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类型2016中国人工智能系列白皮书——智能交通(79页).pdf

  • 上传人:理理
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  • 上传时间:2016-12-02
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    中国 人工智能 学会 2016 系列 白皮书 智能 交通 79
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    1、 中国中国人工智能系列人工智能系列白皮书白皮书 -智能交通智能交通 中国中国人工智能学会人工智能学会 二二一一六六年年九九月月 目 录 第 1 章 引言. 1 第 2 章 智能交通系统概述 . 3 2.1 智能交通系统起源 . 3 2.2 智能交通系统内涵 . 4 2.3 智能交通系统关键技术 . 10 2.3.1 交通信息采集技术 . 11 2.3.2 交通信息预处理技术 . 13 2.3.3 交通信息传输技术 . 15 2.3.4 交通信息发布技术 . 17 2.3.5 交通地理信息系统 . 18 第 3 章 智能交通系统发展历程 . 22 3.1 美国智能交通系统发展历程 . 22 3.

    2、2 欧洲智能交通系统发展历程 . 27 3.3 日本智能交通系统发展历程 . 33 3.4 中国智能交通系统发展历程 . 38 第 4 章 智能交通系统发展趋势 . 46 4.1 总体趋势 . 46 4.2 车路协同技术动态 . 49 4.2.1 技术概述 . 49 4.2.2 国内外最新进展及应用 . 50 4.2.3 车路协同发展趋势 . 59 4.3 智能车辆发展趋势 . 60 4.3.1 技术概述 . 61 1 4.3.2 国内外最新进展及应用 . 63 4.3.3 智能车发展趋势 . 66 第 5 章 结束语 . 70 参考文献 . 74 2 第 1 章 引言 交通是人类社会实现人和

    3、物空间位移的最重要的方式之一, 是社会体系中的重要组成部分。随着全球经济的发展,社会对交通运输的需求持续增长,交通运输业得到迅速发展。在道路交通发展的同时,也带来了交通事故频发、交通污染严重、交通拥堵等严重的问题。 智能交通系统作为一种将先进的信息技术、 通讯技术、 传感技术、控制技术及计算机技术等有效率地集成运用于整个交通运输管理体系,而建立起的一种在大范围内及全方位发挥作用的,实时、准确及高效率的综合的运输和管理系统。其是解决交通供需矛盾、减少事故和改善环境污染的重要途径,也是实现创新型交通系统的具体形式。 智能交通系统作为国内外共同追求的未来交通的发展方向, 我国无论在智能交通系统的基础

    4、研究和技术实现, 还是人才培养和知识更新等诸方面, 都始终得到了学者、 企业家和政府管理人员的极大关注,他们从不同角度共同推动我国智能交通系统的探索与发展。 我国的智能交通经过10多年的发展,部分技术逐步成熟,如交通监如交通监控系统、动态导航系统、电子收费系统,这些系统在我国控系统、动态导航系统、电子收费系统,这些系统在我国一线城市一线城市得得到广泛应用到广泛应用,积累了丰富的建设经验积累了丰富的建设经验,为中国智能交通系统的全面提升为中国智能交通系统的全面提升奠定了坚实的基础。奠定了坚实的基础。近五年来,道路交通智能化发展的同时,综合交通运输领域智能化系统的建设和发展也正在得到广泛关注和重视

    5、。 除了除了道路智能交通系统广泛应用外,水运、道路智能交通系统广泛应用外,水运、铁路、民航等行业的智能交通铁路、民航等行业的智能交通市场市场也也得到得到了了快速发展。快速发展。 未来未来智能交通智能交通的的发展发展趋势将集中在:趋势将集中在: (1)交通信息采集、处理和)交通信息采集、处理和发布技术将快速发展; (发布技术将快速发展; (2)多种信息、管理)多种信息、管理平台协同技术是交通智能平台协同技术是交通智能化的手段; (化的手段; (3)交通安全成为关注的焦点; ()交通安全成为关注的焦点; (4)车载系统与道路设施)车载系统与道路设施的协调配合受到重视; (的协调配合受到重视; (5

    6、)综合交通运输协同技术受到关注和重视;)综合交通运输协同技术受到关注和重视;(6)车路协同与智能汽车技术是近年的发展热点。)车路协同与智能汽车技术是近年的发展热点。 1 我国已经在智能交通领域取得了一定的成果, 目前正处于智能交我国已经在智能交通领域取得了一定的成果, 目前正处于智能交通发展的关键时期,通发展的关键时期,建议: (建议: (1)加强智能交通系统体系框架、大数据)加强智能交通系统体系框架、大数据挖掘等交叉理论的基础研究; (挖掘等交叉理论的基础研究; (2) 进一步推动智能交通国家标准的制) 进一步推动智能交通国家标准的制定及宣贯; (定及宣贯; (3)注重智能交通核心技术的开发

    7、及产业化应用; ()注重智能交通核心技术的开发及产业化应用; (4)加)加强对水运、铁路、航空智能交通的支持。强对水运、铁路、航空智能交通的支持。 智能交通系统体系庞杂、 内容丰富, 从智能交通的服务领域分类,包括智能交通管理与规划、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、自动公路等;从智能交通系统的组成分类,包括交通信息采集与融合、智能交通监控与管理、交通信号智能控制、交通信息服务、先进车辆系统及智能车等内容。限于篇幅,本白皮书仅仅包括智能交通系统的概念、关键技术、世界主要国家智能交通发展历程、 智能交通发展现状和趋势及对我国智能交通发展的建议等内容。如

    8、要了解智能交通系统的详细内容,可以参考相关教材和专著。 本白皮书是在收集国内外智能交通系统近年来最新成果的基础上, 结合智能交通行业实践而编写的。 编写过程中,参考了国内外从事智能交通系统研究工作者的有关资料, 在此一并表示感谢。 2 第 2 章 智能交通系统概述 2.1 智能交通系统起源 随着全球经济的发展,社会对交通运输的需求持续增长,交通运输业得到迅速发展。 世界发达国家和地区从 20 世纪 50 年代起大力发展道路基础设施和汽车工业,促进了道路交通的飞速发展。在道路交通发展的同时,也带来了交通事故频发、交通污染严重、交通拥堵等严重的问题。在各种交通方式中,汽车消耗的不可再生能源最多,由

    9、此带来的环境污染是其他交通方式的几十倍。 交通事故中由道路交通造成的事故也是其他方式的几十倍。 交通拥堵更是道路交通特别是城市道路交通特有的现象。 交通基础设施的增加依然不能满足交通运输量的增加,道路交通问题成为困扰世界各国的交通难题。 从事交通工程研究的人员很早就想到通过提高车辆、 道路的智能来改善交通系统。如果能够及时地检测到交叉路口的车流信息,并动态显示控制策略,则路口的通行能力将大大提高。研究发现,在交通高峰期,城市道路系统和高速公路系统并不是全都发生交通拥堵,有相当一部分道路仍然很畅通。 如果能够及时地将道路网的交通信息告诉驾驶员,并提示他们合理使用那些路段,则道路网的资源就可以得到

    10、充分利用。如果汽车能够实时检测周围信息,并能正确地做出决策甚至全自动驾驶,则交通事故将大大减少,而效率会大大提高。这种想法在 20 世纪的 6070 年代就已经提出。 但如何采集交叉路口的车流信息?用什么算法来处理这些信息以得到合理的控制策略?如何采集主要道路上的实时交通状况数据?如何传输和处理这些数据?如何将信息传给交通的参与者?汽车如何实时检测周围信息?汽车如何处理这些数据后做出正确的决策?汽车如何来执行所做出的决策?这些问题都成为当时交通工程研究者的难题。 3 按照这些想法, 人们试图让交通系统具有智能化而开展了大量的工作。从国际上智能交通系统的发展历史来看,各国普遍认为起步于20 世纪

    11、 60-70 年代的交通管理计算机化就是智能交通系统 (Intelligent Transportation Systems,ITS)的萌芽。 什么是智能交通系统?要理解智能交通系统,先要理解智能。智能是指事物能认识、辨析、判断处理和发明创造的能力。工程中的很多系统或产品都具有某种智能,可以称为人工智能系统。人工智能系统就是用传感器、CPU 和执行机构来分别模拟人的五官、大脑和四肢。智能交通系统广义上说也是一种人工智能系统,是用交通类的传感器、带有交通知识的 CPU 和能执行交通功能的执行机构模拟人的五官、大脑和四肢,达到交通智能化的目的。以智能红绿灯为例来看人的智能、人工智能和智能红绿灯之间

    12、的对应关系,如图 2-1 所示。 五官:五官: 收集信息 大脑:大脑: 融合信息,做出决策 四肢:四肢:执行决策 人的智能人的智能 传感器:传感器: 收集信息 CPU:融合信息,做出决策 执行机构:执行机构: 执行决策 人工人工智能智能 交通流量传感器:交通流量传感器: 收集交通流量信息 红绿灯红绿灯 CPU: 融合交通信息,算出相位 交通信号机:交通信号机: 按计算结果显示相位 智能智能红绿灯红绿灯 图图 2-1 人的智能、人工智能和智能红绿灯之间的对应关系图人的智能、人工智能和智能红绿灯之间的对应关系图 目前,关于智能交通系统,比较认可的定义是:将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技

    13、术及计算机技术等有效率地集成运用于整个交通运输管理体系, 而建立起的一种在大范围内及全方位发挥作用的,实时、准确及高效率的综合的运输和管理系统。 2.2 智能交通系统内涵 交通系统的基本要素是人、车、路和环境。人本身是智能的,但4 人在感知和执行方面存在缺陷,如光线不好的情况下视距不够,人在疲劳和分神时的反应能力不够等。如果能增强人在这些方面的能力,同时使车、路和环境也都智能化,那么交通系统的所有要素都是智能的了。ITS 的所有要素都应该是智能的,ITS 与传统概念的交通系统之间的差别在于增强人的感知能力和执行能力及交通工具、 环境的智能化。 ITS 的内涵是逐步扩大的,这里可以从 ITS 的

    14、一些特点和属性探讨 ITS 的内涵。 (1)先进性 无论是美国、 欧洲还是日本, 他们在 ITS 的概念还没有形成之前,就在寻求用诸如远程通讯、计算机、电子技术等现代先进技术来改造和武装交通系统,用先进的理论方法来改善交通系统的管理和运营。美国提出的 ITS 子系统更是明确地在名称上加上“先进的(Advanced) ” 的定语。 “先进性” 是一个模糊的概念, 从总体上来讲,先进性应该是用近几年新出现的一些技术来开发的产品和系统。 (2)综合性 ITS 涉及的关键技术包括:信息技术、通讯技术、计算机技术、电子技术、交通工程、系统理论、控制理论、人工智能、知识工程等。可以说,ITS 是这些技术的

    15、交叉和综合,是这些技术在交通系统中的集成应用。 (3)信息化 人们通过各种手段来获取交通系统的状态信息, 为交通系统的用户和管理者提供及时有用的信息, 只有具有了信息, 才能实现智能化。而且,当交通信息达到一定的程度,就会改变交通出行行为、交通管理方式等,进而引起传统交通理论的改变。因此,信息化是 ITS 的基础。 5 (4)智能化 智能这个词的使用越来越广泛,研究智能的人越来越多,智能技术的应用也越来越多。智能机器人、智能仪器仪表、智能楼宇等名词频繁出现。产品的智能化给众多传统技术带来了生机和活力,其中也包括智能交通系统。智能交通系统与传统的交通相比,其在智能化上有其突出的特点,通过大量的数

    16、据采集、模式识别算法以及通行技术的支持,能够满足传统交通中大量的信息化智能处理需求,大大提高工作效率的同时,也能够保证形成安全,能够提升交通感知智能化水平,构建网络化的交通状态感知体系,提高交通信息资源的综合利用水平。尤其是近年来的智能车、智能公路系统等很多子系统正是因为实现了智能化,才体现出与传统交通系统的差别。电子收费系统(Electronic Toll Collection,ETC)就是一个典型的例子。传统的道路收费系统设立收费站,车辆经过收费站停车、手工交现金,车辆要排队,而且不利于统计。而电子收费系统使用电子结算、车辆自动识别技术、微波通信技术等,可以做到不停车的自动收费,既节约了时

    17、间,又提高了准确性,还能提供交通流量统计数据等信息,体现出了智能性。再比如自动公路系统(Automated Highway System,AHS) ,可以实现车辆全自动驾驶, 驾驶员一旦进入到系统, 只要输入目的地,就可以安全快捷地到达,体现出了较高的智能性。 ITS的实质就是利用高新技术对传统的交通运输系统进行改造从而形成一种信息化、智能化、社会化的新型交通运输系统。它使交通基础设施能发挥出最大的效能,提高服务质量,使社会能够最有效地使用有限的道路交通设施和资源, 同时推动与之相关的通讯、 计算机、网络等产业的发展,从而获得巨大的经济效益和社会效益。 目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同,

    18、 但不论从何角度出发,有一点是共同的:ITS 是用各种高新技术,特别是电子信息技术6 来提高交通效率,增加交通安全性和改善环境保护的技术经济系统。因此,智能交通系统是在较完善的交通基础设施之上,将先进的信息技术、 通信技术、 控制技术、 传感器技术和系统综合技术有效地集成,并应用于地面交通系统, 从而建立起来的大范围内发挥作用的, 实时、准确、高效的交通运输系统。 (5)智能交通系统的建设模式 美国注重美国注重 ITS 安全设施的建设安全设施的建设 目前, 美国在 ITS 领域独树一帜, 根据本国的交通基础设施特点和实际需要, 已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等

    19、四大系统及多个子系统和技术规范标准。 其中建设和发展较快的分别是: 车辆安全系统 ( 占 51% ) 、电子收费 ( 占37% ) 、公路及车辆管理系统 ( 占 28% ) 、实时自动定位系统 ( 占20% ) 、商业车辆管理系统 ( 占 14% ) 。 “911”恐怖事件引发了美国政府和交通界人士的反思, 认为 ITS 应该而且能够有效预防恐怖袭击, 加强基础设施和出行者的安全, 并可以用于评价灾难的程度和加快 交通的恢复,实现快速疏散和隔离。因此, 美国 ITS 今后的建设趋势之一就是研究 ITS 在美国安全体系中维护地面交通安全的作用, 重点将集中在安全防御、用户服务、系统性能和交通安全

    20、管理方面。 日本注重日本注重 ITS 诱导设施的建设诱导设施的建设 在日本, 建设省组织了以丰田公司为首的 25 家公司联合研究开发自动公路系统 ( AHS) 。 近几年, 日本还投入 15 亿日元开发了全国公路电子地图系统, 打开了车辆电子导航市场, 已经有近 400 万套车内导航系统在市场上应用。比如, 针对人多地少、城市道路狭窄、两侧高楼林立形成的城市峡谷对 GPS 信号的遮挡, 日本采用了信标作为信息发布的重要手段, 并开发双向信标设备, 这在世界上独树一帜, 处于先进水平。目前, 日本的 ITS 建设主要集中在交通信息提供、电7 子收费、公共交通、商业车辆管理以及紧急车辆优先等方面。

    21、 欧洲注重欧洲注重 ITS 基础平台的构建基础平台的构建 欧洲在 ITS 建设方面的进展,介于日本和美国之间。日前正在进行 Telematic 的全面应用开发工作, 计划在全欧洲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 和全欧洲无线数据通信网来实现。目前, 重点开发先进的旅行信息系统 ( ATIS) 、车辆控制系统 ( AVCS) 、商业车辆运行系统 ( ACVO) 、电子收费系统等方面。 其他国家 ITS 注重示范工程的建设 韩 国 ITS 示 范 工 程 选 在 光 州市, 预计耗资 100 亿韩

    22、元, 选取了交通感应信号系统、 公交车乘客信息系统、 动态线路引导系统、自动化管理系统、即时播报系统、电子收费系统、停车预报系统、动态侧重系统、 ITS 中心等 9 项内容, 并以此验证 ITS 在韩国的适用性。目前比较普及的是车辆位置跟踪系统 ( AVCS) 、物流、宅送和货 运 ( CVO) 管 理 信 息 系 统 、这些系统能够通过电子地图的控制中心和车辆通过数据通信掌握车辆的位置、货物负荷情况、移动路径等有关信息, 提高车辆的运营效率和减少运营的费用。 马来西亚 ITS 建设集中在以美国硅谷为蓝本的多媒体超级走廊( MSC) , 覆盖区域狭长, 从位于吉隆坡 88 层的国油双峰开始,

    23、南伸至雪邦新国际机场, 达 750 平方公里。 MSC 计划目标是利用兆位光线网络, 把多媒体资讯城、国际机场、新联邦首都等大型基础设施联系起来, 提供世界一流的软硬件设施。 新加坡 ITS 建设集中在先进的城市交通管理系统方面, 该系统除了具有传统功能, 如信号控制、交通检测、交通诱导外, 还包括用电子计费卡控制车流量。在高峰时段和拥挤路段, 还可以自动提高通行费, 尽可能合理地控制道路的使用效率。 8 就我国而言, 在中国 ITS 体系框架研究中涉及到 8 个服务领域, 分别是交通管理与规划、电子收费、出行者信息、车辆安全与辅助驾驶、紧急事件 和安全、 运营管理、综合运输和自动公路。 “十

    24、五”中建设重点集中在国道主干线电子 ( 收费) 系统、现代运营体系和物流体系、高速公路紧急事件管理系统、城市间旅客快速运输管理和信息服务系统、水运综合信息系统、水上交通管制、 事故处理与救援系统、 先进的船舶控制系统、 船舶自动识别系统。 这些系统都借鉴了国外 ITS 建设的经验, 同时也考虑了我国的实际情况。面对我国交通基础设施建设、交通需求以及交通发展目标 的变化,我国新时期 ITS 建设的重点,即“重点开发综合交通运输信息平台和信息资源共享技术,现代物流技术,城市交通管理系统、汽车智能技术和新一代空中交通管理系统。 ”今后,我国的 ITS 建设都要围绕这些重点进行,以满足新时期交通发展的

    25、目标需要。 (6)决策支持 智能交通系统由于其对信息感知方面的优势, 可分别从政府以及个人角度给予决策支持,提高交通系统运行效率。 从政府角度来说; 1) 应用多层次的交通评价技术,通过实时的交通感知评估手段, 可从城市路网运行智能化分析角度给出当前路网的拥堵状态和相关参数,可从交通效率方面进行定性定量评估,分析评价结果,给出决策建议; 2) 可通过交通指数的定时获取和分析,构建交通状态与土地利用、就业岗位等参数间的关系,给城市规划提供决策支持。 针对个人的交通决策支持系统, 它可以给交通管理人员提供交通管理与交通控制措施的有效方案, 并给道路使用者提供路边诱导信息9 及车载信息。通过智能交通

    26、决策支持系统,交通警察可以通过不同的渠道发布交通信息,可以将实时和预测的交通状况上传至互联网地图,也可以将交通信息发布至智能手机和个人导航设备。 2.3 智能交通系统关键技术 智能交通系统是一个汇集了众多高新技术的大系统, 内部又包含了许多子系统,在这些子系统当中,又要用到各种各样的技术,包括传感器技术、信息处理技术、数据库技术、智能控制技术、计算机通讯技术、网络技术以及交通工程学等,只有将这些技术综合应用,才能保证智能交通系统的各个子系统的实现,直至整个系统的实现,从而彻底改变现有的交通运输模式。从系统整体的角度看,智能交通系统可以说是众多技术相结合的体现。 但智能交通系统涉及的这些技术并不

    27、只是简单的合成和堆砌,而是彼此间有着紧密的联系,这种联系体现在以下几个方面: (1)技术的集成性 ITS 将先进的信息、控制、通信与计算机技术和交通工程集成,进而形成智能交通系统中各项特有的技术, 如城市道路和高速公路智能运输控制技术、交通信息采集和融合技术、路径导航及交通信息服务技术、 高速公路联网收费及不停车收费技术、 智能车路协同技术等。 (2)技术的系统性 将智能交通系统的各项技术集成,形成一个有机和完整的系统,首先这些技术手段本身符合系统的特定要求,并有助于实现系统功能;另外系统的技术与技术之间有良好的接口和兼容性,整合到一起能真正实现系统的总体功能和目标。 这是智能交通系统技术系统

    28、性特征的要求。 (3)技术的先进性 10 智能交通系统的技术基础是新兴发展和迅速革新计算机、网络、通信、控制、人工智能等技术,都是现代信息社会当中的先进技术。如何将这些先进技术应用到传统的交通运输系统领域当中, 形成先进的运输管理技术, 是智能交通系统应用和开发研究所要集中解决的问题。 (4)技术的综合性 智能交通系统的定义明确指出要将信息技术、通信技术、自动控制技术、 计算机技术以及网络技术等有效且综合地运用于整个交通运输管理体系,这一方面说明智能交通系统包含了大量的技术,另一方面这些技术还必须综合利用,而不是简单的叠加,技术与技术之间有很好的分工协作, 才能实现一个大范围内、 全方位发挥作

    29、用的、 实时、准确、高效的交通运输综合管理和控制系统。 2.3.1 交通信息采集技术交通信息采集技术 交通信息采集系统是智能交通系统的重要组成部分之一。 通过信息采集系统,可得到反映交通状况的各种实时信息,对这些信息进行合理组织与处理,用户可获取各类所需的对决策有用的信息。本节主要介绍交通信息采集的相关技术,包括交通信息检测技术、浮动车技术、车辆定位技术、气象与道路环境信息采集技术等。 交通信息按照其变化的频率不同可以分为静态交通信息和动态交通信息两大类。 (1)静态交通信息采集技术 静态交通信息主要包括:城市基础地理信息、城市道路网基础信息及交通管理信息。静态交通信息主要采集方法有: 调查法

    30、 采用人工或测量仪器进行调查,可获取城市基础地理信息、城市道路网基础信息。 11 其他系统接入 静态交通信息可从其它部门,如规划部门、城建部门、交通管理部门获得。通过调查获得这些基础信息后,一般采用一次性人工录入的方式存入静态交通信息数据库。只有当实际系统发生变化的时候,才需要对静态交通信息数据库中的数据进行更新。 (2)动态交通信息采集技术 动态交通信息主要包括:交通流状态特征信息(如流量、车速、密度等) 、交通紧急事件信息(各种途径得到的事件信息,如路面检测器信息、人工报告信息等) 、在途车辆及驾驶员的实时信息(如各种车辆定位信息等) 、环境状况信息(如大气状况、污染状况信息等)及交通动态

    31、控制管理信息等。 动态交通信息与静态交通信息显著的不同,主要表现在它的实时性,也就是说,动态交通信息反映的是随时变动的交通状况, 因此, 动态交通信息的采集必需是及时的、 准确的。动态交通信息采集技术包括:交通检测技术、浮动车技术、车辆识别技术和车辆定位技术、气象与道路环境信息采集技术等。 与交通信息采集硬件系统相配套的软件系统主要特点包括: 硬件系统提供的接口适配器,通过 GPRS/CDMA2000/3G 网络,与数据服务器无线连接。也可以通过局域网,与数据服务器连接,传输介质为光纤(另配光纤收发器) 。交通数据存储在数据库服务器中,支持Oracle / SQL Server / MySQL

    32、 数据库。交通数据可以通过 WEB 服务器查看。数据库服务器部署在公安网中,公安网中应用系统和软件访问该数据库。 “数据服务器”将数据存 Internet 储在本地数据库。本地数据库定时将交通数据导出到公安网中的数据库。 与公安网的数据访问,需通过“安全接入平台”在公安网互联网服务区 数据库服务器数据服务器 安全接入平台通过“安全接入平台” 。在该平台中,需配置“开放数据库的服务端口” 。 12 2.3.2 交通信息预处理交通信息预处理技术技术 实时交通数据往往来自分布在各线路上的各种交通参数检测器,各种检测器各有其优缺点, 所能够检测到的交通参数种类和形式可能不相同,而且由于各种误差的存在,

    33、首先必须对各个数据源的数据进行检验,排除数据采集系统中的错误数据。此外,在实际的数据采集中,由于检测器故障、天气状况或通信系统故障等原因所造成的数据丢失,也应采用一定的技术方法对其进行修复或提供替代数据。以上两个步骤构成了交通数据预处理的两个阶段: 异常数据处理和缺失数据处理。 信息处理技术是交通诱导系统的核心部分, 它是把检测器采集的实时交通信息进行相应处理,得出能为诱导系统所用的信息,然后通过各种途径(电台、无线传呼等)传送给道路使用者,指导其选择正确的路径,并最终实现交通流在路网中各个路段上的合理分配。 根据不同需求对数据进行规范化处理分析并提供不同的信息是数据组织处理的一个重要内容。

    34、对不同数据类型应采用不同的处理分析方法,主要包括数据抽取、数据挖掘、信息融合、信息预测等。 (1)数据抽取 由于数据源的多样性和异构性,因此必须进行数据转换和集成,从应用数据库中提取数据,消除不一致的现象,对原有数据进行综合和计算,淘汰一些无用数据,对有效数据作适当调整以后存放在数据仓库中,确保数据的一致性和可用性。 将数据源中数据通过网络进行抽取,并经加工、转换、综合后形成数据库数据, 这就是数据库的数据抽取工作。 在数据库层次结构中,数据抽取工作具有非常重要的地位, 它必须屏蔽底层数据结构的复杂13 性和物理结构的复杂性,同时还要实现对数据仓库中数据的自动刷新,要对数据库的元数据和数据进行

    35、维护。 (2)数据挖掘 数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中,提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。原始数据可以是结构化的,如关系数据库中的数据,也可以是半结构化的,如文本、图形、图像数据;甚至是分布在网络上的异构型数据。发现知识的方法可以是数学的,也可以是非数学的,可以是演绎的,也可以是归纳的。发现了的知识可以被用于信息管理、查询优化、决策支持、过程控制等,还可以用于数据自身的维护。 数据挖掘是实现了多学科技术集成的学科,包括了数据库技术、统计学机器学习、 高性能计算机、 模式识别、 神经网络、 数据可视化、信息检索、图像与信号处理和

    36、空间数据分析等。一个数据挖掘系统不是多项技术的简单组合,而是一个完整的整体,同时它还需要其它辅助技术的支持才能圆满完成。 (3)信息融合 信息融合又称数据融合, 是指多传感器的数据在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和评估而进行的信息处理过程。信息融合技术的最大优势在于它能合理协调多源数据, 并充分综合有用信息,从而提高在多变环境中正确决策的能力。它为交通信息加工和处理提供了一种很好的方法。 20 世纪 60 年代,数据预处理技术开始应用于道路交通监视系统中, 针对环形线圈数据预处理方法的研究主要分为质量问题数据研判与修复两个方面。 问题数据的研判主要是针对道路交通流信息进行有效性的

    37、筛选, 而问题数据的修复旨在通过对时间与空间序列相关数14 据的处理,对存在问题的数据进行修正,使得到的数据更接近道路交通流的实际运行状态。得到的数据更接近道路交通流的实际运行状态。交通信息预处理硬件系统相配套的软件系统主要特点包括:硬件系统提供的接口适配器,在实际应用中,对于线圈检测问题数据的判别规则要求尽量简单清晰, 以方便计算机对实时采集数据信息的筛选与处理, 故一般对于问题数据的研判规则研究多与实际的应用工程相结合, 针对实际的道路交通管理与控制系统应用层面制定详细的判别规则。各种智能交通系统交通采集与处理的应用实例很多,其中最著名的是美国 PeMS (Performance Meas

    38、urement System)系统。质量问题数据的研判与修复是该系统一个非常重要的组成部分, PeMS 系统制定了实时、简单、清晰的丢失和异常数据研判规则,并基于这些规则开发了实时的数据补齐模型、故障环形感应线圈检测模型,以保障数据的健壮性。针对质量问题数据的修补问题,维吉尼亚大学交通研究中心的报告完整地介绍了各种不同的数据恢复方法,并进行了评价。目前的研究中,对于问题数据,常用的处理方法有如下几种:状态删除、平均值填充、多元线性回归、参数估计等方法,另外,相似性分析、相关性分析、最邻近插值、时间序列模型等方法也应用于缺失数据的插补处理。 2.3.3 交通信息传输技术交通信息传输技术 通信网可

    39、由表示用户设备的端点和端点之间的传输线路或者由表示用户设备的端点和起交换作用的转接交换点及他们之间的连接线路组成。这些用户端点和转接交换点就称为结点。通信网中的结点分为终端结点和交换结点,终端结点指各种终端设备,交换结点指各种交换设备。 这样通信网可以定义为由一定数量的结点和连接结点的传输链路相互有机地组合在一起, 以实现两个或多个规定点间信息传15 输的通信体系。通信网可以分为不同的种类,例如:按所传输的信号形式可分为数字网和模拟网;按业务种类可以分为电话网、电报网、数据网、传真网、广播电视网等;按其服务范围可分为本地网、长途网和国际网等;按运营方式可分为通信网和专用通信网,网络的基本结构和

    40、构成要素都是类似的。 (1)通信网的基本结构 通信网的基本结构主要有网状、星状、复合型、总线状和环状五种。 网状网 网状网的网内任何两个结点之间均有线路连接。当结点数增加时,传输线路将迅速增大。 星状网 星状网也称辐射网,将一个结点作为辐射点,该点与其他结点均有线路连接,这种网的辐射点就是转接交换中心。 复合网 复合网由网状网和星状网复合而成,以星状网为基础,在业务量较大的转接交换中心区间采用网状结构。 总线状网 总线状网所有结点都连接在一个公共传输信道总线上。 环状网 环状网是将总线型网的两个端点连接在一起构成的。 通信网的五种基本结构各有优缺点,因此有不同的适应范围。 (2)通信网的构成要

    41、素 通信网是由相互依存、相互制约的许多要素组成的有机整体,用于实现规定的功能。通信网在设备方面的构成要素是终端设备、传输16 链路和交换设备。为使全网协调合理地工作,还要有各种规定,如信令方案、各种协议、网络结构、路由方案、资费制度和质量标准等。终端设备是用户与通信网之间的接口设备, 其主要作用是将待传送的信息和在传输链路上传送的信号进行相互转换,终端设备是信源、信宿和变换器与反变换器中的一部分。 交换设备的基本功能是完成接入交换结点链路的汇集、转接接续和分配,实现一个呼叫终端(用户)和它所要求的另一个或多个用户终端之间的路由选择的连接。 (3)通信网的传输链路方式 传输链路是信息的传输电路或

    42、传输通道, 它对应于通信系统构成模型中的信道及变换设备部分。它不仅包含了具体的传媒媒质,而且包含了发送设备和接收设备。 传输链路方式是指传输链路中的信号变换及传递方式。传输媒质可以分为有线线路和无线线路,有线线路又有架空明线、电缆(包括对称电缆和同轴电缆)和光缆,无线线路可分为短路、微波和卫星。 目前,通信网中传输链路的实现方式主要有: 实现传输链路方式,即用于短距离、以模拟基带信号方式传输的链路; 频分载波传输链路方式; 电缆时分数字传输链路方式,主要是指脉冲、编码调制时分多路复用方式,即 PCM 传输方式; 光缆时分数字传输链路方式;数字微波传输链路。 2.3.4 交通信息发布技术交通信息

    43、发布技术 发布技术可用于公共场所的信息显示,如车站站牌、车内信息显示板;也可以通过大屏幕为管理、决策人员提供信息发布,如在调度中心,有相当一部分信息需要及时、快捷、直观地提供给生产调度人员和经营人员,大屏幕为及时、快捷、直观地反映这些信息提供了有17 效的手段。交通信息发布系统的功能如下: 监控现场情况; 规划辅助设计系统动态模拟显示; 企业经营管理有关信息的显示; 显示特定的信息(如欢迎贵宾访问公司信息、重要新闻发布、业务演示和宣传等) 。 对大屏幕交通信息发布系统的要求如下: 能够清晰地显示电子地图信息(城市街道图) ; 能够清晰地显示行驶在街道上的运营车辆; 能够按要求任意缩放、组合、切

    44、换显示内容; 能够显示管理信息系统所支持的数据、表格及图形; 可扩展与监控系统连接,能够实时显示监控的图像信息。 2.3.5 交通地理信息系统交通地理信息系统 近年来, GIS 技术应用得到空前的发展, 其应用领域由自动制图、资源管理、土地利用等,发展到与地理相关的交通、邮电、军事等各个领域。交通 GIS 是 GIS 重要的一个分支。交通 GIS 是建立在各种交通运输网络基础上,通过数据库与空间分析相结合的方法,描述交通运输网络和网上运输流, 并反映运输网络所存在的问题。 交通规划、预测等模型与 GIS 结合, 使之成为交通辅助决策支持系统。 目前交通GIS 可应用在交通运输规划管理与设计部门

    45、,且在智能交通系统的集成中起着重要作用。 (1)交通地理信息系统的定义 交 通 地 理 信 息 系 统 (Geographical Information System For Transportation, GIS-T)是收集、存储、管理、综合分析和处理交通地理的空间信息和交通信息的信息系统。或者说,它是以与等交通关联18 的各类空间数据和属性数据为基础,在计算机软硬件技术支持下,实现对道路地理信息和变通信息的收集、 存储、 检索、 处理和综合分析,以满足用户需要的计算机系统。 也可以说, 它是 GIS 技术在交通领域的延伸, 在传统的 GIS 基础之上, 加入了交通的几何空间网络概念及线的

    46、叠置(Line Overlay)和动态分段(Dynamic Segmentation)等技术,并配以专门的交通建模(Transportation Modeling)手段而组成的专门系统。 (2)交通地理信息系统的功能与特点 交通 GIS 结合了 GIS 和其他通信技术等的优点,具有一定的感知能力与自适应能力即智能性;记忆与逻辑思维能力(即分析性) ;表达和判断能力(即可视决策性) ,等等。除了 GIS 的一些基本功能,在交通规划、建设和管理方面还具有以下一些独特的功能。 基本功能 基本功能包括编辑、制图和图形量测等功能。编辑功能允许用户添加和删除点、线、面或改变它们的属性;制图功能可以灵活多样

    47、地制作和显示地图、分层和分类输出多种地图,并可放大和缩小地图;量测功能用于在图上量算某一线段长度和指定面积、体积等。另外,除基本常用地图操作功能外,还应具有一些办公自动化的功能。 叠加功能 叠加功能主要是线性数据的叠加能力,分为合成叠加和统计叠加。合成叠加得到的新图层可显示原图层的全部特征,彼此交叉的特征区域仅显示共同特征; 统计叠加的目的是统计一种要素在另一种要素中的分布特征。此外,以叠加功能为基础,还可进行缓冲区分析,能用于交通设施选址和线路规划设计等。 动态分段功能 为了分析以线为基础的运输系统属性, 交通 GIS 中引入了线性特19 征的动态分段功能。与静态分段不同的是,动态分段功能是

    48、将交通网络中的连线按属性特征分段,分段是动态进行的,且与当前连线属性相对应,如果属性改变,则创建一组新的分段。如在路面管理中,将以路面类型来“自动分段”,使每个类型的路面含在同一个组中。如果需要按路面类型和车道数这两种属性进行分段, 那么每类路面中车道数相同的又自动形成一组。 地形分析功能 地形分析功能可建立地表模型和进行等高线计算。 它主要是通过数字地形模型(DTM),以离散分布的点来模拟连续分布的地面高程,为道路设计创建三维地表模型,称为地面数字高程模型(DEM)。这在道路选线和施工设计中是十分需要的。 栅格显示功能 栅格显示功能使得交通 GIS 可以包含图片和其他影像, 并可将对应的属性

    49、数据进行叠加分析, 以便对图层更新。 例如, 通过添加桥梁、交叉路口以及修正线形等新特征,对原有道路图层进行更新;对带状(沿线一定宽度)或多边形(周围一定范围)图层进行叠加,可以标出沿线或周边土地用途和其他交通属性。 网络分析功能 主要指路径优化分析,即最短路径分析(或者是最佳路径选择分析),此外,还有相邻和最近邻分析、网络负载分析、车辆路由选择分析、资源分配分析等能力,这在运输需求分析中很有用处。与网络分析集成化的交通 GIS 具有该模型的功能,而无需与其他软件链接。当然,随着交通 GIS 功能的完善,将来与其他软件(如运输需求规划软件、道路设计软件等)链接也是必要的。 综上所述,空间分析是

    50、交通 GIS 的核心。网络分析、叠加分析、地形分析和缓冲区分析等功能, 为交通 GIS 进行空间分析提供了强有20 力的工具和广阔的应用空间。随着系统多种功能的完善和发展,交通GIS 将成为交通运输系统及相关部门日常工作不可或缺的工具、手段和工作平台。将为交通现代化建设发挥出越来越巨大的作用。 21 第 3 章 智能交通系统发展历程 3.1 美国智能交通系统发展历程 纵观美国智能运输技术研究的发展历程,根据其研究目标、特点和关注的重点大体可以分为两阶段。第一阶段从上世纪 90 年代到上世纪末,主要特点为研究的范围全而广,研究领域涉及交通监控、交通信号智能控制、不停车收费、车路协同及自动驾驶等领

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