先进的交通管理系统ATMS

先进的交通管理系统ATMS

先进的交通管理系统，内容包括现代化交通控制中心、先进的交通监视服务及规范、完整的道路指示信息，使车辆得到良好的服务。

一、道路指示信息

道路指示信息主要将道路的客观情况提供给驾驶员，该类信息包括：

1．道路几何构造信息

预先向驾驶员提供如道路线形、收费站、隧道、纵坡、路宽等前方道路几何构造情报。提供的方式可以是视觉(主要是车载液晶显示屏)的，也可以是听觉的(通过车内语音系统接收高速公路管理部门的路况信息)，由于驾驶员在驾驶过程中要观察道路情况，因此在提示信息时，用语音效果比较好，可根据车辆的位置及所处的环境，向驾驶员提供单独的个性化服务。

2．路面状况信息

交通管理部门通过道路沿线设置的路面冻结检测器、温度检测器等各种气象传感器以及电视摄像系统，检测并采集路面破损(包括功能性破坏或结构性破坏)、潮湿、积雪等路面状况信息，再通过通信信号灯等路侧信息发射设备，向驾驶员提供上述实时信息。通过这些信息的使用，可较大地减少交通事故的发生。

3．道路灾害信息

信息中心收集服务区域内以及其他信息中心传送来的自然条件状况，迅速向驾驶员提供有关风、雾、雨、雪甚至沿海道路海浪越波出现或突发洪水淹没冲毁道路的信息。信息中心根据灾害情况选择相应的控制方案，通过车载设备或情报板向驾驶员提供这些信息。

4．路网条件信息

可由信息中心提供道路内某段发生的交通事故、交通中断、交通阻塞等实时信息以及针对路段的交通管制情报，为其他路段的车辆选择道路时提供参考。当旅客在旅行途中身处窘境(比如天气恶劣，交通阻塞严重等情况)时，能及时得到准确信息，包括：安全行驶速度(关系到通行效率)，交通危险地区，天所情况，行车线路改变的建议以及有可能提供的及时救助等。

5．提供行驶路线导航信息

以上信息都是为路线导航服务的，这些信息都是局部的，有时旅客希望得到完整的服务，不只是知道拥挤或通断情况，而是想在现有条件下，对道路情况全面衡量，得到一个比较好的出行方案，路线导航将根据运输系统的实时信息直接为驾驶员指示抵达目的地的行驶路线与方向。系统将在需要的时候提供包括各路段的交通拥挤情况、通行时间、交通管理信息以及停车泊位信息、公交信息等。路线导航信息的提供将使出行者能够选择最佳路径并缩短行程时间，而对交通管理来说，由于实时动态交通流分配，使交通状况得到很大改观。

从以上系统功能可以看出，实时交通运输数据库是先进的交通信息系统得以实现的核心。它也是先进的交通管理系统得以实现的基础。

二、交通监视服务

为得到交通流的特征参数，现在采取的办法是通过各种车辆检测器对道路上的交通状况进行“抽检”，即由于条件的限制，只能在一些关键位置和相对比较重要的位置通过检测线圈、视频检测器、红外检测器等探测装置，间接获取交通流的状态信息。这些信息是交通流在道路上宏观状态的描述，具有信息单一、状态检测滞后时间长的缺点，在状态结束一段时间后才能发现异常。

通信技术和车载情报系统技术的发展，为交通流微观监视奠定了技术基础，使得交通管理部门能够了解交通流中单一车辆的状态信息，从而提高高速公路监视系统的服务水平，缩短响应时间，尽早排除影响交通流的干扰。

微观监视系统和目前的交通监视系统比较，具有监视项目多，监视数量大，反应速度快的特点。

1．监视项目多

与宏观监视不同的是，微观监视能够获取每一辆车足够详细的信息，通过卫星定位系统、无线通信系统和汽车“黑匣子”，交通监视系统能够得到的信息包括：

(1) 车辆的绝对位置(用经度、纬度、海拔、时间来描述)。

(2) 车辆的行驶速度(包含平均速度和即时速度)。

(3) 车辆的平衡(判断车辆是否翻车)。

(4) 车门的状态(在发生交通事故时，可以先判断车内人员是否有可能脱险)。

(5) 车辆的燃料供应(车辆抛锚时，帮助诊断抛锚原因)。

(6) 车辆水箱的水位(车辆抛锚时，帮助诊断抛锚原因)。

(7) 车辆驾驶室温度(车辆事故时，判断有无着火现象及着火持续的时间，由温度高低判断着火的程度)。

(8) 车辆的方向(车辆方向与道路方向偏差太大，持续时间比较长时，说明有异常状况)。

(9) 车辆制动系的状态(判断车辆行驶是否安全，在未发生事故时，预先向驾驶员报警，甚至强行熄火，以保证车辆的安全)。

(10) 驾驶员的状态(体温、注意力等，在驾驶员注意力不集中时，进行提示或强制停车休息)。

2．监视数量大

提供单一车辆的微观信息对交通监控系统来说，还不能发挥整个交通系统管理的威力，当将所有车辆的微观信息进行监视时，就会有综合效应。

在监控信息中心，由于掌握了所有车辆的信息，计算机控制系统的处理任务量急剧增大，对处理系统的性能有很高的要求，当一台高性能服务器不能完成处理任务时，需要用服务器群来解决大量的计算和跟踪任务。

3．为自动行驶提供条件

先进的交通监视系统为车辆的自动行驶创造了条件，具备自动导航功能的车辆不但拥有丰富的地理信息数据，保证在公路上行驶不脱离轨道，还需要根据道路上其他车辆的位置和行驶状况，结合本车辆的行驶目标，决定超车、换道、跟驰等行为策略。

根据以上描述可知，单一车辆与信息中心的通信是未来监视系统的信息源，要实现这一目标，至少有两个约束条件：

(1) 在我国地域广大、路网密度大、车辆众多的条件约束下，必须有统一的共享资源数据库，每一辆车有惟一的识别号，使该车辆能被交通监控大系统识别，为适应经济全球化的趋势，该资源数据库应与世界接轨。

(2) 有发达的计算机系统，能够处理大量的数据采集任务，并根据现有的交通数据，对交通流状态进行预测，使交通管理达到较高的水平。

三、交通控制中心

交通控制中心是交通控制与管理系统的神经中枢，指挥着其管理范围内的所有控制设施的运转。

1．交通控制中心的功能

(1) 实时自适应信号控制

通过准确了解道路上的交通需求，通过匝道控制、主线控制等手段调节道路上的车辆数量。当交通量接近道路通行能力时，可暂时关闭入口匝道，引导车辆从其他通道通过。

(2) 提供丰富的信息

通过使用可变情报板、可变限速标志、车辆信息终端设备、个人计算机等多种途径，驾驶员可以获得交通控制中心提供的各种交通信息，改变旅行路线或日程安排。

(3) 提供交通管理服务

交通控制中心能够根据采集到的大量信息确认交通状态，对交通状态预测并控制交通状态，避免交通状态向不良方向发展。交通控制中心能对交通事故、道路维修、特殊的社会政治事件、发生危险等情况做出迅速反应，通过相关部门迅速介入，并提醒道路上的旅行者注意特殊的交通状况。

(4) 提供交通信息共享数据库

收集处理来自各种交通检测器的数据，将有关交通阻塞信息、旅行时间以及控制效果等情况存储在交通信息数据库中，地区交通控制中心能及时调用历史数据并方便地与邻近地区的交通控制中心交换信息，也可

以与业务相关的其他部门交换信息，获取更丰富的交通管理数据，积累交通管理经验。从研究的角度出发，根据历史数据及采用的管理策略、管理手段，可以评估管理策略的效益。

(5) 有良好的用户接口界面

为使交通控制中心的各级系统协调、高效的工作，交通控制系统有良好的用户接口界面，让工作人员有科学的工作方式和良好的工作环境。

2．交通控制中心系统逻辑结构组成

图11-16为交通控制中心的基本概念结构，系统主要包括两股数据信息流。第一股数据流代表实时交通控制，它从现场收集不断变化的交通信息，同时使用信号或信息提供终端来优化交通流；第二股数据流代表交通管理，它监视目前交通状况，并致力于把这些数据反映到合适的交通控制中。

图11-17为基于图11-16的信息流程图，终端控制层位于最底层，以便进行共享控制，也就是这层的计算机可以直接控制交通信号、车辆检测器、可变信号标志等。功能层是中间核心层，它根据功能分布的概念来构造，通过计算机来运行系统的主要功能，例如交通信息处理、信号控制、提供信息、紧急事件反应、交通事故反应等功能。功能层可以对其功能进行不断的改进与发展。人机接口层为最高层，由大型信息板和控制台组成，它们通过高性能的局域网连接成网络。

交通控制中心建立在交通运输信息数据库的基础上，因此它包含交通信息中心所具有的全部服务功能。通常在先进的交通管理系统中，将交通控制中心与交通信息中心作为一个整体来考虑，简称交通控制中心。交通控制中心是一个广域通信网络的轴心，这个通信网络包括中心控制系统内公路沿线所有的传感器以及信息、信号标志。同时，交通控制中心还控制其他交通信息源与信息中心的连接。这种轴心作用通过中心通信控制计算机来实现，通信控制计算机主要由系统计算机和监控计算机来实现，通信控制计算机主要由系统计算机和监控台两大部分组成。监控台由显示设备、传输接口、状态转换、故障判断和故障显示等部分组成。计算机通过传输接口，同本辖区内各个断面、匝道的计算机远程控制终端和收费站控制机进行通信联络和数据传输，定时汇集有关数据，处理后，传送至控制中心主机，实时将数据存盘打印。同时汇集辖区内所有设备的工作状态，由监控台显示，并传送至中心处理计算机。

交通控制中心又是先进的交通管理系统指挥中心，通过通信控制机从系统公路走廊沿线的传感器得到数据，经中心处理计算机处理并通过道路模拟显示公路交通情况与其他相关的数据，形成并更新交通运输信息数据库。中心事故探测计算机软件有助于事故监测。改进的专家系统可以对路线选择和缓解即将发生的交通

拥挤提出建议方案，由系统自动或由管理人员在主控台操作使建议方案得以实施。交通控制中心控制信号向各种信息提供设备，如可变信息信号标志，公路建议无线广播等的传递(包括方式与内容)。

交通控制中心管理控制区域内交通运行，原理可由图11-18表示。

交通事故是公路上总车时延误的一个重要因素，这是因为发生在重交通时段的事故会造成上千辆车长时间排队等待。另外，这种事故还经常是引起接着更多撞车发生的原因。交通控制中心的一个关键功能是处理事故，这意味着需要迅速的事故探测和必要控制的协调配合，以便尽快恢复常规状态下的公路运营。首先要求发展完善事故探测计算机软件，提高事故检测系统的可靠性。这一点西方发达国家已经做了很多研究并已逐步实施，如英国TRRL提出HOICC事故探测算法，在美国一号高速公路上使用效果良好。事故监测系统对来自公路监测系统的数据进行分析，当发现不正常交通状况时，自动提醒操作人员可能要发生的事故。例如，通过环型线圈检测器的车辆数突然下降或雷达检测到的车速突然下降，这意味着可能发生事故，管理人员可以利用视频监视监测系统对这种警告进行可视化确认。如果事故被确定了，中心处理计算机专家系统将会迅速提出补救措施来缓解交通堵塞，同时推荐一种处理方案。诸如利用高速公路可变信息板来告诉高速公路的使用者前面发生的事件和路况；减少高速公路匝道进入流量；使用公路路况广播电台和公路电话查询台系统来通报交通路况等。这种专家系统是计算机程序，可像专家一样处理问题，它在程序内部设定的判断规则的基础上处理现有交通情报。这些规则就是把各有关单位交通专家的经验和对事件的处理办法汇集起来，经过处理后输送到计算机中形成知识库，试图达到管理人员在同样公路交通环境下处理事故的实践专业经验。

事故处理功能包括迅速做出反应并与系统范围之外的机构进行协调配合，如与警察局、消防队、医疗救援直升机、毒废品处理小组及其他交通控制中心和机构协调配合。

3．一种高效的交通控制中心

为了真正达到交通控制的目的，光是对车辆进行诱导是不够的，在必要时，要强制车辆按照某一路线行驶或以某一限定速度行驶。

目前的诱导系统多是单向诱导，管理部门将交通信息提交给各个车辆，至于车辆是否按诱导信息行驶，并不能得到保证。在相同的诱导信息下，各个车辆并不知道其他车辆所采取的旅行方案，因此，整个交通系统的状态实际是不可控的。

理想的控制方法是由交通控制中心指定各个车辆的行驶路线和行驶速度，并检查各个车辆是否按照控制中心分配的路线和速度行驶，这样才能真正控制交通流的状态。要达到这种管理效果，有三个基本条件：①车辆有惟一的识别号；②车辆必须告诉控制中心车辆类型和本次旅行的目的地(通过车载地理信息系统)；

③控制中心能够随时获取各个车辆的位置和速度(通过车辆定位系统和速度监视系统)。当控制中心发现某车脱离其预定的旅行路线或不在预定的速度范围行驶时，对车辆进行警告并采取惩罚措施，使车辆的个体行为服从整个交通优化分配的需要，从而将交通流维持在一个良好的状态。

在这种情况下，控制中心知道所有车辆的目的地，并根据所有车辆的道路使用需求，为每一辆车分配合适的旅行路线，达到交通资源的优化分配。这种管理方法是现有交通指挥系统的扩充和延伸。在现有的交通指挥系统中，通过禁左标志或单行线等方式，严格规定车辆在某一位置不能左拐或只能向某一方向行驶，而交通控制系统通过指定车辆旅行路线的方式，保证其他车辆的旅行效率。采用这种管理方式并不限制车辆的行动自由，当车辆在执行一个旅行路线的中问需要改变旅行路线时，只需要重新选定目的地即可，交通控制系统将为车辆分配另一条旅行线路，但只要指定了旅行线路，车辆就要按照指定的线路行驶。

在高速公路出现拥挤或堵塞时，交通控制中心可以要求车辆从其他通道驶达目的地。

第五节先进的车辆系统

先进的车辆系统是指借助车载设备及路侧、路表的电子设备来检测周围行驶环境的变化情况，进行部分或全部的自动驾驶控制以达到行车安全和增加道路通行能力的目的。车辆通过车载信息设备(包含汽车黑匣子)将车辆的行驶信息发送给交通控制中心，从而使交通控制中心能够采集到所有车辆的状态，每辆车通过信息接收装置，接收其他车辆的分布和运行信息，判断自身周围的行驶环境，完成自动行驶功能。车辆内的信息接收装置，还可以为驾驶员提供交通信息以外的其他信息。

一、汽车黑匣子

汽车黑匣子是采集汽车行驶状态的前端设备，是交通控制中心进行交通监控信息采集和交通全局优化管理的硬件基础。

1．汽车黑匣子的功能

汽车黑匣子应具备的基本功能有：

(1) 采集车辆状态信息；

(2) 存储车辆状态信息；

(3) 具有通信接口，能将车辆状态信息输出；

(4) 可连接其他通信设备，通过无线通信等方式传送车辆状态信息。

2．汽车黑匣子的记录内容

汽车黑匣子一般应该记录以下车辆信息：

(1) 数值量：可包括车速、转速、机油压力、气压I、气压II、蓄电池电压、水温、燃油；

(2) 操作量：可包括左向、右向、远光、倒车、制动、缓速、前／中门、电喇叭等；

(3) 报警量：可包括车速、转速、水温、水位、气压I、气压II、油压、电瓶电压、机油滤、燃油滤、仓温等。

3．汽车黑匣子的基本组成

汽车黑匣子可以提供多种信息方案，一般具有如下组成部分：传感器、数据转换部件、数据处理部件、数据存储单元、通信接口单元。汽车黑匣子外观如图11-19所示。

目前，不少从事智能交通和汽车电子设备研究的公司、科研机构都展开了对汽车黑匣子的研究，并取得了一定的成果，这将为交通监控系统提供快速准确的数据源。

二、车载信息设备

车载信息设备可以存储地理信息系统的数据，GIS提供从最简单的点击式查询到辨证思维的空间分析方法，最引人人胜的作用是通过各种假设分析来模拟区域内空间规律和发展趋势。GIS软件提供缓冲区分析工具对地物要素问相互关系进行计算度量，通过空间上的“相交、合并、切割”等运算，可获取和派生空间决策的依据，其操作结果可通过可视化的地图、影像、多媒体方式加以直观表达，这是GIS无与伦比的优势。

采用GPRS+wAP技术，使车载设备保持网络在线，不但能及时下载地理信息数据，完成路线选择功能，还可以获取互联网上的丰富信息，包括汽车维修服务、加油站、停车住宿、就餐娱乐等信息，这些信息分布在GIS中不同的图层，根据用户查询的内容，分别显示一层或多层信息。

由于信息来自于互联网，使得信息的更新更加迅速和方便，在车载设备中不必保存大量的信息，在需要时只要从互联网上的网站下载即可。在互联网上存储大量的地理信息数据，这些数据的加工和处理由网站管理人员利用网站的服务器系统完成，减轻了车载设备的负担。

车载设备还可以帮助车辆完成自动行驶功能，实现危险预警、驾乘人员安全保护、视觉强化、防止纵向碰撞、防止侧向碰撞等功能。

三、自动行驶系统

先进的车辆系统能够在必要时提供自动控制下的安全行驶功能。自动行驶功能是在强调安全的情况下使用的，包括三个条件：①驾驶员比较疲惫，进行长时间的驾驶容易出安全问题，借助自动行驶功能，可以增强驾驶的安全性；②随着科技的发展，汽车的速度越来越高，一些高性能车辆的速度可以达到360km／h，这个速度已经超出了驾驶员的反应能力，很容易出安全事故，在这种情况下，驾驶员难以胜任驾驶工作，可以通过提高自动驾驶系统的反应速度达到高速行驶的目的；③驾驶员工资在货运成本中占有很大比重，特别是货运驾驶员的工作时间受到严格控制。其次，货车中途停车(尤其是夜宿)易遭受意外损失。货车采用无人驾驶体制，可以长年不停顿运行，经济效益将明显上升，对于利用专用路线运输的货运车队，实现无人驾驶的技术复杂程度也会相对小些。

一个先进而完整的自动行驶车辆系统是由一系列车一路通信系统与车一车通信系统所组成。路侧设备包括：磁引导设施、路边通信设施、泄漏同轴电缆(LCX)；车辆设备包括：磁传感器、磁感应器、摄像机、雷达、收／发控制器等。

先进的车辆系统的核心功能就是车辆能够自动驾驶，这就要求车辆能自动控制行驶速度和行驶方向。对于速度控制，系统往往控制的是一个车队，由LCX传递的控制头车的行驶速度，尾随车辆则需要控制和保持与前后车辆之间的距离(车辆间距大小取决于头车控制速度)，这样进入专用车道的整个车队系统中各车的行驶速度是变化的，车辆行驶速度大小取决于车辆驶入专用车道后的实际间距以及从LCX传递的速度控制指令。对于航向控制，主要是调整车辆行驶过程中发生的偏移，这种控制综合考虑车辆中心线与磁性标记参考线的相对位置，以及同时由LCX传送至车辆的道路线形信息。当某些磁性标记损坏或丢失时，航向控制则通过CCD摄像机获得相关行驶区域数据，处理后的数据用来辨别和区分道路与障碍，生成适合于车辆行驶自动控制的区域地图。当发生不正常情况时，如路侧设备与车辆通信中断，车辆本身会发出预警信息，车辆行驶状态由自动方式转为人工方式。

美国于1997年历时数月，在加州圣迭戈至洛杉矶的1一15号州际公路上进行大规模自动化公路系统试验。该路段长12km，在路面下埋设92000个3M公司的磁棒，路侧设有监控站。以10～20辆别克安全型轿车组成车队，进行无人驾驶自动运行试验。试验车在前后保险杠装有磁感应器、纵向和横向激光测距仪，全方位视频探测器结合车载风门、转向、刹车自动控制器，组成智能型的常用车速自适应控制、车道自动保持和盲区自动防碰撞等系统，取得车队车速200km／h、车头间距lOm左右的安全行驶结论。

俄亥俄州立大学在1一15公路6.5km长的公路上铺设3M公司的雷达反射带，用三辆车做超车试验，其中一辆由人驾驶，另两辆无人车辆装有摄像系统以进行横向控制，激光测距雷达作纵向控制，还装有一台小功率雷达作侧向监测。试验证明：采用车距控制和车道自动变换技术的自动车辆可以安全地对人工驾驶车辆进行超车。

休斯敦Metro公司与卡内基一梅隆大学合作，研制两辆装有自动驾驶系统的大型客车，在公路作运行试验后宣称：由于驾驶系统能作纵向和横向控制，支持车辆保持和车道变换，并能在车队行驶过程自动保持车头间距不变，大客车在车队中可实施自动驾驶并获得足够的安全度。

伊顿、本田、丰田等公司也以各自研制的自动化车辆参加专项试验。曾在该道路上作过进、出车道，车辆停、起，自动变换车道，自动规避障碍物和紧急刹车等试验。他们认为：凭借公路和车辆上的设备可以实现自动驾驶。

试验成功具有重大意义，说明技术上初步可行。但要在自主车辆(个人轿车)范围推行此项目却存在用户经济上的可接受性，在技术上也还有不少难题有待解决，如车速控制精度和车间距的关系、车道横向位置的重复行驶精度、车辆失效概率等。因此，美运输部已撤消对此项目的财政支持。但是，美、日等国家都还在专用试验场上作控制行驶精度和可靠性的进一步试验；欧盟对专业货运车队的自动行驶也正在进行多种探索。

荷兰鹿特丹港有大量大吨位集装箱(50t)需转移到70km外集散站，以避免港口拥挤。为此，进行一项“组合路”试验。沿高速公路一侧，加修两条带轨道的特殊货运车道，在轨道旁的路面上，每隔一定距离埋设传感器，以采集轨道和车辆运动信息，轨道用来保证车辆按道路线形行驶；在ITS 98’展览会上(地点荷兰)，现场显示无人驾驶车队运行，车速50km／h，车头距约166m。

德国和意大利汽车制造厂商合作开发一种无人驾驶车辆，组成车队行驶。首车由人驾驶，后随无人驾驶车辆尾随首车跟驰行驶。风门、转向和制动等操作信息，通过称为“电子拖条”工具，以5.8GHz微波在车间依次传送。如首车减速，减速信号将在80ms内传送给后车，后车将在0.3s内自动做出制动反应，这种反应速度已远远超过最熟练的驾驶员操作。

日本正开展双元货车研制，这是一种能作两种模式运行的汽车。第一种是在市区普通道路作有人驾驶的短途运输；另一种是在城市间作长途无人自动驾驶。由专用导航道路侧向臂架的线路引导，以100km／h车速行驶，车头时距为l～3s。

我国的自主驾驶汽车研制也取得了巨大的成就，由一汽集团公司和国防科技大学合作研制的自主行驶汽车在高速公路上行驶的最高稳定车速达到130km／h，其最高峰值速度为170km／h，并且具有超车功能，其总体水平已经达到世界先进水平。

经过全球交通行业的不懈努力，理想的地面运输模式一定能够实现。

先进的车辆系统和先进的交通管理系统依赖于高速通信，未来的监控系统将为车辆提供更多、更丰富的信息，更多地参与车辆与管理机构的信息交互，能够最大程度地保证车辆行驶安全并提高交通效率