智能交通系统发展历程与我国数字化转型

2022-09-02郑健壮张嘉旎

公路交通技术 2022年4期

郑健壮，张嘉旎，邵勇

(1.浙大城市学院商学院，杭州 310015；2.浙江大学工程师学院，杭州 310015；3.浙江高信技术股份有限公司，杭州 310020)

随着社会经济快速发展和城镇化进程的不断推进，快速增长的城市人口导致机动车数量爆炸式增长，直接引发城市内部及城市间交通拥堵和环境污染等严重社会问题，也间接导致了人们出行时间的增加、生活质量的下降以及社会资源的浪费。面对上述问题，除积极建设和完善更多的交通基础设施外，以智能交通系统ITS (Intelligent Transportation System)为代表的先进道路交通管理技术也随之而生，其中机动车保有量快速增长与城市(或城市间)道路基础设施建设速度之间的不匹配是ITS产生的主要原因[1-2]。ITS，一般是指使用先进的通信和控制技术，借助系统的智能化技术，将道路、驾驶员和车辆等相关系统有机地结合在一起，以实现最安全和最经济的运输方式[3]，主要包括车载智能系统、信息交流系统及交通管理系统等。目前，美国智能交通的应用率已达80%以上[4]，同时其相关产品的研发也处于全球领先地位。中国作为ITS起步较晚的国家，目前仍与发达国家存在一定差距。在新一轮科技革命和产业变革迅猛发展的契机下，促使各行各业推动数字化转型，而数字化转型是对传统业务进行系统性的重新定义，在其推进过程中，普遍面临战略不明确、路径不清晰、过程方法缺失、价值难获取等问题和挑战。本文系统总结以美国为代表的发达国家ITS发展历程，并根据其内在的架构逻辑分析我国目前存在的问题，对我国智能交通系统数字化转型的内涵、基本架构以及转型路径进行探讨。

1 美国ITS的发展历程

美国作为全球ITS应用程度较高的国家，从上世纪60年代至今一直在研发、应用和完善其ITS。按技术研发和应用推广[5]，可划分为以下4个阶段。

1.1 启蒙期—发现管理问题和探索建设需求

上世纪60至80年代，是美国ITS的启蒙期，其主要特征是发现问题和探索需求。尽管美国的ITS真正系统化的发展始于上世纪90年代，但从上世纪60年代开始就进行了大量的前期研究。自上世纪40年代开始，美国出行机动化增长迅速，机动车数量急剧增加，美国开始大规模建设洲际高速公路，同时也出现了交通安全及拥堵问题，这促使美国开始探索基础设施建设之外的有效交通管理手段。60年代，美国联邦政府开始制定安全标准并探索如DAIR(Driver Aid Information and Routing)系统、AVI(Automatic Vehicle Identification System)系统等出行信息服务和管理技术[6]。80年代，政府、产业界和学术界开始关注新交通技术应用的潜力，开展一系列试验项目，如加州的燃油节约交通信号控制系统等。1989年举行针对智能交通技术的第一次国会听证会，这对后来智能交通发展产生了深远的影响[7]。这一阶段，基于对ITS的需求，美国开始对公路交通这一应用场景进行理论探索和研究，并取得了一定成果，但没有产生统一的标准，尚未形成系统性的ITS。因此，在解决交通实际问题方面，并没有显著效果。

1.2 发展早期—提升运行效率和形成体系框架

上世纪90年代至上世纪末，是美国ITS的发展早期，此阶段主要以缓解交通拥堵为导向并逐渐形成标准化的ITS。90年代，导航技术、电子收费系统等交通管理手段开始进入实际应用，提升交通系统运作效率成为这个时期的主要目标。同时，美国开始认识到法律法规以及政策上的不足，开始对智能交通的发展进行有目的的规划。1991年，美国国会通过了冰茶法案ISTEA(Intermodal Surface Transportation Efficiency Act)，倡导用先进技术提升交通运营安全和效率[8]。联邦层面开始构建智能车路系统IVHS (Intelligent Vehicle and Highway System)，即现代ITS的前身，主要涉及基础研究、道路测试和技术转化等。1994年，美国交通部正式用ITS一词代替了IVHS，并成立了领导美国智能交通项目的ITS联合项目办公室[9-10]，形成了涵盖电子支付服务、驾驶员和出行者服务、紧急事件管理、商用车运营、公共交通管理等八方面的ITS系统初始框架[11]。此阶段，由于互联网技术的出现以及通信技术的发展，数据传输有了长足的进步，美国ITS进入了快速高效的发展阶段，并逐渐形成有体系的ITS。

1.3 发展中期—聚焦新技术的研发和应用

到21世纪前10年，现代通讯技术和云计算等技术的出现，使信息的存储、获取和传递的能力大大提升，美国ITS的发展开始进入数字化的新时代。1999年联邦通信委员会分配专用通讯频段用于提高公路安全与效率后，美国开始重视车辆协同对交通的改善，强调交通技术和服务功能的整合提升。2001年美国专用短程通信技术标准委员会通过IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.11a作为路侧车辆的DSRC标准[12]。2003年美国交通部发起了名为VII(Vehicle Infrastructure Integration)的计划，由此出现了车联网的雏形。2004年军方举办的无人驾驶车辆挑战赛，促进了无人驾驶技术的发展。2005年，基于IVI(In-Vehicle Infotainment)技术及对车辆变换、追尾、驶出路外等问题进行深入研究，并逐步形成了辅助驾驶系统。同年，美国国会从国家层面制定ITS发展规划、成立ITS咨询委员会、建立ITS系统技术标准和体系架构等，审议通过了“交通平等法案”[13]。这一时期，美国ITS聚焦新技术的研发与应用，从新兴技术的理论研究到实际应用的周期开始缩短。城市交通拥堵、货运交通瓶颈以及技术改进等成为重点关注问题。

1.4 发展稳定期—注重智能交通出行服务提升

2010年之后，随着次贷危机产生的经济衰退，如何最有效地利用高速公路系统和车辆自动化成为这一时期关注重点。与此同时，通信技术、大数据与人工智能等技术也在快速发展。2010年华盛顿州交通运输部推出了主动交通和需求管理系统，以缓解与交通事故相关的拥堵为主[14]。2011年内华达州成为美国第一个合法化自动驾驶的州，拉开了自动驾驶在美国合法化的序幕。2012年签署的MAP-21(the Moving Ahead for Progress in the 21st Century Act)以及2015年FAST(Fixing America′s Surface Transportation Act)法案都持续为ITS的建设提供财政支持。2015年美国交通部宣布在怀俄明州、纽约市和坦帕3个试点城市的街道和高速公路上测试CV(Computer Vision)技术。2018年美国交通部再次发布了《自动驾驶汽车3.0：为未来交通做准备》：基于2.0的自愿性指南基础，支持将自动驾驶的安全、高效、可靠、经济集成到多联式跨界的地面运输系统中[15]。美国政府鼓励放开市场，使得许多企业涉足自动驾驶并取得了诸多成果。2020年美国联邦通信委员会正式决定将高30 MHz((5.895-5.925 GHz)分配给C-V2X(Cellular - Vehicle to Everything)，美国的V2X行业进入了新的发展时期[16]。从ITSA(ITS America)的技术蓝图文件[17]以及《2020年—2025年战略规划》[18]中可知，美国在ITS战略重点上，从强调自动驾驶和智能网联单点突破到新兴科技全面创新布局，更加注重车辆自动化和基础设施互联互通。美国ITS的发展历程可用图1简单表示。

图1 美国ITS发展历程Fig.1 Development of intelligent transportation system in the United States

2 国内ITS发展历程

与美国、日本、欧洲相比，我国存在着人口密度大、路网不完善等特定矛盾，为了满足国内日益增长的交通需求[19]，我国的ITS发展历程可从发展战略、技术突破以及应用转化等方面将其划分为以下3个阶段。

2.1 启蒙期—依托政府项目自研控制系统

上世纪70年代中期至90年代初，是我国ITS发展的启蒙期，此阶段以理论向实践迈进为主。1973年，我国第一个城市交通自动控制研发项目“7386工程”的启动，对我国交通工程领域极具里程碑意义。70年代，重点围绕交通流理论、交通工程学、城市路口自动控制数学建模等，在北京、上海和广州等大城市进行交通信号控制的研发试验。1983年国家“六五”科技攻关项目《津塘疏港公路交通工程研究》，首次在高等级公路上将计算机技术、通信技术和电子技术用于监控和管理系统，并开发了车辆检测器、可变情报板等多种专用设备。1987年国家“七五”科技攻关项目《城市交通控制系统》，首次自主研发了实时自适应城市交通控制系统。1995年ITS被正式纳入《交通科技发展“九五”计划和2010年长期规划》[20]。此阶段，交通控制信息系统虽然尚未实现信息互通与交换，但政府在ITS发展中起到了一定的推动作用。

2.2 发展初期—示范工程带动行业发展

上世纪90年代中期至2015年，是我国ITS发展初期，此阶段基于国家示范工程的带动，交通行业的发展初具规模。1996年在北京举办的中日智能交通运输系统ITS交流展示会，会上关于ETC(Electronic Toll Collection)系统以及车载导航系统的展示体验，对国内交通行业技术人员的开发思路有颠覆性的改变，对我国ITS的发展也起到很大的推动作用[21]。2000年国家“十五”科技攻关项目《智能交通系统关键技术开发和示范工程》，项目总目标是形成我国先进的交通控制与管理系统信息源建设关键技术体系。2006年“十一五”国家综合智能交通技术集成应用示范项目《北京奥运智能交通管理与服务综合系统示范项目》实现全国首次规模应用交通高清监测技术[22]。2010年北京市在城市交通多源异构数据特征分析与融合技术等方面取得重大突破，构建了以“一中心、三平台、八系统”为核心的智能交通管理系统体系框架[23]。截止2015年，近千亿的投资促进了中国ITS的质的飞跃[24]，与此同时涌现出了一批智慧交通领军企业，比如紫光捷通、云星宇、易华录等。这一时期我国在交通管理系统和ETC示范点建设方面取得了重要成果，位置服务技术也取得了突破，但此时ITS的发展存在车辆识别、数据处理以及研判决策等精准率不高，主要受限于计算能力。网约车、共享单车和共享电动车等新生事物的出现，对行业政策、法规以及管理也提出了新的挑战。

2.3 发展加速期—智能交通新理念与“新基建”的碰撞

2015年至今，我国ITS发展进入了新的探索阶段，人工智能和大数据是这个阶段的技术主攻方向。这一时期国内智能交通技术研发较为活跃，从专利公开数量来看，2020年1月—9月，较上年同期增长74%[25]，车辆自动识别技术、无线数据通讯也达到较高水平。据统计，到2019年底，中国是目前世界上覆盖规模、里程规模和用户规模最大的ETC网[26]。为提高群众出行便捷度，提升物流效率，2020年1月全国29个互联省份487个省界收费站全部完成撤销，实现了政府工作报告提出的“两年内基本取消高速公路省界收费站”的目标[27]。在新基建浪潮下，我国首个常态化运营5G(5th Generation Mobile Communication Technology)无人公交亮相、首个智慧灯杆产业国标正式实施等标志着深入推进交通运输数字化、网络化、智能化发展成为我国交通强国战略要求，单项人工智能技术的突破性进展，除在基础设施硬件的规模建设外，还需在交通科学管理方面不断创新发展[28]。当前，我国ITS发展虽然完成了信息化大面积覆盖，但并未实现全时空、全链路、全域交通要素的数字化。与此同时，城市产业结构、需求结构和要素结构等出现重大变化，ITS数字化转型也呼之欲出。我国智能交通系统发展历程可用图2简单表示。

图2 中国ITS发展历程Fig.2 Development of intelligent transportation system in China

3 借鉴与启示

综观中美智能交通系统的发展战略、技术方向等变革历程，相对于美国这类发达国家，我国ITS尚未达到技术稳定阶段，从技术、产业以及区域发展等几个方面，对当前我国ITS与美国发展差距作以下分析：

1) 数据采集设备自研能力不够，设备部署应用方案合理性有待提升。当前我国智能交通市场的中高端产品国外品牌居多，国产OEM板绝大多数采用国外芯片，少数低端产品采用OEM模块二次开发。我国设备端数据较为庞杂，存在数据采集设备部署和采集方式的规划不合理，导致采集质量参差不齐，采集过程中产生异常数据与错误数据，从而对数据的二次加工产生影响。而美国由联邦公路局发起的数据采集项目NGSIM(Next Generation Simulation)，被广泛用于车辆跟驰换道等驾驶行为研究、交通流分析、自动驾驶决策规划等，该项目关键在于先综合考虑数据的分类，再通过合理的资源配置进行相应的分析。

2) 区域发展不均衡，ITS体系框架底层资源亟需统一。虽然城市级智能网联区建设规模逐步增大，然而大部分城市高速区域仍处于类似美国早期建设情况，城市内部的ITS体系也有待扩展完善，比如中西部地区的ITS建设只停留在收费单一系统上。而美国相当注重完善ITS体系框架，以及对体系框架的应用推广，并且开发了地方ITS体系框架的支持系统Turbo Architecture，可以做到与国家ITS体系框架同步更新。

3) 应用服务深度不够，软件与服务层面投入有待加强。我国北上广等经济发达城市的ITS建设虽初具规模，但并未能提供深层次的信息服务。聚焦应用服务开发提升可促使ITS相关技术的标准化，打破“信息孤岛”等现象的制约。当前我国交通运输增长的主要模式还是依赖增加基础设施，以硬件投入为主，而美国ITS建设自进入发展中期后，ITS投入主要集中于软件与服务方面。

综上分析，实现从数字化、网络化以及智能化发展是ITS数字化转型的必然趋势。尽管我国数字经济总量已位居全球第二[29]，我国ITS也已基本完成了从“经验型”到“信息型”的转变[30]，但未来有2个方面仍需要进一步突破。一是要实现交通基础设施网与运输服务网和信息网的全方位融合，不断提升精准感知、精确分析、精细管理和精心服务的综合能力，实现全时空、全链路、全域交通要素的网络化；二是在网络化的基础上，不断提升智能管理的广度和深度，让出行者知道“路上有什么”，让管理决策者知道“车在干什么”，最终实现全时空、全链路、全域交通运行和管理的智能化。

4 ITS数字化转型

4.1 ITS数字化转型的内涵

通过观察分析美国ITS发展路径以及美国对ITS未来战略的规划，结合当前我国交通强国建设纲要等政策要求，可以得出ITS数字化转型的动力源于社会经济快速发展的“拉力”和新一代信息技术快速发展的“推力”，是“拉推”两力共同作用的结果。

数字化、网络化和智能化是ITS数字化转型的3个基本特征。实现交通系统数字化转型，首先需要数字化，即在新一代信息技术的使能作用，实现基础设施数字化、运输单元数字化和业务流程数字化；其次是网络化，即在实现整个系统单元节点数字化的基础上，实现交通基础设施从他感知、被感知向可感知、自感知转变，以实现更便捷和更精准地获取前端数据，达到全时空、全链路、全域交通要素的数字化，即网络化；最终实现智能化，即在实现数据全数字化的基础上，实现交通系统的整体智能化，即交通网、能源网、信息网三网智能化[31]。

4.2 新一代ITS的基本架构

综上所述，以数字化、网络化和智能化迭代演进为特征的ITS数字化转型将成为未来ITS的发展趋势。其目标就是要实现交通领域全生命周期的数字化、网络化、智能化。为适应国家《数字交通“十四五”发展规划》中“一脑、五网、两体系”的发展格局，更好地解决未来ITS大量应用场景建设、数据采集处理、底层资源统一等问题，在此提出新一代ITS的基本架构，即基于“云、边、端”的“1+2+N”的基本架构，如图3所示。

图3 新一代ITS架构Fig.3 A new generation of intelligent transportation systems architecture

所谓“云、边、端”，就是云控分析、边缘计算和端设备群。云控分析，就是通过基础设施平台的数据搜集和算法整合，构建能支持实时监测、主动管控、出行指引、动态预警等核心能力，最终形成基于云分析处理及存储的控制分析平台；边缘计算，就是将计算引擎到AI算法实时所产生的计算结果上报至云端并提供给各应用场景，实现边缘数据计算与V2X感知通信的协同；端设备群，就是将外部系统(包括ETC、北斗卫星导航系统、车联网和手机信令等)与运输单元，通过集成物联设备，实现终端数据的实时感知和智能反应。

数据处理方面，为避免ITS的冗余数据和错误数据对数据分析的有效性及稳定性的影响，基于目前云计算技术，建立云控平台，将大量分布在各地的高速计算机通过网络构成大型的虚拟资源池，为远程上网的终端用户提供计算和存储服务，从而降低软、硬件成本，提高ITS的计算效率，实现海量数据的存储，保障数据安全，使得多形式、多来源的交通数据可进行统一处理，为交通数据由信息化到数字化的运用和管理提供方向。

数据存储方面，由于交通大数据中的数据具有多个类型、来源广泛、需长期存储等特点，自ITS建设进入加速期以来，云计算技术的发展已为大数据的存储提供了新的解决方案，基于云端集成的虚拟资源池，可以缓和数据存储的压力。在新一代ITS数字化搭建过程中，将云计算的能力下沉到边缘侧、设备侧，通过云控平台进行统一交付、运维、管控，可将预计超过1/3的数据在网络边缘侧进行分析、处理与存储，减少平台负载压力。

数据传输方面，当前城市ITS主要采用自主建设交通专用网络与城市公共网相结合的方式，在专用网与公用网之间设置网关进行过滤，同时使用有线通信与无线通信进行通信。由于ITS数字化建设的需求，要求更加快速稳定的数据传输，网络通信要能够满足海量且多格式的数据的传输需求，特别是高清视频和图像数据，综合考虑部署简单、基础设施建设和维护费用较低等特性，优选多跳或分布式无线宽带接入网络同时满足车路协同等网络需求(如M2M、DSRC等)。

所谓“1+2+N”，就是1个平台、2套支撑系统和N种服务应用。

1) 1个平台：是将道路、航运、港口等领域的交通流量、设备、天气和时间等状态数据汇集到ITS云控分析平台，在V2X、边缘计算等协同下，通过海量数据的实时处理，实现结构化和非结构化数据的实时分析。在此基础上，通过各类智能分析引擎，实现全路网群体性智能分析，最终为各应用方提供综合交通设施数字可视化、交通态势预警和大数据分析决策支持等服务[32]。

2) 2套支撑系统，主要包括运营管理系统和决策支撑系统。就运营管理系统而言，是要实现全域交通基础设施(网络通信、设备、轨道、公路等)的互联互通，实时监控所有交通设施网络状态、交通工具运行情况以及交通流等态势，实现交通信息数字化，为综合交通管理提供数据支撑。就决策支撑系统而言，是根据运营管理系统的相关实时信息，挖掘分析人口迁徙、公众出行、枢纽客货流和车辆船舶形式等特征和规律，为交通规划建设、政策决策提供支撑[33]。

3) N种服务应用。借助手机、台式机和其他智能设备等，通过多源异构时空大数据，利用AI和V2X等技术手段，实现覆盖运输、停车、租赁、修理、救援、出行等领域的综合信息服务应用。

4.3 ITS数字化转型路径

当前我国ITS还处于起步阶段，为实现新一代ITS架构，如图3所示，急需加快推进ITS数字化转型。ITS数字化转型的路径，归纳起来就是要借助使能技术、基础设施和管理服务的快速提升，实现交通领域全生命周期的数字化普及、网络化构建和智能化管控，如图4所示。

图4 ITS数字化转型路径Fig.4 Paths for digital transformation of intelligent transportation system

1) 数字化普及。数字化转型的基础是数字化，它是网络化、智能化发展的基础和前提。当前，首先要在工作中形成“一切业务数据化和一切数据业务化”的思维；其次，积极利用通信能力、计算能力以及建模应用等方面的快速突破的有利条件，加快推进数据底座和基础设施数据的感知和收集工作[34]；最后，要积极推进智能化、数字化交通检测设备的增设，实现人流、车流和物流的快速感知与传输。

2) 网络化构建。网络化是数字化和智能化之间的桥梁。要实现新一代ITS架构并使其有效运行，关键是要集合交通系统的所有相关信息。在这个过程中，要积极落实ITS云控分析平台的建设，从而实现多源异构全链条全时空信息的互通互联。

3) 智能化管控。智能化管控的成效高低是判别是否实现新一代ITS架构的关键指标，也是ITS数字化转型的最终目标。在此方面，关键是要实现智能管理的深度应用和一体化服务的覆盖广度。