智慧城市系列之智能交通系统(ITS)

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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。

（2） 系统组成

以数码电子警察为例，其系统组成包括：路口电子警察、照片传输、中心设备等。如图4.9所示。

① 路口电子警察

由数码相机组成的电子警察，具有自动拍摄、自动计数、数据传输、图像压缩等功能。

② 照片传输

本系统的照片传输采用光纤信道，用于光纤通信条件，在光纤的两端需要一对提供RS232接口的光端机。通信控制机，用来读取数码相机的照片，并对相机进行控制；对读取的图像进行必要的处理，如加载各种信息，对图像进行压缩优化等；并向控制中心发送经预处理的图片及相关信息。

③ 中心设备

中心设备由计算机及软件组成。

中心计算机用来从路口读取照片，处理并存贮照片。考虑到工作负荷等方面的原则，一台中心计算机可以连接8～16个路口通信控制机。

软件由控制和照片管理软件组成。

控制软件用来从路口读取照片，并存贮照片，同时还可对路口控制机及相关参数进行设置，并可通过网络将违章照片送到车管所进行违章处理，送到新闻单位进行公告，或者送到相关城市进行属地处罚。

照片管理软件用于对违章照片、车牌号码、车主信息、违章处理结果等数据进行录入、存储、查询、统计和报表打印等管理工作。

（3） 系统功能

1. 图像采集：将从前端传过来的违章照片（包括车辆照片、违章时间、拍摄路口等）信息添加到数据库中。

1. 车牌输入：对违章照片的车牌号码进行人工辩识和筛选，读取车牌号码、车型等信息，存放到数据库中去。

违章处理：根据违章记录进行统计打印，向车主发出处罚通知，以便接受处理。

第三节  先进的公共交通系统（APTS）

1.基本概念

国际上在80年代后期提出了智能交通系统（Intelligent Transport Systems）的概念，其基本出发点便是利用当代高新技术：电子、信息、通信、计算机、GPS、GIS等，提高交通系统中的人（交通参与者：乘客和管理者）、交通设施（道路等）和交通工具（车辆等）之间的有机联系，从而最佳地利用交通系统的时空资源，降低运输成本，提高运输效率。目前，日本、欧美已推出诸多的ITS实用系统。其中，先进的公共交通系统（APTS）就是极其重要的子系统。ITS技术在改善交通的同时还形成了巨大的产业。因此，目前国内外都极其重视ITS的发展，运用高新技术提高现代城市交通系统的服务水平已成必然的趋势。先进的公共交通系统（APTS）是智能交通系统中的一个重要子系统，优先发展公共交通也是缓解城市交通问题的重要思路。ITS的宗旨即是最大程度解决交通问题，实现交通的安全、效率与舒适；而先进的公共交通系统（APTS）正是实现交通安全与效率的有效手段之一。

APTS主要是采用各种智能技术以促进公共运输业的发展，它包括：公共车辆定位系统、客运量自动检测系统、行驶信息服务系统、自动调度系统、电子车票系统、响应需求型公共交通系统等。如利用全球卫星定位系统和移动通信网络对公共车辆进行监控和调度，采用IC卡进行客运量检测和公交出行收费，通过个人计算机、闭路电视等向公众就出行时间和方式、路径及车次选择等提供咨询，并在公交车辆上和公交车站通过电子站牌向候车者提供车辆的实时运行信息、提供电话预约公共汽车的门到门服务等，最终实现提高公共交通吸引力的目标。

2. 上海市APTS的应用

（1） APTS规划及其用户服务

先进的公共交通系统是上海市城市交通管理局属下的一个信息控制与管理系统，将负责对公共交通运营、公交出行信息与规划、公共交通需求、公交运营安全及出租车运营进行综合协调管理。在国家ITS体系结构框架体系的指导下，上海市的APTS构成如图4.18所示。

上海市APTS系统用户服务见表4-2。

表4-2 上海市APTS系统用户服务

（2） APTS投入应用情况

上海市先进的公共交通系统中已投入使用的部分如下：

① 先进的公共交通系统应用概述

1. 公交信息查询——主要包括2000年12月上海市正式推出的“上海交通网站”（www.jt.sh）、相关Internet网公共交通信息查询系统等；

1. 公交调度系统——莘庄地铁枢纽站的计算机控制调度系统，部分GPS调度、电话调度等；
2. 公交优先通道——上海市于1999年首先在浦西东西向机动车干道——延安路上设立了公共汽车专用道；
3. 交通信息广播台——1991年，上海人民广播电台与上海市公安局联合推出的“上海广播电台交通台（648千赫）”，面向全市的道路交通指挥中心，提供实时路况信息。

② 公共交通信息应用

继上海大众出租汽车公司建立了GPS实时调度系统后，2000年浦东公交公司率先在公交981路、81路和983路线路上，建成了GPS调度系统，并以能显示最近车辆到站位置的电子站牌替换了传统站牌，向市民提供“预计到站时间”的服务。部分线路在起终点站实现了车辆发车时间信息的实时发布。

目前公共交通信息网已开通，可以用于查询两点间的公交线路、换乘方法，可以全面了解上海全市的公共交通信息，并提供上海全市的道路电子地图。

③ 公共交通一卡通应用

上海公交系统在1997年率先开始使用非接触式IC卡，在公交车上安装POS机具设备，乘客通过非接触式IC卡，在POS机的受理距离内自动扣除卡内金额，初步实现了公交一卡通，当时只在几条公交线路上使用，范围有限。随着上海地铁1号线在1998年的投入使用，在地铁的收费系统中引入了美国Cubic公司的多种票证支付形式，包括磁卡和非接触式IC卡。在这样的情形下，上海市政府在1999年制定了“上海市城市公共交通一卡通应用系统”，并列为实施工程。

上海市城市公共交通一卡通工程在1999年末全面启动，包括公交、地铁、轮渡、出租和轻轨等子系统。1999年，上海已顺利完成城市公共交通一卡通主体工程，实现了地铁1号线、轮渡扬复线和11条公交线路的500辆公交车的上海东方交通卡CSC卡（Contactless Smart Card）一卡通收费使用，其中包括发卡、充资、读卡消费、数据采集、通信传输、结算汇总和清算统计等相关设备和系统。

一卡通实施期间，上海市骨干出租车企业，在出租车上安装了“TAXI龙卡”计价器；进入2000年上海全面推行公共交通卡工程，国际上最先进的无接触式付费卡，可在上海地铁、轻轨、公交巴士、轮渡、出租车等大众交通工具上通用。

截止2000年，上海已发行8万张非接触式IC卡（CSC卡），并投入五家公交巴士运营公司，包括26条线路的900辆公交车。提供地铁1号线、2号线CSC卡和磁卡兼容收费、以及一条过江渡线CSC卡收费等服务。

上海准备用三年的时间逐步实现以下目标：建立一个覆盖公交、地铁、轮渡、轻轨等客运行业领域的IC卡结算网络系统；发行一种使用便捷、可靠、通用的交通IC卡；建立一个具有高度集中管理职能的上海城市交通IC卡管理单位。

3. 先进的公共汽车交通优先系统介绍

先进的公共交通系统APTS可使交通供给动态地适应交通需求，真正意义上实现提高公共交通的吸引力：准时、快速与舒适；提供快速、便捷、经济的换乘服务；调度与运营的效率化、优先管理智能化等。先进的公共汽车优先系统(Advanced Bus Priority Systems, 以下简称ABPS)又是APTS的重要组成部分，有关于此的开发研究对于改善中国城市的交通更具特别的意义。以下介绍APTS的基本结构、主要内容，以及基本功能。

3.1 先进的公共汽车交通优先系统基本结构

智能化公共汽车交通系统结构体系是系统整体建立的基础。ABPS的基本结构体系包括：先进的公共交通系统的逻辑结构和物理结构。系统结构体系（System Architecture, 缩写为S/A）描述的是：为了实现系统目标，概念地表现系统各要素以怎样的形式相互作用，或作为整体共同作用，描述系统及各要素的功能以及各要素间的信息交换等。

（1） 逻辑结构

逻辑结构试图描述系统关于用户服务的功能。它定义了如下内容：

1. 为了满足用户服务要求，先进的公共汽车交通优先系统应具备的功能；
2. 规定了各功能间的关系，即需要在各功能间交换的信息流或数据流；
3. 首先通过功能分解过程定义结构体系内外部元素，然后通过数据流图来描述系统的功能结构。

① 系统功能

1. 采集信息：公共汽车行驶状态、公交乘客动态分布信息、运营管理信息（包括相关公共交通换乘系统、道路交通管理信息）等；
2. 处理信息：乘客及管理者所需信息、形成最佳调度运营方案、管理业务报表等；
3. 提供信息：面向乘客、驾驶员和运营管理者的信息；
4. 智能管理：适应于路上交通情况和乘客的需求情况，实现最佳的调度运营与管理。

② 系统逻辑结构

系统的主要构成要素间的基本逻辑关系详见图4.19所示。目前国际上ABS的逻辑构成尚未超出这些基本功能。

（2） 物理结构 (Physical Architecture，P/A)

基于功能相似性原则和实现功能的定位，把由逻辑结构定义的各种功能分类为各实体系统（图4.20），定义了：

• • 以L/A所定义的功能和构成要素作为输入；

• • 通过物理的移动（Transportation）和通信(Communication)等实体来实现L/A的功能；

③在实际的系统中，P/A包括以下三个层次：

1. 移动层（Transportation Layer），由出行者子系统（出行者公共交通信息获取）、中心子系统（提供公共交通信息服务和公共交通管理）、路侧子系统和车辆子系统（公交车辆）四部分组成；
2. 通信层（Communication Layer），由广域无线通信（Wide Area Wireless Communication）、有线通信（Wireline Communication）、车车通信（Vehicle-to-Vehicle Communication）和短程漫游无线通信（Short Range Wireless Communication）四要素组成；
3. 制度层（Institutional Layer），对先进的公共汽车交通系统所涉及诸多部门间的政策、费用负担加以制度化。

（3） 信息流结构体系

先进的公共汽车交通优先系统信息流结构体系，是关于信息流及其基本关系的描述，详见下图4.21。

3.2 先进的公共汽车交通信息及其应用

由上述分析可知，先进的公共汽车交通优先系统的重要子系统是其交通信息系统，系统整体功能的实现也是以该子系统为基础的。先进的公共汽车交通信息系统以交通出行者、公共汽车运营管理者和相关交通系统为其主要的服务对象。

（1） 面向交通出行者的信息特征

对交通出行者而言，一次出行涉及到：出行目的→交通方式→出行路径→出行时刻的选择，而且，这种选择在出发前和出行途中还将发生动态的变化，因此，交通出行者为快捷而通畅地到达目的地，希望获得如下的信息：

① 出发前信息：制定出行计划的关联信息，出行目的及目的地的信息，最佳交通方式和交通路径信息，以及适当的出发时刻；②行驶中信息：所采用的交通方式和可能换乘的交通系统的行驶路径及其状态信息（行程时间、拥挤度或突发事件）；③换乘信息：利于换乘公共汽车交通系统的交通线路和换乘点的信息等。

（2） 面向公共汽车交通管理者的信息特征

为了提高公共汽车交通的运营与运行效率，管理者往往希望获得：公共汽车自身的位置信息、上下客信息、公交线路沿途的交通信号、交通状态及关联交通系统和交通集散点的信息等。

3.3 公共汽车交通优先运营与管理

根据上述不同信息的需求特征，可以建立先进的公共汽车交通优先运营与管理信息系统，并实施智能化的运营与管理，包括：

① 公交车辆的动态调度　自动产生固定路线车辆的时刻表，安排固定路线车辆的运营，同时在路线上优化配置驾驶员，实现公共汽车的服务能力(发车频率和发车数)与乘客需求间协调的公交调度管理；

② 公共汽车交通收费与动态管理　实施自动收费管理和灵活的车辆调配，同时支持公交驾驶员和交通设施之间的双向通信；

③ 公共交通与多种交通方式间的协调　在路段和特定交叉口运用公共交通优先通行措施，与其他交通方式进行协调（运能与换乘时间的协调）；

④ 公共汽车交通安全管理　运用视频和音频技术监控车辆，及时发现突发事故，并可对驾驶员提供危险警告，同时提供最佳救援；

⑤ 公共汽车交通业内管理自动化　档案及数据库管理与更新，报表的自动生成等。

第四节  先进的车辆控制系统（AVCS）

1.基本概念

AVCS主要是指智能汽车的研制。先进的车辆控制系统包括事故规避系统和监测调控系统等。智能汽车具有道路障碍自动识别、自动报警、自动转向、自动制动、自动保持安全车距、车速和巡航控制功能。安装在车身各部位的传感器、盲点监测器、微波雷达、激光雷达、摄像机等设施由计算机控制，在易发生危险的情况下，随时以声、光形式向司机提供车体周围必要信息，并可自动采取措施，从而有效地防止事故的发生。车内计算机中存储大量有关驾驶员个人和车辆各部分的信息参数，当监测到这些参数发生变化、超过某种安全极限值时就会向司机发出警报，并采取相应措施，以预防事故发生。

2. AVCS基本功能

AVCS具有四种功能：a.行驶中的事故预防功能，b.交通事故回避功能，c.发生事故时的损害减轻功能，d.事故后的损害防扩功能。以下分别阐述。

（1） 行驶中的事故预防功能

1. 1. 司机不良状态监测报警系统
   2. 车辆危险状态监测报警系统
   3. 视野改善系统
   4. 夜间障碍物检测报警系统
   5. 报警灯自动启亮系统
   6. 交通状况与路面状况信息系统

（2） 交通事故回避功能

1. 1. 车间安全距离报警和自动控制系统
   2. 侧向、后方车辆距离报警系统
   3. 偏离车道报警系统
   4. 事故回避自动操作系统
   5. 转弯减速系统
   6. 交叉口自动停车系统

（3）发生事故时的损害减轻功能

1. 1. 能吸收、缓冲冲击的车体构造
   2. 安全气囊技术
   3. 行人伤害减轻系统

（4）事故后的损害防扩功能

1. 1. 灭火系统
   2. 车门自开系统
   3. 事故自动通报系统
   4. 驾驶操作记录系统

3. AVCS中的汽车科技应用

（1） 汽车GPS技术

GPS，即全球导航系统，也称全球卫星定位系统。它是依靠围绕地球运行的24颗定位卫星，不断对地面发射并提供三维位置、三维速度等电子信息，地球上安装的相应接收设备接收到这些信息并用中转帧继设备对这些信息进行分析，从而判定发射提供信息的物体所处方位的一种定位系统。汽车GPS导航系统主要由两部分组成，一部分是由安装在原车上的GPS接收机和显示设备组成；另一部分是由计算机控制中心组成。两部分通过定位卫星进行联系。

GPS的主要功能有：①实时显示汽车在预先制定的电子地图中的位置、行驶速度，以及与目的地间的距离。输入目的地后，该系统能自动生成一条到达目的地的最佳行驶路线，并在转弯时用语言提醒用户，使其去任何地方不用问路就可直接到达。②可随时查询沿途的酒店、商店、加油站、修理厂、车站、码头等，为用户提供方便。③可在汽车遭遇抢劫后，在指定范围内停止发动机的工作，并将汽车所处的位置报告给警察。④停车后还可用该系统播放音乐或VCD。

（2） 汽车智能避撞系统

汽车智能避撞技术首先解决的问题是汽车之间的安全距离。汽车与汽车之间的间距小于这个安全距离时，该系统能自动报警，并采取制动措施。

目前，测定汽车之间安全距离的方法有三种：超声波测距、微波雷达测距和激光测距。超声波测距就是利用超声波的反射特性测距。超声波发生器不断地发射出40千赫兹的超声波，该超声波遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到反射波信号后，将其转换成电信号，从而测出目标的距离。微波雷达测距是利用从目标处反射回来的电磁波发现目标并测定其位置。激光测距的工作原理与微波雷达测距相似，具体的测距方式有连续波和脉冲波两种。

（3） 超声波汽车倒车避撞报警器

该报警器利用超声波回声测距的原理，测量车后一定距离内的物体。这种新型避撞报警器可以及时显示车后障碍物的距离和方位，显示范围为0.5～9.9米，当距离大于2米时，显示车后障碍物的方位；当距离小于2米时，除了显示其方位外，还可按照3段距离分别给出3种报警信号，以警示驾驶员3种不同程度的紧急状态，使驾驶员据此采取相应措施，防止事故的发生。

（4） 汽车避撞雷达

该雷达利用电磁波发射后遇到障碍物反射的回波对其不断检测，并计算与前方或后方障碍物的相对速度和距离，经过分析判断，对构成危险的目标按程度不同进行报警，控制车辆自动减速，直到自动制动。

汽车避撞雷达的主要功能有：测速、测距，对前方100米内危险目标提供声光报警；兼备汽车黑匣子功能；自动巡航系统；紧急情况下使汽车自动制动。装有避撞雷达的汽车上了高速公路以后，驾驶员就可以启动车上的避撞雷达。雷达选好跟随的汽车以后，被跟随的汽车就成了后面汽车的“目标车”，无论前车加速、减速，还是停车、起动，后面的汽车都能在瞬间之内予以模仿。如果前面的汽车在行驶一段时间后，不再适合做自己的“目标车”，驾驶员可以重新选择另一辆“目标车”。

（5） 激光雷达避撞装置

也称防追尾碰撞激光报警装置。它由发光部、受光部、计算车间距离的激光雷达、信号处理电路、显示装置、车速传感器等组成。

激光镜头使脉冲的红外激光束向前方照射，并利用汽车后部反光镜的反射光，通过受光装置检测其距离。使用汽车反光镜，检测距离约为100米，最大检测宽度达3.5米以上。控制部分由微机进行下列运算：本车车速、前方行驶车辆车速、车间距离，根据车间距离和安全车间距离的比较，发出警报声或使报警灯闪烁。显示距离装置安装在仪表盘上。

早期的激光雷达都发出多股激光光束，并依靠前行车反光镜的反射时间来测定与前车的距离。但是由于要对前方车辆进行辨别，因此开始采用扫描式激光雷达。这样，不但至前方车的距离可测，而且其横向位置也可以检测出来。这项技术的进一步发展，可使扫描角度成360°。这时，如果在车辆四角设置类似的扫描式激光雷达，那么车辆四周的障碍物都可以测出。

（6） 其他汽车智能技术

1. 汽车智能“黑匣子”

汽车智能“黑匣子”能客观地记录机动车发生车祸前驾驶员的操作过程，有效地提供驾驶员在事故发生前作出的种种反应。据称，交通事故处理部门安装这种系统后，可随时对穿行在各条公路上的所有汽车进行实时监控，一旦发生车祸，距离事故发生地点最近的交通事故处理中心可以在几秒钟之内获取撞车时的驾驶速度、车内乘客伤亡情况等信息。由于这一技术的工作原理与飞机上的黑匣子相似，所以又称其为“黑匣子”。这种黑匣子与普通烟盒差不多大小，构件包括可以储存、收集和传输数据的蜂窝电话，其外部有保险装置。车祸发生后，该黑匣子会自动打开，利用传感器记录下汽车的行驶速度以及出车祸时汽车的撞击位置，然后将这些信息传输给中央通信系统。黑匣子内嵌有全球定位系统，该系统负责数据处理与传输功能。

1. 汽车智能驾驶系统

汽车智能驾驶系统相当于机器人，能代替人驾驶汽车。它主要依靠安装在前、后保险杠及车身两侧的红外线摄像机，对汽车前后左右的一定区域进行不停的扫描和监视，车内的计算机、电子地图、光化学传感器等装置，对红外线摄像机传来的信号进行分析计算，并根据道路交通信息管理系统传来的交通信息，代替人的大脑发出的控制指令，指挥控制系统执行机构操控汽车。

1. 汽车智能轮胎

轮胎内装有计算机芯片或将芯片与轮胎相连接。计算机芯片能自动监控并调节轮胎的行驶温度和气压，使轮胎在不同条件下都能保持最佳的运行状况，既提高了安全系数，又节省了开支。更为先进的智能轮胎还能在探测出结冰的路面后变软，使牵引力更好；在探测出路面的潮湿程度后，还能自动改变轮胎的花纹，以防打滑。

1. 汽车智能悬架

汽车智能悬架系统中的电子控制装置可根据路面情况，调节悬架弹性元件的刚度和减振器的阻力，使振动和冲击迅速消除。此外，智能悬架还可以自动调节车身的离地高度，使汽车即使在崎岖的路面上行驶也不会碰到路面障碍，从而使乘客倍感平稳和舒适。

1. 汽车智能钥匙

这种智能钥匙能发射红外线信号，既可打开车门、行李箱和燃油加注孔盖，也可以操纵汽车的车窗和天窗。更先进的智能钥匙则像一张信用卡，当驾驶员触到车门把手时，中央锁控制系统即开始工作，并发射出一种无线查询信号，智能钥匙作出正确反应后，车锁便会自动打开；而且只有当中央处理器感到智能钥匙卡在汽车内时，发动机才会起动。

1. 汽车智能安全气囊

汽车智能安全气囊是在普通安全气囊的基础上增设传感器和与之相匹配的计算机软件而构成。质量传感器能根据质量感知是大人还是小孩；红外线传感器能根据热量探测座椅上是人还是物体；超声波传感器能探明乘员的存在和位置等。计算机的软件则能根据乘客的身体状态、所处位置、是否系安全带以及汽车碰撞速度和碰撞程度等，及时调整安全气囊的膨胀时机、膨胀速度、膨胀程度，使安全气囊对乘客提供最合理、最有效的保护。

1. 汽车智能空调

智能空调系统能根据外界气候条件，按照预先设定好的指标对车内的温度、湿度、空气清洁度进行分析、判断，以便及时自动打开制冷、加热、去湿及空气净化装置，并调节出适宜的车内空气环境。在先进的安全汽车上，智能空调系统还能与其他系统配合发挥更好的作用。

1. 汽车夜视系统

英国牛津大学发明了汽车夜行器，该系统利用红外线技术能使驾驶员在黑夜里看得更远、更清楚。夜视系统由两部分组成：一部分是红外摄像机，另一部分是安装在挡风玻璃上的光显示系统。装上这种夜行器后，驾驶员通过光显示系统可像白天一样看清路况。当两车交会时，它可以大大降低前方汽车车前灯强光对驾驶员视觉的不良刺激，还可以提高驾驶员在雾中行车时的辨别能力。为看清车后的情况，研究人员又研制出了一种新型后视镜，当后方来车的大灯照在前车的后视镜上时，自动感应装置可随之使液晶玻璃反光镜表面反光柔和，使驾驶员不眩目。

1. 驾驶员分神监视系统

澳大利一家公司研制出的一种安装在汽车仪表盘上的监视系统，能利用目光跟踪技术判断驾驶员是否注意路况，在驾驶员打磕睡时及时发出提醒。这种监视系统采用两个摄像机，可持续不断地观察驾驶员的面部，包括耳朵、鼻子和下巴的方位，据此来计算眼睛所处的位置，追踪其眼白和虹膜的状态。然后这一系统将当前虹膜的形状与计算机模型对比，分析驾驶员的视线方向。此误差可达到3°以内，这一精度足以判断驾驶员是否注意路面。

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