先进的旅行者信息系统.ppt

1 智能交通系统 ITS 2 第四讲智能交通系统的主要内容 3 第二节先进的旅行者信息系统ATIS 4 概述 先进的旅行者信息系统 ATIS AdvancedTravelerInformationSystems 是运用各种先进的通信 信息技术向利用私家车 公交车或同时利用这两种车辆的旅行者提供为到达所希望的目的地所需要的各种信息的系统 其中很多信息是在车中获得 也有许多为旅行前做旅行计划所需要的信息是在家中 办公室 公用信息亭等地获得 甚至还可随时随地利用便携式计算机 掌上电脑得到 多模式的旅行信息更受欢迎 因为旅行者可根据最新的信息选择他们的旅行方式和时间 ATMS也提供信息 如VMS 公路咨询广播等 但ATIS的信息更加复杂 要使公众能很方便地获得它需要克服更多的困难 ATIS可以利用ATMS提供的信息 但它自身也要发展同时提供旅行前和旅行途中信息的方法 ATIS除提供传统意义的旅行者信息的功能外 它的主要功能子系统还有车载路径诱导系统 停车场可利用性诱导系统和数字地图数据库 5 概述 车载路径诱导是ATIS的最重要的功能之一 它能帮助驾驶员避开拥挤和事故 避免因不熟悉城市交通环境而 迷路 也有利于增加安全 不仅是静态路径诱导从路侧发展到了车上 而且动态路径诱导系统也已经有了很大的进展 局部决定的动态车载路径诱导系统己经被市场广泛接受 而一些国家正在研究中心决定的动态车载路径诱导系统 日本关于车载路径诱导系统的市场增长速度在世界上是最快的 如1996年 日本车载路径诱导系统的市场规模是180万套 美国是1万套 而整个欧洲是2万套 至1999年6月末 日本已有424万辆车配备了车载导航器 6 概述 停车场可利用性诱导是ATIS的另一个重要功能 在没有停车场可利用性诱导系统的一些大城市的中心区 为了寻找一个停车空位 驾驶员往往要花费半个小时 他们为寻找停车场的行车里程高达在城市的总行车里程的1 4 因而停车场可利用性诱导系统可大大减少这种无谓的交通量和随之产生的环境污染 世界第一个停车场可利用性诱导系统是在德国的Aachen引入的 至1990年世界上就有50个这种系统投入运营 7 概述 数字地图数据库是许多ATIS的关键部分 但支持路径诱导的电子数据地图太昂贵 所以尚不能在所有的城市应用 但是于1997年底 发达国家的主要城市使用的路径诱导系统就都利用了电子数据地图 数字地图数据库工作开展得最好的是日本 日本数字道路地图协会 JDRMA 于1988年成立 它建立了数据库标准并开发了数字道路地图 DRM 数据库 JDRMA最初使用1 50000的地图 后来改用1 25000的地图 这样可提供更详细 更精确的地理信息 到1995年3月 基于1 25000的DRM数据库覆盖了整个日本 8 概述 在美国 对于ATIS潜在效益的仿真研究是令人鼓舞的 如 在国家ITS体系结构中预测 当ATIS的市场渗透率为5 时 有经验的通勤者的总旅行时间就可减少7 12 其中长距离的旅行比短距离的旅行效益更明显 另一仿真研究表明 当ATIS有能力减少事故的发生和支持路径选择时 预测道路条件的旅行前信息可以导致减少延迟15 9 概述 在仿真研究的同时 美国也进行了许多成功的场地运行试验 例如自1991年开始 美国先后进行了下列重要的ATIS试验项目 ADVANCE 1991年7月一1996年12月 Genesis 1992年9月一1997年3月 SWIFT 1994年8月一1997年12月 TravInfo 1993年4月一1998年12月 Trav Link 属 明尼苏达向导之星 1992年9月一1996年8月 TravTek 1990年1月一1995年9月 10 概述 欧洲的ATIS项目试图及时地向旅行者提供当前与未来的交通与天气条件 可替代的交通方式选择 包括公共交通 可利用的停车泊位 旅馆和餐厅的位置等信息 强调提高信息的质量 寻求将信息传输给用户的更佳方式及改进路径诱导 因此 欧洲的先进的旅行者信息系统的突出特点是采用先进且实用的通信技术和系统在全欧的通用性 日本从20世纪70年代开始就结合ATMS的迅速配置来发展ATIS的基础设施 日本的车载路径诱导系统和移动通信技术的发展不仅影响到一般意义下的旅行者信息系统 并且导致了更先进的动态车载路径诱导系统的快速发展 在新交通管理系统UTMS的体系结构中已包含中心决定的动态路径诱导系统的研究和部署 11 旅行者信息系统的技术进步 传统的旅行者信息系统通过道路交通标志 交通广播台 电视报刊新闻等形式为旅行者提供旅行信息 这些信息多是静态的 虽然也有些动态信息 如交通台给予的道路交通信息 电视台发布的车票预售信息 但其实时性比较差 ITS中的旅行者信息系统运用先进的通信技术 信息技术 在各种场合 以多种方式向旅行者提供高质量的实时交通运输信息服务 与传统的旅行者信息系统相比 ATIS的技术进步体现在下面几个方面 12 旅行者信息系统的技术进步 1 信息发布手段的视觉化先进的旅行者信息系统除了利用无线电广播 电话咨询等技术发布语音交通信息外 还普遍运用Internet网页 交互电视 车载单元显示屏和各种VMS来发布信息 例如 美国1996年亚特兰大夏季奥运会期间使用的 亚特兰大旅行者信息陈列窗 SHOWCASE 项目 将100个车载设备及250个个人通讯设备分配给外来用户 在CrownPlaza饭店的300个房间内设有交互电视 以及用ITS互联网网页来提供相关的旅行信息 向旅客显示了其最优越的ITS技术 13 旅行者信息系统的技术进步 美国得克萨斯州休斯敦市的HoustonTransta项目 1996年已有30000辆汽车与公交车装上了带信用卡那样大的异频雷达收发器的车辆自动识别 AVI 装置 当这种车辆经过AVI检测器时 它的信息就送至交通控制中心 TMC 中心的计算机计算出车辆的旅行时间和速度 并在彩色地图上以不同的颜色表示不同的道路交通条件 然后Transtar将此信息以多种方式传输给用户 这些方式包括VMS Internet网页及笔记本电脑 14 旅行者信息系统的技术进步 日本东京都高速公路集团 MEPC 交通控制系统1967年开始将VMS作为提供交通信息的首选设备 并对此设备的远程控制进行了基础性试验 这些VMS单元被置于入口匝道前 出口匝道的分叉处 互通立交及其他允许路径选择的地方 以文本形式显示路径的拥挤 交通障碍等信息 随着公路网络的扩大 MEPC装备了新型的VMS单元 如图形信息板 街道信息标志和旅行时间信息显示牌 为有效地操作这些单元 MEPC已开发并引入了一个自动信息显示系统 该系统利用设置于高速路侧的探测器所收集的交通数据 以远程控制的方式向高速路上的用户提供信息 15 旅行者信息系统的技术进步 2 无线电广播技术的革新将交通信息传输给驾驶员的最一般的方法是使用无线电广播 但是 随着可供利用的信息量的大幅度增加和对信息的实时性要求的提高 以前的无线电广播技术已不能满足需要 因而先进的旅行者信息系统中的无线电广播技术有了很大的发展 如欧洲现在广泛使用的一种交通信息传输方式是区域性的交通数据专用电台RDS TMC 无线电数据系统一交通消息频道 日本使用的是先进的路侧广播技术 16 旅行者信息系统的技术进步 RDS是1974年出现并在大量的DRIVE和其他欧洲项目中得以改进的一种技术 它可以将数字信息变为密码流以FM的某一频率发射 而TMC利用现存的FM无线电发射装置来向驾驶员传输标准化的交通信息 因此 RDS TMC允许驾驶员即时地访问最新的交通信息 这与传统的交通报告技术相比是一个很大的改进 另外 用户不必因与其他移动通信媒体联系而多付费用 目前 11个欧洲国家基于一个名为ALERT C的协议 正致力于协调地实施全欧洲的RDS TMC服务 而且 这些国家于1995年末以名为FORCE和ECORTIS的项目为契机签订了一个协约 根据广播组织 设备供应商和接收器制造商之间大范围的技术磋商 达成了一致意见 1998年末在整个欧洲达到实施RDS TMC的目标 有试验表明34 的驾驶员根据所提供的信息改变了路径 33 的驾驶员在到达某已知事故发生地时已降低了汽车速度 17 旅行者信息系统的技术进步 日本东京MEPC于1996年8月引入了路侧广播设备 叫做MEX i接收器 和一个自动电话回复系统 叫做MEX i电话 来提供声音信息 而且 MEPC已在高速路的其他 无探测器处 地段安装了信息终端 叫做MEX i机器人 由于道路网络变得更加复杂 所以需要提供这些终端以便用户访问与其旅行相关的信息 18 旅行者信息系统的技术进步 3 双向通信技术的广泛应用传统的旅行者信息系统和ATMS中的通信方式主要是由交通管理信息中心对旅行者的单向通信 如交通管理信息中心利用广播 电视 VMS等向用户发布信息 没有信息反馈 所提供的信息没有个性 而在ATIS中 越来越多地采用双向通信方式 不仅是交通管理信息中心向旅行者发布信息 而且交通管理信息中心也能从旅行者那里获得他的旅行计划信息和运行实况信息 旅行者不仅能获得面向大众的旅行信息 而且能获得他个人需要的特殊信息并提出特殊的服务请求 全球移动通信系统GSM 无线寻呼系统 红外线信标就是广泛应用的新通信技术的代表 19 旅行者信息系统的技术进步 GSM是欧洲提倡且应用广泛的一种通信方式 有60多个国家的90个团体接受GSM 由于有世界广泛的基础 GSM成为第一个国际性数字蜂窝移动无线电通信标准 这样保证了它的跨地区的功能 现存的广域欧洲GSM网络的使用使得建立一个专用于ITS的额外的通信设施 如雷达天线或信标 没有必要 IntraGSM是一个泛欧的GSM和基于GPS的集成系统 由德国商业财团开发 IntraGSM针对动态路径诱导 紧急服务 停车位信息 车辆自动定位等 提供了一个国际性的相容平台 IntraGSM所采用的技术途径为所有的处理提供了时间 空间上的完全分离性 这一特性使我们可以获得高度的安全性和进行复杂的密码鉴别处理 20 旅行者信息系统的技术进步 日本的旅行者信息系统起步早 与交通信息系统结合紧密 早期的这类系统逐渐发展为全国范围的VICS 并集成于UTMS 目前由于车载设备 如车载导航系统 的进步和移动通信技术的发展 使得创建一个更先进的信息系统成为可能 比如 红外线信标于1996年1月引入系统 它能从道路上运动的车辆处获得交通拥挤度等信息 并将此信息添加到显示于车载导航系统的阴极射线管上的数字化道路地图中 也能以文本消息和简化图形的方式显示详细的交通信息 21 旅行者信息系统的技术进步 4 信息的实时性不断提高随着信息收集 处理 传输 发布技术的进步 ATIS提供的信息的实时程度越来越高 例如 美国休斯敦市的道路交通报告网页每1min更新一次 日本东京MEPC提供的高速公路交通信息每1min更新一次 1992年英国南安普敦的ROMANSE项目使用VMS为该市13个主要停车场显示空闲的车位 每一个停车场的8个停车信息牌竖立在进入该市中心的各路口处 每2min更新一次信息 1993年东京都新宿区建立的日本的第一个停车引导和信息系统PGiS为29个停车场提供可利用性引导 通过电话获得的或显示在电子告示牌上的引导信息每2min更新一次 根据东京警察署1991及1994年的调查结果对比 新宿PGIS的应用使停留在街上的汽车减少了44 3 日本的动态路径诱导系统每5min更新一次路径诱导信息 22 旅行者信息系统的技术进步 5 信息的复杂程度日益增强由于GIS GPS和移动通信技术等的应用 ATIS所能提供的信息越来越复杂 其对于整个运输系统所产生的影响也就越来越大 如数字地图数据库使ATIS提供的信息是前所未有的丰富 清晰和准确 具有了广泛的可利用性 停车场不仅是停车的场所 也成为搭乘者上车的场所 有效地辅助实施了运输需求管理 路径诱导系统的路径选择不再是仅仅依据于路网结构的静态数据和交通流的历史数据 而是越来越多地依据路网最新的和预测的动态数据 使路网交通流的整体优化成为可能 23 旅行者信息系统的技术进步 欧洲的许多停车场可利用性信息系统是将停车和搭乘 Park Ride 引导结合在一起的 于是这种系统不仅由于迅速找到停车泊位而且由于减少车辆的出行而导致交通量的减少和能源的节约 例如 在Frottmaning的一个新的停车和搭乘设施通过VMS向驾驶员发布信息 每年可以减少私家车行车里程160万km或最少节约20万立升燃油 24 旅行者信息系统的技术进步 葡萄牙里斯本的 车辆停车引导和预定系统 是将已有的一个使用专用短程通信 DSRC 链路的收费系统示范项目与一个如何将这种链路应用于非收费目的 如仅仅是告知驾驶员城市中停车场的可利用性 的示范项目相结合 该系统能在引导驾驶员到停车场的同时为其提供预留一个停车位甚至接受提前付款的服务 25 旅行者信息系统的技术进步 日本数字道路地图协会 JDRMA 开发的数字道路地图 DRM 数据库的第一个数据库于1989年投入使用 基础道路网络数据库于1990年完成 它包括高速公路 国道及县级公路 以及宽度大于等于5 5m的道路 而所有道路的数据库于1995年完成 它覆盖了所有宽度大于等于3m的道路 该数据库还包括其他背景信息 JDRMA向政府部门和私人团体提供DRM数据库于以下应用 车载路径诱导系统 交通规则数字化数据库 道路交通普查分析 特殊车辆运营通关系统 交通事故分析 26 车载路径诱导系统 从20世纪60年代美国的ERGS开始直到今天 车载路径诱导系统一直是智能运输系统最具代表性的一个功能子系统 可以说 车载路径诱导系统从低级向高级的发展过程也集中地反映了ITS的智能化程度逐步提高的过程 1 路径诱导系统的分类 27 车载路径诱导系统 1 路径诱导系统的分类路径诱导系统 RouteGuidanceSystems 也可以称为车辆导航系统 VehicleNavigationSystems 其主要功能是辅助驾驶员为到达目的地而选择路径和沿既定路径行驶 必要时 如遇道路条件发生变化时 帮助驾驶员重新选择路径 这个过程也称为 路径计划 导航 路径再计划 或 路径选择 路径提供 路径再选择 根据路径计划和导航功能实现方法的不同 路径诱导系统有不同的分类方法 28 车载路径诱导系统 1 按导航方式的不同划分 路侧路径诱导系统 导航设施为设置于路侧的各种道路标志 导航的功能由驾驶员正确识别和理解这些标志 按交通规则行驶实现 车载路径诱导系统 导航设施为设置在车内的车载导航器 导航的功能由导航器的定位计算和给出声音提示或屏幕显示 一步步引导驾驶员实现 在ITS出现之前 没有车载路径诱导系统 29 车载路径诱导系统 2 按路径计划所依据的信息的性质划分 静态路径诱导系统 路径计划所依据的信息为静态的路网信息 如预先储存在车载导航器的CD ROM中的路网结构 路段旅行时间甚至最短路径树 动态路径诱导系统 路径计划所依据的信息有实时的动态路网信息和环境信息 如当前和短期预测的路段旅行时间 交通管制信息 道路气象信息等 30 车载路径诱导系统 ERGS是最早的车载静态路径诱导系统 在美国现在仍有十几种静态车载路径诱导系统在使用中 其价格低廉 640 3000美元不等 1996年大约部署了1万个这种系统 主要是用于出租车上 而且预测直至2001年其普及率将有89 的年增长率 欧洲的车载路径诱导系统的市场主要也是属于几个静态路径诱导系统开发商的 31 车载路径诱导系统 动态路径诱导系统有车载的也有路侧的 由VMS引导的路径诱导就是路侧动态路径诱导 但这种路侧的动态路径诱导系统的诱导机理和作用与车载的 In vehicle 动态路径诱导系统很不相同 路侧VMS的动态诱导系统 交通信息传输于车流检测 控制中心与动态信息标志之间 诱导对象是车流群 故可称为群体车辆诱导系统 这种系统多用于高速公路及市内车辆停车场的诱导 对于市内道路网上车辆的诱导 这种系统的诱导机理就比较复杂 这种系统的交通信息采集 诱导信息发布设施及信息传输技术要求较低 32 车载路径诱导系统 车载动态路径诱导系统 交通信息传输于个别车辆与控制中心之间 诱导对象是个别车辆 亦可称为个别车辆诱导系统 这种系统诱导机理明确 容易达到诱导目的 车载动态路径诱导系统通过实时的路径引导使得驾驶员能够避免迷路和错误驾驶 将精力完全集中在驾驶操作上 从而稳定驾驶心理 降低交通事故发生率 提高交通安全水平 并能根据驾驶员的个人偏好向其提供最优路径 从而带来节省旅行时间 减少环境污染的经济效益和社会效益 这些是路侧诱导系统所无法做到的 目前正在各国各地区试用 研究的动态路径诱导系统都是车载动态路径诱导系统 但这类系统的车载导航设备及信息传输技术要求较高 且价格昂贵 33 车载路径诱导系统 3 按照路径计划产生的地点划分 自治型路径诱导系统 或局部决定的路径诱导系统 路径计划由车载计算机系统根据车内装载数据库的数据和车载软件计算产生 车载数据库的路段行驶时间等信息可以通过与道路系统的双向通信得以更新 中心型路径诱导系统 或中心决定的路径诱导系统 路径计划由交通控制中心的计算机系统计算产生 中心的计算机系统根据实际路况和交通条件为每一特定的车辆选择最优路径 并将选择结果通过路侧通信装置传送给车辆 34 车载路径诱导系统 完全利用车载导航器中固有的信息决定路径的自治型路径诱导系统是静态路径诱导系统 同时还利用接收到的道路实时信息决定路径的自治型路径诱导系统是动态路径诱导系统 中心决定的路径诱导系统是最理想的路径诱导系统 从理论上说 只有它才能优化交通流在整个路网上的分配 但是 这样的中心决定的路径诱导系统需要很大的投入 技术难度也很大 然而 欧洲的一些中心决定的路径诱导系统不仅车载设备简单 廉价 而且路侧通信基础设施也成本很低 其诱导效果并不比自治型的路径诱导系统来得好 所以 为了改进诱导效果 欧洲引进了双制式路径诱导系统 为了降低系统成本 日本引进了混合式路径诱导系统 35 车载路径诱导系统 美国的 先进的驾驶员咨询与车辆导航概念 ADVANCE AdvanceDriverandVehicleAd visoryNavigationConcept 和 旅行技术 TravTek TravelTechnology 是两个典型的自治型路径诱导系统项目 36 车载路径诱导系统 ADVANCE是一个ATIS示范工程 它的试验区设在伊利诺州芝加哥西北部郊区的大约300平方英里的区域 车辆利用差分GPS导航及定时计算 地图匹配来引导它们的路径 而这些车辆作为一种探测器 将实时运行信息传至交通信息中心 然后中心将这些信息传递给其他车辆来帮助它们进行动态路径选择 ADVANCE在1994年末由原来计划的装备3000个车载导航单元增加到5000个 在75辆车上安装了使之能接收实时交通信息的设备 这75辆车作为探测器 试验进行了7个多月 这样的配置使项目经费大大节约 使整个ADVANCE的预算从5200万美元降到3100万美元 然而 ADVANCE项目显示动态路径诱导并没有使旅行时间明显地节约 但它的确表明由ADVANCE所实现的动态路径诱导概念能检测出某些较大的延误 从而帮助驾驶员去避免它们 37 车载路径诱导系统 佛罗里达州奥兰多市的TravTek项目也是用来测试先进的车载导航和信息系统对驾驶员的有用性的场地试验项目 TravTek有100辆信息探测车 大都是出租用车 应用车载路径诱导系统来为用户提供交通拥挤度 汽车驾驶员服务 黄页 旅行信息及路径诱导信息 有4000名驾驶员参与了这个试验 驾驶员使用触摸屏向系统提出服务请求 从搜寻饭店到确定从机场到旅馆的路径 当驾驶员选择了一个目的地时 系统自动地计算到目的地的最好 最快的路径 分析实时交通条件 显示屏上的地图易于跟踪 在预定路径上该在哪儿 向哪边拐弯 指示得很清楚 同时计算到特定目的地的距离和估计其运行时间 驾驶员还可以利用语音设施及蜂窝电话来获得紧急事件帮助和额外信息 TravTek项目1992年3月到1993年3月的试验表明车载导航设备在节省旅行时间和寻找路径方面为用户提供了帮助 对于不熟悉地形的驾驶员来说 通过使用路径诱导系统可以减少大约33 的错误转向和大约20 的旅行时间 而且减少80 的旅行计划时间 对于整个城市来说 TravTek减少了19 的旅行时间并减少了交通事故 38 车载路径诱导系统 德国的Ali Scout系统是一种典型的较简单的中心型路径诱导系统 Ali Scout车辆装备一个简单的车载导航系统 它包含一个指示方向的磁性罗盘和一个测量行驶距离的车轮速度传感器 一个带显示器的仪表板 通过仪表板可激活路径引导功能并给出引导指令 Ali Scout的双向通信是通过安装在路侧和车上的红外线信标实现的 信息中心为每一辆车计算出到达目的地的最优路径 并将路径计划信息置于一个信息包内 车辆接近一个信标时 可接收到信息包内有关该地点的全部信息 但它仅选择那些与它同路的路径信息 驾驶员使用车载导航系统 遵循Ali Scout显示器的方向箭头指令前进 所有Ali Scout车辆都是系统的交通探测器 在经过每一个路侧信标时 它被识别 并被记下到达时间 于是路段的行驶时间就可计算出来 所有Ali Scout车辆的探测数据发送到信息中心 系统就了解了整个道路网络当前的交通状态 为下一步的路径计划又提供了依据 39 车载路径诱导系统 在欧洲 基于RDS TMC设计的系统采用CARMINAT 和DYNAGUIDE等商用路径诱导系统 依照ALERT C协议通过RDS TMC进行动态信息传播 另外 基于GSM的方法也已试验成功 1996年计划开发一个可操作的路径诱导系统 估计在1998年以前投入市场 德国 斯图加特区域性交通运营管理 STORM项目是一个典型的动态路径诱导场地试验 于1995年末完成 STORM将在斯图加特地区已有的用于交通控制 交通运营及交通通信系统的儿个专用Telematics系统结合起来 形成一个集成的交通信息系统 STORM以实时交通数据来发送双制式路径诱导DMRG DualModeRouteGuidance 局域通信利用位于130个交叉口的1100个红外线信标向信息中心提供车流数据 从而提供中心控制的路径诱导 40 车载路径诱导系统 另外 广域通信利用RDS TMC来提供自治型路径诱导 调查表明参与路径诱导系统试验的驾驶员对该系统有很大的兴趣 超过87 的人认为该系统对他们有帮助 超过40 的人按系统建议改变了路径 2 3的人认为这些系统能帮助驾驶员避免因寻找一个目的地而花费大量的时间 一项研究表明 当10 的车辆装有路径诱导系统时 这些车辆能使到达目的地的时间减少20 其他车辆也能从中得到很小的但可以感知的好处 但是在德国 有一个中心决定的车载动态路径诱导系统的商业性计划因基础设施的投资过大而在1996年被取消 41 车载路径诱导系统 日本的车载路径诱导系统处于世界领先地位 日本第一个商用车载路径诱导系统是由本田公司开发并在1981年装在其雅阁车上的 该系统使用一个气体速度陀螺仪作为方向传感器 1987年丰田公司在其皇冠车上装上了 ElectroMultivision 这是第一个有商业利用价值的车载路径诱导系统 它使用彩色CRT来显示存于CD ROM的道路地图 到1996年3月 日本有25个公司出售大约40种不同模式的车载路径诱导系统 动态路径诱导系统DRGS作为新交通管理系统的一个子系统正在全面部署 它采用局部决定的路径诱导和中心决定的路径诱导相结合的混合式路径诱导策略 42 车载路径诱导系统 2 车载导航系统 On boardNavigationSystems 车载路径诱导系统一般包括交通信息中心 数据通信系统 车载导航系统和信息服务系统四部分 除车载导航系统外 其他部分都是与一般的ATMS和ATIS共用的 43 车载路径诱导系统 3 路径诱导系统的工作过程如前所述 路径诱导的过程是 路径计划一导航一路径再计划 或 路径选择一路径提供一路径再选择 的过程 主要工作就是路径计划和路径提供 1 路径计划过程路径计划过程的关键点是 路径计划是一个选择最优路径的过程 首先要给定优化目标 如旅行费用最小 旅行时间最短 安全性最好等 当车辆行驶超出本地ITS服务区时 应由其他地区的ITS提供额外的服务 先期用于选择路径的交通和车辆探测数据应能够用于后期的交通预测 电子数字地图应能够及时更新并能满足道路网络实际建设的需要 路径计划的道路交通约束条件或控制参数应由信息提供装置操作员给定 仅当得到车辆认可时才提供车载路径诱导 44 车载路径诱导系统 完成路径计划有六个处理子过程 计算车辆行驶路径 该子过程计算旅行者的旅行路径并准备向车辆提供实时动态诱导路径 该子过程根据道路数据 驾驶员提供的需求数据 包括偏好和限制因素 附加数据 诸如现在或将来的天气因素 等来进行路径计算 该子过程还有给具有优先权的车辆和特殊车辆进行路径计划的功能 例如给紧急救援车辆选择能实现优先通行的最快捷的路径 为载有危险或特殊货物的商用车辆选择能便于监视潜在的或可预测的事故的路径 该子过程仅从道路基础设施获取车辆路径计算所必需的道路数据 如果在道路分段详细数据库里找不到所需的数据 它会要求负责提供路径计算数据的子过程 从其他相关数据库中获得所需数据 45 车载路径诱导系统 提供车辆路径计算数据 该子过程将更新车辆路径计算所使用的数据库 提供特定路径计算所需要的数据 当所需路段数据超出自己管辖地区的数据库范围时 发送一个数据请求给其他信息提供装置接口 以便从其他数据库获得相应地区路段的数据 提供非本地的路段数据 该子过程从其他信息提供装置获得该装置所在地区的道路数据 也响应类似的由其他地区发出的从本地数据库获取实时数据的要求 识别出与哪个地区的信息提供装置建立联系是获取地区外道路数据的基础 如果找不到含有所需路段数据的地图数据库 该过程返回这个路段的缺省或静态数据 46 车载路径诱导系统 更新车辆路径选择地图数据 该子过程提供与地图升级提供者或其他数据源的接口 通过它能够及时更新用于路径计划的数字化地图 提供与信息提供装置操作员的接口 该子过程给信息提供装置的操作员提供一个接口 供他输入和更新用于路径计算的控制参数 操作员能用该子过程向供应商请求更新数字化地图 请求输出旅行计划和路径选择控制参数 或更新路径选择数据库的控制参数 参数的输入形式可以是手工的或声音的 输出形式可以是各种各样的 计算用于诱导的车辆探测数据 该子过程根据车辆探测数据计算路段旅行时间 探测数据可来自电子收费系统或其他接收车辆信息的基础设施 该过程将标明那些路段没有数据或数据不足 那些路段的数据是可利用的 完成功能 47 车载路径诱导系统 2 路径提供过程当驾驶员要求实时路径引导时 路径提供过程担当与路径计算过程的接口 它将以前使用的数据或当前收到的路径计算的道路数据 按顺序传送给驾驶员来响应驾驶员的请求 系统支持三种类型的实时车辆诱导 第一种是最低水平的自治型的车辆诱导 第二种也是自治型的 但能够从交通中心获得一定的数据 第三种是最高水平的车辆诱导 即中心型的路径诱导 这是完全的动态路径诱导 它能从控制中心获得完全的当前交通条件的状况及其预测值 同时获得路径信息 如果选择的是最高水平的车辆诱导 但又失去了与控制中心的通信联系 这时如果车内的导航电子地图存有可靠的数据 那么车辆诱导将返回到最低水平的自治型路径诱导 48 车载路径诱导系统 一旦执行了动态路径诱导 处理过程将保留车辆定位的轨迹和车辆位置的改变以及有效的路径 如果车辆路径计算过程失败 这一处理过程将继续提供驾驶员诱导信息 或者干脆变为静态路径诱导 利用这三种不同类型的诱导方式 一种中心的和两种自治的 进行路径诱导概括起来说有这样几个要点 动态诱导由控制中心提供动态的路径诱导信息 自治型的诱导使用车内装载的数据库 该数据库可以通过所获得的路段行驶时间来更新 驾驶员选择哪一种诱导方式依赖于车辆设备和路车通讯连接 当希望系统帮助制定旅行计划时 在旅行开始之前就要申请路径诱导服务 若动态诱导失败 则诱导系统将会依据最后收集的数据自动继续运作 49 车载路径诱导系统 4 动态交通分配理论概述动态路径诱导的理论研究是ITS理论研究的最重要领域之一 其核心内容是实时动态交通分配理论 动态交通分配 DynamicTrafficAssignment 是指以随时间变动的交通需求为对象的交通量分配 实时动态交通分配则是基于路网中的一个活动着的交通流 预测其短期 如5min 内的交通需求 进行交通量分配 显然 实时动态交通分配理论是动态路径诱导的理论基础 50 车载路径诱导系统 动态交通分配理论已有20多年的发展历史 其研究的方法主要有计算机模拟方法 数学规划建模方法 最优控制理论建模方法 变分不等式建模方法等四种 所研究的问题主要有 出行时间选择 即每个时段出行率的研究 出行路径选择 即对于如何将预先给定的随时间变化的O D交通量分配到路网上的研究 同时决定出行时间和出行路径的选择等3类 在综合考虑出行时间和出行路径的选择时 若交通量分配对象是实际出行行为发生的路网 时间段分割得足够细密 路径选择依据的参数来自当前路网和当前的出行需求 则这一交通量分配就是实时动态交通分配 动态交通分配模型 从出行者路径选择行为的假定看 可分为动态用户最优模型和动态系统最优模型 51 车载路径诱导系统 一般来说 系统最优是系统规划者和管理者所期望得到的一种网络交通流的最优分布状态 其前提是要求出行者间必须互相协作 这种状态不可能靠自身维持 因此系统最优交通模式不可能作为描述实际交通行为的均衡状态模型 动态用户最优同动态系统最优一样 是一种分配准则而不是一种真正的均衡状态 但其比动态系统最优更接近现实 能够评价交通管理对策效果 因为其必须对出行者的出行行为更好地描述 所以动态用户最优的建模比动态系统最优建模复杂 ITS中的路径诱导的最优路径选择直接依据的是动态用户最优分配原则 但是 动态系统最优分配模型是路径诱导系统的基础 也是动态用户最优分配模型的基础 动态系统最优分配模型是对拥挤网络分析的有效工具 它能够显示在路径诱导系统下 网络的最佳运行状态 从系统 整体的角度揭示出在用户最优现实下的交通流状态的缺陷 为交通管理指出方向 同时 动态系统最优分配模型还能够计算道路通行费 确定拥挤价格策略 52 车载路径诱导系统 动态用户最优是要使用户个人 费用 最小 而根据个人 费用 定义的不同 又有预测型用户最优和反应型用户最优两类用户最优模型 实际上 当交通网络中的交通条件是每日变化不大 可以预测的 而出行者又了解这些条件时 用户可以根据未来的交通条件来估计出行费用 选择出行路径 当交通网络中的交通条件是不可预测的 而出行者又拥有完善的实时交通信息服务时 用户只能依据当前的交通条件来选择出行路径 这分别导致了预测型和反应型的路径选择行为 在ITS的路径诱导中 两种模型都有应用 53 车载路径诱导系统 另外 动态交通分配模型的形式 按状态变量与时间关系的描述方式分 有连续时间模型和离散时间模型两大类 对应于静态随机交通分配模型 也有动态随机交通分配模型 在实际应用中 离散型的动态随机交通分配模型用得更多 无论用哪种模型求解最优路径 都还有很多具体的理论和方法问题 如 路网的描述方法 路段权重的标定 交叉口延误和通行时间的确定和最短路算法等 对于特定的模型 还会有特定的问题 如使用预测型用户最优模型时 交通流的实时预测就是非常重要 也是难度较大的问题 54 先进的旅行者信息系统案例 1 TravLinkTravLink是美国明尼苏达向导之星 MinnesotaGuidestar 项目的一部分 它实施期为三年 在明尼泊利斯附近一条12英里长的I 394通道上实现ATIS I 394是新建设的一条高速公路 在它的所有交叉口都安装了匝道仪 有高级的摄像机监视 还有一条供公交车辆和多人共乘车辆用的高乘载率 HOV 专用车道以及包含停车和搭乘场所和公交车辆服务的扩充网络 TravLink项目包括 1 实施一个I 394上运行的公交车辆的计算机辅助调度和自动车辆定位 CAD AVL 系统 明尼泊利斯公共交通运营部门 MCTO 将定位信息用于车队管理 得到的好处包括更好的实时性能和更快的事故管理响应 55 先进的旅行者信息系统案例 2 实施一个ATIS网络 此网络由一个通过个人计算机及图文终端提供信息的在线电子服务系统 许多智能信息亭 电子信息板和视频显示监视器组成 该ATIS提供来自AVL的实时状态信息 其他静态公共交通信息 包括公共汽车时刻表和出行计划信息 以及交通条件实时信息 如事故和道路建设工程 TravLink运营测试从1994年秋天到1995年年末 它的目的是更好地了解实施这样一个系统的需求 评价系统对旅行者的影响 检验像TravLink这样一个系统在区域运输管理活动中的作用 特别地 主要目的是测试公共交通信息的质量和可利用性的改善能否对个体从单人驾驶出行转向利用公共交通出行产生积极影响 另外 TravLink有能力改善公共交通服务的质量和安全 能给通勤者提供全方位的选择 使他们了解更多的旅行方式和旅行时间的信息 56 先进的旅行者信息系统案例 TravLink是第一个吸引公共一私人部门合作参与的革新性项目 一些公共部门和私人公司共同投资和共享利益 公共部门包括联邦运输部 联邦公路管理局和联邦公共交通管理局 明尼苏达州运输部 明尼泊利斯市委员会 私人公司包括西屋公司 3M公司 USWEST 摩托罗拉和Etak 该项目的活动有 1 将使用GPS的AVL系统安装在运行于I 394号公路上的80辆公共汽车上 该系统与一个既存的计算机通信和调度系统并行工作 装备了这些设备的车辆主要在高峰小时往来于明尼泊利斯市区的快速公共汽车线路上 57 先进的旅行者信息系统案例 2 AVL系统辅助实现传统调度中通信 事故管理和车队控制功能 另外 该系统允许公交中心管理员连续跟踪车辆和检查时刻表执行和路径背离情况 系统通过无线控制的数字消息自动通知偏离时刻表的公共汽车驾驶员 系统也能利用一种无声的警报给处于紧急状态中的公共汽车定位 3 ATIS不仅提供公交信息也提供交通信息给旅行者 一个中心主计算机收集 处理 发布信息 ATIS通过光纤网从AVL系统收集时刻表的实时数据 ATIS服务器位于交通管理中心 此中心通过和中心事故捕获系统自动接口得到交通事故数据 然后通过电话线连续地或质询式地将信息发布到各种外场装置 58 先进的旅行者信息系统案例 4 为测试而招聘的200名志愿者可利用在线服务 应聘者是I 394通道的居民 包括等量的公共汽车乘用者 合乘者和单独驾车的通勤者 应聘者先接受训练 然后用他们的个人计算机在家里或办公室 或大多数情况下在设置了一两台图文终端的地方访问服务 这种终端就插接在标准的电话插座里 这种信息服务是可供随时访问的 5 在线服务的一个关键特性是它包含I 394公路上公共汽车的时刻表状况的显示 即它显示一台特定的排好行程的公共汽车是否按时到达当前应到达的位置 假如迟到了 该服务提供一个公共汽车延迟到达车站的时间区间估计 该在线服务也为区域内所有公共汽车提供时刻表和提供基本的区域到区域的公共汽车出行计划服务 另外 系统报告高峰期间区域内部主要道路的所有交通事故 59 先进的旅行者信息系统案例 6 有触摸屏的智能信息亭设置在3个市区商业中心 除了使用彩色图形和显示I 394公共汽车路径的地图外 信息亭提供类似于在线服务提供的信息 所提供的公共汽车状态只局限在到达一些接近信息亭的市区公共汽车站的I 394公共汽车 沿着I 394通道 在两个主要的停车和搭乘站点的旅客候车棚里设置了20英寸视频显示监视器 在四个这种站点安装了电子信息牌 监视器和信息牌显示即将到达所在站点的公共汽车的在线状态 60 先进的旅行者信息系统案例 该项目共花费670万美元 包括联邦政府的360万美元 其主要调查结果可归纳如下 1 TravLink在线服务系统显著地影响了旅行者对公共交通服务的质量的感知 认为公共汽车服务是方便的公共汽车乘用者所占百分比从63 增加到76 更引人注意的是 认为公共汽车服务方便的那些自己驱车的人所占百分比从46 增加到58 该系统改善了所有用户对公共交通及其相关服务的认识 从而增加了用户更换旅行方式 在公交车和私家车之间做选择的意识 2 一些旅行者乐意为获得某种信息服务付款 自己驱车上班的人乐意为获取交通延迟信息付费的比例相对最高 乐意为获得天气信息付费的比例其次 公共汽车乘用者也比较乐意为获取公共汽车状态信息付费 总之 旅行者对此类系统获得信息的多样性 信息的可靠性和获取信息的方便性抱有很高的期望 61 先进的旅行者信息系统案例 2 车辆信息通信系统 VICS VICS是日本的一个实时交通信息提供系统 它是与车载路径诱导系统的潜在的大市场密切结合进行部署的 是日本人引以为自豪的ITS最成功之作 20世纪80年代中期 日本出现了两个相互独立的驾驶员信息服务系统 即警视厅的AMTICS和建设省的RAGS 它们于1991年成为VICS的一部分 VICS中心是一个公共 私人的协作部门 在1995年7月1日投入使用 在1996年12月开始提供信息服务 VICS的服务分三个阶段扩展到全国 一个阶段为期7年 第一阶段 VICS服务覆盖东京 神奈川 琦玉 千叶 大阪 爱知 京都 兵库等8都府县及整个东 京 名 古屋 和名 古屋 神 奈川 高速公路 62 先进的旅行者信息系统案例 从1996年4月到1996年12月 共售出95308个VICS车载单元 在1997年4月VICS服务就出现在全国的高速公路上 第二阶段指定的服务地区是札幌 仙台 广岛 福冈等道县 到2000年 VICS将遍设全日本的主要城市 至1999年6月末 VICS累计为120万台车载导航器提供服务 63 先进的旅行者信息系统案例 VICS使用一FM多频广播系统及微波和红外线信号的路侧发射器 信标 向驾驶员提供包括旅行时间 交通拥挤 交通控制 交通事故和建设工程等实时信息 到1997年3月大约有2600个微波信标由建设省安装在高速路侧 到1996年3月10000多个红外线光信标被警视厅安装在东京 神奈川 琦玉 千叶 大阪 爱知 京都 兵库等几个县市中 下图表示了VICS的系统概念 64 先进的旅行者信息系统案例 65 先进的旅行者信息系统案例 由于VICS不是一项以赢利为目的的活动 购买和安装了VICS车载机的驾驶员可免费获得拥挤信息 拥挤地点 区间 交通障碍信息 事故 故障车 路上障碍物及路面施工 停车场信息 停车场 高速路上的服务区 停车区的空 满 旅行时间信息 高速路上主要地点间的所要旅行时间 交通管制信息 禁行 限速 车道限制等临时性交通管制及其原因 等数据 66 先进的旅行者信息系统案例 和VICS的免费信息服务形成对照的是东京的ATIS 先进的交通信息服务 的有偿信息服务 由于20世纪80年代以来 东京的交通量增加了许多 民众对在任何地点都能接收到实时信息的呼声越来越高 1993年7月 东京都政府和私人公司通过建立ATIS公司来提供优质服务商用的实时交通信息 67 先进的旅行者信息系统案例 1994年2月 ATIS公司利用双向通信 电话线 蜂窝电话和租用电话线 开始投入使用 传播那些单向交通通信设备 如电视 收音机 VMS 不能接收的信息 ATIS最初覆盖东京市区主干道和高速路 而1997年开始扩大其网络 ATIS系统由ATIS中心和终端 个人电脑 车载路径诱导系统等 组成 ATIS每5min从各信息源获得交通信息 重组整理后将其传给ATIS的终端 终端以一电子地图显示交通拥挤程度并推荐一最快的路径 和VICS不同的是ATIS是赢利性组织 68 先进的旅行者信息系统案例 3 动态路径诱导系统 DRGS DRGS是日本UTMS体系结构内的六个子系统之一 是由日本新交通管理协会和东京都警视厅开创的 它将成为世界上第一个投入实际运行的中心型动态车载路径诱导系统 1 DRGS的研究 开发计划到目前为止 DRGS已进行了一系列的演示试验和运行试验 1995年11月第二届ITS世界大会在横滨举行 参观UTMS的评估试验是大会的一项重要活动 69 先进的旅行者信息系统案例 DRGS的发展计划包括3个阶段 第1阶段 1995一1997年 1996年3月 在东京或神奈川县建立4kmz的试验区 约有200条路段可供使用 在试验区内建造带有双向红外线通信功能的交互式DRGS 届时对DRGS的功能和性能进行全面验证 其重点在于路径诱导信息的实时提供问题 试验尽量在接近实际的情况下进行 试验车辆可以自由行驶 驾驶员不断从交通控制中心获得路径诱导信息 此阶段 DRGS的发展只限于东京 大阪 名古屋3大城市 日本警视厅计划在1997年以前将能提供当前行驶时间信息和优化路径诱导的系统投入实际运行 70 先进的旅行者信息系统案例 第2阶段 1998 2000年 DRGS向每一车辆提供优化路径诱导信息 但还无法保证所有车辆运行效果的总体最优 DRGS在其他大城市开始发展 车载单元逐渐普及 第3阶段 2001年以后 DRGS向所有的车辆提供优化的路径诱导信息 使车辆处于总体最优运营状态 由于优化路径诱导是交通流优化 即UTMS的最终目标 的前提 因此日本警视厅准备对DRGS长期反复地实地试验 积累技术 经验 并有目的地进行评估 使这些技术系统化 理论化 以指导UTMS的进一步发展 71 先进的旅行者信息系统案例 2 DRGS的相关技术问题在DRGS中 道路与车辆间的双向通信是利用红外线双向信标 通过这种信号标杆 车载系统把驾驶员的目的地信息传送给系统并从系统收到反馈的 包括最优路径等的信息 就优化路径的提供方式而言 DRGS可以分为两类 即LDRG 局部决定的路径诱导 和CDRG 中心决定的路径诱导 LDRG使车载单元能够选择车辆自身的优化路径 它只使用车载数据 但使用此项技术就有可能使许多车辆选择同一路径 造成新的交通阻塞 相反 当车载单元广泛使用时 CDRG就能合理分配交通流 并对未来的交通条件进行预测 因此 DRCUS的发展方向是建立由控制中心分配交通流的系统 即交互式CDRG 72 先进的旅行者信息系统案例 系统和车载单元的功能分配 多模式的DRGS多模式的DRGS综合了LDRG和CDRG的长处 为了减轻系统的负担 对于系统的主要道路中的车辆诱导由CDRG功能实现 而对于小交通流的局部道路或本地街道则使用LDRG 这时 路径诱导功能可以这样使用 即驾驶员首先使用LDRG从起点驶上主要道路 然后由CDRG沿主要道路诱导行驶 当接近目的地时切换回LDRG并沿局部道路到达目的地 73 先进的旅行者信息系统案例 向车载单元提供的路径信息主要内容有 系统根据不同的评估标准向驾驶员提供3条优化路径 到达目的地平均行驶时间的预测值 每条行车路径的长度 与路径有关的交通信息 提供沿途的几个重要地名 车载单元传送的信息主要内容有 目的地 有4种确定目的地的方式 即单向路段确定 双向路段确定 节点确定和区域确定 下图 是否使用收费道路 车辆模式 即是否为大吨位车辆 74 先进的旅行者信息系统案例 75 先进的旅行者信息系统案例 路径选择方式在交互式CDRG中 红外线标杆的存储器中保留有从其位置到达所有目的地的最优路径 当车辆进入标杆通信区域时 标杆根据车辆的特定要求 如目的地 选择路径 并将此信息传给车辆 通常 从信号标杆到所有目的地的优化路径可视为以标杆位置为根节点的 树 这棵 树 在每一信号更新周期 5min 由中心传给车辆 基于目前的条件 系统在5min内尚无法连续产生优化路径 76 先进的旅行者信息系统案例 解决问题的方法是将可能出现的各种交通条件按统计分类 系统根据划分的不同交通模式建立优化路径 树 每5min中心在可能的优化路径中选择到达目的地的优化路径 并将 树 相关的路径号码传给标杆 这样 即使在收集的路径行驶时间数据不连续 不完整情况下 也能提供可靠的路径 77 先进的旅行者信息系统案例 对信号标杆性能的要求当车载单元在标杆的通信区域内时 标杆必须执行所有的处理过程 完成向车载单元传送优化路径 以后的发展要求能为3车道的车辆同时提供路径 且推荐给每一车辆的优化路径不少于3条 一旦从车载单元接收到目的地 立即搜索优化路径 主要过程有 目的地转换 根据目的地的确定类型 单 双向路段 节点 区域 将目的地转换为路段号码 搜索路径 搜索组成优化路径的一系列路段 并记录在传输数据格式中 记录路径长度及沿路某些重要地名 78 先进的旅行者信息系统案例 中心向每一标杆以9600位 秒速率传输80K字节的相关信息 需要3min左右 如果每次只传输部分信息 如与上次传输不同的信息 则能大大减少传输量 UTMS设计的从标杆到车载单元的最大信息传输量为10K字节 开始实施时只占用其中的一小部分 约13K字节 79 先进的旅行者信息系统案例 3 DRGS的展望DRGS的最终目的是通过动态交通分配减少对象区域内整个路网的交通拥挤 但是当系统处于其早期运行阶段时 车载系统未广泛分布至足够程度 DRGS仍只用于指导各别运行车辆的最优路径选择 80 先进的旅行者信息系统案例 当红外线信标与车载系统更加普及 并且可以区别每一辆车时 我们不仅有可能使交通控制系统更加先进 甚至可以实行一些新的交通管理措施 此时 具体执行交通管理的警察可以确定两个新的 然而重要的交通特征 一个路段上的旅行时间与车辆出行的O D 一旦一个路段上的旅行时间可以确定 交通控制的进一步改进就成为可能 也可以向每个驾驶员提供更为精确的旅行时间信息 而车辆出行O D的确定能实现对交通状况的十分精确的预测 这使得为实现正确的信号控制与交通状态实时预测提供所需信息成为可能 81 先进的旅行者信息系统案例 自从车载路径诱导系统在日本得到广泛使用之后 新型的交通控制系统也已建立起来 可以预见DRGS 尤其是这种将中心决定的动态路径诱导 CDRG 与局部决定的动态路径诱导 LDRG 结合于一体的复合型系统 一定会成为一种对驾驶员来说十分友好的路径诱导系统