Highway System，AHS）自动公路 1. 出行者信息系统的含义出行者信息系统的含义 为出行者提供相关信息的系统。有效的出行者信息系统应覆盖各种运输方式，并能满足驾驶员和出行者的需要。能运用各种技术为消费者提供道路信息、公交信息和其它与出行有关的重要信息，以帮助消费者选择出行方式（私家车、火车、飞机、公交车等） 。发展历程发展历程 分为两个阶段： 第一代系统：出行者信息系统（Traveler Information System, TIS)，20世纪60年代末70年代初基于计算机技术和交通监控系统发展起来的。系统代表：

21、 可变信息标志（VMS） Highway Advisory Radio 公路顾问广播（HAR）Variable Message Signal 第二代系统：先进的出行者信息系统（Advanced Traveler Information System, ATIS) 采用信息采集、传输、处理和发布等新技术。 主要表现方式： 车载诱导系统、蜂窝电话、有线电话、有线电视、大型显示屏和互联网等。出行者信息包括ITS物理框架中的3个物理子系统：）交通事件、交通状况及公交信息等是从ITS公用信息平台（ITSCIP）相关系统获得的，出行者信息系统的信息提供商接受、处理并储存这些信息。个人信息访问子系统和远程出

22、行者支持子系统通过复制从ISP传来的信息以响应出行者的信息请求，但二者的发布手段不同：远程出行者支持子系统主要通过固定信息发布亭，如公交站牌、信息亭等方式； 个人信息访问子系统是通过居家或公司等个人手头的电子设备获取信息交通信息采集交通信息传输交通信息处理交通信息传输交通信息提供交通信息利用提高出行方便性改善交通安全性提高路网利用率出行者信息系统的数据流包括出行者信息系统的数据流包括： 出行信息：交通事件、交通状况、公交线路和时刻等信息；公交时刻延误信息：通过路边网络发布或预计的交通状况信息：出行者信息请求：出行身份鉴定、出行起终点、出行时间、当前的交通状况等信息需求。出行者信息系统的数据流框

23、图出行者信息系统的数据流框图RTS（远程出行者支持） 通过固定信息查询提高出行信息 接受出行者的信息请求PIAS（个人信息访问子系统） 通过家庭上网、公司网络等手段获取出行信息 接受出行者信息请求ISP采集、处理、储存和发布出行者信息给公众或订单用户接受从其他系统传来的数据为媒体提供交通状况和交通事件信息多式出行规划信息旅客出行信息公交延误信息信息请求发布交通状况公交延误信息旅客出行信息 与出行者信息系统相关联的与出行者信息系统相关联的ITSCIPITSCIP的子系统的子系统交通信息控制系统高速公路管理系统公交管理系统物流综合信息系统一卡通系统电子收费系统紧急救援系统环境气象检测系统3. 出行

24、者信息系统的服务内容 有效的出行者信息系统要求建立广泛的、使用方便的公共信息数据库： 地理信息数据库（电子地图） 交通运行数据库 公共交通信息数据库 道路信息数据库 GPS系统的组成 GPS系统包括三大部分： 空间部分GPS卫星星座； 地面控制部分地面监控系统； 用户设备部分GPS信号接收机。3. GPS系统的特点系统的特点 1）全球地面连续覆盖 2）功能多、精度高 为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。 3）实时定位 4）定位精度高 5）操作简便 GPS测量的自动化程度很高，且接收机质量轻、体积小。 6）全天候作业 目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天

25、黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。 7）功能多、应用广 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。4. GPS定位原理定位原理 GPS是由27颗美国国防部发射的导航卫星组成的无线电导航系统，由卫星、地面站、接收机三部分组成。在地面上，只要用一部GPS接收机测出3-4颗卫星信号到达本接收机的时间，就可准确推算出接收机所在

26、地（可以是地面或天上任何位置）的经纬度、海拔高度、时间、运动速度等数据。GPS卫星发射两种频率的载波信号，即： L1载波：频率为1575.42MHz，波长 19.03cm； L2载波：频率为1227.60HMz，波长 24.42cm 在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有： （1）C/A码 C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码）。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。 （2）P码 P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的

27、Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。（2）P码 P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。（3）Y码 导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。（1）标准定位服务(SPSStandard Positioning Service)，（2）精

28、密定位服务(PPSPrecision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供 （3）SPS主要面向全世界的民用用户。 （4）PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。 GPS在汽车导航和交通管理中的应用在汽车导航和交通管理中的应用 车辆跟踪 、提供出行路线的规划和导航、信息查询、话务指挥、紧急援助 GPS在公安和交通管理中的应用在公安和交通管理中的应用 GPS在物流运输中的应用在物流运输中的应用 交通流诱导系统： 实时交通状况、最优化路径计算等与时间变量相关。基于现代通信技术的动态路径诱导系统（Dynamic Route Guid

29、ance System) 产生了。 动态交通诱导系统的组成部分： （1）交通信息中心 （2）通信系统 （3）车载诱导单元 利用GPS、电子交通地图（Electric Map of Traffic Network、计算机和先进的通信技术，使得车载计算机能够自动地显示车辆位置、交通网络图和道路交通状况，为驾驶员找到从当前位置到目的地的最优化行驶路线，并协助出行者到达生疏地点。 车内诱导系统：实时交通信息传输于个别车辆和信息中心之间，车辆上安装有定位装置、信息接收装置和路径优化装置。诱导对象为单个车辆，也称个别车辆诱导系统。发达国家目前主要采用该系统，但造价较高。 车外诱导系统：交通信息是在车流检测

30、器、信息中心和可变情报板之间传输，诱导对象是车流群，也称群体车辆诱导系统。该系统一般适用于高速公路或路段较长的城市交通流的诱导。 车辆定位模块、通信模块、驾驶员决策支持系统车辆定位模块、通信模块、驾驶员决策支持系统 车辆定位模块功能：跟踪车辆在路网中的位置。 通信模块功能：负责完成车辆和交通信息中心的数据交换。广泛采用的通信方式：射频通信（无线电广播通信）、红外通信、微波通信和蜂窝移动电话通信等。 驾驶员决策支持系统功能：进行最优路径的计算，路径引导信息和其它信息的显示。城市交通诱导系统结构框架城市交通诱导系统结构框架 城市交通诱导系统包括： 交通流信息采集与处理子系统 车辆定位子系统 交通信

31、息服务子系统 行车路线优化子系统交通流信息采集与处理子系统交通流信息采集与处理子系统 交通流信息主要是通过交通控制系统实现的，城市安装交通流量检测系统是实现交通流诱导的前提条件。该系统涉及4个方面的内容： 交通信息检测： 可以利用交通信号控制系统的交通流量检测信息。 交通流信息的转换与传送： 把从交通控制系统获得的网络交通流信息进行处理并传送到交通流诱导主机。 滚动式预测网络中各路段的交通流量和运行时间 建立能够综合反映多种因素的路阻函数，确定各路段的出行费用，为诱导提供依据。车辆定位子系统车辆定位子系统 车辆定位子系统的功能是确定车辆在路网中的确切位置，其主要研究内容包括：建立一套差分的理论模型和应用技术，即讨论如何根据基准台所测出的测差来修正车载台的误差，从而达到提高定位精度的目的。 设计系统的通信网络，其中包括信号的编码、发射和接收以及信号的调制和调解等问题。 研究系统的电子地图的制作方法和实现技术 建立一套故障自诊断体系，以保证在系统发生故障或信号在传输中出现较大误差时，也能准确地确定车辆的位置。交通信息服务子系统交通信息服务子系统 该系统是交通流诱导系统的主要组成部分，它可以把主机运算出来的动态交通