智慧交通导论 课件 第二章 智慧交通技术

《智慧交通导论》第二章

智慧交通技术智慧公路智慧铁路智慧水路智慧航空1234CONTENT智慧交通技术体系硬件平台技术网络通信技术数据技术5人工智能技术PART01智慧交通技术体系01一、重点工作情况图2.2圆圈里的硬件平台技术、网络通信技术、数据技术、软件技术是所有智慧交通项目必须考虑的建设内容，属于基础性的软件工程范畴的技术；人工智能技术，其他相关技术作为智能交通特定应用场景技术；智能交通终端技术、智能运输工具技术，属于用户直接使用部分技术。智慧交通技术体系属于一个技术大杂烩的融合体。标题添加01一、硬件平台技术硬件平台技术主要指机房内的服务器等硬件设备，用于安装智能交通软件系统，用于存储交通数据。2020年后的发展趋势是购买云平台服务。01一、网络通信技术网络通信技术用来传输智能交通软件系统产生的数据或链接各种使用终端，包括了无线传输、有线传输。。01一、数据技术数据技术是指用来存储、分析、展现交通数据一般数据技术及大数据技术。如数据库技术、分布式大数据处理技术、二维三维展示界面系统、数据采集共享技术等。分布式数据库二维三维展示界面系统01一、人工智能技术人工智能技术这里特指通过智能交通系统，具备图像识别、语音识别、大数据分析、自然语义分析、机器人服务等的以深度学习、强化学习为代表的新一代人工智能技术。01一、其他相关技术跟智慧交通系统服务功能紧密相关的支持技术，如电子地图技术、数字孪生技术等。01一、智能终端技术智能终端技术在智能交通领域特指各种服务终端如自助售票机、自助检票机、执法手持终端、测速及识别雷达、自助语音查询终端、数字摄像头、无线传感器等，上述终端都会产生对应的数据，供智能交通系统联动使用。01一、智能运输工具技术智能运输工具技术是指具有自主控制能力、代替人类进行智能化驾驶的各种交通工具，这些交通工具整合了人工智能、自动化控制、互联网、传感器等相关先进技术。如自动驾驶汽车、无人机、自主行使能力的船舶、自动驾驶地铁、自动搬运货物机器人、码头自动作业无人运输车等。PART02硬件平台技术02二、数据计量单位硬件平台技术主要确定智慧交通系统在服务器上需要安装及存储数据的空间大小，然后决定服务器存储设备数量、规格及服务器的配置，或购买云平台的相应存储使用空间。序号单位英文、中文名称换算关系说明11BByte字节1B=8Bit一个字符，如“a”,为1B；一汉字为2B。21KBKilobyte千字节1KB=1024B=2^10B一张1英寸的彩色照片从几KB到上百KB31MBMegabyte兆字节1MB=1014KB=2^20B一部电影500MB41GBGigabyte吉字节1GB=1024MB=2^30B用车载激光雷达采集三维点云数据,沿高速公路跑，一公里将产生2GB-4GB的数据51TBTerabyte太字节1TB=1024GB=2^40B阿里电商平台2014年日增交易数据在50TB61PBPetabyte拍字节1PB=1024TB=2^50B2014年阿里平台累计的数据超过100PB71EBExabyte艾字节1EB=1024PB=2^60B2014年中国数据总量达909EB，占世界13％的份额81ZBZettabyte泽字节1ZB=1024PB=2^70B2014年全世界的数据总量在6ZB多，IDC预计到2020年全世界的数据量将超过40ZB。该级别的数据，可以记录全世界海滩上的沙子数量。91YBYottabyte尧字节1YB=1024ZB=2^80B其数量相当于7000位人类体内的微细胞总和101BBBrontobyte珀字节1BB=1024YB=2^90B该级别的数据，人类对地球事物的所有记录或许还将有可能。111NBNonabyte诺字节1NB=1024BB=2^100B记录太阳系、银河系、星系团、宇宙级别的庞大数据。121DBDoggabyte刀字节1DB=1024NB=2^110B131CBCorydonbyte靠字节1CB=1024DB=2^120B141XBXerobyte日字节1XB=1024CB=2^130B02二、服务器储量估算方法目前主流服务器存量估算方法分5步走：第一步，估算平均每天的数据存储需求量；每日产生存储量估算公式S=N×B×(1+0.2)其中N为每天平均产生的数据记录数，B为每条记录的平均字节数，0.2为预估经验比例（每条记录结构额外需要开销的存储量比）。第二步，估算一年的数据存储需求量；年数据存储量估算公式Y=S×365如第一步智能交通业务系统的年数据存储量估算为：Y=11.2GB×365÷1024≈4TB第三步，估算N年的数据存储需求量；N年数据存储量估算公式C=N×Y第四步，考虑数据存储冗余量；在实际数据存储环境下还需要考虑数据库系统本身读写硬盘需要的缓冲空间，随着业务拓展、使用量的增长所产生的额外增量开销，数据备份等需求，所以要估算额外冗余存储量，其估算公式：W=C×(1+n)C为N年数据存储量，n为额外冗余存储量百分比。第五步，整体考虑存储需求量。在实际考虑存储时，还需要考虑到操作系统、数据库系统、智能交通系统等的安装空间及运行空间开销。由此服务器完整的存储空间估算公式为：A=F+WPART03网络通信技术03三、网络通信技术无论是天上飞的飞机、海里航行的船舶、地上开的车辆、铁轨上疾驰的高铁，还是地下穿行的地铁都需要各种网络通信技术支持，才能传输各种数据，才能实现智能出行服务。根据网络分布物理距离的远近可以分为个人局域网（PAN）、局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、卫星通信网（SCＮ）、互联网（internet）。03三、网络通信技术1、个人局域网（PersonalAreaNetwork，PAN）个人局域网指能在便携式消费电器与通信设备之间进行短距离通信的网络。其覆盖范围一般在10米半径以内。如利用蓝牙技术近距离通信的笔记本、耳机、共享单车、智能手机、车载信息系统、车载娱乐系统等。其主要传输方式是无线传输。03三、网络通信技术2、局域网（LocalAreaNetwork，LAN）

局域网是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。一般是方圆几千米以内。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机组成。其传输介质主要为双绞线、光纤。03三、网络通信技术3、城域网（Metropolitanareanetwork，MAN）城域网指在一个城市范围内所建立的计算机通信网，它的传输媒介主要采用光纤，传输速率在100兆比特/秒以上。其覆盖范围在10～100km的区域。如郊区高速公路上的摄像头视频信号传输方式之一可以是城域网的光纤。03三、网络通信技术4、广域网（WideAreaNetwork，WAN）广域网（WAN）：网络跨越国界、洲界，甚至全球范围。广域网是指连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网并不等同于互联网。03三、网络通信技术5、卫星通信网（SatelliteCommunicationNetwork，SCＮ）卫星通信网是指由一个或数个通信卫星和指向卫星的若干地球站组成的通信网。如中国的北斗导航卫星定位系统、美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）、欧洲的伽利略卫星定位系统（GalileoSatelliteNavigationSystem，）都是典型的卫星通信网。其通信距离从陆地延伸到了太空，服务范围遍及陆地、海上、空间。通信卫星卫星信号接收站03三、网络通信技术6、互联网（internet）互联网（internet），又称国际网络，指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。这个通用协议是指TCP（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）和IP（InternetProtocol网间协议）协议。由此互联网包含了广域网、卫星通信网，只要它们遵循TCP/IP通信协议。我们日常使用的电脑、智能手机都是互联网的一部分。互联网是地球上最大的通信网络。PART04数据技术04四、交通数据交通数据种类繁多，来源复杂。

1、数据结构分数据从数据结构分类，可以分为交通结构化数据、交通半结构化数据、交通非结构化数据。交通结构化数据，是目前主要存储、分析、应用的数据，以关系型数据库存储的数据为主，如高速公路收费数据、货车轨迹数据、港口作业调度数据、民航飞行数据、高铁车次数据、地铁进出检票数据、邮政快递单数据等。交通半结构化数据不太常见，如报道交通路况的网页新闻或公众留言、记录交通各种统计报告的PDF文件等。交通非结构化数据，最多的是公路视频。2、交通行业领域分数据交通行业按照领域分公路、水路、铁路、民航、邮政、管道六大类，由此对应六大类数据。3、数据采集来源分数据按照数据采集来源分，可以分自动设备采集、人工业务处理采集、其他系统共享、系统内部生成四类。4、实时数据非实时数据实时数据，在传输上时效性要求高（一般在秒级间隔上传，并可响应返回），连续性传输的数据。如货车卫星定位轨迹数据，地铁检票数据等；非实时数据，在传输上时效性要求不高，间断性传输的数据，如各种统计报表数据。04四、数据处理技术数据处理技术可以分数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、数据共享、数据展现、数据安全等技术。数据采集数据采集面向应用场景业务处理现场，分终端实时数据流采集、文件批量采集、其他系统对接采集、业务终端输入采集等。实际应用场景如ETC收费站现场视频采集车辆车牌号信息、公交车刷卡器采集客人刷卡支付信息、卡车安装车载北斗定位智能终端实现轨迹数据实时采集。04四、数据处理技术数据处理技术可以分数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、数据共享、数据展现、数据安全等技术。数据传输数据传输前提，先要建立网络通信通道，如高速公路路侧视频设备需要跟通信光纤相连，建立起物流通信通道，或通过无线5G卡传输，具体需要跟相关通信公司进行合作。然后，把通信链路接入机房数据接受端交换器，最后存储到视频服务器内。右图为视频数据传输网络设计图。2数据存储数据整体存储于服务器的磁盘中，其存储容量估算等见2.2节相关内容。同时数据存储时需要通过数据库软件技术进行统一管理。04四、数据处理技术数据处理技术可以分数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、数据共享、数据展现、数据安全等技术。4、数据分析数据分析技术可以从传统的文件数据分析、数据库SQL分析、编程分析到大数据及人工智能分析技术等。以Excel文件为例，简单介绍其数据分析功能。Excel做数据分析，主要通过其自带的函数进行。Excel函数一共有11类，分别是工程函数、统计函数、逻辑函数、财务函数、数学和三角函数、数据库函数、日期与时间函数、信息函数、查询和引用函数、文本函数以及用户自定义函数。04四、数据处理技术数据处理技术可以分数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、数据共享、数据展现、数据安全等技术。

5、数据共享数据共享需要把服务器端的数据通过相应软件支持功能把数据转发给指定的使用方。目前主流的数据共享技术包括了WebService技术、FTP的文件数据接口服务技术、消息中间件服务技术、基于Socket的实时数据接口服务技术，如右图所示。如路政执法人员现场通过智能执法终端把执法记录上传到服务器，再通过服务器把执法数据转给执法处理部门，这类系统级别的业务数据共享转发，只需要提供WebService技术即可。对于上传执法照片、文件特定数据，可以采用一次性批量上传并转发功能，如基于FTP的文件数据接口服务。在实时大数据量采集情况下，则可以选择消息中间件服务方式，比较流行的消息中间件如东方通消息中间件、Kafka消息中间件等。对于与其他系统或数据库对接情况下，可以采用基于Socket的实时数据接口服务。数据库存储数据消息中间件数据WebServiceFTP消息中间件Socket数据存储区数据共享接口服务技术数据采集及传输数据使用对象04四、数据处理技术数据处理技术可以分数据采集、数据传输、数据存储、数据分析、数据共享、数据展现、数据安全等技术。6、数据展现数据从采集、传输、存储到共享，最后是为了被使用。所以需要提供相应的数据展现功能技术。现阶段数据展现技术可以分普通的网页展示、专用二维三维组件展示、虚拟现实展示三种。通过普通的网页展示数据，是大多数业务系统所提供的数据展示方式，其展示内容可以是表格、统计图、图文结合、声音、动图等。PART05人工智能技术04四、人工智能技术概述人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是通过机器替代人实现人具有的智能行为。这里的机器主要指计算机、数据、相关软件，也可以包括相关的智能终端设备。目前人工智能应用比较成熟的技术方向包括了机器博弈（智能机器人）、声音识别、图像图片识别（文字、指纹、人脸等）、传感器等提供数据的分析与预测。人工智能研究的主要学科包括了计算机科学、信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等。右图直观地体现了人工智能（AI）、机器学习（ML）、深度学习（DL）之间的关系，它们是包含关系，同时是部分继承关系，各自概念的定义进一步区分了各自的特点，一般读者对此有印象、会简单区分即可。04四、人工智能技术在交通中的应用在交通领域常见的人工智能应用场景包括视频图像识别、人脸识别、声音识别、机器人服务、数据分析决策等。视频图像识别基于视频图像识别的场景应用，具体应用包括车辆抛洒物品、车辆逆行、车辆违停、车牌号识别等。2人脸识别广义的人脸识别实际包括构建人脸识别系统的一系列相关技术，包括人脸图像采集、人脸定位、人脸识别预处理、身份确认以及身份查找等主要包括铁路、公路、地铁、人脸识别自助购票、检票进站等。3声音识别

声音识别是对人、人造物体或自然界发出的音频信号进行特征识别，以进一步确认音频信号发生源及发展变化趋势等。如通过对大桥振动波进行持续音频监测，分析音频信号变化，以判断桥梁是否健康。4机器人服务

机器人（Robot）是一种能够半自主或全自主工作的智能机器。机器人能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务。随着机器人技术的成熟，交通领域常见的应用场景包括了货物搬运、出行咨询服务等。5数据分析决策

利用人工智能算法对数据进行分析决策，在交通领域有广泛的应用。如百度的自动驾驶开源技术Apollo内含了路况感知（Perception）和路径规划（Planning）等高级算法。又如城市拥堵算法方面，采用基于循环神经网络（RecurrentNeuralNetwork，RNN）和长短记忆网络（LongShort-TermMemory，LSTM）的模型在交通拥堵预测中取得了较好的效果。第3课时结束LOGO.智慧公路智慧铁路智慧水路智慧航空《智慧交通导论》第二章

智慧交通技术LOGO.智慧公路智慧铁路智慧水路智慧航空6789CONTENT软件技术智能终端技术智能运输工具技术其他相关技术10实验PART06软件技术06一、主流软件开发工具在智能交通工程实践中，绝大多数需要通过软件技术进行智能交通方面软件开发，才能形成智慧交通服务系统，由此，需要了解市场主流的软件开发技术。目前，市场主流的软件开发技术包括了Python、C++、Java等。标题添加Python是最易入门、重点支持数据分析技术和人工智能技术学习的一门编程语言。有利非计算机专业学生快速掌握编程语言，并做基于数据的工程开发和研究测试。Python科学计算生态圈非常丰富，其与Numpy、Scipy、Pandas、Matplotlib、PyGIS等库的结合，可以完美地进行数据分析研究；与Scikit-Learn、PyTorch、TensorFlow等库结合，可以实现人工智能相关的知识的学习和研究。C++（CPlusPlus）是一种计算机高级程序设计语言，由C语言扩展升级而产生。C++几乎可以创建任何类型的程序：游戏、设备驱动程序、高性能计算（HighPerformanceComputing，HPC）、云、桌面、嵌入式和移动应用等，甚至用于其他编程语言的库和编译器也使用C++编写。由于其擅长跟硬件结合，以更加有效的方式实现软硬件功能协同，在智能交通领域更加侧重硬件设备驱动设计等底层代码研发，如交通信号控制系统、视频编解码系统、图像识别系统等。相对Python、Java语言，C++更难学。Java技术既是一种编程语言，也是一种平台。这是因为Java除了提供核心的Java开发包（JavaDevelopmentKit，JDK）外，还提供了大量的应用程序接口（ApplicationProgramInterface，API）类库，甚至集成开发环境（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE）。Java在软件公司里被采纳为主要代码开发技术的占比很高，是软件工程研发的主流开发工具。PART07智能终端技术07二、智能终端这里的智能终端技术是指利用传感技术、芯片技术、通信计算、人工智能技术等，实现在交通领域替代或辅助工作人员的智能终端设备。公路上的高清摄像设备，其整合了工控机、通信芯片、编码器、视频图像识别软件、供电系统等，辅助公路管理人员，自动识别路面事件，减轻管理人员事件识别工作压力。高铁站的进站验票自助闸机，整合了人脸识别软件、高清摄像头、二代身份证感应器、通信终端、语言提示系统、控制机芯、供电终端等组成，具备完全替代检票人员工作的能力。07二、智能终端这里的智能终端技术是指利用传感技术、芯片技术、通信计算、人工智能技术等，实现在交通领域替代或辅助工作人员的智能终端设备。执法智能终端，是交通执法人员现场执法时需要持有的辅助工具。大小如图所示，内置摄像头、对讲通讯、案件处置系统、卫星定位等功能，可以辅助执法人员现场视频、图片取证、案件信息记录上报、应急呼叫等操作。PART08智能运输工具技术08三、智能运输工具智能运输工具是指在交通运输过程采用智能化技术进行运输的交通工具。这里的智能技术包括了大数据、人工智能、互联网、自动化等技术。

在公路及城市交通出行方面包括了无人驾驶汽车、电动垂直起降飞行器（electricVerticalTake-offandLanding，eVTOL）、无人快递配送车、无人驾驶卡车等，无一例外都采用了雷达防碰撞识别、卫星定位、无线通信、车载导航、自动驾驶、环境及行为人工智能算法预判等技术。08三、智能运输工具在铁路方面包括高速列车、磁悬浮列车、真空管道列车等，涉及智能驾驶、无线通信、卫星定位、远程监控、智能决策等技术。在航空方面包括了现代客机、现代货机，其上的飞行控制系统具有自动驾驶飞机、自动控制飞机飞行状态等功能。08三、智能运输工具在物流方面包括码头、仓库等自动导引运输车（AutomatedGuidedVehicle，AGV）如右图所示、自动装卸设备等。AGV技术集人工智能、信息处理、图像处理为一体，涉及计算机、自动控制、信息通讯、机械设计和电子技术