4.1 智能运输系统讲义(先进的交通管理系统)ATMSPPT参考课件.ppt

,智能运输系统（ITS）,1,先进的交通管理系统(ATMS)1了解ATMS的基本结构和特点2了解ATMS的主要内容3了解电子收费（ETC）系统和ETTM的基本原理、基本结构和工作过程4理解运输需求管理（TDM）的概念和ITS中的主要TDM策略5理解高速公路匝道控制的原理1先进的交通管理系统与一般的交通管理系统的不同点2电子收费和交通管理（ETTM）的原理3电子收费系统的基本工作过程4运输需求管理的概念5匝道仪的控制原理,2,对于交通规划与管理专业的学生，ATMS中的传感技术、通信技术、人工智能技术是难点，请参考第二大部分有关章节。,3,4.1先进的交通管理系统（ATMS）4.1.1先进的交通管理系统概述（视频：ATMS参考韩国“ITS在韩国”）改善交通管理是缓解交通拥挤和提高道路利用率的关键。美国Mobility2000组织在其一报告中将交通管理系统定义为：“为了监视、控制和管理城市街道和公路交通而设计的一系列法规、人员、硬件和软件分量的组合。”在这个定义里，“监视”是一个关键词，即交通监测是交通控制和管理的前提，对某一地区的交通施加控制和管理的先决条件是对该地区的交通状况的清晰的了解。美国国家ITS系统体系结构定义ITS中先进的交通管理系统ATMS（AdvancedTrafficManagementSystem）的主要功能子系统为：（1）交通监视通过各种装置、其它交通管理中心和气象预报等部门收集交通数据；存储当前（如最近5分钟）和较长时段（如最近两周）内的交通数据；根据收集和存储的数据建立预测模型；将当前的、长期的和预测的交通数据提供给其它ITS功能系统、公共传媒和旅行者。,4,（2）装置控制通过控制信息输出装置，如交叉口车辆和行人信号灯、可变信息标志、多模式交叉口控制器、高速公路入口匝道控制器、车载广播装置等，发布交通管理策略，实现交通控制；检测装置是否失效，当失效时通知建设和维修部门。（3）事故管理检测、记录和管理已发生和预测将发生的事件和事故；根据预案库自动响应即将发生的事故；快速响应未预定义的事故。右图是安装在事故多发的弯道处的事故监测器。（4）出行需求管理通过监视、控制、路径诱导、公共运输管理和自动收费等措施影响出行者的交通行为。（5）废气排放管理通过传感器收集大范围或单个车辆的废气排放数据；存储并发布大气污染信息；向违反排污规定的车辆发出警告显示，并将违规情况通报给执法部门。（6）公路铁路交叉口管理收集列车运行数据；公路和铁路交叉口处公路车辆的交通管理；检测、预警和响应公路铁路交叉口冲突。,5,根据效益和市场的渗透性，目前ATMS的典型应用领域有城市道路的集中交通信号控制系统（CTSCS）；高速公路和公路干道的高速公路管理系统（FMS）；事故管理系统（IMS）；电子收费和交通管理（ETTM）系统；运输需求管理（TDM）世界上最早的集中交通信号控制系统是1963年在加拿大的多伦多出现的。此后，美国、欧洲和日本都运用各种各样的管理交通流的监测、控制和通信技术，广泛配置了CTSCS和FMS。截止到1996年，美国在57个大城市中配置了103个CTSCS，在41个大城市配置了FMS；日本共有165个CTSCS，所运营的高速公路6,768公里分别由4个主要的高速公路公团管理，共有22个高速公路管理中心；欧洲在先进的城市交通控制（UTC）系统方面处于世界领先地位，泛欧道路网络（TERN）已将欧盟15个成员国的70,000公里道路以先进的技术连成一个网络。（视频：悉尼SCATS参考澳大利亚“SCATS”）,6,因为交通阻塞有5060是由事故引起的，针对这种由事故引起的延误提出具体措施可带来巨大的效益。另外，对交通事故的快速有效的响应也是挽救生命、减少能源消耗、减少汽车有害气体排放的关键。所以在过去的十几年里，事故管理系统是实施ATMS的主要兴趣之一。现在，美国有39个大城市有事故管理系统，对发生在高速公路和公路干道的事故快速识别和响应。欧洲道路管理系统ROMANSE项目（1992-1998）是一个先进的事故管理系统。日本建设省的KU-SAT是全国性的基于卫星通信的防灾救灾项目。自从世界上第一个ETTM系统于1987年在挪威的亚历山大隧道出现后，ETTM产业得到了飞速发展。现在，至少有八个国家的20多个机构已经建立或正在集成自动收费系统，另有七个国家的23个机构正处于测试、研究或实现电子收费自动化的进程之中。在美国至1996年为止，ETTM系统已经在29个地区的61个部门投入使用，并且已有100万辆以上汽车安装了电子标签。欧洲最大的ETTM之一是意大利的TELEPASS系统，它拥有28万个小汽车标签和12万个卡车标签用户，全国日平均收费处理的310万件中有近七分之一是由TELEPASS完成的，全意大利有17条公路的200处收费站安装有TELEPASS。日本在ETTM系统的应用方面不如欧美，但广泛的研究和试验也正在进行之中。,7,ETTM的应用之一就是实施拥挤价格制。即当司机想在交通量最大的时候出行时（如高峰时间或周末），将被额外收费；司机进入交通拥挤区也必须格外缴费，费用多少随拥挤程度的不同而不同。这就是随着ITS的发展、越来越受到广泛重视的运输需求管理（TDM）概念和技术的运用。运输需求管理是欧洲和美国ITS的一个重要研究和应用领域。,8,4.1.2先进的交通管理系统的结构和特点1.先进的交通管理系统的结构先进的交通管理系统ATMS一般由以下部分通过通讯网络连接而成（右图为ATMS结构示意图）。,9,10,（1）信息收集装置利用直升飞机、警车或警务人员，以及环型线圈检测器、超声波式车辆检测器、微波式车辆检测器、光信标、图像型车辆检测器、自动车辆识别（AVI）终端、交通流量监视摄影机等装置以及车载传感器、车载导航器收集交通信息，也通过气象检测器、能见度检测器收集交通环境信息。（视频：环形线圈检测器系统参考美国“TransGuide”）（2）（总）交通管理/控制中心利用大型计算机系统、中小型计算机系统、大型显示板等信息分析装置完成以下工作：收集、处理和存储交通信息，生成交通管理/控制策略，以便进行信号控制和提供信息；在交通状况显示板、数据显示板上显示交通信息；系统装置的监视显示；收集因交通事故和公路工程等对交通进行限制的信息；制作面向外部机关提供的信息，并接受咨询。,11,12,（3）控制信号机通过交通信号机、行人用信号机（附带显示等待时间的装置）、匝道入口控制机等实施通行控制。（4）信息提供装置利用自由式交通信息板、半自由式交通信息板、小型交通信息板、专用交通信息板、多样式交通信息板等可变交通信息标志，路旁通信装置，停车诱导系统，车载装置和广播、电视、Internet网等向公众发布交通信息。（5）其它中心城市中心和子中心邻近地区交通管理中心城市中的高速公路及城市之间的高速公路等的其它中心.它们均要和总交通管理中心联合起来，共同运作。通信网络主要是通过光缆、电缆、微波等传输媒介，在上述各部分和交通管理/控制中心之间传输数据、语音和图像等信息。,13,2.先进的交通管理系统的特点和一般的交通管理系统比较，先进的交通管理系统有以下特点。（1）车辆、道路和交通管理系统一体化在一般的交通管理系统中，交通控制中心的计算机用于处理并显示各种数据，这些数据来源于交通信号控制机、路表和路侧的探测器。交通控制中心并不知道每一辆车的目的地和运行状况，而有关交通建议或者咨询是建立在每日或每周的交通模式基础上的。交通控制中心不能及时知道交通事故的发生或存在其它道路障碍，直到严重的交通阻塞已经形成。车辆上没有装配用来探测前方道路的危险情况的仪器，更没有设备把道路情况报告给交通控制中心。即车辆和道路系统是被当成两个独立实体来实施运行与控制的。而在先进的交通管理系统中，许多车辆装备有车载传感器或车载导航器。车载传感器将提醒司机前方有路障或者在黑暗和大雾中提醒司机存在不安全的运行情况，而且它们的数据被直接传送到交通控制中心，从而提供了有关存在道路障碍或交通事故的实时信息。借助于先进的车辆检测器、视频监视装置、车载传感器以及先进的通信网络，交通管理/控制中心能实时地掌握路网的交通流模式。,14,为得到行驶路线的特定指引，司机通过车载导航器键入他们的当前位置和目的地。因此，交通管理系统能够基于对当前交通流模式和对车辆的目的地和计划路线的了解，提出相应的交通建议并传送给司机以最大限度地降低交通阻塞。在美国，将配备了车辆导航器的车辆作为交通探测器是先进的交通管理系统获得路网上各路段车辆通行时间所普遍采用的手段。（2）城市交通信号控制系统计算机网络化城市交通信号控制系统CTSCS已成功地运营了30多年。20世纪80年代以来，该类系统有明显的计算机网络化的趋势，使城市交通管理/控制方式发生了变革，实现了实时自适应信号控制。中央控制计算机对交通数据进行处理分析，并执行对路网交通信号的控制。它既不需要事先储存任何既定的配时方案，也不需要事先确定一套配时参数与交通量的对应选择关系。实时模拟系统依靠储存于中央计算机中的交通模型，对反馈回来的交通数据进行分析，从而对配时参数做优化调整。配时参数的优化是以综合目标函数，例如延误时间、停车次数、拥挤程度及油耗等的预测值的最小化为依据。这种方法也已经被应用到公路的控制中。,15,（3）在城市交通管制中应用人工智能技术传统的城市交通管制系统只能通过交叉路口的信号控制缓解堵塞，计算机控制系统的优化目标是单一的某指标平均值的最大化或最小化。而ITS的城市交通管理和控制期待的是多目标优化：消除堵塞，特别是非常规的堵塞；快速响应事故和突发事件；充分利用以往很难得到而现在可以得到的信息（如O-D信息），更有效地控制城市交通和集成各种管理控制技术（如VMS、诱导系统、TDM、环境保护技术）。为了得到满足这些目标的“最优解”，在ATMS中，用于城市交通管制的计算机系统除了SCOOT、SCATS、TRANSYT等的改良版外，也出现了一些基于人工智能技术应用的体系结构。,16,例如：德国汉堡的交通管理系统采用了如图的双层结构。核心是利用知识源（KS，KnowledgeSource）。这里，数据完成KS将传感器收集的实时数据转换为交通量、道路占有率等交通管理用数据，对于没有传感器的路段的交通状态进行推断，并检测传感器故障和误操作；数据分析KS对网络中的阻塞地点和阻塞状态进行判定；交通控制KS是利用LISP语言编写的规则库生成信号控制方案，包括评价当前的信号控制模式、局部改善发生问题的交叉点、推测该改善对于周边交叉点的影响、综合考虑网络全体且能改善有问题的交叉点的控制策略。利用当地实际数据、使用微仿真器、采用与TRANSYT相同的评价函数进行评价的结果表明，与固定式信号控制方案相比，阻塞有3%-15%的改善、早高峰阻塞时平均速度有10%的提高的可能性。,17,汉堡交通管制中AI的应用,18,又如，英国Leicester市在现有的交通控制系统的基础上加上利用管制人员知识的知识库，构成CLAIRE控制系统，它的结构简图如下。用微仿真器对该市数据的仿真评价结果表明AI的应用对于控制效果有较大的改进可能性。CLAIRE控制系统结构简图,19,（4）信息采集和信息提供技术更加先进和多样化城市街道和高速公路上的交通量、车道占有率、车速等作为交通管理和控制的基本依据的参数，是通过各类车辆检测器来测定的。以往主要使用的车辆检测器是埋设在路表的环型线圈检测器、磁性检测器和安装在交通要道的电视摄像机等。而现在，车辆检测器日趋系统化和光机电一体化，越来越多地使用更先进的超声波检测器、光检测器、红外检测器和各种视频监测系统。全天候的红外摄像机和性能优越的CCD摄像机已被广泛应用于交通管理系统。在高速公路管理中，过去广泛使用匝道仪控制入口匝道车流，而现在越来越多地使用可变信息标志VMS、CCDV摄像监视系统和Internet网络。在城市高速路的危险的弯曲路段、视野不好的地方安装自动事故检测系统，这种系统依靠处理从视频摄像机获取的图像进行事故分析。,20,（5）城市交通信号控制具有多种新功能信号控制是交通管理的关键功能。ATMS的信号控制装置，通过与交通管理中心的计算机进行信息接收和发送，交替显示“绿灯”、“黄灯”和“红灯”。当接到来自车辆检测器或路旁按钮箱的信号时，还可延长或缩短绿灯信号时间。ITS中信号控制的新功能有：右（左）转弯感应控制通过由车辆检测器感知出交叉路口的右（左）转弯专用车道上的车辆，延长其右（左）转弯箭头信号的显示时间，可有效地对交叉路口的右（左）转弯车辆进行通行控制。公共交通感应控制在交叉路口前面通过专用感知器件检测出公共汽车的存在，延长绿灯信号的显示时间，或缩短红灯信号的显示时间，可减少公共汽车等公交车辆的等待时间。通过此优先性控制信号功能，可确保公共汽车准点运行。踌躇感应控制为避免进入交叉路口的车辆的司机在该区域里踌躇、犹豫不知该停车还是该开过去的情况，显示黄灯。由此可减少冲撞和迎头碰撞事故的发生。老弱病残专用控制老年人、有视觉缺陷的人等交通方面的弱者可通过操作专用的按钮装置和随身携带的专用的信号发生器发出信号，将行人用的绿灯信号延长，以确保安全地横过马路。,21,4.1.3电子收费系统（ETC）（视频：电子收费系统参考台湾“中华顾问工程局”）1电子收费系统的概念停车交费产生的交通堵塞、资源浪费、空气污染以及资金失控等现象，已成为公众关心的社会问题，阻碍了收费公路的发展。作为ETTM主体的不停车收费（电子收费）系统（ETC）理所当然地成为ITS效益明显、发展最快的领域之一。按照在收费系统中人工参与收费的程度可将收费系统划分为：人工收费对通过收费站车辆的车型识别、通行费收取、收据发放以及车辆放行等收费操作均由收费员手工完成，为停车收费。半自动收费由计算机和人工共同完成收费工作。通常是由人工（或仪器）识别车型，由人工收费，而利用计算机计费、打印票据与汇总数据，亦为停车收费。自动收费全部收费工作不需要人工参与，完全自动地由收费系统装置完成。与前两种方式不同，属不停车收费。亦有人将半自动和自动收费方式细化，将收费方式分为计算机管理收费、磁卡（IC卡）收费、投币式收费、动态称重收费、红外收费与不停车收费（即电子收费）等六种。各种收费方式的比较如下表。由此表可见，电子收费系统有明显的优越性。智能运输系统的ETTM越来越多地采用电子收费系统。,22,23,各种收费方式比较表,24,2电子收费系统的构成和原理电子收费ETC（ElectronicTollCollection）系统是指在网络环境下，采用电子标签作为通行券，收费过程完全由计算机及其外围设备与通行券自动交换信息，实现车辆的自动识别、费额的自动收取，并自动结账的收费系统。电子收费系统一般由以下几部分设备构成：（1）车上处理单元包括单独的一个车载单元（电子标签）或车载单元和IC卡。车载单元是一种微电子读写装置，由射频通信接口、CPU、电池（由光驱动时无电池）、LCD显示屏、内部存储器和IC卡接口组成，安装在汽车挡风玻璃内侧；内部存储器有只读、可读可写之分。只读型标签只能回答其已固化的信息；可读可写型的不仅有固定的信息而且有可重新编程（写入）的记忆模块，因此，它既能传递已有的固化信息，又允许接受新的指令，存储新的信息。IC卡作为外部存储器存储数据，可以实现更多数据的车辆与道路的双向通信。车上单元所存储的数据包括车辆的型号、车牌照号码、预缴的金额或余额、车辆通过收费站的时间、地点、次数等信息，也可以把该车的年检及养路费征收的情况等记录在内。（视频：车上单元参考台湾“中华顾问工程局”）,25,（2）车道处理单元车道处理单元包括车道上的车辆识别、探测、通信、强制、控制等设备：信号处理器包括发送射频信号、启动车载单元、并对车载单元进行读写的天线和预处理信号、放大信号的射频收发器，以及从/往信号中解读和加载密码的读码器。车辆探测器包括对车辆自动识别、判明车辆种类的车辆探测器，以及判断是否有车辆通过、为天线开始通信或违章车辆摄影快门开启等动作提供触发信号的车辆检测器。信号灯收费过程是否合法的显示灯，通常绿色信号表示收费过程顺利完成，红色信号表示因某种原因收费没有成功。（视频：车道处理单元参考台湾“中华顾问工程局”）,26,闭路电视设备对未正常完成收费过程的车辆进行录像摄影的摄像系统，所得资料作为事后催缴罚款的依据。照明当摄像亮度不够时自动开启的照明设备。车道控制器接收车道处理单元中其它设备的信息，按照一定规则进行加工处理，产生相应的动作指令和数据，独立或配合收费站计算机单元，对车道处理单元的其它设备进行监控的设备。车道控制器是车道处理单元的核心。有的电子收费系统还会有其它一些外围设备，如自动拦杆、报警器、收取费额显示牌、可变信息标志等。,27,28,（3）收费站计算机管理单元一般为设置在路边站房内的高可靠度PC机，实时处理各车道查询、核对的数据，收集各车道的交通、收费运行数据并进行处理，定期将数据上传控制中心。（视频：收费站计算机管理单元参考台湾“中华顾问工程局”）（4）中央计算机管理单元（控制中心）实施资料处理、账目处理的完整的计算机系统,有必要的网络设施、周边设备和与金融系统的接口。（视频：中央计算机管理单元参考台湾“中华顾问工程局”）,29,整个电子收费过程大致是这样的：当车辆到达收费站时，为安全起见车辆应按规定限速通过电子收费车道。车辆探测器识别出该车辆所属类型，报告给车道控制器。信号处理器通过天线与车上处理单元进行双向通信，收费的操作在通信的过程中同时完成。收费操作的具体步骤包括根据车型按照收费规则确定收费额，核对余额、账号信息，有关结果通知对方等。如果一切无误（剩余金额充足、账号有效），则正常结束收费操作（改写余额、记账等）。否则的话车道控制器则启动自动栏杆或违章车摄像机，将车辆拦下或记录其车牌号码，令其停行交费或事后催缴罚款。收费操作通常在车道控制器进行，有时可以在车上处理单元上完成，也有时还要收费站计算机、甚至中央计算机参与完成。下图是一种电子收费系统的结构图和相应的系统操作流程图。（动画：电子收费过程）,30,31,32,3电子收费系统的效益用电子收费系统取代传统的停车收费系统，通过以下几方面的改进可带来巨大的经济效益和社会效益：消除收费口的瓶颈效应，疏解公路的交通堵塞，从而减少交通延误损失；减少车辆行车时间，从而缩短旅行者旅行时间和货车周转时间，提高运输效率；提高单位时间的道路交通量，从而提高公路的利用率；减少停车次数和停车时间，从而减少燃油消耗和汽车部件耗损，降低运输成本；减少停车次数和停车时间，从而减少汽车有害尾气排放，减少交通对人类生存环境的危害；采用电子货币，杜绝了公路收费中的贪污、舞弊、乱收费等不良现象，从而改善收费管理，保证道路的正常收益；采用电子货币，不必为缴纳通行费携带现金和硬币，极大地方便了司机；收费过程自动化，极大地提高收费站的工作效率。另外，ETC的功能不仅仅在于实现公路收费的自动化。至少在以下几方面ETC也可发挥显著的作用：,33,提供可靠的交通信息由于收费站的位置和它们之间的距离是已知的，站间车辆的通行时间又可以立即计算出来，这些数据可以用于监视公路上的交通流和帮助探测事故，因此大量带有电子标签的车辆可以作为交通探测器，为交通管理收集准确而实时的交通信息。为实现拥挤价格制创造条件ETC的双向通信和计算机管理系统使得制定随道路交通流变化而变化的收费政策和通过可变收费疏导交通流成为可能。用于普通交通管理、规划和执法借助于电子标签的管理和自动车辆识别，ETC系统可应用于车辆防盗、车流量调查、稽征调查、通行权限限制、养路费自动征收、停车场自动收费、通缉逃犯追捕等方面。,34,改进金融服务，方便群众如果采用储值IC卡作为车上单元的外存储器，就可能实现一卡多用，不仅不同交通方式可集成付费，而且可用于各种服务付费，如加油、打电话、购物等等。综上所述，尽管比传统的收费系统相比，ETC的投资的大得多，但经济效益大得更多，而且还会带来巨大的社会效益，因而ETC是收费系统的发展方向。然而，要从ETC获得诸多好处，不仅要进行合理的ETC系统设计，还要解决一系列的相关问题。首先，就是要解决标准化的问题，这在本书第3部分已经说明。其次，ETC可有各种各样的实现方案，如有单片、单天线的和双片（带IC卡）、双天线的，有收费亭式的和门架式的，有预付费用的和事后支付的，有带车辆探测器的和不带车辆探测器的，有带栏杆的和不带栏杆的，有用微波通信的和用红外通信的，。如何选择，要考虑具体的公路结构、交通流量、通行车辆型号、区域协调等因素，追求最大效益费用比。最后，ETC系统的建设和应用在相当程度上依赖于法规的建设和完善，有效的区域性ETC更是涉及到多部门、多行业的多项法规，因此国家统一制定相关法规及制度也是必须先行解决的问题。,35,4.1.4高速公路入口匝道控制高速公路网是许多城市地区公路网的基本组成部分。在美国，通常高速公路承担城市地区近20%的交通量，却只占总公路里程的5%。高速公路最初被设想并设计为自由通行（故称Freeway）。随着交通需求的持续增长和交通拥挤现象的日益严重，对高速公路实施监控的问题提了出来。交通拥挤被认为是高速公路的最重要的问题。在可预料的地点和特定的时段反复发生的交通堵塞被称为周期性堵塞。来自于随机的或是预测可能性很小的事件的堵塞为偶然性堵塞。在特定情形下（如运动会、周末出行、道路维修和工事活动时）发生的交通堵塞也可以认为是不会重复发生的交通堵塞。1.交通堵塞的原因被确认的造成交通堵塞的原因可以分成以下几类：l几何设计因素l交通运营因素l随机因素,36,其中交通运营因素有l交通量与通过能力的关系通行能力小于需求必然导致拥挤l无限制地进入匝道不限制进入高速公路的车辆，高速公路主线在通行能力不足时就产生拥挤l出口匝道排队由于高速公路外部道路的不畅，使车辆离开高速公路受阻而造成拥挤l车辆的迂回运动由于匝道位置设计不当或特定事件引起车辆穿插前进也会造成混乱、发生拥挤。从高速公路控制来说，避免堵塞的重要措施就是高速公路入口,37,38,2.入口匝道控制入口匝道控制是高速公路交通控制中使用最广泛的形式。美国和其他国家很多的城市使用这种形式。入口匝道控制是用来限制进入高速公路的车辆数，以便使对高速公路的交通需求量不超过其容量。结果，一些要进入高速公路的车辆要在匝道入口等候、直至被允许进入，一些车辆可能选择其他时间进入，当然也有一些驾驶者可能决定改用公共交通（如果可行）或与他人合乘一辆车，即改变线路或时间或交通方式。3.密切相关的其他高速公路管理基础设施监视监视子系统包括各种决定高速公路和匝道操作条件的技术，这些条件影响进入率和运营管制。车辆检测器被安置在高速公路车道上的检测器用来提供事件检测算法和系统运营评价的输入数据，也用于提供交通感应式匝道仪在决定进入率时的输入数据。,39,闭路电视闭路电视（CCTV）用来在整个监视子系统中发现并且查证事件。摄像机也能用于交通肇事罚款和单个匝道仪控制。环境传感器必需时常针对不同匝道等级调整进入率，或是在极端的天气情况下要停止运营（例如路面结冰或非常湿）。当这样的情况出现的时候，环境传感器将会提前给出警告。HOV处理这种系统主要包括高乘载率车辆绕过匝道信号的分离车道和单人车辆排队。信息发布旅行前的信息发布装置例如信息亭、网站和社区有线电视（CATV），或者安装在道路上的装置例如可变信息标志、公路咨询广播，可向旅行者发布匝道关闭的通告。通信除非受控制的匝道是隔离的并且在一个非系统模式中操作，否则通信子系统必须适应控制、检测和信号等硬件。控制中心虽然即使没有一个中心或是分布式控制者，匝道控制系统通常也有能力以隔离的方式运行，但大多数子系统通过通信系统连接在一个中心管理系统上。,40,4.入口匝道控制系统结构入口匝道控制系统包括下述主要部分：显示器显示匝道信号和警告信号的装置局部控制器依照内部逻辑或中心管理系统需要接收和存储车辆的检测信息和运行信号的装置车辆检测器测量高速公路和匝道条件的装置控制逻辑非系统式运行的局部控制器和系统式运行的中心控制系统内部的程序通信传输数据和控制指令的连接局部和中心的通信链路中心控制系统计算机、终端设备和运行接口装置,41,5.匝道关闭在交通高峰条件下，关闭入口匝道是最为简单、有效的匝道控制方式。但由于关闭入口匝道极易导致公众的反对，仅在匝道入口处造成了严重的堵塞时才使用。如在入口处囤积了大量车辆，等待进入的车辆排队、使地面街道造成严重堵塞入口匝道处邻近的高速公路上游方面交通需求已达到通行能力，而有充足的通行能力可利用的替代路线，关闭匝道可避免高速公路下游需求超过容量关闭方法手动柵栏操作费力，适用于短期的或试验性项目自动柵栏像铁道平交路口那样，较复杂，适于经常性使用标志单独的标志牌不能实现匝道关闭，通常配合柵栏使用,42,匝道仪种类（1）预定时的匝道仪是最简单的一种匝道仪。包括的主要部分是匝道仪信号灯、局部控制器和带闪光信标的匝道预警控制标志。这种匝道仪的信号事先按特定时段设定进入率，以一恒定的周期工作。按进入情况不同，又分成两种匝道仪：单车进入式匝道仪匝道仪信号被设定为每一个信号周期只允许一辆车进入，即在一个绿灯加上黄灯的时间间隔内只能允许一辆车通过匝道仪进入高速公路。一般，一辆车通过需要3秒钟，若进入率为600车/小时（10车/分钟），则一分钟应有10个周期、一个周期10秒钟，绿灯和黄灯的间隔是3秒钟、红灯的间隔就是3秒钟；若进入率是300车/小时（5车/分钟），则绿灯和黄灯的间隔是3秒钟，红灯的间隔就是9秒钟。,43,列队进入式匝道仪若所需进入率大于900车/小时，就必须使用列队进入式匝道仪，它允许每个周期有2辆或更多的车辆通过。对于预定时的列队式匝道仪，周期的长短取决于期望的进入率和每个周期通过的平均车辆数。例如，若要求进入率为1080车/小时（18车/分钟），每个周期通过2辆车，则周期长度是60/9=6.67秒。但是，允许的匝道进入率取决于列队式匝道仪的类型：是一前一后列队还是并排列队。如果是一前一后列队，为了防止尾撞，每个周期通过2辆车是安全的，3辆车只是试验的最大值。所以，一前一后列队式匝道的最大进入率是1100车/小时。如果是并排列队，多车道进入，允许的匝道进入率就可以达到约1700车/小时。（2）响应交通的匝道仪响应交通的匝道仪的是需求响应控制，控制策略直接受主线实测交通量和通行能力的影响：匝道进入率的确定是基于当前与高速公路上游需求和下游容量、匝道进入需求相关的各种交通变量的实时测量结果。,44,4.1.5事故管理系统（IMS）1.事故管理系统的任务事故管理的主要目的是对于事故引起的伤害进行及时的救治和尽快地使受事故影响的道路恢复到事故发生前的状态。事故概论性台的主要任务是：检测与证实检测是根据检测器（传感器）检测到的交通流信息，利用检测算法来判断可能发生了事故或将会发生事故。证实是确认事故是否存在及识别事故发生地点、损伤程度、对道路交通流的影响等。紧急响应紧急响应是实施紧急车辆响应、迅速向旅行者提供事故信息、实施应急交通管制策略等。,45,现场管理现场管理是在事故现场指挥紧急车辆的救助工作、实施交通控制措施、保护事故现场、疏散交通流。事故清理事故清理是先对事故现场进行调查取证，后将引发事故的残留物及祸及车辆等拖离现场、清理事故现场，使其恢复原样。驾驶员信息提供驾驶员信息提供是在整个事故处理过程中及时、准确地向驾驶员提供事故和有关道路交通信息，并提供恰当的路径建议，以避免不必要的延迟和重复发生事故。,46,2.事故检测与证实（1）分系统的构成感应事故发生的分量识别事故存在、位置、状况的分量数据融合分量检测器和接收器之间的通信分量事故的显示和记录分量（2）技术组合式检测和证实技术是指同时提供事故检测和证实信息的技术。如蜂窝电话、911报警电话、事故报告热线；驾驶员路边电话盒；参考标志系统；巡逻车；求救信号（Mayday）装置等。连续的检测和证实技术是指先检测、后证实，分两步处理的事故检测和证实技术。,47,（3）检测算法比较算法是通过识别不正常交通模式和正常条件下的差别来检测事故的。如环型线圈检测器检测到道路占有水平上游增加而下游减少，比较测得占有率、速度等参数与正常情况下的差别，超过一定限制便出发一个报警器。时间序列算法一些检测方法将时间序列分析技术（如2次指数平滑技术、自回归移动平均算法等）作为基础。这些算法分析和平滑在一个大的时间段中的原始数据，以消除短期的交通扰动（如随机涨落、交通脉冲、和压缩波等），将处理后的数据和预定的限值相比，以判断是否有异常事件出现。,48,McMaster算法基于“当交通从拥挤变为不拥挤时，流量和占有率变化平稳而速度变化很快”的前提，利用历史的从拥挤变为不拥挤时流量、占有率的关系建立一个模板，该模板的不同域对应不同的交通状态，将实际检测数据与模板的进行比较检测出拥挤是否存在，再由下游检测器的状态判断拥挤源。人工智能算法包括人工神经网络算法和模糊逻辑算法，这些算法是20世纪90年代才发展起来的。如BP神经网络算法，用一个短时间交通观测数据序列和交通条件的相应指示器进行训练，输入数据是上游k，k-1，k-2时刻的占有率和流量，输出数据是下游的k，k-1，k-2，k-3时刻的占有率和流量，运用交通仿真可以得到事故检测模型。宏观算法与上述方法不同，这类算法检测事故是基于宏观变量，如每个路段的交通密度、平均速度和平均旅行时间。评价检测算法的指标有：错误检出率、检出率和平均检测延误。,49,4.1.6运输需求管理(TDM)运输需求管理（TransportationDemandManagement简称TDM）是：通过交通政策等的导向作用，运用一定的技术，通过速度、服务、收费等因素影响交通参与者对运输方式、运输时间、运输地点、运输路线等的选择行为，使运输需求在时间、空间上均衡化，以在运输供给和运输需求间保持一种有效的平衡，使交通运输结构日趋合理。相对于传统的使供给适应于需求的被动式管理，TDM是一种主动式管理，它在适度的运输供给规模下，控制运输需求总量、削减不合理的运输需求、分散和调整运输需求，使整个运输系统供需平衡，保证系统有效运行，使铁路、公路等运输方式的客、货出行迅速、安全，节约资源，改善环境。从交通出行的几个阶段来看，TDM的内容包括：在出行产生阶段，尽量减少出行的产生。如以电信代替出行（电讯会亲访友、网上购物、电视电话会议等）；通过政策与宣传力量动员人们减少出行；在城市规划中应用既能保证正常的社会经济活动又能产生较少交通出行的土地利用模式。,50,在出行分布阶段，将出行由交通拥挤的终点向非拥挤的终点转移。如实行出行约束措施；优化辅助活动设施的空间配置。在出行方式选择阶段，将出行方式由拥挤的方式向非拥挤的方式转移。如对某些交通方式实行刺激或抑制措施（如停车费、通行费、乘车费的调整，公交优先），以促进人们利用大容量快速公共交通，保持各种运输方式宏观上的供需平衡。在空间路线选择阶段，将出行由交通拥挤的路线向非拥挤的路线转移。如采用先进的信息技术、向出行者提供实时交通信息，或通过强制收费或价格优惠，使出行者避开拥挤地段；通过城市规划、交通政策等对交通发生源进行调整。在时间段选择阶段，将出行由交通拥挤的时间段向非拥挤的时间段转移。如采用先进的信息技术、向出行者提供实时交通信息，或通过强制政策或价格策略，使出行者避开拥挤时段；实施错时出勤。,51,许多TDM新策略，是随着ITS的实施而得以发展的：（1）合乘（CarPooling）管理合乘管理为在家、在办公室或在其它场所的用户提供实时搭乘匹配服务和出行经纪人服务，提供了一种可行的多人合乘方式代替单独驾车，特别适于通勤出行。这种管理系统需要提供交通状况、事故、公交服务、停车位和可供合乘的车辆（私家车、出租车、单位接送职工的客车）信息。（2）HOV（HighOccupancyVehicles）车道高乘载率车（HOV）道是在高速公路上专门（或部分时间内专门）为多人乘用的车辆提供通行权的车道，一般路面设置菱形标记。HOV车道可以大大提高道路的利用率、减少出行时间、保证公共交通车辆的正点运行。在美国，HOV车道一般承载相当于25条常规车道的客运量。一个典型的例子是美国位于新泽西高速公路收费站和进入纽约市的林肯隧道之间的I-495号公路上的一个逆向车道（高峰时段内在与高峰车流方向相反的车道中用作HOV专用的车道），早高峰期最高可一小时通过750辆公共汽车、运送35000人次，高峰期3小时内承载1650辆公共汽车、运送70000人次。如果用常规的高速车道，相同的时间和运量需要15条车道。是乘员2人以上还是3人以上算做高乘载率，要视当地HOV车道的能力和流量而定。,52,高乘载率车道(HOV),53,（3）响应需求的公共交通对于个体出行者提供门到门的公共交通服务。只要用户事先告知他们的地址、出行时间、出行目的地及其它要求，到时候就有一辆公共汽车或出租车（或需运送货物时是货车）被派往用户处。这是一种更先进的公共交通方式，在APTS部分有更详细介绍。,54,（4）可变收费实行可变价格或浮动价格，对于拥挤时段、拥挤路段多收通行费。通过事先向驾驶员提供实时交通信息和价格信息，引导驾驶员避开拥挤，从而起到疏导交通流的作用。对于单人乘车和多人合乘收费不同，鼓励合乘。对于不同地点的停车场、收费道路，收费差别很大，鼓励在城市中心区选择公共交通。例如，在美国1980年代就注意促进私人和政府的合作，推进TDM策略，鼓励多人合乘和公共交通。1990年代，针对大城市中心小汽车量过高所引起的交通问题，在高速或快速外环及沿环路放射性干道节点设置低收费大型露天停车场或多层停车场，愈接近市中心，计时收费愈高；在市中心停车时间愈长，收费率也愈高。在欧洲，运用所谓“拥挤价格”的概念、实施可变收费是广为采用的策略。“拥挤价格”的潜在影响的例子如：法国A1高速公路是巴黎、里昂和布鲁塞尔间的一条繁忙通道。在路网上，下行方向（里昂巴黎）交通拥挤，尤其在周末。如图所示，从1992年起，运营者实施了一个浮动价目表（包括高峰期价目表和日常价目表）以使交通曲线平缓。该策略是成功的，10%的交通流量由高峰时间转向了平峰时间。收费策略越复杂，就越需要准确而实时的信息服务。GPS/GSM信息技术尤其适合可变收费系统。,55,法国A1高速公路上的浮动收费,56,（5）实时路径诱导实时路径诱导是更高级的交通运输需求管理手段。通过它可以使交通流更加平稳，实现交通系统的整体优化。在ATIS部分专门介绍路径诱导系统。显然，合乘管理等TDM策略可减少车辆出行、疏导交通流，从而对道路交通的通畅、安全、环保都带来好处。同时，这些主动管理策略都不是只制定政策和措施就行的，它们需要先进的信息技术支持。,57,4.1.7先进的交通管理系统案例1.美国I-95东北通道的MAGIC项目美国运输部USDOT根据1991年的ISTEA，指定下列四条干道为优先通道：休斯敦ITS优先通道估计需投资1,400万美元I-95东北通道估计需投资3,000万美元中西部（葛里芝加哥密尔瓦基）ITS优先通道估计需投资1,100万美元南加利福尼亚通道估计需投资2,200万美元计划6年完成，投资5亿美元。这就是有名的优先通道工程。I-95东北通道是州际95号干道的大部分，它将南部的马里兰州、东北部的康捏狄格州的公路连接起来。都市圈诱导信息与控制（MetropolitanAreaGuidanceInformationandControl，简称MAGIC）是新泽西的ATMS的主要项目。MAGIC项目的目标是减少整个I-95东北通道的交通拥挤，从而减少车辆废气排放。,58,I-95东北通道环绕新泽西州的大部分地区，它连接5个主要的都市圈：波士顿、纽约市、费城、巴尔的摩和华盛顿。新泽西东北部是美国人口最稠密的地区，5个主要都市都有港口。这些因素使得这一通道交通流密度很大，交通条件在渐渐地恶化。I-95东北通道包括一些纽约、新泽西和宾西法尼亚的收费道路、桥梁和隧道，10个不同的收费部门年收费15亿美元，占全国总道路收费的37%。因此，非常需要应用电子收费和交通管理（ETTM）技术进行公路干道的交通管理。,59,MAGIC包括监测公路条件、支持交通管理和为旅行者提供咨询的一系列分量，其结构如下图。MAGIC系统的构成新泽西运输部还计划使MAGIC包括多模式运输管理，如公共运输、停车和搭乘的停车场、铁路站场的管理。,60,2.日本的新交通管理系统UTMS（UniversalTrafficManagementSystem）为了减少交通事故，实现安全、平稳的交通流，日本政府于1966年颁布了“交通安全设施发展计划”。由于这项计划的实施，至1994年，已经有167个城市建造了交通控制中心，它们属下的交通控制器（或本地控制器）约有48,000个单元；如果将功能独立的单元也包括在内，总计有150,000个单元。这些系统已经发挥出很大的社会、经济和环境效益。但是由于交通需求的日益增长，大城市的交通拥挤现象还是日趋严重，交通事故不断上升，司机对于信息要求的呼声日益高涨。随着通信技术和信息技术的飞速发展，日本开始着手用新技术、新方法对这些系统进行改造，并于1993年4月由国家警察署（NPA）发起、由新交通管理系统推进协会以官、民合同形式，开始实施新型的交通管理系统计划，即新交通管理系统（UTMS）的研究、开发与实用化。,61,新的系统致力于实现“安全、舒适、有利环境的交通社会”。它对交通流进行全面的管理，以先进的控制系统为中心，以现有的交通控制系统为基础发展而成。UTMS的中心目标是在车辆与控制中心之间实现交互式双向通信。通信系统使用红外线信号标杆（光信标），它是系统的关键设施。UTMS的最终目标是实现主动管理，将管理中心对交通需求和交通流的措施准确无误地传给司机（车辆），以避免交通阻塞，实现先进的管理信息系统（AMIS）。,62,UTMS的组成UTMS以集成的交通控制系统（ITCS）为中心，由六个子系统组成：综合交通管制系统（ITCS）ITCS在现有的交通控制系统的基础上发展起来，更先进，具有更高的智能。本系统即为交通管制中心，是UTMS的心脏。由与车载装置的双向通信而获得信息，本中心对信息进行收集、分析、处理，对交通信号进行控制。先进的交通信息系统（AMIS）AMIS能向用户提供诸如交通调整、拥挤等信息、以及车辆到达目的地以前的实时信息。先进的交通信息服务（ATIS）是AMIS的功能之一，它利用现有的移动通讯网络，使旅行者出发前在家里或在办公室能用电话查询交通条件，甚至于在途中，也可用车内的移动电话获取实时的交通信息。ATIS已于1994年启用。车辆信息和通信系统（VICS）是为司机提供实时交通信息的系统，它使用3种通信媒介：红外线车辆检测器（IRVDS），一般安装在普通道路上；无线电信号标杆，主要安装在高速公路上大区域中的多路FM广播。VICS已于1996年投入正式运营。,63,（3）动态路径诱导系统（DRGS）它能够引导车辆沿优化的路径行驶到达目的地，使车辆的行车路线分散，以减少交通阻塞。（4）公共运输优先系统（PTPS）本系统通过控制优先信号和设定优先路线，保障公共车辆使用道路的优先权，不仅能提高运营效率，而且使公共汽车乘客更加方便。（5）车辆行驶管理系统（MOCS）本系统通过向行驶管理人员提供公共汽车、出租车、卡车的行车位置等信息，能帮助车辆有效行驶，促进交通畅通无阻。（6）环境保护管理系统（EPMS）本系统根据大气污染和气象等情况来提供交通信息，控制交通信号。这样，可减少排气、交通噪音等交通公害，保护环境。,64,UTMS的系统结构,65,UTMS的实施方案UTMS使用红外线信号标杆（即红外线车辆检测器）实现每一车载单元于交通控制中心的双向通信。红外线标杆成为UTMS的基础设施的关键（图4.8）。这种双向通信的功能如下：首先，以车载单元上传递的相关信息为基础，计算出车辆的行驶时间和O-D预测，从而把握每条路径的交通条件，并对未来的交通条件进行预测。其次，每一信号标杆根据司机的需要下传当前今天的详细信息。它比常规的VMS或交通信息显示板的信息量大。,66,通过红外线标杆实现双向通信,67,PTPS和MOCS在札幌市的试运行1996年4月开始在札幌市内36号国道5.7公里长区间进行了PTPS和MOCS的试运行，其系统结构如下图。札幌市试运行的PTPS和MOCS,68,为了提高公共汽车的准时性，由交通管理中心进行公共汽车优先的信号控制。具体地说，检测到公共汽车的运动，使前进方向的信号机的绿灯时间延长，红灯时间缩短，从而让公共汽车不停顿地通过交叉口。例外，进行公共汽车右转弯的专门控制，使公共汽车能从左边的公共汽车专用道上安全地向右转弯。进一步，在公共汽车站显示公共汽车的接近，为确保公共汽车专用道能专用，检测出专用道上行驶的一般车辆，在信息板上自动显示警告。向公共汽车提供两种信息。一是在车载显示屏上向司机显示，到下一个公共汽车站为止可以以什么样的速度通行。二是使用光电显示板向乘客提供到达主要目的地所需要的时间。对于公共汽车运营组织者，在他们的监控器装置上显示公共汽车的运行位置和走行时间，以便运营管理。这点也是MOCS的功能。这一试运行的结果表明，公共汽车的准时性提高了，侵入公共汽车专用道的一般车辆数骤减，私人车交通得到疏导和抑制。公共汽车司机的问卷调查结果也表明公共汽车的便利性提高了。在此基础上，试运行线路延长了4公里，公共汽车优先交叉口从32个增加到44个，安装车载设备的公共汽车从214台增加到240台，试验系统的规模扩大了。札幌市的模式将推广到其它都市，98年2月长野县的冬季奥林匹克运动会期间，实施了包含AMIS，MOCS，DRGS的更大规模的UTMS运用计划。,69,UTMS211999年在北京ITS展示会上，日本UTMS的统一组织社团法人新交通管理系统协会又向我们展示了新一代交通管理系统（UTMS21）的UTMS发展计划。UTMS21将子系统由6个扩充为11个，新增加的子系统是：（7）综合智能信息图像系统（IIIS）本系统利用电视摄像机将交通堵塞、违章停车等交通情况拍摄下来，抑制违章行为，控制交通信号，并通过光信标因特网向司机提供交通信息图像。（8）安全驾驶辅助系统（DSSS）本系统利用交通管制系统的基础设施及IC卡，为司机安全驾车提供帮助，并保证行人安全。,70,（9）紧急通报系统（HELP）在发生事故和车内紧急情况时，能利用自动或手动方式，通过车载（移动式）电话向专门的办事中心通报情况的系统。（10）紧急车辆优先系统（FAST）本系统通过对警车等紧急车辆传送指令、引导道路等，可减少紧急行驶造成的交通事故。同时，利用本系统还可缩短紧急车辆的响应时间，为事件的尽早解决和迅速采取援救活动提供帮助。（11）行人信息通信系统（PICS）本系统采用用声音向