智能交通管治體系探討
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作者：徐一旻單位：武漢理工大學
2009年底，中國工程院啟動了重大咨詢項目――“物聯網及其在重要領域的應用”，在湖南大學主辦了“物聯網在交通運輸領域的應用”高層研討會⑦。李海峰⑧⑨認為交通運輸行業發展物聯網的三個重點是構建交通要素身份認證體系、構建交通要素信息精準獲取體系、搭建交通運輸物聯網平臺。利用IC卡、RFID電子標簽，結合GPS和通信技術組建成簡單的物聯網已經在危險品運輸、集裝箱管理系統、甩掛運輸等方面得到了應用。有專家預測，未來物聯網的發展將經歷四個階段：2010年之前RFID被廣泛應用于物流、零售和制藥領域，2010－2015年物體互聯，2015－2020年物體進入半智能化，2020年之后物體進入全智能化。總體上說，物聯網理念自提出到現在，其發展潛力、對經濟的拉動作用、對人們生活方式和各個領域的影響等方面已被世界各國達成共識。各個領域都在著手基于物聯網技術建立新的管理模型、新的管理系統。在公路網絡管理領域，包括人、車、路、環境四個要素，車聯網技術由于受到汽車廠商的推動而發展較快。相比之下，關于道路的物聯網、關于交通工程設施的物聯網發展較慢。國外對物聯網涉及的RFID技術、云計算技術等走在了我國前列。在這些關鍵技術沒有取得突破的情況下，國內基本達成以應用拉動物聯網技術發展和產業發展的技術途徑，公路網絡管理是物聯網應用的重要領域。目前，國外一些公司進入了我國，主要涉及汽車遠程通信、定位、求助功能。在其他的基于物聯網的公路網絡管理領域，國內處于概念框架、模型建立探索階段。開展路網脆弱性分析和協同技術研究的意義在于提高路網的魯棒性，提高運輸效率、減少交通擁擠、降低尾氣排放、進而減緩全球變暖的速度、減少出現極端天氣的可能性。這構成了一個暢通、高效、綠色的正循環。新一代智能交通管理系統是在物聯網背景下，研究公路網絡脆弱性分析和協同技術，旨在突破路網脆弱性分析模型、部分路段通行能力降級后路網容量分析模型和車輛間協同運行技術，從而對所有的路段進行重要度排序，確定出網絡中哪些路段是關鍵組成部分，哪些設施應該給予優先的維護和管理，為公路網絡管理提供決策依據。研究車輛間協同運行技術可以改善交通流運行模式，減少或消除不良的駕駛行為給交通流帶來的干擾，提升運輸效率。
物聯網技術
物聯網（IoT，InternetofThings）的概念由美國麻省理工學院（MIT）的KevinAshton1999年提出，是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和共享，用以實現智能化識別和管理的一種網絡。具體地說，就是把傳感器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道以及各類重大設施和裝備等各種物體中，然后與現有的互聯網結合，實現人類社會與物理系統的整合，人類可以以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。物聯網具有全面感知、可靠傳遞、智能處理的特點，在各個領域都有廣泛應用前景，被稱為繼計算機、互聯網、移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，是下一個具有萬億元級規模的戰略性新興產業。物聯網涉及制造業、物流業、服務業、電信業和廣播電視業等多個行業，具有重大的經濟價值和市場前景。賽迪顧問研究顯示，中國物聯網產業在公眾業務領域以及平安家居、電力安全、公共安全、健康監測、智能交通、重要區域防入侵、環保等諸多行業的市場規模均超過百億甚至千億元。物聯網技術包括范圍很廣，目前主要是傳感技術、通信技術和網絡技術相互融合和促進的綜合體，而且以傳感網為主，因此物聯網有時候又稱為傳感網。隨著對物聯網技術和應用研究的不斷深入，物聯網的概念和內涵必將得到進一步發展，并會在環境、電力、物流、交通等領域和行業出現眾多物聯網應用的典型案例。智能交通系統，是指將先進的傳感器技術、信息技術、網絡技術、自動控制技術、計算機處理技術等應用于整個交通運輸管理體系，從而形成的一種信息化、智能化、社會化的交通運輸綜合管理和控制系統。這個系統中的傳感、信息和網絡等技術都包涵在物聯網技術中，是物聯網技術應用的一個重要方面。借助當前物聯網技術飛速發展的勢頭，基于物聯網的智能交通系統必能使各種交通基礎設施發揮最大效能。
基于物聯網的新一代智能交通管理系統技術架構
基于物聯網的新一代交通管理系統應具有以下特點：環保———大幅降低碳排放量、能源消耗和各種污染物排放，提高生活質量；便捷———通過移動通信提供最佳路線信息和一次性支付各種方式的交通費用，增強出行者體驗；安全———檢測危險并及時通知相關部門；高效———實時進行跨網絡交通數據分析和預測，可避免不必要的浪費，而且還可以最大化交通流量，提升運輸效率；可視———將所有物流配送車輛、公共交通車輛和私家車整合到一個數據庫，提供單個網絡狀態視圖；可預測———持續進行數據分析和建模，改善交通流量和基礎設施規劃。為實現上述目標，根本的問題包括兩個方面：一是基于物聯網技術，在考慮部分道路通行能力降級、路網飽和度變化的情況下，識別路網脆弱性，對路網中各條路段的重要度進行排序，將路網中脆弱性比較大的路段、重要度比較高的路段這兩類路段管理好，整個路網的可靠性就能夠得到保證；二是基于物聯網技術，尤其是車聯網技術，建立新的車輛運行模型，減少或消除不良駕駛行為對車流運行的擾動，提升車流運行效率。具體包括以下幾個方面：（一）智能交通管理中的物聯網技術要實現智能交通管理，首先必須對交通的實時狀況進行準確、及時、有效的監控，各種傳感技術在這個過程中起到舉足輕重的作用。智能交通行業的傳感技術成熟度和行業市場成熟度都較高，而且政府扶持力度大，在建設“數字城市”和“智慧城市”方針的指引下，智能交通系統在許多城市已經開始規模化應用，市場前景廣闊，投資潛力巨大，將成為未來幾年物聯網產業發展的重點領域。特別是隨著物聯網技術的發展，物聯網的優勢將在智能交通領域得到充分發揮，傳感器和車載傳感設備能夠更加實時監控交通流量和車輛狀態，并通過網絡將信息傳送至智能交通管理系統中心，通過科學管理和合理調度提高對道路設施的利用水平，提高安全性并最大化交通網絡流量，尤其是車輛可以靠自己的智能在道路上安全行駛，公路可以靠自身的智能將交通流量控制和調整至最佳狀態。同時，系統還能為旅途中的人們提供全方位的信息咨詢和娛樂服務，提高人們旅行質量，管理人員通過系統能及時準確地掌握道路和車輛的安全狀況，提升了道路交通安全水平。（二）基于物聯網技術的路網容量分析技術路網容量是指在受交通控制的道路某點或斷面處，在給定的時間范圍內，車輛或行人能合理地通過的最大數量。路網容量不僅與路網的拓撲結構有關，而且與交通流量、交通流動力學、駕駛員的駕駛行為等有密切關系，是公路網絡管理的一個難點。在實際路網中，經常出現道路流量遠遠小于道路通行能力的情況，導致現有基礎設施不能得到有效利用。因此，人們常常會自問“路網到底能夠容納多少車輛通行？”交通流理論中的研究成果表明：如交通擁堵、臨界密度處的流量雪崩等現象都會造成道路通行能力急劇下降，這是由交通流特性所決定的。德國交通科學家Kerner將交通流劃分為三種狀態：自由流、同步流、寬幅運動阻塞流，在這三種不同的交通流模式下，路網容量具有顯著差別。但是，利用目前的交通流模型推算路網容量具有較大的誤差，在物聯網環境下，可以充分利用交通狀態和車輛狀態的實時數據（每個車輛上傳的速度、加速度數據和道路上傳的流量、速度、密度數據），并在車輛和管理系統之間雙向傳輸，即車輛在行駛過程中可以通過向系統上報發送一些路況和車輛本身的信息，同時中心系統也可以向車輛發送一些預告信息、或者給出相關建議，因而可以充分利用路網容量，提高指揮使用的效率，改善交通秩序，為人們的生活創造有序和安全的交通保障。本部分可建立基于物聯網實時數據的交通狀態估計模型，在此基礎上建立路網容量的動態分析模型。（三）基于物聯網技術的路網脆弱性分析技術路網脆弱性是指路網在受到隨機事件影響的情況下，網絡性能或服務水平下降，進而失去部分或全部連通能力的性質。物聯網技術的先進性表現在將物理基礎設施和IT基礎設施整合為統一的基礎設施，兩者合二為一，物聯網技術為管理系統全方位提供信息來源，交通基礎設施為物聯網提供應用環境和平臺。在此背景下，道路、車輛、交通工程設施都具備感知、計算、通信的能力，因此道路設施能夠將路面完好情況、摩擦系數、溫度、氣象條件等性能參數和流量、速度、密度等交通狀態參數實時地發送給公路網絡管理中心，車輛能夠將車輛的速度、加速度等運行參數實時地發送給公路網絡管理中心，交通工程設施將控制設施的狀態實時傳送給公路網絡管理中心。本部分可在物聯網具備的透徹且全方位感知數據的基礎上，融合管理科學、復雜網絡理論等學科技術，建立基于動態數據的路網脆弱性分析的新一代模型和軟件，計算出路網脆弱性指標值和路段重要度，為道路管理部門確定路段脆弱度和采取各種控制策略提供依據，以預防和減輕破壞性事件所造成的影響，增強管理部門對災難事件和應急事件的預防能力和應對能力。（四）基于物聯網技術的路網廣義費用優化技術節能減排是我國當前的一項重要任務，需要在各個行業中加以實施。交通運輸是我國的耗能大戶，加強公路網絡管理，提高車輛運行效率，對于節約燃油消耗、減少尾氣排放有著重要的貢獻意義。因此，在進行公路網絡管理時，要以出行距離、出行時間、燃油消耗、尾氣排放構成的廣義費用為優化目標。路網廣義費用的測算是一個非常復雜的問題，它與車型、行駛里程、道路等級、行車速度、測量折舊費、燃料的消耗、通行費及物價等眾多因素相關。在物聯網背景下，這些信息都可以通過各種渠道實時獲得，每個車輛能夠實時檢測出車輛的燃油消耗量和尾氣排放量，同時還可以依據路網拓撲關系，結合道路交通各網絡元素的實時數據，對路網和車輛的性能特征進行多方面的分析計算。特別是分析路網規劃方案的經濟性，即在能滿足運輸需求的前提下，規劃方案所消耗的費用最低，則該規劃方案就最優。本部分主要根據物聯網提供的信息，應用經濟分析的方法，構建基于物聯網的路網廣義費用分析模塊，并建立相關模型和算法，特別是最小費用模型和優化算法，在部分道路或橋梁通行能力降級的情況下，建立優化目標為路網廣義費用的動態交通分配模型，為駕駛員路線選擇、出行引導提供理論支撐，實現路網廣義費用最佳化。（五）基于車聯網的車輛間協同運行技術車聯網是物聯網在汽車領域的一個細分應用，是指車與車、車與路、車與人、車與傳感設備等交互，實現車輛與公眾網絡通信的動態移動通信系統。它可以通過車與車、車與人、車與路互聯互通實現信息共享，收集車輛、道路和環境的信息，并在信息網絡平臺上對多源采集的信息進行加工、計算、共享和安全，根據不同的功能需求對車輛進行有效的引導與監管，以及提供專業的多媒體與移動互聯網應用服務。公路網絡管理的一個難題是有人參與，駕駛員的駕駛行為特點差異很大，如魯莽型、保守型。駕駛行為差異大帶來的主要問題是車流中的擾動增多，當交通流處于臨界密度時，這些擾動就會誘發擁擠的產生，而且擁擠波會在公路上快速傳播，從而誘發更多的擁擠。車聯網目前受到通用等大的汽車廠商的推進，有望比道路設施的物聯網、交通工程設施的物聯網提早實現。車聯網在智能交通的發展中可以起到引領作用，它可以把許多傳統汽車產業和智能交通連接起來，并讓移動互聯網、IT業、服務業等在智能交通中找到新的用途。在車聯網背景下，本部分可建立車輛縱向跟隨控制模型，實現車輛在車隊自動駕駛的過程中，保持較小的安全車間距，通過自動化減少人的因素帶來的復雜影響。（六）基于物聯網的智能交通應用子系統物聯網系統中存在大量的實時信息，對于綜合決策而言，這些信息都是有用信息，但對于某一些具體的應用而言，就僅僅只需要其中的部分信息，比如電子警察、電子車牌、智能公交、車隊管理和停車場管理等具體應用場景和應用子系統，這些較為完備的應用子系統的合集，構成了新一代的智能交通管理系統。在這些子系統的開發完善過程中，需要做的事情很多也很有挑戰性。比如，研發基于物聯網技術的交通指揮中心，充分利用各渠道獲得的交通信息，并完善功能，使指揮中心信息載體呈現多元化；研發具有電子識別、防偽、防盜等信息化管理功能的系統，同時實現對車輛的自動識別、檢測、定位和檔案管理，提高交通管理業務信息化水平；研發基于物聯網技術的安全輔助駕駛系統，自動控制安全車速和車距，主動向車輛發送警告信息或危險信息，改變交通事故預防方式，變被動預防為主動預防。因此要在物聯網和智能交通大背景下，分別構建、充實和完善各種不同種類的專門的智能交通應用子系統，并共享其信息，為系統中其他應用和路網管理提供支持，進而能構建基于物聯網的新一代智能交通管理系統，保障人、車輛和路網的安全。
結論
物聯網技術在智能交通管理系統中應用，實質上是對所有既有的傳感技術、通信技術、網絡技術、信息處理和智能控制等技術的集成應用，并通過這種集成使交通管理新技術得到發展，這對改善交通管理質量、提高管理水平有重大意義。綜合交通運輸是當今的發展趨勢，但與鐵路、水運、航空三種運輸方式相比，公路交通具有門到門的優勢。據聯合國開發計劃署2008年的估計，我國工業品的流通費用約占產品成本的20％～40％，而發達國家這一比例為9％～10％。流通費用高，直接影響了我國企業和整個國家的經濟效益。構建基于物聯網的新一代智能交通管理系統，對于提高路網魯棒性、提升車流運行效率具有重要的直接意義，對于降低企業成本、提高國家經濟效益具有重要的間接意義。此外，車輛的燃油消耗和尾氣排放與車輛的運行工況有著密切關系，基于物聯網的新一代智能交通管理系統以廣義費用作為優化目標，提升車流運行效率后，對于節能減排具有重要的社會意義。當前，物聯網的發展前景普遍看好，要發展成為能與互聯網相媲美的商業市場并創造巨大的市場價值，就必須結合現有行業開發出服務產品，特別是要在核心領域實現重點突破，能起到以點帶面的效果，智能交通就是一個能充分發揮物聯網本身技術特點的重要行業。通過實施基于物聯網的智能交通管理系統，傳感設備預先將交通、氣象等各種信息發送到系統中，智能化車輛或設備能避開擁堵路段，從而能沿著最快的路線達到目的地，提高工作效率并減少燃油消耗和尾氣排放；同時，根據系統提供的信息，司機能隨時找到最近的車位、加油站、商場、旅社和酒店等所需要的位置，甚至可以設定路線自動行駛到目的地。因此，隨著物聯網的技術深入發展，以及我國交通等基礎設施的建設和投入，智能交通及其管理在物聯網的支撐下會迎來質的飛躍。
