淺析我國高速公路智能系統(tǒng)的發(fā)展途徑

黃丹陽

(四川省交通運輸廳高速公路監(jiān)控結(jié)算中心)

1 前言

改革開放后，特別是近十年來，在國家加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的導(dǎo)向下，我國的高速公路發(fā)展迅猛，成就令人矚目。截止到2012年底，全國高速公路里程達(dá)9.62萬km，一舉超過美國位居世界第一位。高速公路的飛速發(fā)展勢必帶來其配套智能系統(tǒng)的革新，我國的高速公路智能系統(tǒng)與國外發(fā)達(dá)國家不同，是隨著高速公路的大規(guī)模建設(shè)而逐步開展起來的，其發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于高速公路的修建速度。

隨著我國汽車保有量的逐年上升，越來越多的人選擇快捷方便的高速公路出行，這也造成了高速公路安全事故頻發(fā)，各種違法違規(guī)事件層出不窮。國外經(jīng)驗證明，一旦智能交通系統(tǒng)投入使用，交通事故最高可減少80%。美國智能交通協(xié)會主席柯林斯曾言，智能交通的應(yīng)用可使現(xiàn)有交通安全水平提高一倍。因此，高速公路智能系統(tǒng)的運用已經(jīng)成為亟待解決的一項命題。

高速公路智能系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transportation System)的重要組成部分，是針對傳統(tǒng)交通處理技術(shù)不能安全解決高速公路交通系統(tǒng)中日益增加的新問題而提出的一種解決方法。其通過對關(guān)鍵基礎(chǔ)理論模型的研究，利用先進(jìn)的信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)、自動控制理論、運籌學(xué)、人工智能等有效地綜合運用于高速公路交通系統(tǒng)，把車輛、道路、交通參與者三者之間緊密聯(lián)合起來，從而形成一種安全、準(zhǔn)確、高效的綜合系統(tǒng)。高速公路智能系統(tǒng)技術(shù)可以極大地提高工作效率，有效地降低交通事故，減少對環(huán)境的破壞，節(jié)約能源。因此，ITS的應(yīng)用已經(jīng)成為高速公路交通發(fā)展的必然趨勢。

2 國內(nèi)外高速公路ITS發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

美國、日本和歐洲是目前高速公路智能系統(tǒng)研究和運用的領(lǐng)跑者。

美國在20世紀(jì)60年代末期就開始了智能系統(tǒng)方面的研究。1990年8月，美國成立了智能運輸車路系統(tǒng)組織，該組織建立了一個基于用戶需求與目標(biāo)的智能運輸系統(tǒng)開發(fā)與實施框架計劃，確定了系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)，定義了7個服務(wù)領(lǐng)域的29項用戶服務(wù)功能。隨后在20世紀(jì)70年代，日本開始了ITS在交通領(lǐng)域的研究。日本ITS體系結(jié)構(gòu)研究采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ褂媒y(tǒng)一的建模語言，給出10個領(lǐng)域21項服務(wù)，從而形成一個包含發(fā)展領(lǐng)域、用戶服務(wù)、特定用戶服務(wù)和子服務(wù)4個層次的系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)，建立了ITS體系的邏輯框架與物理框架。歐洲從1986年也開始涉足ITS的研究。其ITS體系框架研究始于1998年，由荷蘭運輸部門領(lǐng)導(dǎo)，采用面向過程的方法建立，與美國統(tǒng)一規(guī)劃自上而下不同的是，其采用自下而上的方式。

而在高速公路ITS的應(yīng)用層面，日本扮演了領(lǐng)頭羊的角色，其已經(jīng)在全國所有高速公路干線實現(xiàn)了道路交通情報通信系統(tǒng)VICS(Vehicle Information and Communication System)的運用并取得了良好的效果。VICS以提高道路交通的安全性和通暢性、改善道路環(huán)境為目的，通過GPS導(dǎo)航設(shè)備、無線數(shù)據(jù)傳輸、FM廣播系統(tǒng)將實時路況信息和交通誘導(dǎo)信息即時傳達(dá)給交通出行者，從而使得交通更為高效便捷?？h級警察機(jī)構(gòu)和道路管理者先把有關(guān)的道路交通信息傳送到道路交通信息中心，然后再傳送到VICS中心(24 h全天候工作)，其他方面的信息也被匯集到VICS中心，由VICS中心處理加工成便于利用的形式提供給用戶。在高速公路上使用電波信標(biāo)，可以提供200 km范圍的道路信息。汽車用戶通過安裝在汽車上面的VICS車載機(jī)來接受VICS中心所提供的實時交通信息。用戶通?？梢缘玫饺N形式的信息:文字顯示、簡易圖形顯示和地圖顯示。VICS所提供的信息可以使駕駛員明確掌握各種情況，達(dá)到保障交通安全、節(jié)約能源的功效。VICS目前是世界上最成功的道路交通信息提供系統(tǒng)，是ITS在高速公路上成功運用的典范，具有極大的參考和借鑒意義。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國早在20世紀(jì)70年代末就開始在交通運輸和管理中試驗和應(yīng)用電子信息技術(shù)來改善交通管理。1998年初，為推動中國ITS的發(fā)展，由科技部牽頭聯(lián)合國家十幾個部委聯(lián)合建立了發(fā)展ITS的政府協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)——全國智能運輸系統(tǒng)協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組及辦公室，并成立了ITS專家咨詢委員會。通過各企事業(yè)單位、科研機(jī)構(gòu)以及各大高校的多年努力，我國已經(jīng)培養(yǎng)出一系列從事ITS方面研究的專業(yè)人才并且也研發(fā)出了具有一定市場競爭力的產(chǎn)品。

按高速公路ITS系統(tǒng)的服務(wù)功能，高速公路ITS的構(gòu)成一般分為五點。

(1)先進(jìn)的交通監(jiān)控與管理系統(tǒng)。限于建設(shè)成本的壓力，我國高速公路的監(jiān)控設(shè)備數(shù)量上不足以完成對各路段無盲點的監(jiān)控，目前全國各省份主要是通過外場設(shè)備(如攝像機(jī)、車輛檢測器、氣象監(jiān)測器等)實現(xiàn)監(jiān)視功能，并沒有達(dá)到諸如預(yù)警、電腦自動處理事件的ITS功效。雖然一些區(qū)域可以通過可變情報板和可變限速標(biāo)志發(fā)布誘導(dǎo)信息，但是由于沒有ITS系統(tǒng)專家數(shù)據(jù)庫的支撐，只能通過人為信息發(fā)布，不能保證實時性和快速性。

(2)集成的信息服務(wù)系統(tǒng)。目前基于GIS平臺的信息服務(wù)系統(tǒng)已初步運用于各大省市，平臺借助網(wǎng)站或者手機(jī)APP可以集中展示諸如實時路況、收費站、服務(wù)站之類的公共信息，大大方便了民眾的出行。

(3)電子收費系統(tǒng)。對于不停車收費系統(tǒng)(ETC)一直是各省市研究發(fā)展的重點，并且也取得了顯著的成效，如京津范圍內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)收費大大縮短了用戶收費站口的等待時間，但是對于全國范圍聯(lián)網(wǎng)的ETC建設(shè)仍然任重而道遠(yuǎn)。

(4)運輸管理系統(tǒng)。為保證運輸企業(yè)效益最大化的服務(wù)功能，還需ITS子系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)。

(5)安全保障系統(tǒng)。路段上的可變情報板和可變限速標(biāo)志有一定的安全警示作用，由于缺乏預(yù)警機(jī)制，一般通過人工求救現(xiàn)場救援的方式進(jìn)行處理。

可以說我國高速公路ITS的發(fā)展還處于初步階段，各省市的發(fā)展情況也差距較大，要實現(xiàn)真正的高速公路智能交通還有很長的路要走。

3 我國高速公路ITS的發(fā)展途徑

上節(jié)提到高速公路ITS是一個綜合性的多功能系統(tǒng)，其發(fā)展的核心是發(fā)展智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)路段全程監(jiān)控是智能監(jiān)控系統(tǒng)需要達(dá)成的目標(biāo)。監(jiān)控中心通過對路段上每一輛車輛的信息反饋，可以實現(xiàn)實時控制每個路段的最高限速，可以及時發(fā)現(xiàn)并處理緊急事故，可以給車主提供事故預(yù)警、天氣路況提醒、收費站和服務(wù)區(qū)提示等一系列功能，從而使高速通行更加暢通、舒適和安全。

日本高速公路VICS每200 m設(shè)置一個傳感器的方式需要浩大的工程量和巨大的資金支持，鑒于我國高速公路的長里程性及各地區(qū)發(fā)展的差異性，顯然不適合我國國情。硬件條件的不滿足促使向軟件方面想辦法，其必須滿足高速公路行駛的每輛車都能使用的基礎(chǔ)條件，目前的方向一般有兩個，一是從高速公路通行卡入手，二是從車載導(dǎo)航入手。二者都是通過把智能監(jiān)控系統(tǒng)融入其中，實現(xiàn)車輛與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換和各項應(yīng)用功能，其本質(zhì)是一樣的，只是通過高速公路通行卡的方式僅限于高速公路范圍的監(jiān)控，而車載導(dǎo)航可以實現(xiàn)市區(qū)ITS的接入，為以后整個路網(wǎng)ITS的發(fā)展做出鋪墊。

高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)置于高速公路通行卡和車載導(dǎo)航中，主要包括以下幾大模塊。

(1)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。其主要功能是實現(xiàn)車輛和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)連接(可通過4G技術(shù)滿足其快速性的要求)，監(jiān)控中心接收實時路況及車輛的各類信息(包括經(jīng)緯度、海拔、速度、時間、編號數(shù)據(jù)等)，對其進(jìn)行分析和處理后，將提示信息通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳遞給高速公路通行卡或車載導(dǎo)航，對車輛進(jìn)行阻斷、事故、天氣等提醒。

(2)衛(wèi)星導(dǎo)航模塊。通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或者GPS對汽車定位，實現(xiàn)在監(jiān)控中心的GIS平臺上分路段實時顯示各車輛的精確位置。監(jiān)控中心對于非收費站和服務(wù)區(qū)的車輛集中區(qū)域可以快速定位并且做出相應(yīng)的應(yīng)變措施，同時對于汽車行駛路線的監(jiān)控對收費監(jiān)管也能起到一定作用。

(3)計算控制模塊。用于處理衛(wèi)星導(dǎo)航模塊提供的數(shù)據(jù)。

(4)存儲模塊。存儲歷史數(shù)據(jù)和計算控制模塊處理后數(shù)據(jù)。

(5)語音輸出模塊。用于語音提示駕駛員路況、天氣、事故等信息。

當(dāng)攜帶有高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)的車輛進(jìn)入高速公路時，系統(tǒng)開始工作。通過衛(wèi)星導(dǎo)航模塊可以獲得車輛的速度、地理位置、時間等數(shù)據(jù)，計算控制模塊將這些數(shù)據(jù)處理過后與存儲模塊中的歷史數(shù)據(jù)相比較，可以判斷出車輛是否超速、驟停等，同時通過無線傳輸模塊將異常信息傳輸給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心處理后再回傳給相關(guān)范圍內(nèi)的車輛，通過語音輸出模塊的提示以保障行車安全。同時對于外場監(jiān)控設(shè)備采集到的天氣狀況、路面狀況和路政反饋的道路養(yǎng)護(hù)情況也可以通過語音輸出模塊告知駕駛員。不同的是，集成于高速公路通行卡的高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)需要增加相應(yīng)的供電模塊，其可以采取提供車載充電接口的方式以達(dá)到長時間的續(xù)航能力。

高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對高速公路上行駛車輛的有效監(jiān)管，降低違章率，降低事故率，從而達(dá)到減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的目的。

4 結(jié)論

集成于高速公路通行卡和車載導(dǎo)航的高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)理論上都能滿足路段全程智能監(jiān)控的目的，高速公路通行卡的優(yōu)勢在于便于管理、使用方便，劣勢在于易損、維修不便;而車載導(dǎo)航的優(yōu)勢在于使用壽命長，劣勢在于專用導(dǎo)航價格偏高、普及率低。當(dāng)然，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，上述劣勢將會逐漸淡化，而智能交通系統(tǒng)為交通參與者帶來的快速、安全、舒適等特質(zhì)將促使高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)大范圍普及，同時也大大提高了交通監(jiān)管部門的管控效率和成效。當(dāng)各級監(jiān)控中心真正實現(xiàn)專家控制時，也就是整個高速公路智能化的階段性勝利，那么高速公路無人駕駛也將不再遙不可及。

［1］梁峰.國外的交通［M］.北京:中國社會出版社，2006.

［2］陳啟美，金凌，王從俠.高速公路通信收費監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成與進(jìn)展［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［3］劉轟，王瑞，楊根成等.國家高速公路智能全程監(jiān)控系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011，(8):204-208.

［4］湯立峰，牛渝.淺談高速公路智能全程監(jiān)控系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)［J］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2013，(9).

［5］齊曉杰，王艷奐，蘇清源等.公路智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.黑龍江交通科技，2009，32(4):138-139.