淺析我國高速公路智能系統的發展途徑

黃丹陽

(四川省交通運輸廳高速公路監控結算中心)

1 前言

改革開放后，特別是近十年來，在國家加強基礎設施建設的導向下，我國的高速公路發展迅猛，成就令人矚目。截止到2012年底，全國高速公路里程達9.62萬km，一舉超過美國位居世界第一位。高速公路的飛速發展勢必帶來其配套智能系統的革新，我國的高速公路智能系統與國外發達國家不同，是隨著高速公路的大規模建設而逐步開展起來的，其發展速度遠遠落后于高速公路的修建速度。

隨著我國汽車保有量的逐年上升，越來越多的人選擇快捷方便的高速公路出行，這也造成了高速公路安全事故頻發，各種違法違規事件層出不窮。國外經驗證明，一旦智能交通系統投入使用，交通事故最高可減少80%。美國智能交通協會主席柯林斯曾言，智能交通的應用可使現有交通安全水平提高一倍。因此，高速公路智能系統的運用已經成為亟待解決的一項命題。

高速公路智能系統是智能交通系統ITS(Intelligent Transportation System)的重要組成部分，是針對傳統交通處理技術不能安全解決高速公路交通系統中日益增加的新問題而提出的一種解決方法。其通過對關鍵基礎理論模型的研究，利用先進的信息技術、計算機技術、數據通訊技術、傳感器技術、電子控制技術、自動控制理論、運籌學、人工智能等有效地綜合運用于高速公路交通系統，把車輛、道路、交通參與者三者之間緊密聯合起來，從而形成一種安全、準確、高效的綜合系統。高速公路智能系統技術可以極大地提高工作效率，有效地降低交通事故，減少對環境的破壞，節約能源。因此，ITS的應用已經成為高速公路交通發展的必然趨勢。

2 國內外高速公路ITS發展現狀

2.1 國外現狀

美國、日本和歐洲是目前高速公路智能系統研究和運用的領跑者。

美國在20世紀60年代末期就開始了智能系統方面的研究。1990年8月，美國成立了智能運輸車路系統組織，該組織建立了一個基于用戶需求與目標的智能運輸系統開發與實施框架計劃，確定了系統包含的子系統，定義了7個服務領域的29項用戶服務功能。隨后在20世紀70年代，日本開始了ITS在交通領域的研究。日本ITS體系結構研究采用面向對象的方法，使用統一的建模語言，給出10個領域21項服務，從而形成一個包含發展領域、用戶服務、特定用戶服務和子服務4個層次的系統服務結構，建立了ITS體系的邏輯框架與物理框架。歐洲從1986年也開始涉足ITS的研究。其ITS體系框架研究始于1998年，由荷蘭運輸部門領導，采用面向過程的方法建立，與美國統一規劃自上而下不同的是，其采用自下而上的方式。

而在高速公路ITS的應用層面，日本扮演了領頭羊的角色，其已經在全國所有高速公路干線實現了道路交通情報通信系統VICS(Vehicle Information and Communication System)的運用并取得了良好的效果。VICS以提高道路交通的安全性和通暢性、改善道路環境為目的，通過GPS導航設備、無線數據傳輸、FM廣播系統將實時路況信息和交通誘導信息即時傳達給交通出行者，從而使得交通更為高效便捷。縣級警察機構和道路管理者先把有關的道路交通信息傳送到道路交通信息中心，然后再傳送到VICS中心(24 h全天候工作)，其他方面的信息也被匯集到VICS中心，由VICS中心處理加工成便于利用的形式提供給用戶。在高速公路上使用電波信標，可以提供200 km范圍的道路信息。汽車用戶通過安裝在汽車上面的VICS車載機來接受VICS中心所提供的實時交通信息。用戶通常可以得到三種形式的信息:文字顯示、簡易圖形顯示和地圖顯示。VICS所提供的信息可以使駕駛員明確掌握各種情況，達到保障交通安全、節約能源的功效。VICS目前是世界上最成功的道路交通信息提供系統，是ITS在高速公路上成功運用的典范，具有極大的參考和借鑒意義。

2.2 國內現狀

我國早在20世紀70年代末就開始在交通運輸和管理中試驗和應用電子信息技術來改善交通管理。1998年初，為推動中國ITS的發展，由科技部牽頭聯合國家十幾個部委聯合建立了發展ITS的政府協調領導機構——全國智能運輸系統協調領導小組及辦公室，并成立了ITS專家咨詢委員會。通過各企事業單位、科研機構以及各大高校的多年努力，我國已經培養出一系列從事ITS方面研究的專業人才并且也研發出了具有一定市場競爭力的產品。

按高速公路ITS系統的服務功能，高速公路ITS的構成一般分為五點。

(1)先進的交通監控與管理系統。限于建設成本的壓力，我國高速公路的監控設備數量上不足以完成對各路段無盲點的監控，目前全國各省份主要是通過外場設備(如攝像機、車輛檢測器、氣象監測器等)實現監視功能，并沒有達到諸如預警、電腦自動處理事件的ITS功效。雖然一些區域可以通過可變情報板和可變限速標志發布誘導信息，但是由于沒有ITS系統專家數據庫的支撐，只能通過人為信息發布，不能保證實時性和快速性。

(2)集成的信息服務系統。目前基于GIS平臺的信息服務系統已初步運用于各大省市，平臺借助網站或者手機APP可以集中展示諸如實時路況、收費站、服務站之類的公共信息，大大方便了民眾的出行。

(3)電子收費系統。對于不停車收費系統(ETC)一直是各省市研究發展的重點，并且也取得了顯著的成效，如京津范圍內的聯網收費大大縮短了用戶收費站口的等待時間，但是對于全國范圍聯網的ETC建設仍然任重而道遠。

(4)運輸管理系統。為保證運輸企業效益最大化的服務功能，還需ITS子系統的進一步開發。

(5)安全保障系統。路段上的可變情報板和可變限速標志有一定的安全警示作用，由于缺乏預警機制，一般通過人工求救現場救援的方式進行處理。

可以說我國高速公路ITS的發展還處于初步階段，各省市的發展情況也差距較大，要實現真正的高速公路智能交通還有很長的路要走。

3 我國高速公路ITS的發展途徑

上節提到高速公路ITS是一個綜合性的多功能系統，其發展的核心是發展智能監控系統，實現路段全程監控是智能監控系統需要達成的目標。監控中心通過對路段上每一輛車輛的信息反饋，可以實現實時控制每個路段的最高限速，可以及時發現并處理緊急事故，可以給車主提供事故預警、天氣路況提醒、收費站和服務區提示等一系列功能，從而使高速通行更加暢通、舒適和安全。

日本高速公路VICS每200 m設置一個傳感器的方式需要浩大的工程量和巨大的資金支持，鑒于我國高速公路的長里程性及各地區發展的差異性，顯然不適合我國國情。硬件條件的不滿足促使向軟件方面想辦法，其必須滿足高速公路行駛的每輛車都能使用的基礎條件，目前的方向一般有兩個，一是從高速公路通行卡入手，二是從車載導航入手。二者都是通過把智能監控系統融入其中，實現車輛與監控中心的數據交換和各項應用功能，其本質是一樣的，只是通過高速公路通行卡的方式僅限于高速公路范圍的監控，而車載導航可以實現市區ITS的接入，為以后整個路網ITS的發展做出鋪墊。

高速公路智能監控系統內置于高速公路通行卡和車載導航中，主要包括以下幾大模塊。

(1)無線數據傳輸模塊。其主要功能是實現車輛和監控中心的數據連接(可通過4G技術滿足其快速性的要求)，監控中心接收實時路況及車輛的各類信息(包括經緯度、海拔、速度、時間、編號數據等)，對其進行分析和處理后，將提示信息通過無線數據傳輸模塊傳遞給高速公路通行卡或車載導航，對車輛進行阻斷、事故、天氣等提醒。

(2)衛星導航模塊。通過北斗衛星導航系統或者GPS對汽車定位，實現在監控中心的GIS平臺上分路段實時顯示各車輛的精確位置。監控中心對于非收費站和服務區的車輛集中區域可以快速定位并且做出相應的應變措施，同時對于汽車行駛路線的監控對收費監管也能起到一定作用。

(3)計算控制模塊。用于處理衛星導航模塊提供的數據。

(4)存儲模塊。存儲歷史數據和計算控制模塊處理后數據。

(5)語音輸出模塊。用于語音提示駕駛員路況、天氣、事故等信息。

當攜帶有高速公路智能監控系統的車輛進入高速公路時，系統開始工作。通過衛星導航模塊可以獲得車輛的速度、地理位置、時間等數據，計算控制模塊將這些數據處理過后與存儲模塊中的歷史數據相比較，可以判斷出車輛是否超速、驟停等，同時通過無線傳輸模塊將異常信息傳輸給監控中心，監控中心處理后再回傳給相關范圍內的車輛，通過語音輸出模塊的提示以保障行車安全。同時對于外場監控設備采集到的天氣狀況、路面狀況和路政反饋的道路養護情況也可以通過語音輸出模塊告知駕駛員。不同的是，集成于高速公路通行卡的高速公路智能監控系統需要增加相應的供電模塊，其可以采取提供車載充電接口的方式以達到長時間的續航能力。

高速公路智能監控系統可以實現對高速公路上行駛車輛的有效監管，降低違章率，降低事故率，從而達到減少人員傷亡和經濟損失的目的。

4 結論

集成于高速公路通行卡和車載導航的高速公路智能監控系統理論上都能滿足路段全程智能監控的目的，高速公路通行卡的優勢在于便于管理、使用方便，劣勢在于易損、維修不便;而車載導航的優勢在于使用壽命長，劣勢在于專用導航價格偏高、普及率低。當然，隨著經濟的發展和社會的進步，上述劣勢將會逐漸淡化，而智能交通系統為交通參與者帶來的快速、安全、舒適等特質將促使高速公路智能監控系統大范圍普及，同時也大大提高了交通監管部門的管控效率和成效。當各級監控中心真正實現專家控制時，也就是整個高速公路智能化的階段性勝利，那么高速公路無人駕駛也將不再遙不可及。

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