智能交通系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng) 主講周大森 1ITS的發(fā)展及基礎技術 發(fā)起于20世紀90年代 并迅速發(fā)展 用于研究開發(fā)投入很大 美國1990年 1997年12 9億美元歐洲1984年 1998年280億歐元日本1996年 1997年161億日元 一 ITS目的效益 利用信息技術 綜合人 車 路 系統(tǒng)地管理交通 美國ITS效益分析 鼓勵公私合作 交通阻塞降低25 40 每年減少交通死亡萬人以上 減少交通事故600億次 減少能源消耗和大氣污染 相關產(chǎn)品的市場效益200億美元 年 歐洲目標 2000年交通死亡事故減少50 降低交通對環(huán)境的污染 日本政府國策30年目標 嚴重交通事故 50 降低油耗和CO2排量15 減少NO2排放在空氣中含量30 消除交通阻塞 投資 收益分析 中國制定發(fā)展戰(zhàn)略 單項研究 交通信號控制 無序狀態(tài) 高速公路監(jiān)控 GPS調(diào)度 20世紀末開始研究ITS發(fā)展戰(zhàn)略 中國ITS系統(tǒng)服務功能 二 ITS的主要內(nèi)容 信息服務系統(tǒng)交通管理系統(tǒng)公交管理系統(tǒng)電子收費系統(tǒng)車輛控制系統(tǒng)緊急支援系統(tǒng) 三 ITS的基礎技術 計算機網(wǎng)絡 相互連接起來的 獨立自治的計算機群 將地域上分散且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設備和線路按不同的拓撲結(jié)構(gòu)連接起來 能以功能完善的網(wǎng)絡軟件 網(wǎng)絡協(xié)議 信息交換方式和網(wǎng)絡操作系統(tǒng) 實現(xiàn)網(wǎng)絡資源共享的系統(tǒng)稱為計算機網(wǎng)絡系統(tǒng) 廣域網(wǎng) 共享資源為主要目的 通過網(wǎng)絡操作系統(tǒng)實現(xiàn) 局域網(wǎng) 有限地理范圍內(nèi)信息傳輸通道 部門間共同擁有 互連網(wǎng) 不同網(wǎng)絡之間的互連 一致的方式 相互之間交換數(shù)字數(shù)據(jù) 2 通訊技術 固定通訊 微波 0 3 300GHZ 光纖 光波為載頻光導纖維為介質(zhì)衛(wèi)星 做為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號移動通訊 移動中進行數(shù)據(jù)交換由移動臺 基地站 交換中心 中繼線等部分組成 公用數(shù)據(jù)通訊 通訊網(wǎng)絡 基礎網(wǎng)絡 信息網(wǎng)絡 增值網(wǎng)絡平臺 電子信箱等 公共移動通信網(wǎng) 數(shù)字無線系統(tǒng) 蜂窩拓撲 3 傳感器技術 感知某一物理量的信息 并將它轉(zhuǎn)化為有用信息的裝置 非電量 電信號 車輛檢測 磁頻波頻視頻 車輛識別 光磁 車輛控制 發(fā)動機管理車輛控制環(huán)境信息危險警告 用于 4 顯示技術和人工智能 大屏幕顯示 LED 發(fā)光二極管 點陣模塊LCD 液晶顯示器件人工智能 用計算機模擬 延伸和擴展的智能 其中 智能控制 模式控制 知識控制 專家控制 神經(jīng)網(wǎng)絡控制 地面控制站和網(wǎng)站控制 用戶接收機選擇信號算出導航解顯示輸出定位 識別 長 寬 高 重的車輛屬性 車載標志及身份屬性 IC卡 一卡多用 安全性 機讀性 存儲量大 靜態(tài)數(shù)據(jù) 動態(tài)數(shù)據(jù) 定位 全球定位系統(tǒng) GPS 5 車輛識別和自動定位 三部分組成 6 地理信息系統(tǒng) 由計算機程序和地理數(shù)據(jù)組織而成的地理空間信息模型 在ITS上應用 采集 顯示 查詢 分析地理位置信息 2ITS的主要內(nèi)容 一 信息服務系統(tǒng)車輛信息通信系統(tǒng) VICS 是一種典型的實時交通信息提供系統(tǒng) VTCS使用 FM多頻廣播系統(tǒng) 微波和紅外線信號的路側(cè)發(fā)射器 信標 向駕駛員提供旅行時間 交通擁擠 交通事故 施工路段 交通控制等實時信息 VICS系統(tǒng)概念如下圖 2 車載導航 GPS導航26dB有源天線通道GPS接收板自律導航 微機 MPU 陀螺傳感器地圖匹配器 薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器CD ROM驅(qū)動器 8倍速 650MB DVD ROM CPU 嵌入式 數(shù)字信號處理技術 DPS 二 交通管理系統(tǒng)TMS 功能 交通監(jiān)視 交通控制 事故管理需求管理 排放管理 交叉口管理結(jié)構(gòu)特點 應用計算機通信和傳感器技術 將車輛 道路和交通管理系統(tǒng)聯(lián)接為一體 對交通進行實時監(jiān)測 智能控制和主動管理 通過網(wǎng)絡連接如下部分 信息收集裝置控制信號機交通管理中心信息提供裝置通過網(wǎng)絡是通過光纜 電纜 微波等傳輸媒介在上述各部和交管中心之間傳輸數(shù)據(jù) 語音和圖像 三 公交運營系統(tǒng) 功能構(gòu)成車輛定位及車載設備 通訊網(wǎng)絡及通訊方式 網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)庫 運營調(diào)度管理 乘客信息服務 1996年亞特蘭大奧運會差分GPS導航接收機和車載元件自動乘員計數(shù)車載廣播及顯示設備實時公交信息服務允許使用IC卡付費 北京公交智能化調(diào)度系統(tǒng) 七個子系統(tǒng) 計算機網(wǎng)絡 通信 GPS 調(diào)度平臺 大屏幕顯示 電子站牌 會議電視 2 車載設備 可實現(xiàn)定位 車載外圍設備的控制 包括控制模塊 通信模塊 計劃模塊和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 控制模塊是核心 要與處于監(jiān)控下的每輛車保持聯(lián)系 不僅記錄車輛實際地理位置 還要與計劃的位置進行比較 得出車輛是否準時 并通過公交站轉(zhuǎn)給轉(zhuǎn)乘的乘客 3 電子站牌 向乘客顯示正向本站行駛的運營車狀態(tài)位置 來源于公交運營中心 電子站牌由無線信號接收器 顯示控制器 光帶式車輛位置顯示器和LED時間顯示單元 電源及防護外殼以及有源式ID碼發(fā)射器等部分組成 電子站牌能定時接收GPS時間信息 對內(nèi)部時鐘進行校正 通過LED顯示時間信息 及離本站最近車輛位置 到站時間等 四 電子收費系統(tǒng) ETC 每小時放行能力是人工收費的6倍 在網(wǎng)絡環(huán)境下 彩電子標簽作為通行卡 收費過程由計算機及其外圍設備與通告卡 自動交換信息 實現(xiàn)車輛自動認別 金額自動收取 自動結(jié)帳 系統(tǒng)構(gòu)成及原理 構(gòu)成車載處理單元 車道處理單元 收費站計算機管理單元 中央計算機管理系統(tǒng) 2 收費中心計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 五 車輛控制系統(tǒng)VCS 借助車載設備和路側(cè)設備檢測行駛環(huán)境變化幫助駕駛員控制車輛 即是智能汽車的研究與應用 主要功能 道路障礙自動識別 自動報警 自動轉(zhuǎn)向 自動制動 自動保持安全距離和車速以及巡航控制功能 效益 增強公路通行能力 減少道路阻塞 縮短行車時間 降低事故率 提高行車安全 降低行車成本 提高行車效率 降低廢氣排放量減輕環(huán)境污染 4 日本的先進安全汽車ASV 以安全技術為中心 謀求汽車智能化的國家項目 事故預警技術 危險狀態(tài)報警 提高可視性 環(huán)境信息 減輕駕員負擔 事故規(guī)避技術 提高運動控制性能 危險狀態(tài)規(guī)避 環(huán)境引發(fā)事故規(guī)避 自動駕駛技術 自律型自動駕駛技術 新設施下自動駕駛系統(tǒng) 沖擊安全技術 沖擊吸收 司乘人員保護 減輕步行者被害 防止災害技術 緊急門鎖解除 減小二次沖擊 火災撲滅 自動通報 汽車底盤技術 數(shù)字速度變化記錄 車輛識別卡 GPS定位 高齡疲勞對應 3 GPS導航及車載設備 一 GPS定位GPS的發(fā)展古代導航是星歷導航 即通過觀察天空星座位置變化來確定自己位置 中國指南針的發(fā)明也一直為人們所用 世紀人造衛(wèi)星的發(fā)射成功 為衛(wèi)星電子導航打下基礎 年代美國的 子午衛(wèi)星系統(tǒng) 用于海軍導航 年代有了全球衛(wèi)星導航 由 個衛(wèi)星組成 年代建成了GPS由 個衛(wèi)星組成 全球任何地點可同時觀測到 個衛(wèi)星 可實現(xiàn)實時定位 美國從 年到 年用了近二十年 耗資 億美元完成 GPS首要目的是軍用 民用為副產(chǎn)品 設計兩種服務 P碼 軍用 基頻10 23Mz C A碼 民間用戶 1 023Mz 3 GPS的組成空間衛(wèi)星部分 互成60 的 個橢圓軌道上 各布 個衛(wèi)星 地面控制部分 向衛(wèi)星提供要廣播的星歷 用戶接收機部分 供用戶使用 4 GPS定位的基本原理 GPS為高軌測距體制 以觀測站至GPS衛(wèi)星間距離做為基本觀測量 可采用兩種觀測方法 測衛(wèi)星發(fā)射的信號到達接收機的時間 數(shù)據(jù)處理簡單 測接收到載波信號與接收機產(chǎn)生的參考信號之間相位差 在導航和動態(tài)定位時定位方式 單點定位 獨立確定待定點在地心坐標中的絕對位置 只需一臺接收機 但定位精度低 差分定位 地面已知點上設一接收機作為基準點 與所有待測點的接收機進行同步觀測 基準點求出的定位坐標改正數(shù) 用定位差分法或偽距差分法求得 實時傳給相關用戶 待測接收機 從而提高定位結(jié)果的精度 可達10m水平定位誤差 衛(wèi)星 GPS差分站的組成 硬件部分由差分無線 基準GPS接收機 基準站 機 電平轉(zhuǎn)換模塊 直流電源和 組成 其系統(tǒng)連接如下圖所示 差分GPS天線 基準GPS接收處 直流電源 基準站PC機 UPS 電平轉(zhuǎn)換 用戶 用戶 差分站GPS天線是抗干擾的高增益天線 安裝于無遮擋的高處 基準GPS接收機是差分站的核心組成 其功能是將天線接收信號放大處理并進行轉(zhuǎn)換生成差分改正數(shù) 直流電源和UPS可提供標準電源 電平轉(zhuǎn)換模塊可延長信號傳輸距離 軟件功能GPS差分基準站軟件功能表現(xiàn)在能實時讀取GPS接收機數(shù)據(jù) 提供并顯示差分站的運行狀態(tài) 讀取標準格式的差分數(shù)據(jù) 并解算接收機監(jiān)測衛(wèi)星的數(shù)目和差分信息長率 時實判斷GPS接收機工作狀態(tài) 異常時提供報警 GPS DR組合定位車載設備中的定位裝置 多采用GPS和DR組合的方法 GPS正常定位輸出并做為DR初始點 航位推算 DR 是根據(jù)汽車角速度傳感器 舵螺儀 和顯程儀的信號 推算車輛由起始位置 X0 Y0 和初始方位角下一時刻的位置 下圖示出了DR推算原理 車速傳感器 電磁式交流信號頻率 可轉(zhuǎn)換成車速前進速度 V V V 氣體陀螺儀 X1 x0 S0sin 0Y1 Y0 S0cos 0 1 0 0X2 X1 S1sin 1Y2 Y1 S1cos 1 2 1 1依次推算得 Xk X0 Sisin 2Yk Y0 Sicos 2 k k 1 k 1 DR推算原理 k 1 應用舉例 本田汽車導航系統(tǒng) 系統(tǒng)構(gòu)成 自主導航系統(tǒng) GPS DR 地圖匹配組合定位系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖所示 數(shù)據(jù)處理過程為每個采樣時刻是由濾波器處理傳感器和GPS測量值后組成優(yōu)化值 后輸出車輛位置估計值并與定位濾差和行車方向一并輸入地圖匹配模塊 算出地圖上的匹配位置坐標 濾波器的結(jié)構(gòu)原理如下 二 車載設備 車載設備由定位模塊 GPS接收機和DR傳感器 通信控制器 收發(fā)信機 集群電臺 駕駛員接口和電源模塊組成 其原理圖如下 GPS接收機接收GPS所發(fā)導航電文 經(jīng)處理后形成一定格式的綜合數(shù)據(jù)流 位置 時間 速度 經(jīng)串口送至通信控制器 通信控制器將綜合數(shù)據(jù)流和本車身份及其它數(shù)據(jù)經(jīng)通訊協(xié)議重構(gòu)后由收發(fā)信機發(fā)射到控制中心 并將充分基準站發(fā)來的修正信息送至GPS接收機提供司駕人員 車載終端和傳感器 車載終端功能 提供實時交通信息 導航 為信息中心提供原始信息 車輛定位 操作面板 GPRS收發(fā)機 GPS接收 導航計算機 語音芯片 無線 揚聲器 顯示器 導航計算機是車載終端為核心 實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與處理 電子地圖應用程序的存儲與執(zhí)行 其顯示屏顯示地圖和車輛位置 自主導航系統(tǒng) 由車速傳感器和方向傳感器檢測汽車瞬時速度與前進方向的變化 送入CPU可求出行車軌跡和當前位置 并在電子地圖上顯示 此外 電子地圖上還標有道路 設施 地名 方向傳感器 羅盤式 方向盤式和陀螺儀 羅盤式傳感器當 以 角作用時 x y有 故測得和就可得汽車行駛方向與地磁場的夾角缺點 車輛通過環(huán)境磁場時有較大誤差 x y 地磁場 方向盤傳感器 又稱車輪轉(zhuǎn)速差方向傳感器 通過左右車輪轉(zhuǎn)速差確定汽車方位 用于系的前輪速度傳感器 可兼做汽車導航系統(tǒng)中的方向傳感器 通過左右前輪傳感器可測得兩前輪的行駛距離差 從而確定汽車是否已轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)向角的大小 對汽車每行駛一段距離測出的轉(zhuǎn)向角從第一轉(zhuǎn)向點開始 對全部轉(zhuǎn)向角求代數(shù)和 就可以求出當前汽車方位的變化 缺點 會因車輪打滑 空轉(zhuǎn) 引起較大檢測誤差 陀螺儀通過檢測汽車角速度并對該角速度進行積分 來檢測方向的變化 種類 普通 光學 振動 氣體等 汽車自主導航多采用氣體陀螺儀 殼體內(nèi)封有氦氣 氦氣在壓電式振子泵的作用下 從噴嘴送出 進行循環(huán)流動 當汽車直線行駛時 氦氣噴射均勻 用于檢測氦氣流偏差的兩條熱線溫差為零 當汽車轉(zhuǎn)向時 氦氣流發(fā)生偏離 兩條熱線會產(chǎn)生溫差 做為電量輸出 獲得汽車角速度 再積分就可以求出轉(zhuǎn)角 電波導航組成 控制計算機