（系统工程专业论文）基于浮动车技术的道路车辆行驶速度研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：近年来我国进入了城市化的高速发展阶段，随着国民经济的高速发展， 城市化进程不断加快，城市人口急剧增长，各类车辆拥有量不断增加，大多数城 市也不同程度地出现了交通拥挤与交通堵塞现象，从而引起了日益严重的交通事 故、交通噪声及尾气污染等问题。因此。发展智能交通系统，解决城市交通拥塞 问题，得到了广泛的重视。智能交通系统的运行基础为道路现状和历史的交通状 况数据，车辆行驶速度是反映道路交通状况的基本指标之一，由速度可以得到道 路交通流量、密度等信息，为预测未来一段时问内的道路交通基本状况提供依据。 因此本文从定量化角度研究道路车辆行驶速度具有一定的意义。 本文在综述国内外道路车辆行驶速度相关研究的基础上，对车辆行驶速度以 及速度在道路上的分布状况进行了研究。基于浮动车数据，结合路网的历史运行 和实时交通数据，采用自适应指数平滑的方法估计道路车辆的行驶速度；并运用 l o g i s t i c 函数，对车辆速度在路网上不同路段的分布规律迸行了定量化的研究。文 章最后，应用杭州市g p s 浮动车数据，对建立的模型进行了示例分析，验证了模 型的有效佳。 关键词：浮动车；道路车辆速度；指数平滑模型；l o g i s t i c 模型；定量化 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a ( 了 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i m e c e n ty e a r sc h i n ah a se m e r e dt h eh i g h s p e e du r b a n i z a t i o n d e v e l o p m e n ts t a g e ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , a c c e l e r a t i n g u r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h er a p i dg r o w t ho fu r b a np o p u l a t i o n , v a r i o u st y p e so fv e h i c l e s w i t he 僻i l l c r c a s i n gv o l u m e ，t h em a j o r i t yo f c i t i e si nv a r y i n gd e g r e e sw i t hat r a f 丑cj a m p h e n o m e n o n , w h i c hl e d t 0t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u st r a 衔ca c c i d e n t s , t r a f f i cn o i s e ， e x h a u s tp o l l u t i o n ，a n do t h e ri s s u e s t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y g e m s ，w h i c hc o u l d s o l v eu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o np r o b l e m ，h a v eb e e nw i d e l y a t t e n t i o n i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e mo p e r a t i o n a lb a s i so nt h es t a r e sa n dh i s t o r yo f r o a d t r a f f i cc o n d i t i o n sd a t a , t r a f 五es p e e dm a dt r a t i cs i t u a t i o ni sar e f l e c t i o no fo n eo ft h e b a s i ci n d i c a t o r s ，b yt h es p e e do fr o a dt r a f f i cc a l lc o m p u t et h ed e u s i t y , a n do t h e r i n f o r m a t i o n sw h i c hc o u l dp r e d i c tt h ef u t u r eo ft h er o a df o rap e r i o do ft i m e 场e r e s e a r c ho nt h es p e e do f v e h i c l e sb yq u a n t i f i c a t i o nh a sc e r t a i ns i g n i f i c a n c e 删sp a p e rs t u d ya th o m ea n da b r o a di nt h ev e l o c i t yo f v e h i c l e s ，a n dr e s e a r c ho nt h e t h ev e l o c i 哆a n dt h ed i s t r i b u t i n go fv e l o c i t yo nt h er o a d b a s e do nt h ef l o a t i n gc a rd a t a , c o m b i n i n gt h eh i s t o r yo fn e t w o r ko p e r a t i o na n dr e a l - t i m eu a f f i cd a t au s i n ga d a p t i v e e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gm e t h o de s t i m a t e dt h es p e e do fr o a dv e h i c l e s ，a n du s i n gl o g i s t i c f u n c t i o nt ob u i l dav e l o c i t ym o d ew h i c hf o rt h eq u a n t i t a t i v er e s e a r c h f i n a l l y , t h e a r t i c l eu s et h eg p sd a t ao fh a n g z h o uf l o a t i n gc a rt ot e s tt h em o d e l ，v e r i f yt h ev a l i d i t y o f t h em o d e l k e y w o r d s ：p r o b ec a r , v e l o c i t yo fv e h i c l e so i lt h er o a d ，i n d e xs m o o t hm o d l e ， l o g i s t i cm o d l e q u a n t i t a t i v er e s e a r c h c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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：j 双 导师签名： 签字日期：御年也月归日 签字日期： 秀v 弘 纷， 力棘 北京交通大学硕士学位论文独刨性声明 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，也不包含为获得北京交通大学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员献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：声步圣 签字日期：；计7 年亿胃扫日 致谢 本论文的研究工作是在我的导师尹相勇教授的悉心指导下完成的，从论文的 选题、构恩，到论文的写作、修改和最终定稿，整个过程都渗透着导师的智慧和 心血，凝聚着导师对我的关怀和启迪。在攻读硕士学位期间，导师无论在科研还 是生活上都给予了我细致的关怀，由衷感到自己点点滴滴的进步，都离不开导师 的辛勤培育和细心教导。在此，谨向我的导师尹相勇教授表示我最诚挚的感 谢和最崇高的敬意。 在研究生学习期间，我一直得到学院、系统所多位老师的指导和关怀，在此 一并表示感谢，并祝各位老师身体健康、工作顺利。同时，向评审本论文以及参 加论文答辩的专家们表示谢意，感谢他们在百忙之中抽出时间审阅和指正我的论 文。由于作者学术水平、时间和精力有限，论文中对一些问题的讨论难免存在不 当或不够严谨之处，还请各位专家给予指正，助其完善。 此外，在项目研究及撰写论文期间，我得到了许多同学的热情帮助，与他们 结下了深厚的友谊，在此祝愿他们今后事业有成；同门的师弟师妹与我朝夕相处， 情如一家，帮助甚多，在此祝愿他们学业有成、前程似锦! 最后，也感谢父母的理解和支持，使我能够在学校专心完成学业。 北京交通大学硕士学位论文i 绪论 1 1 论文背景及选题意义 1 绪论 城市交通是城市社会活动、经济活动的纽带和动脉，对城市经济的可持续、 稳定发展和人民生活水平的提高发挥着重要的作用。城市交通的发展，一方面促 迸了物质交流和人们的往来，缩短了出行时间，提高了工作效率；但另一方面也 带来了些端。近半个世纪以来，交通拥堵、道路阻塞和交通事故频繁发生，不 论是在发达国家还是发展中国家，都存在不同程度的问题。尽管各国政府在道路 建设上投入了大量资金，城市及其周边修建了大量的交通设施，但是交通拥堵状 况在全世界许多国家仍然十分严重，已成为非常突出的世界性难题。 近年来我国进入了城市化的高速发展阶段，随着我国国民经济的高速发展， 城市化进程不断加快，城市人口急剧增长，各类车辆保有量的不断增加，大多数 城市也不同程度地出现了交通拥挤与交通堵塞，以及由此引起的日益严重的交通 事故，交通噪声及尾气污染等问题。城市交通问题正越来越严重地困扰着我国各 大城市，并成为牵动城市千家万户的热点问题。但是，能够用于修建道路的土地 有限，不可能持续大规模建造道路来满足交通供给，出行需求和交通供给存在难 以解决的冲突。因此，发展智能交通系统，解决城市交通拥塞问题，得到了广泛 的重视。 智能交通系统是运用各种先进电子、计算机科学技术，在大范围、全方位发 挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。路段交通状况的实时采集，是 智能交通系统得以实现的基础，也为城市路网设计、城市交通控制与管理提供了 依据。以往的城市路段交通流量的采集，主要通过线圈、微波、视频等技术采集， 需要大量固定设施的投资。随着g p s 技术的发展和应用，这一状况正在逐渐改变。 车辆行驶速度是反映道路交通状况的基本指标之一，可以通过速度得到道路 交通流量、密度等信息，为预测未来一段时间内的道路交通基本状况提供依据。 浮动车 即安装有定位和无线通信装置的普通车辆，如出租车、公交车、警 车等) 在道路上行驶时，可以获得车辆的行驶时间、速度及位置等方面的信息， 利用这些信息，通过数学模型综合分析，可以了解路段的交通状况。这对固定信 息采集设备的手段是一个良好的补充。 与在道路基础设施设置交通固定监测设备相比，利用浮动车技术监测路网动 态交通状况不仅具有更大的灵活性，而且还具有低成本的优势。目前我国大部分 城市的交通检测基础设施还比较薄弱，通过浮动车技术来监测交通状况恰好解决 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 了该问题，具有良好的社会效益和经济效益【2 】。 本论文研究基于国家“十五”科技攻关项目杭州市道路和交通管理应用浮 动车技术示范工程。该课题以杭州市为示范工程的实施城市。 本文在综述国内外道路车辆行驶速度相关研究的基础上，对车辆行驶速度以 及速度在道路上的分布状况进行了研究。基于浮动车数据，结合路网的历史运行 和实时交通数据，采用自适应指数平滑的方法估计道路车辆的行驶速度，并运用 l o g i s t i c 模型对车辆速度在路网上不同路段的分布规律进行了定量化研究。文章最 后，应用杭州市g p s 浮动车数据，对建立的模型进行了示例分析，验证了模型的 有效性。 1 2 论文研究的主要内容 本论文进行了车辆行驶速度的估计和车辆行驶速度在路网上分布规律两方面 研究。利用自适应指数平滑法处理车辆g p s 数据，估计路段车辆的行驶速度。在 研究得到路段车辆行驶速度的基础上，建立了车辆行驶速度在路网上的统计分布 l o g i s t i c 回归模型。 ( 1 ) 车辆行驶速度的研究 本文研究的是车辆在道路上的行驶速度估计值。由于出租车等车辆的速度和 时间的变化可能是因为载客过程的结束而停车等特殊情况，因此本文通过一些规 则滤除了一部分不可用数据。本文不是通过g p s g i s 数据获得的浮动车瞬时速度 简单进行估计，而是通过对车辆进行回溯配对，并利用配对后的道路行驶距离与 行驶时间所计算出的速度作为研究的基础数据进行估计。 本文采用自适应指数平滑的方法估计车辆在道路上的行驶速度避免了浮动车 数据在时间空间上的误差所造成的车辆行驶速度不够精确等问题。以现有某一浮 动车数据为基础，回溯前一状态点，得到相应的初步计算速度，结合道路交通的 实际运行特点，估计出车辆在道路上的行驶速度。 ( 2 ) 车辆行驶速度在路网上的统计分布规律的研究 由于实际的车辆在路网上是动态和随机的，因此通过统计方法研究车辆速度 在路网上的分布规律。 本文就车辆行驶速度在路网上的统计分布规律进行了探索性研究，主要利用 了浮动车数据所具有的特点：大量的样本点，各个时间段的数据比较全面。以路 段行驶速度的估计值为基础，建立了车辆行驶速度在路网上的统计分布l o g i s t i e 回 归模型。 2 北京交通大学硕士学位论文1 绪论 1 。3 论文的结构安排 本论文共分六个章节，其中第四、五章为核心内容。各章内容安排如下： 图1 - 1 论文结构图 f i 参1 - 1p a p e rs t r u c t u r a ld r a w i n g 第一章绪论。介绍论文选题背景及意义、主要研究内容、研究方法，及 论文的新意。 第二章国内外研究现状。综述了相关路段车辆行驶速度研究现状，在此 基础上确定了论文研究的起点和主要研究内容。 第三章浮动车数据预处理。针对浮动车数据存在一定误差的问题，以大 量浮动车数据为基础进行筛选、回溯，以便得到尽量接近道路车流行驶状况的路 段车辆速度。 第四章模型建立。第一部分，根据浮动车数据预处理的结果，利用自适 应指数平滑模型对道路车辆行驶速度进行估计，并提出了自适应系数计算方法， 以便得到接近道路实际情况的行驶速度。第二部分，在路段车辆实际行驶速度估 计的基础上，选定能够代表道路基本情况的变量，建立车辆行驶速度与道路状况 关系的l o g i s t i c 模型，为分析路段不同断面速度与道路状况的关系提供了定量化的 研究手段。 第五章示例分析。应用杭州市g p s 浮动车数据，对杭州市一个路段车辆 的行驶速度进行估计和分析，并运用数据检验车辆行驶速度与道路状况关系模型 的有效性。 第六章结论与展望。总结本文研究内容，并对今后需要进一步研究的问 3 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 题提出了一些建议。 1 4 论文研究的新意 论文的新意体现在： ( 1 ) 基于浮动车数据的路段车辆行驶速度估计。目前国内外对浮动车技术的研 究主要集中在浮动车合理样本量、路段交通异常探查等应用领域，将浮动车技术 用在反映道路交通状况的道路车流速度的研究处于起步阶段。本文运用自适应指 数平滑模型，提出了便于计算的自适应系数计算方法，并应用该模型测算道路车 辆估计速度。 ( 2 ) 利用l o g i s t i c 函数建立道路车流速度与道路状况关系模型。目前大部分研究 集中在车辆行驶速度与道路交通流量、密度等反映道路交通状况的变量关系模型 方面。而对车辆行驶速度与道路的基本信息变量如：车道数、信号周期、车辆在 路段上位置等变量的关系模型问题上还未开展研究。本文提出并运用l o g i s t i c 函 数，建立了道路车辆行驶速度与道路基本状况之间的定量化关系描述模型，定量 分析车辆行驶速度在路网上的统计分布规律。 4 北京交通大学硕士学位论文 2 国内外研究现状 2 国内外研究现状 2 1 国内外智能交通系统研究发展现状 自2 0 世纪8 0 年代，由欧、美、日等国家率先研发智能交通系统技术以来， 全世界都关注着交通领域的这场革命。经过十多年的发展i t s 已由欧、美、日三 极走向世界，预示着智能交通系统( i t s ) 将成为2 1 世纪的发展方向。智能交通系 统( 简称i t s ：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 ) 是指将先进的信息技术、数据通讯 传输技术、电子控制技术以及计算机技术、网络技术等高新技术有效地运用于整 个运输管理体系，使人、车、路密切地配合、和谐地统一，从而建立起的种在 大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。如图2 1 。 图2 1i t s 概念圈 f i g 2 - 1c o n c e p to fi t s i t s 的目的是充分有效地利用道路以及交通基础设施，减轻出行者的负担，从 而保障安全、提高效率、改善环境、节省能源和培育i t s 新产业。i t s 的概念与传 统的交通管理模式有以下主要不同点：( 1 ) i t s 采用信息技术，实施科学化、现代化 管理，而不单靠入管或只靠供给满足需求；( 2 ) i t s 实现入、车、路融合，协调管理， 而不只对人、车、路单独管理；( 3 ) i t s 达到实时、准确、高效综合系统管理，而不 是头痛医头、脚痛医脚地管理。 i t s 的特点是：( 1 ) 信息化、数字化、智能化：i t s 所需信息不单是车辆的数量 信息，还包括交通与交通出行者有关的时间、空间、心理、生理、气候、地理、 ， 北京交通大学硕士学位论文2 国内外研究现状 图像、语言等信息；并对这些信息进行检测和识别，成为数字化信息，从丽实施 智能化管理；( 2 ) 系统化、集成化、一体化：i t s 是由各个子系统构成，采取人工智 能方法和系统工程方法，对系统本身以及系统之间进行技术和方案的集成，并实 施各种交通方式之间以及整个运行系统的集成，从而实施信息共享及一体化的交 通综合管理。 2 1 1 国外l t s 研究现状 如果说7 0 年代以前，世界上发达国家应用计算机技术实施交通信息自动控制 等作为i t s 的孕育期的话，那么8 0 年代前后，欧洲开发的a l i 路线诱导系统，美 国的电子路径诱导系统( e r g s ) ，日本的汽车综合控制系统( c a c s ) 等项目，可以 说是进入i t s 初创期。图2 - 2 把i t s 的发展划分为初期( 1 9 9 4 年以前) 和发展期( 1 9 9 4 年以后) 。 图2 - 2 国外i t s 发展情况示意 2 - 2t h ee v o l n f i o ao f i t sa to v e r s e a ( 1 ) 欧洲i t s 的发展情况 1 9 8 5 年欧洲从电子信息技术在交通领域的应用开始介入i t s 的研究，欧共体 的专家经过论证，得出：“远程信息通讯作为通讯技术与信息处理技术的综合体， 将成为2 l 世纪的主要经济增长点0 并制定了“最有效最安全的欧洲交通系统发 展计划”( p r o m 啪u s ) 。 p r o m e t h e u s 最早由奔驰汽车公司提出，后联合其他1 0 家汽车公司，确定 了四个基础研究开发领域，包括：车载人工智能处理器；实时模式识别；各种传 感器和处理装置；数字通讯技术和系统综合运用方法及评价模型开发。三个应用 研究领域，包括：通过人工对话防止机动车相撞、偏离车道检测、障碍物检测和 驾驶辅助系统；车与车之间通讯( 电子视野) 提供行车支援信息开发；作为建立路 径诱导系统基础的车、路间通讯系统等。p k o m e t h e u s 计划1 9 9 4 年完成后，从 1 9 9 5 年开始新的研究计划( p r o m o t e ) ，研究对象包括全交通方式。 6 北京交通大学硕士学位论文2 国内外研究现状 与p r o m e t h e u s 计划同时还制定了以道路基础设施的研究开发为主体的 d v e 计划。d r i v e 计划共安排了7 2 个项目，包括分类别的研究工具的开发、 建模和评价、安全、人的行为、交通控制、远距离通讯和数据库、出行规划，多 功能路边设备的开发、通讯标准、实施的经济与财政问题等。在1 9 9 5 年取得一定 成果之后，进而完成了d i u v e i i 研究计划，其研究内容见表2 1 。 表2 1d r i v e i i 计划的主要研究内容 t a b 2 一lt h el i a i nc o n t e n to fd r l l ，e 序号内容 l 需求管理：小汽车和公共汽车的自动收费管理，智能卡的评价 2 交通旅行信息：道路、铁路、换乘等各种信息的服务 3 城市综合交通管理：路径诱导、交通信息、交通控制、停车场管理 4 城市间综合交通管理：事故交通量的自动检测、可变标志、气象信息 5 驾驶支援、协调系统：残疾人、老人用人机对话危险预警( 车车、车路间通信) 6货物车队管理：管理方式最优化、信息管理 7公共交通管理：运营计划与信息服务系统的联系及标准化 欧洲i t s 的相关新技术：相当于d r i v ei i i 的信息处理技术的研究t h e t e l c m a t i e s a p p l i c a t i o n sp r o g r a m m e ( t 1 a p ) ( 1 9 9 4 1 9 9 8 ) ，主要的目标是运用先进 的信息技术来提高交通效率、保障安全和改善环境，从而极大提高欧洲工业的竞 争力，提高交通运输水平。t - t a p 的研究涉及到全交通方式，主要研究内容有：旅 行者多方式的公共交通、货运运营管理、道路交通、航空交通、铁道交通、水上 交通、横贯交通、交通公共设施服务、对欧盟政策的贡献。t e n - t ，是1 9 9 5 年 1 9 9 9 年欧盟委员会推进的以实现多方式信息服务为目的的横贯欧洲交通信息服务 网络，这是欧洲i t s 持续发展的关键所在。t e n - t 覆盖了交通运输的各个方面， 包括高质量的公路、铁路、港口、机场和内陆航运。t e n t 划分为以下三个层次： 欧洲规模、欧洲地域、国家及区域。欧洲规模项目用于提供整个欧洲范围的i t s 服务。欧洲地域项目是通过可共同操作的调配、国境地带的无缝服务来促进国家 之间的合作。国家及区域这一层次研究、发展并实行对欧盟i t s 发展有重大贡献 的项目。 ( 2 ) 美国i t s 发展情况 美国在6 0 年代后期，由联邦公路局开始研究电子路线诱导系统( e r g s ) ，包 括车载显示器、路旁单元、车载设备与路旁单元的双向通讯，这项研究为现在i t s 的动态路线诱导系统提供了最初最基本的经验。7 0 年代联邦公路局还组织研究过 给司机提供安全超车的信号系统，这种系统与i t s 自动化公路系统a h s 有关，但 7 北京交通大学硕士学位论文2 国内外研究现状 由于当时缺乏政策和财力支持，丽未能够成功。7 0 年代至8 0 年代中期由于经费问 题，美国联邦公路局的大多数项目真处于休眠状态，但联邦公共交通局开展了 一系列自动车辆控制的研究试验，主要目的是评价各种定位技术，以便及时准确 地获得公交车辆离开调度中心的位置与轨迹；1 9 7 8 年美国发射了第一颗g p s 卫星、 1 9 8 4 年开发第一台数字地图汽车导航器和一些财团资助重型车辆电子牌照项目启 动与实验，都为i t s 的发展打下了基础。 1 9 8 5 年以后，美国智能车路系统( i v h s ) 从准备阶段向大力发展阶段过 渡，先后进行了电子收费( e t c ) 系统试验，研究制定美国汽车导航标准。1 9 8 6 年 开始了名为p a t h ( p r o g r a mo i la d v a n c e dt e c h n o l o g i e sf o rt h eh i g h w a y ) 的综合性 研究计划，是美国第一个把汽车导航与交通信息系统集成在一起的公路实际运营 试验项目。i v h s 受到美国政府重视，把它列入了1 9 8 7 年开始组织起草的美国未 来公路计划框架中。1 9 8 8 年6 月美国科学系统会议上决定成立了一个i v h s 发展 计划协调研究机构，定名为m o b i l i t y 2 0 0 0 。m o b i l i t y 2 0 0 0 的成员来自政府、 大学、研究机构以及包括汽车、电子、信息、交通等企业在内的有关产业部门。 其研究结果形成了i v h s 开展工作的指导性文件，对后来h s 计划起到了重要作 用。i v h s 项目包括：洛杉机的s m a r tc o r r i d o r ( 智能交通走廊) ；奥兰多的 t r a v t e k ( t r a v e lt e c h n o l o g y ) 提供交通阻塞信息、汽车服务信息、旅行信息、线 路诱导信息等。1 9 9 1 1 9 9 3 年是美国i v h s 快速发展的三年。 美国i t s 的相关新技术：根据i t s a m e r i c a 发布的消息，开始于1 9 9 8 年1 2 月 的美国国家i t s 发展战略计划( n a t i o n a l i t s d e v e l o p m e n t s t r a t e g y p r o j e c t ) 代表了美 国更新其i t s 发展战略的第一步，第二步是美国i t s 长期研究日程的更新。主题 为“运用智能交通系统挽救生命、节省时间和金钱”的计划报告共分为两个部分， 第一个报告的标题为“推广应用的机遇”，其目标是针对州立和地方官员；第二个 报告的标题为“推广应用的机遇和行动”，其目标是针对推广应用i t s 的专业人士。 该计划是美国d o t 与美国i t sa m e r i c a 合作的成果，旨在推广i t s 在全美国的应 用。美国已经选择了七个i t s 项目做国家级评价，这七个项目是美国i t s 集成计 划的一部分，它们分别是：位于加州邻近s a nj o s e 的硅谷、加州的r i v e r s i d e 、华 盛顿的s e a t t l e & s p o k a n e 、新泽西州、宾州的d e l a w a r er i v e rp o r ta u t h o r i t y 、佛州 的d a d e 等。该项计划得到美国联邦经费的资助，旨在加速i t s 设备在都市和乡村 集成和协同工作能力。美国国家i t s 体系结构是包括7 个基本系统( 大系统) 、2 9 个用户服务功能( 子系统) 以及6 0 个市场包，它们共同构成了美国i t s 的研究领域。 基本系统包括：出行和运输管理系统：该系统包括城市道路信号控制、高速公 路交通监控、交通事故处理等公路交通管理的各种功能，以及用来研究和评价交 通控制系统运行功能与效果的三维交通模拟系统，该系统有六个子系统；出行 8 北京交通大学硕士学位论文 2 国内外研究现状 需求管理系统：该系统向用户提供有关出行信息，改善交通需求管理，驾驶员通 过所获得的各种交通信息合理选择出行方式、时间和路线；公共交通运营系统： 该系统用以提高公共交通的可靠性、安全性及其生产效率，使公共交通对潜在的 用户更具有吸引力；商用车辆运营系统：该系统是为州际运输管理中自动询问 和接受各种交通信息，进行合理调度所设计；电子收费系统：该系统通过电子 卡或电子标签由计算机自动收费，可使所有地面交通收费包括道路通告费、运输 费和停车费等实现自动化；紧急事件管理系统：该系统用以提高对突发交通事 件的报告和反应能力，改善应急反应的资源配置。先进的车辆控制和安全系统： 该系统应用先进的传感、通讯和自动控制技术，给驾驶员提供各种形式的避撞和 安全保障措施。 ( 3 ) 日本i t s 发展情况 1 9 7 3 年起，日本通产省资助研究开发线路诱导系统( c a c s ) ，也是采用感应线 圈作为车载设备与路旁单元的通讯。1 9 7 7 年开始了基于车辆自动识别技术的旅行 时间估计研究；1 9 8 1 年本田、丰田和日产公司开始引进开发汽车导航技术。1 9 9 0 年通产省制定了新的试验项目超级智能车辆系统( s s v s ) 。 1 9 8 4 年日本建设省成立了公路工业发展组织( h i d o ) ，并成立了汽车通讯委员 会。1 9 8 6 年开始研究道路汽车通讯系统( r a c s ) ，1 9 8 9 年r a c s 将9 个不同的车 载导航系统与无线电传输连在一起作试验并在建设省的指导下负责提供闩本标准 化数字化道路地图。并确定了数字地图在i t s 中的重要性，同时成立了日本数字 道路地图协会，在建设省的指导下负责提供日本标准化数字地图。后与警察厅、 邮电省共同开发了车辆信息与通讯系统( v i c s ) ，把快速道路和地面交通数据合并 成经过统一处理的信息提供给车载系统。建设省在r a c s 基础上又启动了道路交 通系统( a r t s ) ，其目的在于2 0 0 0 年到2 0 1 0 年实现车辆同道路设施之间的智能协 调。 警察厅1 9 8 7 年启动了车辆交通信息与通讯系统( a m t i c s ) ，与建设省的r a c s 不同的是采用了类似蜂窝式的远程通讯设备。后与建设省、邮电省共同开展了v i c s 的项目研究。v i c s 选择了调频载波( f m ) 和微波信道以及远程终端的方案，并在 警察厅研究的基础上又加上光学信道作为第四种通讯媒体。1 9 9 1 年警察厅着手开 发交通管理系统( u t m s ) ，开发了一种新的远红外车辆检测器。1 9 9 3 年警察厅成 立了全方位的交通管理学会( u t m sj a p a n ) ，以便协调各个方面在规划、建设和使 用新的全方位交通管理系统的要求，使新系统能够体现i t s 的大多数特征。 运输省负责车辆安全标准，1 9 9 1 年为通过司机监控、障碍检测和保持车距来 改善汽车性能、提高安全为目的，启动了先进安全车辆( a s v ) 项目。 日本i t s 的相关新技术：日本智能交通系统的研究领域主要包括9 个方面2 0 9 北京交通大学硕士学位论文2 国内外研究现状 个子系统：先进的导航系统；1 ) 路线导航信息提供系统，为驾驶员选择最佳行 驶路线、最小化出行时间提供信息；2 ) 目的地信息提供系统，提供与目的地有关 的各种信息，使驾驶员选择合适的旅行目的地；e t c 系统：3 ) 电子自动收费， 驾驶员在通过收费站时实现不停车自动非现金付费；安全驾驶支援系统：4 ) 道 路和驾驶信息提供，为驾驶员提供驾驶信息和道路条件信息；5 ) 危险警告，有效 防止碰撞和突发交通事件的发生；6 ) 辅助驾驶，通过自动刹车系统和前面所提到 的危险警告系统防止车辆因偏离而引起的交通事故发生；7 ) 自动驾驶系统，可以 有效地减少驾驶负荷并能防止交通事故的发生；交通管理最优化：8 ) 交通流优 化，通过全路网的信号控制系统，对交通流进行优化，9 ) 交通事故时交通管制信 息提供，对交通事故地点实行有效的交通管制；道路高效管理系统：1 0 ) 管理水 平提高，保证安全、通畅和舒适的出行环境，提高道路管理水平；1 1 ) 特许商用车 辆管理，对特别许可车辆实行管理，保护路面结构，防止危险发生；1 2 ) 道路危险 信息提供，根据不同行驶区域的自然条件，提供道路危险警告信息；公交支援 系统：1 3 ) 公共交通信息提供，为乘客提供有关乘车线路、发车时间等信息，并提 供与公交有关的实时拥堵、车票费、其它费用、可利用的停车空间等信息，1 4 ) 公 共交通运行管理，有效地管理公共交通和采集公交数据信息；车辆运营管理系 统：1 5 ) 商用车辆运营管理，降低商用交通量，提高运输安全性，1 6 ) 商用车辆自 动跟车行驶，通过商用车辆自动跟车行驶，快速提高运输效率，降低商用车辆的 交通量，提高运输的安全性；行人诱导系统：1 7 ) 人行道线路诱导，为行人和骑 自行车者创造安全的路边环境，1 8 ) 行人危险预防，有效防止人一车事故的发生； 紧急车辆支援：1 9 ) 紧急事件自动警报，当车辆发生突发事件时，系统自动向救 援中心发出紧急事件警报，2 0 ) 紧急车辆诱导及救援行动支援，系统通过实时采集 突发事故地点和受损路况信息，及时通告救援组织并进行救援指导、为交通事故 或自然灾害突发地准备救援车辆。 “) 国外现状总结 国外i t s 发展的初期阶段主要是在发达国家和地区( 欧、美、日) ，局限于应 用电子和通讯技术来加强车辆管理，各个国家的研究力量相对分散。从9 0 年代以 后开始从尝试性的分散民间研究行为向国家有组织有计划的推进过渡。 1 9 9 0 年8 月，美国首先成立了国家i t s 统一协调组织i v h s a m e r i c a ( 1 9 9 4 年 9 月改为i t sa m e r i c a ) ，其宗旨是协调和促进公众与私人机构之间的合作，加快发 展i v h s 。1 9 9 1 年被美国联邦运输部指定为其顾问委员会1 9 9 1 年通过了i v h s 法案，并被编入了多方式地面联运效率法案，根据法律开始制定i t s 规划和标准， 建设示范工程和保证财政拨款。 1 9 9 1 年，欧盟也成立了i t s 协调机构( e r t i c o ) ，由信息技术、汽车制造、道 北京交通大学硕士学位论文 2 国内外研究现状 路运营、通讯、道路管理等部门的学者和企业组成，现已发展到5 0 个成员。该组 织负责d r i v e 计划的实施，推进研究产产业化，实施跨国家跨地区的试验项目， 制定统一项目规划，协助欧盟理事会。 1 9 9 4 年初，日本成立了车辆、道路、交通智能化推进协会( v e r t i s ) 。1 9 9 5 年6 月通过了“推进高度情报通信社会”的基本方针，决定推进i t s 的进展，并 组成五省厅( 警察厅、通产省、运输省、邮电省、建设省) 联席会议，制定了“i t s 总体构想”和“i t s 发展框架”。 为了加强国际问的交流与合作，美国在1 9 9 3 年召开的i v h s 年会上提出1 9 9 4 年召开i v h s 世界大会，当时欧溯积极响应美国的提议，把大会名称改为a 丌( 远 程通讯在交通中的应用) 一i v h s 世界大会，后来日本建议会议名称改为i t s 世界 大会，得到欧美等国家的认同。第一届i t s 世界大会于1 9 9 4 年1 1 月在法国巴黎 举行，并每年轮流在欧、美、亚三大洲举行。从此，i t s 开始进入了快速发展时期， 从欧、美、日三极扩展到全世界。 2 1 2 我国l t s 发展状况 为推动中国i t s 的发展，2 0 0 0 年2 月，科技部会同国家计委、经贸委、公安 部、交通部、铁道部、建设部、信息产业部等部委相关性部门的充分协商和酝酿 的基础上，建立了发展中国i t s 的政府协调领导机构全国智能交通系统( i t s ) 协调指导小组及办公室，并成立了i t s 专家咨询委员会。全国智能交通系统( i t s ) 协调领导小组及办公室的成立将有助于改善我国交通运输科技多头管理、工作交 叉等问题，积极推动我国的智能交通系统建设。全国智能交通系统( i t s ) 协调领导 小组及办公室对国内智能交通系统研究与发展进行组织协调，并结合“十五”计 划及2 0 1 0 年远景规划的编制工作，组织研究和制定中国智能交通系统发展的总体 战略、技术政策和技术标准，以及相关的扶持政策，积极支持有关部委、地方、 产业和科研院所，根据行业、地区特点进行研究开发和应用示范工作，促进智能 交通系统的产业化，推动与国际组织、机构的交流与合作，开展宣传和科普工作。 目前，我国已经建立并开始使用的智能交通系统包括以下l o 方面：交通控 制系统：具有对信号周期、绿信比和相位差实时优化的功能，不仅能够适应不断 变化的交通量，还具有智能化的自学习功能；交通监视系统( c c t v ) ：已经有多 个城市建立了以电视摄像为主的交通监视系统，通过该系统监视突发交通事件， 以及处理交通事故、交通堵塞和记录交通违章；有些城市的监视系统还能够根据 交通量的变化，控制摄像机镜头自动指向道路拥挤或发生突发交通事件的路段， 具备了一定的智能化功能；交通管理系统：利用网络技术实现车辆档案、驾驶 员档案、交通事故及交通违章的综合管理，建立盗抢机动车信息库、车辆与驾驶 北京交通大学硕士学位论文2 国内外研究现状 员信息库，并实现数据共享，1 9 9 9 年全国已有4 0 0 多个车辆管理机构实现了数据 共享；交通信息动态显示系统：利用交通控制系统和交通信息系统，以及1 2 2 报警台采集突发交通事件信息，通过道路交通显示屏发放信息，引导道路使用者 台理地参与交通，已经有一些城市安装了该系统；交通疏导系统：利用交通广 播电台或交通寻呼台实时发送交通信息，剩用调频附加信道和广播信息交换网， 实现跨地区长途运输的交通信息传送；交通运输安全报管系统：利用g p s 和g s m 功能，监管长途客车安全运行，及时制止意外情况发生；闯红灯违章监测系统， 利用照相、摄像、视频检测等手段，记录闯红灯车辆所在路口、车牌号码、发生 时间等信息；驾驶员考试系统：利用激光技术、摄像检测以及计算机信息技术 自动记录驾驶学员的驾驶过程，实施场地考试自动监测，利用检测技术、信息技 术自动记录驾驶员的道路行驶过程，实施道路考试自动监测；交通事故快速勘 查系统：利用立体摄影、计算机信息和数据传输等技术，对事故现场进行快速勘 查、制图和事故现场图像的及时传送，使指挥控制中心对交通事故进行实时的处 理和指挥；电子收费系统( e t c ) ：利用电子技术、计算机技术以及信息通讯技术， 通过安装在汽车上的电子标识卡与安装在收费车道旁的读写收发器，通过微波或 红外进行快速的数据交换，实现车辆的不停车收费。 我国i t s 研究和开发的重点主要集中在以下领域：根据中国国情制定i t s 的近期发展战略，以城市为中心、以交通干线为纽带，逐步将现有的i t s 各个子 系统集成联网，实现数据和信息共享；道路交通综合管理，关键技术为交通事 故管理技术、机动车信息管理技术、驾驶员档案信息管理技术及应用软件；城 市交通诱导系统，关键技术为城市快速环路及干道交通的诱导和监视、停车诱导 技术以及系统集成技术；高速公路联网收费和不停车收费，关键技术为自动车 辆识别技术、专用短程通信技术和收费安全技术；智能控制和管理，关键技术 为智能算法、交通事件自动识别和系统集成技术；交通信息服务，关键技术为 交通信息采集与处理技术、交通信息发布技术；货物运输信息化，关键技术为 货运信息系统、货物调度系统：车载路径导航系统；安全事故预防系统； 提高商用车辆综合效率的管理系统等1 3 】【4 】。 2 2 基于0 p $ 浮动车交通信息平台国内外研究现状 浮动车采集信息的研究主要可归纳为以下三类：一是利用浮动车数据为网络 动态信息实时预测提供数据基础，或者作为某一条主干道运行状况的实时测量手 段；第二类是用于探测网络交通事件的发生，如排队的发生或者监测到交通事故； 第三类是将浮动车数据作为某些路段或者高速公路的旅行时间预测的数据基础。 北京交通大学硕士学位论文2 国内外研究现状 浮动车交通信息平台就是利用定数量的装有特定车载设备的车辆( 浮动 车) ，在行驶过程中采集沿途自身的各种交通数据( 速度、加速度、出行距离、出 行时间、停车、超速、紧急情况等) ，并将所采集到的实时交通数据通过通讯手段 传送到数据处理中心，经数据处理中心处理后，建立起共享数据库，向不同的服 务对象提供多样化的实时交通信息。整个过程的实质是对整个路网的总体车辆进 行随机抽样，用样本来反映总体的情况。 f 车载终端l 藏据处理中心 + 囊撂分析模块 i 车载终端l 主 浮 襞 动 ：重始g p s 敢据磋) +i 指定时问路段平均车速计算l 终 生 端 。 数 磊 地图匹配模块指定时问路段样本密度计算l 据 监 接 控 i 置控中心箍据库乏亘磊森 地图匹配结果显示 受 系 服 统 l 车载终墙i 务 蠡 l 埴田匹配 i i 浮动车监控 i 嚣 耄 l 车载终麓i ij e 教教据删缘i - + 历史数据查询 图2 - 3 基于g p s 浮动车交通信息平台结构图 f i g 2 - 3t h ei n f o r m a t i o np l a to f t r a n s p o r t a t i o nw h i c hb a s e do ng p sp r o b ec a r 以g p s 技术为基础的浮动车系统主要由车载终端、通信网络和数据处理中心 三大部分组成，如图2 3 所示。首先，由浮动车上的g p s 接收器接收定位卫星的 信号，确定浮动车的位置；然后，浮动车将所采集到的交通数据通过通讯网络发 送到数据处理中心；最后，数据处理中心根据浮动车发来的数据计算出给定路段 的交通状况。浮动车信息采集技术与固定监测器的根本区别在于实现了对路段全 方位、同步、动态的实时检测1 3 】。与传统的跟车法比较，该方法对驾驶员的驾驶行 为不做特殊要求，浮动车与数据处理中心之间的信息交换自动完成。该方法的优 点是：可以利用现有卫星定位设备和通