林文蔚

（北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)組織委員會(huì) 北京市 102022）

智能交通系統(tǒng)(ITS)是基于信息和通信技術(shù)的一種集成系統(tǒng)，目的是用于提高交通網(wǎng)絡(luò)的安全性，移動(dòng)性和效率性。ITS 主要包括處理和共享信息的各種應(yīng)用程序，最終達(dá)到改善交通的管理，緩解擁堵的目的。同時(shí)ITS 的主要目標(biāo)也是通過開發(fā)決策系統(tǒng)來節(jié)省生命，金錢與時(shí)間，改變環(huán)境和能源來提高運(yùn)輸系統(tǒng)的性能。

1 ITS的設(shè)計(jì)背景

中國對(duì)ITS 的研究開始于二十世紀(jì)九十年代，ITS 領(lǐng)域的廣泛研究與發(fā)展是為了應(yīng)對(duì)日益增長的交通強(qiáng)度，城市化加快的進(jìn)程。具體來說ITS 的設(shè)計(jì)初衷和目標(biāo)是為了解決道路交通擁堵、交通環(huán)境與交通安全等問題[1]。

交通擁堵是城市中的常見問題，當(dāng)前為達(dá)到改善交通，減少交通擁堵的目的，世界各國主要通過三種方法解決交通擁堵問題。一是通過擴(kuò)大城市交通網(wǎng)絡(luò)容量，二是采用科學(xué)的交通規(guī)劃管理方法，三是應(yīng)用以計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)為核心的ITS[2]。

世界衛(wèi)生組織報(bào)告稱全世界有1 億多人死于交通事故，從當(dāng)前解決交通事故的方案上看，通過車輛之間重要的安全和緊急信息交換，可以避免大多數(shù)此類事故，即無線通信技術(shù)具有在車輛環(huán)境中啟用許多與安全相關(guān)的應(yīng)用程序的潛力，以防止碰撞并挽救數(shù)千條生命[3]。

高的交通擁堵可能會(huì)大大增加交通污染，最終降低空氣質(zhì)量。此類交通污染增加了居住在道路附近的駕駛員，通勤者和個(gè)人家庭的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。而擁堵也會(huì)改變駕駛方式，最終導(dǎo)致加速和減速的次數(shù)增加[4]。

綜上所述，建立控制車輛運(yùn)輸?shù)拇胧┓浅Ｖ匾祟惔胧?duì)于減少交通擁堵，交通污染以及因人身傷害和死亡造成的道路交通事故的發(fā)生具有重要意義。目前已經(jīng)開發(fā)了能夠集成廣泛系統(tǒng)的ITS，主要包括傳感，通信，信息傳播和流量控制。

2 無線通信技術(shù)的優(yōu)勢

在ITS 中，無線通信技術(shù)為其作主要依托。如智能交通數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程交通控制和應(yīng)用服務(wù)都離不開無線通信技術(shù)的支撐。成熟的無線通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用于傳輸網(wǎng)和ITS 核心網(wǎng)。以ZigBee 和專用的短距離通信為代表的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能交通流量數(shù)據(jù)采集與控制、信號(hào)優(yōu)先和車輛定位等領(lǐng)域全面推廣。隨著5G 移動(dòng)通信時(shí)代的到來，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸帶寬也得到了提高。此外，談到交通地理信息系統(tǒng)，它是收集，分析，整合，存儲(chǔ)和分析城市交通信息的GIS 技術(shù)，而各種交通信息則是提供可視化交通信息服務(wù)和交通決策分析處理技術(shù)相結(jié)合的支持平臺(tái)。其在智能交通領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括電子地圖的應(yīng)用，路網(wǎng)規(guī)劃，道路基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)，交通企業(yè)的運(yùn)營和管理等。通過分析智能交通所需的一些核心技術(shù)，不難看到當(dāng)今信息社會(huì)的飛速發(fā)展已經(jīng)能夠?yàn)槭澜缃煌ㄌ峁┍匾募夹g(shù)支持，可實(shí)現(xiàn)智能管理。

3 無線通信技術(shù)的分類

無線通信技術(shù)的分類如圖1所示，其中無線通信技術(shù)主要包括傳統(tǒng)的通信技術(shù)和車輛通信技術(shù)。

圖1：無線通信技術(shù)的分類

3.1 傳統(tǒng)通信技術(shù)

傳統(tǒng)通信技術(shù)包括基于基礎(chǔ)設(shè)施的和無基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)。其中基于基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)，全球微波接入互操作性，以及數(shù)字視頻廣播和數(shù)字音頻廣播。而無基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)包括無線局域網(wǎng)，毫米波，ZigBee 與藍(lán)牙。

3.1.1 蜂窩網(wǎng)絡(luò)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)已存在多年，以低成本和穩(wěn)定的服務(wù)質(zhì)量提供廣泛的服務(wù)和全球漫游，該技術(shù)在提供公共移動(dòng)通信服務(wù)方面起著重要作用。

在現(xiàn)代時(shí)代，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)流量都來自蜂窩設(shè)備，并與蜂窩設(shè)備交互或發(fā)往蜂窩設(shè)備。隨著我們朝著數(shù)十億自動(dòng)智能節(jié)點(diǎn)的方向發(fā)展，這些節(jié)點(diǎn)將在未來幾年部署，蜂窩網(wǎng)絡(luò)將成為幾乎所有網(wǎng)絡(luò)流量的最后一跳。這些設(shè)備將如何與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)交互，如網(wǎng)絡(luò)流量、視頻流、社交媒體和消息傳遞，這迫使移動(dòng)運(yùn)營商將繼續(xù)改進(jìn)其核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并投資于新的移動(dòng)技術(shù)。在之前的研究發(fā)展中，蜂窩技術(shù)從1G 進(jìn)化到4G，但前四代無線蜂窩系統(tǒng)無法滿足這些數(shù)據(jù)速率要求，并且延遲明顯。但如今移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸研發(fā)的新方向已經(jīng)出現(xiàn)，蜂窩技術(shù)的下一次迭代被稱為5G，有望實(shí)現(xiàn)高傳輸速率，同時(shí)具有極低的延遲和整體上提高的可靠性，這將也是促進(jìn)智能交通發(fā)展的契機(jī)。

3.1.2 全球微波接入互操作性

基于IEEE 802.16 標(biāo)準(zhǔn)的全球微波接入互操作性是一種電信技術(shù)，旨在以各種方式從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接到完整的移動(dòng)蜂窩式訪問，提供長距離無線數(shù)據(jù)。

由IEEE 802.16e 定義的移動(dòng)全球微波接入互操作性提供了對(duì)移動(dòng)性的支持。全球微波接入互操作性提供便攜式連接，高速數(shù)據(jù)以及用于最后一英里寬帶訪問的電纜的無線替代產(chǎn)品。此外，該潛在技術(shù)還可以與蜂窩網(wǎng)絡(luò)一起使用，作為增加容量的中轉(zhuǎn)站。像蜂窩網(wǎng)絡(luò)一樣，全球微波接入互操作性可以用于V2I 或I2I 遠(yuǎn)程通信，以向移動(dòng)用戶提供高速網(wǎng)絡(luò)訪問。

此外，全球微波接入互操作性具有寬帶寬、低延遲、內(nèi)置安全機(jī)制和服務(wù)質(zhì)量支持。這種架構(gòu)具有快速、可擴(kuò)展和具有良好成本效益的部署，將成為交通信號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時(shí)將允許新的增值服務(wù)來訓(xùn)練控制系統(tǒng)，提高交通運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

3.1.3 數(shù)字視頻廣播與數(shù)字音頻廣播

數(shù)字廣播系統(tǒng)已越來越多地用于各種服務(wù)，最重要的是數(shù)字廣播系統(tǒng)可用于集中廣播（如交通管理和道路狀況監(jiān)視應(yīng)用程序）。數(shù)字廣播系統(tǒng)包括數(shù)字視頻廣播和數(shù)字音頻廣播，數(shù)字視頻廣播是一個(gè)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)盟，致力于設(shè)計(jì)一系列標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，該技術(shù)的三個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括DVB-T，DVB-C 和DVB-S，它們分別通過地面，有線和衛(wèi)星提供節(jié)目內(nèi)容的傳送。為了使音頻節(jié)目數(shù)字化，數(shù)字音頻廣播技術(shù)也得到了發(fā)展，以便提供高質(zhì)量，無失真的語音信號(hào)接收。

3.1.4 無線局域網(wǎng)

無線局域網(wǎng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，具有快的速率和高的可靠性，在經(jīng)過一系列調(diào)整，可用于V2V 直接通信。但從目前來看，由于智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的激增，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量急劇增加。移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的這種快速增長可能導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞。特別是由于所有數(shù)據(jù)流量都集中在無線局域網(wǎng)中的接入點(diǎn)，接入點(diǎn)可能會(huì)嚴(yán)重?fù)砣?，并且很難滿足其客戶的服務(wù)質(zhì)量。要解決此問題，可考慮在負(fù)載平衡機(jī)制中調(diào)整接入點(diǎn)之間的負(fù)載分布，提高密集無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

3.1.5 紅外

紅外具有高度的方向性，高達(dá)100 m 的最大數(shù)據(jù)傳輸速率（1 Mb/s）和最大的數(shù)據(jù)可靠性，因此最適合需要特定車道通信的應(yīng)用。

由于交通數(shù)據(jù)的多樣性，收集數(shù)據(jù)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集技術(shù)也非常昂貴，需要大量的人力，甚至需要很長時(shí)間的復(fù)雜過程才能獲得。如在混合交通條件下，收集交通數(shù)據(jù)就十分困難。已有研究人員研究發(fā)明的紅外交通記錄儀是一個(gè)高度先進(jìn)的非侵入通監(jiān)控系統(tǒng)，可以根據(jù)車輪底座尺寸和車軸間距檢測不同類別的車輛。根據(jù)基準(zhǔn)線狀況對(duì)不同交通條件和天氣條件下的流量、速度和組成等基本宏觀交通參數(shù)進(jìn)行檢查。研究發(fā)現(xiàn)除交通狀況不佳的兩輪車和重交通條件下的重型車輛外，紅外交通記錄儀所記錄的車輛的總體精度均在90%以上，速度檢測精度也超過90%，車輛分類精度超過95%。

3.1.6 毫米波

無線車輛通信和傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的ITS，最終提高交通系統(tǒng)的安全性和效率的關(guān)鍵。在無線通信領(lǐng)域，毫米波技術(shù)近來備受關(guān)注，為支持大量數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸提供了豐富的頻譜資源。談到毫米波的概念，毫米波技術(shù)是下一代無線技術(shù)，可以為電子設(shè)備之間的短距離提供高達(dá)每秒數(shù)千兆的無線連接。這對(duì)于車輛應(yīng)用尤其重要，因?yàn)楝F(xiàn)代車輛上的傳感器數(shù)量正在迅速增加，從而生成大量數(shù)據(jù)。

3.1.7 ZigBee

ZigBee 是一種分層協(xié)議，用于在 WSAN 中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播和分布式控制，其包括不同功能和類型的設(shè)備，如智能傳感器、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)采集器，ZigBee 也是WSAN 當(dāng)前的主流技術(shù)，其較簡單、低功耗、小延遲和可靠性高。ZigBee 支持靈活引入新應(yīng)用程序，并提供一組可根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)約束和應(yīng)用要求進(jìn)行自定義的機(jī)制，此功能是ITS 應(yīng)用的理想選擇。

3.1.8 無線藍(lán)牙

在城市交通中面對(duì)的挑戰(zhàn)之一是獲取有關(guān)交通的信息，以確定城市道路上發(fā)生的事件狀況。已經(jīng)使用了不同的技術(shù)來獲取相關(guān)交通信息，但是隨著車輛數(shù)量的增加，這些解決方案無法適應(yīng)這種變化，因此不足以執(zhí)行此任務(wù)。

在此，無線藍(lán)牙的使用是城市交通中信息獲取的一種替代方法，也是ITS 應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗梢暂p松地與其他類型的技術(shù)進(jìn)行集成，并且藍(lán)牙在電子設(shè)備中的廣泛分布使得無需在車輛中安裝設(shè)備即可輕松確定城市交通中的變量。

3.2 車輛通信技術(shù)

車輛通信技術(shù)與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，主要特點(diǎn)是支持移動(dòng)通信和動(dòng)態(tài)通信。車輛通信技術(shù)包括用于中遠(yuǎn)距離通信的通信空中接口和專用的短距離通信/無線訪問。

車輛通信網(wǎng)絡(luò)作為智能交通領(lǐng)域的新研究方向，緊密結(jié)合了旅游業(yè)和城市建設(shè)，形成了一個(gè)龐大的無形的網(wǎng)絡(luò)，與車輛，基站，交通系統(tǒng)和城市建設(shè)形成了互補(bǔ)，從而提高了駕駛安全性?？梢詼p少交通事故的發(fā)生，提高駕駛效率具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.2.1 專用的短距離通信

專用的短距離通信通常是指通過專用的短距離通信設(shè)備之間的短距離信息交換，用于汽車和ITS 應(yīng)用的無線技術(shù)，例如，位于車輛內(nèi)部的車載單元，放置在路邊的路邊單元，或行人攜帶的手持設(shè)備。

3.2.2 無線訪問

在過去的幾十年中，ITS一直是熱門話題。車載環(huán)境中的無線訪問系統(tǒng)是一種能夠提供安全性，效率性和可持續(xù)性的無線電通信系統(tǒng)。在車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，無線訪問系統(tǒng)最重要的用例仍然是車輛之間的通信，以實(shí)現(xiàn)防撞應(yīng)用，即道路安全應(yīng)用。

3.2.3 用于中遠(yuǎn)距離通信的通信空中接口

用于中遠(yuǎn)距離通信的通信空中接口(CALM)是一種多媒體的整合技術(shù)。不同的ITS 應(yīng)用有不同的需求，難以用一個(gè)載體支撐所有類型的應(yīng)用，CALM 在任何地點(diǎn)和時(shí)間可以給不同的ITS 應(yīng)用提供友好的連接服務(wù)。

4 總結(jié)

ITS 是人類生活和國家的重要組成部分，它支持人類經(jīng)濟(jì)，并有助于國家輕松運(yùn)行。在物聯(lián)網(wǎng)研究中，ITS 也是一種很好的解決許多交通系統(tǒng)問題的方法，被廣泛應(yīng)用于交通系統(tǒng)研究。ITS 將現(xiàn)有技術(shù)與基礎(chǔ)結(jié)合在一起，兩者的組合又為交通問題提供了解決方案?，F(xiàn)有技術(shù)中，無線通信技術(shù)的最新發(fā)展促進(jìn)了ITS 的發(fā)展，隨著移動(dòng)技術(shù)和無處不在的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，實(shí)時(shí)車輛跟蹤已成為實(shí)現(xiàn)高效交通管理的可能。