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海上智能交通PPT压缩版
第一章绪论
1.1智能交通系统（ITS）的定义
1.2智能交通系统的研究与开发现状
1.3智能交通系统发展的理论基础
主要内容:
ITS的概念和特征;ITS研究和开发的理论基础;我国及美国、日本等国家ITS的发展状况
智能交通系统（ITS）
⏹综合运用先进的信息技术、自动控制技术、计算机网络技术、通信导航定位技术,建立智能化、安全高效环保的交通体系.
1.智能交通特征：
1）通过知识工程进行科学、技术和方法论的综合，解决知识的获取、形式化和计算机实现。
2）其功能至少应具有判断能力、推理能力和学习能力（智能特征：
具有记忆与思维能力，感知能力，自适应能力，表达和决策能力，学习能力）。
3）结构上应有机器感知、机器学习、机器识别和知识库、模型库等部分组成。
⏹综合运用先进的信息技术、自动控制技术、计算机网络技术、通信导航定位技术,建立智能化、安全高效环保的交通体系.
⏹智能交通是以交通需求为导向，以信息技术为手段，通过全面提升交通安全、效率和服务品质为目的，充分利用交通的、空间的、时间的和移动的资源，形成的新交通系统。
⏹智能运输系统的出发点是充分利用现有交通基础设施资源和信息基础设施资源，提高交通基础设施的应用效率和交通运输的效率。
⏹交通以及交通运输管理与控制系统的不断变化和进步，反映了人类社会和经济的进步，也反映了人类认识世界的不断深化和运用工具（包括硬件、软件和数学工具）的改进。
运输系统发展到智能运输系统，除原有运输科学中应用的技术外，大量应用的技术学科有：
通信、控制、信息科学，所以是这样定义智能运输系统的：
在较完善的基础设施（包括道路、港口、机场和通信等）之上，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感器技术和系统综合技术有效地集成，并应用于运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的，实时、准确、高效的运输系统。
2.智能交通系统的技术特点：
技术的集成性；技术的系统性；技术的先进性；技术综合性。
⏹智能交通系统各种技术的相互关系：
数据采集、数据处理、信息发布和信息利用。
⏹ITS技术的基础的三大核心要素：
信息、通信和集成。
⏹信息的采集、处理、融合和服务是ITS的核心。
3.智能化交通运输系统（ITS）定义，是在较完善的交通基础设施的条件下，将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术和系统综合技术有效的集成并应用于整个运输系统，以解决交通安全性、运输效率、能源和环境问题，从而建立起大范围内发挥作用、适时、准确、高效的综合运输和管理系统。
⏹ITS强调的是运输设备的系统性、信息交流的交互性、以及服务的广泛性。
⏹目前，世界各国仍主要集中力量研究城市交通和高速公路ITS，对于区域交通和综合运输涉及尚较少，仅欧盟和美国有少量研究。
⏹ITS总的发展趋势：
⏹从以利用信息技术来缓解交通到开发以安全为目的的车辆控制系统，然后朝着自动驾驶系统的开发和应用。
（技术角度）
⏹从单一的道路运输ITS向综合运输ITS发展。
（运输模式）
⏹智能交通运输系统ITS将产生的效果主要体现在以下几个方面：
--提高公路交通的安全性。
采用ITS，在20年内可降低8%的交通灾难，每年交通事故的死亡人数可减少30%~70%。
减少交通拥挤和阻塞，从而提高公路交通的机动性。
⏹--降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响。
--提高公路网络的通行能力。
据估计，ITS可使现有高速公路的通行能力至少增长一倍。
--提高汽车运输生产率和经济效益，并对社会经济发展的各方面都将产生积极的影响。
--通过系统的研究、开发和普及，创造出新的市场。
⏹智能交通系统的社会效益和经济效益：
⏹减少交通拥挤和行车延误；
⏹减少交通事故的发生率、死亡率；
⏹产业发展与就业机会的增加；
⏹能源消化量减少。
⏹根本目标：
充分利用信息技术为基础的现代技术，使各种交通方式有效衔接、融合一体，从而实现客、货的连续、高效移动。
⏹控制科学发展的方向（从下到上-控制对象复杂性增加）
⏹智能控制
⏹自学习控制，自组织控制
⏹自适应控制，鲁棒控制
⏹随机控制
⏹最优控制
⏹确定性反馈控制
⏹开环控制
⏹智能交通系统层次的建立
⏹（高）高级智能交通系统（数学模型＋知识模型）
⏹人工智能
⏹模型化智能交通系统（数学模型）
⏹系统辩识、模式识别
⏹初级智能交通系统
⏹计算机、信息技术、新数学方法应用
⏹地理信息处理、高速通信技术
⏹（低）以监控为主体的交通工程系统
⏹交通工程基本设施、传感器、电子设备、数据采集、监控软件
第二章智能交通系统的体系结构
⏹2.1系统体系结构定义
⏹2.2智能交通系统体系结构的构成
⏹2.3智能交通系统体系结构开发的方法
⏹主要内容:
ITS体系结构要求;系统体系的内容（整体框架、信息体系、功能体系、数据通信体系和物理体系）;系统体系开发方法.
2.1系统体系结构定义
⏹ITS体系结构是一份规格说明，它是一个有用的和可用的系统的稳定基础.
⏹功能：
为地区和国家制定ITS发展规划提供基本原则；保证终端用户的信息的兼容性和一致性；保证不同交通基础设施的兼容性；为服务和设备制造提供一个开放的市场。
智能运输系统体系框架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。
通过集成若干ITS子系统的功能可以实现一个或多个用户服务功能。
体系框架既不是一个简单的设计文档，也不是一个技术性的说明，更不是智能运输系统本身的研究发展过程，而是一个贯穿于智能运输系统结构研究制定过程的指导性框架，它提供了一个检查标准遗漏、重叠和不一致的依据。
2.2智能交通系统体系结构的构成
⏹体系框架的构成：
用户服务、逻辑体系结构、物理体系结构、通信体系结构、I标准化工作、费用效益分析评价、实施措施及策略等。
⏹用户服务：
明确系统用户及用户需求，明确划分系统中各个子系统的用户。
⏹逻辑体系结构（功能体系结构）：
用来定义和描述一个系统为满足一系列用户需求所必需的功能。
确定为满足用户需求ITS所必须提供的功能。
⏹物理体系结构：
逻辑体系结构中的功能实体化、模型化。
⏹通信体系结构：
主要描述支持在不同系统部分之间进行信息交换的机制。
⏹标准化工作：
制定系统所需关键技术的标准。
⏹费用效益分析评价：
对项目的经济合理性、技术合理性、社会效益、环境影响和风险作出评价。
⏹实施措施及策略：
系统建设的组织体系和发展战略。
2.3.我国ITS体系框架要点
⏹用户主体：
6大类-道路使用者（乘客、驾驶员、非机动车驾驶员、行人、老弱病残等特服人员）；道路建设者（基础建设、道路养护）；交通管理者；运营管理者；公共安全负责部门；相关团体。
⏹服务主体：
9大类-交通管理；公共交通；交通信息服务；紧急救援；基础设施；货物运输；产品/设备制造；产品服务；政府执法部门。
⏹服务领域：
8大领域-交通管理与规划；电子收费；出行者信息；车辆；紧急事件和安全；运营管理；综合运输；自动公路。
⏹逻辑框架：
8个功能域；29个系统功能。
29个系统功能：
交通管理、交通规划支持、交通法规执行与监督支持（交通管理与规划）；电子收费；出行者信息服务、驾驶员信息服务、公共信息服务、个性化信息服务、诱导服务（出行者信息）；车辆运行监测、车辆自动驾驶、自动报警（车辆）;紧急视觉识别与危险品通告、紧急车辆管理、公共出行安全、交会处的安全管理、紧急服务分配（紧急事件和安全）；公交规划、公交运营管理、车辆控制、货物管理（运营管理）；交换客货运信息资源、提供旅客联运服务、提供货物联运服务（综合运输）；自动公路车辆管理（自动公路）。
⏹逻辑框架最主要内容是描述系统功能和系统功能之间的数据流。
⏹物理框架：
7个功能层次，20个子系统。
7个功能层次：
交通管理与执法系统；电子收费系统；货运系统；客运系
统；出行者信息服务系统；车辆安全与自动公路系统；紧急事件管理系统。
⏹通用技术平台：
交通地理信息及定位技术平台；通信系统。
⏹标准化：
ITS的综合性标准和接口标准（信息定义和编码、专用短程通信、数字地图及定位、电子收费、交通与紧急事件管理、综合运输与运输管理、信息服务、自动公路与车辆辅助驾驶系统等标准）。
第三章智能交通系统关键技术
⏹3.1ITS综合信息平台
⏹3.2计算机网络技术
⏹3.3通信技术
⏹3.4地理信息系统
3.1ITS综合信息平台
⏹该平台是为了实现各子系统间的数据共享、深层次的信息融合和知识发现而建立的。
⏹特点：
接收、存储和处理多源、异构数据；数据融合、挖掘；为各子系统和公众提供完善的信息服务；解决信息共享和交互。
⏹硬件方面：
满足业务处理和管理功能；具有系统扩展能力；安全可靠。
⏹软件方面：
统一的软件系统功能（操作软件、数据库管理软件、网络通信和网络管理支持软件）；软件开放性和标准性；软件模块化；具有高的容错性；具有友好的人机交互界面；
⏹一般由以下三个层次组成：
数据层、应用层、用户层。
⏹基本构成模块：
综合信息数据库、交通地理信息基础支撑平台、接入/二次数据融合平台、信息加工/发布基础平台、专用通信网络平台、输入/输出接口及接入模块、平台管理模块、ITS设备监控/网管系统、系统仿真模块、交通决策支持平台。
⏹功能：
信息接口、信息处理、各用户主体服务响应、信息辅助决策。
⏹平台涉及的技术基础
⏹数据融合：
对多源信息的综合加工处理、实现信息互补。
（融合系统是一个最优信息处理和控制系统，融合是智能的一种重要表现。
）
⏹融合算法依赖于信息融合系统所要进行的推理的性质、特定的应用和有效的传感器数量。
（P104）
⏹数据挖掘：
从大量的结构化数据和复杂类型数据中提取可信的、有效的、新颖的、潜在有用的、能最终被用户所理解的知识或模式。
（数据库知识发现）（P106）
3.2计算机网络技术
1.计算机网络概念（P155）
⏹分布在不同地理位置上的两台以上独立的自治计算机，通过传输介质和传输设备连接起来，并遵循相同的网络协议，以资源共享为目的的计算机系统．
２．组成及功能
⏹工作站,服务器，外围设备和一组通信协议组成．
⏹服务器：
为网络中各用户提供服务并管理整个网络．（核心）分为：
文件服务器；打印服务器；通信服务器；备份服务器等．
⏹工作站：
连接到网络中各个计算机．
⏹外围设备：
用于连接服务器和工作站的连线和设备．如网络适配器，集线器（ＨＵＢ），同轴电缆，调制解调器，交换机等．
⏹通信协议：
网络中各计算机之间进行通信的规则．（ＴＣＰ／ＩＰ）
⏹计算机网络功能:
以共享为主要目标.具有数据通信\资源共享\远程传输\集中管理\分布式处理\负荷均衡等功能.
⏹计算机网络特点：
数据通信、资源共享、均衡负载、分布处理、提高可靠性。
3．计算机网络的分类
⏹根据网络的传输技术（广播式、点-点）；
⏹根据网络的交换功能（电路交换、报文交换、分组交换）；
⏹根据网络的覆盖范围（局域网LAN、城域网MAN、广域网WAN、互联网WWW）;
⏹根据网络拓扑结构（总线型、树型、环型、星型、网状型）。
⏹根据网络使用范围：
公用网、专用网
⏹根据资源共享方式：
对等网、客户/服务器（C/S）、网站/浏览器（B/S）
4.网络协议与体系结构
⏹协议:
控制数据通信的规则.其关键是语法、语义和时序。
⏹语法：
数据的结构或格式。
⏹语义：
数据比特流每一部分的含义。
⏹时序：
数据发送时间及速率。
⏹ISO/OSI:
国际标准化组织制定的开放系统互联的模型,其参考模型分为7层:
物理层/数据链路层/网络层/传输层/会话层/表示层/应用层.
⏹OSI是一个概念性的框架，用来协调进程之间通信标准的制定。
5.网络层结构
⏹物理层涉及到通信在信道上传输的原始比特流。
主要处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。
⏹数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路。
（数据链路的建立和拆除、对数据的检错和纠错、控制数据流、寻址）。
该层又分成三个分层:
媒体访问控制（MAC）;数据链路服务（DLS）;链路管理（LME）.
⏹网络层的作用主要是信道管理，建立和保持信道发射信息包的分配和数据链拥塞的解决等。
其功能有：
（1）寻址;
（2）路由选择;（3）数据交换;（4）连接服务。
⏹传输层负责将数据转换成大小正确的发射信息包、数据分组排序和与较高层的接口规程。
提供可靠的端对端的通信及向会话层提供独立于网络的传输服务。
⏹会话层对传输的报文提供同步管理服务，在两个不同系统的互相通信的应用进程之间建立、组织和协调交互。
⏹表示层处理所有与数据表示（为异种机提供一种公用语言，以便能进行互操作）及传输有关的问题，完成某些特定功能。
主要功能：
语法转换；语法协商；连接管理。
⏹应用层的主要任务是为用户提供应用的接口，即提供不同计算机间的文件传送、访问与管理等。
它是OSI协议分层中最复杂的一层。
⏹TCP/IP协议:
传输控制协议/网间协议：
它是一整套数据通信协议，其制定的是传输层和网络层的标准。
⏹其参考模型：
4层，主机到网络层、网络互连层、传输层、应用层。
3.3通信技术
1．概述
⏹交通系统的一个最主要特点是交通事件参与者的流动性，为了达到提高交通管理与服务水平的目的，必须建立起移动目标与各类交通设施之间的联系，进行各种动态、静态信息的传输。
因此，通信技术尤其无线通信技术是智能交通系统不可缺的重要组成部分。
2.重点通信技术（P166）
⏹光纤通信技术：
以光波为载频（近红外区）、光纤为传输媒质的新型通信方式。
具有通信容量大；传输损耗低，传输距离长；不受电磁干扰，通信质量高；便于铺设施工和运输。
⏹光纤的主要原料是SiO2。
⏹系统基本构成：
光发射机、光纤和光接收机。
⏹卫星通信技术：
利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，实现地球站之间的通信。
⏹特点：
通信距离远、覆盖面积大、通信频带宽、传输容量大、机动灵活、通信线路稳定可靠、传输质量高，造价高、传输延时等。
3.4地理信息系统
⏹以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。
⏹构成：
计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据。
⏹计算机硬件系统：
计算机主机、数据输入设备、数据存储设备、数据输出设备。
⏹计算机软件系统：
计算机系统软件、地理信息系统软件及其他支撑软件（GIS工具软件、数据库管理软件、计算机图形软件等）、应用分析程序。
⏹地理空间数据：
是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。
⏹智能交通所涉及的各类信息，与地理位置密切相关，因此GIS成为ITS的主要支撑技术之一。
第四章海上智能交通系统的相关技术
⏹4.1导航定位技术（GPS）
⏹4.2雷达与ARPA
⏹4.3海上通信技术
⏹4.4船舶自动识别技术
⏹4.5ECDIS系统
⏹主要内容:
卫星导航定位系统;航海雷达；海上通信系统种类及特点;AIS系统的原理及应用;电子海图及信息显示系统（ECDIS）的应用
4.1导航定位技术
⏹无线电导航定义：
利用无线电技术对运载体航行的全部（或部分）过程实施导航。
⏹分类：
⏹按所测量的电气参量：
振幅、相位、频率、脉冲（时间）、复合式（同时测量两个以上电气参数）。
⏹按所测量的几何参量：
测角、测距、测距差。
⏹按系统的组成：
自主式、非自主式。
⏹按台站安装地点：
陆基、空基、星基。
⏹按有效作用距离：
近程（<500KM）、远程（≥500KM）。
⏹按工作方式：
有源、无源。
1.目前中国已经开始建设拥有自主知识产权的全球卫星导航系统——北斗卫星导航系统（CompassNavigationSatelliteSystem）。
⏹系统建设目标是：
建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。
2.北斗卫星导航系统发展路线图:
⏹第一步，从2000年到2003年，我国建成由3颗卫星组成的北斗卫星导航试验系统，成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。
⏹第二步，建设北斗卫星导航系统，于2012年前形成我国及周边地区的覆盖能力。
⏹第三步，于2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。
⏹将耗资130亿人民币.
⏹成立中国卫星导航系统专项管理办公室
⏹已成功发射11颗北斗导航卫星
3.北斗卫星导航系统的组成
⏹北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。
⏹北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗MEO轨道（21500KM）卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。
开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒。
授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。
2007。
2。
3发射第一颗Compass试验卫星。
2007。
4。
14发射第一颗中轨工作卫星（Compass-M1）。
目前星地试验工作进展顺利。
4.北斗服务
⏹1）开放服务（OpenService）:
免费为用户提供位置、速度和时间信息。
精度:
水平15m,垂直35m（单频）；精度:
水平4m,垂直8m（双频）。
⏹2）生命安全服务（SafetyofLife）：
有偿，精度:
4-6m（双频）
⏹3）商业服务（CommercialService）：
提供更高的性能和附加数据。
精度<1m。
⏹4）公共管理服务（PublicRegulatedService）：
精度6-12m（全球），1m（局部）
⏹5）搜救服务（SearchandRescueService）：
人道主义搜救活动。
（海上）
5.GPS的组成
⏹系统组成:
地面支持网（1个主控站,5个监测站,3个注入站）;空中卫星网（24颗）;用户接收机.
⏹主控站:
提供GPS系统时间基准;处理各监测送来的数据,计算卫星钟偏差和大气层校正参数;编制各卫星的星历等.主控站设在科罗拉多州斯普林斯的联合空间工作中心。
⏹监测站:
监测卫星导航信息;收集环境气象数据;并将收集的信息传送到主控站.5个跟踪站（也称监测站），分别设在夏威夷（太平洋）、科罗拉多的斯晋林斯、阿森松岛（南大西洋）、迭戈加西亚岛（印度洋）和马绍尔群岛的夸贾林环礁（北太平洋）上。
⏹注入站:
在主控站的控制下,将导航信息注入卫星.注入站有3个，分别设在南大西洋的阿森松岛、印度洋的迭戈加西亚岛和马绍尔群岛的夸贾林岛。
6.GPS的定位原理
⏹1.根据卫星导航信息中的星历资料计算卫星位置；
⏹2.利用伪码技术测量用户至卫星的距离（本机伪码在时间上与接收伪码对准，获得时差→计算距离）；
⏹3.根据测距方程最后解算出用户的位置。
⏹
（1）GPS卫星导航仪根据GPS历书，计算卫星的概略位置。
⏹
（2）GPS卫星导航仪根据键人的推算船位、时间、精度几何因子数值，选择仰角≥5°、几何配置最好的4颗或3颗卫星。
（初始启动时，GPS卫星导航仪搜索卫星，收集并存储历书）。
⏹（3）GPS卫星导航仪不断移动本振频率及本机伪码对GPS卫星进行二维搜索，码同步后转入载波相位跟踪、检测及存储导航电文。
⏹（4）GPS卫星导航仪根据星历计算出卫星发射信号时的位置，根据卫星信号的传播延时计算出卫星与用户的“距离”，根据卫星信号的多普勒频移计算出用户的三维运行速度，根据所测得的3—4颗卫星的伪距，计算出用户的位置。
7.GPS定位误差
⏹误差源：
伪距误差；几何精度因子GDOP；不同坐标系误差
⏹伪（测）距误差：
⏹卫星引起的误差（卫星钟误差3.1米，星历误差2.7米，群延迟误差）；
⏹信号传播误差（电离层0.4m/0.4m—P码/CA码;对流层0.4m/6.4m—P码/CA码;多路径效应1.2m/3.1m—P码/CA码）；
⏹电离层误差可采用模型或双频校正.对流层误差只能采用模型校正.
⏹电离层折射误差：
位于地球表面70-1000KM，卫星信号在电离层产生的传播延迟与信号频率的平方成反比，白天约为50ns（距离误差15m），夜晚约为10ns（距离误差为3m）。
双频GPS卫星导航仪可以较精确地消除电离层传播延迟。
单频道GPS卫星导航仪采用数学模型校正法，可使电离层传播延迟误差减小一半。
⏹对流层折射误差：
它与大气温度、压力、卫星的仰角有关，且变化较大。
卫星的仰角越小、对流层折射误差越大，一般选用仰角≥5°的卫星。
利用数学模型校正法可消除部分对流层折射误差。
用P码或CA码测距，对流层折射误差均产生约0.4m的距离误差。
⏹误用户设备差（接收机噪声和量化误差0.24m/2.44m—P码/CA码，接收机通道偏差0.15m/0.6m—P码/CA码）。
总的约4.3m/8.6m（P/CA）
8.几何精度因子GDOP
⏹表示用户和卫星间的相对几何位置关系对定位误差的影响，其值越小，则表明选用的卫星几何图形越好，其定位误差越小。
⏹卫星（4颗）与测者所构成的几何多面体的体积↑→GDOP↓→定位精度↑
⏹GDOP、PDOP、HDOP、VDOP、TDOP
9.差分GPS技术（DGPS）
⏹原理：
⏹
（1）在位置确知的地方设置一基准台；
⏹
（2）该台的GPS接收机接收卫星信号，根据已知位置算出改正量；
⏹ （3）以一定的方式发送给用户，用户以此改正量对有关参数进行校正。
DGPS组成：
GPS卫星网、基准站、数据链、用户
10.DGPS工作方式
⏹ 位置差分：
根据基准站的位置与用GPS测量的位置比较，求得的差称为位置修正值，并发送给用户。
此方法要求GPS基准站与用户必须同步观测相同的卫星。
⏹伪距差分（广泛使用）：
根据基准站与GPS卫星星历计算出的距离，与基准站用CA码测量的伪距之差，称为伪距修正值。
基准站将每颗卫星的伪距修正值、伪距修正值变化率和星历数据龄期AODE数据播发给作用区内的用户，对用户观测伪距进行修正。
⏹相位平滑伪距差分；载波相位差分（RTK-精度达厘米级）；
⏹广域差分（WADGPS-解决误差修正参数的空间相关性-不受地理位置限制的DGPS）。
11.DGPS的定位误差
⏹可消除电波传播误差、星历、星钟误差（基站和用户共有的误差），但随着用户与基准台的距离增加，误差将增大。
12.GLONASS的卫星导航系统
⏹卫星网
⏹24颗,三个轨道,高度19100KM,倾角64°.
⏹导航信号
⏹CA码:
码率0.511MHZ,周期1ms.
⏹P码:
码率5.11MHZ,周期1s.
⏹L1:
1602.5625-1615.5MHZ（Δf=0.5625MHZ）
⏹L2:
1246.4375-1256.5MHZ（Δf=0.4375MHZ）
⏹卫星识别:
频分多址;
⏹导航电文:
50bit/s,导航电文长2.5min,分为5帧,每帧有15
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