美国智能交通框架集标准介绍

　　美国ITS介绍

随着发达国家交通发展重点从交通系统建设向交通系统管理的转移，对ITS的研究和应用进度有越来越快的趋势。从本质上说，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。当然，ITS仍然不能代替重大交通工程项目，而只能从管理上来提高交通系统效率。下面我们就ITS的主要技术特征和在美国南加州的应用情况给大家一个介绍。

美国ITS的发展

ITS从技术层面上来讲是运用以计算机，通讯和控制技术，即3-C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。在洛山矶的交通规划中，交通系统管理技术包括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。

根据美国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。同时ITS规划正在逐步地融入交通规划的主流，许多交通规划都将ITS技术因素考虑在内。一个ITS时代正在到来，并将成为21世纪美国交通的希望之光。

ITS主要用户服务功能

ITS的用户服务功能经常在变化中。如表一所示，目前的ITS用户服务功能包括了7大领域(基本系统)，和32个详细用户服务功能(子系统)。

表一ITS主要用户服务功能

ITS基本系统：　　ITS子系统：

出行中交通信息　　出行和交通管理

交通需求管理

公共交通运行

电子付款服务

商用车辆运行

交通需求管理　　出行前交通信息

汽车共乘和预约服务

需求管理和运行

公共交通运行　　公共交通管理

出行中公共交通管理

随需求而定的公共交通管理

公共交通安全

电子付款服务

商用车辆运行　　电子付款服务

商用车辆电子通行

自动路边安全检查

车上安全监视

商用车辆行政过程

危险物品事故处理

商用车辆管理

紧急处理　　紧急通知和个人安全

紧急车辆管理

自动车辆控制和安全系统　　纵向碰撞避免

横向碰撞避免

道路交叉口碰撞避免

碰撞避免中的视力提高

安全准备

碰撞前的紧急安排

自动公路系统

为实现以上的用户服务功能，ITS必须提供相应的系统结构，标准，和技术。

美国ITS系统结构

为了便于在研究，开发和应用ITS技术时使用相同的技术语言，必须设计出为各方所接受的ITS系统结构。ITS系统结构旨在确定ITS子系统的边界以及子系统组成部分，定义各子系统功能以及相互关系，为ITS的规划，设计和整合提供了一个合理的框架和未来发展的蓝图。由美国交通部ITS办公室牵头，美国ITS协会和许多公家和私人机构参与了全国ITS系统结构的研究和确定。

ITS系统结构包括2个部分：

--逻辑结构：需要什么ITS用户服务功能和信息流?

--物理结构：在什么地点和如何实现ITS用户服务功能和需要什么样的设备?

物理结构包括3个层面：

第一层面：通讯层面(交通子系统之间的信息流和接口设备);

第二层面：交通层面(交通子系统，包括出行者，车辆，管理中心，和路边交通设备4个部分);

第三层面：机构层面(交通机构设置，政策，投资策略，以及公私合作机制)。

ITS物理结构中还有一个叫市场包的概念。市场包代表ITS物理结构中的不同技术组合，用以提供不同的交通服务。以下为几个市场包例子：

--高级交通管理系统(ATMS);

--高级出行者信息系统(ATIS);

--高级公共交通系统(APTS);

--商用车辆运行系统(CVO);

--紧急事件处理系统(EMS);

--高级车辆控制系统(AVCS)。

美国ITS标准

为了具体规定ITS子系统之间的信息流动过程以及接口规范，美国交通部和有关专业协会和机构制定了ITS标准。ITS标准包括以下几大类：

1.美国全国标准研究所制定的标准(ANSI)　　内容：商用车辆的安全和资质认定。

2.美国测试和材料协会制定的标准(ASTM)　　内容：短程通讯技术。

3.电子工业联盟制定的标准(EIA)　　内容：数据无线电传输。

4.美国电子和电机工程师协会制定的标准(IEEE)　内容：微波通讯，数据字典，车流和路边通讯等。

5.交通工程师研究所制定的标准(ITE)　　内容：信号机，功能层面交通控制中心通讯。

6.全国ITS交通通讯标准规范(NTCIP)　　内容：综合性的标准规范，涉及小汽车，公共汽车等多种交通工具的数据传输等。

7.汽车工程师研究所制定的标准(SAE)　　内容：ATIS数据字典，紧急事故处理。

ITS技术范畴

不同ITS系统有不同的组成部分，但主要包括以下几类技术：

-交通监测技术：通过感应圈，红外线，闭路电视摄像，卫星定位系统等技术对交通车辆进行监测，收集交通数据和图像信息;

--出行者信息技术：出行者可以从多渠道获得交通信息，包括计算机互联网，电话系统，电视系统，和其它;

--控制技术：匝道间的信号灯控制，高速公路间的信号灯控制，先进交通信号系统，等;

--通讯技术：光纤，租用电话线，无线通信，等;

--数据处理技术：数据库处理，车流量预测数据，交通控制数据处理。

任何一个独立的ITS系统至少包括3个组成部分：交通控制系统，通讯系统，以及路边交通控制设备。

ITS系统整合

除了上述单一ITS交通系统以外，ITS的一个主要特点是用最新通讯技术将不同和独立的交通系统连接起来，来达到共享数据图像以及协同管理整个区域交通系统的目的。这种系统整合的最常用系统结构就是所谓的开放分散式系统结构。

开放式结构将不同交通系统整合在一起，打破不同厂商制造的产品之间的相互不兼容，形成一个系统之系统，使得设计的ITS系统和全国ITS系统结构以及ITS标准相一致。开放式结构要求ITS交通系统的各个部分，例如，硬件，软件，和数据结构，采用一个定义好的，能够控制的数据借口。如果一个交通系统已经采用了开放式系统结构，那么这个子系统(Seed)就可以直接通过网络连接到核心(Kernel)上去。相反的，如果现有交通系统属于特定厂商的产品(ProprietarySystem)，并且只能在特定的平台(Platform)上运行，那么必须将该系统先转换成一个开放式种子系统，再连接到网络上去。因此，这种系统结构也叫种子-核心(Seed-Kernel)系统。而分散式系统的最大技术特征是让各个子系统保持相对独立，拥有自主权，而相互之间又能够通过连接区域计算机网络共享数据和图像等信息，整个系统没有中央控制以保持各子系统之间的相对平等。这种结构最常用的一种数据计算形式就是所谓的共同目标请求经纪人结构(CORBA)。

由于公共交通在中国交通中的特别重要性，以下集中介绍公共汽车信号优先方面的技术。这种技术对于提高在混合车流中行驶的公共汽车服务质量是十分重要的。

ITS在公共交通应用中的最新成果：公共汽车信号优先技术

同私人汽车相比，公共汽车可以容纳更多的乘客。公共汽车信号优先技术使得公共汽车快速通过道路交叉口，从而可以提高道路的整体通行能力。

有两类公共汽车信号优先技术：被动式(Passive)和主动式(Active)。

--被动式公共汽车信号优先技术就是将道路的交通信号灯按照平均公共汽车行驶速度(而不是平均私人汽车行驶速度)来进行同步配时，从而有利于公共汽车较快速度在道路上行驶;

--主动式公共汽车信号优先技术是应用ITS技术来提高公共汽车运行速度，使得公共汽车更加准时和提高其运行效率。主要的方法是对交叉口的晚点公共汽车在红灯时提前给予绿灯，同时对正在交叉口内行驶的晚点公共汽车延长绿灯时间使其有足够的时间来通过交叉口。一般来说，对于准点的公共汽车就不必给予信号优先。BSP通常指的就是主动式公共汽车信号优先技术。如图四所示，主动式公共汽车信号优先技术的关键是要确保公共汽车和交叉口信号机之间有无线通讯。

公共汽车信号优先过程包括4个阶段：

第一阶段：确定公共汽车位置

确定公共汽车到达的地点，以确定交叉口是否要进行信号优先。这一功能也提供位置数据给公共汽车上的处理器以确定汽车是否晚点。

第二阶段：公共汽车向交叉口的信号机提出信号优先请求

由公共汽车上的处理器来执行，对汽车到达设定点后是否要提供信号优先作出决定。决定的因素包括目前公共汽车所在的位置，公共汽车行驶的方向，公共汽车是否晚点，以及汽车上的乘客数等。

第三阶段：交叉口的信号机同意公共汽车提出的信号优先请求

是否给予信号优先取决于许多因素，例如，一天里的时间，手工强行使信号灯变绿(ManualOverride)的可能性，当地的交通状况，信号机的状况。这一过程一般在交叉口执行，但在洛山矶市控制的交叉口，可能要由市交通局的公共交通规划管理人员(TPM)同意公共汽车提出的信号优先请求。一般收到公共汽车优先的请求后，需要对实时的交通数据来确定到底如何进行。

第四阶段：实施信号优先

根据公共汽车和前方交叉口的相对位置，通过信号机调整信号时相，使得信号灯提前变绿灯，或延长绿灯时间，以便公共汽车能够顺利地通过前方的交叉口。如果公共汽车到达时正好碰到绿灯，或者公共汽车没有晚点，那么信号时相保持不变。

ITS项目的规划原则和过程

ITS项目规划秉持以下4个原则：

--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，而政府部门则制定政策和协调ITS技术的发展。

ITS项目的2个着眼点是建立智能交通基础设施和制造智能车辆。ITS项目规划过程大致如下：

--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，逼供内切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。

ITS实例之一：洛杉矶市自动交通监测和控制中心(ATSAC)

洛杉矾市ATSAC于1984年的奥运会开始兴建，最初只限于奥运会主会场-洛杉矶纪念体育场地区，后来逐步扩展到全市。目前ATSAC控制2449个有信号灯控制的交叉口。整个洛杉矶市有4285个有信号灯控制的交叉口，而ATSAC就控制了全市57%的交叉口。另有286个交叉口ATSAC工程正在建设。已经获得经费未来将建的交叉口有460个。只剩下l090个交叉口仍然需要资助，设计和建造.

在ATSAC内，计算机交通控制系统监控全市的交通状况和系统性能，选择最适合的信号时相连行配时和进行设备检查。道路上埋设的感应圈可以监测车辆的通过，车速，流量，并且每秒钟修改数据。交通信号时相可以通过计算机自动调整或通过手工来调整。除了感应圈以外，还装了闭路电视摄像机来观察关键路段的交通情况。全市大约安装了15O个闭路电视摄像机。

ATSAC可以有效地管理车流量，减少时问耽误，并且通过增加软件来扩充系统，对其他交通工具，例如轻轨铁路进行监控。ATSAC的最新技术发展是建造自适应车流控制系统(ATCS)，可以根据流量大小来调整信号时相，使得道路通行能力得到最有效的利用，从而改善车流速度。

ATSAC是一个获得全国交通奖项的自动车辆监测和控制系统。这个系统已经带来了明显的交通效益。同传统的交通信号控制技术相比，ATSAC系统平均减少出行者12%的出行时间，32%的交叉口耽误和30%的交叉口不必要停车，因此交通效果十分明显。