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在这种背景下,借助高新技术来改造现有的道路交通系统及其管理体系,优化道路交通设施,提高车辆性能,均衡交通需求的时空分布,从而大幅度地提高现有交通设施的服务质量和使用效率,有效地缓解交通供需矛盾。
这种办法具有投资少、见效快的优点,成为改善当前交通问题的一个重要手段。
同时,20世纪的计算机技术、控制技术、电子技术、通信技术等高新技术的飞速发展为智能交通系统的产生与应用提供了强大的技术支持,使得人们通过智能交通系统的建设来缓解人、车、路之间矛盾,获得相对方便安全、经济高效、和谐统一的交通系统成为现实和可能。
二、智能交通系统的概念
智能交通系统的准确定义是一个引起广泛争论的话题,目前尚无公认的说法,美国、欧洲、日本及我国的理解都不相同。
出现这种情况一方面是由于各国国情的差异,导致面临的交通问题不尽相同,因此在研究ITS时的出发点不同;
另一方面是由于智交通系统本身是一系列新兴的技术在交通领域的集成和应用,而这些新兴的技术也处于快速发展的时期,这就导致ITS的内涵与外延都处于不断发展和变化中。
美国交通部对ITS的定义:
ITS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,为出行者提供可选路线、提高生产性、保障安全、节约时间和费用。
欧盟对ITS的定义:
ITS是信息和通信技术与交通基础设施、车辆和用户的集成。
通过共享交通信息,ITS使人们在交通出行中获得更高的安全性和产生更小的环境影响。
同时,出行者、车辆和基础设施之间自由地信息交换,可以最大限度地利用交通网络的通行能力。
日本对ITS的定义:
ITS提供了诸如交通事故、交通拥挤以及环境污染等一系列交通问题的基本解决方案。
在解决上述问题时,ITS应用了最先进的通信和控制技术,在人、路、车之间传递信息。
在创造一个良好的交通环境的同时,ITS可以减少交通事故和拥堵,节省能源和保护环境。
从应用范围来看,ITS不仅仅需要公路智能化,同时也需要铁路、航空、水运等其他交通方式的智能化。
中国ITS体系框架研究报告中对ITS的定义:
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。
从以上的表述中,可以看出ITS不像一般的单项技术或者单一学科有明确的定义,各国的定义并不完全相同。
但不论从何种角度出发,有一点是共同的,即ITS均是利用各种高新技术,特别是电子信息技术来提高交通效率、增加交通安全性和改善环境保护的技术经济系统。
三、智能交通系统的特征和主要功能
ITS实质上就是利用高新技术对传统的运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。
与传统的交通系统相比较,最显著的区别是ITS将服务对象的重点由以往的管理者转向道路使用者,即用先进的科技手段向道路用户提供必要的信息和便捷的服务,以减少交通堵塞,从而达到提高道路通过能力的目的。
传统的交通控制和管理系统运用传统的技术和经典数学,以假设条件和约束条件下的数学模型和公式为基础,从管理者的角度出发,按照集中管理的方式对道路使用者进行控制和规范,这里管理者是主动的,道路使用者是被动的。
而ITS更加重视人的能动性,不是力图将带有较多社会和人类行为特征的交通系统描述为某种数学模型,而是向道路使用者提供各种信息,让道路使用者从不同的方案中选择自己认可的一种,以诱导为主,而不是强迫为主,在人的理性与价值取向基础上,使人们出行得到满足。
另外,从系统论的角度来看ITS将道路管理者、用户、交通工具及设施有机地结合起来并纳于系统之中,不仅使交通基础设施发挥出最大的效能,提供高质量的服务;
同时使社会能够高效地使用交通设施和能源,从而获得巨大的社会经济效益。
它不但有可能解决交通的拥堵,而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。
ITS的功能主要表现在:
(1)顺畅功能:
调控交通需求,增加交通的机动性,提高运营效率,提高道路网的通行能力。
(2)安全功能:
提高交通安全水平,降低事故的可能性/避免事故;
减轻事故的损害程度;
防止事故后灾难的扩大。
(3)环境功能:
减轻堵塞;
低公害化,降低汽车运输对环境的影响。
四、智能交通系统的发展历程
二次世界大战后,全球社会经济的发展对交通运输提出了更高的要求和更大的需求,这大大促进了交通运输业的迅速发展,特别是道路交通运输的发展。
美、欧、日等发达国家和地区从上世纪50~60年代起大力发展汽车工业和建设道路基础设施,形成了以道路交通方式为主的交通运输结构,而道路交通拥挤和阻塞已经成为许多国家的一个重要问题,交通过分拥挤造成的汽车延时,汽油的浪费,汽车尾气的排放量都成倍增加。
同时,因土地资源使得基础设施的提供受到极大限制,所以自80年代以来,以美国、日本和欧洲为代表的发达国家已从依靠扩大路网规模来解决日益增长的交通需求,转移到用高新技术来改造现有道路运输体系及其管理方式,从而达到提高路网通行能力和服务质量,改善环保质量,提高能源利用率的目的。
ITS正是在这种条件下产生和发展起来的,ITS的早期构想是由美国在六十年代提出的。
目前,世界上已形成了美国、日本、欧盟三大ITS研究开发基地。
(一)美国的ITS发展
美国的ITS雏形是始于上世纪60年代末期的“电子路径导向系统”(ElectronicRoadGuidanceSystem,ERGS),这是世界上最早的ITS开发研究。
此后美国在ITS方面的研究暂停了十多年,直至二十世纪90年代初期,美国集中了国内各种力量,并在政府和国会的参与下开展了一系列这方面的研究,1990年美国运输部成立“美国智能车辆道路协会”(IntelligentVehicleHighwaySocietyofAmerica,IVHSAmerica,后更名为ITSAmerica)组织,成为美国运输部的咨询机构,成为ITS的建设的领导和协调机构,协助推动全国道路交通智能化工作。
1991年国会通过了“综合地面运输效率法案”(IntermodalSurfaceTransportationEfficiencyAct,ISTEA),即所谓的“冰茶法案”。
1994年IVHS更名为ITS,这标志着ITS研究不再仅仅限于车辆和道路,而是以推进整个交通系统智能化为目标。
1995年3月美国交通部首次正式出版了“国家智能交通系统项目规划”,明确规定了ITS的7大领域和29个用户服务功能,即先进的交通管理系统、先进的公共运输系统、先进的旅行者信息系统、先进的乡村运输系统、商用车辆运营系统、先进的车辆控制和安全系统、自动公路系统,并于1997年8月在圣地亚哥到洛杉矶之间建成了第一条长8英里的自动公路示范线路。
自动公路示范线路建设成功之后,美国运输部认为日益严重的交通事故是最迫切需要解决的问题,于是调整了研发重点,1998年美国国会通过了《面向21世纪的运输平衡法案》(theTransportationEquityActforthe21stCentury,TEA—21),并颁布了四大项目领域(城市ITS基础设施、乡村ITS基础设施、商用车辆ITS基础设施、智能车辆行动),1998年开始组织实施智能车辆行动(IntelligentVehicleInitiative,IVI),IVI的宗旨在于通过加速开发、引进、商业化驾驶员驾驶辅助产品来减少道路交通事故和事故引起的伤亡。
继TEA—21颁布后发布的“美国五年(1999—2003)ITS项目计划”(NationalITSProgramPlan;
Five—YearHorizon)到期,美国组织制定“美国十年ITS项目计划”(NationalITSProgramPlan:
ATen—YearVision),于2002年1月公布。
该计划展望了ITS的发展蓝图、制定了美国ITS的确切目标;
在ITS的主题领域(技术领域—综合交通信息网络、车辆防撞技术、自动车辆碰撞和事故识别、通讯和反应、先进的交通管理;
环境领域—交通系统管理与运营环境、政府部门的角色定位、相互关系和投资,广泛实施私有企业产品的联邦政策和行动计划,人为因素)内,分别分析ITS的状况、发展机遇、效益和挑战,提出应开展的行动;
对主要的ITS参与者(政府部门、私有企业、大学)发出了行动号召。
由于美国“9.11”恐怖事件的发生,该计划还着重强调了ITS在防御恐怖主义事件的作用,加强基础设施和出行者安全并可用于评价灾难程度与加快交通恢复,实现快速疏散和隔离。
因此,美国ITS今后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作用,重点集中在安全防御、用户服务、系统性能和交通安全管理方面。
(二)日本ITS的发展
日本的ITS起步虽较美国要晚,但由于政府的重视,其发展和推进速度却相当快。
ITS在日本的发展始于70年代,从1973年到1978年日本成功地组织了一个叫动态路径诱导系统的实验。
从80年代中期至90年代中期的10年时间,由运输省等政府部门组织上百家企业,会同大学和研究机构进行大规模联合开发,形成了官民学的协调体制,这对日本ITS的发展起到了很大的推动作用。
至90年代中期,日本相继完成了路车间通信系统、交通信息通信系统、区域旅行信息系统、智能车辆系统、安全车辆系统以及新交谈管理系统等方面的研究。
在此基础上,1994年1月,由日本警察厅、通产省、运输省、邮政省和建设省等五个部门联合成立了日本道路、交通、车辆智能化促进协调会(Vehicle,RoadandTrafficIntelligenceSociety,VERTIS)以推动ITS在日本的发展。
1995年7月成立道路交通信息通信系统中心(VehicleInformationandCommunicationSystem,VICS),1996年4月正式启动VICS,日本的VICS是ITS实用化的第一步,居于世界领先水平,该系统通过GPS导航设备,无线数据传输,FM广播系统,将实时路况信息和交通诱导信息即时传达给交通出行者,从而使得交通更为高效便捷。
该系统已覆盖日本全国80%的地区,所有高速公路及主干道均能收到VICS信息报道。
1996年7月,由五个政府部门共同发布了《面向高度信息通信社会推进的基本方针》和《公路、交通、车辆领域的信息化实施指针》,并于1998年8月策划制定了ITS的整体设想,具体制订日本ITS发展战略,明确列出ITS的国家功能、长远发展方向和ITS的系统架构,确定了为期20年的发展计划,准备用15到20年的时间让日本的道路更加智能化,实现人、车、路三者的和谐互动。
构思的具体内容有9项:
高性能车载导航仪、自动收费系统、安全行车支援系统、交通管理智能化、道路管理效率化、公共交通支持系统、商用车效率化、步行者支持系统和紧急车辆运行支持系统。
开始了面向ITS采取综合的、有体系的对策。
日本ITS经过一定的发展后,进行了总结,结合日本面临的交通事故频发、交通拥挤严重、手机和网络的迅速增长、更加关注环境、老年化社会的来临、个人隐私保护的增强、经济低迷期的社会环境和部分ITS系统得到广泛应用的交通环境,制订了新的发展战略,提出了10年内交通事故死亡人数减半,20年后交通拥堵量降低80%,2015年ITS市场规模累计60兆日元的目标,提出了构建安全可靠的ITS区,促进物流运输车辆自动驾驶的发展,导航系统商业化,构建ITS综合平台等具体措施。
(三)欧盟ITS的发展
欧盟对ITS的研究、开发也不甘落后。
80年代初期德、英、法等国先后各自研究自己的系统,经济合作与发展组织OECD对这些系统进行了调查和评价,结论是:
应用现代信息和通信技术等高科技的路线引导系统,将会使道路交通发生显著的变化。
但是各国的引导系统彼此独立而不相容,对过境车辆和道路交通管理带来了不便。
由于欧洲的国家大部分都很小,因此欧盟的ITS主要从洲际的角度进行,旨在建立跨欧的智能化道路网,因此OECD决定努力促进这一领域的发展并协调全欧进行有效的国际合作。
1985年,欧共体19个成员国为主的政府与民间企业组织合并后,共同推进ITS的发展,并更名为欧洲道路运输信息技术实施组织(TRICO),总开发投入50亿美元,实施智能道路和车载设备的研究发展计划。
1986年欧洲民间联合操作了欧洲高效安全交通系统计划(PROMETHEUS),之后在政府介入下1995年启动了PROMOTE计划,1991年成立了欧洲道路运输远程通讯实施组织(EuropeanRoadTransportImplementationCoordinationOrganization,ERTICO),成为欧洲地区主要推动及规划ITS发展的组织。
ERTICO并非将欧洲地区的ITS明确划分为几个子系统,而是着重于系统平台及通讯协议标准的制定,希望借助标准化环境的建立,奠定欧洲地区ITS的基础。
1996年2月底,欧共体事务总局13局第一次公布了T-TAP征集的具体74个子项目,其中有关航空、铁路与海运的子项目为28个,涉及两种交通模式的占4个,涉及多种交通模式的有5个,显然欧共体对有关综合运输的ITS项目已逐步开始重视了。
至今,已有相当一部分的研究成果投入到实际的应用当中,并为使用者带来了可观的经济效益。
1998年由欧洲10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质量的DRIVE计划,其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施,现在已经进行第二阶段的研究开发工作。
目前欧洲各国正在进行Telemastics的全面应用开发工作,计划在全欧范围内建立专门的交通无线数据通信网、ITS的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕Telemastics和全欧无线数据通信网来展开。
2003年,欧洲ITS组织ERTICO提出E-safety的概念,其主要内容是充分利用先进的信息与通信技术,加快安全系统的研发与集成应用,为道路交通提供全面的安全解决方案。
除自主式的车载安全装置外,还考虑车路协调合作方式,即通过车车及车路通信技术获取道路环境信息,从而更有效地评估潜在危险并优化车载安全系统的功能。
除关注安全问题外,ERTICO在2005年颁布的智能交通战略框架中指出关注的重点领域还有智能交通系统体系框架与标准,智能交通信息基础技术,包括构建网络信息交换平台、智能化区域交通控制、伽利略计划车载定位技术和RDS/TMC通信技术以及3G、GSM技术等。
(四)我国ITS的发展
我国ITS的研究应用起步较晚,但发展处于蓬勃上升趋势,初步开展了ITS规划的研究并在部分城市试点建设。
1、规划和政策层面。
成立了国家层面协调机构并开展规划研究,在制定科技发展“九五”计划和2010年长期规划时,交通部就将发展ITS列入计划,开展了ITS发展战略研究。
1998年,在国家质量技术监督局的指导下,交通部正式批准成立了ISO/TC204中国委员会,该委员会把推进中国ITS标准化作为主要任务。
国家有关部委已成立了全国ITS协调小组,并完成了“中国ITS体系框架”、“中国ITS标准体系框架研究”、“智能交通系统发展战略研究”等一批关系中国ITS发展的重点项目,还完成了重大“ITS关键技术开发和示范工程”。
2、技术层面。
上世纪70年代中至80年代初,主要试验研究城市交通信号控制。
80年代中至90年代初,一些大城市如北京、天津、上海引进消化了城市信号控制系统,北京引进了英国SCOOT系统,天津、上海引进了澳大利亚SCATS系统等。
90年代,一些大城市逐渐建设交通监控系统,一些高速或高等级公路建设监控及电子收费系统。
GIS、GPS等技术也在管理、运营等领域应用。
“十五”期间,科技部将“智能交通系统关键技术开发和示范”作为重大项目列入国家科技攻关计划。
该项目包括共性关键技术、关键产品和技术开发、ITS工程示范和相关基础研究四大类16个课题。
建立跨省市国道主干线联网电子收费、高等级公路综合管理、城市交通信息采集与融合等示范点。
应该说,“十五”期间,我国ITS发展取得明显成效。
但各城市ITS建设各子系统尚无法有效协同整合,集成度较低,技术上处于分隔独立状态。
3、投资层面。
“十五”期间,ITS投入逐渐加大。
据科技部统计,示范工程专项调动项目参与单位投入资金达15亿元以上,但投资主体主要是中央政府和地方政府。
我国的一些企业积极性也较高,但因缺乏总体协调机构和投资机制,政府与企业间沟通不够,ITS尚未形成IT业中的重要产业。
第二节智能交通系统体系框架与标准
一、智能交通系统体系框架的基本界定
ITS体系框架是对ITS复杂大系统的整体描述,它决定ITS所涉及领域的具体内容和系统组成,明确各系统间的联系,提供系统信息衔接与接口,是开展ITS系统规划和建设的基础,也是ITS发展的未来蓝图和总体架构。
可以说,ITS体系框架是规范ITS发展的重要手段,它能保证ITS有序发展,为地方ITS体系框架与规划的制定提供基础和支持;
为ITS各应用系统的设计提供指导;
为构建ITS体系标准提供支撑;
从而保证产品规范,增强国家竞争力,为其它国家、地区ITS体系框架开发提供参考。
完整的ITS体系框架的主体包含用户服务、逻辑框架、物理框架。
从本质上来讲,这三部分内容是从不同角度对智能交通系统进行的解释。
用户服务是从用户的角度对ITS能够提供的服务内容进行描述;
逻辑框架则是从系统如何实现ITS服务的角度进行分析,给出ITS应具有的功能及功能间数据流的关系;
物理框架则是把ITS逻辑功能落实到现实实体,如车载设备、道路设施、管理中心等设备或组织。
二、国外智能交通系统体系框架研究概况
随着现代信息和通信技术的发展,世界各国特别是发达国家,ITS技术在道路交通运输管理中的应用越来越广泛。
各国早期ITS的发展没有统一规划,各系统单独开发应用,造成一些重复的开发与系统的不兼容,在意识到盲目建设ITS的弊端后,各国开始着手开发ITS体系框架,进行相互协调整合。
十几年过去了,美国的ITS体系框架日趋完善,先后推出了六个版本,其它国家也对此进行了广泛关注,相继有欧盟、日本等针对本地区、本国ITS体系框架进行了研究,描绘ITS在各国的发展蓝图,协调各系统的发展。
(一)美国ITS体系框架
1992年,ITSAmerican向美国交通部正式推荐了一套调动多家国有、私立机构联合攻关的ITS体系结构开发方法。
1993年交通部正式启动了ITS体系结构开发计划,其目的是开发一个经过详细规划的国家ITS体系结构。
这一体系结构将指导而不是指挥ITS产品和服务的配置,它将在保持地区特色和灵活性的同时为全国范围内的兼容和协调提供保证。
其开发分为两个阶段:
第一阶段主要由四家公司分别给出体系框架初步开发方案,第二阶段则在上述四公司基础上选择两家合作进行美国国家ITS体系框架的开发。
其构建主要原则和目标为:
以经济性为基本原则,最大限度利用已有设施提供ITS服务;
低收费,使多数人可享受信息服务,同时提供多种供选择的服务方式;
增加私人企业的利益,加速ITS的实施应用;
鼓励国家、个人合作;
加强出行者安全;
给地方提供管理空间。
其开发以面向过程方法为指导,利用系统分析、软件工程的方法,给出了包括用户服务、逻辑框架、物理框架及其标准等内容。
至今已更新推出了第六版。
美国在不断进行完善ITS体系框架的修订工作,同时加强对体系框架的应用推广。
在国家ITS体系框架基础上,美国开发了地方ITS体系框架的支持系统TurboArchitecture,和美国国家ITS体系框架同步更新,便利了地方ITS体系框架的开发。
而且,联邦公路局、联邦运输管理局于2001年4月规定各联邦资助ITS项目必须在国家ITS体系框架和标准的基础上开展,并且各地方需要在国家体系框架指导下制定区域ITS体系框架,对于已经有ITS项目建设的地区,其区域ITS体系框架需在规定颁布的四年内完成,对于未实施ITS项目建设的地区,其区域ITS体系框架要在其首个ITS项目设计结束后四年内完成,以使各系统相互协调,减少系统重复建设。
(二)日本ITS体系框架
1998年1月至1999年11月,日本建设厅、警视厅、通产省、运输省及邮电省联合日本ITS协会-ITSJapan,完成了日本ITS体系框架构建。
日本ITS体系框架最大特点是强调ITS信息的交互和共享,整个ITS建设是社会信息化(e-Japan)的一部分。
体系框架总体内容上与美、欧相同,分为用户服务、逻辑框架、物理框架三大部分,它吸纳了美国、欧盟体系框架的特点:
在总体上类似于美国框架,试图涵盖ITS的全部内容;
在物理框架部分类似于欧盟框架,针对ITS中的每项用户服务给出相应的实现系统。
日本ITS体系框架开发以面向对象方法为指导,主要体现在逻辑框架的构建中,通过对ITS抽象,建立信息模型描述ITS涉及的各对象间的信息关系如继承等关系,通过建立控制模型实现各项用户服务。
日本ITS体系框架也在不断完善,近年来他们致力于此体系框架的应用推广。
在2003年,推出了地方ITS体系框架开发辅助支持系统,并以东京作为示范地进行了应用。
(三)欧盟ITS体系框架
与包罗万象、内容覆盖全面的美国ITS体系框架相比,欧盟ITS体系框架在内容上选取典型系统进行详细分析,并非以“全”为目的。
欧盟ITS体系框架是作为欧盟KAREN项目的一部分于2000年9月发布的,主要针对道路相关交通系统而言。
总体上来讲,欧盟ITS体系框架开发指导方法类似于美国框架,亦采用面向过程方法,但其目标不是提供全面的ITS系统构成,而是示范给出创建某项ITS服务的体系框架所应采取的方法,以便用户根据需要进行相应体系框架的开发和扩展。
在实际构建过程中,欧盟ITS体系框架的用户服务、逻辑框架构建方法与美国类似,主要区别体现在物理框架的构建中。
欧盟物理框架的构建有两种方法:
基于用户需求的方法和基于系统概念的方法。
当用户需求明确时采用前者,反之采用后者。
两种方法的主要步骤是一致的,即针对用户服务,结合实际提出物理系统,一个系统可以完成一项或多项用户服务,由用户
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