智能运输系统的研究开发背景

智能运输系统，简称ITS（英语全称为Inteligent Transport Systems，美式英语全称为Inteligent Transportation Systems），作为一个概念性名词出现于20世纪90年代初，但其思想早在20世纪30年代已有萌芽。当时美国通用汽车公司和福特汽车公司倡导和推广过“现代化公路网”的构想，而在20世纪60年代出现的静态路径诱导、计算机交通控制技术等都可谓ITS的雏形，不过当时其重要性并不明显，没有受到人们的足够重视。进人20世纪80年代中期，特别是1990年以来，ITS却突然以惊人的速度发展，许多发达国家争先恐后地投人巨资进行ITS的研究与开发。

在交通问题日益严峻促使人们寻求新的解决途径、经济竞争日益激烈促使人们寻求新的经济增长点以及冷战结束促进军用高新技术民用化的大背景下，经过30余年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。目前，另外一些国家和地区的ITS研究也有相当规模，如澳大利亚、韩国、新加坡、中国香港等。可以说，全球正在形成一个新的ITS产业，难以计数的大小项目正在开展，其发展规模和速度惊人，起着减少交通事故、解决交通拥堵、节约能源、降低环境污染的作用，以“保障安全、提高效率、改善环境、节约能源”为目标的ITS概念和产业正逐步在全球形成。

20世纪60—70年代是世界各主要国家经济发展的黄金时期，但伴随经济高速发展的负产物之一即交通状况的不断恶化。尤其是近二十多年来，无论是发达国家还是发展中国家，都毫无例外不同程度地受到交通问题的困扰，交通事故、交通拥挤、能源短缺、环境污染已成为最难消除的现代社会公害之一。

20世纪60年代，世界经济发展进人了一个高速增长期。发达国家的汽车保有量急剧增加，这导致已有的道路远不能满足经济发展的需要。交通状况日益恶化，人们开始直接想到的解决方法是铺筑大量的道路，包括城市道路与乡村公路网。而当汽车保有量的增长速度超过了道路的修建速度，交通阻塞仍然存在，而且首先在城市中存在。在20世纪中叶的几十年中，城市地区的交通发展都是通过控制车辆进人，修建多车道道路来避免交通阻塞，例如美国，前后共花了30年修建州际高速公路网。在高速公路的乡村地区网络中，车速得到提高，出行时间相对减少。但是，在大城市，这些高速公路网的优点却由于交通阻塞而被大大减少。许多大都市通过修建环形公路，使过境车辆绕过被阻塞地区来缓解问题。环形公路的修建重新确定了地区发展模式，新建公路沿线随着商业机构和居民的增加，交通阻塞与土地费用也将增加，从而导致通过扩展现有公路来提高道路通行能力的费用迅速增加。

面对单纯通过增加道路难以解决交通阻塞日益严重问题的困境，除了修建必要的道路网以外，人们还尝试了很多新的方法来解决问题，包括：改进道路信号控制、采用道路可变信号、在交通高峰期增加进出车道、在大城市成立交通控制中心等。这在一定程度上缓解了交通拥挤状况。这些措施的实施规则是针对预先建立的日常重复的交通模式而制定的，并不能对交通阻塞作出动态反应，也不能根据具体情况迅速改变交通处理准则。

20世纪70年代以来，车载电子元件发展很快，除了常见的收音机及磁带录音机之类的产品外，更显著的是那些能感应车辆运行情况以提供更好的车辆运行与控制的元器件。同时，电子技术也被大量应用在交通信号控制与交通控制中心的核心部分。交通控制中心用来处理与显示整个公路网的交通信息，其能给正在接近阻塞地区的驾驶人提供适当的交通建议，以提醒他们改变路线与降低车速。

20世纪70—80年代的一系列项目，在一定程度上显示了车辆-道路系统中的部分新技术，许多国家都从事了相关研究工作，包括政府、企业、学术机构以及某些商业与专业组织。这些不同的组织通过合作逐渐把车辆和道路作为一个整体系统来认识。随着计算机系统中人工智能的发展，从20世纪80年代后期开始，美国、日本和欧洲开始研究智能车路系统（Inteligent Vehicle Highway Sys⁃tems，IVHS）。

在20世纪80年代，计算机技术和软件技术的发展，使得人们能用计算机收集并处理大量数据，并按一定的规则给出结论，而这些规则是建立在相似的人类经验的基础上的。人工智能应用在各类行业，包括银行、金融、飞机导航以及电子系统的快速诊断。微电子技术也促进了传感器与通信设施的极大发展。1980年便携式摄像机的出现为交通信息采集提供了工具，红外成像传感器技术方面取得了同样的进展，这种红外传感器能够显示黑暗中的图像。同时在汽车和货车上使用的移动电话得到快速增长，人们从而具备了通过车辆与交通控制中心传输交通信息的能力。基于计算机的机器成像通过军事研究也取得了进展，这种技术可以通过车载计算机处理传感器传来的数据确定前方是道路还是障碍物。在这一时期，工业化国家的军事装备与国防领域集中应用了当代的高新技术，如卫星导航技术、信息采集与提供技术、计算机控制与管理系统、电子技术等。从20世纪80年代后半期开始，世界范围内冷战结束，苏联解体，国际形势趋于缓和，美国等国的国防经费减少，这促使国防工业企业考虑向非军事领域投人其技术，高新技术民用化便成了发展趋势。由于同期工业化国家的交通问题日趋恶化，也正需要新的解决手段和技术，国防高新技术的民用化正好为其创造了条件。在这一时期，国外发达国家大规模交通基础设施建设已基本结束，它们重点研究提高运输效率。实践经验与教训证明，单纯依靠修建道路设施和采用传统的管理方式来解决交通问题，不仅成本昂贵、环境污染严重，而且其缓解交通拥挤等的效果也是十分有限的，甚至可以说是不可能的。美国、欧洲、日本等发达国家和地区开始探讨智能化交通管理方法。

在20世纪90年代，大部分车辆都装配了收音机，可收听预定频道的有关交通信息。在美国和欧洲，人们都热衷于地面运输现代化，包括现有车辆和道路的新技术应用。日本也在从事一系列革新以期带来车辆与道路系统相互作用方式的极大改变。这些措施的目标都是通过使用先进技术，求得到更高水平的运输效率及安全性。在现有道路系统中，交通控制中心的计算机用于处理并显示各种数据，这些数据来源于交通信号控制机、道路两侧的探测器等。交通控制中心并不知道每一辆车的目的地，而有关交通建议或者咨询又必须基于实际或期望的道路情况，因此这就要考虑每日或每周的交通模式。在严重的交通阻塞形成前，交通控制中心也许不能及时预测交通事故或其他道路障碍。当时的车辆也没有装配仪器来探测前方道路的危险情况，例如路障。此外，车上也没有设备把道路情况报告给交通控制中心。换句话说，车辆和道路系统还是被当成两个独立实体来运行。当时的车辆道路系统通过双向通信系统来交流信息。车载传感器将提醒驾驶员前方有路障或者在黑暗和大雾中提醒驾驶员前方存在一些不安全的运行情况。而这些传感器的数据被直接传送到交通控制中心，以提供了有关道路障碍的实时信息。通过车载计算机终端，驾驶人键人他们的当前位置和目的地，便可得到对他们各自路线的特定指引。道路系统将知道车辆的目的地和计划路线，相应的交通建议则被传送给驾驶人以求最大限度地降低交通阻塞。人们在此系统中应用功能更强大的计算机，它们能对交通情况的改变作出迅速反应，从而使系统智能化。

在20世纪90年代，人们曾试图采取各种手段解决日益严重的交通问题，但是这些手段或受到投资及其他资源的制约，或存在见效面窄、见效期短等局限性，特别是在城市建成区难以靠大量拆迁来增建、拓建道路交通设施。发达国家的公路网早已建成，不可能再靠多修路来解决问题。同时，人们越来越多地从保护环境、节约能源、谋求社会可持续发展的角度来考虑问题。而且随着计算机技术、信息技术、通信技术、电子控制技术等的飞速发展，人们意识到利用这些新技术可以把车辆、道路、使用者紧密结合起来，不仅能够有效地解决交通阻塞问题，而且对交通事故的应急处理、环境保护、能源的节约等都有显著的效果。于是，人们充分利用系统的观点，对运输系统进行重新审视，从而基于美国提出的智能车路系统产生了智能运输系统的理念。为了解决现代交通问题，推进智能运输系统的研究、开发和应用，1994年11月在法国巴黎召开了第一次ITS世界会议（当时称为“ATT＆IVHS世界会议”）。近年来，ITS年会议每年按照欧洲、亚洲及太平洋、北美的顺序每年改变会场举办一届，从此，ITS开始进人了快速发展时期，从欧、美、日三极扩展到全世界，有力地推动了世界各国智能运输系统的发展。至今已开了21次ITS世界会议。在中国迄今也已先后召开过多次ITS多国会议或ITS世界研讨会。

为了加强国际的交流与合作，美国在1993年召开的IVHS年会上提出于1994年召开IVHS世界大会，当时欧洲积极响应美国的提议，把大会名称改为ATT（远程通信在交通中的应用）——IVHS世界大会。1994年春，为了筹备在日本横滨召开的第二次智能运输系统世界大会，日本道路交通车辆智能化推进协会（Vehicle Road and Trafic Inteligence Society，VERTIS）提出采用简洁、更加准确的名称“ITS（Inteligent Transportation Systems）”的建议，得到了欧美的赞成。美国IVHS组织（IVHSAmerica）也于1994年9月更名为ITSAmerica。

实践证明，智能运输系统是解决交通拥堵、交通事故频发和环境污染严重等矛盾的有效途径。研究发现，仅美国的主要都市每年由于交通拥挤而造成的浪费就已超过475亿美元，每年因交通拥挤浪费了多达143.5亿升（37.9亿加仑）的燃料和27亿工作小时。20世纪90年代以来，这些数字以每年5%～10%的速度递增。交通管理部门越来越多地借助当今科学发展的新技术来保障交通舒畅、改善道路安全、减少交通拥挤和空气污染对生态环境造成的恶劣影响。由于计算机、信息和通信技术的广泛应用，将来的道路和车辆会有很大改变。ITS提出了解决交通问题的新思路，即不仅应该修建更多的交通基础设施，而且更应该采用先进技术对高速公路网络或城市交通进行更有效的控制与管理，提高交通的机动性、安全性，最大限度地发挥现有道路系统的交通效率。智能运输系统的主要目标就是比以往在更广泛的形式上将信息技术运用到公路运输系统，以及利用最新的有用信息将驾驶者、车辆、道路设施集合成为一个广泛的综合系统。这类信息技术的运用如今在航空、铁路和海运领域已相当平常。

20世纪末，日本开始研究自动化公路运输系统（Automated Highway System，AHS）。AHS是通过车辆与道路之间连续的信息通信来保证车辆的自动驾驶的。AHS是ITS在技术上难度最大的系统。该系统是由公路信息设施和装于车辆上的电讯设备之间的“路-车通信”以及车辆之间的“车-车通信”支持的。美国和日本在AHS方面做了大量的研究工作。美国当时修建了11km的AHS试验路，初步实现了车辆的自动驾驶。

进人21世纪，智能运输系统得到稳步发展，大致的研究方向包括：交通控制与管理，车辆安全和控制，旅行信息服务，交通中人的因素，交通模型的开发，行政和组织问题，通信与广播技术，系统、研究框架，通信协议，使用周波范围和不法行为处理等。这些主要研究的目的是希望通过ITS，用系统的观点来对待运输系统，使现在独自存在的车辆和道路设施及使用者能结合成一个整体，协同作用，最终形成一个快速、安全、方便、舒适、准时的大交通运输体系。Markets and Market公司的一份市场研究报告表明，智能交通市场整体在2012年的价值约为267亿美元，预计到2018年将达到1 023.1亿美元，从2013年到2018年的复合年增长率为23.6%。尤其值得注意的是，交通解决方案市场的复合年增长率达22.5%，到2018年预计价值达到666.2亿美元。拉丁美洲、中东和非洲、东欧和独联体国家的增长最快，在2013年到2018年的增长率分别达到45.8%、39.1%和31.4%。

智能交通是缓解城市的交通拥堵问题的有效手段，也是实现节能减排的重要方式。2007年，斯德哥尔摩智能交通系统实施以来，市中心的交通拥堵量降低了25%，市中心的零售店也因此实现了6%的业务增长。在美国，广泛使用的交互式导航系统使车辆废气排放量减少了5%～16%。欧洲在2012年实现新车平均每千米CO2排放120g，与过去相比降低25%，其中，使用技术手段就可以将CO2的排放量降低到每千米130g，而另外10g主要应用信息和通信技术即智能化和创新的运输系统解决，包括智能化引擎管理、智能化车辆安全系统、智能化实时交通管理、驾驶人信息系统、集成化的物流系统等。在日本，智能交通实行后，有望在30年内将CO2产生量减少15%，NO x排出量减少20%，燃料消费量降低25%。从国内已经实施的部分智能交通系统看，智能交通在城市内部交通方面可以减少10%～20%的交通拥堵量，在高速公路方面可以增长超过30%的交通流量。

30余年来，中国交通基础设施建设快速发展，已具较大规模且逐步缓解了交通在经济建设中的瓶颈制约，提高了道路的通行能力，减少了交通事故，控制了交通污染。由于经济的迅猛发展，交通量持续增加，交通拥挤阻塞状况仍十分严重，特别是大中城市交通拥堵及污染问题非常严重，这也是“城市病”的主要内容之一。