先进的交通控制技术

先进的交通控制技术第1页/共58页定位导航技术-发展概况

车辆定位与导航系统的研究及发展已经有相当长的历史。最早的发明可以追溯到几千年前中国古代的指南车和计里鼓车。指南针也是最早出现的导航设备之一。

天基定位—陆基定位--天基定位最古老、最简单的导航方法是星历导航，通过观察天空上星星的位置变化来确定自己的位置和前进的方向。在相当长的时间里，人们依靠综合利用星历知识、指南针和航海表进行导航和定位。进入20世纪以后，人们的思维从被动地利用宇宙中存在的参考物（如星体）扩展到主动地建立和利用人造的参考物来发展更精密的导航和定位技术。由此地基电子导航系统诞生了。第2页/共58页

地基电子导航系统主要由在世界各地的适当地点建立的无线电发射参考站组成。接收机通过接收参考站发射的无线电信号并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。定位导航技术-发展概况R1R2第3页/共58页定位导航技术-发展概况

然而，地基电子导航系统的无线电发射站均建立在地球表面上，因此只能用来确定海平面和地平面上运动物体的水平位置，即只能进行二维定位。该系统的这一固有缺陷使得地基电子导航无法用于空间飞行器（如飞机、宇市飞船、导弹等）的三维定位和导航。空间飞行器三维定位和导航的需求促使人们产生把无线电发射站建立在空中的设想，思维再一次由地球表面扩展到宇宙空间。

1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功，天基电子导航系统亦即卫星电子导航系统应运而生。第4页/共58页定位导航技术-发展概况

在车辆定位导航系统中，定位是实现导航功能的前提与基础。目前移动目标定位技术主要有三种：独立定位、地面无线电定位和卫星定位。最典型的独立定位技术是惯性导航。

GPS系统的建立从根本上解决了全球范围内的导航和定位问题。现在GPS已成为世界范围内应用最为广泛的卫星导航系统。第5页/共58页GPS定位导航技术GPS（GlobalPositioningSystem）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

GPS计划始于1973年，1994年第一种装有GPS接收机的自主式导航系统投入市场。与此同时，定位与导航系统从单一的车辆定位和导航发展到能够进行道路和车辆双向信息交换的智能车辆／道路系统，进而演变成集交通基础设施智能化、交通工具智能化、交通管理智能化概念为一体的智能交通系统。第6页/共58页第7页/共58页第8页/共58页GPS系统的组成一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)

卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings第9页/共58页GPS系统的组成

用户接收机

1）按接收机的用途分类①导航型接收机（动态定位）主要用于运动载体的导航，可以实时给出载体的位置和速度。车载型-用于车辆导航定位；航海型-用于船舶导航定位；航空型-用于飞机导航定位；星载型-用于卫星的导航定位。②测地型接收机（静态定位）测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。③授时型接收机

利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。第10页/共58页基于GPS的定位技术2）按接收机的载波频率分类①单频接收机

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。②双频接收机

双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。第11页/共58页GPS系统定位原理

地心SiPijPj

riRjRj=ri+Pij有关各观测量及已知数据如下：r—为已知的卫地矢量P—为观测量（伪距）R—为未知的测站点位矢量比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值P=C•t第12页/共58页GPS系统定位原理第13页/共58页基于GPS的定位技术GPS与其他导航系统相比，具有以下特点：

1）全球地面连续覆盖由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点均可同时观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续地三维定位。

2）功能多，精度高利用C／A码单点定位精度可以达到14m（无SA影响的情况下，有选择可用性SA（SelectiveAvailability）政策，人为的干扰技术），测速精度可以达到0.3m／s，测时精度可以达到500ns。利用P码单点定位精度可达3m，测速精度可以达到0.1m／s，测时精度可以达到100ns。如果采用差分定位方法，则利用C／A码定位精度可以达到5m，利用P码定位精度可以达到1m。

3）实时定位利用GPS导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可保障运动载体沿预定航线运行。第14页/共58页基于GPS的定位技术

误差来源及措施①卫星星历误差卫星星历误差主要由地面监控部分监测站的分布及其站址误差、监测站所取得的观测量精度、卫星所受摄动力模型的精确程度、计算精度和卫星钟的稳定度等因素所决定。②卫星钟误差卫星钟本身以及广义相对论和狭义相对论引起的频率漂移均将影响卫星钟的准确性。相对论效应导致的卫星钟频的增长可以通过人为地减小卫星钟频进行校正，其他误差可以利用主控站测定的参数进行模型改正。卫星钟差或经改正后的残差，可以利用差分的方法消除。第15页/共58页基于GPS的定位技术

误差来源及措施③电离层传播延迟

GPS卫星信号通过电离层时将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径产生变化，因此而产生的时间延迟在最恶劣的条件下可达到300ns，等效于100m的测距误差。电离层的影响可以通过双频观测、电离层模型修正或者差分的方法加以减弱。④对流层传播延迟对流层传播延迟是电磁波信号通过对流层时其传播速度不同于真空中的光速所引起的延迟。利用差分方法消除对流层影响时，同步观测站之间的距离不能太大，距离大于50-100km时，对流层传播延迟将成为影响GPS定位精度的决定性因素之一。第16页/共58页基于GPS的定位技术

误差来源及措施⑤多径效应所谓多径效应，就是接收机天线除直接收到卫星的信号外，还收到经天线周围地物反射的卫星信号，两种信号叠加对定位精度的影响难以控制，它随周围环境不同而不同。消除办法有多次取均值、选择屏蔽良好的天线或者将天线安置在反射面体少的地方。但在动态定位中，多径效应导致的定位误差则无法消除。⑥用户接收机测量误差用户接收机测量误差主要是由相关接收机对测距码的分辨率和接收机噪声造成的。一般通过提高接收机硬件的灵敏度和稳定度来降低接收机本身对定位精度产生的影响。第17页/共58页基于GPS的定位技术

（6）GPS在交通工程中的应用

1）车辆调度管理通过车载GPS接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过无线通信将GPS定位信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来。决策指挥命令以通信方式与移动车辆进行通信。通信方式可用文本、代码或语音等，实现调度指挥。

2）车辆GPS定位导航管理

3）交通工程设施监测第18页/共58页基于GPS的定位技术

（7）GPS车辆定位系统

系统由空间卫星、监控中心和移动终端（GPS接收机）三部分组成。第19页/共58页基于GPS的定位技术

（7）GPS车辆定位系统移动终端：由GPS接收装置和控制单元（数据处理和通信等）组成。负责向监控中心发送车辆位置坐标、车辆状态等数据，接受监控中心的控制指令。

监控中心：监控中心由计算机网络和应用软件构成。完成系统的运行监测、控制及信息管理。实现对报警目标的自动漫游跟踪。显示有关的各种信息。进行电子地图库的制作与编辑。第20页/共58页基于GPS的定位技术GPS车辆定位监控中的通讯平台

GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）系统是目前国内移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广泛的一种系统。我国已经建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移动通信网的主要方式，它可以提供多种业务。

GPRS（GeneralPacketRadioService）通用分组无线业务是在现有的GSM系统上发展起来的用于在移动电话网络中进行数据传递的一种新型非语音增值服务。GPRS具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、自如切换、资源共享、丰富带宽的优点，特别适用于间断的突发的或频繁的、少量的数据传输。第21页/共58页北斗卫星导航系统2000年分别发射北斗卫星导航试验系统第一颗、第二颗卫星，2003年发射第三颗卫星，建成区域有源卫星导航系统，使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统可为我国及周边地区的中低动态用户提供快速定位、短报文通信和授时服务。

2004年，启动北斗卫星导航系统建设工作。2003年北斗卫星导航试验系统正式提供服务以来，在交通、渔业、水文、气象、林业、通信、电力、救援等诸多领域得到广泛应用第22页/共58页北斗卫星导航系统

系统组成：空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成星座Non-GEO卫星GEO卫星第23页/共58页北斗卫星导航系统2000年10月31日东经140度2000年12月21日东经80度2003年5月25日东经110.5度第24页/共58页北斗卫星导航系统2007年4月14日MEO卫星2009年4月15日GEO卫星2010年1月17日GEO卫星第25页/共58页北斗卫星导航系统第26页/共58页北斗卫星导航系统时间星座

信号（实际发射）2012年5GEO+5IGSO+4MEO区域服务2020年5GEO+3IGSO+27MEO全球服务第27页/共58页北斗卫星导航系统

全球服务开放服务：定位精度:10m测速精度:0.2m/s授时精度:20ns

授权服务第28页/共58页全球卫星导航系统美国GPS欧盟伽利略俄罗斯GLONASS中国北斗第29页/共58页全球卫星导航系统2020年GPS36颗GLONASS30颗北斗35颗GALILEO30颗第30页/共58页智能汽车

智能汽车是指一辆汽车具有规划自己的行车路线，感知周围环境，针对实时交通情况做出合理决策，并辅助、甚至代替驾驶员进行车辆驾驶的能力，从而减小驾驶员的劳动强度，使车辆行驶过程变得更加安全、舒适、高效。智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。第31页/共58页智能汽车

智能汽车实际上是智能汽车和智能公路组成的系统，目前主要是智能公路的条件还不具备，而在技术上已经可以解决。在智能汽车的目标实现之前，实际上已经出现许多辅助驾驶系统，已经广泛应用在汽车上，如智能雨刷，可以自动感应雨水及雨量，自动开启和停止；自动前照灯，在黄昏光线不足时可以自动打开；智能空调，通过检测人皮肤的温度来控制空调风量和温度；智能悬架，也称主动悬架，自动根据路面情况来控制悬架行程，减少颠簸；防打瞌睡系统，用监测驾驶员的眨眼情况，来确定是否很疲劳，必要时停车报警……计算机技术的广泛应用，为汽车的智能化提供了广阔的前景。第32页/共58页智能汽车第33页/共58页智能汽车

清华大学研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。两套计算机系统分别进行视觉住处处理，完成信息融合、路径规划、行为与决策控制等功能。四台IPC工控机分别完成激光测距信息处理、定位信息处理、通讯管理、驾驶控制等功能。设计车速高速公路为80km/h，一般道路为20km/h。西安交通大学搭建的智能车实验平台于2005年10月成功完成在敦煌“新丝绸之路”活动中的演示。同济大学2006年研发了一辆无人驾驶清洁能源电动游览车，最高时速为50km/h，可应用于人们观光旅游。吉林大学和中科院沈阳自动化所在无人驾驶智能车方面也研究较早，取得不少成果。第34页/共58页智能汽车

谷歌公司研发的50辆智能车，采用智能软件和感应设备，包括摄像机、激光雷达、超声雷达以及GPS设备等，使用谷歌网络导航操控系统，无人驾驶，在公共道路上成功行进22万多公里,但是谷歌没有考虑智能车和周边车辆的交互。意大利帕尔马大学的ARGO系统，2010年10月完成了从意大利到上海15000多公里的无人驾驶试验，车上安装5个激光扫描仪、7个摄像机、GPS全球定位、惯性测量设备、3台Linux电脑和线控驾驶系统等设备，全程应用太阳能电池板供电。第35页/共58页物联网

物联网其实就是物物相连的互联网。物联网就是把传感器装备到各种真实物体上，通过互联网联接起来，进而运行特定的程序，达到远程控制或者实现物与物的直接通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。简单的举例：某机器运行，需要用PT100(温度传感器）来测量运行温度，所测量的温度信号经过转换为电信号传输到检测分析设备，检测分析设备分析温度值，给出命令，从而控制机器的运转、加强散热或停机。第36页/共58页37物联网三个重要特征：1、全面感知，利用RFID，传感器，二维码等随时随地获取物体的信息2、可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去3、智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制传感网络技术传感器的器件组成的在空间上呈分布式的无线自组织/自维护网络，用来感知环境参数，如温度、震动等等。

短程通讯技术

新兴的短距离连接技术，WPAN、RFID和蓝牙技术是其中的重要代表。物联网第37页/共58页物联网

物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”！智慧地球第38页/共58页物联网控系统。第39页/共58页物联网的应用架构第40页/共58页城市交通2000.4高速公路高速公路2002.6ZTEITS物联网轨道交通2006.1铁路城市交通公路已经涉足的ITS领域城市交通公路铁路智能交通物联网准备进入的ITS领域水运管道

民航水运管道

民航第41页/共58页物联网-智慧交通智慧交通的内涵Diagram2

智慧交通是以互联网、物联网等信息技术为基础，通过感知化、互联化、智能化的方式，形成以交通信息网络完善、运输装备智能、运输效率和服务水平高为主要特征的现代交通发展新模式。

通过信息资源的自动整合与智能共享，具有高度的分析与预测能力，实现交通运输的便捷、安全、经济、高效，为城市运营及经济发展提供支撑。

智慧交通是充分利用信息通信技术，通过人、运输装备与交通网络之间相互感知、智能互动，达到一种完全自动、合理、高效的交通管理服务状态，实现交通运输效率最高、交通资源效益最大化。

Diagram21内涵

2核心3本质第42页/共58页物联网-智慧交通交通信息网络：交通设施与交通装备的信息采集及网络传输装备布局，如传感器、GPS等；构建动态化、全覆盖的交通信息网络动态车辆的智慧化管理与服务：通过高度智能化、一体化的交通管理系统，实现动态交通系统的智能、安全管理，以及交通车辆的自我合理流动等，如智能交通监控与管理系统、智能停车与诱导系统、智能公交系统、电子不停车收费系统、应急处理系统、综合信息平台与服务系统等静态车辆的智慧化管理与服务：通过物联网技术的应用，从规划、建设、经营、管理等方面加强停车问题的管理与服务，实现静态车辆的高效管理及人性化服务智慧交通建设与应用第43页/共58页未来中国ITS物联网“模型”第44页/共58页车联网

车联网，是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。车联网以汽车为节点、以网络为基础，人、车、路、网协调运作，车联网将缓解城市交通堵塞、减少车辆尾气污染以及减小车辆安全隐患。第45页/共58页智能手机车载终端(AVN&TBox)互联网语音短信TSPCENTER个人电脑整合集成整合集成联系互联网语音短信互联网语音短信互联网语音互联网短信T-Box呼叫中心系统调用车联网整体架构图TSP核心服务运营管理系统个人PortalDispatcher拨测系统网管系统数据中心互联网第46页/共58页车联网第47页/共58页车联网的应用--危化品运输远程监控

北斗及GPS高精度定位技术和地理信息系统（GIS），集成远程监控技术、车辆诊断技术、无线通信技术（GPRS、WIFI）、传感器技术，数据库技术、危险品运输事故模型技术。GPS监控温度/压力传感器车辆状态传感器车载终端无线通信网络GPS和车辆状态传感器监控车辆位置及运输路线；各种传感器监控货物状态是否安全；视频监控设备监控司机疲劳驾驶和槽罐闸门异常视频监控GPS卫星危化品运输智能监控平台平台实时记录跟踪货物位置信息，动态预计货物到达时间，为货主和货运公司、政府监管部门提供货物实时监控平台，发现异常自动预警。第48页/共58页智能汽车-车联网车辆交互协作邻车意图与轨迹预测危险度评价主动避撞轨迹规划告警主动避险邻车意图与轨迹预测危险度评价主动避撞轨迹规划告警主动避险智能车辆系统智能车辆系统多车协作机制主动避撞辅助系统环境感知环境感知第49页/共58页云计算CloudComputing

云计算是并行计算(ParallelComputing)、分布式计算(DistributedComputing)和网格计算(GridComputing)等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。云计算核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力！云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算

资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。第50页/共58页云计算CloudComputing

提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。这种特性经常被称为像水电一样使用IT基础设施。比方：这就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。云计算之所以是一种划时代的技术，就是因为它将数量庞大的廉价计算机放进资源池中，用软件容错来降低硬件成本，通过将云计算设施部署在寒冷和电力资源丰富的地区来节省电力成本，通过规模化的共享使用来提高资源利用率。国外代表性云计算平台提供商达到了惊人的10-40倍的性能价格比提升。第51页/共58页云交通-交通云

交通数据有以下