对未来城市交通模式的探讨之三李光晰.doc

对未来城市交通模式的探讨之三智能机顶盒摘要：交通拥堵问题日益凸显，控制需求和增加供给两个办法都有其局限性，随着电子信息技术的发展，利用这些新技术把车辆、道路、使用者和交通管理者紧密结合起来，从而形成一种及时、准确和高效的智能交通管理系统来解决上述问题，为今后解决交通问题提供了新的思路。本文通过对互动式交通管理系统的研究，通过智能机顶盒这个车载设备展开，来探究未来城市交通问题的解决办法。关键词：智能机顶盒；互动式交通管理系统；交通监控；交通控制中心；一、引言随着改革开放的不断深入，我国的国民经济持续稳定增长，人们对交通的要求日益提高，虽然城市道路不断地进行改、扩建工程，但是仍然解决不了城市交通拥挤等问题。截止至2009 年6 月底，长春地区机动车保有量已经达到了91 万台，其中市区机动车保有量为46.7万台，市区机动车千人保有量为128.9 台，机动车保有量正以每天300余台的速度迅猛增长，年平均增长率达到了15%，而长春市道路基础设施的建设发展速度仅为2%，城市中心区已出现较为严重的交通拥堵问题。解决车辆和道路之间的矛盾，通常的解决办法是：控制需求，就是限制车辆的增加；是增加供给，也就是修路。但是这两个办法都有其局限性。交通是社会发展和人民生活水平提高的基本条件，经济的发展必然带来出行的增加，而且在我国汽车工业正处在起步阶段的时期，因此限制车辆的增加不是解决问题的理想办法。而采取增加供给，即大量修筑道路等基础设施的办法。但是在资源和环境之间矛盾越来越突出的今天，当面对越来越拥挤的交通、有限的资源和财力和环境的压力，也将受到限制。这就需要全新的思维，充分发挥科学技术的巨大潜能，来提高交通效率。自从20世纪80年代，计算机技术、电子控制技术和通信技术有了极大发展，利用这些新技术把车辆、道路、使用者和交通管理者紧密结合起来，从而形成一种及时、准确和高效的智能交通管理系统来解决上述问题，在智能交通管理系统中智能的机顶盒起到了重要的作用。二、概念智能机顶盒是保证智能交通系统正常运转的重要设备，所以明确智能交通系统的组成及特点是确定智能机顶盒的功能的重要依据。2.1.智能交通系统的定义与构成 智能交通系统是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统，其中车辆端的终端设备为智能机顶盒。智能交通系统是充分发挥现有交通基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通拥挤的有力措施。2.2.智能交通系统的主要功能 “智能交通系统”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。它能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量；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。智能交通系统的功能主要表现在：1）顺畅功能：司机通过智能机顶盒的自主参与来增加交通的灵活性，提高运营效率；提高道路网的通行能力，提高设施效率；响应调控交通需求。2）安全功能：提高交通的安全水平，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。 三、智能机顶盒互动式交通管理系统，包括现代化交通控制中心、先进的交通监视服务及规范、完整的道路指示信息，使车辆得到良好的服务，这些都是由智能机顶盒直接或间接完成的。3.1.智能机顶盒汽车智能机顶盒是采集汽车行驶状态的前端设备，是交通控制中心进行交通监控信息采集和交通全局优化管理的硬件基础。1）汽车智能机顶盒的功能汽车智能机顶盒应具备的基本功能有：（1） 采集车辆状态信息；（2） 存储车辆状态信息；（3） 具有通信接口，能将车辆状态信息输出；（4） 可连接其他通信设备，通过无线通信等方式传送车辆状态信息。2）汽车智能机顶盒的记录内容汽车智能机顶盒一般应该记录以下车辆信息：（1） 数值量：可包括车速、转速、机油压力、气压I、气压II、蓄电池电压、水温、燃油；（2） 操作量：可包括左向、右向、远光、倒车、制动、缓速、前中门、电喇叭等；（3） 报警量：可包括车速、转速、水温、水位、气压I、气压II、油压、电瓶电压、机油滤、燃油滤、仓温等。3）汽车智能机顶盒的基本组成汽车智能机顶盒可以提供多种信息方案，一般具有如下组成部分：传感器、数据转换部件、数据处理部件、数据存储单元、通信接口单元。汽车智能机顶盒外观如图四所示。3.2.道路指示信息道路指示信息主要将道路的客观情况通过智能机顶盒提供给驾驶员，并且在行驶的过程中智能机顶盒可以进一步收集和完善这些信息，该类信息包括：1）道路几何构造信息预先向驾驶员提供如道路线形、收费站、隧道、纵坡、路宽等前方道路几何构造情报。2）路面状况信息交通管理部门通过道路沿线设置的路面冻结检测器、温度检测器等各种气象传感器以及电视摄像系统，检测并采集路面破损、潮湿、积雪等路面状况信息。 3）道路灾害信息信息中心收集服务区域内以及其他信息中心传送来的自然条件状况，迅速向驾驶员提供有关风、雾、雨、雪，甚至沿海道路海浪出现越波或突发洪水淹没冲毁道路的信息。4）路网条件信息可由信息中心提供道路内某段发生的交通事故、交通中断、交通阻塞等实时信息以及针对路段的交通管制情报，为其他路段的车辆选择道路时提供参考。5）提供行驶路线导航信息通过机顶盒系统将在需要的时候提供包括各路段的交通拥挤情况、通行时间、交通管理信息以及停车泊位信息、公交信息等。3.3.交通监控为得到交通流的特征参数，现在采取的办法是通过各种车辆检测器对道路上的交通状况进行“抽检”，即由于条件的限制，只能在一些关键位置和相对比较重要的位置通过检测线圈、视频检测器、红外检测器等探测装置，间接获取交通流的状态信息。这些信息是交通流在道路上宏观状态的描述，具有信息单一、状态检测滞后时间长的缺点，在状态结束一段时间后才能发现异常。通信技术和车载情报系统技术的发展，通过车辆上安装的智能机顶盒来进行的微观监控，使得交通管理部门能够了解交通流中单一车辆的状态信息，从而提高高速公路监视系统的服务水平，缩短响应时间，尽早排除影响交通流的干扰。微观监视系统和目前的交通监视系统比较，具有监视项目多，监视数量大，反应速度快的特点。1）监视项目多与宏观监视不同的是，微观监视能够获取每一辆车足够详细的信息，通过卫星定位系统、无线通信系统和汽车“智能机顶盒”，交通监视系统能够得到的信息包括：（1） 车辆的绝对位置（用经度、纬度、海拔、时间来描述）。（2） 车辆的行驶速度（包含平均速度和即时速度）。（3） 车辆的平衡（判断车辆是否翻车）。（4） 车门的状态（在发生交通事故时，可以先判断车内人员是否有可能脱险）。（5） 车辆的燃料供应（车辆抛锚时，帮助诊断抛锚原因）。（6） 车辆水箱的水位（车辆抛锚时，帮助诊断抛锚原因）。（7） 车辆驾驶室温度（车辆事故时，判断有无着火现象及着火持续的时间，由温度高低判断着火的程度）。（8） 车辆的方向（车辆方向与道路方向偏差太大，持续时间比较长时，说明有异常状况）。（9） 车辆制动系的状态（判断车辆行驶是否安全，在未发生事故时，预先向驾驶员报警，甚至强行熄火，以保证车辆的安全）。（10） 驾驶员的状态（体温、注意力等，在驾驶员注意力不集中时，进行提示或强制停车休息）。2）监视数量大提供单一车辆的微观信息对交通监控系统来说，还不能发挥整个交通系统管理的威力，当将所有车辆的微观信息进行监视时，就会有综合效应。在监控信息中心，由于掌握了所有车辆的信息，计算机控制系统的处理任务量急剧增大，对处理系统的性能有很高的要求，当一台高性能服务器不能完成处理任务时，需要用服务器群来解决大量的计算和跟踪任务。3）为自动行驶提供条件先进的交通监视系统为车辆的自动行驶创造了条件，具备自动导航功能的车辆不但拥有丰富的地理信息数据，保证在公路上行驶不脱离轨道，还需要根据道路上其他车辆的位置和行驶状况，结合本车辆的行驶目标，决定超车、换道、跟驰等行为策略。根据以上描述可知，单一车辆与信息中心的通信是未来监视系统的信息源，要实现这一目标，至少有两个约束条件：（1） 在我国地域广大、路网密度大、车辆众多的条件约束下，必须有统一的共享资源数据库，每一辆车有惟一的识别号，使该车辆能被交通监控大系统识别，为适应经济全球化的趋势，该资源数据库应与世界接轨。（2） 有发达的计算机系统，能够处理大量的数据采集任务，并根据现有的交通数据，对交通流状态进行预测，使交通管理达到较高的水平。3.4.设想场景互动式交通管理系统是基于智能机顶盒来实现的交通管理系统，出行者利用机顶盒影响和参与管理的交通管理系统。1）小李早晨起来，打开电脑，翻到交通实时监控网页，那是长春市高空交通管理系统下传的图像、车位等数据资料。可以看到，有一张市区图，在图上可以清楚地观察到各条道路的交通流量，只要点击视频还能看到某条路的现状及该路历史交通量变化曲线图。他选择了一个路线，便开动车辆上路了。2）在车上，他打开车载的交通实时图像系统。屏幕上出现一张电子车辆出行导航图，在图中的正中有一个闪亮的点，那时自己的车。前后有许多移动的黑点，那是周围的车辆。同时在屏幕上还显示前方路口交通信号灯的变化。他可以了解整个市区道路的交通现状，哪里有塞车，哪里畅通，可以根据变化的情况随时调整出行路线，开车就像玩游戏那么简单，安全、高效。该系统并不复杂，车辆电子导航系统早就普及了，在上面升级改造就行。3）小王上班要乘公交车。她并不着急。打扮好了，才打开手机翻到交通实时显示网页，那上面有公交系统单页。从屏幕上可以看到她要乘坐的282路公交车各站点人群候车情况，车辆运行情况。她在心里估计赛德广场站最近公交车到站时间，小王便迈着轻盈的脚步走向车站，有了这套系统，即使在寒冷的冬季她也不必再北风中苦苦的等待，总能及时地到达车站。这就是智能机顶盒在互动式交通管理系统中起到的作用，它能够使参与交通的主体也成为参与了交通管理，而且这种交通管理系统是范围最广、最及时、最动态、最人性化、最高效的管理模式。3.5.互动式交通管理系统现行的交通管理系统属于被动式管理，比如：在监控器或电子线圈计数器发现那条路车流多，就调整该路口信号灯节奏，做得好还可以把整条线路的信号灯进行统一调配，尽可能开发城市交通系统的效率。但是城市道路是网状的，车流是随机的，尽管我们可能监控所有路口，然而我们很难做到每条路都处于最佳状态，只能有所侧重。其实我们忽略了参与交通的主体出行者。在互动式交通管理系统中，对通过智能机顶盒收集到的所有车辆出行的线路信息同一管理，并对经过某一特定交叉口的线路进行集中分析，保证绿灯时间内车辆持续通过，避免在路口出现一个方向红灯车辆在排队，而另一条道路上绿灯没有车辆同行的情况产生。信号灯的变化是依据实际情况而产生，而不是通过对交通量统计的规律来产生。如果一条线路比较拥堵，可通过信号灯的及时调整，智能机顶盒及时把最佳路线提供给驾驶者，使车流合理的分流在沿线的各个交叉口处，从而缓解正体的交通压力。各种出行方式影响和参与交通管理的方式出行方式影响和参与交通管理的方式自驾车（包括全程乘坐出租车）提供行车起点和终点公共交通（包括部分乘坐出租车）起点、终点、倾向的交通方式步行影响车辆的信息（如横穿道路）对自驾车出行者而言，一方面，互动式交通管理系统通过智能机顶盒为出行者提供必要的交通现状和未来预测的信息，可以使其更加主动灵活的选择出行的线路；另一方面，互动式交通管理系统通过智能机顶盒为出行者在行车过程中提供道路的交通拥堵情况，可以使其根据变化的情况随时调整出行路线。对乘坐公共交通的出行者而言，互动式交通管理系统通过智能机顶盒收集公交车的信息，为出行者提供下一班车到车时间和车站候车人数的信息，方便其及时、有效的乘坐公共交通或选择其他交通方式。对步行的人而言，通过将自己的位置信息及时的提供给互动式管理系统，由互动式管理系统反馈给智能机顶盒，来减少了发生交通事故的可能，保证了行人的安全。互动式交通管理系统首先通过智能机顶盒收集所有自驾车、公共交通和步行的信息。收集的信息可分为固定交通信息和可变交通信息，固定交通信息包括公共交通的到达时间，发车时间和步行人行横道的位置信息等；可变交通信息是自驾车的行驶信息、公共交通中出租车的行驶信息和步行通过人行横道的时间信息等。1）自驾车将可变交通信息和可变交通信息相结合。例如，从A地去往B地，采用自驾行驶或全程乘出租车的交通方式。首先将起始点和终点的位置信息通过智能机顶盒自动提供给互动式管理系统，系统将所有车辆的线路的信息进行同一管理和优化，产生线路再通过智能机顶盒反馈给驾驶者。驾驶者开始驾驶，在A地去往B地的行车过程中，互动式管理系统每时每刻都在收集和反馈信息。后来的线路查询申请通过提供线路起点和终点来产生的线路，后来申请查到的线路是在已有的线路基础上产生的，当一条线路上分布的车辆趋于饱和时，互动式交通管理系统会自动选择其它道路予以替换，从而减少道路堵塞的发生。当突然出现交通事故时，互动式交通系统将重新处理所有和交通事故发生地相关的线路，然后以此时的车辆的位置为起点，原来的终点为终点，重新产生线路，并及时反馈给驾驶者，以便驾驶者对交通突发情况的及时处理。并且同时可以将事故的所在线路进行从双向通行到单向通行的转化，起到疏导交通的作用。2）公共交通将可变交通信息和固定交通信息相结合。例如，从A地去往B地，采用前半部分乘出租车后半部分乘地铁的交通方式。这是一个典型的将可变的行驶信息和固定的行驶信息相结合的例子。可变的行驶信息是出租车的行驶时间，地铁车站的车辆到达时间和出发时间，所以需要将其有效的结合起来，最终达到的效果是前半部分乘完出租车后，到达地铁站时车辆刚好到达，降低等待时间，从而达到高效的目的。固定交通信息及时有效的传达给乘客。例如，从乘客居住地到车站的距离是一确定数值，公共交通车辆到达时间是可以及时通知给乘客的，通过互动式交通系统的计算和分析，最终达到乘客到达车站候车地点就可以及时上车的理想状态，减少候车的时间。而且互动式交通系统可以通过智能机顶盒将车站的候车人数及时的提供给需要乘车的乘客，当候车人数较多，乘坐时较拥挤时，可以及时的改变交通工具。3）步行步行信息的提供可以使车辆在人行横道处更加安全有效的驶过。主要是为了协调行人和车辆之间的关系。例如，驾车高速在一条道路上行驶，因为知道前方有人行横道的存在，所以在到达人行横道前需要调整车速和驾驶的心态，十分影响行车效率和驾驶的连贯性，如果在正常需要减速的位置之前就可以通过智能机顶盒知道前方的人行横道的及时情况和车辆到达时的情况，就可以保持原速度或及时的减速行驶，避免产生不必要的减速和突然出现的行人引起的交通事故。尤其是在一些对驾驶员来说视距不好或道路较为曲折的人行横道处，更需要及时有效的提供行人过人行横道的信息。3.6.交通控制中心交通控制中心是交通控制与管理系统的神经中枢，指挥着其管理范围内的所有控制设施的运转。1）交通控制中心的功能（1） 实时自适应信号控制通过准确了解道路上的交通需求，通过匝道控制、主线控制等手段调节道路上的车辆数量。当交通量接近道路通行能力时，可暂时关闭入口匝道，引导车辆从其他通道通过。（2） 提供丰富的信息通过使用可变情报板、可变限速标志、车辆信息终端设备、个人计算机等多种途径，驾驶员可以获得交通控制中心提供的各种交通信息，改变旅行路线或日程安排。（3） 提供交通管理服务交通控制中心能够根据采集到的大量信息确认交通状态，对交通状态预测并控制交通状态，避免交通状态向不良方向发展。交通控制中心能对交通事故、道路维修、特殊的社会政治事件、发生危险等情况做出迅速反应，通过相关部门迅速介入，并提醒道路上的旅行者注意特殊的交通状况。（4） 提供交通信息共享数据库收集处理来自各种交通检测器的数据，将有关交通阻塞信息、旅行时间以及控制效果等情况存储在交通信息数据库中，地区交通控制中心能及时调用历史数据并方便地与邻近地区的交通控制中心交换信息，也可以与业务相关的其他部门交换信息，获取更丰富的交通管理数据，积累交通管理经验。从研究的角度出发，根据历史数据及采用的管理策略、管理手段，可以评估管理策略的效益。（5） 有良好的用户接口界面为使交通控制中心的各级系统协调、高效的工作，交通控制系统有良好的用户接口界面，让工作人员有科学的工作方式和良好的工作环境。2）交通控制中心系统逻辑结构组成图一为交通控制中心的基本概念结构，系统主要包括两股数据信息流。第一股数据流代表实时交通控制，它从现场收集不断变化的交通信息，同时使用信号或信息提供终端来优化交通流；第二股数据流代表交通管理，它监视目前交通状况，并致力于把这些数据反映到合适的交通控制中。图二为基于图一的信息流程图，终端控制层位于最底层，以便进行共享控制，也就是这层的计算机可以直接控制交通信号、车辆检测器、可变信号标志等。功能层是中间核心层，它根据功能分布的概念来构造，通过计算机来运行系统的主要功能，例如交通信息处理、信号控制、提供信息、紧急事件反应、交通事故反应等功能。功能层可以对其功能进行不断的改进与发展。人机接口层位于最高层，由大型信息板和控制台组成，它们通过高性能的局域网连接成网络。交通控制中心建立在交通运输信息数据库的基础上，因此它包含交通信息中心所具有的全部服务功能。交通控制中心是一个广域通信网络的轴心，这个通信网络包括中心控制系统内公路沿线所有的传感器以及信息、信号标志。同时，交通控制中心还控制其他交通信息源与信息中心的连接。交通控制中心又是先进的交通管理系统指挥中心，通过通信控制机从系统公路走廊沿线的传感器得到数据，经中心处理计算机处理并通过道路模拟显示公路交通情况与其他相关的数据，形成并更新交通运输信息数据库。交通控制中心管理控制区域内交通运行，原理可由图三表示。交通事故是道路上总车时延误的一个重要因素，这是因为发生在重交通时段的事故会造成上千辆车长时间排队等待。另外，这种事故还经常是引起接着更多撞车发生的原因。交通控制中心的一个关键功能是处理事故，所以需要使迅速的事故探测和必要控制的协调配合，来尽快恢复常规状态下的公路运营。3）一种高效的交通控制中心为了真正达到交通控制的目的，光是对车辆进行诱导是不够的，在必要时，要强制车辆按照某一路线行驶或以某一限定速度行驶。理想的控制方法是由交通控制中心指定各个车辆的行驶路线和行驶速度，并检查各个车辆是否按照控制中心分配的路线和速度行驶，这样才能真正控制交通流的状态。要达到这种管理