智慧交通系統的發展與展望

郝滿爐

（重慶城市交通開發投資（集團）有限公司）

人類社會的進步與交流離不開交通運輸工作的支撐，從以馬代步到工業社會的汽車輪船，交通方式的每一次進步都是經濟發展的重要反映。如今，社會快速發展，各類需求增大，交通的便捷水平受到越來越多的關注。在信息網絡與智能技術如此發達的今天，智慧交通的提出是符合時代潮流發展的，同時也是構建智慧城市不可或缺的環節。交通發展的智能化和科學化是將來各個國家交通規劃的大趨勢，建設完備的智慧交通系統，是構成智慧交通的關鍵條件。

一、智慧交通系統產生的現代背景

近幾十年來，城市人口持續不斷地增長，聯合國的可持續發展目標指出，預計到2050年，城市人口的數量將增加到大約65億人。在這種趨勢下，居住人口的增加必然會嚴重影響城市地區居民的生活質量。在交通方面，便利性和流動性對改善居民的生活質量至關重要，但城市規劃又存在交通方面的窘境。一方面，交通被認為是一個地區良好運行的基礎，物資和人口的流動依賴于交通，而另一方面，交通又被認為是環境惡化的重要原因之一，汽車尾氣的排放以及噪聲污染使得環境問題更加嚴峻[1]。由于世界各地的車輛數量不斷增加（到2050年將超過20億輛），道路交通事故被認為是目前危害社會和公共健康的一個主要問題。據世界衛生組織報告[2]稱，由于道路交通事故造成的死亡總人數每年約124萬人，此外還有2000萬至5000萬人因此受傷或致殘，這個數據一直居高不下。也有趨勢表明，9年后，在全球死亡成因中，交通事故將排在第五名。

道路交通事故不斷發生，由此也在一定程度上對國民經濟產生了不良效應。美國汽車協會評估得出，交通事故的總成本約為1667億美元[3]，其中包括醫療、急救和警察服務費用、財產損失等。世衛組織也做過類似的預估，交通傷害造成的損失約占中等收入國家國民生產總值的2%，即每年超過1000億美元。諸如此類的預測和評估數據顯然在告知我們，交通事故會對社會和生活產生極大的影響，并要求我們在未來數年采取具體行動來應對這些問題。更具體地說，可以通過各種措施來防止交通事故或降低交通事故帶來的不利后果，例如，開展具體的宣傳活動和國家戰略規劃，以促進安全道路行為文化的養成，規范行車、控制車速等，以及執行交通法規、規劃更安全的道路和交通系統設計。隨著移動計算、無線通信和遙感等領域的技術進步和創新，智慧交通系統（Intelligent Transportation Systems，ITS）被認為是提高道路安全、交通效率和駕駛體驗的關鍵技術，使得與道路安全、交通效率和信息娛樂相關的各種應用得以統籌[4]。

在20世紀80年代，ITS（起初稱為智能車輛—公路系統）的想法由一小群交通專業人士提出，將計算機和通信技術應用于交通領域。該系統利用技術和工程概念之間的協同作用，來開發和改進多種類型的交通系統應用程序。智慧交通的研究領域在過去數十年蓬勃發展，通過利用云計算等現代化工具進行處理和分析，使得ITS在全球范圍內發揮了重要作用，其應用范圍甚至超出了公路交通領域。綜合應用信息處理、通信、電子技術等，ITS可以創造“更智能”的道路、車輛和用戶。這些技術還有望通過提供更高效的路線和碰撞預警機制，改善運輸系統的運行和安全。此外，云處理、大數據分析和機器學習等技術的進步確實使更經濟地處理數據、識別模式和優化流程成為可能。

二、智慧交通系統的體系結構

ITS的高層架構包括車載域、V2X通信域和基礎設施域三個主要通信域。

車載域包括一輛裝有電子控制單元、無線車載設備、可信平臺模塊和應用單元的聯網車輛。電子控制單元收集有關車輛動態（如位置、速度、航向、車輛大小等）的數據，以及周圍環境信息 （如相鄰車輛的數量、當地道路交通狀況等），再由與無線車載設備和應用單元進行信息互換協作，構成車載網絡。應用裝置負責運行一個或多個應用程序，這些應用程序由遠程服務提供商提供，并使用無線車載設備的通信能力與附近的其他ITS實體通信，每輛聯網車輛還配備了可信平臺模塊，從而實現相對安全、可信任的高效率通信?；谝陨?，再應用全球衛星導航系統設施來獲得較為精確的位置信息。

V2X通信域指車與外界萬物進行百分百的互聯（vehicleto-everything），這是智慧交通運輸系統的關鍵技術，由車輛的無線車載設備和沿著道路安裝的道路路邊系統組成。無線車載設備收集到的信息經由各類車載通信技術與四周的ITS實體（如無線車載設備、路邊系統等）進行實時信息互換，包括利用專用短程通信技術實現相鄰車輛（或路邊系統）之間的車—車（vehicle-to-vehicle，V2V）通信、周邊無線車載設備和路邊系統之間的車—基礎設施（vehicle-to-infrastructure，V2I）通信、無線車載設備或路邊系統與周圍行人之間的車—人（vehicle-to-pedestrian，V2P）通信[5]。

基礎結構域包括可信第三方（如汽車制造商）、服務提供商和信任機構。固定的路邊系統一般不完全受信任機構的信任和從屬，但可以看作是V2X域與基礎結構域之間的聯系橋梁，這些路邊系統和無線車載設備的注冊和認證由可靠機構來實現。服務提供商主要是為車輛的應用單元提供應用程序和一系列軟件更新，以及其他相關增值服務，交叉碰撞預警、錯誤行車預警、車輛遠程診斷等多個應用，將利用上述網絡技術的集成，構成互聯車輛。

三、智慧交通系統的應用

ITS利用收集的數據來改善車輛的使用、司機的安全和舒適度，并使公共基礎設施的使用更加合理化。如圖1所示，ITS的應用主要分為四大類：道路安全、交通管理、信息娛樂、自動駕駛[6]。

圖1 ITS的應用分類

（一）道路安全

道路安全應用程序借助周圍ITS實體（如車輛、道路基礎設施等）之間的無線通信，以期待能夠使發生交通事故的概率變小，并保護司機和行人免受各種道路危險。為此，每個ITS實體需定期廣播安全信息，報告其周圍的環境和位置信息。此外，根據具體事件（如事故、檢測到的道路危險），每個ITS實體還可以通過多條通信線路向附近車輛或服務系統發送具體信息。例如，行人過馬路警告應用程序將傳感器沿著人行道部署，從而檢測人的存在，并在路邊單元收集相應的感知事件，從而在行人過馬路時及時通知附近司機。再例如，臨近的應急車輛預警應用，當一輛臨近的應急車輛（如救護車、警車或消防車）需要周圍車輛提供一條暢通的通道，此時應急車輛可以與周邊道路基礎設施進行通訊，將交通燈設置為綠色，從而最大限度地縮短應急響應時間。道路安全的其他應用包括緊急電子剎車燈提醒、靜止車輛提醒、變道提示等。

（二）交通管理

交通管理是ITS應用的第二大類，其主要目標是加強對交通流量的管理和協調，為駕駛員提供各種協同導航服務。這些應用程序依賴于收集和分析交換的ITS信息（即ITS實體之間的信息），以建立和維護全球交通地圖數據庫。交通數據通常由部署的道路傳感器收集，并通過無線傳輸到遠程數據中心，進行進一步的數據分析和處理，其中收集的數據包括與車輛司機和交通事件相關的位置信息和其他信息。一旦收集到的數據被轉化為有效信息，就會通過服務提供商傳遞給司機，從而讓司機獲取當前或未來的擁堵路段、推薦路線、導航指示、限速通知等信息。交通管理應用的其他例子，諸如法定限速通知、綠燈最佳速度咨詢、電子收費、公路車輛管理等[7]。

（三）信息娛樂

信息娛樂主要是為了給駕駛員提供各類增值服務，從而達到增強司機駕駛體驗感的目的。這些服務一般由受信任的服務提供商提供，相應的應用程序和服務通過下載并安裝在車輛應用單元上，基于信息網絡與遠程數據中心進行通信，使用不同的通信技術（如 4G/LTE、5G）。例如，遠程車輛診斷和維護應用基于遠程數據中心，從車輛內的傳感器收集信息，并向駕駛員發送關于檢測到的安全缺陷，或提醒他們進行汽車維護。再例如，通過對車輛乘客提供全球互聯網接入，從而提供廣泛的舒適服務，包括在線游戲、視頻流、天氣信息等。

（四）自動駕駛

自動駕駛應用代表了人類交通技術的下一個大飛躍，預計將在2030年全面實現該功能。這項新技術依賴于汽車傳感和駕駛功能的自動化，人類司機將轉變為乘客的角色，不再需要人工進行車輛駕駛（即完全自動化）。未來的自動駕駛汽車將融合不同的技術，主要包括超聲波傳感器檢測障礙物技術、激光雷達建立全視野、高清攝影機拍攝、全球導航衛星系統接收器、高速通信技術等。除此之外，自動駕駛應用還可以增加道路和停車容量，減少交通擁堵、汽車盜竊、碰撞等事故的發生。

四、智慧交通體系中的現代技術

為了實現大規模、無所不在的汽車網絡接入，傳統的V2X技術正在逐步發展為汽車互聯網（IoV）技術，以滿足對ITS應用日益增長的需求。近年來，汽車互聯網技術不斷發展，取得了較大的進步[8]。原V2X無線電技術基于IEEE標準802.11p，自1999年首次發布以來，為支持車輛用戶無處不在的、大規模的、高性能的通信方式開發了多種V2X技術，其中包括IEEE 802.11 V2X和蜂窩V2X技術。V2X應用程序的發展包括三個階段，第一階段和第二階段分別側重于ITS遠程信息技術和先進輔助駕駛領域，隨著5G時代的到來，V2X技術正進入第三階段，在以前的基礎上，IoV技術被要求為新興的汽車應用提供廣泛和實時的網絡接入，包括協同自動駕駛、智能交通控制和協同環境感知，這需要巨大數量的數據傳輸和信息交換，這是傳統的聯網車輛無法做到的。為了更好地幫助未來的道路應用，IoV技術必須應對諸如動態拓撲變化、擴展網絡規模、中斷無線電連接、頻譜資源稀缺和計算資源局限等挑戰。

基于大數據處理的人工智能（AI）在ITS中發揮著巨大的作用[9]。20世紀50年代至60年代，AI被計算機科學家首次創造提出，基于各種設備存儲的大數據信息，并搭配各類軟硬件設備和網絡，使得AI可以進行自動化、流程化的操作，使各種問題的處理變得愈加方便。在ITS中，收集的大數據信息通過合適的算法數學模型，如人工神經網絡和蟻群優化等，可以進行相關的模擬和預測，給交通管理者或司機提供合理的建議和解決方案。通過AI技術的支持，可以更高效地進行交通管理，例如，基于某一區域車流量的統計數據，從而對之后將會產生的車流量及高峰期時間段進行合理預測，并給出相對應的不同時段的交通管理方式，提供給居民出行建議，減少交通擁堵發生的概率，提高出行效率，同時也期望通過合理的交通管控和出行方式進一步減少交通事故發生的概率，從而進一步提高生產率。

五、關于智慧交通體系的一些思考

隨著交通擁堵程度和次數的持續增加，更多的車輛被連接在一起，更多的數據信息被實時交換，由此產生的空氣污染對環境和健康構成了更大的威脅，對更快、更高效的交通運輸的需求變得更加強烈。ITS作為智慧城市、智慧交通中的核心環節之一，它的進一步發展需要依靠科學技術的進步和數據處理方法的創新，從而達到改善交通管理、提高出行效率、減少交通事故發生的目的。

V2X通信技術的發展是迅速的，但仍需要進一步研究和加強。隨著云計算技術的應用，基于云計算的IOV成為未來的發展趨勢之一，汽車制造商等趨向于建立云平臺服務來提升車輛客戶體驗，并基于無線網絡設備和云平臺實現車輛與遠程控制等之間的互動。與移動通信網絡、物聯網網絡或其他網絡不同，車輛網絡的特殊之處在于它與人類生活密切相關。例如，當車輛處于自動駕駛模式時，突然斷開云連接可能會導致不良后果，如發生交通事故，更有甚者，如果車輛通信系統被入侵，攻擊者可能會控制車輛進而為所欲為，危及道路安全。因此，打造一個值得信賴的云通信技術，讓人們可以毫無顧慮地完全擁抱這項技術，意義重大。

改進ITS各方面的新數據算法模型不斷被提出，但是還有很多問題需要考慮，比如，使用大數據算法涵蓋除道路以外的其他交通類型較為困難。另外，深度學習是ITS最主要的大數據算法，未來的研究可以集中在如何從運籌學的角度確定深度學習模型在ITS中的應用。隨著大數據算法的數量增加以及計算工具效率和能力的提升，使得更復雜、更浩瀚的數據得到了優化處理和算法模型，從而可以在縮減時間的基礎上獲取更為精準的分析處理結果。人工智能AI在ITS方面具有很好的應用，但由于AI應用是科技數據驅動的，網絡安全和數據隱私無法得到完全的保障，存在被盜取和被攻擊的風險，自動駕駛汽車尤其如此。因此，在今后的技術研發和AI應用過程中，保護個人信息的隱私性和防止黑客攻擊等問題將一直作為重點關注的內容。此外，在面對鮮活生命的案例中，全自動化車輛中的AI算法相較于人類而言會作出怎樣的決定尚未可知。