浅析我国高速公路智能系统的发展途径

黄丹阳

(四川省交通运输厅高速公路监控结算中心)

1 前言

改革开放后，特别是近十年来，在国家加强基础设施建设的导向下，我国的高速公路发展迅猛，成就令人瞩目。截止到2012年底，全国高速公路里程达9.62万km，一举超过美国位居世界第一位。高速公路的飞速发展势必带来其配套智能系统的革新，我国的高速公路智能系统与国外发达国家不同，是随着高速公路的大规模建设而逐步开展起来的，其发展速度远远落后于高速公路的修建速度。

随着我国汽车保有量的逐年上升，越来越多的人选择快捷方便的高速公路出行，这也造成了高速公路安全事故频发，各种违法违规事件层出不穷。国外经验证明，一旦智能交通系统投入使用，交通事故最高可减少80%。美国智能交通协会主席柯林斯曾言，智能交通的应用可使现有交通安全水平提高一倍。因此，高速公路智能系统的运用已经成为亟待解决的一项命题。

高速公路智能系统是智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)的重要组成部分，是针对传统交通处理技术不能安全解决高速公路交通系统中日益增加的新问题而提出的一种解决方法。其通过对关键基础理论模型的研究，利用先进的信息技术、计算机技术、数据通讯技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等有效地综合运用于高速公路交通系统，把车辆、道路、交通参与者三者之间紧密联合起来，从而形成一种安全、准确、高效的综合系统。高速公路智能系统技术可以极大地提高工作效率，有效地降低交通事故，减少对环境的破坏，节约能源。因此，ITS的应用已经成为高速公路交通发展的必然趋势。

2 国内外高速公路ITS发展现状

2.1 国外现状

美国、日本和欧洲是目前高速公路智能系统研究和运用的领跑者。

美国在20世纪60年代末期就开始了智能系统方面的研究。1990年8月，美国成立了智能运输车路系统组织，该组织建立了一个基于用户需求与目标的智能运输系统开发与实施框架计划，确定了系统包含的子系统，定义了7个服务领域的29项用户服务功能。随后在20世纪70年代，日本开始了ITS在交通领域的研究。日本ITS体系结构研究采用面向对象的方法，使用统一的建模语言，给出10个领域21项服务，从而形成一个包含发展领域、用户服务、特定用户服务和子服务4个层次的系统服务结构，建立了ITS体系的逻辑框架与物理框架。欧洲从1986年也开始涉足ITS的研究。其ITS体系框架研究始于1998年，由荷兰运输部门领导，采用面向过程的方法建立，与美国统一规划自上而下不同的是，其采用自下而上的方式。

而在高速公路ITS的应用层面，日本扮演了领头羊的角色，其已经在全国所有高速公路干线实现了道路交通情报通信系统VICS(Vehicle Information and Communication System)的运用并取得了良好的效果。VICS以提高道路交通的安全性和通畅性、改善道路环境为目的，通过GPS导航设备、无线数据传输、FM广播系统将实时路况信息和交通诱导信息即时传达给交通出行者，从而使得交通更为高效便捷。县级警察机构和道路管理者先把有关的道路交通信息传送到道路交通信息中心，然后再传送到VICS中心(24 h全天候工作)，其他方面的信息也被汇集到VICS中心，由VICS中心处理加工成便于利用的形式提供给用户。在高速公路上使用电波信标，可以提供200 km范围的道路信息。汽车用户通过安装在汽车上面的VICS车载机来接受VICS中心所提供的实时交通信息。用户通常可以得到三种形式的信息:文字显示、简易图形显示和地图显示。VICS所提供的信息可以使驾驶员明确掌握各种情况，达到保障交通安全、节约能源的功效。VICS目前是世界上最成功的道路交通信息提供系统，是ITS在高速公路上成功运用的典范，具有极大的参考和借鉴意义。

2.2 国内现状

我国早在20世纪70年代末就开始在交通运输和管理中试验和应用电子信息技术来改善交通管理。1998年初，为推动中国ITS的发展，由科技部牵头联合国家十几个部委联合建立了发展ITS的政府协调领导机构——全国智能运输系统协调领导小组及办公室，并成立了ITS专家咨询委员会。通过各企事业单位、科研机构以及各大高校的多年努力，我国已经培养出一系列从事ITS方面研究的专业人才并且也研发出了具有一定市场竞争力的产品。

按高速公路ITS系统的服务功能，高速公路ITS的构成一般分为五点。

(1)先进的交通监控与管理系统。限于建设成本的压力，我国高速公路的监控设备数量上不足以完成对各路段无盲点的监控，目前全国各省份主要是通过外场设备(如摄像机、车辆检测器、气象监测器等)实现监视功能，并没有达到诸如预警、电脑自动处理事件的ITS功效。虽然一些区域可以通过可变情报板和可变限速标志发布诱导信息，但是由于没有ITS系统专家数据库的支撑，只能通过人为信息发布，不能保证实时性和快速性。

(2)集成的信息服务系统。目前基于GIS平台的信息服务系统已初步运用于各大省市，平台借助网站或者手机APP可以集中展示诸如实时路况、收费站、服务站之类的公共信息，大大方便了民众的出行。

(3)电子收费系统。对于不停车收费系统(ETC)一直是各省市研究发展的重点，并且也取得了显著的成效，如京津范围内的联网收费大大缩短了用户收费站口的等待时间，但是对于全国范围联网的ETC建设仍然任重而道远。

(4)运输管理系统。为保证运输企业效益最大化的服务功能，还需ITS子系统的进一步开发。

(5)安全保障系统。路段上的可变情报板和可变限速标志有一定的安全警示作用，由于缺乏预警机制，一般通过人工求救现场救援的方式进行处理。

可以说我国高速公路ITS的发展还处于初步阶段，各省市的发展情况也差距较大，要实现真正的高速公路智能交通还有很长的路要走。

3 我国高速公路ITS的发展途径

上节提到高速公路ITS是一个综合性的多功能系统，其发展的核心是发展智能监控系统，实现路段全程监控是智能监控系统需要达成的目标。监控中心通过对路段上每一辆车辆的信息反馈，可以实现实时控制每个路段的最高限速，可以及时发现并处理紧急事故，可以给车主提供事故预警、天气路况提醒、收费站和服务区提示等一系列功能，从而使高速通行更加畅通、舒适和安全。

日本高速公路VICS每200 m设置一个传感器的方式需要浩大的工程量和巨大的资金支持，鉴于我国高速公路的长里程性及各地区发展的差异性，显然不适合我国国情。硬件条件的不满足促使向软件方面想办法，其必须满足高速公路行驶的每辆车都能使用的基础条件，目前的方向一般有两个，一是从高速公路通行卡入手，二是从车载导航入手。二者都是通过把智能监控系统融入其中，实现车辆与监控中心的数据交换和各项应用功能，其本质是一样的，只是通过高速公路通行卡的方式仅限于高速公路范围的监控，而车载导航可以实现市区ITS的接入，为以后整个路网ITS的发展做出铺垫。

高速公路智能监控系统内置于高速公路通行卡和车载导航中，主要包括以下几大模块。

(1)无线数据传输模块。其主要功能是实现车辆和监控中心的数据连接(可通过4G技术满足其快速性的要求)，监控中心接收实时路况及车辆的各类信息(包括经纬度、海拔、速度、时间、编号数据等)，对其进行分析和处理后，将提示信息通过无线数据传输模块传递给高速公路通行卡或车载导航，对车辆进行阻断、事故、天气等提醒。

(2)卫星导航模块。通过北斗卫星导航系统或者GPS对汽车定位，实现在监控中心的GIS平台上分路段实时显示各车辆的精确位置。监控中心对于非收费站和服务区的车辆集中区域可以快速定位并且做出相应的应变措施，同时对于汽车行驶路线的监控对收费监管也能起到一定作用。

(3)计算控制模块。用于处理卫星导航模块提供的数据。

(4)存储模块。存储历史数据和计算控制模块处理后数据。

(5)语音输出模块。用于语音提示驾驶员路况、天气、事故等信息。

当携带有高速公路智能监控系统的车辆进入高速公路时，系统开始工作。通过卫星导航模块可以获得车辆的速度、地理位置、时间等数据，计算控制模块将这些数据处理过后与存储模块中的历史数据相比较，可以判断出车辆是否超速、骤停等，同时通过无线传输模块将异常信息传输给监控中心，监控中心处理后再回传给相关范围内的车辆，通过语音输出模块的提示以保障行车安全。同时对于外场监控设备采集到的天气状况、路面状况和路政反馈的道路养护情况也可以通过语音输出模块告知驾驶员。不同的是，集成于高速公路通行卡的高速公路智能监控系统需要增加相应的供电模块，其可以采取提供车载充电接口的方式以达到长时间的续航能力。

高速公路智能监控系统可以实现对高速公路上行驶车辆的有效监管，降低违章率，降低事故率，从而达到减少人员伤亡和经济损失的目的。

4 结论

集成于高速公路通行卡和车载导航的高速公路智能监控系统理论上都能满足路段全程智能监控的目的，高速公路通行卡的优势在于便于管理、使用方便，劣势在于易损、维修不便;而车载导航的优势在于使用寿命长，劣势在于专用导航价格偏高、普及率低。当然，随着经济的发展和社会的进步，上述劣势将会逐渐淡化，而智能交通系统为交通参与者带来的快速、安全、舒适等特质将促使高速公路智能监控系统大范围普及，同时也大大提高了交通监管部门的管控效率和成效。当各级监控中心真正实现专家控制时，也就是整个高速公路智能化的阶段性胜利，那么高速公路无人驾驶也将不再遥不可及。

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