智慧城市系列之智能交通系统完整版.docx
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智慧城市系列之智能交通系统完整版
智慧城市系列之智能交通系统（完整版）
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响，以及所需采取的管理制度的建立等研究内容。
可见，IVHS不仅使交通运输建设与运行管理走上高科技之路，使交通运输产生划时代的改变，而且将对社会、经济、法律、土地使用产生深远的影响。
2.研究IVHS的组织机构
1989年美国有一个民间组织，叫Mobility-2000，自发开展有关促进协调研究IVHS的工作。
提出IVHS战略计划后，考虑到这样庞大的研究计划涉及学科众多，于是美国运用二战中组织大型科研项目的成功经验，在国家的主持下，于1990年成立研究工作的组织、管理与协调专门机构，组织来自全国各部门（政府部门、高等院校、研究机构、企业单位、咨询公司等）、各学科的专家、学者、管理人员共同协作完成IVHS研发任务。
这个组织机构开始取名为IVHS-America（IntelligentVehicleHighwaySociety-America）。
3.从IVHS到ITS
1994，美国根据IVHS的实际在研项目，认为IVHS的名称已不能覆盖其全部内容，因而把IVHS改名为ITS。
在原IVHS四大分系统基础上再增加两个分系统，先进的公共交通系统（AdvancedPublicTransitSystem，简称APTS）和先进的乡村交通系统（AdvancedRuralTransportationSystem，简称ARTS），形成现在的ITS研究的构架。
与此同时，原组织机构IVHS-America也随之更名为ITS-America。
4.时间节约战略
1996年1月，美国联邦运输部又发布了“交通运行时间节约战略”。
在这个“战略”中提出了ITI（IntelligentTransportationInfrastructure）“智能交通运输基础设施”的新概念，就是要通过美国75个城市“智能交通运输基础设施”的建设，在今后10年内，实现旅行时间缩短15%的一项计划，借以加强ITS研究成果的实施，推进ITS设施产业的发展。
ITI“智能交通运输基础设施”概念的提出及其在美国75个城市中的实施，加上日本在全国推广VICS及其ITS设施建设的响应与国际上ITS的激烈竞争表明：
新世纪的交通运输基础设施已不再是传统的土建设施，而是土建加ITS设施的综合，这是对传统交通运输基础设施观念的一个彻底更新。
无疑，没有强有力的产业经济利益的支撑，美国是不会提出这样的“战略”的。
5.ITS的效益
（1）美国于1990年在达拉斯（Dallas）召开了全国IVHS会议，对当时IVHS的效益作了定性的描述，认为：
IVHS可以促进全国交通运输业的发展，汽车工业将有一个飞跃，现有路网将被更加有效地使用，旅行者的出行将更安全、方便、通畅、舒适，能源将大大节省，环境将得到改善。
（2）Mobility-2000曾对美国应用IHVS技术的潜在效益作过分析，基本结论如下：
①可使都市地区的交通阻塞损失降低25%～40%。
以1990年美国因交通阻塞损失1000亿美元计，因IVHS每年至少可减少损失250亿美元。
这项效益还将因交通量的逐年增长而增加。
②到2010年，估计每年可以减少交通事故死亡11500人及220亿次交通事故；到2020年可以减少交通事故死亡33500人，交通事故650亿次。
③此外尚可带来减少能源消耗，降低大气污染，提高城市运输生产力的效益。
④各相关产品的国际国内市场效益，估计到2000年可达每年280亿美元。
Mobility-2000对IVHS计划成本估计包括研究、开发、测试、设计、安装，共约350亿美元。
这是以美国250个大都市、18000里高速公路上全部使用IVHS为前提的。
分项成本如下：
①研究开发成本约14亿美元；
②测试经费约30亿美元；
③实施安装成本约300亿美元；
④此外车主大约要花费800～1000美元购买车内有关设备。
若单计降低交通拥挤损失及产品市场效益两项，以上成本一年即可全部回收。
（3）美国得克萨斯（Texas）州运输部对IVHS的效益估计
ATMS可减少停车次数30%，降低行驶时间13%～45%；ATIS又可降低行驶时间10%～15%；CVO可提高货运效率；AVCS可减少交通事故，提高道路通行能力，减少废气排放8%～15%。
（4）美国实施ITS取得的实效
◆ATMS在密歇根（Michigan）使高峰期间车速提高19%，在密苏里（Missouri）使高峰期间车速提高35%；
◆ATIS使行驶时间缩短了19%；
◆AVCS使公共汽车交通事故降低20%。
第三节ITS在日本
1.研究ITS的简要历史
（1）1971年日本就开始研究开发CACS（ComprehensiveAutomobileControlSystem），1979年完成，未能实施；
（2）1984年建设省研究开发RACS（RoadAutomobileCommunicationSystem），1991年完成，未能实施；
（3）1987年警察厅研究开发AMTICS（AdvancedMobileTrafficInformationandCommunicationSystem），1991年完成，也未能实施；
（4）1991年，在上述系统基础上，警察厅、建设省、邮电省联合开发VICS（VehicleInformationandCommunicationSystem），1993年完成，1994年开始在东京试运行，获得成功，1996年在东京1都3县开始服务，1997年组织全国推广。
（5）1993年，日本提出UTMS（UniversalTrafficManagementSystem）计划，全面展开研究ITS。
UTMS包括六个分系统：
◆ITCS（IntegratedTrafficControlSystem）集成交通控制系统；
◆AMIS（AdvancedMoblieInformationSystem）先进车辆信息系统；
◆MOCS（MobileOperationControlSystem）车辆运行控制系统；
◆DRGS（DynamicRouteGuidanceSystem）动态路线导行系统；
◆PTPS（PublicTransportationPrioritySystem）公共交通优先系统；
◆EPMS（EnvironmentProtectionManagementSystem）环境保护管理系统。
（6）1995年，在横滨召开的第二届世界ITS会议后，把所有研究项目也统称为ITS。
2.ITS基本国策
日本研发ITS的基本政策是从“基本方针”、“实施方针”到“ITS总体构想”。
（1）“基本方针”
1995年2月，日本政府制定了“推进实施高度信息通信社会的基本方针”；6月，日本内阁会议正式通过。
在“基本方针”5个研究领域中，道路交通情报化研究被列在首位。
（2）“实施方针”
同年，在“推进实施高度信息通信社会的基本方针”的基础上，由与研究ITS有关的四省一厅（建设省、通产省、运输省、邮电省以及警察厅）联合制定并宣布了“在道路、交通、车辆领域实施信息化的方针”，“实施方针”向国内外表明了日本政府对于推进研究开发ITS的积极姿态。
其目的在于：
组织推进政府、产业界与学术界联合开发研究ITS，并于21世纪初把各种系统陆续投入实用，构成ITS体系。
①实施措施
“实施方针”提出11条实施措施：
制定总体构想基础设施布设系统的兼容适应性
组织研究管理机构开发ITS的实用化国际合作
研究与开发项目法制、制度的配合考虑ITS国际会议
实施测试内容标准化
②“实施方针”研究领域
“实施方针”计划研究开发9个领域：
导行系统公共交通优先
自动收费系统商用车辆高效化
安全驾驶系统行人
交通管理最优化紧急车辆运行
道路管理高效化
（3）“ITS总体构想”
1996年7月，在“实施方针”基础上，日本的四省一厅联合制定并出版了“推进ITS总体构想”。
①“总体构想”的目的
使国民深入理解ITS的必要性和通过统一产、学、官各界目标推进ITS实用化的研究开发。
②“总体构想”研究计划
“总体构想”研究计划在“实施方针”9个开发领域的基础上，进一步明确20项为用户服务项目。
应“总体构想”的提出，1996年日本政府安排596亿日元用于ITS实用化和改善基础设施，74亿日元用于ITS的研究开发，用高额的财政支持来加紧推进ITS的研究与开发应用。
3.研究ITS的组织机构
为研究开发ITS，日本政府及民间曾成立不少组织机构，主要有：
（1）HIDO
日本1984年就已成立HIDO（HighwayIndustryDevelopmentOrganization）财团法人“道路新产业开发机构”，专门资助ITS研究成果的开发应用及产业化。
（2）UTMS-JAPAN
1993年配合UTMS的提出，成立UTMS-JAPAN（UniversalTrafficManagementSocietyofJapan）“日本通用交通管理系统研究促进协会”。
（3）VERTIS
1994年开始，效仿美国、欧洲，四省一厅联合组织成立全国统一的研究开发ITS的组织机构——VERTIS（Vehicle,RoadandTrafficIntelligenceSociety），即“车辆、道路和交通智能化协会”。
4.ITS的效益分析
（1）交通效益
日本对ITS的效益估计见表2-1。
表2-1日本ITS交通效益估计
10年后
20年后
30年后
减少交通事故
0.85
0.70
0.50
降低堵车发生率
0.50
0.20
0
节省燃料
0.90
0.80
0.78
降低废气污染
0.90
0.85
0.80
（2）ITS的收益投资比
日本ITS的收益投资见下表2-2。
表2-2日本ITS收益投资估计
投资（兆日元）
收益（兆日元）
收益/投资
第一阶段1995-2000年
1.0
1.2
1.2
第二阶段2001-2005年
3.2
4.4
1.375
第三阶段2006-2015年
3.6
9.6
2.667
此外，日本还对VICS的投资效益进行了预算：
在20年间，必要的事业投资为1.2兆日元，收益可达7.7兆日元，相当于投资的6倍之多。
第四节ITS在欧洲
欧洲80年代初期，德、英、法等国纷纷先后各自研究自己的系统：
德国的LISB，英国的AUTOGUIDE，瑞典的ARISE，法国的MARATHONATLAS等。
欧共体经济合作与发展组织（OECD）对此做了调查，并对各国的研究成果作了评价。
1988年发表了题为《路线导行与车内通讯系统》的调研报告，认为：
应用现代信息与通讯技术等高科技的路线导行系统，将会使道路交通发生显著的变化。
基于这样的认识，OECD将努力促进这一领域的研究开发。
1.DRIVE计划
DRIVE（DedicatedRoadInfrastructureforVehicleSafetyinEurope）计划是欧共体由政府组织的一项研发计划，1987年欧共体运输部长联席会议开始筹划，1988年开始执行。
组织12个国家的高校、研究中心、企业等各方面，累计有70多家单位参加合作研究。
其目标是：
降低道路交通事故，加强道路交通安全，提高原有设施的运行效率，降低交通对环境的污染等。
（1）DRIVE-I──计划的起始阶段：
从1988年至1991年。
研究内容集中于基础研究与标准研究，分成四个方面：
总体问题和建模，出行者行为分析和交通安全，交通控制与服务，以及通信与数据库。
第一阶段DRIVE-I计划已于1991年告一段落，取得的成果包括：
移动无线通信的动态路线导行系统、交通事故自动检测系统、数字地图、交通控制与管理知识库系统、交通控制新策略新算法、交通控制与路线导行综合系统、全欧出行规划系统等。
（2）DRIVE-II
DRIVE-II的基本目标是：
a.使DRIVE-I研究成果付诸实用；b.建立通用系统规范。
（3）从DRIVE-II到TELEMATICS
DRIVE计划第三阶段DRIVE-III，或称交通运输信息通讯技术是一项环绕道路交通运输、航空运输、铁路和水路运输、多方式联合运输的综合性研究计划。
2.PROMETHEUS计划
1986年14家欧洲汽车制造商联合提出PROMETHEUS计划（ProgramforEuropeTrafficwithHighestEfficiencyandUnprecedentedSafety），将其作为欧洲EUREKA联合开发项目的一个组成部分，其目的是探清研究的必要性，确定研究方向和内容，并拟订研究计划。
（1）开发目标、项目
PROMETHEUS环绕五个开发目标：
◆安全：
研究预防交通事故系统；
◆经济：
降低油耗；
◆高效：
提高道路通行能力；
◆方便：
减轻司机驾驶负担；
◆环境保护：
降低交通对环境的污染。
研究与开发项目分为两大类：
第一类是基础研究，由高校、研究院承担，共70个研究机构参加。
第二类是应用研究，由汽车制造商承担，共有103家厂商参加。
（2）研究成果
PROMETHEUS规定的研究开发和现场测试项目的研究成果分成9类。
这些成果已于1994年10月在巴黎举行的94’智能车辆学术会上展示。
（3）从PROMETHEUS到PROMOTE
上述展示标志PROMETHEUS结束，随之PROMOTE（ProgramforMobilityinTransportationinEurope）计划开展了。
PROMOTE从1995年开始，计划4年完成。
PROMOTE围环绕各种不同的交通方式研究其智能化措施。
PROMETE并非PROMETHEUS的简单继续，两者区别如下：
研究内容从车辆技术移向交通管理系统与安全系统；参与者不仅是汽车制造商，也包括电子公司和道路管理者。
3.研究TELEMATICS的组织机构
欧盟随美国ITS-America的成立，于1992年筹组成立与ITS-America相当的RETICO（EuropeanRoadTransportTELEMATICSImplementationOrganization）机构，统一协调TELEMATICS的研究。
第五节ITS在中国
20世纪90年代初，我国的相关学者已经意识到研究和开发ITS的重要性。
在20世纪90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS的研究，随后，又得到中央部门和部分地方政府的支持，例如：
国家科技部、交通部、铁道部、信息产业部、国家技术监督局等，以及北京、上海、深圳、广州、济南、青岛、杭州、厦门、中山等。
1999年，我国成立了全国智能交通系统（ITS）协调指导小组及办公室，同年，又成立了全国智能交通运输系统（ITS）专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。
第六节ITS子系统概貌
总结美国、日本、欧盟研发ITS的进程，可以得出如表2-3所示的美、日、欧研发ITS的计划中其分系统名称及变迁表。
应该指出，我国在“九五攻关”项目中，在借鉴美国、欧盟、日本的ITS子系统建立经验的基础上，也确立了中国的ITS子系统。
表2-3美国、日本、欧洲研发ITS计划中子系统名称及变迁对照
美国
日本
欧盟
IVHS
ITS
UTMS
ITS
DRIVEⅡ
TELEMATICS
先进交通管理系统（ATMS）
集成交通控制系统（ITCS），
动态路径导行系统（DRGS）
交通管理最适化（OTM），
道路管理效率化（ERM）
导行系统高度化（ANS）
城市交通综合管理
交通管理与控制
先进出行者信息系统（ATIS）
先进车辆信息系统（AMIS）
交通旅行情报
交通与旅行情报
先进车辆控制系统（AVCS）
车辆运行控制系统（MOCS）
安全运行支援（ASD）
司机援助与协作驾驶
车辆控制
商车运行管理系统（CVOS）
商用车高效化（ECVO）
货运交通及其车队管理
先进公交运行系统（APTS）
公交有线系统（PTPS）
公共交通支援（SPT）
公共交通管理
先进市际交通系统（ARTS）
城际交通综合管理
环境保护管理系统（EPMS）
电子收费系统（ETCS）
步行者支援（SP）
紧急车辆运行支援（SEVO）
交通需求管理
自动道路系统（AHS）
思考题
1．世界各国为何要投入巨大人力、财力致力于ITS的研究和开发？
2．ITS在我国有无研究应用的必要性？
试以上海市为例，加以说明。
第三章ITS体系结构
智能交通系统是一种复杂的巨系统，如何来描述系统各构件之间的相互关系及系统各部分的功能与整体功能，就要用到“体系结构”这一概念。
本章介绍ITS体系结构的基本概念、体系结构的构建方法、以及应用实例。
第一节什么是ITS体系结构
系统的概念来源于自然实践。
辞海对系统的解释是：
所谓“系统”，是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。
在交通系统中，人、车、路以及货物这四个组成部分构成了道路交通系统，该系统的目的是实现人或物的有效移动。
如果人（货物）、车、路构成的道路交通系统，再配上具有智能的交通信息中心、交通管理中心、交通控制中心等以及智能化的车载设施和道路交通基础设施，如各类检测设施、信息发布设施即信息传输设施，就构成了智能交通运输系统。
然而，怎样来描述这一抽象概念的系统呢？
像居住房屋一样，房屋由基础、梁、柱、屋面等各构件用一定的搭接方式建成，具有供人们居住生活的功能。
房屋的各构件相互搭接的关系及房屋各部分的功能和整体功能可用房屋的建筑图和结构图来描绘。
同样，ITS各构件的相互关系及各部分的功能和整体功能，也可用系统体系结构来描述。
因此，ITS的体系结构是指系统所包含的子系统、各个子系统之间的相互关系和集成方式、以及各个子系统为实现用户服务功能、满足用户需求所应具备的功能。
根据定义，ITS体系结构决定了系统如何构成，确定了功能模块以及模块之间的通信协议和接口，它的设计必须包含实现用户服务功能的全部子系统的设计。
ITS体系结构具有下列重要意义：
◆ITS本身比较复杂，涉及面广，需要有一个指导性的框架，来帮助我们理解这个系统的结构；
◆ITS是一个庞大的系统，包含有很多子系统，它的实施需要通过这些子系统来实现，ITS体系结构为ITS的各个部分提供了统一的接口标准，从而使各个部分便于协调，集成为一个整体；
◆避免少缺和重复，使ITS成为一个高效、完整的系统，并具有良好的扩展性；
◆根据国家总体ITS框架，发展地区性的体系结构，保证不同地区智能交通系统具有兼容性。
第二节ITS体系结构的构建方法
1.ITS体系结构构建方法比较
世界各国开发ITS体系结构采用的方法主要有两种，一种称为结构化方法（StructuredMethod），一种称为面向对象的方法（ObjectOrientedMethod）。
结构化方法，以功能的抽象与分解为主要手段，按功能之间的联结关系组织数据。
结构化方法简单易行，流行已久，能被大多数工程师理解和接受，便于交流，但用结构化方法开发的系统修改或扩展比较困难。
面向对象的方法，首先确定对象或实体及其与其他对象之间的关系，然后确定每个对象执行的功能，围绕数据对象或实体组织功能，形成单一的相互关联的视图。
用面向对象方法开发的系统易于扩展和修改，但该方法操作起来比较复杂，而且可读性不强，不利于交流和讨论。
国家ITS体系结构作为一种指导全国ITS设计的框架，必须得到全国工程师和投资者的广泛认同才能真正发挥作用。
因此，国家ITS体系结构必须具有较强的可读性，以便让更多的人能理解之，进而讨论之。
此外，如果用面向对象的方法来开发ITS逻辑结构，在确定“对象”集时将遇到很大的麻烦，因为ITS是一个复杂的大系统，可能的“对象”太多，“对象”的抽象程度也很难一致。
美国“国家ITS体系结构开发小组”就是选用结构化方法构建了其《国家ITS体系结构》。
我国“九五”国家科技攻关项目“中国智能交通系统体系框架研究”，也采用了结构化方法。
2.结构化方法简介
结构化方法构建ITS体系结构，其主要流程如图3.1所示。
图3.1结构化方法构建体系结构流程简图
（1）界定用户
构建ITS体系结构首先要界定系统的用户。
ITS作为信息技术（IT）系统的一个分支，可用IT系统界定用户的方法来界定其用户。
信息系统的用户是指影响系统或受系统影响的人和机构，可以从四个方面识别信息技术系统的用户，即：
需要IT者、制造IT者、使用IT者和管理IT者。
（2）用户服务
所谓用户服务是按用户的要求，系统应能为用户服务的事项。
ITS用户服务就是ITS能提供的服务与产品；提出了ITS用户服务项目，也就是提出了ITS开发的范围。
（3）用户服务要求
为了实现每项用户服务，需要ITS能完成一系列功能。
为了反映这一点，须将每项用户服务分解成更为详细的功能说明——即用户服务要求；换句话说，用户服务要求是系统为提供用户服务而应该具备的一些功能。
（4）需求模型
需求模型描述系统应该做什么，是系统功能要求的模型化。
需求模型主要任务是定义系统的信息处理行为和控制行为。
在构架模型开发阶段主要考虑系统的功能要求。
需求模型由“需求总图”、一系列分层次的“数据流图”与“控制流图”及其相应的“过程定义”、“控制说明”与“数据字典”组成。
需求总图定义系统的边界，即确定哪些元素属于系统内部，哪些元素位于系统外部。
数据流图和过程定义描述系统执行的功能。
控制流图和控制说明描述系统执行这些功能的条件或环境。
实时性要求（TimeSpecification）对系统在“输入终端”接受事件（Event）刺激后，在“输出终端”作出反应的时间进行限定。
数据字典对在数据流图、控制流图中出现的数据流、控制流、存储器和终端进行描述和定义。
需求模型在美国《国家ITS体系结构》中被叫做“逻辑结构”，其中的控制流图被加入数据流图。
（5）构架模型
构架模型描述系统设计应如何组织，是系统设计的模型化。
构架模型的主要任务是：
①确定组成系统的物理实体；②定义物理实体之间的信息流动；③说明信息流动的通道。
在构架模型开发阶段不仅要考虑功能要求，而且要考虑性能要求、可靠性要求、安全保密要求以及开发费用、开发周期、可用资源甚至市场条件等方面的问题。
构架模型由“构架总图”、“信息流图”、“模块说明”、“信息通道图”、“信息通道定义”和“信息字典”组成。
构架总图建立系统与其运行环境之间的信息边界，是系统的最高级视图，构架总图一般与系统总图一致。
信息流图和构架模块说明描述组成系统的物理模块以及模块之间的信息流动。
信息通道图和信息通道定义描述模块间信息流动的渠道。
信息字典注释信息通道中所有的数据以及数据字典中未出现的其他信息。
构架模型在美国《国家ITS体系结构》中被叫做“物理结构”。
构架模型完成后，经确认所有的用户服务都被体系结构构架中各子系统所
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