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智能交通行车诱导技术综述.docx
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智能交通行车诱导技术综述
智能交通行车诱导系统综述
摘要:
交通诱导技术是正确引导道路使用者顺利到达目的地、实现交通流优化、避免交通阻塞、更有效的管理现代交通的一种技术。
可以预料交通诱导系统将成为21世纪现代化地面运输管理体系的模式和发展方向,它是交通运输进入信息时代的重要标志。
关键词:
交通诱导;运输管理;发展;标志
0引言
交通诱导系统是应对大量交通参与者导致局部交通堵塞的很好的解决措施,交通诱导系统的作用和效果正在越来越被人们重视,尽管交通诱导系统的投入产出一直颇存争议。
因为交通参与的随意性和无规律性,使交通管理者无法提前规划,也因此加剧了城市交通管理的压力。
交通诱导技术是更有效地管理现代交通、实现交通流优化的一种技术。
它集成了多种高新技术,如地理信息系统、定位技术、导航技术、现代无线通信技术等,用于对交通参与者进行诱导,使交通出行变得方便快捷。
交通诱导系统主要由交通状况信息探测采集、信息的汇总处理、诱导信息的发布等几方面组成,形成一个完整的系统。
近几年,各大城市的机动车拥有量急剧增加。
尽管城市交通建设和交通管理部门在交通路网建设和交通管理科技设施建设方面投入了大量的人力、财力和物力,但仍然避免不了城市交通拥堵现象、行车安全事故的发生,行车难、停车难成为各大城市普遍存在的问题。
因此,智能交通诱导系统的研究对城市交通的发展建设具有重要的意义,下面将重点以目前国内外智能交通诱导系统的运用入手,来分析研究智能交通诱导系统的主要技术应用。
1国外交通诱导系统介绍
高速公路作为经济运输的大动脉,其承担的运输量与经济和社会需求同步增长。
为了提高高速公路的使用效率和行车安全,高速公路需要有先进的监控系统和交通信息发布系统对其进行管理,现以新加坡高速公路监控及信息诱导系统为例对国外交通诱导系统进行介绍。
新加坡高速公路监控和信息诱导系统,即EMAS(ExpresswayMonitoring&AdvisorySystem)是一个现代化的交通监控系统,是新加坡陆路交通管理局远景规划的重要组成部分。
(1)EMAS实现目标:
1.提高道路安全,减少交通事故,缩短由于交通事故(包括车辆故障)所引起的延误;
2.提高高速公路的通行能力,优化交通流量,提供一个更有效的的交通道路系统;
3.提高车辆通行的速度,降低机动车车辆排气污染,改进行驶环境对汽车驾驶员产生的感受,提高交通运输效率。
(2)EMAS的主要功能
新加坡高速公路监控和信息诱导系统是一个现代化的交通监控系统,是新加坡陆路交通管理局远景规划的重要组成部分。
由新加坡科技电子建设的高速公路监控和信息诱导系统主要有以下功能:
●提供实时的交通信息
●对交通事故的快速响应
●将交通拥挤减少到最低限度
●提高道路安全性
(3)EMAS系统组成:
●先进的交通管理系统(ATMS)
它是EMAS的心脏,采用先进的通讯、计算机、自动控制、视频检测/监控技术,按照系统工程的原理进行系统集成,将交通工程规划、交通信号控制、交通检测、交通电视监控、交通事故救援以及信息系统有机结合在一起,通过计算机网络系统,实现对交通的实时控制和指挥管理。
ATMS根据高速公路上检测到的交通流量、速度、道路占有率等实时交通信息,采用先进的算法,处理检测到的交通数据,判断是否有交通事故以及道路拥挤情况和程度。
同时,通过可变电子情报板发布各种动态交通信息,也可发布市政施工等交通静态信息。
先进交通管理系统主要任务是接收交通数据/信息,运用复杂算法进行事故检测分析并产生报警信号,对高速公路做各种路段行驶时间计算,为分析决策系统提供历史数据,发布交通信息等。
●车辆检测系统(VDS)
VDS包括若干个图像处理系统和视频检测点,安置在高速公路和隧道的关键位置。
主要完成交通数据采集(如车辆总数、车辆分类、速度、车辆出现排队的长度等)、切换视频检测电视图像到中央控制中心,便于证实交通情况以及交通事故检测(回放事故前十二个画面)等功能。
●自动事故检测系统(AIDS)
AIDS采用两层检测方法来检测交通事故。
第一层运用设在现场的视频检测设备,根据检测到的区域交通情况进行判断;第二层设在中央控制室,通过交通数据分析,运用人工智能算法,对视频检测区域外的道路情况进行判断,分析是否有交通事故发生。
来自视频检测和电视监控的数据和图像通过传输网络送到中央控制中心,系统对交通事故报警信号自动检测。
交通控制中心管理人员只需关心受到交通突发事件影响的路段,在派遣处警人员到达事故现场之前,控制中心可事先利用闭路电视监控系统确认事故性质,从而在规定时间内拖走事故车辆或救护伤员。
●交通信息诱导系统(VMS)
VMS的可变情报板设置在位于高速公路进口周围,可以显示文字和图形。
情报板每分钟做修改,通知驾驶员前方的交通情况和行驶时间。
交通信息从中央设备通过无线网络传输到可变电子情报板,实时通知驾驶员前面的交通拥挤状况。
同时,公众可以通过Internet观察到实时监控系统视频图象。
除此,应急电话系统(ETS)、闭路电视监控系统(CCTV)、隧道机电管理系统(PMCS)等也是高速公路监控及信息诱导系统的重要组成部分。
2目前国内交通诱导系统的运用
2.1上海快速道路网智能诱导系统的设计与实现
上海城市快速道路网从交通管理的需求分析入手,构建了“区域控制、广域诱导”的网络交通二阶协调管理策略,建立了应用系统的分层结构模型。
通过研究快速道路网交通特性确定管理子区划分、检测断面布设、多级诱导设置等系统设计原则和关键参数。
成果集成应用于上海快速道路智能交通诱导系统的设计和实施中。
该系统运行后在保持流量不变的情况下,路网服务水平提高了15%。
其道路智能诱导系统的规划设计中采用的“区域控制、广域诱导”的二阶协调策略:
上层为总体协调层,下层为区域控制层。
总体协调层的主要功能如下:
(1)诊断影响范围较大的交通问题;
(2)设置全局控制参数;
(3)解决各控制单元之间的冲突;(4)向各控制单元发布控制指令,并设置优先级顺序;(5)进行完全分散控制。
区域控制层的主要功能为:
(1)上送管理区域的主要交通事件和实时采集的交通信息;
(2)根据总体协调层的指令和问题区域的交通状况产生单元控制方案;
(3)执行控制方案;
(4)在通信故障情况下,可执行降级分散控制。
2.1.1系统总体架构与功能设计
(1)为了确保上海快速道路智能交通诱导系统安全、可靠和高效地运行,系统设计除一般性要求外,系统设计原则还包括:
子区划分的鲁棒性、系统规模的适度冗余等。
(2)总体架构:
上海快速道路智能交通诱导系统由中心控制系统、外场系统、连接中心控制系统与外场系统的通信系统3个部分组成。
(3)系统主要技术指标:
数据采集周期在10s~30s内可调,一般为20s;交通异常情况处理时间应小于1min;交通异常情况响应时间时间应小于3min;控制指令发布传输时延应小于5s;系统传输误码率(电缆传输小于10-6;无线传输小于10-5;光缆传输小于10-9);系统可靠性。
平均无故障工作时间大于10000h。
2.1.2系统实现
(1)基于地理信息系统的控制软件系统上海快速道路智能交通诱导系统的控制中心应用软件系统是基于Windows2000平台和地理信息系统(GIS)的专业交通应用系统。
它的前台采用ESRIMO管理空间数据,实现空间对象和交通信息的综合集成,后台采用Oracle9i管理每天超过1GB的实时交通数据、外场设备数据、交通诱导信息等。
(2)实时交通参数采集子系统上海快速路网全线按400m左右的平均间距布设交通数据检测设备,在每个出入匝道和立交的位置加密布设交通参数检测设备,用以完整地采集整个快速路网的主线交通参数和出入匝道、立交的交通参数。
这一采集设备布设标准保障了实时数据采集的可靠度。
在同一封闭路段内多组检测断面可做替代,在不同封闭路段的相邻检测断面可作推算。
采集设备布设标准也保证了系统的快速反应性。
(3)实时视频图像采集子系统
上海快速道路智能交通诱导系统对整个快速路网实时采集交通视频图像,实现快速路网视频监视全线覆盖。
在路线线型较好处设置高楼上视频摄像机,覆盖3km~5km的监视范围;在路线线型较差、遮挡较多的地方设置路侧视频摄像
机,覆盖1km左右的监视范围。
目前上海中心城的快速道路系统设置了210台交通摄像监控设备。
(4)交通诱导控制子系统:
根据交通流特征,在路网节点处和入口匝道前布设交通诱导控制设备——可变信息板,实现网络交通流诱导和匝道控制等功能。
目前上海中心城的快速道路系统设置了147块各类交通诱导可变信息板。
2.2杭州城市交通诱导体系建设
杭州作为科技部智能交通示范工程10个城市之一,近年来其智能交通有了长足的发展并获得了良好的社会效益。
自2003年以来,杭州市已经过城市交通诱导一期、二期工程等的建设,已经在市区建立了若干个智能交通管控子系统,如SCATS智能交通信号自动控制子系统、电子交通诱导屏子系统、Citilog视频检测子系统、行程时间检测子系统、高架桥快速路网的匝道交通诱导和控制子系统等,编织了一张杭州智能交通管理网,不仅实现了对交通流的合理组织诱导,改善了行车秩序,还提高了对突发交通事件的快速反应能力。
2.2.1诱导系统数据处理策略
系统构建应遵循以下数据处理原则:
a)数据优先利用策略在多种设备重复检测的路口,检测数据的可信度优先等级由高到低依次为Sats感应线圈检测的流量数据、OD行程时间检测系统数据、视频检测交通参数;
b)路口通行效率评价两原则Scats系统中的vo/vk比值,总流量/总车道;
c)梯度递推法数据预测中运用3个梯度的递推法,以避免过长时间预测数据不准确,同时避免预测时间太短而缺乏实际意义;
d)流量阈值法则的设定在判断道路拥堵时,为应对流量的两异性,设置一个可以修改的流量阈值法则,以加强系统的灵活性。
2.2.2杭州城市交通状态的描述方法采用路网状态图
路网状态图是在GIS地图上通过用不同的颜色显示道路来表示道路实时的交通情况。
可利用的判断依据有:
Scats信号机的5min流量、饱和度两个数据,Citilog视频检测的平均车速、排队长度、占有率三个数据,以及OD系统的平均车速。
路网设计是将道路分为三类:
第一类是高架、绕城,主要交通数据来源为Citilog流量、排队长度和OD平均车速;第二类是快速路,主要交通数据来源为Citilog流量、排队长度和OD平均车速;第三类是城市主干道,主要交通数据来源为SCATS流量和Citilog排队长度。
2.2.3交通流预测算法
国内对短时交通流预测算法的研究中,一般将预测算法分为参数模型预测法和非参数模型预测法。
参数模型主要有历史平均模型(HA)、ARMA系列模型、Kalman滤波模型、指数平滑模型及与神经网络相关的模型等;非参数模型中包括非参数回归、KARIMA算法、谱分析法、状态空间重构模型、小波网络、基于多维分形的方法和多种复合预测模型等。
在杭州城市交通短时交通流预测中,采用了比较简单而可行的工程性算法,包括移动平均法、指数平滑法和基于AR模型的时间序列法等三种。
此外,杭州市交通诱导体系建设中还包括交通流检测的纠错算法、交通拥堵状态判别算法等。
3智能交通诱导系统的主要应用介绍
3.1诱导系统理论基础
3.1.1多Agent路径诱导方法介绍
针对在现实生活中的智能交通诱导系统中求解实时最优路径问题,根据实时交通信息,以车辆周转时间最短,提高路网道路运行效率为目标建立模型.现简单介绍最为常用的实时自适应的多Agent路径诱导方法。
实时自适应的多agent路径诱导系统.它们将通过协作的方式,利用不动点原理,进行路径选择,并最终得到用户满意的路径选择,而且在最大程度上降低的交通拥塞.实时的自适应的多agent路径诱导系统由三个agent组成,分别是交通管理agent、路网agent、个人agent。
采用柔性约束的优化方法:
无论是个人agent、路网agent和交通管理agent进行路由选择时都有一个优化问题,路径的好坏多个目标,我们可以把这些目标划分为若干个级别,每个约束级别定义一个约束满足程度可接受的标准.它的特点是:
(1)约束分为若干个级别,其中不仅有硬约束,也有软约束.0级为必须满足的约束.在路径诱导系统中,就是路线的连通.其它约束级别越高,重要性越低.满足了所有0级约束的赋值,都可以称作一个可行解;
(2)每个软约束等级都可以定义一个约束满足程度可接受的标准,如1级约束程度可接受的标准,如1级约束必须有90%得到满足,约束等级重要性越低,满足程度的标准都得到满足,协商可以直接停止;
(3)如果找不到一个解,满足所有等级软约束的满足标准,就从可行解中按照各个等级约束满足的个数多少来选择最后的解。
利用不动点原理进行协商:
在进行协商的过程中,个人agent会将根据个人的偏好选择的路由传递给路网agent,路网agent根据自己的信念库选择出合适的路由,然后在将传递给个人agent,在这个过程中,如果路网agent选择的路由满足个人的偏好,实际是就存在一个X=f(X)的问题,X表示个人偏好的集合,如果经路网agent进行路由选择后,判断X=f(X)是否有解,若有解,则说明仍然能满足个人的偏好,否则重新进行路由选择.求解X=f(X)的过程就是不动点问题.至于如何求解不是讨论的重点,可以利用求解不动点的方法得到结果。
3.1.2多agent系统的运行过程
根据agent的特性并结合人们的行为习惯,多agent系统运行过程分为三个阶段,预处理阶段,自适应处理阶段和后处理阶段[10].如图所示。
实时自适应多agent路径诱导系统运行过程
(1)预处理阶段
出行者根据自己的出行目的和个人偏好,选择合适的路与选择,这个往往是多条选择的结果.然后将路由选择传送给路网agent,路网agent根据自己的agent的能力以及数据库,结合出行者的偏好和路由选择,评估路由的好坏.如果好,则返回给用户,用户则得到自己的路由选择.
如果路网agent评估有问题,则根据用户偏好的程度,逐步对其它路由进行评估,如果还有其他的路由可以选择,则要和用户agent进行协商,让用户重新调整,根据路网agent的评估,仍没有合适的路由选择,则给出一个路由agent的路由,用户agent无条件接受。
(2) 自适应阶段
虽然经过预处理用户已经选择到满意的路径,但是这些都没有考虑交通的实时路况信息,在出行时用户仍然可能会碰到很大的问题,如交通限制,交通堵塞等情况,个人agent在根据交通管理agent给提供的信息,重新修改自己的偏好,选择路由,再和路网agent协商,最终选出自己合适的路径。
(3) 后处理阶段
当用户根据路网agent.交通agent和个人agent三者统一的处理问题,完成了自己的出行,则路网agent、个人agent就可以将反馈的结果保存,完善每个agent的知识库,以达到进化的目的。
3.2停车诱导系统应用
3.2.1停车诱导系统的功能与构成
(1)主要功能
停车诱导系统通过可变情报板、车载信息发布装置等对人们的停车行为进行诱导,以合理地安排必要的停车,提高路外停车设施泊位的利用率,促使停车设施的利用均衡化,减少路边停车现象,减少等待入库排队车辆,减少人们为寻找停车泊位地而消耗的时间,从而减少市中心为停车而附加的交通量。
(2)系统构成
停车诱导系统由采集、数据无线传输、控制中心和信息发布4个子系统构成。
它们将从停车场(库)采集到的空位信息通过专业无线数据网传递到管理服务中心,再由控制中心将信息实时发送到设置在停车场(库)附近道路的停车诱导屏上,停车诱导屏将分级引导人们进入离目的地最近的停车场(库)。
诱导屏可分为三个级别:
一是大型诱导屏(区域),设置在市区主要交通干线上,是发布多个停车场(库)名称、位置、实际车位状态的显示装置;二是中型诱导屏(主要路口),设置在停车场(库)周边区域的街道两旁,是发布停车场(库)名称、行驶路线、实际车位状态信息的显示装置;三是小型诱导屏,设置在停车场(库)入口附近,是发布单个停车场(库)名称、车位状态及其他规定信息的显示装置。
3.2.2停车诱导系统的设计
智能停车诱导系统设计主要包括三部分:
智能停车诱导标志板设计、智能诱导传输发布系统和运行管理方案。
(1)停车诱导标志板面设计
以上海市地方标准《停车诱导系统》(DB31/T298-2003)为例,借鉴日本、德国等停车诱导系统的布置形式,并考虑区域实际停车场分布情况,一般采用三级停车诱导形式(三个层次),其中每一级又可包括静态和动态两种形式:
动
态显示屏能实时显示区域内各停车场车位利用情况,但造价较高,而静态显示屏不包含电子显示设备,造价较低,所以在非主要路口设置静态显示屏作为补充,是一种有效而又经济的设计方法.
1)一级发布屏:
设置在主要道路上,显示片区多个停车场的名称、位置、空满状态.在进出该区域的主要道路上设置的停车信息板,设置位置一般为等级较高道路的交叉口进口道前端.在面板上简明地标记各停车场的分布,可用停车泊位及行车路线等信息。
一级标志板设计图例如下图所示:
一级动态停车诱导发布屏示例图
一级净态停车诱导发布屏示例图
2)二级发布屏:
设置在停车场周边道路,发布停车场名称、行驶路线、空满状况等。
二级动态停车诱导发布屏示例图
二级静态停车诱导发布屏示例图
当驶入某一区域,指示诱导的信息应更详尽了,显示车辆所在位置的前方和左右的停车场位置与剩余车位数.该类标志设置位置仍为等级较高道路的交叉口进口道前端,并注意不影响其它交通标志.二级诱导标志牌下也设置双基点间距20mm的全点阵信息公告牌,背面可设置广告灯箱.
3)三级发布屏:
设置在停车场入口附近,可参考传统停车诱导标志板设置位置,发布单个停车场的名称、空满等信息.其版面可考虑下面的形式:
三级动态停车诱导发布屏示例图
(2)智能诱导传输发布系统
诱导系统基本构成智能停车诱导系统一般包括停车信息采集、信息传输处
理和信息发布三个部分组成.[3]停车场与公共停车信息系统数据处理中心的联网方式可采用下面的模式:
(3)运营管理建议
可以专门成立了车辆停放管理中心,用来管理全区的停车诱导系统.也可以外包给专门的管理公司,提高管理效能。
3.2.3城市公共停车场车位精确诱导
所谓精确车位诱导,是指在区位诱导的基础上,提供精确车位信息。
区位诱导只能提供该区位内是否有空余车位,但是却无法精确提供具体的空余车位的位置,因此区位诱导的作用就受到限制。
比如在区位诱导牌上显示空余车位有5个,提供在500个车位还有5个空余车位的信息,对于驾驶员而言没有任何意义。
精确的车位诱导则不同,其直接显示空余车位的位置,可以帮助驾驶人员快速的寻找到车位停车。
可通过超声车位检测器随时感应汽车驶进、离开车位状况信息通过安装在附近的基站发送到车位诱导管理中心,车位诱导管理中心综合处理车位数据后将空余车位信息送到停车场周边的道路上的车位诱导牌上。
驾驶者根据车位诱导牌显示的空余车位信息自行驶入停车场并选择车位停放。
由于有超声车位检测器及其通讯基站,车位诱导管理中心可以实时获取车位信息,具备了准确可靠、实时有效的精确到每个车位的使用情况的重要信息。
实现城市交通信息的公开、共享,通过图文电视、广播、电话、电台和手机短信查询都能获得交通信息,甚至通过互联网访问,可得到市内每个停车场、每一个车位的使用情况。
系统采用的技术如下:
1.数据采集技术:
车位探测仪,停车场车辆出入口检测器。
2.专家分析库。
3.决策支持模型。
4.动态诱导电子屏显示。
5.动态车位显示器。
6.网络安全防范。
7.系统容错与校验。
8.热备份。
9.数据上传及交换系统。
车位诱导过程如下:
1.车辆达到停车场,交通诱导显示系统指示停车场空余车位,车辆通过停车场
入口。
2.并经过停车场入口车辆检测器,交通诱导显示停车场空余车位减一。
3.车辆进入停车场后,根据区域交通诱导显示进入停车场相应区域。
4.经区域入口车辆检测器后,区域交通诱导显示空余车位减一。
5.车辆根据车位显示系统指示将车辆停入相应车位。
6.超声车位检测器检测到车辆后将信息传输至车位诱导管理中心,车位指示有车。
车辆离开停车场的过程与进入停车场的过程相反。
停车场出入口车辆检测器,车位检测器,停车场区域车辆检测器、诱导管理中心,交通诱导显示系统,区域交通诱导显示,车位显示等系统形成了完整的信息收集、传递、处理、发布的过程,实现车位、驾驶员、管理部门之间的有机联系。
3.2.4语音识别技术的停车诱导技术
系统功能设计:
系统的主要目的是将一定范围内的停车场信息统一管理,为用户提供以语音识别为主,并包括短信、Internet及WAP等在内的多种信息导航手段,使用户能更便捷地获取详细的停车场信息,还可实现一定的个性化服务。
整个系统可提供停车场信息查询、车位预订及取消、停车场推荐以及信息彩信与接收等功能。
(1)停车场信息查询
停车场信息查询是停车诱导系统的核心功能之一。
本系统中,查询主要包括两方面的内容:
停车场位置查询和车位利用情况查询。
为适应不同用户对目的地熟悉程度不同的情况,系统有必要设置不同粒度、分级查询的模式,这样当用户对目的地停车场分布及位置信息无足够的了解时,系统可以引导用户逐步查找到所需的停车场信息。
(2)车位预订及取消
车位的预订与取消是系统为用户提供的个性化服务。
当用户查询得知指定停车场有空闲车位后,即可预订车位,以确保到达目的地后可以有停车位使用。
而停车场接受用户预订后,需要停车场为用户保留车位。
考虑到车位资源充分利用的需要,在用户预订车位时,系统只能为每个用户保留一个车位,且其预订只能保留一定的时间。
由于停车场内的车位定位比较困难,因此本系统并不指定用户具体预订哪一个车位,而只是保证用户到达后确实有车位使用。
用户到达停车场后,根据预订时留存的凭证即可进入相应的停车场停泊,关于具体所使用的凭证问题,将在本文4.2节中具体讨论。
(3)停车场推荐
当用户所查询的停车场已经没有空闲车位时,系统需要为用户推荐距用户目的停车场最近的有空闲车位的停车场,以方便用户使用。
为用户提供的相关信息包括:
停车场名称、总车位数、空闲车位数、位置以及从用户选定的停车场至该停车场的走行路线及距离信息。
当系统中无路网实时交通状况信息时,系统可按路径物理长度查找最近的可用停车场。
同时系统预留与其他ATIS系统的数据接口,可接收实时路况信息,当实时路况信息被加载后,可根据实时路况信息查找走行时间最近的停车场信息。
考虑到当推荐的停车场较远时,其推荐的意义也会随之降低,同时考虑到停车场的车位一直在变化之中,当用户到达目的地时,原停车场及其附近停车场可能已有空闲车位,因此在推荐距离最近的有车位的停车场的同时,也会向用户提供目的地停车场附近的其他停车场的名称,供用户进一步了解和选择。
(4)信息采集与接收
信息采集功能是停车诱导系统的重要组成部分,也是系统运行的基础。
对停车场车位数量及利用情况进行准确的数据采集是停车诱导系统信息发布的重要保障。
鉴于目前各停车场管理的技术水平不同,可采取如下信息采集与接收方式:
a)提供标准数据接收接口目前许多大城市的停车场已建立了相应的MIS系统,具有信息采集功能
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