智能交通系统技术在交通管理与控制领域的应用及发展

李梦露

摘 要：智能交通系统（ITS）是21世纪交通领域的核心发展方向，ITS技术可以解决当今交通领域面临的很大一部分交通问题。本文简单论述了我国智能交通管控系统的发展近况，重点分析了ITS技术在交通管理与控制领域的应用，展望了智能交通管理与控制的未来发展方向。

关键词：智能交通系统;管理与控制;城市管理;协调控制;交通供需

中图分类号：U495文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）26-0098-03

Abstract： Intelligent Transportation System （ITS） is the core development direction of transportation in the 21st century， ITS technology can solve a large part of the traffic problems facing today's transportation field. This paper briefly discussed the recent development of China's intelligent transportation control system， mainly analyzed the application of ITS technology in the field of traffic management and control， and looked forward to the future development direction of intelligent traffic management and control.

Keywords： intelligent transportation system;management and control;urban management;coordinated control;traffic supply and demand

我國现有交通系统供给能力的增长远远落后于不断发展与变化的交通需求的增长，而对于已经基本成型的交通基础设施体系来说，已经无法完全通过交通规划、设计与设施建设来缓解交通供给的不平衡，如此一来后期的交通管理和控制阶段的思想、技术与方法就显得尤为重要。现在的交通管理与控制强调在不断完善交通供给的同时调节交通需求，通过提高交通资源的利用率、交通需求的合理性来达到交通需求与供给的动态平衡。而ITS的出现及应用使得这一管理控制思想得以更好的实现。

1 国内外对ITS的认识与研究

欧洲、美国和日本的ITS起步较早，这些国家很早就开始在某些领域采用智能化的管理和控制措施来解决交通供给失衡问题。20世纪90年代，欧洲就开始在城市中心区域通过电子收费系统对城市中心车辆征收拥堵费，如罗马、伦敦、米兰等欧洲大中城市。相较于欧洲经济与技术相结合的方式，美国则更倾向于纯技术的管控手段，大数据、云计算、图像识别、无线通信等尖端技术都将被广泛应用于相关管理系统中。日本作为一个土地资源非常有限的国家，其环保理念也深入人心，交通系统的发展则侧重于大容量的公共轨道交通，智能化的管控手段则更好地引导了国民需求。

与欧洲、美国、日本相比，我国的ITS起步较晚。21世纪初，我国才开始发布智能交通系统研究与建设的相关政策，后来取得了多项技术突破，如大城市区域协调控制、跨区域网络化不停车收费、智能出行诱导技术等。目前，智能交通系统研究已被列入国家21世纪经济发展规划的一个重点，智能交通系统将成为我国现代化建设的重要内容。

2 ITS在交通管理与控制方面的相关技术

2.1 智能交通管理控制中心平台

ITS中一个基本应用领域就是先进的城市交通管理系统（ATMS），其最鲜明的特点就是系统高度集成化，可实现信息的高度集中和快速集成处理。其与传统管控系统最大的不同就是可以对动态交通流情况及交通基础设施状况进行实时监测和管理，并能获取实时、准确的交通信息来进行后续的指令发布。现代国际经验表明，城市街道和路网的交通管理首先需要这样一个全市范围内的智能管理系统，这个系统应该可以对整个城市交通系统各方面进行宏观把控，实时监测城市的交通状况，并能在必要或者紧急的情况下做出及时的反应与调控，如交通事故、严重拥堵、基础设施破坏等。

交通管控中心平台方面，国内已经产生了许多理论设想，研发出多项技术和产品。蒋燕[1]对智能交通管理控制平台的信息采集子系统、信号控制子系统、通信服务子系统、交通管理子系统以及控制试验平台进行了研究与设计。阮永华等[2]从不同单位间信息共享及融合、集中管理、操作方便及系统美观等方面研究设计了可将各子系统集中管理、实现系统联动、提高信息利用率的网络化智能交通综合管控平台，最终实现了交通数据的实时采集、处理、传输、调度、发布，以便即刻采取相关控制措施。杜洋等[3]阐述了智能交通系统集成管控软件平台的设计思路和实现功能，其基本思路就是将不同种类、不同建设时期的管理控制子系统整合到统一的框架下，并可与其他相关部门进行数据共享，给用户提供统一、友好的操作界面，建立一个可伸缩的智能交通信息采集、处理、分析和管理系统，实现交管部门对城市交通系统的实时监管和控制决策。

2.2 智能交通信号控制

城市信号控制是交通管理与控制的重要领域之一，现阶段主要应用的智能控制系统依然是基于埋设于道路下或设置在道路旁的固定传感器所采集的交通信息来进行控制方案的调控的，不同的智能控制方法则分别在信息获取、分析处理、发布等单个或多个环节融入智能交通系统技术。未来，若实现了智能车辆的普及、车联网及车路协同环境，智能信号控制系统便可基于移动的车辆或者行人实时获取非常直观且准确的动态信息数据来采取相应的控制方案，这对信号控制和交通系统管理技术突破都起到了极大的推进作用。

2.2.1 基于车用无线通信技术（V2X）的智能交通信号控制。V2X可实现车辆与外界环境的实时数据交互，车辆与车辆、车辆与基站、车辆与人之间都可以进行智能通信，同时也是实现车路协同环境的必要技术之一。许多国内外学者都对此技术的应用进行了相关研究。徐秀妮[4]基于V2X数据交互的时效性，设计了一种交通信号灯智能控制系统，并设计了自组网流程和道路状态检测流程来减少冗余步骤，从而保证指令传输过程的有效性，最后通过试验证明了该信号控制系统数据传输速率提升效果非常可观。Zhang等[5]还研究了在V2X通信系统环境下的使用者是如何通过信息接收来改变驾驶行为的，尤其是对行驶速度的控制。

2.2.2 基于数字图像处理的智能交通信号控制。数字图像处理是利用摄像机获取的视频图像信息来获取、分析和处理数据的，相比于其他信息获取方法，其对车辆的检测更为直观，但对环境条件要求较高。吴则平[6]基于数字图像处理技术的各种方法，通过Matlab工具中的bwlable函数计算，设计了一种依据不同方向车流量及路口停车数量的多少来进行红绿灯配时调控的智能信号灯控制系统。赫丽敏[7]将图像处理方法与计算机视觉相结合，用不同的方法分别对白天和夜晚的排队车辆长度进行检测识别来制定红绿灯的停留时间。最后采用KNN算法（邻近算法）将昼夜区分，利用所测车辆排队长度制定相应的信号配时方案，并通过试验证明该方法更能适应不同的环境和光照亮度，更能合理地制定信控方案。

2.2.3 基于人工智能技术的交通信号控制。人工智能技术是21世纪三大尖端技术之一，未来，若人工智能技术能被很好地运用到智能交通系统中，则有助于加强城市信号控制，更好地实现区域甚至整个城市交通流的协调控制。目前，我国对于该方面的研究力度还远远不够，但已经有学者对神经网络、遗传算法及模糊逻辑的运用进行了研究。孔祥杰[8]对于城市区域交通分布式协调控制进行了研究，在每个交叉口设置一个模糊信号控制器，各个交叉口的控制器之间可进行数据交互，以对该区域进行协调控制，能够优化相位顺序及相位长，并用遗传算法训练模糊逻辑，提高了系统的鲁棒性。外国学者Król[9]建立了一个由若干类道路连接组成的双层网络模型。在上层，目标函数是用总旅行时间表示的使用成本，在较低的层次上，每个步骤中都是搜索交通的最优分布，并对搜索优化过程中分别使用的三个不同的算法（即人工免疫系统、遗传算法、模拟退火）所得的结果进行分析对比，说明了不同算法的不同适应性。

2.3 智能高速公路管理与控制

2.3.1 基于车路协同系统的匝道控制。车路协同系统的研究在我国还处于试验展示阶段，其中展示过的应用场景包括盲区预警、多车协同换道、交叉口冲突避免、行人非机动车避撞、紧急车辆优先通行、车速引导、车队控制、车队协同通过信号交叉口等。除了应用于城市交通系统外，其在高速公路系统中的应用也有学者进行了相关研究，如高速公路的匝道控制。王翀等[10]将车路协同技术、强化学习技术、可变限速控制技术、匝道控制技术整合成一个面向高速公路匝道区域的综合交通控制系统，包括车辆系统和路侧系统，最后通过计算机仿真技术开发实现系统构建并对其控制效果进行评估。

2.3.2 基于射频识别技术（RFID）的高速公路收费管理。RFID是一种短程的无线通信技术，它可以通过无线电信号识别特定目标并存储相关数据，并不需要被识别目标与识别系统之间的机械或者光学接触。特定目标上用于存储自身信息数据并接收识别的硬件设備则为电子标签。如今，电子标签已经被运用到多个领域，其中交通领域的电子不停车收费系统（ETC）就是其主要应用之一，也是智能交通系统的服务功能之一。电子收费车辆无须停车和人工收费就可直接由ETC通道通过，安装在车辆内的电子标签被识别系统识别并读取和存储信息，就可以实现从卡中自动扣费并记录。

2.3.3 智能公路管控系统。除了目前已经开始应用的智能匝道控制技术和电子自动收费技术外，新一代智能公路系统的概念也被提出。未来的高速公路系统将会是基于车路协同技术的闭环公路系统，车辆与道路的通信将允许车辆作为传感器和执行器，使车辆与道路实时传输速度、位置、起讫点及状态等信息，并通过道路系统返回的指令做出实时响应。这种将车辆技术、控制系统和交通管理相结合的新一代智能公路管控系统实现了公路管控的全自动化，大大提高了公路系统的运行和服务效率。

2.4 其他方面相关ITS技术

交通管理与控制的体现不仅仅局限于上述所提的方面，其他方面有智能诱导与出行信息系统、交通安全与事故管理、交通污染排放管理等。利用实时信息发布和智能诱导系统主动引导交通需求分布均衡也是实现主动管控的重要思想之一，另外，云计算、大数据、5G等最新的概念或技术也开始运用在智能交通管理与控制中。

3 结论

目前，我国大城市的交通系统已经实现了初步智能化，未来的ITS也将会朝全国范围内的中小城市发展。除了覆盖范围外，ITS技术也会不断取得突破，尤其是实现整个ITS控制的核心技术，即车联网技术、车路协同技术。智能车辆的普及将会是ITS发展的最终体现之一，同时也是ITS实现自主控制的最大挑战。除了核心技术的突破，其他技术如信息技术、车辆自动驾驶技术、个性化用户出行相关技术也会不断发展，最终都会体现在高度集成化的智能交通运输管理控制系统中。ITS的应用不会局限于单个领域，而是要实现整个城市交通网络人、车、路与环境的有机结合、协同运作，形成新一代国家交通管理控制网。

参考文献：

[1]蒋燕.智能交通管理控制平台的研究和设计[J].智能城市，2017（2）：124.

[2]阮永华，石征华.城市网络智能交通综合管控平台研究与设计[J].交通与运输，2012（12）：103-106.

[3]杜洋，刘晏然.智能交通系统集成控制软件研究[J].河南科技，2015（6）：10-13.

[4]徐秀妮.基于V2X的城市智能交通信号灯控制方法[J].西安工程大学学报，2020（3）：48-54.

[5]Zhang X，Riedel T.Urban traffic control：present and the future[J].International Journal of Urban Sciences，2017（1）：87-100.

[6]吴则平.基于数字图像处理的智能交通管理控制系统[J].通讯世界，2018（8）：310-311.

[7]郝丽敏.基于数字图像处理的智能交通控制系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[8]孔祥杰.城市路网交通流协调控制技术研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[9]Król Aleksander.The Application of the Artificial Intelligence Methods for Planning of the Development of the Transportation Network[J].Transportation Research Procedia，2016（14）：4532-4541.

[10]王翀，钟罡，冉斌，等.车联网环境下的高速公路出入口匝道联合控制系统及方法：中国，CN106781551A[P].2017-05-31.