智能交通系统在中国的应用前景分析

城市交通他山之石UrbanTransportofChina2002年第3期34智能交通系统在中国的应用前景分析陈雪明1美国ITS发展历史的简单回顾1.1ITS定义虽然ITS没有为各方所接收的统一定义，但从技术层面上来讲，ITS运用以计算机、通讯和控制技术，即3C技术（Computer,Communication和Control）为代表的现代科技对交通系统进行控制和管理。ITS涉及的技术领域很广，包括影像处理、土木工程、电子工程、机械工程、工业工程、交通工程、计算机科学、运筹学以及车辆控制等领域。系统工程原理是ITS项目的灵魂，而信息流则是ITS研究的重点。ITS代表了一种最高层次的交通系统管理技术，旨在以较低的造价和较短的时间来提高交通系统效率，降低交通拥挤，减轻空气污染和节省能源。交通系统管理技术至少包括4个层次：－第一层次：交通信号同步化，信号机更新，以及简单的交通工程项目；－第二层次：公共汽车优先项目；－第三层次：计算机化交通信号控制和通讯联网；－第四层次：聪明走廊和智能交通系统，包括中央交通控制中心。层次越高，技术越复杂和先进，建造和维护费用也越高。1.2美国ITS发展的历史回顾在美国，ITS的正式命名是在1994年，其前名为智能车辆公路系统(IntelligentVehicleHighwaySystem,IVHS)。虽然对ITS的大规模研究和开发应用只有10年左右的时间，但对ITS技术有关的研究一直可以追溯到1950年代。美国私人公司在1950年代就开始对汽车的自动控制系统进行研究。美国政府交通部门在1960年代开始对电子线路诱导系统(ElectronicRouteGuidanceSystems,ERGS)进行研究。但总体而言，这一时期美国对ITS的研究不像现在这样积极投入。主要原因包括：1)当时的交通发展重点是建设全国州际高速公路系统；2)交通拥挤状况不像现在这样突出；3)交通系统管理和交通设施维护不为交通部门重视，不是整个交通的主流。但是，在同一时期，欧洲、日本和澳大利亚等发达国家却对交通系统管理和控制技术的研究非常重视，并且逐步领先于美国。英国道路交通研究所(TransportandRoadResearchLaboratory,TRRL)在1960年代末就开始研制城市交通的区域信号网络协调配时优化设计控制程序TRANSYT(TrafficNetworkStudyTool)。1970年代TRRL又研制出第二代的区域交通信号网络优化实时控制系统SCOOT(SplitCycleOffsetOptimi-zationTechnique)，并取代了TRANSYT被广泛应用。澳大利亚研究的SCATS(SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem)也非常成功。1980年代以后，欧洲10多个国家投资50多亿美元，开始了DRIVE(DedicatedRoadInfrastructureforVehicleSafetyinEurope)项目和作为EUREKA计划一部分的城市交通UrbanTransportofChina他山之石2002年第3期35PROMETHEUS(ProgrammedforaEuropeanTrafficSystemWithHighestEfficiencyandUnprecedentedSafety)项目，并在建造欧洲车辆安全专用道路基础设施和其他技术方面取得了相当的成功。与此同时，日本也形成了官方、民间、私人公司和学术机构的ITS协调机制，开始了庞大的AMTICS(AdvancedMobileTrafficInformationandCommuni-cationSystem)项目和RACS(Road-AutomobileCommunicationSystem)项目。由于受到这些外来的刺激，更由于1980年代后美国大规模的全国州际高速公路系统建设已经告一段落，交通发展重心逐步由交通系统建设转向交通系统管理，日益恶化的交通拥挤和无力继续扩展交通系统构成了深刻的矛盾，同时当时的计算机和通讯技术已经开始蓬勃发展，美国在1980年代末期终于再次对ITS加以重视，并且奋起直追。凭借其雄厚的科技实力，美国现在终于赶上和超过欧洲和日本在这一领域里的研究水平。以下为1980年代末期至今在美国发生的主要ITS事件：－1986年：联邦、州、学术界和私人公司代表成立2000年行动小组(Mobility2000)，对IVHS在美国的应用前景进行评估，并草拟联邦交通法来推动IVHS的研究；－1990年：美国IVHS协会(IntelligentVehicleHighwaySocietyofAmerica,IVHSAmerica)在首都华盛顿正式成立；－1991年：国会通过《综合地面交通效率法案》(IntermodalSurfaceTransportationEfficiencyAct,ISTEA)，IVHS研究正式开始。由美国交通部负责全国IVHS的开发工作，并在1991年以后的6年中由联邦政府拨款6.6亿美元经费用于研究和开发IVHS技术；－1992年：IVHSAmerica向美国交通部提出全国IVHS发展规划；－1994年：IVHS改名为ITS，美国IVHS协会改名为美国ITS协会；－1995年：美国交通部公布国家ITS系统项目规划；－1996年：美国交通部长费得里科裴纳(FedericoPena)宣布实施时间节省行动计划(OperationTimeSaver)，将在10年内在75个都会地区建立智能交通基础结构(IntelligentTransportationInfrastructure,ITI)；－1997年：自动公路系统在圣地亚哥首次展示，大获成功；－1998年：国会通过《21世纪交通平等法案》(TransportationEquityActforthe21stCentury,TEA-21)，在1998年以后的6年中由联邦政府拨款13亿美元经费用于研究和开发ITS技术。根据全国ITS系统项目规划，美国ITS的研究、开发和应用主要在4条ITS优先走廊(南加州走廊、东北走廊、中西部走廊和休士顿走廊)内进行。从现在起到2011年，美国政府和私人公司将投资2,000亿美元建造全国ITS系统，包括智能交通基础结构和智能车辆系统，其中80％将由私人公司以各种方式提供。目前，美国对以下领域的研究和开发正在逐步完善，并趋完成：－用户服务功能(UserServices)；－全国ITS系统结构(NationalITSArchitecture)；－全国ITS标准(NationalITSStandards)；城市交通他山之石UrbanTransportofChina2002年第3期36－ITS系统整合(ITSSystemIntegration)。ITS除了在道路交通和车流控制方面得到广泛应用以外，在公共汽车信号优先以及商用车辆运行管理方面也得到了逐步的应用，并且取得了相当的成功。1.3美国ITS项目的规划原则和过程1.3.1ITS项目的规划原则－建设技术上相互接口，区域间相互协调的交通系统：这是ITS系统最关键的要求；－支持应用研究和技术转移：使得ITS尽快地从实验室研究变成技术产品推向市场；－保证ITS技术和用户服务安全可靠，价格低廉：这里涉及到ITS产品的效率问题，要保质保量，同时要降低成本；－将ITS发展成一个新的产业，鼓励私人公司加入：私人公司通常提供各种服务(Vendors)，而政府部门则制定政策和协调ITS技术的发展。1.3.2ITS项目的规划过程－确定用户要求：知道用户需要什么样的ITS服务，而确定用户要求之前，必须先对用户进行调查；－调查现有交通基础结构设施：要首先调查清楚现有的交通设备，作为建造新的ITS系统的基础；－设计运行规则：要规定各交通部门在操作和应用ITS系统时的具体规则。例如，一个交通部门可以查看和共享另一个交通部门的交通数据和图像，但在没有事先征得另一个交通部门同意以前不能随便指挥和控制其所属的交通系统；－提出系统要求：如何提供ITS系统功能来满足用户的需求；－确定系统结构：要采用开放分散式系统方法来设计各交通系统之间的关系；－进行高层次设计：对ITS项目的逻辑结构进行设计，并且初步确定所需要的硬件和软件；－进行详细设计：对ITS项目的详细物理结构进行设计，最终确定计算机硬件、软件、通讯设备和网络连接细节；－执行ITS项目：实施规划设计和系统整合；－调试和接收：对完成的ITS项目进行实地测试和接收；－运行和技术人员培训：进行具体运行，编制培训手册，对操作人员进行培训。2中国大城市交通问题以及ITS在中国应用中应注意的几种关系2.1中国大城市交通问题以及对ITS应用的影响同发达国家相比，中国城市化水平和私人小汽车保有率较低，但城市人口密度高，交通需求量大。由于历史原因，中国城市道路交通基础设施十分薄弱，因此造成交通拥挤十分严重，给城市居民出行带来了极大的困难。与此同时，高密度的城市用地使得城市建成区难以通过大幅度扩大道路通行能力来改善交通状况。在这样一种情形下，ITS在中国的应用是十分迫切的。ITS可以通过提高交通系统效率来降低交通拥挤，同时又城市交通UrbanTransportofChina他山之石2002年第3期37避免修建大量道路带来的征地、拆迁和其他严重环境影响。必须指出的是，中国大城市交通中的一些具体问题对ITS技术在中国的应用有直接的影响。2.1.1道路容量严重不足，车多路少，现状道路潜力小中国道路用地占整个城市用地的比例相当低，远远低于发达国家20％的平均水平，道路窄且道路网稀疏。这种道路用地严重不足的情形在旧城尤其严重。中国道路用地高度紧张的情形一时可能不会改变。而汽车增长速度要远远快于道路增长速度，这就导致了车速下降，交通堵塞恶化。中国道路低密度和严重交通拥挤决定了许多同高级出行者信息系统有关的改道措施实际作用非常有限，因为在所有道路都拥挤的情况下，即使出行者知道交通拥挤的信息也无法改道。ITS应用必须同现有的道路基础设施结构相适应。道路容量本身不足制约了ITS的应用。只建造中央交通信号系统，但不改善拥挤路口的容量将事倍功半。中国有些特大城市全天交通拥挤，使得许多交通量无法从高峰时段向非高峰时段扩散。2.1.2居民出行以公共汽车为主尽管中国的公共交通日趋萎缩，十分艰难，但在居民出行中仍占极其重要的位置。根据预测，到2010年，居民出行将出现以下的交通工具分布状态：－公共汽车：25－35％；－轨道交通：5－10％；－公用和家用小汽车：10－15％；－自行车、步行：40－60％。公共汽车在中国的特别重要性决定了高级公共交通系统在中国的重要性。虽然中国机动车增长极快，但城市中机动车成为主要交通工具的可能性不大。大众交通工具仍是今后中国交通发展的趋向。2.1.3道路上机动车和非机动车混合车流，对ITS提出了更高的要求中国交通中机非不分的现象十分严重，造成交通混乱。因此，理想的车辆感应器必须既能监测汽车，又能监测摩托车和自行车。这就对车辆感应器提出了比美国更高的要求。中国交通信号灯尚要增加步行时相，以方便行人通过。如果能在交通管理上先将混合车流的问题解决，那么ITS应用的有效性可能大为提高，否则交通监测的效果将大打折扣。2.1.4城市内外用地密度存在较大差别目前中国交通情况和美国第二次世界大战后的交通情况相似，旧城交通极其拥挤，郊区化刚刚开始，高速公路正在快速建设。新城建设可以考虑引进全新的ITS技术和设备，而在旧城，交通改造必须更多地考虑现有的交通控制设备，对其进行改造和利用。城际高速公路上引进电子无人收费技术显然是一个发展方向。在城内，可能要先考虑提高现有道路交叉口的通行能力，再对现有信号灯进行改进，然后再引进ITS技术。2.2ITS在中国应用中应注意的几种关系2.2.1地面道路工程项目和ITS的关系一般来说，道路工程项目造价较高，但城市交通他山之石UrbanTransportofChina2002年第3期38对道路通行能力的提高有较大的影响。而ITS造价较