（通信与信息系统专业论文）its系统分析与自动车辆定位.pdf

j ! 室堕窒堕丕奎兰堕主堂垡堡壅 摘要 本文对i t s ( 智能交通系统) 进行了全面的分析，建立了i t s 的信息模型，介绍了 自动车辆定位( a v l ) 的核心定位和通信技术，理论和实践两方面研究了d g p s 差分 改正数的更新率对定位精度的影响，介绍了a v l 中无线数据传输的方法，完成了f s k f m 组合调制解调的特性及相关参数选择的研究，引入了o f d m 并行数据传输的概念，提出 了錾于话音信道利用o f d m f m 传输1 9 2 k b p s 的方法， 拟集群通信、纠错编码、分组同步的北京公交车辆定位 几个方面： 、模 以下 在详细分析i t s 的组成及研究内容基础上，提出了从学科、服务、网络等角度进行 系统分析的方法，并以广义信息的观点提出了i t s 的信息模型，介绍了i t s 中的信息技 术四基元。 在介绍了a v l 主要作用的基础上，总结了a v l 目前主要的两大用途，分析了a v l 的技术体系结构和两大核心技术。为实现a v l ，研究了g p s 定位方法以及伪距定位误 差，尤其是s a 信号的时间相关特性，从s a 信号的a r m a 模型出发分析了差分改正数 更新周期与定位精度之间的关系，并用实验验证了所得出的结论。 本文全面介绍了a v l 系统可以采用的无线数据传输方法，基于话音信道分析了a v l 中常用的f s k f m 组合调制解调特性，给出了发射功率、副载波调制频率与调制信号频 率对信号接收的误码特性影响。 在分析移动环境下数据传输以及串行数据传输特点的基础上，介绍了并行数据传输 的概念和o f d m ，提出了基于话音信道可传输1 9 2 k b p s 的o f d m f m 组合调制解调方 法，给出了具体的子信道划分方法。 在研究a v l 多用户系统中广播同步方法的基础上，提出了能够提高正确同步概率的 虚拟同步法、分组同步法和组合同步法，分析了选取广播同步码以及利用虚拟同步法时 的注意事项。 在理论联系实际的基础上，设计并完成了北京公交车辆定位系统，使上述研究成果 如d g p s 、组合同步法、f s k f m 组合调制解调等得到了成功的应用。提出了在该系统 i ! 室堕窒堕丕查兰堕主堂垡笙塞 中利用模拟集群通信中的组呼、专用信道传输车辆信息的方法，并将组合定位、基于地 图的信息处理、纠错编码等其他技术成功地应用于该系统中，得到了良好的效果o 、 关觚! 紧篓燮t s 自动车辆定位枷n 嗍瑚。m m ， r， 、 、 同步k 集群紊统 、 l l 北塞塾窒堕蒌查兰堡主堂堡堡壅 一 一一。 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h eg e n e r a la n a l y s i s o fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m ( i t s ) i sg i v e n ，t h e i n f j m a t i o nm o d e lo fi t si se s t a b l i s h e d a n d t h ec r u c i a lt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cv e h i c u l a r l o c a t i o n i n c l u d i n gp o s i t i o n i n g a n dc o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e d t h ei n f l u e n c e o f c o r r e c t i o nu p d a t i n gr a t ef o rp o s i t i o np r e c i s i o ni ss t u d i e df r o mt h e o r ya n dp r a c t i c e w i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nm e t h o d si nt h ea v la r es u m m a r i z e d ，a n dt h e r e s e a r c ho ff s k f m i n t e g r a t e d m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ni s c o m p l e t e ds u c h a si t s p e r f o r m a n c e a n dt h e s e l e c t i o no fr e l a t e dp a r a m e t e r s p a r a l l e l i n gd a t at r a n s m i s s i o na n do f d mi si n t r o d u c e dh e r e a n dt h em e t h o do ft r a n s m i t t i n g1 9 2 k b p sd a t ab a s e do nf m a n a l o g u ev o i c eb a n di sp r o p o s e d t o o t h ea v l si nb e i j i n gp u b l i ct r a n s p o r tc o m p a n yi sd e s i g n e da n da p p l i e di np r a c t i c e t h em a j o rw o r ko f t h i sp a d e ri sa sf o l l o w s ： b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so fa r c h i t e c t u r ea n dr e s e a r c hc o n t e n to fi t s ，t h em e t h o do f s y s t e ma n a l y s i s f r o mt h ev i e wo fd i s c i p l i n a r y ，s e r v i c ef u n c t i o na n dn e t w o r kh i e r a r c h yi s p r o p o s e d i na d d i t i o n ，i n f o r m a t i o nm o d e lo f i t si sp r o p o s e df r o mt h ev i e wo fg e n e r a l i z e d i n f o r m a t i o n ，a n df o u re l e m e n t so fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi ni t sa r ed e s c r i b e d o nt h eb a s i so fm a i na c t i o n ，t w op r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t w oc o r et e c h n o l o g i e sa n da r c h i t e c t u r e o fa v la r es u m m e du p t or e a l i z ea v l ，g p sp o s i t i o n i n gm e t h o da n dp s e u d o r a n g e l o c a t i o ne r r o ra r e s t u d i e d ，e s p e c i a l l y t h et i m ec o r r e l a t i o no fs as i g n a l a n a l y s i sa n d v e r i f i c a t i o no ft h er e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t i a l c o r r e c t i o n u p d a t i n gc y c l e a n dl o c a t i o n p r e c i s i o nf r o ma r m a m o d e lo fs aa n d e x p e r i m e n ta r ec o m p l e t e di n d i v i d u a l l y w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm e t h o da p p l i e di na v l si se n t i r e l yi n t r o d u c e da n dt h e nf s k f m b a s e do nv o i c eb a n di s a n a l y z e di n c l u d i n gm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo f s i g n a tp o w e r , s u b c a r r i e rf r e q u e n c ya n ds i g n a lf r e q u e n c yf o rb i te r r o rr a t ei nr e c e i v e r t h ef e a t u r e so fm o b i l ea n ds e r i a l d a t at r a n s m i s s i o na r ed e s c r i b e da n dt h e n p a r a l l e l d a t a t r a n s m i s s i o na n do f d mm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d i n d i v i d u a l l y b a s e do nv o i c eb a n d ，t h e 19 2 k b p sd a t at r a n s m i t t i n gm e t h o d u s i n go f d m f mi sp r o p o s e da n ds u b c h a n n e lp a r t i t i o ni s i i i 北京航空航天大学博士学位论文 g i v e n i nd e t a i l t h eb i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo f t h ep a r t i t i o ni sa n a l y z e d b a s e do nt h es t u d yo f b r o a d c a s t i n gs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o di nm u l t i u s e rs y s t e mo fa v l ，t h e i m p r o v i n g m e t h o d i n c l u d i n gv i r t u a ls y n c h r o n i z a t i o n ，p a c k e ts y n c h r o n i z a t i o na n d c o m b i n a t i o n s y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e do n eb yo n e t h e i rp e r f o r m a n c eo fc o r r e c ts y n c h r o n i z a t i o ni s b e t t e rt h a n o r i g i n a lb r o a d c a s t i n gm e t h o d ，w h i c hi s v e r i f i e dt h r o u g l lt h e o r e t i c a l a n a l y s i s r e l a t e dq u e s t i o n sa b o u tc h o o s i n gs y n c h r o n i z a t i o nc o d ea n d u s i n g v i r t u a lm e t h o da r ea n a l y z e d c o n c i s e l y p u b l i ct r a n s p o r tv e h i c u l a rp o s i t i o n i n gs y s t e mi nb e i j i n gi s d e s i g n e da n dc o m p l e t e d m a n y t e c h n o l o g i e s i n t r o d u c e da b o v es u c ha sd g p s ，c o m b i n a t i o ns y n c h r o n i z a t i o nm e t h o da n d f s k f m i n t e g r a t e dm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，e t c a r es u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h i ss y s t e m ， t h em e t h o do f t r a n s m i t t i n gv e h i c u l a ri n f o r m a t i o nu s i n gg r o u pc a l l i n ga n ds p e c i f i e dc h a n n e l i na n a l o g u et r u n k e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s p r o p o s e da n da p p l i e d o t h e rt e c h n o l o g i e s s u c ha sd g p s d rm e t h o d ，i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gb a s e do nd i g i t a lv e c t o rm a pa n de r r o r c o n t r o lc o d i n gu t i l i z e di ni ta r ei n t r o d u c e dt o o t h es c h e m ef e a s i b i l i t yi sa p p r o v e db yt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n r e s u l t k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n ，d g p s ，m o d u l a t i o n ， o f d m f m ，s y n c h r o n i z e ，t r u n k e dc o m m u n i c a t i o n 本人声明 我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完 成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 姓名t 杨东凯 签名：朽革轧 日期l2 0 0 0 年7 月 北京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 1 1交通系统的特点及交通工程学 1 - i 1交通系统的特点 交通是人( 或物) 、车( 运输工具) 在道路上的移动，自从有了人类以来，可以说 就有了交通的概念，交通系统是人类为满足出行和货物运输的需要，由人、车、路、环 境等构成的复杂动态系统。交通系统中的人、车、路和环境合称为交通要素，其中，人 为系统主导，车为交通工具，路为交通基础，环境为影响系统的外在条件。交通系统的 基本特点有三个。系统性： 人、车、路、环境四个组成要素互相依赖、互相作用、 不可分割，其行为和性质的变化不具有独立性。动态性：随着时间的推移和环境的变 化，人的心理、生理将发生变化，交通流量、速度也随之而变，四要素之间的协调、配 合关系亦有所改变。复杂性：交通四要素人、车、路和环境之间的关系错综复杂，不 确定因素极多。交通现象遍布道路网络，而且具有随机、时变的特性，规律不易寻找。 同时，交通系统还受外界环境、社会状况、经济条件的制约。 1 1 2 交通工程学的产生与发展 交通工程学是研究交通系统的学科，是伴随着汽车工业和公路运输的发展而建立的， 是在近代科学技术的推动下发展起来的。 自1 8 8 8 年奔弛汽车出现以来，近代汽车工业飞速发展，随之出现的是公路运输业的 兴起和发展。但是，由于缺乏对交通四要素的系统综合研究，交通规划管理手段落后， 导致交通事故的频频发生，已经成为世界各国共存的严重社会问题之一。在此情况下， 交通工程学就应“需”而“生”了。1 9 3 0 年，美国专门从事交通工程的科技人员联合起 来成立了交通工程师协会，标志着作为- f 独立学科的交通工程学正式诞生了。从创立 至今，交通工程学才仅仅7 0 年的历史。 交通工程学创立初期，主要内容是关于如何通过交通管理来减少交通堵塞与事故， 采取诸如设立交通标志、安装手动信号、路面划线等措施来加强和完善交通管理的。 北京航空航天大学博士学位论文 4 0 年代，交通工程师们开始意识到仅靠交通管理无法根本解决交通问题。不按照交 通量大小修建道路带有很大的盲目性，于是交通工程学的内容增加了交通调查、交通规 划，综合考虑不同交通方式的特点，使道路交通与铁路、水运、航空、管道运输结合为 t 一个整体的交通系统，提高交通系统的使用效率和通行能力。 5 0 年代以来，各工业发达国家汽车工业的发展和高速公路的兴起，促使汽车拥有量 迅速增加，并形成了汽车运输的新局面。因此，交通工程学的研究课题扩展到道路通行 能力、线形设计、立体交叉设计、停车场等问题。从交通安全方面看，道路条件的改善 尤其是高速公路的发展，要求车辆驾驶行为与车辆机械性能结合考虑。换言之，4 0 年代 和5 0 年代的交通工程学已经开始注意研究人一车一路的相互影响问题。 6 0 年代，“汽车化”的结果使汽车数量猛增，美、英、德、法、日等发达国家的汽 车密度逐渐趋于饱和。例如，1 9 6 9 年的汽车拥有量为美国5 1 8 辆千人，法国2 7 5 辆千 人，英国2 3 5 辆千人，德国2 2 6 辆千人，日本1 4 9 辆千人：按每公里公路计，英国3 9 辆，德国3 3 辆，美国1 8 辆，日本1 5 辆，法国9 辆。在纽约、巴黎、伦敦等城市的中心 街道上，平均车速仅每小时l o 多公里。而交通事故导致的伤亡在美国平均每分钟有4 人 受伤，每小时有6 人死亡，因交通事故死亡的人数占非疾病死亡人数的2 3 ，交通事故 成为社会的最大公害。 为了疏导交通，减少事故，提高行车速度，世界各国纷纷提出了综合治理交通的设 想。即研究车流特性，倡导“交通渠化”，利用计算机控制交通。此外，设计道路不仅注 意线形标准，各元素之间保持协调，而且要考虑对所在地区的影响，如污染、噪声干扰、 城市景观、环境协调等。至此，交通工程学发展成为一门综合研究人一车一路一环境之 间相互依存关系的综合性学科。 7 0 年代以来，汽车化道路交通的发展使得人们活动范围扩大，人们纷纷拥向城市， 造成城市交通问题的加剧：交通密度过高，拥挤严重，通行效率下降。废气污染严重， 噪声、振动危害人们健康等。此时的交通工程学则重点研究如何拟定合理的交通规划， 减少不必要的客流，优先发展公共交通，给汽车选定最佳运行路线等内容。 8 0 年代至9 0 年代，随着信息学等高新技术的发展，交通工程学的内容也得到了空 前的丰富。不仅仅表现为道路通行能力的扩大、道路规划的合理、控制手段的多样化等 具体内容，而且，新型的交通体系也已经初步试验并取得了一些有益的成果。 2 北京航空航天大学博士学位论文 总之，交通工程学的发展经历了3 0 年代的“创立时期”，4 0 年代的“形成时期”，5 0 年代的一汽车化时期”，6 0 年代的“交通渠化时期”，7 0 年代至今的“多乘员化时期”。 在其发展过程中，除了研究内容不断扩充外，随着计算机科学的普及和系统科学、信息 科学、控制论等现代科学的发展，交通工程学的理论和研究方法也得到了进一步充实和 提高。 尽管如此，对交通工程学的理解和认识在国际上并没有统一，美国、澳大利亚、前 苏联、日本以及中国等国家和地区都有自己相应的定义。根据我国道路交通的实际和7 0 年代以来我国学者对交通工程学理论的研究，北京工业大学任福田教授将交通工程学定 义为：交通工程学是研究交通规律及其应用的一门技术科学，其研究目的是探讨如何安 全、迅速、舒适、经济地完成交通运输的任务；研究内容主要是交通规划、交通设施、 交通运营管理；其研究对象是驾驶员、行人、车辆、道路和交通环境。其中交通规律是 指交通生成、交通分布、交通流流动、停车等规律。据此可以采取规划、工程、组织管 理等各种措施，改善交通状况。 交通工程学是以人为主体、以交通流为中心、以道路为基础，将三方面内容统一在 道路交通系统中进行研究，综合处理道路交通中人、车、路和交通环境四要素之间时间 和空间关系的学科。它寻求的是道路通行能力最大、交通事故最少、能源机件损耗与公 害程度最低、运输效率最高而费用成本最省的科学措施，从而达到安全、迅速、经济、 舒适和低公害的目的。 1 2 i t s 的由来及发展 1 2 1i t s 的产生 随着道路条件的改善，特别是高速路的建设，要求交通中的各项要素综合考虑。4 0 年代与5 0 年代的交通工程学研究已经开始注意人一车一路的相互影响问题。但是，自5 0 年代“汽车化时期”以来，汽车数量的快速增长和道路慢速建设的不匹配，使得道路堵 塞、交通事故、环境污染、能源浪费的现象在世界范围内变得越来越严重，而且严重的 程度依然在变大。根据运输统计局的预测结果，到2 0 2 0 年，美国每天的交通事故将达 到2 9 8 3 0 起，重大事故也将达到1 8 5 起，由此造成的经济损失每年将超过1 5 0 0 亿美元。 仅m a r y l a n d 一个洲每天将有4 0 0 起交通事故，重大事故将达2 5 起；由于土地资源的严 3 北京航空航天大学博士学位论文 重制约，道路建设不能无限扩展，据美国运输统计局的统计，高速路里程的增长速度仅 为3 2 ，而私人车辆的旅行增长速度为8 6 6 ，堵车拥挤的状况将日趋严重。德州运输 研究所对美国3 9 个主要城市的研究表明，每年因交通过分拥挤造成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失均超过1 0 亿美元【4 | ，而且汽油大量的浪费，汽车的废 气排放量成倍增加，造成了严重的环境污染。在日本，交通拥挤程度也是日趋严重，首 都高速道路堵塞严重的路段，拥挤时间长达1 7 小时，长度达9 8 7 公里。东京每年因交 通拥挤造成的时间损失约为1 2 3 0 0 0 亿日元，专业运输成本的增加也是与交通堵塞分不 开的。在英国，因交通拥挤导致的能源浪费将达每年1 0 亿英镑，而且政府部门预计，未 来3 0 年该费用还将加倍，环境污染也将加剧【5 l 。因此，从6 0 年代末期开始，世界各国 的交通工程师逐渐利用飞速发展的电子、信息、系统工程等高科技手段来改善交通状况， 将信息技术和交通系统结合起来研究交通四要素的时空关系，不仅进一步拓展了交通工 程学的研究领域，而且历经约3 0 余年的时间，在世界范围内建立了新型交通系统，即智 能交通系统( i n t e l l j g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ，简称i t s ) 的概念，相应地一些试验系 统和实际应用系统已经在世界许多国家和地区取得了良好的经济和社会效益。 可以说，i t s 是交通工程学发展到一定阶段必然出现的产物，也是交通工程学在信 息时代研究的主要对象之一。 1 2 2 i t s 是现代交通工程的发展方向1 6 1 物质、能量和信息，是自然界和人类社会赖以生存和发展的三大战略资源。当今时 代，正是工业一农业时代生产力向信息时代生产力发展，从物质型经济向信息型经济过 渡的关键时刻，交通运输，这个在物质型经济社会中对经济发展和人类文明有着重要作 用的部门，在信息型经济社会中必然会有着崭新的内涵。 以“人和物的载运和输送”为旧有定义的运输，只有和“信息的载运和输送”溶为 一体，充分利用信息技术的最新成果，挖掘信息资源的最大潜力，才能大幅度提高运输 能力和服务质量，满足日益增长的社会需求。因此，i t s 是未来信息化社会中交通运输 的理想模型。而在社会由工业化到信息化的转化过程中，交通工程的内涵也在发生改变。 现在人们逐渐认识到：i t s 虽以传统的交通工程为基础，但在整体结构、设计思想、技 术手段和运营管理上都处于更高级的阶段。在整体结构上，i t s 旨在建设社会活动的大 4 北京航空航天大学博士学位论文 范围内，包括多种运输方式的实时、准确、高效的道路运输综合管理系统，该系统在传 统的交通工程中无法实现；在设计思想上，i t s 更加适应2 1 世纪的公众对交通运输安全、 快速、舒适的需求，向道路使用者提供各种信息以便选择不同的出行方式，且以诱导为 主，这在传统的交通工程中也无法实现；在技术手段上，i t s 使用现代科学技术的最新 成就，包括各尖端技术的系统集成。“信息工程”的特色大大区别于传统交通工程中以“道 路工程”为主的特色：在运营管理上，i t s 带有鲜明的“信息服务”特征，属于第三产 业中的新兴产业，而传统的交通工程只是第二产业( 道路工程) 和第三产业( 交通运输 管理) 的混合体。因此说，i t s 是现代交通工程的发展方向。我国政府制定的公路、 水运交通科技发展“九五”计划和到2 0 1 0 年长远规划中提出，到2 0 0 0 年，科技进 步对交通增长的贡献率在现有基础上提高到5 0 左右，劳动生产率有较大提高；到2 0 1 0 年，科技进步贡献率力争再提高l o 一1 5 个百分点。实现这样的目标仅靠扩大规模是无法 做到的。唯一途径就是充分利用科技的发展，在交通领域加强道路运输智能化设旌建设 和管理体系的信息化进程。 1 2 3 世界各国i t s 的发展 i t s 最初是在以监控为主体的交通工程( 包括交通管理) 基础上发展起来的，开始只 进行道路和车辆智能化的研究，而现在已经扩展到交通运输的全部过程及其有关部门， 因此在欧洲又称之为道路交通信息通讯系统( r t t ) 。目前其研究范围已逐渐涉及到铁路、 水运及航空等各种交通方式，旨在形成一整套为用户及交通管理部门提供道路交通信息 的新型交通系统。 1 日本i t s 的发展 在日本，i t s 始于1 9 7 1 年的c a c s 计划【7 j - i s 】。从1 9 7 3 年到1 9 7 8 年日本成功地组织了 一个叫动态路径诱导系统的实验。从8 0 年代中期至9 0 年代中期的十年时间，相继完成 了路车间通信系统( r a c s ) 、先进的管理交通信息控制系统( a m t i c s ) 、交通信息通信 系统( t i c s ) 、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系统、安全车辆系统及新交通管理系 统等方面的研究。a t i s ( 先进的交通信息系统) 受到市警察局的大力支持，该系统利用 汽车内的蜂窝电话及车辆管理中心内与电话线相连的计算机来控制整个系统。由国家警 5 北京航空航天大学博士学位论文 察厅发起的u t m s ( 通用交通管理系统) 以其包括交通数据采集、交通信息、交通信号 控制和动态导航几种功能的综合来扩大现有的交通控制系统。1 9 9 4 年1 月，日本成立 v e r t i s ( 路车交通智能协会) 组织，1 9 9 5 年7 月a v i t i c s 和r a c s 结合成立x q c s ( 道 路交通信息通信系统) 中心，1 9 9 6 年4 月正式启动v i c s ，先在首都圈内而后推向大阪、 名古屋等地，9 8 年向全国推进。日本的v i c s 是i t s 实用化的第一步，居于世界领先水 平。 2 美国i t s 的发展 6 0 年代末期，美国公路局设计了一种电子路径引导系统( e r g s ) 1 9 1 ，这是一种具有 无线路径引导功能的导航系统，用于控制和疏导交通，该系统被认为是美国i t s 的开始。 传统的交通系统中车辆和道路是分离的，交通控制中心对车辆和道路的控制与监视 是单独进行的。在新型交通系统中，车辆和道路需要双向交换信息，车与路集成为一体， 此时的交通系统称为i n t e g r a t e dv e h i c l e h ig h w a ys y s t e m s ( i v h s ) 。随着人工智能在计 算机系统中的应用，i n t e g r a t e du s 变成为i n t e l l i g e n tv h s ( i v h s ) 。起初，单个州、 单个城市开始研究i v h s 。1 9 8 7 年成立非正式组织m o b i l i t y2 0 0 0 ，1 9 8 9 年形成一整套计 划文件，引导政府支持i v h s 的研究，1 9 9 0 年3 月，上述文件成为国家研究i v h s 的纲领 性文件n1 9 9 0 年8 月，成立i v l t sa m e r i c a 技术委员会，由工业界和学术界的人员以及 政府官员共同组成。1 9 9 1 年1 2 月国会制定了i s t e a ( 综合地面运输效率方案) ，1 9 9 4 年 i v h sa m e r i c a 组织更名为i t sa m e r i c a 。美国i t s 的实施战略是通过实现面向二十一世 纪的“公路交通智能化”，以便从根本上解决和减轻事故、混杂、非效率、能源浪费等交 通中的各种问题。其中t m v t e k 和a d v a n c e 等的试验和实际应用系统也取得了重大的 成功。 3 欧洲i t s 的发展 在欧洲，i t s 始于7 0 年代后期的a l l 工程，此工程和美国的e r g s 、日本的c a c s 极为相近a 8 0 年代中期，i t s 的试验计划在欧洲大规模实施起来。从1 9 8 6 年开始，作 为e u r e k a 计划的部分，欧洲民间联合制定了一个叫p r o m e t h e u s 的计划f 1 0 】，即 欧洲高效安全交通系统计划。1 9 8 8 年由欧洲十多个国家投资5 0 多亿美元，联合执行一 6 北京航空航天大学博士学位论文 项旨在完善道路设施，提高服务质量的d r i v e 计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专 用道路基础设旖，现在已经进入第二阶段的研究开发工作。目前欧洲各国正在进行 t e l e m a t i c s 的全面应用开发工作i ，计划在全欧范围内建立专门的交通无线数据通信网。 智能交通系统的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕t e l e m a t i c s 和全欧无线数据通 信网来展开。 表1 1 列出了美国、日本以及欧洲i t s 发展的基本情况。由此可以看出，国际上对i t s 的研究正蓬勃发展，不仅政府部门支持，工业界与学术界也都积极参与新型交通系统的 研究和开发项目。由此还可以看出，国际上对i t s 的研究最早根源于交通工程，也可以 看作是交通工程学研究内容的扩充和交通工程在新时代的发展。 4 国内i t s 的发展 i t s 在国内的研究刚刚起步，但作为其基础的城市交通控制系统的开发研究从7 0 年 代就已开始l ”1 。7 0 年代末交通部和北京市公安局合作首次在中国进行计算机控制交通信 号的工程试验，8 0 年代初国家科技攻关项目“津塘疏港公路交通工程研究”，首次在高 等级公路上把计算机技术、通信技术和电子技术用于交通管理，开展了一系列相应的科 学研究和工程实施项目，在城市交通管理、高速公路监控系统、收费系统、安全保障系 统等方面也取得了多项科研成果，并开发出了车辆检测器、可变情报板、可变限速标志、 紧急电话、分车型检测仪、通信控制器、监控地图板等多种专用设备，制定了一系列标 准和规范。北京、上海等城市还建立了交通信号控制和电视监视系统、警车定位系统、 交通地理信息系统，以及交通事故、车辆和驾驶员档案等静态信息管理系统等；在某些 省市还建立了不停车自动收费系统和i c 卡驾驶员管理系统。 与日本、美国、欧洲对i t s 的研究阶段相对应，我国i t s 的发展也可以分为三个阶 段，表1 2 列出了三个阶段的详细情况。 目前，国内的研究与开发还都是就某一地区或城市进行的，全国范围的i t s 研究计 划尚没有制定，但已有许多部门在致力于这方面的研究。 总的来说，我国政府部门非常重视i t s 的研究与开发，科技部已经正式将i t s 列入 了中国高新技术开发和产业化计划，而且组织交通部、公安部、建设部、铁道部、信息 产业部和许多高校及研究机构共同开发与研究。 7 北京航空航天大学博士学位论文 表1 1 国际上i t s 的发展 早期发展 近期国际会议及其它 6 0 年代末8 0 年代中期 9 0 年代初 7 0 年代初 r t i ( r o a d欧洲联盟各国政府共同主1 9 9 1 年成立e r t i c o ( e u r o p e t r a n s p o r t持的d r j v e 计划 r o a d t r a n s p o r t t e l e m a t i c s 1 9 9 4 年5 月在法国 欧 i m p l e m e n t a t i o n 巴黎召开第一届i t s i n f o r m a t l c s )( d e d i c a t e dr o a d 道路交通信息 i n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l eo r g a n i z a t i o n ) 欧洲道路交通 世界大会 通信技术s a f e t yi ne u r o p e ) 通信技术实用化促进协会联 洲 1 9 9 7 年6 月在德国 民间组织p i 的m b t h e s 计 络组织，全面开展i t s 技术、 划( p r o g r a m f o ra l le u r o p e市场在交通运输各个领域的 柏林召开第四届i t s t r a f n cw i t hh i g h e s t开发和推广以及国际合作 世界大会 e f f i c i e n c y ) 七十年代8 0 年代中到9 0 年代中9 0 年代中期 1 9 7 3 1 9 7 8 芷完成了路车间通信系1 9 9 4 年1 月，日本警察省、 日本组织了一统、交通信息通信系统、通产省、运输省、邮政省和 1 9 9 5 年1 1 月在日本 日 个叫动态路径宽区域旅行信息系统、超建设省五个部门联合成立 横滨召开第二次i t s 诱导系统的实智能车辆系统、安全车辆 v e r t i s ( v e h i c l e r o a da n d 世界大会，实际上 本 i t s 的名称也是在这 验。可以认为系统以及新交通管理系统 t r a 币ci n t e l l i g e n c es o c i e t y ) 是i t s 项目的等一系列项目的开发日本道路交通、车辆智能化 次大会上统一的 雏形促进协会，推进r r s 产业在 全国的发展 6 0 年代末8 0 年代中期以后9 0 年代初9 0 年代中期 开发了e r o s自加里弗尼亚交通部门研1 9 9 0 年美国运输部成立了美 ( e l e c t r o n i c究的p a t h f i n d e r ( 驾驶国智能化车辆一道路系统组 r o u t e 员导路系统) 获得成功后，织( i v h s ) ： g u i d a n c e 全国开展了被称为“智能1 9 9 1 年综合提高陆上交通效 1 9 9 6 年1 0 月在美国 美 s y s t e m ) 电子 化车辆一道路系统”的研率化法，把开发研究智能化 奥兰多举办第三次世 路径导向系 界i t s 大会 国 究车一道系统作为国策并给以 统，后来由于 充足的财政支持； 种种原因暂停 1 9 9 4 年i v h s 更名为i t s ， 了十多年 以推广一切交通工具和交通 设施所组成的智能化系统， 目前主要以道路交通为对象 表1 2 我国i t s 发展的三个阶段 阶段应用理论研究 应用技术及项目 第一阶段交通流理论 点、线、面控计算机软件 ( 7 0 年代中至交通工程学北京前z f - 交通控制实验系统 8 0 年代初)城市路口自动控制数学天津线控、面控实验系统 模型信号机、检测器开发 第二阶段交通运输系统工程在城天津疏港公路交通工程技术研究 ( 8 0 年代中至市交通领域中的发展可变情报板、可变限速标志通信适配器 9 0 年代初)高速公路监控系统数学通信控制器、大型地图板、紧急电话的 8 北京航空航天大学博士学位论文 模型研制 交通阻塞自动判断模型道路和桥梁管理系统 标志和标线视认性电子收费系统和不停车收费的实验 驾驶心理交通工程c a d 第三阶段智能交通系统工程i t s 发展战略研究 ( 9 0 年代中期( 1 t s e ) 的探索公交优先策略 至本世纪末)道路通行能力的研究g i s 、g p s 等在交通信息管理控制系统 公路使用者效益分析中应用 交通运输网络系统关键技术研究 1 2 4i t s 的特点 作为新型的交通系统，i t s 除了具有传统交通系统的特点外，还具有智能化和信息 化、一体化的特点。其智能化的特点体现在以下几个方面： 交通基础设施智能化 1 9 9 6 年1 月，美匡i 联邦运输部在为推动i t s 研究而提出的“交通运行时间节约战略” 中阐述了i t l ( n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) ，即“智能交通运输基 础设施”的概念。即要求在新建道路时必须同时进行i t i 建设，借以加强i t s 研究成果 的实施。i t i 为道路智能化提供基础，在此基础上可以进行以下多个领域的系统集成一 交通信号控制、高速公路管理、交通诱导、事故处理、救援系统、电子收费等等。交通 基础设施智能化是i t s 实施的基础。 交通工具智能化 交通工具的智能化主要指车辆的智能化，用以确保车辆在道路上安全行驶，避免与 道路设施或其它车辆相撞，其引导功能还可以使车辆在陌生地方行驶不致迷失方向。 交通系统智能化 系统的智能化将为交通管理控制中心提供对道路和车辆状态的实时监控，及时处理 事故，保障道路畅通。另外，从系统科学的角度看，i t s 的系统智能还体现在以下三方 面： 1 原理上是基于知识( 包括先验知识和实时信息) 的系统； 2 功能上系统应至少具有判断能力、推理能力和学习能力，并应具有辅助决策的 作用： 3 结构上应由机器感知、机器学习、机器识别、知识库等部分组成。 9 北京航空航天大学博士学位论文 m _ 一 当然，i t s 并不意味着交通系统完全智能化m 】。在组织或控制交通系统时，只是希 望系统运行秩序化，或者说达到尽可能高的组织化程度，利用计算机和其它设备部分地 替代交通主体。人，完成部分预测、处理和决策。在交通系统的管理中，更重要的还是人 的参与。 i t s 的信息化主要是指有关交通要素的所有信息可以为交通系统的提供者、维护者 以及使用者共享。 i t s 的一体化指道路、车辆驾驶、乘客服务和系统管理等的一体化。 1 3 国内外对i t s 的研究内容 i t s 是在传统的交通工程基础上发展起来的新型交通系统，由于各国具体情况不同， 发展交通的重点也不尽一致，对i t s 研究的内容更不相同。在美国按照服务功能和用户 需求将i t s 的研究内容分成7 类，每一类又包含若干项目j 【”】。这7 大类内容分别是： 1 旅行和运输管理包括( 1 ) 驾驶员中途信息( 2 ) 路径引导( 3 ) 交通控制( 4 ) 事故管 理( 5 ) 尾气测试与缓解；2 旅行信息管理包括( 1 ) 出发前的旅行信息( 2 ) 旅客服务 信息( 3 ) 车辆预定( 4 ) 用户需求管理：3 公共交通运营管理包括( 1 ) 公交线路信息 ( 2 ) 个人化的公共运输( 3 ) 公共旅行安全( 4 ) 公共运输管理：4 电子收费；5 商用 车辆管理包括( 1 ) 商用车辆电子放行( 2 ) 车辆路旁自动检查( 3 ) 车内安全监视( 4 ) 商业车队管理( f m s ) ( 5 ) 危险材料及事故响应；6 应急管理包括( 1 ) 应急车辆管理( 2 ) 应急通报和个人保安：7 车辆控制和安全管理包括( 1 ) 车辆防撞管理( 2 ) 视觉增强防 撞管理( 3 ) 自动驾驶( 4 ) 提高驾驶安全。 相应地，美国的i t s 开发项目以及实际应用系统分为7 部分i ”】- f l 。】： 1 a t ) d s ( 先进的交通管理系统) a t m s 用于检测控制和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通讯联系。它 依靠先进的交通检测技术和计算机信息处理技术，获得有关交通状况的信息，并进行处 理，及时地向道路使用者发出诱导信号，从而达到有效管理交通的目的。 2 a d i s ( 先进的驾驶员信息系统