智能交通系統(tǒng)——誘導系統(tǒng)

1、智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)誘導系統(tǒng)誘導系統(tǒng)Contents國外交通誘導系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀國外交通誘導系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀2國內(nèi)交通誘導系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀國內(nèi)交通誘導系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀3 3引言引言3 1研究城市交通誘導系統(tǒng)的意義研究城市交通誘導系統(tǒng)的意義4Contents城市交通誘導系統(tǒng)的主要功能城市交通誘導系統(tǒng)的主要功能6城市交通誘導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架城市交通誘導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架3 7發(fā)展城市誘導系統(tǒng)的益處發(fā)展城市誘導系統(tǒng)的益處3 5城市交通誘導系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)城市交通誘導系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)8交通系統(tǒng)路徑誘導算法研究方向交通系統(tǒng)路徑誘導算法研究方向3 9一、引言 智能交通系統(tǒng)（ITS）是一個跨學科、信息化、系統(tǒng)化的綜合研究體系，其主要

2、內(nèi)容是： 在較完善的基礎(chǔ)設(shè)施上，將先進的信息技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制理論、運籌學、人工智能等協(xié)同運用于整個交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)全方位發(fā)揮作用的、實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)。 從功能上，ITS可分為如下幾個子系統(tǒng):動態(tài)路徑誘導系統(tǒng)、減少交通污染系統(tǒng)、公共交通優(yōu)先系統(tǒng)、交通信號優(yōu)化系統(tǒng)、交叉口和路段智能渠化系統(tǒng)、車輛調(diào)度管理系統(tǒng)、 緊急報警及緊急事故處理系統(tǒng)、 網(wǎng)絡(luò)交通組織方 案形成與評價系統(tǒng)。二、二、 國外交通誘導系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀國外交通誘導系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀 交通誘導系統(tǒng)能有效地解決城市交通擁擠、減少交通事故、降低燃油消耗和空氣污染、提高運輸效率，減

3、少出行時間和費用，發(fā)達國家非常重視車裁定位導航系統(tǒng)的開發(fā)和應用，現(xiàn)已形成了日、美、歐三足鼎立的局面。 日本的導航系統(tǒng)以基于全球定位系統(tǒng)(GPS)和道路車輛信息通信系統(tǒng)(VICS)的導航系統(tǒng)為代表。 TRAVTEK是美國有具有代表性的城市交通誘導系統(tǒng)。它以實時路線引導和服務(wù)信息系統(tǒng)實用化為目的，由交通管理中心、信息與服務(wù)中心、裝有導航裝置的車輛組成。 Ali-Scout系統(tǒng)是歐洲最有代表性的車載導航系統(tǒng)。 三、國內(nèi)交通誘三、國內(nèi)交通誘導系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢導系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢 國內(nèi)車輛導航系統(tǒng)的研究起步較晚，主要由一些科研院所、學校及少數(shù)公司進行探索性研究實驗。如由吉林工業(yè)大學帶頭開發(fā)的城市交

4、通流誘導系統(tǒng)（UTFGS Urban Traffic Flow Guidance System)是中國的第一個動態(tài)路徑誘導系統(tǒng)研究項目,UTFGS根據(jù)我國混合交通的實際特點，以城市交通面控系統(tǒng)資源為依托，是一種基于實時交通信息的出行者信息和分布式動態(tài)路徑誘導系統(tǒng)。這是一種結(jié)合我國國情，考慮到長遠發(fā)展的比較全面的系統(tǒng)。 目前對UTFGS已提出了研究的系統(tǒng)框架，但到整個系的完善和投入實際應用還需要一定的時間。四四、研究城市誘導系統(tǒng)的意義研究城市誘導系統(tǒng)的意義 由于當前城市交通問題日趨嚴重和惡化，如擁堵問題，安全問題，環(huán)境問題，能源問題等，使得采用高新技術(shù)的智能交通系統(tǒng)日益得到世界各國的高度重視。

5、本文研究內(nèi)容屬于智能交通系統(tǒng)子系統(tǒng)交通誘導系統(tǒng)領(lǐng)域。交通誘導系統(tǒng)(Traffic Guidance System，簡稱TGS)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，也稱之為交通線路引導系統(tǒng)(Traffic Route Guidance System，簡稱TRGS）、動態(tài)路徑誘導系統(tǒng)(Dynamic Route Guidance System，簡稱DRGS)或車輛導航系統(tǒng)(Vehicle Navigation System，簡稱VNS)，主要功能是綜合運用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱GPS)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information Syste

6、m，簡稱GIS）、計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信、檢測、控制等現(xiàn)代高新技術(shù)，使得車載計算機能夠自動顯示車輛位置、交通網(wǎng)絡(luò)圖和道路交通狀況，根據(jù)出行的起始點向駕駛員提供最優(yōu)路徑引導指令和豐富的實時交通信息，以指導駕駛員快速、安全、準確地到達目的地，其特點是把人、車、路綜合起來考慮，通過調(diào)整駕駛員的行駛路線實現(xiàn)路網(wǎng)交通流的合理分配。 可見，交通誘導系統(tǒng)是目前公認的有效解決城市交通問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和主要手段，是正確引導道路使用者順利到達目的地、實現(xiàn)交通流優(yōu)化、避免交通阻塞、更有效地管理現(xiàn)代交通的新技術(shù)，將成為一種嶄新的交通模式。特別是在日益復雜的交通狀況下，城市交通誘導系統(tǒng)的研究及應用更具有學術(shù)意義和實用價值，是

7、國際ITS研究的熱點問題。因此，當前在我國研究并建立城市交通誘導系統(tǒng)是十分必要的，對于提升我國城市交通的基礎(chǔ)理論及其應用水平均具有重要意義。五、發(fā)展城市誘導系統(tǒng)的益處 減少道路阻塞，降低環(huán)境污染 城市交通誘導系統(tǒng)通過及時提供交通流信息和增強交通選擇能力，使路網(wǎng)交通運行流暢，避免盲目出行造成的交通阻塞，從而減少交通量的過分集中及迂回交通，降低車輛能源消耗，減少排放污染量，以使汽車運輸對環(huán)境污染的影響明顯改善。同時可減少與交通延誤和堵塞相關(guān)的環(huán)境費用,帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 減少交通事故，提高乘車舒適性、駕駛安全性 城市交通誘導系統(tǒng)為駕駛員和交通管理部門所提供的準確及時的誘導信息，一方面可

8、以使車輛行駛避開道路線形差、路面狀況不好、事故率多發(fā)的路段，避免了交通事故誘發(fā)的根本原因;另一方面可使公路網(wǎng)上的交通流運行處于最佳狀態(tài)，從而保證交通流處于穩(wěn)定流范圍，減少了由于交通擁堵形成強制流或阻塞流等引起的車輛緊急剎車，頻繁加、減速等操作，穩(wěn)定了駕駛員的心理狀態(tài)，從而提高了行車安全性和乘坐舒適性。 提高交通網(wǎng)絡(luò)的通行能力 由于城市交通誘導系統(tǒng)能為出行者隨時隨地提供各種有利的交通信息，使其可以合理選擇行車路線，避開擁堵路段,提高車輛運行效率，減少了車輛由于相互沖突造成的路段行車延誤，減少了車輛在固定路段上的總運行時間。此外，對交通管理部的信息提供可使其盡快的排除交通故障，疏散堵塞交通流和處理

9、交通事故，從而可大幅度地提高整個路網(wǎng)的通行能力。 提高交通運輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益 交通運輸效率對國家經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的影響。城市交通誘導系統(tǒng)可以有效地促使交通流通暢運行，運輸車輛得到合理調(diào)度，車輛行駛效率大大提高，能耗降低等，從而使得交通運輸環(huán)境得到全面改善，交通運輸?shù)纳a(chǎn)效率和經(jīng)濟效益得到大幅提高，并對社會經(jīng)濟發(fā)展的各方面都將產(chǎn)生積極的作用和影響。 總之，城市交通誘導系統(tǒng)融合了汽車、交通、計算機、通信、系統(tǒng)科學等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，一直是眾多高科技公司、各研究機構(gòu)和大學研究的熱點，以期能夠真正實現(xiàn)實時地為駕駛?cè)颂峁┲悄芑恼T導信息，讓先進的誘導技術(shù)的應用不但有利于道路交通管理，而且便于人們出行

10、。 六.城市交通誘導系統(tǒng)的主要功能 從本質(zhì)來說，交通流誘導是對網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)發(fā)生或即將發(fā)生的具有意向性的交通流，在連接其起點和終點的各條路徑上的數(shù)量分布進行調(diào)整，通過改變行駛在不同路徑的車輛數(shù)，達到優(yōu)化目標，即對路網(wǎng)未來即將發(fā)生的交通流量的空間分布進行調(diào)整。從出行者的角度來講，交通誘導的主要功能有如下: 在線駕駛員信息服務(wù) 在線駕駛員信息服務(wù)包括駕駛員的引導系統(tǒng)和車內(nèi)標志系統(tǒng)。駕駛員的引導系統(tǒng)主要為駕駛員提供實時的交通流狀況、交通事故、建筑情況、公共交通時刻表、氣候條件等信息。利用這些信息，駕駛員可以選擇最佳的行駛路線，出行者在中途改變其出行方式。車內(nèi)標志系統(tǒng)主要提供與路面實際標志相同的車內(nèi)標志，

11、也可以包括道路條件的警告標志和一些特殊車輛的安全限速。這一服務(wù)內(nèi)容特別適合于老年駕駛員、旅游區(qū)和危險道路條件下的駕駛。 路徑誘導服務(wù) 路徑誘導服務(wù)是由動態(tài)車載誘導系統(tǒng)，根據(jù)交通信息中心提供的實時道路交通信息及GPS設(shè)備得到的車輛定位信息，在電子地圖的幫助下為出行者提供一條最優(yōu)的行駛路徑。早期的路線引導是一個靜止的信息系統(tǒng)，主要為出行者提供起終點間的最短距離路線。目前這項服務(wù)趨向于通過無線通信技術(shù)，使車載設(shè)備可以從交通管理中心獲取實時道路交通信息，使“最優(yōu)”的概念成為在實時道路交通信息基礎(chǔ)上的時間最優(yōu)、距離最優(yōu)或出行者偏好最優(yōu)等。由于GPS定位功能以及電子地圖的存在，再輔以地圖的方法，就可以實現(xiàn)

12、車輛的實時轉(zhuǎn)向?qū)Ш?。實時服務(wù)可以提高城市道路的時間利用率和空間利用率，大大緩解城市道路的交通量分布，使城市交通誘導系統(tǒng)的核心功能。 出行前信息服務(wù) 出行前信息服務(wù)為出行者提供在出行前需要知道的信息，如天氣及道路情況，出行規(guī)劃服務(wù)可以為出行者制訂出行路線，計劃出出行時刻表以避開交通高峰時段，這樣可以提高道路的時間利用率，估計出行時間以及提供有關(guān)出門的注意事項。 總之，交通誘導功能的實現(xiàn)將有效地減少城市交通擁擠和環(huán)境污染，提高道路通行能力，改善道路交通安全狀況。其主要目標有兩個:從宏觀網(wǎng)絡(luò)的角度，可以均衡網(wǎng)絡(luò)上的交通流量使網(wǎng)絡(luò)的綜合交通能力達到最充分利用;從微觀車輛的角度，達到縮短每輛車行駛的距離

13、，減少行駛時間的目的。七、城市智能交通誘導系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架 一般而言，典型的城市交通誘導系統(tǒng)由四部分組成: 交通流信息采集與預測子系統(tǒng) 交通流采集是在交通控制中心進行的，所以城市網(wǎng)絡(luò)安裝自適應的交通信號控制系統(tǒng)是實現(xiàn)交通誘導的前提條件。該子系統(tǒng)涉及到的一個關(guān)鍵問題是接口技術(shù)的研究，即把交通控制中心獲得的網(wǎng)絡(luò)中的交通流傳送到交通流誘導主機，利用已研制的實時動態(tài)交通分配的模型和軟件進行實時動態(tài)交通分配，滾動式預測網(wǎng)絡(luò)中各路段和交叉口的交通流量，從而為路徑誘導提供依據(jù)。 車輛定位子系統(tǒng) 車輛定位主要是確定車輛在路網(wǎng)中的確切位置，通過車載GPS接收機與差分GPS修正數(shù)據(jù)的配合，計算車輛的精確位置坐標，并

14、依據(jù)地圖匹配算法將車輛位置顯示于電子地圖下。 交通信息服務(wù)子系統(tǒng) 交通信息服務(wù)模塊是交通流誘導系統(tǒng)的重要組成部分，它是把主機運算出來的交通信息(包括預測的交通信息)通過各種傳播媒介送給公眾。 行車路線優(yōu)化子系統(tǒng) 行車路線優(yōu)化子系統(tǒng)是依據(jù)車輛定位子系統(tǒng)所確定的車輛在網(wǎng)絡(luò)的位置和出行者輸入的目的地，利用接收到的交通誘導信息，確定達到目的地的最佳路線并在顯示器上用箭頭顯示。根據(jù)用戶要求的不同，最佳行車路線可分為行駛距離最短、運行時間最少、擁擠程度最低、道路質(zhì)量最好和綜合最佳五種。 八、城市交通誘導系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 實現(xiàn)交通誘導，需要多項高新技術(shù)的系統(tǒng)集成，其中最主要有： 車輛定位技術(shù) 作為車載誘導系統(tǒng)

15、的一項基本功能，需要實時了解車輛的精確位置及其它參數(shù)，即經(jīng)度、緯度、海拔、行駛速度、行駛方向等數(shù)據(jù)以實現(xiàn)實時導航功能，車輛定位技術(shù)主要有以下幾種: a、基于紅外信標與短波信標的定位技術(shù)，該技術(shù)主要在歐洲和日本得到了運用。這是由于二者對ITS的研究開展較早，在沒有衛(wèi)星定位技術(shù)的年代不得不開發(fā)這種需要大量在路邊安裝用于通信的基礎(chǔ)設(shè)施。其缺點是不能進行全程定位和軌跡跟蹤。 b、基于速度、方向傳感器的慣性導航系統(tǒng)。這是最早出現(xiàn)的定位方法，需要在車輛上加裝一些傳感器，其缺點是其定位誤差會隨時間積累。 c、基于GPS進行車輛定位，這是現(xiàn)在車載導航系統(tǒng)普遍采用的方式。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以其定位精度高、定位響應

16、快等優(yōu)點受到廣大用戶的歡迎?；贕PS的車輛定位技術(shù)運用地圖匹配技術(shù)與GIS相結(jié)合可以對車輛實際行駛路線與電子地圖上道路位置之間的誤差進行修正，從而提高定位的精度。 地圖匹配技術(shù) 地圖匹配是交通誘導系統(tǒng)的一個重要模塊，其作用是利用數(shù)字地圖使定位系統(tǒng)更加可靠和精確。為了給出行者提供適當?shù)牟僮髦噶睿蛟诘貓D上正確地顯示車輛，必須精確地知道車輛的位置。而由GPS技術(shù)所測到的車輛坐標位置數(shù)據(jù)，前進的方向與實際行駛的路線軌跡在電子地圖上都存在一定誤差，為了修正誤差，須采用地圖匹配技術(shù)，對車輛行駛路線與電子地圖上道路間的誤差進行實時數(shù)字相關(guān)匹配，做出自動修正，從而在電子地圖上得到汽車正確位置的指示。常見的

17、地圖匹配算法包括半確定性算法、概率性算法、基于模糊邏輯的算法等。 數(shù)據(jù)通信技術(shù) 數(shù)據(jù)通信技術(shù)主要包括交通誘導數(shù)據(jù)信源編碼和無線電通信協(xié)議的制定。交通誘導數(shù)據(jù)信源編碼是指最優(yōu)編碼，時變最優(yōu)編碼、路段差值編碼和增量編碼等編碼技術(shù)的綜合運用。無線通信協(xié)議的制定是指RS-232異步通信參數(shù)、基站發(fā)送數(shù)據(jù)格式和車載單元發(fā)送與接收數(shù)據(jù)格式的確定。九、智能交通系統(tǒng)路徑誘導算法研究方向 目前路徑誘導算法研究的三個主要方向： 智能交通系路徑誘導算法的實時性、動態(tài)路徑誘導算法以及路徑誘導與交通信號控制的集成。然而，作為智能交通系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，路徑誘導系統(tǒng)除了必須具有良好的實時性、動態(tài)性和集成性之外，還必須對

18、其它與其實時運營密切相關(guān)的眾多問題從系統(tǒng)工程的層面加以協(xié)調(diào)考慮。結(jié)合我國城市道路交通的實際和路徑誘導算法研究進展的現(xiàn)狀，交通誘導從下面幾個問題進一步深入研究。（1 1）路段交通流量的實時準確預測）路段交通流量的實時準確預測 國內(nèi)對短時交通流預測算法的研究中， 一般將預測算法分為參數(shù)模型預測法和非參數(shù)模型預測法。參數(shù)模型主要有歷史平均模型（HA）、ARMA系列模型、Kalman濾波模型、指數(shù)平滑模型及與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的模型等。非參數(shù)模型中包括非參數(shù)回歸、KARIMA算法、譜分析法、狀態(tài)空間重構(gòu)模型、小波網(wǎng)絡(luò)、基于多維分形的方法和多種復合預測模型、移動平均法、指數(shù)平滑法和基于AR模型的時間序列法等。

19、 路段交通流量的實時準確預測是動態(tài)路徑誘導算法的實現(xiàn)依據(jù)。目前的預測手段一般只能預測短時交通狀況，而交通誘導行為往往發(fā)生在比較大的空間范圍上，這樣就可能跨越多個預測區(qū)段。此外，基于實時交通狀況的切換式路徑誘導系統(tǒng)必須具備區(qū)別正常和異常交通波動的能力。（2 2）新型誘導模型與誘導算法）新型誘導模型與誘導算法 動態(tài)路徑誘導系統(tǒng)是一個對實時性要求相當強的系統(tǒng)，也是一個有人參與的時變、復雜隨機系統(tǒng)。誘導模型及其算法的建立不僅要考慮誘導系統(tǒng)的實時性要求，也必須考慮出行者的心理特征，如出行者對什么方式的誘導認定有效，出行者對誘導指令的心理接受極限等，這是路徑誘導系統(tǒng)走向?qū)嵱玫闹匾襟E。 發(fā)展基于多目標優(yōu)化的路徑誘導算法也是交通誘導系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。目前路徑誘導方案大多是基于距離最短或時間最短等單一指標，較常用的主要的有Dijkstra算法、Floyd算法、A*算法、雙向搜索算法,而實際上人們的出行習慣很難歸結(jié)為單指標優(yōu)化問題。出行者除了對時間有要求外，還會希望在舒適感上得到滿足，例如盡量減少轉(zhuǎn)彎的次數(shù)，盡量少進入路況較差的道路等等。 對于司機路徑選擇行為的調(diào)查表明，大多數(shù)的司機并不是趨向時間最短的路徑，而是那些包含一些其他因素的次優(yōu)路徑，如熟悉程度、道路等級、連接性等，這實際上是一個多目標優(yōu)化問題。傳統(tǒng)的最優(yōu)路徑算法不能實現(xiàn)多目標優(yōu)化，因為這些算法不包含所需