智能交通系统

1、智能运输系统一、智能运输系统的产生及发展1、日益严重的交通问题美国德州运输研究所研究美国39个主要城市，估算每年因交通阻塞而造成的经济损失约为410亿美元，12个大城市每年的损失均超过10亿美元；预测到2020年，因事故造成的经济损失每年将超过1500亿美元。北京市2003年的统计，全市一氧化碳污染中的63.36%,碳氢化合物污染中的73.54%,氮氧化物污染中的35.19%，均来自汽车排放的尾气；北京市统计局2003年11月发布的调查结果显示，在接受调查的两千户居民中，有六成以上的人每天上下班经常遇到堵车状况。 智能运输系统美国1976年1997年，每年车辆的总里程以77%的速度上升，而同期

2、道路建设里程的增长速度仅仅为2%，靠单纯的路网基础设施建设远远不能满足交通量的增长。智能交通系统（ITS）逐渐发展起来，成为解决交通问题的必有之路2、智能交通系统的定义目前，美，日，欧三大阵营，美国处于领先地位。智能交通系统目前尚无统一的、严格的定义，一方面是因为，不同的研究者从不同的角度考虑，对智能交通系统的认识不同；另一方面，智能交通系统本身正处于迅速发展时期，其内涵和外延都处于变化之中。智能运输系统ITS美国的网站上对ITS的定义智能交通系统，是由一系列以有线和无线为基础的信息、控制和电子技术构成。当将这些技术集成到交通系统基础设施和车内时，这些技术帮助监视和管理交通流、减少拥挤、为出行

3、者提供可选路线、提高生产性、保障安全、节约时间和费用。智能交通向职业交通工程师提供收集、分析和归档管理交通高峰时间系统性能相关数据的工具。有了这些数据，就能够提高交通管理运营者对交通事件、恶劣气候或其他容量限制事件的应对能力。智能运输系统中国智能交通系统体系框架研究报告中对智能交通系统给出了如下定义：在较完善的基础设施（包括道路、港口、机场和通信等）之上，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术和系统综合技术有效地集成，并应用于地面运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的、实时、准确、高效的运输系统10。 智能运输系统智能运输系统3、国外ITS的研究历程（1）美国20世纪60年代，美国进行

4、了电子路径诱导系统研究（Electronic Route Guidance System，ERGS）。80年代中期，加利福尼亚交通部门研究的PATHFINDER系统获得成功，美国才开始大力发展智能交通系统，在全国展开了智能化车辆道路系统（Intelligent Vehicle-Highway System，IVHS）方面的研究。1990年美国运输部成立了智能车辆道路系统组织（IVHS）。1991年美国国会通过了“综合地面运输效率法案”（Integrated Surface Transportation Efficiency Act，ISTEA），又称“冰茶法案”，把开发研究智能化车辆道路系统作

5、为国策并给予充足的财政支持。1992年由美国运输部、联邦顾问委员会和全国智能交通系统联合制定了“智能交通系统”发展战略计划。1993年，美国交通部正式启动了ITS体系框架开发计划，目的是开发国家ITS体系框架，用来指导ITS产品和服务的配置。1994年IVHS更名为ITS America（Intelligent Transportation Society of America），这是一个非盈利性组织，主要宗旨是帮助并加速智能运输系统在政府和民间企业的发展，协会成员来自民间企业、学术单位、环保团体及各级政府相关单位，参与面十分广泛，从而有力地促进了美国智能运输系统研究的发展。1995年2月，美

6、国开始开发统一的国家ITS体系框架（National Architecture for ITS）。智能运输系统1997年1月，美国运输部公布了美国国家ITS框架，即第一版。1998年又公布了修订后的第二版国家ITS体系框架。1999年公布了第三版国家ITS体系框架。2003年公布的ITS框架，包括8个基本体系，33个用户服务功能，85个市场包。 目前，美国在智能公共交通领域独树一帜，己建立起相对完善的车队管理、公交出行信息、电子收费和交通需求管理技术等四大系统及多个子系统及技术规范标准。智能运输系统（2）日本日本ITS研究的一个显著特点就是政府的各部门共同参与，密切合作，在官民协力的基础上共同

7、推进ITS的研究和开发。1973年日本国际贸易和工业省开始了“车辆综合交通控制系统”（Comprehensive Automobile Control System，CACS）的研究，这被认为是日本最早的ITS项目。1984年开始，在日本建设省的主持下开始了“路车间通信系统”（Road Automobile Communication，RACS）的研究。1987年开始，日本警视厅主持下成立了“先进的车辆交通信息与通信系统”（Advanced Mobile Traffic Information and Communication System，AMTICS）研究小组，开展对AMTICS的研究。

8、智能运输系统智能运输系统1991年日本政府组织了包括警视厅、通产省、运输省、邮政省和建设省，以及一些学术团体和个体企业，集中RACS和AMTICS的成果，开始研发“车辆信息与通信系统”（Vehicle Information and Communication System，VICS）。同时，警视厅也于1991年，在AMTICS的基础上开发了“新交通管理系统”（Universal Traffic Management System，UTMS）。1994年日本成立了“智能型车辆道路及交通协会”（Vehicle Road and Traffic Intelligent Society，VERTIS

9、），其主要工作是推动ITS的开发和研究，于各企业及学术机构间联合和协调一些技术上的问题，以及支持ITS的相关标准化活动等。智能运输系统日本的ITS推动委员会由政府的5个部门于1993年组成，该组织于1995年制定了推动日本ITS发展的基本原则和方针，并于1996年完成了日本综合发展规划，作为日本发展ITS的蓝图。 目前日本的ITS研究与应用开发工作主要围绕汽车信息和通信系统VIC、不停车收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）和先进道路支援系统（Advanced Highway System，AHS）三个方面进行。 此外，日本还积极展开了自动高速公路AHS的研究

10、。智能运输系统（3）欧盟此外，在1991年末由欧洲各成员国的相关制造业、汽车业、通讯业，以及学术、研究机构和政府部门共同成立了“欧洲道路交通通信技术应用促进组织”（European Road Transport Telematics Implementation Coordination Organization，ERTICO），该组织负责监督和协调欧洲ITS研究、发展和实施。近年来，欧盟委员会推进的以实现多方式信息服务为目的横贯欧洲的交通信息服务网络，这是欧洲ITS持续发展的关键（4）中国我国智能交通系统的研究起步较晚，20世纪80年代后期，我国开始ITS的基础性研究工作，主要包括优化道路交

11、通管理、交通信息采集、驾驶员考试系统、车辆动态识别等。从90年代开始，中国政府的有关部门对ITS的研究发展逐渐给予了高度的重视。1997年我国召开了“97北京智能交通系统发展趋势国际学术研讨会”。1998年，国际标准化组织交通与控制技术委员会ISO/TC204中国委员会正式成立，该委员会的主要任务是积极推进中国ITS的标准化。智能运输系统国家计委在1999年4月的科技立项会议中将ITS列为100个重点科研领域之一，并指出“ITS近期的产业化重点是加快发展先进的交通管理系统、道路交通信息及服务系统、高速公路通信监控及紧急事件处理和救援系统、不停车收费系统”。1999年11月国家科技部批准成立国家

12、智能交通系统工程技术研究中心。该中心的主要目标是以国民经济、行业和市场的需求为导向，针对智能交通系统存在的重大技术问题，对有市场价值的重要应用科技成果进行共性技术、关键技术的后续工程化、产业化及系统集成的研究开发。智能运输系统国家科技部于2000年会同其他相关部门成立了全国ITS协调指导小组及办公室，并成立了ITS专家咨询委员会。同年组织全国交通运输领域专家起草中国智能运输系统体系框架，目前已经完成。目前我国已经建立或正在研究的智能交通系统主要有：交通信号控制系统；交通监视系统；交通管理系统；交通信息动态显示系统；交通诱导系统；交通运输安全报警系统；驾驶员考试系统；交通事故快速勘查系统；电子收

13、费系统等。智能运输系统二、智能交通系统的研究内容1、国外智能交通系统的研究内容 （1）据美国2003年公布的ITS体系，美国ITS研究的主要内容包括8个基本系统、33个用户服务功能，以及85个市场包。如表1.1所示为美国ITS的用户服务领域和服务功能。 （2）日本对ITS的研究主要有：旅行、道路交通、驾驶信息提供系统；自动收费系统；安全驾驶支援系统；交通管理的最优化；道路交通管理高效化；先进的公共交通系统；运营车辆的高效化；行人引导系统；紧急车辆支援系统。智能运输系统（3）欧洲对ITS的研究主要是以车辆的研究开发为主体的PROMETHEUS计划和以道路基础设施为开发主体的DRIVE研究计划。概

14、况起来，欧洲ITS的研究内容主要有：交通管理；出行前信息；行程中信息；车辆控制；货物及车队管理；自动收费。2、我国智能交通系统的研究内容 目前我国已经建立或正在研究的智能交通系统主要有：交通信号控制系统；交通监视系统；交通管理系统；交通信息动态显示系统；交通诱导系统；交通运输安全报警系统；驾驶员考试系统；交通事故快速勘查系统；电子收费系统等。智能运输系统智能运输系统服务领域服务服务（英文）出行和交通管理出行前信息Pre-Trip Travel Information途中驾驶员信息En-Route Driver Information线路诱导Route Guidance合乘与预约Ride Mat

15、ching and Reservation出行者服务信息Traveler Services Information交通控制Traffic Control事件管理Incident Management出行需求管理Travel Demand Management尾气排放检测与减轻Emissions Testing and Mitigation公路铁路交叉口Highway-Rail Intersection公共交通管理公共交通管理Public Transportation Management途中公交信息En-Route Transit Information个性化公共交通Personalized

16、Public Transit公交出行安全Public Travel Security电子付费电子付费服务Electronic Payment Services美国ITS的用户服务领域和服务功能智能运输系统商用车运营商用车电子通关Commercial Vehicle Electronic Clearance自动路侧安全检测Automated Roadside Safety Inspection车载安全监视On-Board Safety and Security Monitoring商用车辆管理Commercial Vehicle Administrative Processes危险品安全和事件响

17、应Hazardous Material Security and Incident Response商用车队管理Freight Mobility紧急事件管理紧急事件通告与个人安全Emergency Notification and personal Security紧急车辆管理Emergency Vehicle Management事故的响应和评估Disaster Response and Evacuation先进的车辆安全系统纵向避撞Longitudinal Collision Avoidance横向避撞Lateral Collision Avoidance交叉口避撞Intersection

18、 Collision Avoidance视觉强化避撞Vision Enhancement for Crash Avoidance安全准备Safety Readiness碰撞前措施实施Pre-Crash Restraint Deployment自动车辆控制Automated Vehicle Operation信息管理存档数据管理Archived Data Function维护和建设管理维护和建设运营管理Maintenance and Construction Operations智能运输系统三、智能交通系统的技术计算机网络通信技术 传感器技术显示技术 人工智能 自动车辆定位自动车辆识别地理信息系

19、统 集成电路卡 IC卡技术ITS主要的子系统：定位导航系统交通流诱导系统交通通信系统电子收费系统自动驾驶系统智能运输系统四、卫星定位技术 目前世界范围内的卫星导航系统：名称GPSGLONASS（格洛纳斯）伽利略双星国家美国俄罗斯欧洲，中国参与中国比较最为完善，24星，10-100米经济原因，用户少，24星（8），1.5米内（ 16米）计划中，30 卫星27工作，1米2000年北斗一代，20米以上，不能在高速的载体。2007年二代，需35颗，10米，屡出故障，失控。已经发射6颗，实现难度较大智能运输系统1、卫星定位的发端卫星定位是从空间技术发展而来。多普勒曲线 接收机接收到的频率与卫星发射频率间

20、的关系：fr=f0+fd=f0+f0*(vr/c)多普勒效应：声波（彩超），光波（电磁波）卫星轨道与多普勒曲线一一对应卫星轨道一定，则多普勒曲线不同，据此可以进行定位1957年10月4号，前苏联发射了第一颗人造卫星，宣告空间科学发展跨入了一个新的时代，也使得电子导航技术的发展进入了一个崭新的时代。第一颗卫星发射升空后，引起世界关注，许多国家都观测该卫星，霍布金斯大学应用物理研究室发现可以利用无线电设备对卫星的运行轨道进行观测（测轨）。智能运输系统2、第一代卫星定位导航系统第一颗卫星发射后，战略武器和运载工具（核潜艇和战略轰炸机）的发展，出现潜艇定位及发射定位问题，促进导航技术的进一步发展。（1

21、）海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS）为提高海军潜艇定位问题，1958年12月30日，US Navy与APL达成协议 1964年1月宣布投入使用，用于北极星号核潜艇的导航定位 1967年1月宣布兼供民用该系统的每颗卫星以150MHz和400MHz两个频率发射1-5W的连续波信号系统由三个部分组成：空间部分、地面部分和用户导航接收机采用测量卫星信号多普勒频移的方法实现定位导航智能运输系统该系统的特点全天候、全球性、高精度：可以使得精度达到几百米或几十米。定点定位时间长、对用户的运动敏感，主要用于低动态用户。用途主要为核潜艇及各种舰船提供连

22、续二维定位 民用：远洋船舰、大地测量、地下资源的勘探和检测、卫星精密授时、航天器轨道测量等 。子午卫星星座子午卫星智能运输系统（2）奇卡达（Tsicoda）60年代中期由苏联研制78年苏联宣布拥有了全球导航系统（3）中国 我们国家于68年提出，69年1月开始实时，当时叫691工程，77年完成，但只是空间部分，卫星没有发射，资金不足，技术上也存在一些困难。智能运输系统3、第二代卫星定位导航系统、（1）GPS 1973年美国国防部批准陆海空联合研制第二代卫星导航系统，其全称为授时与测距导航系统（NAVSTAR GPSNavigation system timing and ranging Glob

23、al positioning system ，简称为GPS。为此美国专门成立了一个负责实时GPS计划的联合办公室：海军、空军、国防制图局、交通部等。 7477年，概念论证； 7880年，实验测试和局部使用； 8185年，全面实施和开发应用。实际上直到93年12月才完成。智能运输系统 GPS民用的问题1价格问题：几万几千几百美圆2精度问题：码制民用码：C/A码（粗测码）精度为20-30或10多米军用码：P码（精测码）精度10米以下SA措施 （Selected Availability）担心受到威胁，而采用的SA措施；变坏系统的时空基准，使得精度为100米或更差；并从1991年7月1日开始，全部在

24、轨卫星实施SA技术 DGPS（Differential GPS）:但距离只能在300km内，否则误差大美国于2000年5月1日凌晨取消了SA政策。3控制问题：美国军方控制（2）GLONASS前苏联研制的第二代卫星导航系统Global Navigation Satellite System，从1978年开始到1994年建成。其功能类似GPS系统，亦是一全球性、全天候24小时使用之定位系统。与GPS系统同为24颗卫星，但只有三个轨道面，而GPS为6个轨道面。智能运输系统智能运输系统（3）我们国家的卫星导航系统 8085年进行讨论阶段86年开始第二代的研究，名称“双星快速定位通信系统”两颗北斗导航试

25、验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道 2003年5月25日零时34分，在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空，此为一颗备用卫星，标志着我国拥有了自己的卫星导航系统BD1。“北斗一号”的覆盖范围是北纬5一55，东经70一140之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35左右。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。 智能运输系统与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD1有自己的优点：投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快

26、等；存在着明显的不足和差距：如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等 智能运输系统（4）伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统 2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统 Galileo系统。 Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56。 Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。确定了伽利略的最终方案，分两个阶

27、段实施，即2008年至2013年的建设阶段和2013年以后的运行阶段。欧盟将在建设阶段出资34亿欧元，用于完成伽利略计划的基础设施建设，其中包括30颗卫星的发射。 智能运输系统4、GPS卫星定位导航系统（1）GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分 智能运输系统（2）GPS的空间部分卫星星座6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55 周期11h 58min设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗 智能运输系统 GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（

28、测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置 智能运输系统（3）地面监控部分 （Ground Segment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统 智能运输系统（4）用户部分组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备 智能运输系统（5）GPS定位的基本原理卫星发射信号的时间为t1，接收机收到信号的时间为t2,则t=t2-t1 =ct 其中为星站距离，由接收机测得。因卫星钟很精确，而接收机钟有误差t，故

29、=ct+c t在地面任一点最少可观测4颗卫星，得4个距离，解4个未知数x , y , z , t。观测四颗卫星，列出四个方程式： 智能运输系统 GPS定位原理图 智能运输系统五、车辆导航原理与技术1、车辆定位导航系统的定义在路网数字化地图的基础上（GIS），运用GPS、DR（航位推算系统 ）等定位技术进行车辆定位，确定最优行驶路线，为出行者提供静态或实时的最优出行线路信息，并在出行过程中做出路线引导。 智能运输系统2、车辆定位系统的发展（1）车辆定位导航系统的概念起始于20世纪70年代末，当时采用航迹推算地图匹配技术实现车辆的定位与导航。航迹推算系统由里程仪、磁罗盘、速率陀螺、微处理器组成，该

30、推算系统的误差由地图匹配进行校正。代表系统有：80年代欧洲“CITY PILOT”定位推算系统、美国Etack导航器、荷兰的“CARIN”系统、英国的“Autoguide”车辆导航系统，这些称为第一代车辆定位导航系统。第一代系统由于受到地图精度、微处理器运算效率和成本影响，这种导航系统误差大，实时性差；但为研究下一代导航系统做了基础。 智能运输系统（2）90年代，计算机技术和通信技术发展，车辆定位导航系统真正进入实用阶段。特别是GPS系统的建立，提供了全球、全天候、廉价、实用的定位手段，使得车辆定位导航系统进入高潮。1995年，美国oldsmobile公司推出guidestar车辆定位导航系统

31、，该系统采用GPSMM（Map Matching）组合导航，精度提高，实用性提高。类似系统还有：法国的CARMINAT导航系统，美国的TRAVTEK系统，日本的SUMTOMO，这些为第二代车辆导航系统。该代的特点：精度提高，都是用GPS组合导航技术。 智能运输系统（3）发展趋势GPS成本低、精度高、便携式、低功耗、易于和其他传感器、通讯设备相连接等特点，以其为主导构成的车辆定位导航系统几乎占据了全部市场。GPS存在缺点：定位信号由于隧道、桥梁、树木、高大建筑物等障碍的遮挡中断；墙体和山体侧面会造成多路径效应，导致定位存在偏差；GPS在地下、楼房里面等无法使用。组合定位技术是发展的趋势：提高GPS的精度：消除SA误差，采用双频校正，差分定位。提高惯性传感器的精度：航迹推算系统的主要器件，微机械陀螺。建立更优的地图匹