智能交通系统的发展与物联网.docx
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智能交通系统的发展与物联网
智能交通系统的发展与物联网
智能交通系统（即ITS）正式作为一个专用名词出现是在1994年，它是通信、信息和控制技术在交通系统中集成应用的产物。
但是应用这些技术提高交通运输效率、改善安全、减少环境污染的工作则从20世纪70年代就逐渐开展了，只不过大家并没有统一叫法，各发达国家最开始都是以不同项目名称作为交流的名词，如欧洲的Prometheus、Drive和Telematics，日本的PACS、VICS、ASV和UTMS等，美国的ERGS、Mobility2000和IVHS等。
进入21世纪，ITS逐渐在发达国家投入规模应用，也产生了良好的社会效益和经济效益，但是各国对ITS的开发并没有停止，各国的政府和企业紧紧抓住通信和信息技术的进步，根据ITS应用的实际效果，不断调整开发和应用的目标、调整系统结构、调整应用重点，并取得了长足进步。
例如，围绕交通安全的车车通信接近实用，车路通信已开始实用；以宽带移动通信为依托的下一代交通信息服务系统开始崭露头角；车路合作系统在改善交通安全和减少排放方面的效果明显。
这些重要的进展恰恰也是近来国内热门的物联网所期望实现的，因此认真分析国内外ITS的实际状况，了解中国新一代ITS的发展规划，研究国内ITS和物联网的具体发展方法，对政府决策部门、企业和研究机构十分重要。
一智能交通系统体系框架的回顾
智能交通系统（ITS）在发达国家最先从道路交通开始，现在也仍然是以道路交通为主，这主要是因为道路交通的组织化程度最低，而接入性最高。
这种组织化程度低，接入性高的特点恰恰是智能交通系统发挥作用最大的关键点。
与之对比的例子是铁路，其组织化程度最高，而接入性较低，它必须通过道路交通或地铁与铁路车站相衔接。
对于智能交通系统来说，通信、信息和控制技术是ITS的主要技术手段，而这些技术又是不断发展的，但是交通基础设施和服务却是缓慢变化的，因此就要求设计者必须考虑系统和服务功能的稳定性及其对新技术的适应性和包容性。
这一目标是通过智能交通系统的体系框架设计实现的，20世纪90年代中期，美国、日本和欧洲分别启动了ITS体系框架开发计划，我国也在“九五”国家科技攻关计划中安排了ITS体系框架研究，并于2000年正式发布。
ITS体系框架是开发ITS的过程中共同遵守的规范和标准，它决定系统构成，确定功能模块以及允许模块间进行通信和协同的协议和接口。
它对大系统划分了清晰的层次和子系统，但对各子系统内具体使用的技术和方法不作明确的规定，在保证目标的唯一性和稳定性的前提下，对各个子系统内部的具体开发给予充分的空间，但对其功能的要求是明确的。
体系框架包括逻辑框架、物理框架和标准化要求，具体地说：
逻辑框架就是将运输系统中各服务系统及其子系统抽象成服务功能和子功能，我们称之为框架，每一个框架（功能或子功能）由概念、服务对象、服务者、事件和处理表述，同时该功能下还需要有一定类型的数据，表示该框架（功能或子功能）在测度空间上的值或另一个框架的名字。
在智能运输系统体系框架研究中，为便于用计算机进行处理，我们用分层的数据流图、数据词典和处理说明等来描述框架。
图1是美国ITS体系框架中简化了的最顶层逻辑框架图[1]。
图1简化的顶层逻辑框架
物理框架是ITS的物理视图，它是关于系统应该如何提供用户所要求的功能的物理性表述。
物理框架把逻辑框架所认定的“处理”通过映射分配到物理实体（在ITS中称为“子系统”）上，根据各物理实体所含的“处理”之间的数据流以确定实体之间的“体系结构流”。
体系结构流及其对通信的要求将决定物理实体之间的接口，是制定有关标准和协议的基础。
物理框架与交通和运输管理的体制有关，开发ITS的物理框架将确定不同的交通运输管理组织之间期望的通信联系和相互作用。
物理框架分两个层次进行描述：
运输层次和通信层次。
运输层次体现运输管理组件形成的一种组织和运作关系；通信层次为运输层次各组件的连接提供通信服务。
图2是美国ITS体系框架的19个子系统（矩形框）和子系统之间交换信息的4种基本通信连接方式（椭圆形框），是ITS物理框架的顶层视图[2]。
这些子系统对应于运输管理系统的物理组件，被分成四类：
中心子系统、路侧子系统、车辆子系统和出行者子系统。
根据逻辑框架确定物理框架的过程就是由图2出发，向下逐层落实更细节的物理框架的过程。
逻辑框架的确定情况，将直接决定物理框架中各子系统的细节和子系统间信息交换的细节。
图2简化ITS物理框架的顶层
通过以上对ITS体系框架的介绍，我们可以看出ITS在开发之初就充分考虑了通信和信息技术的迅速变化带来的影响，在逻辑框架和物理框架中特别强调服务功能的逻辑关系和稳定性，在物理框架中强调了数据规范和接口的要求，而不指定具体的通信和信息技术，这就为ITS近20年的发展带来了巨大的空间和活力，像近年来发展迅速的3G和4G移动通信技术、传感器网络技术、数据管理技术、下一代互联网技术和云计算技术都被ITS开发者吸收并应用到具体的服务中。
因此未来一段时间ITS的发展将充分应用当前最活跃的无线互联网、宽带移动通信、传感器和传感器网络、云计算等技术，开发新一代ITS。
对于当前国内正在兴起的物联网相关技术，其主要内容也是传感器网络、通信和信息处理技术，因此在智能交通系统体系框架下将其应用到各个服务中是比较容易的，相互衔接也是必然的，关键是在ITS体系框架下规划好新的服务和指标，同时设计好相关的数据接口和数据规范。
二通过智能交通系统应用案例分析看物联网
智能交通系统在近20年的发展中，已经有了不少成功的应用，如日本的车载导航和不停车收费、美国的“511”服务、欧洲的智能化公共交通服务和综合交通信息服务等，同时各国（地区）在已有的应用基础上充分应用新技术，在数据获取、车路数据交互、依托道路形成无线接入网等方面形成了新的应用，下面就通过两个例子进行初步的介绍。
（一）车载导航和不停车收费与智能车路合作系统
国际上车载导航系统应用规模最大和最好的是日本，1996年在东京地区开始试点服务，现在的用户已经有4900万户。
这其中最大的一个系统就是有名的VICS，2003年VICS实现了覆盖日本全国的服务，现在它的用户已经超过3200万[3]。
VICS最大的特点是有动态的交通信息服务，而且在灾害发生时，可自动接收紧急信息。
国际上最大规模的、统一标准的不停车收费系统（ETC）也是在日本，日本在研制ETC和制定标准时就考虑了未来5.8G赫兹无线接入系统的应用，20世纪90年代中期开始研制，2000年开始在高速公路上部署，2001年起开始应用。
截至2012年2月底ETC用户已达到4700多万，全国平均利用率达到87%[4]。
但是日本政府和产业界并未止步，他们在以上两个系统应用初步形成规模时就开始考虑进一步改善交通运行和交通安全的应用，其着力点是交通信息的全面采集以及超高速无线局域网的应用。
日本国土交通省2004年提出开发名为Smartway的系统，该系统以ETC系统的5.8G赫兹通信平台为基础，集成VICS和ETC以及已基本开发成型的安全驾驶系统（ASV），被日本称为“下一代智能交通系统”。
与此同时，依托Smartway建设智能交通通用信息平台，提供道路信息、电子收费、安全驾驶、公众出行支持等九个方面的智能交通服务。
为此2005年初组织了政府、企业共同参加的联合体，参加的企业包括丰田、日产、NEC、三菱、日立、富士通、JRC、松下等大企业。
在Smartway开发和试验取得突破性进展的基础上，丰田公司前会长丰田章一郎于2009年初代表日本产业界向政府提出建议：
为应对金融危机和带动产业发展，在ETC和VICS普及应用的基础上，政府应该投资建设延高速公路的ITS信息交互设施，产业界则按照统一的标准生产集成化的车载设备，开辟下一代ITS的新应用。
日本国会于2009年6月通过了相关议案，决定政府投资250亿日元建设延高速公路的ITS信息交互设施。
到2011年3月，日本在全国高速公路网上建设完成了覆盖全部路网的ITS信息交互设施（ITSSpots），产业界推出了新车载机，可提供ETC、导航和道路安全信息三项服务，预计5年内将发展1000万用户，日本的ITS将迈上新台阶[5]。
（二）车车通信已接近实用
车车通信对于ITS来说是一项研究历史很长的技术，在美国20世纪中期进行开发的智能车路系统（IVHS）中就是很重要的内容，美国国会1992年的《综合地面运输效率法案》（即ISTEA）要求政府应在2007年前实现一个以车路交互和车车通信为基础的智能公路试验段，相应地要开发具有自动驾驶、车道保持和车间距离保持的智能型车辆，在这样的试验段上全面检验智能化道路和智能化车辆的性能和可用性[6]。
美国政府组织企业（包括欧洲和日本企业）、大学和政府的研究机构共同参加，于2007年在美国加州圣迭哥的高速公路上建成了一条10公里的试验路，并成功组织了验证试验，这其中就包括单个车和车队的自动行驶、智能车道变换、障碍物智能避让以及复杂状况的自动驾驶等。
在这些验证试验中就大量使用了车车通信和车路信息交互。
类似的，日本建设省（即现在的国土交通省）2000年在筑波试验场进行了名为DEMO2000的演示试验，包括自动驾驶、车路合作以及基于车车通信的交叉口的安全系统等。
2007年的试验成功后，美国和国际智能交通界认为自动驾驶在未来的应用中存在一系列法律和产业的问题，因此决定将研发的重点转向以提高交通安全性为主，兼顾交通信息服务的智能车辆系统，典型项目如美国政府1998年开始组织实施的智能车辆行动计划（IntelligentVehicleInitiative，IVI）。
其主要的内容是以预防交通事故（特别是碰撞事故）及其引起的人员伤亡为目标，开发车载智能化装置，防止驾驶员分神；研发和应用碰撞防止系统，提高安全性。
日本和欧洲也有类似的项目在进行。
通过一段时间的研究和开发，美国认识到仅有车辆的智能化是不够的，道路交通是一个人、车、路相互作用的系统，因此在2003年美国运输部（DOT）提出了车路集成系统（VehicleInfarstructureIntegration，VII）概念，2004年开始由美国联邦公路局、AASHTO、各州运输部、汽车工业联盟、ITSAmerica等联合开始研制，该项目计划以道路设施为基础，通过信息与通信技术实现汽车与道路设施的集成，提高道路交通安全和效率。
该项目的重要成果选择在2008年举办的智能交通系统世界大会上进行集中展示，展示地点在纽约市的第11大街上，美国运输部、纽约市交通局、主要发达国家的汽车厂商共同参加了展示。
展示结果表明，依靠通信和传感器技术可以实现以提高安全为主要目的的车路集成系统，车载的通信和控制系统已经接近实用，但是还需要进一步的评估和完善。
在VII研究试验即将结束时，美国政府和产业界对其进行了评估，并于2009年提出了名为IntelliDrive的“美国ITS战略计划2010～2014”。
该计划的主要内容是在VII的基础上，进一步开发实用的、以安全为主要目的的车车通信（V2V）、车路通信，以及实时数据获取和管理、动态的机动性和道路气象管理等系统。
美国政府还在2011年以招标的方式选择在密歇根州的AnnArbor进行2800多辆车规模的车路和车车合作系统示范项目，检验对交通安全和机动性的改善，其结果将直接用于2013年美国联邦公路交通安全局相关决策和法规的制定[7]。
类似的开发和试验在日本和欧洲也在进行，除了前面已经介绍的日本Smartway项目外，欧洲在多年研究的基础上，从2008年开始就组织车辆合作系统（CooperativeSystem）的路上测试，2008年以系统结构、框架和方法为主，2009年以车载通信信息系统运行测试为主，2010～2011年以合作系统中的通信信息技术测试为主，后两期的测试安排了国际主要汽车厂商1000辆各种各样的车辆。
从以上的发展状况和主要发达国家都在进行的路上测试来看，车车通信经过多年的发展已经接近实用，再配合上车载传感器和计算机，智能化的车辆行驶和车队行驶已经到了产业化和进入市场的准备阶段，特别是美国还计划在2013年制定相应的法规，更说明规模应用即将到来。
至于车路通信和与其有关的应用系统，日本已经有了成功的应用，已经实现全路网覆盖和产业化。
（三）以上发展状况对我国发展物联网的启示
通过以上介绍和分析，可以看出国际智能交通界在充分应用通信和信息技术上已经做了大量的工作，而且取得了长足的进展。
而我国近两年提出的物联网依靠的核心技术也是通信、计算机和传感器（网），作为通用技术，通信、计算机和传感器已经被国民经济各个行业广泛应用，前面的例子也说明了这一点。
问题是物联网不能仅仅局限于概念，它必须在各个应用领域找到落脚点，而这些领域开发和应用已经走得很远了，我们应该在现有的基础上有更新的技术概念、更新的应用、更新的产品。
我们可以看到物联网在道路交通和汽车领域面临很多困难：
第一，国际智能交通界、汽车界和通信界已经投入过大量经费和人力，已经形成了完整的技术体系，而且已经接近产业化，我国物联网开发如何能够介入？
第二，汽车产业的体系化和路径依赖极强，主要发达国家汽车厂商的高档车电子装备的成本已经占到总成本的40%以上，不在其体系内的设备很难进入。
第三，仅考虑汽车还不够，国际智能交通界无一例外地都有政府的交通部门参加，物联网在交通领域的应用如何适应以管理交通基础设施和运输为主的交通部门？
第四，欧、美、日等发达国家在车车通信和车路通信领域的标准化方面已经结成联盟，给我们留下的空间有限。
所以，我国在物联网的应用中，不能仅从概念出发，更不能对国际智能交通发展视而不见，将发达国家产业界和大学已经做过的工作再重复做一遍，更不能不了解国际产业界已经进行了标准化这一事实，在人家已经占据了知识产权和标准的领域谈什么占领制高点。
三中国新一代ITS的发展与物联网
智能交通系统已经发展了近20年，社会和经济发生了深刻的变化，通信和信息技术也发生了巨大变化，因此对未来智能交通系统的发展以及如何进一步应用新技术也应该进行探讨。
（一）国际智能交通系统动向
纵观近3年国际智能交通系统的发展状况，有以下几个突出的特点。
第一，安全、绿色、便捷成为ITS的主题，安全成为优先项。
原来智能交通系统最关注的领域是城市交通拥堵的治理，但是近几年关注度下降很多，这并不是交通拥堵在世界各国得到了缓解，而是通过多年的应用和评估发现多数情况下智能交通系统对交通拥堵的缓解是有限的，当然更谈不上解决了。
其主要的原因是城市交通受城市规划和道路的硬约束，这个约束弹性不大而且变化极慢，而交通需求的弹性大且增长快，信息技术对硬约束基本无作用，所以ITS对交通拥堵的改善是有限的。
但是为安全而开发的车路合作系统和信息服务系统却效果明显，评估指标较突出，而且能够带动新的产业和提升汽车卖点，因此国际智能交通界对安全（含车路合作与服务）仍然保持了很高的关注度。
而节能减排是当前世界性的话题，ITS原本就有节能减排的内容，因此近几年与其相关的项目和建设大量增加。
因此我们可以预测未来国际智能交通系统应用目标的顺序是安全、减排和提高机动性。
第二，车车和车路通信技术开始进入实用阶段。
这一趋势在本报告的第二部分已经有详细的分析，这里就不再重复。
值得注意的是传感器网在汽车中已经实现，如果车车和车路通信很快实用化，就能实现汽车和交通在下一代互联网上的管理与服务，因此发达国家加快了IPV6的部署，以应对未来的应用。
第三，智能交通开始应用下一代互联网和移动通信。
国际智能交通界对新一代宽带移动通信、下一代互联网、泛在网络、智能终端在交通中的应用给予了极大的关注，国际信息业巨头IBM、爱立信、松下、三星等纷纷围绕交通开展工作，因此近年国际智能交通界提出了“实现无处不在的智能交通战略”，即ITS的服务要实现“泛在、透明、信用”。
具体说就是ITS要实现无缝连接的运输服务，出行者可以在任意地点、任意时间、任何设备上得到准确信息，这方面发达国家已经开始部署。
第四，通信和信息产业界与交通运营商及汽车制造商开始合作，双方在向相互适应的方向发展，例如欧洲在4G和LTE的标准制定中开始考虑基于非交换的、具有低时延性能的应用子项，以适应交通安全应用的需求。
（二）我国智能交通与物联网的若干讨论
我国智能交通系统经过10多年的发展，进行了较多的技术开发和试验，也有了一定的应用。
当前我国仍处在高速发展期，遇到的交通问题远比发达国家复杂，我们需要在继续进行基础设施建设的基础上，充分利用新技术提高交通的效率和安全性。
但是要认真分析我国的情况，避免盲目跟随和模仿，根据国家经济水平和社会需求，探索自主发展的道路。
首先，我们必须清醒地看到虽然我国的GDP总量已经是世界第二，但人均GDP仅接近5000美元，就是在发达大城市，如北京和上海，人均GDP也只有1.2万美元。
而发达国家提出智能交通系统时的人均GDP都在2万～3万美元，日本更是达到了人均4万美元。
我们的人口和资源条件，不允许我们发展以小汽车为主的交通模式。
因此中国智能交通的注意力应该从关注小汽车转向城市的公共交通，以及对提高出行可靠性和安全性有效果的领域。
其次，物联网是中国要发展的领域，中央政府、地方政府、学术界最为关注，企业次之，现在大家逐渐清楚了物联网必须在具体应用上找到落脚点，而且必须提供原来系统没有和不完善的功能，否则应用行业就不会感兴趣，也不会投资。
至于用物联网的口号来吸引眼球和投资，如果后面没有应用，则是不可持续的。
具体到智能交通领域，目前国内最热的是RFID的应用和车联网，RFID在交通领域的应用已经很多，如港口管理、仓储管理、公交优先系统等，但是目前市场上大量的RFID产品是国外廉价和简单芯片的封装制品，技术性能满足不了应用，集成商根本不把实情告诉用户而且违规使用，典型的是在433M赫兹和915M赫兹频段完全不顾国家无线电管理规定，将发射功率提高到规定值的3～10倍，甚至更高，以满足工作距离的要求。
而在车联网方面，这个词确实是中国人首创的，但在国际上找不到对应的词，于是将国际上能沾上边的作为目标跟踪，如VICS、Telematics、CooperativeSystem等，VICS和CooperativeSystem前面已经谈过，人家的路已经走得很远了，而Telematics也不是新东西，欧盟委员会和中国科技部在1997年举办的智能交通会议的英文名称就是ConferenceonITSandTransportTelematicsApplications，笔者参与了会议准备，知道会议英文名称的制定过程，但是欧洲认为ITS是美国人的叫法，在欧洲对应的是TransportTelematics，而中国人觉得叫ITS好，最后中欧双方妥协的结果就是上面的名称。
因此仅从名称上来说，我们现在的车联网就没有什么新意，况且国际上已经接近产业化，所以我们如果不真正地创新，车联网将会是昙花一现。
在这样的背景和条件下，中国的智能交通系统将从以技术跟踪和小规模试验应用为主的阶段转变到技术、应用和资本共同牵引发展的阶段；在城市应该从以为小汽车服务为主转变为以为乘公交、骑自行车和步行的人服务为主；同时智能交通系统还要重点关注新一代信息技术提供的条件和环境，为我国自主知识产权的技术和装备提供应用环境和市场。
再次，物联网相关技术对交通领域的贡献可能是数据采集更加详细和完整，以及无线数据交换的能力大大提高，因此物联网相关技术在交通领域的应用需要从整个交通运输过程中找到新的突破口。
而智能交通系统本身就集成应用通信、计算机和传感器技术，而且已经走得很远了，因此物联网将ITS已经有的应用当作重点可能效果不会很好。
四结语
作为现代交通技术代表之一的智能交通系统，是建设现代交通运输业的重要支撑，也是我国战略性新兴产业的重要组成部分。
我们要看到国际发展的前沿，也要看到发达国家相关部署对我们未来的影响。
在新的历史起点和新的发展台阶上，智能交通系统须主动适应环境变化以及交通运输发展重点和方式的变化，充分考虑我国的经济发展水平、实际需求、政策和管理环境、新一代信息技术给我们提供的装备与能力，努力实现中国智能交通系统的自主发展、创新发展和跨越发展。
-全文完-
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