智慧交通的体系架构与发展思考

智慧交通的体系架构与发展思考

孙怀义王东强刘斌

（重庆市科学技术研究院400123）

摘要：面对城市的快速发展，本文针对当前城市交通主要障碍和问题，提出了通过移动计算、智能识别、数据融合、云计算等技术的应用，形成智慧交通系统，实现智慧城市交通的数字化、智能化。在研究智慧交通体系架构以及数据采集与收集系统、车体控制系统、信息传输、信息存贮、处理与综合控制等子系统的功能结构的基础上，对智慧交通的发展思路进行了探讨，指出了智慧交通基础建设内容及其重要性。

关键词：智能交通系统、智慧交通系统、云计算、物联网

Abstract：Facing the rapid development of cities, this article reviews the current urban traffic main obstacles and problems, and puts forward that through the mobile computing, intelligent identification, data fusion and cloud computing technology application to form wisdom transportation system and realize the digital and intelligent of wisdom city transportation. The article Discusses the development idea of wisdom transportation system, which is based on the structure of wisdom transportation as well as the study of data acquisition and collection system, car body control system, information transmission, information storage, processing and comprehensive control subsystem, and points out the importance and infrastructure content of the wisdom transportation .

Keywords：ITS, wisdom transportation system, cloud computing, Internet of Things

0引言

交通发展历史体现了科技发展的历史。从以马代步，既提升了交通的速度又解决了人类步行所带来的疲劳和辛苦；为了舒适性，发明了马拉车；为了解决水上交通，发明了船舶；为了解决速度和耐力，在发动机（蒸汽轮机）的发明的前提下人们又发明了汽车、火车；为了实现象鸟一样在空中飞翔的梦想，人类发明了飞机；为了实现进入宇宙的梦想，人类又发明了宇宙飞船。毫无疑问，交通已经发展到了包括陆地交通（公路交通、铁路交通、城市轨道交通）、地下交通（地铁）、水上交通（江运、海运）、空中交通（航空、航天）高技术含量的立体全方位的交通体系，使得人类的出行便捷、快速、舒适、安全。本文主要针对目前最热也是所有城市最为头痛的城市交通问题展开讨论。

1现代城市交通面临的问题

随着社会经济的不断发展，城市化进程的深入，城市人口爆炸性增长，为了满足增长人数的交通需求，城市中车辆数量随之急剧增多，最终导致城市交通遇到障碍和发展瓶颈。

主要障碍和问题包括：

1、城市交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗惊人

据有关资料介绍，北京市一般上班族每天花在上下班路上的时间平均是两个小时。据一个公共交通倡议组织最近进行的一项研究，纽约市一些街道上45%的交通量来自在街区间往返的人流。另一项研究则发现，在一年当中，仅在洛杉矶市一个小商业区内，轿车在寻找停车位时的车程加起来就相当于38次环球旅行的路程，同时消耗47,000加仑汽油，排放730吨二氧化碳，资料表明，美国的交通阻塞每年造成的损失高达780亿美元。

参考文献[1]资料表明，仅20世纪70年代，在英国一个大约具有180个平面交叉口的小型城市内，每年由于车辆延误造成的经济损失就达到400万英镑；在日本人一个大约具有268个平面交叉口的小型城市内，每年由于车辆延误造成的经济损失就达到2亿美元；在法

国巴黎，每天由于交通拥挤引起的损失时间相当于一个拥有10万人口的城市的日工作时间。而对于21世纪的今天，由于车辆的暴增，相关数据更加惊人。

据专家测算，轿车在7km/h至88km/h的速度之间加减速1000次，则比匀速行驶时多消耗燃油60L，卡车则多消耗144L。

为了解决城市交通拥堵问题，地铁（向地下发展）、轻轨（向空中发展）、立交桥（立体化发展）、智能交通系统（ITS）等技术和手段不断丰富和完善，一定程度缓解了城市交通难题。

新加坡采用的“智能交通预测系统”由计算机化交通信号系统、电子扫描系统、城市快速路监控系统、接合式电子眼以及道路计价系统组成，在预先设定的时间段内预测交通流量，帮助交通控制人员预判管理交通流，防止交通堵塞。而瑞典斯德哥尔摩启用新智能收费系统一项，使交通量减少22%，排放物减少12-40%。

公共交通不仅为大众的出行提供了方便，而且其经济、环保的优点具有极大的社会效益。但是随着社会经济的发展，城市交通运行状况的日益恶化，导致公交系统的整体运行效率不高。为了解决上述情况，目前国内一些城市出现了专供公交车辆使用的通道，这在一定程度上提高了公共交通的运行效率，但是公交专用车道基础设施硬件成本高，原本有限的道路车行道资源更加忙闲不均，而公共交通的运行效率仍然较低。

上述数据仅仅是交通拥堵和能源浪费的冰山一角。

2、交通安全问题严重，事故频发

据有关统计资料显示，全世界每年死于交通事故的人数将近2/10000，这个数字可与战争中的死亡人数相比。据统计，20世纪因交通事故全世界共死亡2585万人，比第一次世界大战中死亡的人数还多。美国发动的侵越战争，10年战争期间美军死亡共5万人，只相当于美国20世纪70年代一年交通事故死亡人数。据统计，在20世纪每生产100辆机动车平均至少要夺走1.2人的生命。

为了解决交通安全问题，从汽车本体高度重视安全性问题时基础，但行车过程的安全，车辆调度的安全、车辆运行全局控制的安全尤为重要，智能交通系统应运而生并不断发展完善。

3、噪声污染和空气污染日益严重

汽车运行产生的噪声和尾气排放是当今世界最严重的污染源之一。调查资料表明，汽车尾气排放的污染物占大气污染物总量的60%以上；运行产生的噪声占城市环境噪声的70%以上，特别是在汽车起动和制动过程中尤为严重。实验结果表明，汽车在起制动时排除的废气量是匀速行驶时的7倍，产生的噪声也比正常行驶时高出7倍。显然由于拥堵将导致频繁的起停，从而产生更多的废弃和噪声，给城市环境安全带来更为严重的后果。同时，由于车辆数量的增加，城市道路被迫不断拓宽以满足车辆行驶需求，导致城市有限的土地资源和能源资源的紧张。

2智慧交通的体系架构

如何解决上述障碍和问题是摆在城市交通管理者面前的最为紧迫的工作任务。在我国，智能交通被定义为一个基于现代电子信息技术面向交通运输的服务系统。它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线，为交通参与者提供多样性的服务。智能交通系统简单的说,就是利用先进的电子技术、通信技术、计算机和控制技术对传统的交通运输系统进行改进，从而提高交通运输的效能。智能交通管理系统一定程度缓解了上述问题，但随着而来的海量数据存储与处理问题，多信号非接触传输问题、通讯规约问题等、自主控制问题成为新的亟待解决的技术难题。而随着新技术的出现，智能的概念开始无法涵盖更多的应用需求而逐渐被业内质疑，专家们在智能交通系统的基础上提出了“智慧交通”的

理念。充分发挥物联网技术，通过移动计算、智能识别、数据融合、云计算等技术的应用，形成智慧交通系统，以期解决目前遇到的障碍和问题，并逐渐形成主流。

智慧交通系统，是指将电子、信息、通讯、控制、车辆以及机械等技术融合于一体应用于交通领域并能迅速、灵活、正确地理解和提出解决方案，以改善交通状况，使交通发挥最大效能的系统。智慧系统是智力体系、知识体系、方法与技能体系、非智力体系、观念与思想体系、评价体系等多个子系统构成的复杂系统。

智慧交通系统体系架构如图1。

图1 智慧交通系统体系架构图

智慧交通感知层主要是数据采集与收集系统以及车辆本体控制系统；网络层主要包括信息传输的方式与通讯规约；支撑层主要实现海量信息并行处理和优化以及存储资源动态配置和部署；应用层主要包括信息存贮与处理系统，综合控制系统。主要系统模块包括以下几个方面。

1、数据采集与收集系统

要实现绿色、环保、节能、快捷、高效的交通系统，首先必须采集完整的交通信息。交通信息采集技术伴随汽车产业的发展也不断丰富和完善。早期交通信息采取一般采用环形线圈检测器、磁感应检测器等，随着技术的发展，光辐射检测器、雷达检测器、射频识别采集器等逐步进入主流领域，近年来视频检测器逐渐成为交通信息的主要检测设备和手段之一。

城市交通信息主要包括城市出入口车辆通行信息、城市内部车辆通行信息、停车位信息。城市出入口车辆通行信息通过在所有出入口设置电子篱笆实施采集。城市内部车辆通行信息通过在交通要道和关键交通点设置视频检测器，获取当前该点的车辆通行信息；通过对所有停车场车辆停车位状态信息实时采集，获取停车位信息。这些信息为交通调度和智慧交通控制系统提供基础信息数据。

随着通讯技术的发展，GPS导航系统进入交通领域并被广泛应用，包括车载GPS导航仪器、GPS导航手机为交通信息的采集提供了便捷的途径。利用GPS导航系统能够采集到车辆的位置信息，为智慧交通提供最基础的信息。

所有交通信息采集装置构成交通信息采集系统。由于采集的信息包括视频信息、位置信息、车辆速度信息、车辆流通量信息等多种模式，因此信息的收集、融合和处理是智慧交通

最为基础也是最为重要的组成部分。

2、车体控制系统

汽车车体控制是指对于诸如车门、车窗、车灯、空调、仪表盘、发动机、制动装置等汽车车身部件进行控制。汽车车身控制系统的控制对象比较多而且分布于整个车体，系统应用的电子控制单元ECU节点安装位置分散，如前节点和仪表节点在驾驶台部位，后节点在车尾部位，左、右门节点则在左、右门部位等。

汽车车体控制系统主要用于监视和控制与汽车安全相关的功能并像CAN 和LIN 网络的网关那样工作。负载控制可以直接来自DBM 或者通过CAN/LIN 与远程ECU 通信。车身控制器通常融入了遥控开锁和发动机防盗锁止系统等RFID 功能。

电源管理：电源同12V 或24V 网板相连接，上/下调节电压以适用于DSP、uC、存储器和IC 及其它功能，例如驱动器IC、LF、UHV 基站以及各种通信接口。当尝试小型、低成本且高效的设计时，由于需要多个不同的电源轨，因此电源设计就成了一项关键任务。具有低静态电流的线性稳压器有助于在待机操作模式（关闭点火）过程中减少电池漏电流，是与电池直连的器件的负载突降电压容限，需要低压降并追踪低电池曲轴操作。除了提供增强的转换效率，开关电源还为EMI 改进提供了开关FET 的转换率控制、跳频、用于衰减峰值光谱能量的扩频或三角测量法、低Iq、用于电源定序和浪涌电流限制的软启动、用于多个SMPS 稳压器以减少输入纹波电流并降低输入电容的相控开关、用于较小组件的较高开关频率（L 和C 的）和用于欠压指示的SVS 功能。

通信接口：允许车内各个独立的电子模块之间以及车身控制器的远程子模块之间进行数据交换。高速CAN（速率高达1Mbps，ISO 119898）是一款双线容错差动总线。它具有宽输入共模范围和差动信号技术，充当互连车内各个电子模块的主要汽车总线类型。LIN 支持低速（高达20kbps）单总线有线网络，主要用于与信息娱乐系统的远程子功能进行通信。

负载驱动器：车身控制器中的主负载驱动器类型是车灯和中继驱动器。通常情况下，用于控制外灯的开关和驱动器直接安装在控制器上。继电器用来为其它电子模块或高功率负载供电。电流监控功能用于监视其它ECU 的负载分配，并且可用于汽车电池的充电和负载管理。

RFID 功能：两个最常见的汽车RFID 功能是发动机防盗锁止系统和遥控开琐系统。TI 提供用于与点火开关钥匙（发动机防盗锁止系统）进行加密通信的LF 基站IC 以及用于与远程控制进行通信的超低功耗（低于1GHz）UHF 收发器，以对车门和报警系统进行锁定/解锁。

对于智慧交通系统来说，需要采集汽车车门状况信息、车窗状况信息、车灯状况信息、空调状况信息、汽车电子产品运行状况信息、发动机状况信息、制动装置状况信息等，并将相关信息及时传输给控制平台（车主或综合管理控制平台），以便对车辆的安全状况实施实时控制。

3、信息传输系统与安全规约

将交通信息采集起来，传输到处理终端平台，再经过“大脑”的思考做出决策，然后再发布相关信息或控制指令，构成完整的智慧交通系统。其中关键部分之一就是信息的传输。

通常信息的传输有两种：有线信息传输与无线信息传输。

充分利用已有的资源，如有线电视网、电信通讯网、计算机网如局域网（LAN ）、城域网（MAN ）、广域网（WAN ）、因特网(Internet) 等，实现交通信息传输。

重新布设专用通信网络（有线或无线），实施交通信息传送。

利用资源涉及资源是否充分，信息传输的实时性和可靠性能否得到保障，对原有网络传输信息是够构成影响等难题。

重新布设专用通信网络，涉及到投资大，资源浪费等难题。

交通信息传输网络如图2所示。

图2 交通信息传输网络

信息传输过程必须保障信息的真实性，因此必须制定专用的信息传输规约。目前交通领域信息传输常用的通信协议有：GPRS／CDMA／3G／WIMAX以及TCP／IP等。

配合专用交通通讯网络，有必要制定交通信息传输专用协议或规约，以确保信息传输过程的保真性能，从而确保交通安全。

4、交通信息存贮、处理与综合控制系统

交通信息采集并传输出来，必须建立专用存储系统，同时对信息进行分析、归类、整理，做出决策并实施控制。因此，数据库系统是智慧交通控制系统的关键部分之一。首先电子地图库是智慧交通控制系统的基础，必须首先建立并实时更新，为GPS导航的准确性提供保障；道路信息库、交通流量信息库、车辆状态信息库、停车位信息库必须确保实时性，以保障交通调度的准确性和安全性。视频信息由于占用资源比较大，因此应建立专门的视频信息库，为城市安全、交通事故鉴定与处置、车辆调度等提供依据。

信息收集、存贮不是目的，目的在于使城市交通便捷、快速、绿色、安全、高效。为了实现上述目的，就必须对采集到的各种信息机型分析处理，做出决策，提供交通出行与交通安全服务，因此应构建各种服务系统：如交通信息发布系统、最佳交通导引系统、停车库空位信息系统、交通信号灯控制系统、交通安全控制系统、紧急事故处理系统等。

交通信息发布系统目前各大城市基本建立了交通广播台，实时播报路况，但信息量较弱，主要发布拥堵点信息，充分利用收集的信息，还应提供堵点成流量信息，疏导最佳线路信息等，给出行者提供参考，针对停车难的问题，应及时发布停车位空位信息，使驾驶者缩短寻找车位的时间和路程。根据采集的各交通要道车流量信息，实时控制交通灯的长短，缩短因交通灯造成的交通拥堵。当采集到有车辆故障或交通事故出现时，应及时发布相关信息，给出当前规避事故点的最佳路线信息，同时通知有关机构及时处置；当采集到车辆出现恐怖事件等不安全事故时，应能及时发布给附近车辆，以便规避，同时对事件车辆实施远程控制。

对于不同的目标对象应对采集的信息分析处理后提供个性化服务。如对于公交系统，应能及时提供公交站台人流量信息，供调度及时调整公交班次；对于个体车主应能提供及时路况信息、最佳出行路线、停车位信息等；对出租车应能提供交通路况信息和车站、码头、机场候车人流量信息等；对于交通管理部门，应能及时提供车辆违章信息、车辆故障信息（主

要是故障车位置信息）、交通事故信息（交通事故位置信息），以便及时处置；对于安全部门，应能对车站、机场、码头的视频信息处置后，比对网络通缉罪犯信息，及时掌控犯罪分子出入城市状况，对于正在交通工具上实施犯罪行为的信息应能及时安全的同胞给驾驶人员和附近的公安人员，以便及时处置，减小造成的伤害等。

3智慧交通发展的思考

智能交通的最高境界包括六大系统：交通信息系统、交通管理系统、公交信息系统、商业车辆管理系统、泊车系统、车辆控制系统。其核心是将控制技术、信息技术、通信技术融入交通领域，形成完整的控制体系。智慧交通则是在智能交通的基础上，融入人的智慧，实施及时、便捷、安全、高效的交通控制。

智慧交通的核心在“智慧”，即给交通安装大脑，使之能够及时看到、听到、闻到有关信息，并及时作出反应，从根本上解决城市交通拥堵、资源浪费、安全事故频发、难于实时控制事态等难题，使城市交通发展走上良性发展的轨道。

随着技术的发展，物联网技术、云计算技术等高新技术融于交通领域，使智慧交通的实现成为可能。智慧交通未来研究的重点体现在如下几个方面：

●交通信息采集技术的研究与应用，重点体现在如何将物联网技术应用于信息采集装

置；

●车辆身份识别系统的研究与应用，重点体现在给车辆设置“身份证”，该身份证能

实时发布自身的位置信息、车辆状况信息等；

●交通信息传输方式及传输规约的研究与应用，重点在于研究出具有自身特点的符合

安全需求的传输规约，并广泛推广应用；

●将云计算融于信息存储与处理平台，充分发挥云计算技术的优势，使信息处理“智

慧”化；

●交通信息发布与服务平台研究及应用，重点开拓服务领域和服务的时效性；

●交通信息接收终端的研究与应用，重点在于为服务对象开发实用的接收终端。

未来的智慧交通将以陆路运输为主体，以复合运输为方向，从路的智慧化，再透过使用者导向咨询系统的智慧化，带动车的智能化；以城际公路智慧化为优先，再扩展至城区运输系统的智慧化。智慧交通的建设必须由政府主导，优先制定必要的信息与通信界面标准，并构建通信网络基础平台，作为系统发展平台，同时优先发展以下基础建设及研究。

●以先进交通管理系统的布建为优先建设目标，以先进旅行者咨询系统作为成果检验

标准

●以公交站牌及IC卡的智慧化建设，带动大众运输系统的服务与经营管理的智慧化

●优先建设动态追踪车流与物流所必须的基础建设，以构建商用运输系统之整体性智

慧化后勤服务。

4结束语

智慧交通控制系统是解决交通瓶颈的有效手段之一，是交通自动化的重要发展方向。智慧化是继工业化、电气化、信息化之后，世界科技革命又一次新的突破。利用智慧技术，发展智慧交通，是当今世界城市发展的趋势和特征。本文参阅了大量专家的观点，提出了相关的设想和发展的思路，抛砖引玉的提出了自己的一点看法，错误在所难免，仅供参考。

参考文献：

【1】乐寿长，道路交通控制【M】，湖南科技出版社，1995；

【2】刘智勇，智能交通控制理论及其应用

【3】人物访谈，引领智能交通开启智慧未来[J]，交通标准化，2011年第2期

【4】谢辉、董德存、欧冬秀，基于物联网的新一代智能交通[ J] . 交通高科技与经济, 2011

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【5】张轮，现代交通信息网络与通信技术【M】，同济大学出版社，2003；

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作者简介：

孙怀义，男，1965年出生，1988年毕业于哈尔滨工业大学，获学士学位，现为重庆市科学技术研究院信息与自动化技术研究中心副主任，教授级高工。主要研究方向：可靠性设计技术与应用研究。

地址：重庆北部新区黄山大道中段杨柳路2号；

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