智慧城市系列之智能交通系统(ITS)

第四章 ITS的主要内容

ITS的基本功能表现在：减少出行时间、保障交通安全、缓解交通拥挤、减少交通污染等四个方面，其最终目标是建立一个实时、准确、高效的交通运输管理系统。ITS的基本功能模块包括：先进的出行者信息系统（ATIS），先进的交通管理系统（ATMS），先进的公共交通系统（APTS），先进的车辆控制系统（AVCS），以及商用车运营管理系统、先进的乡村运输系统、自动公路系统等。考虑到系统在国外、国内投入运营的情况，这里对前四个子系统进行重点介绍，并结合各子系统的特点，选择不同的侧重点分别予以讨论。

第一节先进的出行者信息系统（ATIS）

1. 基本概念

该系统主要是对交通出行者提供及时的信息服务。在出行前，通过办公室或家庭的计算机终端、咨询电话、咨询广播系统等，向出行者提供当前的交通和道路状况以及服务信息，帮助出行者选择出行方式、出行时间和出行路线；在出行途中，通过车载信息单元或路边动态信息显示板，向出行者提供道路条件、交通状况、车辆运行情况、交通服务等实时信息，通过路径诱导系统对车辆定位和导航，使汽车始终行驶在最佳路线上，使出行者以最佳的出行方式和路线到达目的地。

ATIS可以通过车载设施、可变标志、交通信息广播、移动电话等，向驾驶员提供互动信息，让他们始终行驶在最短路线上。ATIS提供的信息可以分为三类：

u出行前信息

u途中信息

u目的地信息

4. ATIS共用信息平台的建设

（1）基本概念

ATIS实现的基础是信息化的实现，ATIS必然会由“先进的出行者信息系统”向“先进的交通信息系统”发展，其最终的服务对象不仅包括出行者，还包括运输机构、关联企业等等。其中，信息化是实现智能交通系统的各项功能的核心和关键之一。这里提出的共用信息平台是进行系统信息集成的重要手段，它将为各种相关子系统提供引导接入策略和信息共享服务。它将对整个城市交通信息各系统共用数据组织结构和传输形式进行规范，并形成一个对共用数据进行组织、存储、查询、通信等管理服务的数据仓库系统。共用信息平台不仅是ATIS，也是ITS进行整合的技术保障。其具体组成可包括交通运输信息公用基础设施、交通运输信息公用数据仓库、交通运输信息公共数据规范和标准、应用系统开发共享软件库等。利用共用信息平台资源和技术的支持，将为实现社会化交通信息增值服务创造基础条件，其目的是通过政府集中建设项目的技术及设施优势，通过技术服务和设施使用服务，形成交通运输信息的流通枢纽，并以此为依托实现系统的规范化与资源共享目标。

对共用信息平台的规划及设计应明确逐步扩展的系统各部分之间的相互衔接关系，确定功能和接口衔接要求和相关技术标准，并研究和确定投资及运行机制等。

共用信息平台是通过对共用数据的采集（如道路使用状况、交通状况和交通管理数据等），为智能交通系统的信息使用者提供不同的服务，满足管理者和使用者对共用信息的需求（如车辆调度计划制定时对交通状况信息的需求）。同时，通过共享信息支撑政府部门间和行业管理与市场规范化管理方面协同工作机制的建立，如通过共用安全数据为交通运输管理提供支撑。

智能交通系统共用信息平台主要承担以下功能：

u从各子系统中提取共享数据，并对多渠道来源、相互不一致的数据进行数据融合处理；

u完成对于实时数据和历史数据的组织，以保证数据间关系的正确性、可理解性和避免数据冗余；

u根据服务请求和查询权限对客户系统提供信息服务，对于自身存放的数据直接加以组织输出，对于其他子系统存放的细节数据由共用信息平台提供查询通道。

（2）共用信息平台的组成

智能交通系统共用信息平台是整个智能交通系统信息组织过程中的信息枢纽，承担信息中转的功能。不同的子系统将智能交通系统其他子系统需要的信息以不同的格式传递给共用信息平台。信息传输格式不以具体子系统所需的格式需求传输，可以用既定的统一格式传输给共用信息平台，并按照一定的编码规则传输。共用信息平台将接收到的数据按照不同的用户需求进行处理，可以采用分层次的方法对无权获取部分信息的一些用户进行部分信息屏蔽。使不同的用户既能获得各自所需要的数据，又确保数据传输过程的安全性及共享数据的互操作性和互用性。

根据共用信息平台的不同功能，可以将城域共用信息平台分解为：智能化公共交通系统共用信息平台、物流共用信息平台、交通管理与控制共用信息平台、紧急事件管理共用信息平台，以及支持路网交通特征预测与诱导的交通仿真实验共用信息平台。公用信息平台的组成见图4.1。

图4.1 ATIS / ITS 共用信息平台的组成

（3）智能交通系统共用信息平台的设计

根据共用信息平台的功能及不同数据的组织模式，共用信息平台应由如下子系统组成：

u数据抽取子系统：主要有两大模块，一个是对内部系统的数据进行抽取；另一个是对外部相关数据进行抽取；

u数据融合处理子系统：将基础数据采集系统采集到的数据进行融合处理，针对不同的终端用户的需求提取有用信息；

u共用数据库管理子系统：对共用数据进行管理，特定的信息只有具备使用权的用户方可使用；

u共享数据统计子系统：对共享数据进行统计工作，并评价共享数据的数据质量，分析出将来各系统的数据需求；

u综合信息发布子系统：用于发布一些共享信息，对公众提供交通信息服务，支持政府间协调工作机制的建立；

u宏观决策支持子系统：主要是对政府宏观管理进行决策支持服务；

u数据请求与调用子系统：主要是实现数据需求的请求与调用功能。

具体系统结构如图4.2所示。

图4.2 共用信息平台顶层系统结构

根据前述对智能交通系统共用信息平台的组成分析，对智能交通系统城域共用信息平台中的各组成部分的具体设计如下：

①物流共用信息平台的设计

u数据抽取子系统：分别由对内部系统和对外部相关数据（如交通仿真数据等）进行抽取的两个模块组成；

u车辆调度跟踪支持子系统：通过GIS参照模型进行数据组织用以支持车辆运行的跟踪与调度，主要数据为交通流背景数据；

u货物跟踪支持子系统：该系统主要通过线性参照模型进行数据组织用以支持货物跟踪查询服务，主要数据为货物跟踪信息；

u企业业务交易支持子系统：用于支持运输市场交易、仓储企业交易等各类具有核心功能的企业进行联盟交易时的市场规范化管理，提供信用认证功能；

u综合信息发布子系统：用于发布一些共享信息，对公众提供物流信息服务（如各国贸易法规、国际贸易信息网站链接等），支持政府间协调工作机制的建立；

u宏观决策支持子系统：主要是对政府宏观管理进行决策支持服务；

u数据请求与调用子系统：主要是实现数据需求的请求与调用功能。

具体系统结构如图4.3所示。

②智能化公共交通系统共用信息平台的设计

u数据抽取子系统：分别由对内部系统和对外部相关数据（如城市GIS系统可用数据，交通管理系统可用数据等）进行抽取的两个模块组成；

u公众信息服务支持子系统：承担对广大公众的公交信息发布、咨询等服务。主要数据为公共交通费用、时刻表等方面的信息；

u线路调度管理支持子系统：承担制定调度、保障预定调度计划的实现以及根据突发情况动态调度的功能；

u车队／公司运行管理支持子系统：监控各条线路的动态运行情况，制定年度运行计划，提供预警信息，检查和调整计划的执行；

u公交规划决策支持子系统：根据公交实际运行情况进行公交规划的动态调整；

u行业管理信息服务支持子系统：根据运行情况产生运行报表；制定行业管理政策；进行市场准入管理；确定行业技术改造指标；审批线路和运力配置；确定投标资格等；

u数据请求与调用子系统：主要是实现数据需求的请求与调用功能。

具体系统结构图类似图4.3。

③交通管理与控制共用信息平台

交通管理与控制共用信息平台系统结构见图4.4所示。

④紧急事件管理共用信息平台

u数据抽取子系统：分别由对内部系统和对外部相关数据（如运输管理系统采集的OD数据等）进行抽取的两个模块组成；

u紧急事件响应支持子系统；

u紧急车辆路线导航支持子系统；

u紧急救援信号支持子系统；

u事故分析、统计、决策支持子系统；

u数据请求与调用的子系统：主要是实现数据需求的请求与调用功能。

具体系统结构图类似图4.4。

⑤交通仿真实验共用信息平台

具体系统结构类似图4.4。

第二节先进的交通管理系统（ATMS）

1. 基本概念

先进的交通管理系统——ATMS（Advanced Traffic Management System），是智能交通系统中一个基本的应用领域。ATMS最主要的特征就是系统的高度集成化。它利用先进的通讯、计算机、自动控制、视频监控技术，按照系统工程的原理进行系统集成，使得交通工程规划、交通信号控制、交通检测、交通电视监控、交通事故的救援及信息系统有机地结合起来，通过计算机网络系统，实现对交通的实时控制与指挥管理。ATMS的另一特征是信息高速集中与快速处理，ATMS由于运用了先进的网络技术，获取信息快速、实时、准确，因而提高了控制的实时性，城市ATMS的应用使交通管理系统中交通参与者与道路以及车辆之间的关系变得更加和谐，缩短了旅行时间，使城市的交通变得更加有序。

该系统具有向交通管理部门和驾驶员提供对道路交通进行实时疏导、控制和对突发事件作出应急反应的功能。它包括：交通管理信息服务、城市交通控制系统、事故管理系统、不停车自动收费系统等。

在道路、车辆和监控中心之间建立起通讯联系，监控中心接收到各种交通信息(如车辆检测、车辆识别、交通需求、告警和救助信号)并经过迅速处理后，通过调整交通信号，向驾驶员和管理人员提供交通实时信息和最优路径引导，从而使交通始终处于最佳状态。

2. 上海市ATMS应用情况

（1）上海市ATMS主要构成

上海市交巡警总队管制下的ATMS称为交通控制与管理系统，它负责对城市道路、公路交通的信号控制，对自行车、行人、不同交通模式交叉口的信号控制，并能对交通事故、交通环境，以及所属设施进行管理，还可对不同交通需求作出响应。同时通过其所属各系统将采集和处理后的交通信息实时地传输到交通信息交互中心。上海市交通控制与管理系统的主要管理对象是上海市中心城区的道路交通，该系统包括八个子系统。

l 交通控制

l 交通事故管理

l 交通需求管理

l 交通环境监测

l 交通设施运营与维护

l 动态警告/交通执法

l 自行车/行人安全控制

l 不同交通模式交叉处理

各子系统构成如图4.5所示。

（2）ATMS应用情况

上海市ATMS应用主要集中在交通信号控制系统和道路交通管理信息系统两方面，以下分别予以介绍。

① 交通信号控制系统

u 自适应交通信号控制系统（SCATS）初具规模；

u 交通信号地区控制室有8个，SCATS受控路口超过800个；

u 敷设、架设通信电缆6500多公里。

② 道路交通管理信息系统

u 上海市机动车辆档案电脑管理

u 上海市机动车驾驶员档案电脑管理系统

u 上海市道路交通事故统计电脑管理系统

u 上海市机动车驾驶员交通违章处理电脑管理系统

u 上海市道路交通路况信息处理系统

ATMS规划项目中包括如下三个子项目：

①市区主干道信号绿波联控系统

本子项目旨在对市区主干道推行信号绿波控制，使市区干道交通流达到畅通、平滑的目的。系统的建立应在已有的SCATS系统的基础上进行。

②高架匝道与地面交叉口区域性自适应控制系统

本子项目旨在推行市区高架匝道与地面交叉口信号的区域性联动控制，以缓解高峰期高架匝道与地面交通的拥堵现象。

③市区机动车非机动车混合交叉口自行车信号控制系统

本子项目提出对自行车进行独立信号控制的方案，是改善地面交通的一项有效措施。自行车交通是上海市交通控制中需要重点考虑的方面，目前上海市的大部分干道交叉口都有自行车、行人、机动车混合通行的状况，尚未采取有效的分流控制措施，这类路口的通行能力往往很低，因而推行自行车信号控制系统非常必要。

3. ATMS的系统组成

先进的交通管理系统（ATMS）是交通控制与管理系统、交通管理辅助支持系统、电子收费系统等组成的交通综合管理，目前，国内外各城市都针对各自的道路交通实际，选择性地实施了ATMS的部分子系统。尤其是国内诸多城市，ATMS均由所属市公安局、市交警支队、市公路局等负责管理，ATMS分别负责对城市道路、公路交通的监控，对自行车/行人不同交通模式交叉口的控制，交通事故管理，交通设施维护管理，交通紧急管理，以及对城市道路、公路交通的车辆收费管理等，同时通过辅助管理系统将收集处理后的信息，实时传输到交通信息交互中心。

ATMS的结构框图如图4.6所示。

4. 城市交通控制指挥系统设计

（1）系统框架

城市交通控制指挥系统框架设计如图4.7。

交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街，以及环路出入口采用信号控制的子系统，它是运用了交通工程学、心理学、应用数学、自动控制与信息网络技术以及系统工程学等多门学科理论的应用系统。

交通信号控制系统主要包括交通工程设计、车辆信息采集、数据传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号、调整交通流等。国内外各大、中城市已有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自城市道路的规划和发展水平建立起来的。

在我国，国家重点基础研究规划（973）项目“信息技术与高性能软件”中设立的二级课题“城市交通监控系统”，结合我国城市交通发展的特点，确定了建立实时自适应的城市道路智能交通信号控制系统的智能化管理的发展方向。

（2）交通信号控制系统的基本组成

交通信号控制系统的基本组成是主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据仓、效益指标优化模型、数据（图像）分析处理等。具体结构框架见图4.8。

（3）交通信号控制系统的核心

交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。

目前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化周期方案、优化路口绿信比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根据历史数据和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，属于一种被动的控制策略。

应用较多的核心软件即效益指标优化模型软件，是英国运输和道路研究所（TRRL）研制的SCOOT系统（Split Cycle Offset OptimizationTechnique）和澳大利亚悉尼开发的SCATS系统(Sydney Coordinated AdaptiveTraffic System)，它们是动态的实时自适应控制系统的早期代表，也是未来一个时期交通信号控制系统智能化发展的开发基础。

随着网络技术的发展，交互式控制策略使信号控制由感应控制发展到诱导控制，实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，调控路口绿信比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据仓完成与交通参与者之间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供给交通参与者合理的行驶线路，以实现均衡道路交通负荷的主动的控制策略。

尤其重要的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。可以说，城市道路智能交通信号控制系统是城市道路交通管理随着信息产业技术迅猛发展的综合产物。

（4）交通信号控制系统的主要术语和参数

u周期：是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、黄、绿灯时间之和。

u相位：即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的、同时取得通行权的一个或几个交通流的序列组。

u相位差：具有相同周期长的相关路口（例如干道沿线的交叉口），在同方向上的两个相关相位的启动时间差，称为相位差。

u绿信比：是指在周期长内的各相位绿灯时间与周期长之比。

u饱和流量：是衡量路口交通流通过能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路口的最大车流量。

u流量比：是实际流量与饱和流量的比值。既是计算信号配时的重要参数，又是衡量路口阻塞程度的一个尺度。

u绿灯间隔时间：是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。

u有效绿灯时间：是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。

u延误：是指交通冲突或信号控制设施的限制给车辆带来的时间损失。它是计算信号配时和衡量路口通行效果的一个重要参数，也常作为确定信号控制系统性能的重要参量。

（5）交通信号控制系统的主要控制方法

交通信号控制系统的主要控制方法包括：单点定时多相位信号协调控制，即按时钟调用预设方案，以减少交通冲突，必要时配合早断和迟启；车辆感应实时自适应协调控制，即通过调整周期、绿信比，以及增加有效绿灯时间等，按照交通流的到达情况进行相应的控制；用户优先无电缆干线协调控制，是指在干道上采用的“绿波控制”，通过协调周期、相位差，并照顾行人、公交车、特种车等，对干道交通流实施优先控制；实时自适应区域控制，是指通过优化效益指标、交通流仿真等先进手段，最终实现均衡区域交通流的目的。

（6）交通信号控制系统的分级设计的基本步骤

首先，根据路口交通流现状和预测，进行交通渠化设计，分析原始交通流数据，通过仿真模型效验，确定控制模式。然后进行交通参数设定，根据交通渠化设计及控制模式的设计要求，完成其他相关设计（包括车辆检测器的检测区定位等）。其次，根据各个路口配备设备的相关性，完成协调设计。然后，确定系统和单点控制的优化目标函数，得出最优信号控制方案。最后，配置路口信号控制机的固化基础参量，并配置主控中心数据库与数据传输设置等。

（7）交通信号控制系统的运行管理与分级控制

信号控制系统的运行管理主要包括：对主控中心数据库包括地理信息在内的操作平台的数据更新，对交叉路口设施尤其是车辆检测设备的检修和校对，保证完好率和准确率。

由于交通信号控制系统的建设是与城市规划及道路规划密切相关的，设施的建设及完善受到一定的制约，一步到位是不切实际的，因此，交通信号控制系统的管理模式可以采用集中管理，分级控制，充分利用现有设施，按实际交通现状先进行单个交叉路口的自适应协调，然后是主干线的协调控制，实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的系统最优。

5. 电子警察

（1）基本概念

“电子警察”又称为违章闯红灯车辆记录系统。违章闯红灯行为是造成交通事故、交通混乱、交通堵塞的主要原因之一，电子警察系统对交通路口闯红灯行为进行24小时监视，一旦有车辆违章闯红灯，立即抓拍作为处罚依据。目前电子警察的三种技术实现方式如下：

u 光学相机型

u 摄像机型

u 数码相机型

第一种方式光学相机型结构简单、设备投资少，照片分辩率高。可以作为法律证据，但需要人工更换胶卷，工作量大。

后两种方式路口设备多、成本高、能在监控中心直接读取路口照片，使用方便，数码相机型用数字化方法存储照片具有分辨率高、色彩丰富、图像清晰、存储量大的特点。

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