智能交通系統(tǒng)發(fā)展歷程與我國數(shù)字化轉(zhuǎn)型

鄭健壯，張嘉旎，邵 勇

(1.浙大城市學(xué)院 商學(xué)院，杭州 310015；2.浙江大學(xué) 工程師學(xué)院，杭州 310015；3.浙江高信技術(shù)股份有限公司，杭州 310020)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，快速增長的城市人口導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車數(shù)量爆炸式增長，直接引發(fā)城市內(nèi)部及城市間交通擁堵和環(huán)境污染等嚴(yán)重社會(huì)問題，也間接導(dǎo)致了人們出行時(shí)間的增加、生活質(zhì)量的下降以及社會(huì)資源的浪費(fèi)。面對(duì)上述問題，除積極建設(shè)和完善更多的交通基礎(chǔ)設(shè)施外，以智能交通系統(tǒng)ITS (Intelligent Transportation System)為代表的先進(jìn)道路交通管理技術(shù)也隨之而生，其中機(jī)動(dòng)車保有量快速增長與城市(或城市間)道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度之間的不匹配是ITS產(chǎn)生的主要原因[1-2]。ITS，一般是指使用先進(jìn)的通信和控制技術(shù)，借助系統(tǒng)的智能化技術(shù)，將道路、駕駛員和車輛等相關(guān)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)最安全和最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式[3]，主要包括車載智能系統(tǒng)、信息交流系統(tǒng)及交通管理系統(tǒng)等。目前，美國智能交通的應(yīng)用率已達(dá)80%以上[4]，同時(shí)其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)也處于全球領(lǐng)先地位。中國作為ITS起步較晚的國家，目前仍與發(fā)達(dá)國家存在一定差距。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革迅猛發(fā)展的契機(jī)下，促使各行各業(yè)推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，而數(shù)字化轉(zhuǎn)型是對(duì)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)性的重新定義，在其推進(jìn)過程中，普遍面臨戰(zhàn)略不明確、路徑不清晰、過程方法缺失、價(jià)值難獲取等問題和挑戰(zhàn)。本文系統(tǒng)總結(jié)以美國為代表的發(fā)達(dá)國家ITS發(fā)展歷程，并根據(jù)其內(nèi)在的架構(gòu)邏輯分析我國目前存在的問題，對(duì)我國智能交通系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的內(nèi)涵、基本架構(gòu)以及轉(zhuǎn)型路徑進(jìn)行探討。

1 美國ITS的發(fā)展歷程

美國作為全球ITS應(yīng)用程度較高的國家，從上世紀(jì)60年代至今一直在研發(fā)、應(yīng)用和完善其ITS。按技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣[5]，可劃分為以下4個(gè)階段。

1.1 啟蒙期—發(fā)現(xiàn)管理問題和探索建設(shè)需求

上世紀(jì)60至80年代，是美國ITS的啟蒙期，其主要特征是發(fā)現(xiàn)問題和探索需求。盡管美國的ITS真正系統(tǒng)化的發(fā)展始于上世紀(jì)90年代，但從上世紀(jì)60年代開始就進(jìn)行了大量的前期研究。自上世紀(jì)40年代開始，美國出行機(jī)動(dòng)化增長迅速，機(jī)動(dòng)車數(shù)量急劇增加，美國開始大規(guī)模建設(shè)洲際高速公路，同時(shí)也出現(xiàn)了交通安全及擁堵問題，這促使美國開始探索基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之外的有效交通管理手段。60年代，美國聯(lián)邦政府開始制定安全標(biāo)準(zhǔn)并探索如DAIR(Driver Aid Information and Routing)系統(tǒng)、AVI(Automatic Vehicle Identification System)系統(tǒng)等出行信息服務(wù)和管理技術(shù)[6]。80年代，政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界開始關(guān)注新交通技術(shù)應(yīng)用的潛力，開展一系列試驗(yàn)項(xiàng)目，如加州的燃油節(jié)約交通信號(hào)控制系統(tǒng)等。1989年舉行針對(duì)智能交通技術(shù)的第一次國會(huì)聽證會(huì)，這對(duì)后來智能交通發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[7]。這一階段，基于對(duì)ITS的需求，美國開始對(duì)公路交通這一應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行理論探索和研究，并取得了一定成果，但沒有產(chǎn)生統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，尚未形成系統(tǒng)性的ITS。因此，在解決交通實(shí)際問題方面，并沒有顯著效果。

1.2 發(fā)展早期—提升運(yùn)行效率和形成體系框架

上世紀(jì)90年代至上世紀(jì)末，是美國ITS的發(fā)展早期，此階段主要以緩解交通擁堵為導(dǎo)向并逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)化的ITS。90年代，導(dǎo)航技術(shù)、電子收費(fèi)系統(tǒng)等交通管理手段開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，提升交通系統(tǒng)運(yùn)作效率成為這個(gè)時(shí)期的主要目標(biāo)。同時(shí)，美國開始認(rèn)識(shí)到法律法規(guī)以及政策上的不足，開始對(duì)智能交通的發(fā)展進(jìn)行有目的的規(guī)劃。1991年，美國國會(huì)通過了冰茶法案ISTEA(Intermodal Surface Transportation Efficiency Act)，倡導(dǎo)用先進(jìn)技術(shù)提升交通運(yùn)營安全和效率[8]。聯(lián)邦層面開始構(gòu)建智能車路系統(tǒng)IVHS (Intelligent Vehicle and Highway System)，即現(xiàn)代ITS的前身，主要涉及基礎(chǔ)研究、道路測(cè)試和技術(shù)轉(zhuǎn)化等。1994年，美國交通部正式用ITS一詞代替了IVHS，并成立了領(lǐng)導(dǎo)美國智能交通項(xiàng)目的ITS聯(lián)合項(xiàng)目辦公室[9-10]，形成了涵蓋電子支付服務(wù)、駕駛員和出行者服務(wù)、緊急事件管理、商用車運(yùn)營、公共交通管理等八方面的ITS系統(tǒng)初始框架[11]。此階段，由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)以及通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸有了長足的進(jìn)步，美國ITS進(jìn)入了快速高效的發(fā)展階段，并逐漸形成有體系的ITS。

1.3 發(fā)展中期—聚焦新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用

到21世紀(jì)前10年，現(xiàn)代通訊技術(shù)和云計(jì)算等技術(shù)的出現(xiàn)，使信息的存儲(chǔ)、獲取和傳遞的能力大大提升，美國ITS的發(fā)展開始進(jìn)入數(shù)字化的新時(shí)代。1999年聯(lián)邦通信委員會(huì)分配專用通訊頻段用于提高公路安全與效率后，美國開始重視車輛協(xié)同對(duì)交通的改善，強(qiáng)調(diào)交通技術(shù)和服務(wù)功能的整合提升。2001年美國專用短程通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)通過IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11a作為路側(cè)車輛的DSRC標(biāo)準(zhǔn)[12]。2003年美國交通部發(fā)起了名為VII(Vehicle Infrastructure Integration)的計(jì)劃，由此出現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)的雛形。2004年軍方舉辦的無人駕駛車輛挑戰(zhàn)賽，促進(jìn)了無人駕駛技術(shù)的發(fā)展。2005年，基于IVI(In-Vehicle Infotainment)技術(shù)及對(duì)車輛變換、追尾、駛出路外等問題進(jìn)行深入研究，并逐步形成了輔助駕駛系統(tǒng)。同年，美國國會(huì)從國家層面制定ITS發(fā)展規(guī)劃、成立ITS咨詢委員會(huì)、建立ITS系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系架構(gòu)等，審議通過了“交通平等法案”[13]。這一時(shí)期，美國ITS聚焦新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，從新興技術(shù)的理論研究到實(shí)際應(yīng)用的周期開始縮短。城市交通擁堵、貨運(yùn)交通瓶頸以及技術(shù)改進(jìn)等成為重點(diǎn)關(guān)注問題。

1.4 發(fā)展穩(wěn)定期—注重智能交通出行服務(wù)提升

2010年之后，隨著次貸危機(jī)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)衰退，如何最有效地利用高速公路系統(tǒng)和車輛自動(dòng)化成為這一時(shí)期關(guān)注重點(diǎn)。與此同時(shí)，通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)與人工智能等技術(shù)也在快速發(fā)展。2010年華盛頓州交通運(yùn)輸部推出了主動(dòng)交通和需求管理系統(tǒng)，以緩解與交通事故相關(guān)的擁堵為主[14]。2011年內(nèi)華達(dá)州成為美國第一個(gè)合法化自動(dòng)駕駛的州，拉開了自動(dòng)駕駛在美國合法化的序幕。2012年簽署的MAP-21(the Moving Ahead for Progress in the 21st Century Act)以及2015年FAST(Fixing America′s Surface Transportation Act)法案都持續(xù)為ITS的建設(shè)提供財(cái)政支持。2015年美國交通部宣布在懷俄明州、紐約市和坦帕3個(gè)試點(diǎn)城市的街道和高速公路上測(cè)試CV(Computer Vision)技術(shù)。2018年美國交通部再次發(fā)布了《自動(dòng)駕駛汽車3.0：為未來交通做準(zhǔn)備》：基于2.0的自愿性指南基礎(chǔ)，支持將自動(dòng)駕駛的安全、高效、可靠、經(jīng)濟(jì)集成到多聯(lián)式跨界的地面運(yùn)輸系統(tǒng)中[15]。美國政府鼓勵(lì)放開市場(chǎng)，使得許多企業(yè)涉足自動(dòng)駕駛并取得了諸多成果。2020年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)正式?jīng)Q定將高30 MHz((5.895-5.925 GHz)分配給C-V2X(Cellular - Vehicle to Everything)，美國的V2X行業(yè)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期[16]。從ITSA(ITS America)的技術(shù)藍(lán)圖文件[17]以及《2020年—2025年戰(zhàn)略規(guī)劃》[18]中可知，美國在ITS戰(zhàn)略重點(diǎn)上，從強(qiáng)調(diào)自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)單點(diǎn)突破到新興科技全面創(chuàng)新布局，更加注重車輛自動(dòng)化和基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通。美國ITS的發(fā)展歷程可用圖1簡(jiǎn)單表示。

圖1 美國ITS發(fā)展歷程Fig.1 Development of intelligent transportation system in the United States

2 國內(nèi)ITS發(fā)展歷程

與美國、日本、歐洲相比，我國存在著人口密度大、路網(wǎng)不完善等特定矛盾，為了滿足國內(nèi)日益增長的交通需求[19]，我國的ITS發(fā)展歷程可從發(fā)展戰(zhàn)略、技術(shù)突破以及應(yīng)用轉(zhuǎn)化等方面將其劃分為以下3個(gè)階段。

2.1 啟蒙期—依托政府項(xiàng)目自研控制系統(tǒng)

上世紀(jì)70年代中期至90年代初，是我國ITS發(fā)展的啟蒙期，此階段以理論向?qū)嵺`邁進(jìn)為主。1973年，我國第一個(gè)城市交通自動(dòng)控制研發(fā)項(xiàng)目“7386工程”的啟動(dòng)，對(duì)我國交通工程領(lǐng)域極具里程碑意義。70年代，重點(diǎn)圍繞交通流理論、交通工程學(xué)、城市路口自動(dòng)控制數(shù)學(xué)建模等，在北京、上海和廣州等大城市進(jìn)行交通信號(hào)控制的研發(fā)試驗(yàn)。1983年國家“六五”科技攻關(guān)項(xiàng)目《津塘疏港公路交通工程研究》，首次在高等級(jí)公路上將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)用于監(jiān)控和管理系統(tǒng)，并開發(fā)了車輛檢測(cè)器、可變情報(bào)板等多種專用設(shè)備。1987年國家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目《城市交通控制系統(tǒng)》，首次自主研發(fā)了實(shí)時(shí)自適應(yīng)城市交通控制系統(tǒng)。1995年ITS被正式納入《交通科技發(fā)展“九五”計(jì)劃和2010年長期規(guī)劃》[20]。此階段，交通控制信息系統(tǒng)雖然尚未實(shí)現(xiàn)信息互通與交換，但政府在ITS發(fā)展中起到了一定的推動(dòng)作用。

2.2 發(fā)展初期—示范工程帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展

上世紀(jì)90年代中期至2015年，是我國ITS發(fā)展初期，此階段基于國家示范工程的帶動(dòng)，交通行業(yè)的發(fā)展初具規(guī)模。1996年在北京舉辦的中日智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)ITS交流展示會(huì)，會(huì)上關(guān)于ETC(Electronic Toll Collection)系統(tǒng)以及車載導(dǎo)航系統(tǒng)的展示體驗(yàn)，對(duì)國內(nèi)交通行業(yè)技術(shù)人員的開發(fā)思路有顛覆性的改變，對(duì)我國ITS的發(fā)展也起到很大的推動(dòng)作用[21]。2000年國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目《智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和示范工程》，項(xiàng)目總目標(biāo)是形成我國先進(jìn)的交通控制與管理系統(tǒng)信息源建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)體系。2006年“十一五”國家綜合智能交通技術(shù)集成應(yīng)用示范項(xiàng)目《北京奧運(yùn)智能交通管理與服務(wù)綜合系統(tǒng)示范項(xiàng)目》實(shí)現(xiàn)全國首次規(guī)模應(yīng)用交通高清監(jiān)測(cè)技術(shù)[22]。2010年北京市在城市交通多源異構(gòu)數(shù)據(jù)特征分析與融合技術(shù)等方面取得重大突破，構(gòu)建了以“一中心、三平臺(tái)、八系統(tǒng)”為核心的智能交通管理系統(tǒng)體系框架[23]。截止2015年，近千億的投資促進(jìn)了中國ITS的質(zhì)的飛躍[24]，與此同時(shí)涌現(xiàn)出了一批智慧交通領(lǐng)軍企業(yè)，比如紫光捷通、云星宇、易華錄等。這一時(shí)期我國在交通管理系統(tǒng)和ETC示范點(diǎn)建設(shè)方面取得了重要成果，位置服務(wù)技術(shù)也取得了突破，但此時(shí)ITS的發(fā)展存在車輛識(shí)別、數(shù)據(jù)處理以及研判決策等精準(zhǔn)率不高，主要受限于計(jì)算能力。網(wǎng)約車、共享單車和共享電動(dòng)車等新生事物的出現(xiàn)，對(duì)行業(yè)政策、法規(guī)以及管理也提出了新的挑戰(zhàn)。

2.3 發(fā)展加速期—智能交通新理念與“新基建”的碰撞

2015年至今，我國ITS發(fā)展進(jìn)入了新的探索階段，人工智能和大數(shù)據(jù)是這個(gè)階段的技術(shù)主攻方向。這一時(shí)期國內(nèi)智能交通技術(shù)研發(fā)較為活躍，從專利公開數(shù)量來看，2020年1月—9月，較上年同期增長74%[25]，車輛自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通訊也達(dá)到較高水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2019年底，中國是目前世界上覆蓋規(guī)模、里程規(guī)模和用戶規(guī)模最大的ETC網(wǎng)[26]。為提高群眾出行便捷度，提升物流效率，2020年1月全國29個(gè)互聯(lián)省份487個(gè)省界收費(fèi)站全部完成撤銷，實(shí)現(xiàn)了政府工作報(bào)告提出的“兩年內(nèi)基本取消高速公路省界收費(fèi)站”的目標(biāo)[27]。在新基建浪潮下，我國首個(gè)常態(tài)化運(yùn)營5G(5th Generation Mobile Communication Technology)無人公交亮相、首個(gè)智慧燈桿產(chǎn)業(yè)國標(biāo)正式實(shí)施等標(biāo)志著深入推進(jìn)交通運(yùn)輸數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展成為我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略要求，單項(xiàng)人工智能技術(shù)的突破性進(jìn)展，除在基礎(chǔ)設(shè)施硬件的規(guī)模建設(shè)外，還需在交通科學(xué)管理方面不斷創(chuàng)新發(fā)展[28]。當(dāng)前，我國ITS發(fā)展雖然完成了信息化大面積覆蓋，但并未實(shí)現(xiàn)全時(shí)空、全鏈路、全域交通要素的數(shù)字化。與此同時(shí)，城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、需求結(jié)構(gòu)和要素結(jié)構(gòu)等出現(xiàn)重大變化，ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型也呼之欲出。我國智能交通系統(tǒng)發(fā)展歷程可用圖2簡(jiǎn)單表示。

圖2 中國ITS發(fā)展歷程Fig.2 Development of intelligent transportation system in China

3 借鑒與啟示

綜觀中美智能交通系統(tǒng)的發(fā)展戰(zhàn)略、技術(shù)方向等變革歷程，相對(duì)于美國這類發(fā)達(dá)國家，我國ITS尚未達(dá)到技術(shù)穩(wěn)定階段，從技術(shù)、產(chǎn)業(yè)以及區(qū)域發(fā)展等幾個(gè)方面，對(duì)當(dāng)前我國ITS與美國發(fā)展差距作以下分析：

1) 數(shù)據(jù)采集設(shè)備自研能力不夠，設(shè)備部署應(yīng)用方案合理性有待提升。當(dāng)前我國智能交通市場(chǎng)的中高端產(chǎn)品國外品牌居多，國產(chǎn)OEM板絕大多數(shù)采用國外芯片，少數(shù)低端產(chǎn)品采用OEM模塊二次開發(fā)。我國設(shè)備端數(shù)據(jù)較為龐雜，存在數(shù)據(jù)采集設(shè)備部署和采集方式的規(guī)劃不合理，導(dǎo)致采集質(zhì)量參差不齊，采集過程中產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)與錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，從而對(duì)數(shù)據(jù)的二次加工產(chǎn)生影響。而美國由聯(lián)邦公路局發(fā)起的數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目NGSIM(Next Generation Simulation)，被廣泛用于車輛跟馳換道等駕駛行為研究、交通流分析、自動(dòng)駕駛決策規(guī)劃等，該項(xiàng)目關(guān)鍵在于先綜合考慮數(shù)據(jù)的分類，再通過合理的資源配置進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2) 區(qū)域發(fā)展不均衡，ITS體系框架底層資源亟需統(tǒng)一。雖然城市級(jí)智能網(wǎng)聯(lián)區(qū)建設(shè)規(guī)模逐步增大，然而大部分城市高速區(qū)域仍處于類似美國早期建設(shè)情況，城市內(nèi)部的ITS體系也有待擴(kuò)展完善，比如中西部地區(qū)的ITS建設(shè)只停留在收費(fèi)單一系統(tǒng)上。而美國相當(dāng)注重完善ITS體系框架，以及對(duì)體系框架的應(yīng)用推廣，并且開發(fā)了地方ITS體系框架的支持系統(tǒng)Turbo Architecture，可以做到與國家ITS體系框架同步更新。

3) 應(yīng)用服務(wù)深度不夠，軟件與服務(wù)層面投入有待加強(qiáng)。我國北上廣等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市的ITS建設(shè)雖初具規(guī)模，但并未能提供深層次的信息服務(wù)。聚焦應(yīng)用服務(wù)開發(fā)提升可促使ITS相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，打破“信息孤島”等現(xiàn)象的制約。當(dāng)前我國交通運(yùn)輸增長的主要模式還是依賴增加基礎(chǔ)設(shè)施，以硬件投入為主，而美國ITS建設(shè)自進(jìn)入發(fā)展中期后，ITS投入主要集中于軟件與服務(wù)方面。

綜上分析，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化發(fā)展是ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然趨勢(shì)。盡管我國數(shù)字經(jīng)濟(jì)總量已位居全球第二[29]，我國ITS也已基本完成了從“經(jīng)驗(yàn)型”到“信息型”的轉(zhuǎn)變[30]，但未來有2個(gè)方面仍需要進(jìn)一步突破。一是要實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)和信息網(wǎng)的全方位融合，不斷提升精準(zhǔn)感知、精確分析、精細(xì)管理和精心服務(wù)的綜合能力，實(shí)現(xiàn)全時(shí)空、全鏈路、全域交通要素的網(wǎng)絡(luò)化；二是在網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上，不斷提升智能管理的廣度和深度，讓出行者知道“路上有什么”，讓管理決策者知道“車在干什么”，最終實(shí)現(xiàn)全時(shí)空、全鏈路、全域交通運(yùn)行和管理的智能化。

4 ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型

4.1 ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型的內(nèi)涵

通過觀察分析美國ITS發(fā)展路徑以及美國對(duì)ITS未來戰(zhàn)略的規(guī)劃，結(jié)合當(dāng)前我國交通強(qiáng)國建設(shè)綱要等政策要求，可以得出ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型的動(dòng)力源于社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的“拉力”和新一代信息技術(shù)快速發(fā)展的“推力”，是“拉推”兩力共同作用的結(jié)果。

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化是ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型的3個(gè)基本特征。實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，首先需要數(shù)字化，即在新一代信息技術(shù)的使能作用，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、運(yùn)輸單元數(shù)字化和業(yè)務(wù)流程數(shù)字化；其次是網(wǎng)絡(luò)化，即在實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)單元節(jié)點(diǎn)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施從他感知、被感知向可感知、自感知轉(zhuǎn)變，以實(shí)現(xiàn)更便捷和更精準(zhǔn)地獲取前端數(shù)據(jù)，達(dá)到全時(shí)空、全鏈路、全域交通要素的數(shù)字化，即網(wǎng)絡(luò)化；最終實(shí)現(xiàn)智能化，即在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的整體智能化，即交通網(wǎng)、能源網(wǎng)、信息網(wǎng)三網(wǎng)智能化[31]。

4.2 新一代ITS的基本架構(gòu)

綜上所述，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化迭代演進(jìn)為特征的ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型將成為未來ITS的發(fā)展趨勢(shì)。其目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域全生命周期的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。為適應(yīng)國家《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中“一腦、五網(wǎng)、兩體系”的發(fā)展格局，更好地解決未來ITS大量應(yīng)用場(chǎng)景建設(shè)、數(shù)據(jù)采集處理、底層資源統(tǒng)一等問題，在此提出新一代ITS的基本架構(gòu)，即基于“云、邊、端”的“1+2+N”的基本架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 新一代ITS架構(gòu)Fig.3 A new generation of intelligent transportation systems architecture

所謂“云、邊、端”，就是云控分析、邊緣計(jì)算和端設(shè)備群。云控分析，就是通過基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)的數(shù)據(jù)搜集和算法整合，構(gòu)建能支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、主動(dòng)管控、出行指引、動(dòng)態(tài)預(yù)警等核心能力，最終形成基于云分析處理及存儲(chǔ)的控制分析平臺(tái)；邊緣計(jì)算，就是將計(jì)算引擎到AI算法實(shí)時(shí)所產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果上報(bào)至云端并提供給各應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)計(jì)算與V2X感知通信的協(xié)同；端設(shè)備群，就是將外部系統(tǒng)(包括ETC、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)信令等)與運(yùn)輸單元，通過集成物聯(lián)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和智能反應(yīng)。

數(shù)據(jù)處理方面，為避免ITS的冗余數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)分析的有效性及穩(wěn)定性的影響，基于目前云計(jì)算技術(shù)，建立云控平臺(tái)，將大量分布在各地的高速計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成大型的虛擬資源池，為遠(yuǎn)程上網(wǎng)的終端用戶提供計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)，從而降低軟、硬件成本，提高ITS的計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，保障數(shù)據(jù)安全，使得多形式、多來源的交通數(shù)據(jù)可進(jìn)行統(tǒng)一處理，為交通數(shù)據(jù)由信息化到數(shù)字化的運(yùn)用和管理提供方向。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，由于交通大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)具有多個(gè)類型、來源廣泛、需長期存儲(chǔ)等特點(diǎn)，自ITS建設(shè)進(jìn)入加速期以來，云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展已為大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供了新的解決方案，基于云端集成的虛擬資源池，可以緩和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力。在新一代ITS數(shù)字化搭建過程中，將云計(jì)算的能力下沉到邊緣側(cè)、設(shè)備側(cè)，通過云控平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一交付、運(yùn)維、管控，可將預(yù)計(jì)超過1/3的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進(jìn)行分析、處理與存儲(chǔ)，減少平臺(tái)負(fù)載壓力。

數(shù)據(jù)傳輸方面，當(dāng)前城市ITS主要采用自主建設(shè)交通專用網(wǎng)絡(luò)與城市公共網(wǎng)相結(jié)合的方式，在專用網(wǎng)與公用網(wǎng)之間設(shè)置網(wǎng)關(guān)進(jìn)行過濾，同時(shí)使用有線通信與無線通信進(jìn)行通信。由于ITS數(shù)字化建設(shè)的需求，要求更加快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)通信要能夠滿足海量且多格式的數(shù)據(jù)的傳輸需求，特別是高清視頻和圖像數(shù)據(jù)，綜合考慮部署簡(jiǎn)單、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用較低等特性，優(yōu)選多跳或分布式無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)同時(shí)滿足車路協(xié)同等網(wǎng)絡(luò)需求(如M2M、DSRC等)。

所謂“1+2+N”，就是1個(gè)平臺(tái)、2套支撐系統(tǒng)和N種服務(wù)應(yīng)用。

1) 1個(gè)平臺(tái)：是將道路、航運(yùn)、港口等領(lǐng)域的交通流量、設(shè)備、天氣和時(shí)間等狀態(tài)數(shù)據(jù)匯集到ITS云控分析平臺(tái)，在V2X、邊緣計(jì)算等協(xié)同下，通過海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析。在此基礎(chǔ)上，通過各類智能分析引擎，實(shí)現(xiàn)全路網(wǎng)群體性智能分析，最終為各應(yīng)用方提供綜合交通設(shè)施數(shù)字可視化、交通態(tài)勢(shì)預(yù)警和大數(shù)據(jù)分析決策支持等服務(wù)[32]。

2) 2套支撐系統(tǒng)，主要包括運(yùn)營管理系統(tǒng)和決策支撐系統(tǒng)。就運(yùn)營管理系統(tǒng)而言，是要實(shí)現(xiàn)全域交通基礎(chǔ)設(shè)施(網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)備、軌道、公路等)的互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)監(jiān)控所有交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、交通工具運(yùn)行情況以及交通流等態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)交通信息數(shù)字化，為綜合交通管理提供數(shù)據(jù)支撐。就決策支撐系統(tǒng)而言，是根據(jù)運(yùn)營管理系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)時(shí)信息，挖掘分析人口遷徙、公眾出行、樞紐客貨流和車輛船舶形式等特征和規(guī)律，為交通規(guī)劃建設(shè)、政策決策提供支撐[33]。

3) N種服務(wù)應(yīng)用。借助手機(jī)、臺(tái)式機(jī)和其他智能設(shè)備等，通過多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)，利用AI和V2X等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)覆蓋運(yùn)輸、停車、租賃、修理、救援、出行等領(lǐng)域的綜合信息服務(wù)應(yīng)用。

4.3 ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑

當(dāng)前我國ITS還處于起步階段，為實(shí)現(xiàn)新一代ITS架構(gòu)，如圖3所示，急需加快推進(jìn)ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型。ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型的路徑，歸納起來就是要借助使能技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和管理服務(wù)的快速提升，實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域全生命周期的數(shù)字化普及、網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建和智能化管控，如圖4所示。

圖4 ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑Fig.4 Paths for digital transformation of intelligent transportation system

1) 數(shù)字化普及。數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)是數(shù)字化，它是網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)前，首先要在工作中形成“一切業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化和一切數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化”的思維；其次，積極利用通信能力、計(jì)算能力以及建模應(yīng)用等方面的快速突破的有利條件，加快推進(jìn)數(shù)據(jù)底座和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的感知和收集工作[34]；最后，要積極推進(jìn)智能化、數(shù)字化交通檢測(cè)設(shè)備的增設(shè)，實(shí)現(xiàn)人流、車流和物流的快速感知與傳輸。

2) 網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建。網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)字化和智能化之間的橋梁。要實(shí)現(xiàn)新一代ITS架構(gòu)并使其有效運(yùn)行，關(guān)鍵是要集合交通系統(tǒng)的所有相關(guān)信息。在這個(gè)過程中，要積極落實(shí)ITS云控分析平臺(tái)的建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)全鏈條全時(shí)空信息的互通互聯(lián)。

3) 智能化管控。智能化管控的成效高低是判別是否實(shí)現(xiàn)新一代ITS架構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)，也是ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型的最終目標(biāo)。在此方面，關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)智能管理的深度應(yīng)用和一體化服務(wù)的覆蓋廣度。

5 結(jié)束語

ITS數(shù)字化轉(zhuǎn)型，不僅可提升人們的獲得感、幸福感，同時(shí)也可促進(jìn)客流、物流等資源的高效聚集和配置，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來強(qiáng)勁的動(dòng)能，但轉(zhuǎn)型是一個(gè)系統(tǒng)的、長期的過程，未來還有很多方向值得深入研究。