0 引言

    當今城市大規(guī)模擴建的同時，基礎(chǔ)設施建設及管理方式改革卻相對滯后，因此導致的“城市病”日益嚴重，交通擁堵和交通事故是最有代表性的一個“癥狀”。據(jù)《中國經(jīng)濟生活大調(diào)查》2014年的研究數(shù)據(jù)，北京每年因交通擁堵帶來的時間、燃料、環(huán)境等方面的損失高達700億^[1]。雖然為了緩解交通擁堵實施了尾號限行、搖號購車等政策并取得了一定成效，可無法從根本上解決問題，長此以往，居民的出行滿意度將越來越低，而交通擁堵情況仍日益嚴重，不利于城市的健康發(fā)展。因此，智慧交通的研究勢在必行。

    智慧交通是一個交叉性的綜合學科，要想真正實現(xiàn)城市交通的車路協(xié)同、全面物聯(lián)和標準統(tǒng)一，還需要多方的協(xié)同研究。為了使智慧交通領(lǐng)域的研究人員更加統(tǒng)一地了解其研究情況，本文簡述了智慧交通的概念及框架，對智慧交通的關(guān)鍵技術(shù)和幾種具體應用作了詳細介紹，并對智慧交通的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢作了說明。

1 智慧交通概述

    智慧交通的理念可以追溯到上世紀八十年代的智能交通運輸系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)，ITS是一個綜合運用了信息處理和計算機等技術(shù)來提高交通運輸服務成效的實時綜合管理系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應用，減少了高達30%的燃油消耗和26%的廢氣排放量^[2]。智慧交通可理解為智能交通運輸系統(tǒng)的升級版，即融合了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、無線傳感等先進技術(shù)，使人、車、路更加協(xié)調(diào)，使公共交通服務更加人性化的智慧出行服務系統(tǒng)。智慧交通的構(gòu)建對我國的長久可持續(xù)發(fā)展意義重大，智慧交通的應用預計能使高峰時期擁堵路段的通行能力、交通運輸能力翻幾番，交通事故率也可降低80個百分點^[3]。一個智慧的、通暢的、安全的交通網(wǎng)絡將徹底改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞胶徒煌w驗，并且有助于低碳經(jīng)濟的發(fā)展，是提高國民生活水平和國家綜合實力的強大助力。

    智慧交通涵蓋了公路、鐵路、民航、水運等領(lǐng)域，各領(lǐng)域內(nèi)部的管理體系相對成熟，智慧交通要解決的是如何整合多個平臺內(nèi)部的信息，對數(shù)據(jù)進行挖掘后分析出交通的一些潛在數(shù)據(jù)，從而為道路使用者提供更為優(yōu)質(zhì)的服務^[4]。智慧交通網(wǎng)絡中，行人、車輛及周圍的紅綠燈、指示牌、攝像頭等基礎(chǔ)設施都能作為感應終端聯(lián)結(jié)成城市路網(wǎng)信息系統(tǒng)，終端之間通過無線射頻識別（Radio Frequence Identification，RFID）、GPS、紅外感應等技術(shù)進行智能識別，按一定協(xié)議相聯(lián)結(jié)并進行持續(xù)的信息交換，如圖1所示。

    從ITS到智慧交通，無論是從理論還是應用來講都是質(zhì)的飛躍，智慧交通的框架也日漸清晰。如圖2所示，文獻[5]中提到的含輔助網(wǎng)絡的改進框架就是智慧交通的一種典型結(jié)構(gòu)，車輛能根據(jù)環(huán)境反饋回來的信息動態(tài)調(diào)整行駛速度，若感知到突發(fā)事件則做出合理決策輔助駕駛。

    這個課題中，GODOY J等人在AUTOPIA項目的基礎(chǔ)上，除了原有的車輛主網(wǎng)，還引入了由周邊基礎(chǔ)設施單獨聯(lián)結(jié)而成的輔助通信網(wǎng)。在這個交通網(wǎng)絡中，無線通信網(wǎng)絡層負責車輛和核心單元之間信息的持續(xù)交互，核心單元在收到輔助網(wǎng)絡和區(qū)域內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)后，結(jié)合實時交通流量對其進行詳細的分析、協(xié)調(diào)與規(guī)劃，然后向車輛及基礎(chǔ)設施等傳遞信息和指令，如提示車輛的建議速度、進入事故區(qū)域警報、控制交通信號燈變化、公告欄發(fā)布實時路況信息等。

2 智慧交通的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 交通要素的標識和感知

    智能識別和無線傳感技術(shù)是用于標識和感知物體的最主要的技術(shù)手段，是整個智慧交通建設的基礎(chǔ)。智能識別是指每個物品都擁有唯一的條碼、二維碼、或RFID標簽，這些電子標簽中封存著它們獨有的特征及位置信息，然后這些信息被智能設備讀取并傳輸至上層系統(tǒng)進行識別處理和最終決策^[6]。無線傳感網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是指由部署在目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量低成本微型傳感器節(jié)點構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡，節(jié)點之間通過無線方式交換信息，有著靈活、低成本和便于部署的優(yōu)勢^[7]。智慧交通網(wǎng)絡中，傳感器分為采集節(jié)點和匯聚節(jié)點，如圖3，每個采集節(jié)點都是一個小型嵌入式信息處理系統(tǒng)，負責環(huán)境信息的采集處理，然后發(fā)送至其他節(jié)點或者傳輸至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點接收到各采集節(jié)點傳來的信息后進行融合處理后再傳送至上一級處理中心^[8]。作為物聯(lián)網(wǎng)的底層網(wǎng)絡，無線傳感網(wǎng)絡為智慧交通提供了一個更加安全、可靠、靈敏的解決方案。但傳感器節(jié)點的能耗和壽命問題不容忽視，否則日后的設備維護工作將耗費大量的人力財力成本。 

2.2 智能交通云

    智能交通領(lǐng)域各系統(tǒng)整體尚處于信息分立、各自為戰(zhàn)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)難以相互傳遞，嚴重浪費數(shù)據(jù)資源。智能交通云主要面向交通服務行業(yè)，是一種融合了云計算的智能交通管理技術(shù)，充分利用了云計算的海量存儲、信息安全、資源統(tǒng)一處理等優(yōu)勢，為交通領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享和有效管理提供了新的思路^[9]。云計算，是指將大量高速計算機集中在Internet上構(gòu)成一個大型虛擬資源池，為遠程的上網(wǎng)終端用戶提供計算和存儲服務的技術(shù)，用戶只需事先租用“云計算”服務商提供的服務，便能根據(jù)需要自由使用云端資源而不需要購買任何獨立軟硬件^[10]。類似于云服務，智能交通云服務也可分為基礎(chǔ)設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS）、平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）、軟件即服務（Software as a Service，SaaS）三個層次，如圖4，其中IaaS提供的是按需使用的虛擬服務器，PaaS即Web服務，能直接為客戶提供可直接用于開發(fā)軟件應用的API或開發(fā)平臺。作為智慧交通未來的發(fā)展方向之一，智能交通云處理平臺可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲、預處理、計算和分析，能有效緩解數(shù)據(jù)存儲和實時處理的壓力，具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

    智慧交通中數(shù)據(jù)的海量性、多樣性、異構(gòu)性都決定了處理的復雜性，簡單到交通設施及來往車輛數(shù)據(jù)的收集，復雜到交通事件的判定檢測，都需要對數(shù)據(jù)進行實時、準確的處理。智慧交通中常用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有數(shù)據(jù)融合（Data Fusion）、數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）、數(shù)據(jù)活化（Data Vitalization）、數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）等，除此以外，還必須做到數(shù)據(jù)的選擇性上傳，保證個人隱私數(shù)據(jù)的安全。

    數(shù)據(jù)融合是一種涉及人工智能、通信、決策論、估計理論等多個領(lǐng)域的綜合性數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能從數(shù)據(jù)層、特征層和決策層三個層次上對多源信息進行探測、通信、關(guān)聯(lián)、估計與分析^[11]。由于數(shù)據(jù)融合涉及到的傳感器種類過多、信息獲取過于頻繁，融合之前還需要對數(shù)據(jù)進行時間和空間預處理，時空對準能避免數(shù)據(jù)管理的混亂，同時提高數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，從而保證決策的正確性^[12]。智能交通系統(tǒng)的應用已有一段時間，產(chǎn)生的交通信息數(shù)據(jù)量越來越大，如果只是單純的存儲和分立處理，成本過高且無法發(fā)揮其應有價值。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的引入，能從這些海量的獨立數(shù)據(jù)中發(fā)掘出真正有價值的信息，將這些有噪聲的、模糊的、無規(guī)律的數(shù)據(jù)處理成為有用的知識^[13]。文獻[14]調(diào)取了某路段兩個月內(nèi)的抓拍數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘軟件SPSS Modeler按照時間序列進行自動聚類分析后，得到了交通流量和月份、假期、天氣等要素之間的關(guān)系，有力地驗證了數(shù)據(jù)挖掘的可靠性。

    數(shù)據(jù)活化是一種新型數(shù)據(jù)組織與處理技術(shù)，簡而言之，就是賦予數(shù)據(jù)生命。數(shù)據(jù)活化最基本的單位是“活化細胞”，即兼具存儲、映射、計算等能力，能隨物理世界中數(shù)據(jù)描述對象的變化而自主演化、隨用戶行為對自身數(shù)據(jù)進行適應性重組的功能單元^[15]。數(shù)據(jù)活化的應用將為交通領(lǐng)域帶來一場顛覆式的變革。未來的智慧交通將逐漸向以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的方向發(fā)展，即采用多種手段對POI數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、客流情況等智能交通數(shù)據(jù)進行分析，由數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來了解城市的交通情況，為居民提供導航、定位、公告、交通引流等服務^[16]。

2.4 智慧交通系統(tǒng)集成技術(shù)

    不同省市、不同部門、不同場景的智慧交通系統(tǒng)尚為分散狀態(tài)，無法共享數(shù)據(jù)，形成了一個個“信息孤島”，造成前期投入成本很高，卻無法發(fā)揮作用。因此智慧交通系統(tǒng)集成技術(shù)的研究迫在眉睫。智慧交通領(lǐng)域的系統(tǒng)集成可分為數(shù)據(jù)集成和設備集成。數(shù)據(jù)集成有兩種應用方式，一種是單個平臺系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的融合，如車輛監(jiān)測模塊中多個傳感器信息的融合處理，另一種是多平臺多傳感器不同時期相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理，通過融合后得到潛在數(shù)據(jù)對交通信息進行預測^[17]。設備集成是因為當前舊系統(tǒng)需要平滑過渡到智慧交通階段，還不能立刻被取代。因此可以制定統(tǒng)一的智慧交通標準體系和管理規(guī)范，建立一個規(guī)范的管理平臺，將智慧交通產(chǎn)業(yè)鏈中的政府資源、企業(yè)資源、科研資源等融合到一起，然后由大型企業(yè)牽頭促進協(xié)調(diào)智慧交通的產(chǎn)業(yè)化，最終形成完整的智慧交通管理體系^[18]。

3 智慧交通發(fā)展歷程及案例分析

    隨著私家車保有量的爆炸式增長，交通問題很早便得到了各國的重視。幾十年來研究人員們不斷突破技術(shù)上的難關(guān)，如高速路上的不停車電子收費(Electronic Toll Collection，ETC)系統(tǒng)、IC卡智能停車場及GPS智能導航儀等。智慧交通的大體發(fā)展歷程如圖5所示。當前美國、日本等國家已經(jīng)成功將物聯(lián)網(wǎng)應用到實際智慧交通建設中，路網(wǎng)協(xié)同和輔助駕駛功能的研究也已投入試運行，并嘗試智慧終端的普及和原有設施的改造^[19]。我國起步較晚，迄今為止車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不成熟，但借著智慧城市建設的東風，智慧交通也收獲頗豐。

    目前智慧交通領(lǐng)域已經(jīng)在很多方面開展了深入研究，從終端的智能化方面，有智能車輛、智能交通信號燈等，從應用大方向來看，有智能公交、智能出租、智能港口等，從交通用途來看，有車牌識別、閉路電視監(jiān)控、車流控制、車輛調(diào)度、智能停車場、智能路徑規(guī)劃導航、智能輔助駕駛系統(tǒng)等。本文將通過幾種典型應用對智慧交通的發(fā)展現(xiàn)狀作簡要闡述。

3.1 智能車輛

    智能車輛的研究始于美國的自動引導車輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System，AGVS），之后各西歐國家便都開始了車輛的智能化研究，可以預見，智能車輛將成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。智能車輛可通過模糊邏輯技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)來實現(xiàn)車輛的人工智能，為模擬駕駛者做出合理的路徑規(guī)劃和突發(fā)事件決策，這對減少交通事故率提高道路安全有很重要的意義^[20]。目前的智能車輛研究主要集中在環(huán)境感知、駕駛員行為監(jiān)測系統(tǒng)、車輛運動控制系統(tǒng)、防撞預警系統(tǒng)、規(guī)范環(huán)境下的智能巡航控制系統(tǒng)、極端情況下的輔助駕駛系統(tǒng)等方面，相關(guān)技術(shù)諸如雷達、GPS精度、磁道釘、CCD、通信協(xié)議及各種智能算法也是目前研究的熱點^[21]。

3.2 智能公交

    作為城市居民出行的主要方式，公交和私家車相比在運輸能力、相同載客量下的油耗、占地、價格等方面都有著不可比擬的優(yōu)勢。智能公交系統(tǒng)是指結(jié)合了智能識別、網(wǎng)絡通信、GIS等先進技術(shù)，在調(diào)度、運行、路徑規(guī)劃及乘客服務等方面進行信息化規(guī)范化高效管理的綜合性公共交通系統(tǒng)。智能公交系統(tǒng)就相當于一個小型交通物聯(lián)網(wǎng)，車載傳感器、站臺設備和IC卡都是用于收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的智能終端，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送至公交調(diào)度中心，處理后通過智能站牌報站和公布周圍環(huán)境、客流量等信息^[22]。文獻[23]結(jié)合蕪湖公交系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一個基于SOA架構(gòu)的公交應用集成，利用fisher有序聚類算法對IC卡數(shù)據(jù)進行處理并分析客流變化規(guī)律，提出了一種更符合公交客流量變化的分時段自適應公交調(diào)度算法。北京、蘇州、常州等城市的智能公交系統(tǒng)都已逐步投入運行，為居民的出行提供了很大方便。 

3.3 智能停車

    城市汽車數(shù)量日益增長，停車和停車管理便成為了城市建設的難點，傳統(tǒng)的人力管理有太強的主觀性和局限性，視頻監(jiān)控方式易受惡劣天氣影響，磁卡收費方式又無法避免磁卡的老化消磁和近距離識別限制。目前，很多發(fā)達國家都啟用了自己的智能停車系統(tǒng)，我國的停車管理也正步入智能時代。2014年，阿里云率先進軍智能停車領(lǐng)域，在杭州建成了一套智能停車收費系統(tǒng)。系統(tǒng)覆蓋杭州市各區(qū)兩萬多個停車位，通過每個停車位上的智能地感對車輛的進出做出感應，從而向停車管理員的手持設備發(fā)出提示，有效提高了停車位的循環(huán)效率^[24]。李正明^[25]等人基于ZigBee網(wǎng)絡和ARM提出了一種實時性更好的嵌入式停車場監(jiān)控系統(tǒng)。遼寧工程技術(shù)大學的單曉艷^[26]設計的新型超高頻讀寫器，和無源電子標簽配合使用克服了普通停車場RFID識別范圍的限制，適用范圍更廣。室內(nèi)停車場環(huán)境一般比較復雜，設備也不易維護，因此室內(nèi)的精準定位和實時響應成為一個更大的難點。為此，江西理工大學的張雪[27]的室內(nèi)智能停車場管理系統(tǒng)以藍牙作為通信方式，并在停車場路口處設置了引導指示燈用于車位的反向引導。智能停車的發(fā)展將大大降低城市停車和管理的難度。

4 總結(jié)展望

    本文從智慧交通的概念出發(fā)，描述了智慧交通中的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展歷程，并對智慧交通的典型應用做了簡要介紹。鑒于智慧交通在智慧城市建設中的重要地位，我國必須緊跟發(fā)達國家的腳步，吸收各國智慧交通項目建設的經(jīng)驗和教訓，充分利用智慧交通中的先進技術(shù)，尤其是時下流行的云計算、數(shù)據(jù)挖掘及系統(tǒng)集成等技術(shù)，在與實際應用環(huán)境的不斷磨合中，探索出一條更適合我國國情的智慧交通新道路，為各級交通服務對象提供更為全面高效的交通信息服務，從而進一步推進智慧城市的建設。

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