（管理科学与工程专业论文）智能高速公路系统需求分析与研究.pdf

中文摘要 智能运输系统( i t s ) 是世界上公认的解决交通问题的最好途径。智能高速 公路系统是i t s 的重要组成部分，是i t s 的思想和相关技术在高速公路管理中的 应用。中国正处于高速公路的快速发展时期，进行智能高速公路系统的研究非常 重要。本文对智能高速公路系统进行需求分析和研究。 本文使用i d e f 方法，作为总体规划、系统分析和系统设计的工具。i d e f 方法用自上而下的方式来构造模型，能使系统的整体效益得到充分发挥，并且十 分有利于系统的实施。 本文的研究内容概括起来有以下几个方面： 1 介绍和总结了国内外i t s 的发展历程、体系框架和研究的主要内容，以 及高速公路智能化的发展情况。 2 根据中国高速公路的特殊情况和客户的具体要求进行系统需求分析，得 到了符合实际需求的总体框架模型，根据各模块的功能和特点，将模型分成5 个层次。 3 对i d e f 方法的基本规则和建模方法进行介绍，分别应用i d e f 0 和i d e f i x 方法建立了智能高速公路系统的功能模型和信息模型，详细准确的对系统进行了 描述。 4 对系统涉及到的主要子系统进行研究，这些子系统包括高速公路电子收 费管理系统、调度控制系统、智能养护系统、事故紧急救援系统和公共信息发布 系统，给出了它们的逻辑结构、结构体系和功能模块。 最后，论文总结全文的研究工作，并指出了现存不足之处。 关键词：智能运输系统；高速公路；需求分析；i d e f 法；模型 i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i st h ea c k n o w l e d g e db e s tw a yt os o l v e t r a f f i cp r o b l e m sa l la r o u n dt h ew o r l d i n t e l l i g e n te x p r e s s w a ys y s t e mi so n ei m p o r t a n t p a r to fi t s i t st h ea p p l i c a t i o no ft h ei d e aa n dr e l a t e dt e c h n o l e g e so fi t so nt h e m a n a g e m e n to fe x p r e s s w a y i t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yi n t e l l i g e n te x p r e s s w a y s y s t e m a sc h i n ai si nap e r i o dt h a t e x p r e s s w a y i s d e v e l o p i n gr a p i d l y n o w r e q u i r e m e n to f i n t e l l i g e n te x p r e s s w a ys y s t e mi sa n a l y z e da n dt h es y s t e mi ss t u d i e di n t h i sp a p e r t h em e t h o do f l d e fi su s e di nt h i sp a p e ra st h et o o lo f g e n e r a lp r o g r a m m i n ga n d s y s t e ma n l y s i sa n dd e s i g n t h em o d e li sb u i l ti nam a n n e ro ft o p - d o w ns ot h a tt h e w h o l eb e n e f i to ft h es y s t e mc a nb eb r o u g h ti n t op l a ya n dt h eb u i l d i n go ft h es y s t e m c a nb ep r o m o t e d t h em a i nr e s e a r c h e sc a nc a r lb es u m m e du pa sf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ed e v e l o p m e n tc o u r s e ，s y s t e mf r a m e w o r ka n dm a i nr e s e a r c h e so fi t sa n d t h ed e v e l o p m e n to f e x p r e s s w a yi n t e l l i g e n t i z i n ga r ei n t r o d u c e da n ds u m m a r i z e d 2 r e q u i r e m e n t so ft h es y s t e ma r ea n a l y z e db a s e do nt h eu n i q u es t a t u eo f c h i n e s ee x p r e s s w a ya n dt h ei d i o g r a p h i cn e e d so fe x p r e s s w a yu s e r s a n dt h e na f r a m e w o r km o d e lo ft h es y s t e mi sp r e s e n t e d t h em o d e lh a sf i v el e v e l sa c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o na n dt r a i to f d i f f e r e n tm o d u l 3 b a s i cr u l e sa n dm o d e l i n gm e t h o do f l d e fa r ei n t r o d u c e d f u n c t i o nm o d e la n d d a t am o d e lo fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma r eb u i l tu s i n gi d e f oa n di d e f i xt o e x a c t l yd e s c r i b et h es y s t e mi nd e t a i l 4 m a i ns u b s y s t e m sa r es t u d i e di n c l u d i n ge x p r e s s w a ye l e c t r o n i ct o l lm a n a g e m e n t s y s t e m ，d e s p a t c hc o n t r o ls y s t e m ，i n t e l i g e n tm a i n t e n a n c es y s t e m ，a c c i d e n te m e r g e n c y r e s c u es y s t e ma n dc o m m o ni n f o r m a t i o nr e l e a s i n gs y s t e m t h el o g i cf r a m e w o r k ， c o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o nm o d u l so f t h e s es y s t e m sa r ep r e s e n t e d f i n a l l y , c o n c l u s i o n so fa l lr e s e a r c he f f o r t si nt h ep a p e ra r ed r a w n ，a n ds h o r t e g e s o f t h es t u d ya r cp o i n t e do u t k e y w o r d s ：i t s ；e x p r e s s w a y ；r e q u i r e m e n t a n a l y s i s ；m e t h o do f i d e f ；m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储虢韩编签字魄加f 年g 月加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 肄尚 签字日期：1 ，一年2 月加日 导师签名： ， 签字日期：z 。年矿月 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 交通问题是世界各国面f 临的共同问题。随着人口的增加以及私人汽车的普 及，公路交通面临的压力也日益增大。车辆拥挤、堵塞，交通事故频发以及日益 严重的环境污染似乎成了现代经济社会发展不可避免的副产品。 交通状况的恶化不仅造成了时间浪费和环境污染，也给各国带来了巨大的经 济损失。据研究报道，美国每年因交通阻塞造成的经济损失约4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失超过l o 亿美元，预测到2 0 2 0 年，因事故造成的经济损失 每年将超过1 5 0 0 亿美元。日本东京每年引交通拥挤造成的时间损失约为1 2 3 兆 日剐年。欧洲每年因交通事故、交通拥挤和环境污染造成的经济损失分别为5 0 0 - - 5 0 0 0 和5 0 - - 5 0 0 亿欧元”j 。 为了解决交通问题，各国都做出了大量的努力。解决现存的交通问题无非有 两条途径：一是加强交通基础设旌建设，增加道路的通车里程，但是随着可供修 建道路的空间越来越小，这种方法有其难以克服的局限性；二是运用新的技术和 管理方法，把车和路综合考虑，增加现有交通设施的利用效率，尽量减少各种不 必要事件如拥挤、事故的发生，这显然比第一种方法更有发展潜力，可操作性也 更强。 根据第二种解决思路，人们发展了智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ，简称i t s ) 。目前i t s 还没有统一的定义。中国智能交通系统体系框架 研究报告中定义i t s 为【2 】：在较完善的基础设施( 包括道路、港口、机场和通信) 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。 智能交通系统利用各神先进的技术实现了道路和车辆之间的互动联系，使车 辆可以在道路上安全、舒适的行驶，达到了人、车和路的协调统一，在提高运输 效率的同时，充分保障交通安全、改善环境质量、提高能源利用率。因此i t s 是 目前国际公认的解决道路交通问题的最佳途径，也是全世界交通运输领域研究的 前沿课题p j i 。 国外i t s 的发展经历了各系统单独开发应用、相互协调整合的阶段l f l l 6 1 。美 国一直致力于各种先进系统的开发研制，但直到1 9 9 3 年美国联邦运输部( d o t ， d e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ) 意识到盲目建设i t s 系统而没有统一规划的弊端， 第一章绪论 开始着手开发i t s 体系框架【”。目前欧盟、日本、澳大利亚等也针对本地区、本 国i t s 体系框架进行了研究。事实证明，i t s 体系框架的研究避免了盲目建设、 重复建设以及个分系统不能互联互通等弊端，有利于i t s 建设的系统性和整体功 能的发挥。 我国在i t s 的研究与应用上也进行了积极的探索和实践，并取得了一定的成 果。为了推动我国i t s 的健康发展，指导各省市和地区i t s 的建设，我国在“九 五”期间推出了“中国智能运输系统体系框架( 第一版) ”，在“十五”期间设立 “智能交通系统关键技术和示范工程”重大专项一课题1 5 智能交通系统体系 框架及支持开发和技术跟踪，对i t s 体系框架进行修订和深入研究【8 j 1 9 j 。但是始 终没有专门针对高速公路智能化建设的体系框架和总体规划。 自1 9 9 7 年以来，由于国民经济的高速增长，我国高速公路的发展呈现出较 快的增长趋势，平均通车里程都在4 0 0 0 公里，年左右。到2 0 0 5 年底，我旨高速 公路总长达到了4 1 万公里，居世界第二位。根据国家高速公路网规划，今 后3 0 年，我国将斥巨资进行高速公路建设，高速公路的总规模将达到约8 5 万 公里【1 0 1 。高速公路不仅是交通运输现代化的标志，也是一个国家现代化的重要 标志。 高速公路以其大流量、快速、安全等特点已在道路交通中扮演了重要的角色 并得到迅速的发展，为改善我国交通运输状况及推动国民经济的发展作出了巨大 的贡献。我国高速公路已经开始由大规模建设期逐渐向建设与原有系统改造并举 阶段过渡，并朝着以信息化带动智能化的方向前进j 。 但我们也应该看到，我国高速公路的管理明显滞后于高速公路的建设。交通 拥挤和堵塞在有些地段十分严重，拥挤包括收费站收费等因运行因素和几何因素 造成的常发性拥挤以及道路维修等随机事件造成的偶发性拥挤，这使得高速公路 不高速成了很多人对高速公路的直接感受；交通事故不时发生，因为高速公路的 特点决定了一旦发生交通事故，就很可能是重大，恶性事故，造成巨大的损失； 空气污染、交通噪声以及能源消耗问题由于行车的不顺畅而加刷。这些问题的出 现使得理想中高速公路“安全、快速、高效、舒适、方便”的特点无从体现。这 些问题的解决是一个复杂的系统工程，只有通过建立高效的智能高速公路系统， 才能缓解和消除部分问题的出现。智能高速公路系统是i t s 的重要组成部分，是 i t s 的思想和相关技术在高速公路管理中的应用。 我国在高速公路建设和管理过程中已经意识到这些问题的严重性，并且希望 通过积极推动高速公路智能化的建设来解决这些问题。但是由于我国的i t s 建设 有与基础建设同行、分地区分阶段发展以及i t s 产品近期的应用等特点l l ”，使 得各省在高速公路智能化建设过程中，普遍存在着急功近利，缺少长远目光的弊 第一章绪论 端。注重机电设施建设，忽略了应用系统的建设，造成很多机电设施功能得不到 充分发挥，资源浪费。分系统建设缺乏整体意识，往往因为某一方面需要就建设 一个系统，而没有考虑到与以后可能建设的其它系统之间的连接和融合。这种缺 乏规划，由下及上的建设方式必然造成各分系统各自为政，相互之间信息不能完 全共享，甚至会形成“信息孤岛”，制约整个系统功能的发挥。 鉴于高速公路在交通运输中发挥的重大作用以及高速公路智能化建设方面 存在的问题，有必要开展高速公路智能化建设体系框架和总体规划的研究，从发 挥系统的整体效益出发，采用由上及下的方式对系统进行设计，克服目前建设中 普遍存在的弊端，为我国高速公路智能化建设提供有益的借鉴，这也是本论文研 究的意义所在。 1 2 研究方法和研究思路 1 2 1 建模方法选择 智能高速公路系统是一个复杂巨系统。对于复杂对象的研究，人们往往从建 立模型开始。因为模型是对实际对象或系统的抽象及简化表示，是抽取了服务于 我们研究目标的对象的本质特征，忽略或精简了一些次要的非本质的影响因素后 的对象表示法。这种表示法的形式可以是数学公式，可以是缩小的物理装置，可 以是图形表格，也可以只是对某些特性或规则的语言文字的叙述i l ”。本文主要 是针对智能高速公路系统进行分析和设计，因此研究方法实际上就是建模工具的 选择问题。 从现有的文献来看【1 2 】【1 4 1 ，对i t s 的建模多采用文献1 2 中使用的逻辑框架模 型和物理框架模型，而智能高速公路系统的建模还停留在简单的建立系统框架模 型阶段，尚无深入研究。现在的逻辑框架模型和物理框架模型对于系统分析有相 当大的作用，但是并不适合指导高速公路智能化建设的实施，因为各功能模块的 层次及其相互之间的联系不能明确表示出来，会使建设无从下手。而简单的系统 框架模型更对系统的建立无太大的实际帮助。因此这两种建模方法作者认为都不 适合用于智能高速公路系统的建模。 本文将尝试使用1 d e f 方法，作为总体规划、系统分析和系统设计的工具， 建立智能高速公路系统的功能模型和信息模型。i d e f 方法是在结构化分析方法 基础上发展起来的复杂系统分析与设计方法i l 钏1 1 ”。i d e f 方法有一整套简单而完 善的图形符号用于建立系统模型，十分易于系统分析和设计人员使用。i d e f 方 法是自上而下的，它有清楚的规则用于功能分解，各功能模块的层次及其相互之 问的联系能够清晰的表达出来。i d e f 方法适于系统斋求描述及随后的实施，有 第一章绪论 很强的实用性，这也正是以上两种建模方式所欠缺的。 通过以上分析可以看出，选用i d e f 方法作为智能高速公路系统总体规划、 系统分析和系统设计的工具是比较合适的。 1 2 2 研究思路 本文的研究思路如下图所示： 总结国内外i t s 及高速公路智能化的发展概况 进行系统需求分析，确定系统的总体框架 j 用i d e f 0 建立系统的功能模型 j 用i d e f l x 建立系统的信息模型 j 探讨系统涉及的丰璺技术 图1 1 本文的研究思路 1 3 研究内容和主要创新点 1 3 1 研究内容 本文主要是用i d e f 方法建立智能高速公路系统的模型，并对系统进行深入 分析，以期为我国的高速公路智能化建设提供有益的借鉴。 第一章是绪论。主要介绍了研究背景和意义、研究方法和研究思路以及研究 内容和主要创新点，确定了论文的整体框架结构。 第二章是对国内外i t s 及高速公路智能化发展概况的介绍。通过介绍我们可 以看到i t s 的发展历程，各国和地区i t s 的体系框架和包含的主要内容，特别是 高速公路智能化的发展情况对我们确定智能高速公路系统的构成有很重要的参 考价值。 第三章是对系统的需求分析和总体框架的确定。综合国内外发展概况，对用 第一章绪论 户需求进行详细的分析，确定系统应该包括的基本功能模块，以及各模块之间的 联系。建立系统的总体框架，把整个系统分成5 个部分。 第四章是用i d e f 0 方法建立系统的功能模型。首先介绍了i d e f 系列的成员 及其主要用途和i d e f 0 方法的基本规则和使用方法。然后用i d e f 0 方法按照从 上到下的分解原则不断的细化系统的功能，清晰的表现出各功能的输入输出、制 约因素及支撑条件。最后详细描述了各功能模块的功能及其相互之间的数据接 口。 第五章是用i d e f l x 方法建立系统的信息模型。首先介绍了i d e f i x 方法的 特性、基本结构和基本规则，然后建立系统的信息模型，来表述系统中各实体的 属性及其相互间的联系，这也是为系统数据库的建立提供依据。 第六章是对系统涉及到的主要子系统进行分析和研究。这些子系统包括高速 公路电子收费管理系统、调度控制系统、智能能养护系统、事故紧急救援系统和 公共信息发布系统，给出了每个子系统的逻辑结构、结构体系和功能模块。 第七章对研究成果进行了总结，并指出了研究中尚存的问题。 1 3 2 主要创新点 本文的创新之处有以下几点： ( 1 ) 根据中国高速公路的特殊情况和客户的具体要求进行需求分析，对传 统i t s 所包含的服务内容进行取舍，得到了符合实际需求的总体框架 模型。 ( 2 ) 将广泛应用于企业并取得良好效果的c i m s 集成管理的思想和i d e f 建模方法应用于智能高速公路系统的分析与设计。自上而下的方法能 最大化发挥系统整体效益，并且十分有利于系统的实施。 ( 3 ) 在参考已有文献的基础上，对一些应用子系统的设计做了开创性的研 究，会对今后的深入研究提供可借鉴的思路和方向。 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 2 0 世纪6 0 年代末，美国就开始了智能运输系统方面的初步研究，之后，欧 洲、日本等也相继加入了这一行列。经过几十年的发展，美国、欧洲和日本成为 世界i t s 研究的三大基地。中国在2 0 世纪7 0 年代末开始对交通管理技术进行研 究，随着近些年交通基础设施建设的大力发展，我国i t s 的研究与应用也在逐步 加快，并取得了一定成果。本章将对上述国家和地区i t s 的发展概况以及i t s 在 高速公路上的应用现状进行分析，以期对我们确定智能高速公路系统的整体框架 有所帮助。 2 1 美国 2 1 1 美国i t s 的发展现状 美国是最早开展i t s 研究的国家，从1 9 9 1 年的陆上综合运输效率化法案 ( 简称冰茶法案或i s t e a ) 【l9 】到1 9 9 8 年的面向2 1 世纪的运输平衡法案( 简 称t e a 2 1 ) 1 2 ”。i t s 的发展重点由i t s 研究开发转移为i t s 基础设施实施和集成。 这是对美国i t s 发展具有划时代意义的两部法案，从立法的高度，统一规划美国 i t s 的发展，制定投资计划。 由于继t e a 2 1 颁布后发布的美国五年i t s 项目计划( 1 9 9 9 2 0 0 3 ) ( n a t i o n a l i t sp r o g r a mp l a n ：f i v e y e a rh o r i z o n ) 即将到期，美国交通部要求美国智能交通 协会i t s a m e r i c a 组织制定美国十年i t s 项目计划( n a t i o n a li t sp r o g r a m p l a n ：a t e n y e a r v i s i o n ) 。该计划的终稿2 0 0 2 年1 月已发布。该计划展望了i t s 的发展蓝图，制定了美围i t s 的确切目标：在i t s 的主题领域( 技术领域一综 合交通信息网络，先进的车辆防撞技术，自动车辆碰撞和事故探测、通知和反应， 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，分析i t s 的 状况，发展机遇、效益和挑战，提出应开展的行动，对主要的i t s 参与者( 政府 部门、私有企业、大学) 发出了行动号召。 与t e a 2 1 中的项目领域定义相对应，下面从四方面来概述目前美国i t s 实 施水平和研发状况1 6 】| 】8 】i ”。 ( i ) 城市i t s 基础设施实施 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 1 9 9 6 年1 月，美国交通部菲德瑞克佩纳部长宣布了于2 0 0 6 年在美国7 5 个大都市实施综合的城市i t s 基础设施的目标。目前，美国城市i t s 的发展正朝 这个目标迈进。根据最新的调查结果，美国总的城市i t s 集成化实施水平逐年提 高。在最初的7 5 个大城市中，1 9 9 7 年集成化实施水平为高、中、低的城市分别 为1 1 、2 5 、3 9 个。1 9 9 9 年集成化实施水平为高、中、低的城市则分别为2 2 、2 7 、 2 6 个。截至2 0 0 0 年集成化实施水平为高、中、低的城市分别转变为2 4 、2 8 、2 3 个。而2 0 0 5 年的目标是达到实施水平为高、中、低的城市分别为5 0 、2 5 、0 个。 ( 2 ) 乡村州际i t s 基础设施实施 美国村镇地区尽管人口很少，却拥有全美8 0 的公路里程数和4 0 的出 行车公里数。乡村州际环境下的交通服务有许多不同于城市环境的特点和需求， 面临的主要挑战在于乡村出行条件的多样化、出行者种类及需求的多样化和系统 维护费用。尽管有些解决城市交通问题的i t s 技术在乡村州际环境下也是有效 的，但是乡村州际i t s 实施的市场结构、应用部署和驱动因素却与城市i t s 实 施大不相同。总的来说，美国乡村，州际i t s 实施还处于有限的水平，目前还主 要以研究和运营测试为主，项目领域主要集中于出行者信息、公共安全、天气与 冬季行车、交通事故预防、公交协作等方面。 ( 3 ) 商用车辆i t s 基础设施实施 商用车辆i t s 基础设施实施的重点在于商用车辆信息系统和网络 ( c o m m e r c i a lv e h i c l ei n f o r m a t i o ns y s t e m sa n dn e t w o r k s ，简称c v l s n ) 的实施。在 t e a 2 1 中提出了截至2 0 0 3 年9 月在美国大多数州实施c v i s n 的目标。目前美 国正向这个目标迈进。c v i s n 项目的宗旨在于在减少商用车辆运营和管理费用 的同时提高商用车辆及其驾驶员的安全和生产率。它提供了一套标准化的通讯设 施来保证商用车辆信息收集和管理的有效性。c v i s n 包括三方面：安全信息交 换、电子认证管理和电子检查。能够提供c v i s n 最初运营能力的实施水平我们 称为一期实施水平。由于c v i s n 的目标在于在全美范围内实施统一的数据交换 设施，因此它的实施与其它i t s 集成项目有所不同，需要各州以更强的统一性规 划和实施。因此美国交通部推荐各州遵照统一的实施途径，定义实现c v i s n 的 三个步骤：规划、系统设计和实施。目前美国有4 2 个州参与实施c v i s n ，马里 兰州和佛吉尼亚州，作为两个原型州，基本完成了第三步实施，正处于测试阶段： 另外有八个示范州( 加里福尼亚、科罗拉多、康乃狄克、肯塔基、密西根、明尼 苏达、奥勒冈、华盛顿) 已完成c v i s n 的规划和系统设计，进入实施阶段其 中肯塔基州已接近实施完成。 ( 4 ) 智能车辆行动计划( i n t e l l i g e n t v e h i c l e i n i t i a t i v e ，简称i v i ) 1 9 9 8 年t e a 一2 1 批准智能车辆计划为美国交通部i t s 项目的一部分。i v i 的宗旨在于通过加速于 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 改善三种驾驶条件( 正常条件、恶化驾驶条件、撞车极易发生条件) 下、四种车型 ( 轻型车辆、商用车辆、公交车辆、专用车辆) 和八个主要领域的交通安全问题。 这八个领域分别是防止追尾碰撞、防止变换车道汇流情况下的碰撞、防止脱离 道路情况下的碰撞、防止交叉口碰撞、提高可见度、车辆可靠性、驾驶员状况警 告、一些服务的安全影响评价( 如路线诱导和导航系统、自适应驾驶系统、自动 事故警告、无线电话、车内计算和商用车辆诊断系统等的安全影响评价) 。 2 0 0 1 年，美国交通部分别联合福特汽车公司、通用汽车公司。v o l v o 北美卡 车公司密执根大学明尼苏达大学等各种部门，在车内信息系统安全影响评价 方面、驾驶条件恶化方面、防撞技术方面开展了多种实地测试。政府、公司、大 学的多方参与体现了良好的公私合作关系。 2 1 2 美国高速公路智能化的现状 美国在高速公路智能化建设【1 7 1 1 9 1 1 2 0 1 方面走在了世界前列。在美国的国家i t s 体系框架中，先进的乡村运输系统( a d v a n c e dr u r a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，a r t s ) 是其中很重要的一部分。它将i t s 技术与方法应用到乡村和城镇的运输环境中， 其中很大一部分内容是在高速公路上应用各种其他i t s 类别的技术。 f 1 ) m a g i c 项目 美国交通部( u s d o t ) 根据1 9 9 1 年的i s t e a ( 全称) ，实施了优先通道工程， 指定下列四条干道为“优先通道”：休斯顿通道、i 一9 5 东北通道、中西部( 葛里 芝加哥密尔瓦基) 通道和南加利福尼亚通道。计划6 年完成，投资5 亿 美元。 1 9 5 东北通道是州际9 5 号干道的一部分，它将南部的马里兰州、东北部 的康乃狄克州的公路连接起来。都市区诱导信息与控制( m e t r o p o l i t a na r e a g u i d a n c ei n f o r m a t i o na n dc o n t r o l ，m a g i c ) 是新泽西的a t m s ( a d v a n c e dt r a f i c m a n a g e m e n ts y s t e m ) 的主要项目，它的目标是减少整个通道的交通拥挤，从而减 少车辆废气排放。 m a g i c 包括检测公路条件、支持交通管理和为旅行者提供咨询的一系列分 量，包括可变信息提供、公共信息亭、紧急事故管理、公路咨询、信号系统、视 频监视、电子收费和交通管理、交通信息中心等等。 m a g i c 利用检测系统来检测公路的交通流量和速度、利用专家系统来进行 道路交通紧急事件管理，利用匝道控制仪来控制车辆进入通道、利用v m s 和公 路咨询广播为通道的驾驶员提供信息。作为新泽西州i t s 的核心部分和作为纽约 都市区的公路管理系统的一个重要部分，m a g i c 在这两个地区的i t s 中起着引 导作用。 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 但) 阿拉斯加的乡村公路i t s 在阿拉斯加，为了保证乡村运输系统有效而且安全，开始应用先进的技术来 管理和引导交通、检测和管理交通事故，提供车辆定位、停车场、服务场所、娱 乐点和天气条件信息等。阿拉斯加的乡村公路系统的i t s 的概念模型包括了 g p s 、a v i 、车载诱导、事故管理和双向通信等技术的应用。 阿拉斯加a r t s 体系结构的用户服务分析结果如下：( 1 ) 基本的信息需求： 道路条件、天气条件、服务、工事、路径诱导等：( 2 ) 有关安全的主要问题：错 误的旅行方向；特殊危险物品运输、速度限制、驾驶员损害、危险情况、事故检 测和管理等；( 3 ) 商用车辆运营服务需求：商用车辆电子通关、自动路边安全检 查、车载安全监测、商用车辆管理、危险物品事故报告、商用车队管理等。 ( 3 ) “明尼苏达向导之星”项目 “明尼苏达向导之星”项目于1 9 9 1 年提出，首先对于旅行者的需求进行了 识别和排序。1 9 9 4 年完成了其领域研究。1 9 9 5 年进行了全州范围系统的体系结 构研究，因此这个系统的特点是保持城市和乡村在系统结构上的一致性，只是乡 村系统更突出增加交通运输的安全性。系统将从时间和空间上分阶段实施。如 1 9 9 8 年要实施4 个中等城市的运输中心( 1 o c ) 。每个t o c 将包括下列要素：城 市高速路管理、乡村高速路管理、不同交通管制部门间信号系统的集成、公共货 运系统、在城市街道上的公共交通优先、公共运输部门的协作、旅行者信息系统。 乡村运输安全性的加强表现以下服务的强化：( 1 ) 道路与天气信息服务。通 过无线电可接收到的报道或者电话，提供最新的及预测的路况与气象信息。这些 服务也可以通过广播热线服务、车载装置、可变信息标志等实现。( 2 ) 呼叫附加 项目服务。应用g p s 、蜂窝通讯、车载计算机与传感技术，使其在发生事故时， 可以自动通知事故救援队、告知事故地点与事故严重性。目前这个系统已经在明 尼苏达r o c h e s t e r 6 0 k m 范围内开始运行。 ( 4 ) “先进的乡村运输信息与协调( a r1 r i c ) 系统”项目 明尼苏达的另一个a rt s 是“先进的乡村运输信息与协调( a rt i c ) 系统”， 它实现并评价一个在明尼苏达东北部的为交通运营与道路紧急事故管理设置的 联合通讯系统。 通讯系统将明尼苏达公路巡查部门、明尼苏达d o t 与参与运输经营者联系 起来，使他们完全集中于一个中心，以缩短对事故与路面紧急情况的响应时间， 提供实时的运输车辆状况与时问信息，提高服务效率，压缩多余的通讯系统。将 自动的车辆定位装置安装在紧急救援车辆、运输车辆以及志愿者的私家车上。这 一系统通过最新的车辆定位装置和可用的信息调度车辆，在变化的事故条件下， 对系统用户的在途请求的迅速响应提供通讯保证。项目的目的可归纳为：协作 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 和共享资源、改善运输系统、改善用户和汽车的安全性。 2 2 欧洲 2 2 1 欧洲i t s 的发展现状 由于欧洲的特殊性，欧盟意识到欧洲i t s 1 j 【3 】f 16 】【2 习的成功实施必须依赖全欧 成员国各个层次上的协调合作。1 9 9 6 年7 月欧盟正式通过了跨欧交通网络 ( t e n t ) 开发指南，标志着欧盟开始采取一系列措旌致力于通过交通信息促 进信息社会的发展，致力于开发跨国界的服务。作为欧盟交通政策的重要部分， 指南专门提到了用于交通管理的信息通讯基础设施和交通信息服务，进一步肯定 了i t s 有效提高道路交通效率、改善安全和实现可持续性的作用。 l9 97 年制订的欧盟道路交通信息行动计划是欧洲i t s 总体实施战略的 一部分，该行动计划涉及到研究开发、技术融合、协调合作和融资、立法等多方 面，提议了i t s 的五个关键优先发展领域，即基于r d s - - t m c ( r a d i od a t as y s t e m 一1 豫f - 咱cm e s s a g ec h a n n e l ) 的交通信息服务、电子收费、交通数据互换与信息 管理、人机接口和系统框架。其他优先性开发还包括出行前和出行信息及诱导、 城问与城市交通管理、运营和控制、公共交通、先进的车辆安全控制系统、商 用车辆运营。 2 0 0 0 年的电子欧洲行动计划目的在于在交通等关键领域推动欧洲向信 息社会发展，提供了一系列欧盟的政治决策和各成员国及私有企业的行动计划， 为大量i t s 项目的实施铺平了道路，促进欧洲i t s 得以快速发展。 2 0 0 1 年9 月欧盟制定了 2 0 0 1 2 0 0 6 各年指示性计划( 简称m i p ) 来加大 实现跨欧交通网络的投资力度，道路交通i t s 和大型基础设施项目。空中交通管 理、伽利略卫星导航定位系统计划( g a l i l e op r o g r a m ) 均纳入优先投资部分，其 中的t e m p o ( t r a n s - - e u r o p e a ni n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e mp r o j e c t s ) 计划部分专 门协调道路交通i t s 相关的项目。 为了创造全欧i t s 产品与服务的一体化市场，2 0 0 1 年欧盟在其未来l o 年的 交通政策白皮书一欧洲2 0 1 0 交通政策：决策的时刻中纳入了i t s 计划， 提出了实现i t s 体化市场的建议，着重强调了i t s 在许多方面中将成为欧洲交 通不可分割的一部分，尤其说明伽利略计划是欧洲目前的关键需求。伽利略计划 在2 0 0 2 年3 月2 6 日已由欧盟i5 国交通部长会议正式启动。 欧洲的i t s 应用针对于综合运输。在道路交通领域，欧盟正积极促进以协调 一致的方式在全欧实施i t s 。伽利略卫星导航定位系统计划将成为道路交通i t s 发展的主要推动力。在航运领域，统一的欧洲航运计划( t h es i n g l es k yp r o g r a m ) 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 将提高欧洲空中交通能力和实现欧洲各国航运的融合；在水运领域，i t s 实施着 重于安全和发展近海运输两方面；在铁路领域，开发重点在于系统的通用性和标 准化，正在开发的欧洲铁路交通管理系统( n ee u r o p e a nr a i l w a y st r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e r t m s ) 将使欧洲大陆上运行的列车处于一体化管理。 欧盟在1 9 9 5 年至2 0 0 0 年资助的跨欧交通网络项目分为三类：( 1 ) 欧洲范围 内项目：覆盖整个欧洲，集中于e t c 系统，交通信息领域；( 2 ) 欧洲一区域项目： 覆盖接壤成员国，集中于交通管理和交通信息领域：( 3 ) 成员国或地区项目：覆 盖各成员国或地区，集中于交通管理和交通控制领域。 欧盟在推动和导向欧洲i t s 协调实施中具有不可替代的作用。尽管多数成员 国实施了先进的道路交通管理系统，开始提供交通信息服务，但在2 0 0 1 年前欧 洲i t s 项目实施仅存在有限的协作，为此，欧盟制定了t e m p o 计划继续资助跨 欧交通网络中的五个“欧洲一区域项目”( s e r t i c o r v e l r r e a r t s c e n t r i c o v i k i n g ) 。另外还加入了“s t r e e t w i s e ”项目予以资助以促进相邻国之间的 协作，从而保证协调一致的实施欧洲i t s 系统。实现在全欧道路交通网络内提供 i t s 服务。这些项目研究主要致力于实施高质量的监控设施以提供可靠的i t s 服 务，建立交通中心构成的欧洲网络。通过交通管理和控制解决交通瓶颈问题，提 供高质量的交通信息服务，加强货物运输的安全和效率，开发通用、高效的电子 收费系统和通过事故和紧急事件管理改善道路安全及效率。项目共覆盖了1 4 个 成员国。 欧洲i t s 体系框架构成如下： 1 ) 用户需求 欧洲i t s 用户需求覆盖了框架体系结构和最终i t s 的各种不同的方面： ( 1 ) 用户需求分析强调了需要由框架体系结构完成的一些关键的优先的方面 框架体系结构必须独立于目前的技术，以便为了适应未来的技术发展；框架体系 结构应该从全欧洲的角度出发而不应局限于一个组织或一个地区结构；框架体系 结构必须便于标准系统的建立，适合于各种服务商的服务和制造商的设备。 ( 2 ) 其他的与i t s 的实施、质量需求和限制有关的用户需求。无论所考虑的 服务如何，他们对于所有的i t s 系统和子系统来说都足相同的，都应是有效的。 主要包括信息、设备和基础设施的兼容性，服务在时间和空间上的连续性，避免 不必要的费用，系统的可维护性和可扩展性、系统的安全性、用户友好性等。 ( 3 ) 用户需求的主要部分与i t s 所提供的功能相关。欧洲i t s 用户需求被分成 十组： 一般领域包括前面所描述的框架结构的特征和质量等； 基础设施的规划和维护包括与长期规划有关的活动及基础设施的 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 维护等； 法律约柬一包括与交通法规和规章有关的活动及证据的收集； 财政管理主要与支付交通及出行服务费用的活动有关包括交易方 式、它的强制性及国家税收的分配等； 紧急事件服务包括盗窃车辆的管理紧急车辆的优先权及危险货物 事故管理等； 旅行信息和导航包括所有涉及出行前及出行途中的信息处理的活 动，以及出行方式的选择和换乘及路线导航等； 交通、事故和需求管理由与交通控制事故管理及需求管理有关的 活动组成。包括监控、规划、交通流控制、意外管理、速度管理、车道 及停车管理、高利用率车辆的管理、道路收费及入口控制以及为交通弱 者提供便利； 智能汽车系统由车辆内的功能组成，主要包括视野的扩展、横向和 纵向防撞、车道保持、车队行进、速度控制； 商用车和车队管理包括法定数据的采集和报告、定单及文件管理、 规划，日程监控、操作管理、车辆和货物安全、以及多式联运的管理； 公共交通管理包括需求响应及普通公共交通、途中实时信息及出行 者安全车辆管理、调度和监控、信息处理、通信及公交优先等。 2 ) k a r e n 功能体系结构 功能体系结构定义和描述了一个系统为了满足一系列用户需求所必需的功 能。k a r e n 功能体系结构描述了欧洲i t s 满足k a r e n 所列举的用户需求的功 能及这些功能如何与外部世界联系起来，特别是与i t s 使用者之间的联系，它也 描述了i t s 中使用的数据。 k a r e n 以一系列功能领域的方式描述了i t s 的功能体系结构每个功能领 域都定义了功能及数据库这些数据库与终端相联系，这些联系就是通常所说的 数据流。 终端可以是一个人一个系统一个物理实体，从它们可以获得数据。例如 一个驾驶员可以是一个终端或者是个人或公共驾驶员或者是紧急车辆、商用车 辆或危险货物车辆的驾驶员。一个终端定义了由体系结构模拟的系统所期望外部 世界所做的事情，提供了终端期望提供的数据及由系统提供给它的数据。 在最高层次上k a r e n 功能体系结构由一系列功能领域组成： 提供电子付费； 提供安全和紧急情况处理； 交通管理： 第二章国内外i t s 及高速公路智能化现状分析 管理公共交通运营者； 提供先进的驾驶便利； 提供出行者旅行辅助； 为法律强制提供支持； 货物管理和车队调度。 k a r e n 为每个功能领域开发了数据流图。数据流图显示了每个领域的功能 是怎样被分成高级和低级功能的。数据流图还显示了这些功能是如何联系在一 起，如何与不同的数据库联系在一起及如何通过数据流与终端联系在一起。 k a r e n 开发的所有体系结构模块都与用户需求紧紧地联系在一起，它提供了系 统模块与用户需求之间的通道。体系结构的用户