（道路与铁道工程专业论文）VRGS中若干问题的理论研究.pdf

摘要 车辆路径诱导系统( v e h i c l er o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 是先进的出行者信息系 统( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的核心子系统，也是智能运输系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 研究的重要组成部分。v r g s 通过向驾驶员 提供基于实时交通信息的最优路径来达到诱导交通流、缓解交通拥挤、提高网络 运作效率、改善交通安全和降低环境污染的目的。 本文首先回顾了国内外车辆路径诱导系统的发展情况，在此基础上，指出目 前在车辆路径诱导系统中尚未完全解决的若干关键问题。其次，在全面考虑信息 对驾驶员行为反应的基础上，建立了信息影响下的出行路径选择模型；然后，基 于对驾驶员群体的划分构建了一随机网络混合随机甩户均衡模型，提出了同时计 算市场渗透率和诱导系统服从率的数学模型，并设计了模型的求解算法：当确定 出合适的诱导比例后，本文还从微观上研究了引导车辆的行车路径优化问题，针 对车辆路径诱导系统中路径优化问题的特点，采用构造对偶网络的方法，完整地 表达了路网的连通性，在获得可行合理的短时交通流流量预测和综合路段行程时 间预测的基础上，基于各种经典最优路径选择算法的特点及其适用场合，提出了 适用于车辆导航的路径优化算法。 最后，本文运用系统科学的理论与方法，将交通控制系统、路径诱导系统和 拥挤收费作为有机的整体来考虑，分析了路径诱导与交通控制、路径诱导与拥挤 收费协调的必要性，并提出了诱导与控制、诱导与收费协调的概念模型，同时还 就“诱导一控制一收费”三者相结合的体化交通需求管理方法做了初步的探讨。 关键词：先进的出行者信息系统；车辆路径诱导系统：路径选择；市场渗透率 路径优化；协调 a b s t r a c t ih ev e h i c l er o u t eg u i d a n c es y s t e mi sak e r n e ls u b s y s t e mo fa d v a n c e dt r a v e l e r i n f o r m a t i o ns y s t e ma n do n eo fi m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n to fi 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 v r g sc a r lg u i d et r a f f i cf l o wb yp r o v i d i n gt h et r a v e l e r sw i t ho p t i m a lr o u t e b a s e d0 i lr e a l t i m et r a f f i ci n f o m a a t i o n a sar e s u l t ，t h eo p e r a t i o no fr o a dn e t w o r kw i l l b ei m p r o v e da n dt h et r a f f i cc o n g e s t i o nw i l lb er e d u c e dm e a n w h i l e ，t h et r a f f i cs a f e t y l e v e lw i l lb ee n h a n c e da n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nw i l lb ea l l e v i a t e d t h i st h e s i sf i r s tr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l er o u t eg u i d a n c es y s t e ma t h o m ea n da b r o a d b a s e do nt h i s ，s o m ek e yp r o b l e m si nt h ef i e l do fv r g sa r ep o i n t e d o u t s e c o n d l y , a f t e ra n a l y z i n gt h ei n f o r m a t i o na f f e c t i n gd r i v e r s r o u t ec h o i c eb e h a v i o r ， t h i st h e s i sc o n s t r g c t sar o u t ec h o i c em o d e lu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft r a f f i ci n f o r m a t i o n b a s e do nt h i s t h i st h e s i su t i l i z e st h es t o c h a s t i cn e t w o r km i x e ds t o c h a s t i cu s e r e q u i l i b r i u mm o d e l i n ga p p r o a c ht os t u d yt h ed e t e r m i n a t i o no fm a r k e tp e n e t r a t i o na n d c o m p l i a n c er a t eo fg u i d a n c es y s t e mb yd i v i d i n gt h ed r i v e r sc o l o n yi n t ot h r e ec l a s s e s ah e u r i s t i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oo b t a i nt h em a r k e tp e n e t r a t i o na n dc o m p l i a n c e r a t ea to n et i m e t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e st h er o u t eo p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t ht h e d e t e r m i n e dg u i d e dv e h i c l ep r o p o r t i o n 。b ym e a n so fc o n s t r u c t i n gd u a ln e t w o r k ，t h e c o n n e c t i v i t yo fr o a dn e t w o r ki sc o m p l e t e l yd e s c r i b e d o nt h eb a s i so fo b t a i n i n g r e a s o n a b l es h o r tt e r mt r a f f i cf l o wp r e d i c t i o na n dl i n kt r a v e lt i m e ，t h i st h e s i sp r e s e n t s t h er e c o m m e n d i n ga l g o r i t h m sf i a i n gf o rt h er o u t eo p t i m i z a t i o no fv e h i c l er o u t e g u i d a n c es y s t e m ， f i n a l l y , t h i st h e s i su s e st h et h e o r i e sa n dw a y so fs y s t e me n g i n e e r i n gt oa n a l y z e t h en e e da b o u tt h ec o o r d i n a t i o no fr o u t eg u i d a n c es y s t e m 、u r b a nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m a n dc o n g e s t i o np r i c i n g t h ec o n c e p t u a lc o o r d i n a t i o nm o d e lo fr o u t eg u i d a n c ea n d t r a f f i cc o n t r o l 、r o u t eg u i d a n c ea n dc o n g e s t i o np r i c i n ga r ee s t a b l i s h e d a tt h es a m e t i m e ，t h i st h e s i sb r i e f l ys t u d i e st h ei n t e g r a t i v et r a f f i cd e m a n dm a n a g e m e n ta p p r o a c h o f “g u i d e c o n t r o l p r i c i n g ” k e yw o r d s ：a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ；v e h i c l er o u t eg u i d a n c e s y s t e m ；r o u t ec h o i c e ；m a r k e tp e u e t r a t i o n ；r o n t eo p t i m i z a t i o n ； c o o r d i n a t i o n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：删口期：疵妒月 玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：黼 辚獬赣哼1 日期：噼v 月r 日 日款：翊f 年4 月才日 1 1 论文来源 第一章绪论 本论文来源于国家自然科学基金资助项月一“动态拥挤收费和路径诱导的协 调机制与方法的研究”( 项目号5 0 3 4 8 0 2 7 ) 。 1 2 研究背景 1 2 】城市交通发展面临的问题 交通运输业的发展水平是国家兴旺发达的重要标志之一。交通运输业的高速 发展，一方面促进了物质交流和人们的往来，大大缩短了出行对问，提高了工作 效率；另一方面电带来了许多弊病，特别是城市交通问题。近半个世纪来，随着 经济的高速发展、城市化进程的加快和汽车拥有量的急剧增加，城市交通问题日 益严重。尤其是在大城市变通拥挤堵塞以及由此导致的交通事故的增加、环境 污染的加剧是各国面临的极其严重的“城市病”之一，并已成为制约国民经济进 一步发展的“瓶颈9 问题。纵观各国城市交通发展所面临的问题，一般表现在雌 下几个方面： 1 、交通拥挤堵塞 当今，交通拥挤堵塞己成为世界性的问题，交通拥挤给社会造成了严重的后 果。( i ) 交通拥挤绐杜会造成了巨额的经济损失。美国德州运输研究所研究了美 国3 9 个主要城市，估计美国每年园变通拥挤而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l o 亿美元【”。( 2 ) 交通拥挤导致交通延误增大 行车速度降低，最终造成行程时间的损失。以北京市为例，由于道路交通拥挤程 度的逐年加剧，导致公共汽车平均运营速度下降，“五五”期间为1 9 k n v h ，“六五” 期问为1 7 k m h ，“七五”期间为1 5 k m h ，“八五”期间为1 3 k r n h ，“九五”期间仍 呈下降趋势埘。 2 、交通事故 交通事鼓不仅造成巨大经济损失，而且给受害考和肇事者都带来精神痛苦。 据统计，欧洲每年困交通事故造成的经济损失为5 0 0 亿欧元，如何减少交通事故 已成为全世界亟待解决的重大社会问题。 3 、大气污染 交通运输业的迅速发展，导致机动车保有量激增。车辆排放的尾气严重地污 染了环境。虽然采取了不少治理措施，但机动车数量不断增加，大气污染状况难 以改善。据北京市统计，7 0 以上街道两侧的一氧化碳( c o ) 浓度和氮氧化合物 ( n o x ) 浓度都常年超过国家标准，在城市中心地区的交叉路口上，c o 浓度值更 是常年超标数倍【3 】，我国其他一些大城市也是如此。机动车废气造成的污染对大 气环境及人体健康已构成直接危害。 4 、能源消耗 交通运输消耗大量的能源，交通运输中的能源消耗占总能耗的比例非常高。 在加拿大，交通运输系统消耗总燃油的6 6 ，其中绝大部分为汽车运输所消耗： 在美国，交通燃油能耗为总燃泊能耗的6 0 ，其中7 3 为汽车交通所消耗；我国 目前的交通能耗与总能耗的比例也已经很高，燃油消耗中交通所占比例在5 0 左 右。g 源短缺将成为全球共同面临的问题。 1 2 ，2 智能运输系统的提出 传统的观点认为，城市交通问题的根本原因是道路基础设施不足，因此认为 解决这一问题的方法是增加基础设施投入，改造、新建道路和其它交通设施，以 增加道路的供给能力。然而，目前各城市市区可供修建道路的空间越来越有限， 既有的城市结构也不容轻易改变，而且施工中涉及拆迁、居民安置等问题，这些 费用逐年攀升，而建设资金又极为有限。此外人们还尝试了许多新的方法采解决 交通问题，如进行交通管理与控制研究。城市交通控制技术的发展经历了由“点 控”、“线控”向“面控”的过渡，目前也研制开发了一些较先进的“面控”系统， 如英国的s c o o t 系统和澳大利亚的s c a t s 系统，我国的北京、上海、沈阳、广 卅1 、深圳等大城市先后采用了这类先进的交通控制系统并在一定程度上起到了缓 解交通拥挤的作用。虽然交通信号控制系统能随交通量的随机变化自动优选配时 方案，但也只是通过控制红绿灯或一些可变标志来控制车流，无法更有效地避免 和缓解城市交通拥挤，丽且目外交通信号控制系统的模型和软件因没有考虑到我 国城市交通的具体现状而存在使用效果不佳等诸多问题。 上述实践证明单纯依靠城市交通规划和城市交通信号控制措施仍不足以经 济、高效地解决交通拥挤和交通安全等问厨。这主要因为交通网络是个复杂的 大系统，单独从车辆方面考虑或单独从道路方面考虑都很难完美地解决。在这种 背景下，从系统的观点出发，把道路和车辆综合起来考虑解决这一难题的思想 便出现了，即智能运输系统1 t s ( i n t e l l f g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 。 由于智能运输系统可以使汽车与道路的功能智能化，所以目前它是国际公认 的解决城市以及公路交通拥挤、改善行车安全、提高运输效率、减少空气污染的 最佳途径，也是全世界交通运输领域研究的前沿课题。智能运输系统是指在基础 理论模型研究的基础上，将先进的信息处理技术、计算机处理技术、数据通信技 术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等有效地综 合运用于交通运输、服务控制和车辆制造，以加强车辆、道路、使用者三者之间 的联系，从而形成一种实时、准确、高效的综合运输系统【4 j 【5 】【6 】川。其目的是使人、 车、路以及环境密切配合，和谐统一，极大地提高综合交通运输效益，保障交通 安全，改善环境质量和提高能源利用率 8 】。可以预见，册将成为本世纪现代化交 通运输体系的模式和发展方向，是交通运输进入智能化时代的重要标志【9 】。 1 3 智能运输系统简介 1 3 1 智能运输系统的研究内容 目前国际上的琊研究形成了美国、日本和欧洲三大阵营，它们的研究体系 稍有不同，但大体一致。其中，美国的i t s 研究开发体系最为完善，已受到国际 1 t s 研究领域的广泛认可，其研究内容分为如下的七大系统【4 】 5 【1 0 】i l i 舭】。 先进的交通管理系统( a d v a n c e dt r a 咖cm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称a t m s ) 先进的出行者信息系统( a d v a n c e d t r a v e l e r i n f o r m a t i o n s y s t e m ，简称a t i s ) 先进的公共交通系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称a p t s ) 先进的乡村交通系统( a d v a n c e d r u r a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称a r t s ) 商业车辆运营( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n ，简称c v o ) 先进的车辆控制和安全系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o l s a f e t ys y s t e m ， 简称a v c s s ) 一 自动公路系统( a u t o m a t e d h i g h w a ys y s t e m ，简称a h s ) 以下简单介绍i t s 所包含的七大系统的主要内容。 1 、先进的交通管理系统a t m s 用于监测控制和管理道路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通信联系。 它依靠先进的交通监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。 其主要研究内容包括：( 1 ) 城市区域的中央化交通信号控制系统：( 2 ) 高速公路 管理系统；( 3 ) 交通事故管理系统；( 4 ) 电子收费及交通管理系统。 2 、先进的出行者信患系统a t i s a t i s 以个体驾驶员为服务对象，驾驶人员可以通过其车载路径诱导系统，在 信息系统的双向信息传递中，使自己始终行驶在最优路径上。在信息类型以及信 息接收者方面，a t i s 与a t m s 有着本质的区别，a t m s 传递的信息量是十分有限 的，信息的发布是为整个交通流总体而服务的，其信息仅具有普遍性aa t i s 的主 要研究内容包括：( 1 ) 出行者信息系统；( 2 ) 车载路径诱导系统；( 3 ) 停车场停 术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等有效地综 台运用于交通运输、服务控制和车辆制造，以加强车辆、道路、使用者三者之间 的联系，从而形成一种实时、准确、高效的综合运输系统5 l i q 。其目的是使人、 车、路咀及环境密切配合，和谐统一，极大地提高综合交通运输效益，保障交通 安全，改善环境质量和提高能源利用率m 】。可以预见，肿将成为本世纪现代化交 通运输体系的模式和发展方向，是交通运输进入智能化时代的重要标志1 a 1 3 智能运输系统简介 1 3 i 智能运输系统的研究内容 目前国际上的i t s 研究形成了美国、日本和欧洲三大阵营，它们的研究体系 稍有不同，但大体一致。其中，美国的i t s 研究开发体系最为完善，已受到国际 t t s 研究领域的广泛认可，其研究内容分为如下的七大系统【3 【4 1 f s f l o 1 1 1 2 】。 先进的交通管理系统( a d v a n c e d t r a f f i c m a n a g e m e n t s y s t e m ，简称a t m s ) 先进的出辛于者信息系统( a d v a n c e d 挣a v e t e r i n f o r m a t i o n s y s t e m 。简称a t i s ) 先进的公共交通系统( a d v a n c e d p u b l i c t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，简称a p t s ) 先进的乡村交通系统( a d v a n c e d r u r a lt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，简称a r t s ) 商业车辆运营( c o m m e r c t a lv e h i c l eo p e r a t i o n ，简称c v o ) 先进的车辆控制和安全系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o l s a f e t ys y s t e m ， 简称a v c s s ) 自动公路系统( a u t o m a t e d h i g t n v o y s y s t e m ，简称a h s ) 以下简单介绍1 t s 所包含的七大系统的主要内容。 1 、先进的交通管理系统a t m s 用于监测控制和管理道路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通信联系。 它依靠先进的交通监测拄术和计算机信息处理技术，获得有关交通状况的信息， 井进行处理，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， 其主要研究内容包括：( 1 ) 城市区域的中央化交通信号控制系统；( 2 ) 高速公路 管理系统；( 3 ) 变通事故管理系统：( 4 ) 电子收费及交通管理系统。 2 、先进的出行者信息系统a t l s a t i s 以个体驾驶员为服务对象，驾驶人员可以通过其车载路径诱导系统，在 信息系统的双向信息传递中，使自己始终行驶在最优路径上。在信息类型以及信 息接收者方面，a t l s 与a t m s 有者本质的区别，a t m s 传递的信息量是十分有限 的信息的发布是为整个交通流总体而服务的，其信息仅具有普遍性。a t i s 的主 要研究内容包括：( 1 ) 出行者信息系统i ( 2 ) 车载路径诱导系统；( 3 ) 停车场停 车诱导系统；( 4 ) 数字地图数据库。 3 、先进的公共交通系统a p t s 采用各种智能技术促进公共交通运输业的发展，如通过个人计算机、闭路电 视等向公众就出行时间和方式、路线及车次选择等提供咨询，在公交车站通过显 示器向候车者提供车辆的实时运行信息。其主要研究内容包括：( 1 ) 车队管理系 统；( 2 ) 乘客出行信息系统；( 3 ) 电子支付系统；( 4 ) 运输需求管理系统；( 5 ) 公交优先系统。 4 、先进的乡村交通系统a r t s a r t s 是i t s 技术在幅原广阔的乡村区域的选择性应用，其主要研究内容包括： ( 1 ) 出行者的安全与保护；( 2 ) 紧急情况管理系统；( 3 ) 旅游和出行者信息服务 系统：( 4 ) 基础设施的运营和保养；( 5 ) 车队运营与管理系统；( 6 ) 商业车辆运 营：( 7 ) 公共性的出行者服务系统。 5 、商业车辆运营c v o c v o 实质是运输企业应用i t s 技术来谋求最大效益的一种调度系统，其目的 是利用车辆自动识别技术、车辆自动定位技术、车辆自动分类技术等。提高企业 内部劳动生产率，增加安全度，改进对突发事件的反应能力，改善车队管理和交 通状况。其主要研究内容包括：( 1 ) 商业车辆的电子通关系统；( 2 ) 车载安全监 控系统；( 3 ) 路边安全检查的自动化系统；( 4 ) 商业车队管理系统；( 5 ) 商业车 辆的行政管理程序；( 6 ) 危险品的应急响应系统。 6 、先进的车辆控制和安全系统a 比船 a v c s s 的目的是开发帮助驾驶员实行车辆控制的各种技术，从而使车辆行驶 安全、高效。实际上，a v c s s 具有最长期的潜在效益，其主要研究内容包括：( 1 ) 防碰撞系统；( 2 ) 智能化行车控制系统；( 3 ) m a y d a y 系统；( 4 ) 驾驶员视野加强 系统；( 5 ) 车辆防抱死系统a b s ( a n t i 1 0 c k b r a k i n g s y s t e m ) ；( 6 ) 驾驶员安全监控 系统；( 7 ) 车辆安全监控系统：( 8 ) 车载路径诱导系统：( 9 ) 协作驾驶。 7 、自动公路系统彳嬲 a h s 有三种研究理念：( 1 ) 基于车辆智能化的匿名自动驾驶：( 2 ) 基于公路 基础设施智能化的公路控制自动驾驶：( 3 ) 前两者的综合。其主要研究内容有：( 1 ) 公路与车辆、车辆与车辆之间的通信系统；( 2 ) 事故监测与警告；( 3 ) 用视频、 雷达监测器的车辆间距控制：( 4 ) 最大速度控制；( 5 ) 自动停车控制。 1 3 2 智能运输系统在国外的发展情况 日本是最早开始进行j 孵研究的国家。2 0 世纪7 0 年代是日本研究i t s 的初始 阶段，其中车辆综合自动控制系统c _ c s ( c o m p r e h e n s i v ea u t o m o b i l ec o n t r o l 4 s y s t e m ) 是第一个研究项目，从8 0 年代后期开始，日本运输省、建设省、通产省、 警察厅等部门组织了上百辆汽车和电子公司、研究机构和大学进行了多个i t s 大 项目的联合开发。1 9 9 0 年研究开发了v i c s ( v e h i c l ei n f o r m a t i d h c o m m u n i c a t i o h s y s t e m ) ，目前该系统已经在日本全国广泛使用。日本于1 9 9 4 年成立了车辆道 路交通智能化促进协会v e r t i s ( v e h i c l er o a d a n dt r a f f i ci n t e l l i g e n c es o c i e t y ) ， v e r t i s 是一个制定日本的1 t s 发展策略、协调工业和公用部门、在制定i t s 标准 方面产生国际影响的跨政府部门的组织，政府通过v e r t i s 影响国内的椰研究走 向f 4 l ( “。日本的t s 研究包括以下服务领域：先进的导航系统、电子收费系统、安 全驾驶辅助、道路交通的优化管理、提高道路管理的效率、公共交通支持、提高 商用车辆运营效益、行人援助、紧急车辆运营等。 欧洲从1 9 8 6 年开始涉足册领域的研究。由欧洲主要汽车公司发起的 p r o m e t h e u s ( p r o g r a mf o r a p l e u r o p e a nt r a f f i c w i t hh i g h e s te f f i c i e n c ya n d u n p r e c e d e n t e d s a f e t y ) 计划旨在以汽车为主体，利用先进的信息、通信、自动化技 术来改善运输系统，缓解交通问题；1 9 8 9 年，由欧洲社团委员会发起的d r i v e ( d e d i c a t e d r o a d i n f r a s t r u c t u r e f o rv e h i c l e s a f e t y 加e u r o p e ) 计划主要涉及公路和交 通控制技术的研究。1 9 9 1 年欧洲成立了本部设在比利时布鲁塞尔的欧洲交通信息 与控制组织e r t i c o ( e u r o p e a nr o a dt r a n s p o r t t e l e m a t i c s i m p l e m e n t a t i o n c o o r d i n a t i o no r g a n i z a t i o n ) ，并作为民办的公共组织，负责监督和协调欧洲的，硌 研究、发展和实施。欧洲i t s 的主要研究领域包括：需求管理、交通和旅行信息 系统、城市综合交通管理、城市间综合交通管理、辅助驾驶、货运和车队管理、 公共交通管理等。 2 0 世纪6 0 年代末期，美国公路局提出了一种电子路径诱导系统积g s ( e l e c t r o n i cr o u t eg u i d a r i c es y s t e m ) ，这是一种具有无线路径诱导功能的导航系 统，用于控制和疏导交通，该系统被认为是美匡i t s 的开始f l o l 。在1 9 8 7 年，一些 对i t s 感兴趣的学者成立了m o b i l i t y2 0 0 0 组织，该组织后来演变成为现在的i t s a m e r i c a 。1 t s a m e r i c a 不但是美国运输部的国家i t s 研究发展规划的咨询机构，而 且还负责协调美国工业部门和大学、科研机构的尼s 研究。美国在1 9 9 1 年1 2 月 通过了i s t e a ( i n t e r m o d a l s u r f a c et r a n s p o r t a t i o n e f f i c i e n c y a c t ) 法案，从而标志着 美国联邦政府对，皤研究的参与、协调和支持。在1 9 9 1 年，美国决定进行智能车 辆公路系统i v h s ( i n t e l l i g e n t v e h i c l e h i g h w a y s y s t e m ) 的开发研究，并取得了较大 发展。后来随着研究范围的扩大，1 v h s 更名为智能运输系统( i t s ) 。羁前美国的 皿s 研究集中在7 个领域共2 9 项研究内容p i 。 除了曰本、欧洲和美国以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始1 t s 的全 面开发和研究。如韩国由交通部牵头制定了全面的i t s 框架结构和发展计划，新 加坡已经在全国推行不停车电子收费，中东的一些国家也开始讨论本国的，嬲研 究计划。 1 3 3 我国i t s 的发展情况 我国对于i t s 的研究工作开展较晚，目前尚处于起步阶段。但是经过近几年 来的不懈努力，目前在城市交通管理、高速公路监控系统、收费系统、安全保障 系统等领域取得了多项科研成果，并制定了一些标准和规范，开发生产了多种专 用设备，如车辆检测器、可交情报板、紧急电话、监控地图板等。 随着科学技术的发展和社会的进步，我国开展智能运输系统研究已具备了技 术基础、国家政策倾向和颇具潜力的市场需求。目前，i t s 已成为我国交通领域的 一个研究热点，并吸引了交通、计算机、信息、通信、控制、测绘等各相关领域 的研究人员投身其中。国家科技部于1 9 9 9 年投入巨大的人力、财力，组织建立了 三个国家级智能运输系统工程技术研究中心。该中一e l , 的主要目标是以国民经济、 行业和市场需求为导向，针对智能运输系统存在的重大技术问题，对有市场价值 的重要科技成果，进行共性技术、关键技术的后续工程化、产业化以及系统集成 的研究开发。2 0 0 0 年2 月，国家成立了全国智能运输系统协调指导小组及办公室 来具体负责册项目开发应用的组织协调工作。目前，国家已经确定我国i t s 的 发展战略，中国的仃s 建设将严格按照“制定体系框架编制规划建设示范项 目推广应用与深层次开发”的步骤进行。 国家科技部于2 0 0 0 年3 月组织了全国相关领域的八十余名专家，针对“九五” 国家科技攻关项目“中国i t s 体系框架研究”，成立了十个工作组，历时近一年初 步制定了“中国智能运输系统体系框架”【”】。我国当前的尼s 体系框架分为用户 服务、逻辑框架和物理框架三大部分，各体系框架的研究步骤如图1 1 所示。 确定用户服务内容 建立逻辑框架 建立物理框架 明确标准化内容 图1 1 体系框架研究的主要步骤 下面对各体系框架分别加以概括性的介绍。 确定用户服务 用户服务就是指从i t s 用户主体的角度考虑，根据用户需求，确定系统应当 为其提供哪些服务。中国尼s 的体系框架共分为8 个服务领域，3 4 项服务内容和 1 3 4 项子服务。中国i t s 体系框架确定的八大服务领域为：交通管理与规划、电子 收费、出行者信息、车辆安全和辅助驾驶、紧急事件和安全、运营管理、综合运 输、自动公路。 建立逻辑框架 逻辑框架就是指从系统设计的角度，为提供上述用户服务，i t s 应实现哪些功 能，以及如何组织这些功能之间的逻辑关系。中国i t s 逻辑框架分为四个层次：( 1 ) 功能域，功能域基本上和服务域等同；( 2 ) 系统功能，系统功能基本上和服务等 同，但功能与服务之间不是一一对应的，功能应当是服务或服务的组合；( 3 ) 过 程，当功能不可再细分时，即称之为过程，过程基本上与子服务等同；( 4 ) 子过 程，子过程即是基本的逻辑单元。逻辑框架最主要的内容是数据流图，即各功能 域、功能与过程间的逻辑关系图。 物理框架 物理框架就是指从系统实施的角度，将逻辑框架中的功能实体化、模型化， 将相近的逻辑功能组合，归结成直观的物理系统、子系统等实体。物理系统共分 为三个层次：系统、予系统和系统模块。系统与功能域大致对应，子系统与功能 大致对应。在中国i t s 体系框架中共有八个物理系统：交通管理与规划系统、电 子收费系统、出行者信息服务系统、车辆安全和辅助驾驶系统、紧急事件管理系 统、客运系统、货运系统、自动公路系统。 以上我们对尼s 的研究内容、国内外i t s 发展的基本情况作了简要的介绍。 下面我们将对车辆路径诱导系统加以概述。 1 4 路径诱导系统综述 1 4 1i t s 中的一个重要组成部分一路径诱导系统 车辆路径诱导系统( v e h i c l er o u t eg u i d a n c es y s t e m 。简称v r g s ) ，也有人称 之为车辆导航系统( v a t s ，v e h i c l en a v i g a h o ns y s t e m ) 或交通流诱导系统( t f g s ， 7 r a f f cf l o wg u i d a n c es y s t e m ) ，是先进的出行者信息系统a t i s 的核心子系统，也 是智能运输系统i t s 研究的重要组成部分阿【4 】【7 】。所谓车辆路径诱导，是指基于电 子、计算机、网络和通信等现代技术，利用全球定位系统( g p s ，g l o b a l p o s r i o m f n 窑 s y s t e m ) 、电子交通图( e l e c t r o n i cm a po f t r a f f i cn e t w o r k ) 、计算机和先进的通信技 术，使得车载计算机能够自动显示车辆位置、交通网络图和道路交通状况，还可 了 以根据出行的起讫点向用户提供最优路径诱导指令和丰富的实时交通信息，或者 通过获得的实时交通信息帮助用户找到条从出发点到目的地的最优路径。此系 统的最大特点是把入、车、路综合起来考虑，不仅极大地方便了出行者，使他们 可以按照自己选定的最优目标获得最优路径信息，而且还将对交通流在整个网络 上的合理分配产生积极的影响。另外，由于有了实时的路径指引，驾驶员可以将 精力集中在驾驶操作上，从而有助于提高交通安全水平，减少交通事故。总之， 该系统可以给驾驶员和交通管理部门带来实在的效益，但是具有很多的理论和实 施技术难度，是国内目前亟待解决的一项关键技术。 1 4 2 路径诱导系统的分类 路径诱导系统依据诱导设施的不同、路径规划产生地点的不同以及诱导功能 实现方法的不同有不同的分类。 l 、按诱导设施的不同进行划分 路径诱导系统按诱导设施的不同可以分为路侧路径诱导系统和车载路径诱导 系统两种。 路侧路径诱导系统：诱导设施为设置于路侧的各种道路标志，诱导的功能 由驾驶员正确识别和理解这些标志，按交通规则行驶实现。 车载路径诱导系统：诱导设旌为设置在车内的车载导航器，诱导的功能由 导航器的定位计算和给出的声音或屏幕提示，一步一步诱导驾驶员实现。 2 、按路径规划所依据的信息的性质不同进行划分 路径诱导系统按路径规划所依据的信息的性质不同可以分为静态路径诱导系 统和动态路径诱导系统两种。 静态路径诱导系统：路径规划所依据的信息为静态的路网信息，如使用一 个记录着过去交通状况的历史数据库或者干脆利用地理信息系统( 数字地图) 来 进行路径诱导。 动态路径诱导系统：路径规划所依据的信息为实时的动态路网信息和环境 信息，如当前和短期预测的路段行程时间信息、交通事件信息、道路气象信息等。 由于动态路径诱导系统考虑到路网交通流的动态特征，能根据交通状况的实时变 化对车辆进行诱导，所以对整个路网来说，它是一种有效疏散拥挤交通流的措施， 对单个车辆来说。它可以根据起讫点引导出行者沿一条最佳路径行驶，从而达到 个人出行最优的目的。因此动态路径诱导是车辆路径诱导系统发展的必然。 3 、按照路径规划产生地点的不同进行划分 路径诱导系统按路径规划产生地点的不同可以分为中心决定式的路径诱导系 统和分布式的路径诱导系统两种。 中心决定式的路径诱导系统c d r g s ( c e n t r a l l yd e t e r m i n e dr o u t eg u i d a n c e s y s t e m ) ：路径规划由交通信息中心的计算机系统计算产生。信息中心的计算机系 统根据实际路况和交通条件为每一特定的车辆( o d 对) 选择最优路径并将其选择 结果通过通信装置传送给车辆。c d r g s 又可以分为广播类的中心决定式路径诱导 系统b c d r g s 和交互类的中心决定式路径诱导系统l c d r g s 。 分布式的路径诱导系统d r g s ( d i s t r i b u t e d r o u t eg u i d a n c es y s t e m ) ：d r g s 亦可称为车载单元决定式的路径诱导系统，即路径规划由车栽计算机系统根据车 内装载的数据库数据和车载软件计算产生。车载数据库的路段行程时间等信息可 以通过与交通信息中心的双向通信得以实时更新。 1 4 3 国外车辆路径诱导系统的研究与发展状况 车辆路径诱导系统自诞生以来就受到了人们的普遍关注。许多发达国家如美 国、德国、日本等均将其列入国家研究计划，投入了大量的人力、物力和财力对 其进行研究、试验和开发。以下对这些国家路径诱导系统的发展情况进行简介。 车辆路径诱导系统的研究最早开始于2 0 世纪7 0 年代中期的日本。1 9 7 3 年， 车辆综合自动控制系统c a c s 项目首先进行了基于r f 射频通信的车载动态路径诱 导系统的开发试验。并得到了可以减少1 3 行程时间的结论，但是由于受当时技 术、经济等因素的限制该项目没有继续下去。为开发向出行者提供交通信息的通 信系统，日本在8 0 年代又相继进行了道路车辆通信系统r a c s ( r o a d a u t o m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 和高级车辆交通信息与通信系统a m t i c ( a d v a n c e d m o b i l e r r a f ci n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t m ns y s t e m ) 两项研究。在1 9 9 0 年开始的v i c s 项目则是世界上第一个全国统一的车辆信息与通信系统，v i c s 在1 9 9 6 年4 月正 式开始信息服务，当时覆盖区包括东京等大城市及主要高速公路，v i c s 播发的实 时交通信息包括；主要地点间的行程时间、交通拥挤、法规、事故、广域的最优 路径选择信息和道路施工、天气情况及停车场信息等。目前高档的v i c s 车载接收 机结合了差分g p s 和f m 调频副载波接收功能，可以进行车辆导航和路径诱导。 日本目前正在部署一种加强的交通管理系统u t m s ( u r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n t s y s t e m ) ，它与v i c s 相兼容，利用红外信标进行路段行程时间的采集。u t m s 由五 个子系统组成，其中的路径诱导系统是一种交互类的中心决定式路径诱导系统。 它使用另一个子系统a m i s ( a d v a n c e d m o b i l e i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 提供的来自于多 个信息源的实时交通信息和收集的行程时间数据进行路径诱导。由于路径诱导系 统依赖于a m i s 的红外信标测量到的实时路段行程时间，所以需要有大量的车辆 配置车载设备。为克服这一缺点，路径诱导系统将交通控制中心收集到的检测器 数据转化为路段行程时间数据，并以此决定最优路径。该系统在日本东京和长野 已开始运行，但是目前只能在交通主干道上进行动态诱导。日本的动态路径诱导 系统是世界上第一个投入使用的中心决定式的路径诱导系统。 欧洲的德国和英国分别在2 0 世纪8 0 年代末期开发出了用于示范的基于红外 信标进行通信的路径诱导系统，即l i s b 系统和a u t o g u i d e 系统，二者都是利用 历史数据进行路径诱导。进入2 0 世纪9 0 年代，德国西门子公司基于l 1 s b 开发了 a i d - s c o 历系统，它是基于红外信标通信方式的中心决定式的路径诱导系统。德 国斯图加特的s 阳r m 项目致力于开发双模式路径诱导系统。即在安装红外信标 的区域开发基于红外信标的中一心决定式路径诱导，同时在广域内开发基于 r d s - t m c ( r