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- 主题:ITS与智能汽车技术发展概况(zz)
- 中国智能交通系统( ITS )与智能汽车技术发展概况
（清华大学汽车工程系）李克强 侯德藻 高锋 连小珉
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1智能交通系统概述
1.1 智能交通系统的概念
ITS是智能交通系统的英文缩写( Intelligent Transportation Systems, ITS )，作为一个新概念的提出,始于二十世纪八十年代中期美国加州的PATH ( Program on Advanced Technology for the Highway ) 及欧洲的PROMETHEUS(Program for a European Traffic with Highest Efficiency and Unprecedented Safety) 项目。在此之后，不仅欧美日等发达国家将其作为大型国家项目在推进，也得到世界其他许多国家的重视。智能交通系统可以定义为：利用现代计算机、信息、通信、控制技术把车辆、道路、使用者紧密结合起来，以解决汽车交通事故、堵塞、环境污染及能源消耗等问题为目的的基于智能化、信息化的汽车交通系统。
ITS功能可分为安全、畅通、环保三大部分，如图1所示。
图1 ITS功能图
1.2 智能交通系统的基本构成
智能交通系统是一个涉及众多领域的复杂工程应用系统，主要由以下应用系统组成：
⑴先进的交通管理系统ATMS（Advanced Traffic Management Systems）
通过旅行时间测定、突发事件检测等实时处理来把握交通状况，进行先进的交通管理。该系统有一部分与ATIS共用信息采集 、处理和传输系统，但是ATMS主要是给交通管理者使用，它将对道路系统中的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时的监测，根据收集到的信息，对交通进行控制，如：信号灯、发布诱导信息、道路管制、事故处理与救援等。在进行交通的管理时，通过车载机及信息提供装置实施对驾驶员的路线引导。为防止由交通事故引发的二次损失，在尽早发现交通事故、实施相应的交通管制的同时，通过车载机或其他信息提供装置将交通管制信息提供给驾驶员。ATMS的代表系统是：交通信号控制、电子收费系统（ETC）等。
⑵先进的交通信息服务系统ATIS（Advanced Traveller Information Systems）
先进的交通信息服务系统是建立在完善的信息网络基础上的。交通参与者通过装备在道路上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输设备，可以向交通信息中心提供各处的交通信息；该系统得到这些信息并通过处理后，实时地向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息；出行者根据这些信息确定自己的出行方式、选择路线。更进一步，当车上装备了自动定位和导航系统时，该系统可以帮助驾驶员自动选择行驶路线。随着信息网络技术的发展，科学家们已经提出将ATIS建立在因特网上，并采用多媒体技术。这将使ATIS的服务功能大大加强，汽车将成为移动的信息中心和办公室。ATIS的代表系统是：行驶线路诱导系统、自动导航系统。
⑶先进的车辆控制与安全系统AVCSS（Advanced Vehicle Control and Safety Systems）
AVCSS是ITS在车辆工程中的具体应用平台，该系统是用于帮助驾驶员正确驾车，防止碰撞系统是其核心。AVCSS可以分为两个层次：第一层次可称为车辆安全辅助驾驶系统，该系统有以下几个部分：车载传感器（微波雷达、激光雷达、摄象机、其他形式的传感器等）、车载计算机和控制执行机构等，行使中的车辆通过车载的传感器测定出与前车、周围车辆以及与道路设施的距离和其他情况，车载计算机进行处理，对驾驶员提出警告，在紧急情况下，强制车辆制动。第二层次是车辆自动驾驶系统，装备了这种系统的汽车也称为智能汽车，它在行使中可以做到自动导向、自动检测和回避障碍物，在智能公路上，能够在较高的速度下自动保持与前车的距离。智能汽车只有在智能公路上使用才能发挥出全部功能，如果在普通公路上使用，它仅仅是一辆装备了辅助安全驾驶系统的汽车。；
⑷商用车运行管理系统（CVO: Commercial Vehicle Operations）
它主要是提高载货车运行效率的系统，主要功能包括掌握现在位置、货物信息的传递管理以及车辆重量的自动测定等。
⑸先进公共交通系统（APTS: Advanced Public Transportation Systems）
它将公共汽车、火车、HOV（高效运载车辆）等公共交通运输工具相互联系起来，以提高整个运输体系的效率。
⑹先进地方交通系统（ARTS: Advanced Rural Transportation Systems）
它具有郊区的突发事件检测、肇事车辆位置检测、SOS系统等功能。
2．智能交通系统中的智能汽车技术
2．1 ITS与智能汽车、汽车主动安全性等的相互关系
由前面的介绍可以知道,智能交通系统与智能汽车技术有着密切的关系,而智能汽车技术现阶段的主要任务是提高汽车行驶安全性。为将事故防患于未然，通过车辆及道路的各种传感器掌握道路、周围车辆的状况等驾驶环境信息，通过车载机、道路信息提供装置等实时地提供给驾驶员，并进行危险警告，最终实现自动驾驶。
基于ITS的汽车主动安全性：主要指AVCSS中的汽车辅助安全驾驶系统具有的特性。即利用现代信息技术，传感技术来扩展驾驶人员的感知能力，同时自动从路况、车况及驾驶员的综合信息中判断是否构成安全隐患并给与提示，在紧急情况下，能自动采取措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保证车辆安全行驶。传统意义上的汽车主动安全性：通过提高汽车制动性、操纵稳定性、舒适性及提高灯光、视野等方面，保证车辆安全行驶的性能。两者的差别在于前者采用了通过现代计算机、信息、通信、控制技术把车辆、道路、使用者紧密结合起来的智能交通系统的思想。
2．2 智能汽车技术
智能汽车技术按功能层次可以分为三类，即智能感知/预警系统、辅助驾驶系统和全自动操作系统。上一层技术是下一层技术的基础。这三层次具体为：
智能感知/预警系统，利用各种传感器信息来获得对车辆自身、车辆所行驶的周围环境及驾驶员本身的状态的感知，必要时发出预警信息。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监测系统。碰撞预警系统(CW--Collision Warning system)：前方碰撞警告，盲点警告，车道偏离警告，换道/并道警告，十字路口警告，步行人检测与警告，后方碰撞警告；驾驶员监测系统主要有：驾驶员打盹警告系统，驾驶员位置占有状态监测系统等。
辅助驾驶系统(Driver Assistance System)，利用智能感知系统的信息，进行决策规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地代替驾驶员进行车辆控制操作。主要包括：巡航控制，车道跟踪系统，准确泊车系统及精确机动系统。
车辆自动驾驶系统(Vehicle Automation System)，这是智能车辆技术的最高层次，它由车载计算机全部自动地实现车辆操作功能。目前主要发展了：用于拥挤交通时低速自动驾驶系统，自主驾驶系统，近距离车辆排队驾驶(close-headway platooning)系统等。
3．智能汽车技术在我国的发展
我们所处的这个时代是信息革命的时代，各种新技术、新思想层出不穷，纵观世界范围内智能汽车技术的发展，每一次新的进步无不是受新技术新思想的推动。现在我国正在兴起的智能交通系统热潮，为我们进行智能汽车技术的研究奠定了良好的基础。使汽车具有主动安全性，集信息感知、动态辨识、控制等技术与方法于一体是ITS的主要研究内容之一。世界各大汽车公司、大学在政府的支持下，都在开展这方面的研发，目前日本、欧美已有企业取得实用化成果。与国外相比，国内在智能车辆方面的研究起步较晚，规模较小，开展这方面研究工作的单位主要是一些大学和研究所，如国防科技大学、清华大学、吉林大学、北京理工大学、长安大学、沈阳自动化所等。
国防科技大学机电工程与自动化学院自80年代起开始进行无人驾驶智能车辆技术研究，先后研制出四代无人驾驶汽车。第四代全自主无人驾驶汽车于2000年6月在长沙市绕城高速公路上进行了全自主无人驾驶试验，试验最高时速达到75.6Km/h。
1993-1995年，由南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等国内六年大学组成的联合课题组进行了“地面军用智能机器人”的研究项目，研制的移动机器人，代号7B.8系统，如图2所示，7B.8系统的车体选用国产跃进客货车改制。车上安装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位、超声等传感器。计算机系统采用两台 Sun10完成信息融合、黑板调度、全局、局部路径规划,两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理,8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主 ,采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法,其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5～10km/h。
图3 清华大学研制的THMR智能车(左III型车，右V型车)
清华大学计算机系智能技术与系统国家重点试验室在国防科工委和国家 863计划的资助下，从1988年开始研制THMR(Tsinghua Mobile Robot)系列移动机器人系统。THMR-III(图3左)系统的车体选用 BJ1022面包车改制。THMR-III上安装有彩色摄像机、磁罗盘光码盘定位、GPS、超声等传感器。计算机系统采用 Sun Spark10一台、PC-486二台和8098单片机数台。Sun完成任务规划,根据地图数据库信息进行全局规划,一台PC机完成视觉信息处理,另一台 PC完成局部规划、反射控制及系统监控,数台8098完成超声测量、位置测量、车体方向速度的控制。它的体系结构以垂直式为主，采用多层次“感知-动作”行为控制及基于模糊控制的局部路径规划及导航控制。THMR-III在自主道路跟踪时达到 5～10km/h。THMR-V(图3右图)系统是清华大学计算机系正在研制的新一代智能移动机器人 ,兼有面向高速公路和一般道路的功能。
图4 JUTIV- II智能车原型
吉林大学（原吉林工业大学）智能车辆课题组从90年代开始一直开展智能车辆自主导航研究，先后开发出JUTIV-I、JUTIV-II和JLUIV－III三代视觉导航智能车。研究工作得到了国家自然科学基金、教育部博士基金等资助。图4所示为JUTIV－II型智能车。目前，正在进行新一轮视觉导航的智能车JLUIV－IV的研制。
清华大学汽车安全与节能国家重点实验室近年来开展了汽车主动避撞及智能辅助驾驶方面的研究。下图5是其整个测控系统构成图。
汽车主动避撞系统需要对车辆进行纵向控制，其目的是将自车到前车的距离保持在安全水平。为实现这一目的，需要进行以下的工作，由传感器信号确定出当前情况下的安全距离，称为安全距离逻辑算法；由确定出的安全距离，确定出为实现这一安全距离所需的车辆的加速度，及进一步的车辆的制动力矩或车辆的油门开度，然后控制车辆发动机或制动
图5 汽车主动避撞及辅助驾驶系统测控系统构成图
系统伺服机构，使车辆实现要求的车辆加速度。其中涉及的关键技术包括车辆行车信息感知及信息融合单元技术、车辆主动避撞系统控制单元技术及车辆控制执行单元技术等，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室在这些关键技术的研究中取得了一定的成果，目前
该研究已被列为国家“十五”重点攻关项目，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室正在与国内外汽车企业及研究机构进行实质性的合作, 致力于汽车主动避撞系统应用于高速公路实际行车环境方面的研究，以期将汽车主动避撞系统尽快的应用于我国的实际交通中。
4．结束语
21世纪的汽车概念将发生根本性的变化。现在的“汽车”是带有一些电子控制的机械装置，将来的“汽车”将转变为带有一些辅助机械的机电一体化装置，汽车的主要部分不再仅仅是个机械装置，它正向消费类电子产品转移。据HP公司统计，目前世界平均每辆汽车在电子方面的投资约为1200美元（不包括立体声音响，收音机和电话），而且正在以每年15%的速率增加。其中，最新的电控技术装备就包括汽车主动安全辅助装置。因此，随着汽车电控技术的发展和中国汽车业加入WTO时间的临近，中国的汽车工业将面临着巨大的发展机遇和挑战，开展基于智能交通系统的现代汽车技术的研究与开发工作显得尤为必要和具有重要意义。
我国在90年代初已开始关注国际上ITS的发展，并且参加了ITS世界会议的指导委员会和国际标准化组织的部分工作。交通部将ITS列入“九五”科技发展计划和2010年长期规划中。目前，国内有较多高校和科研院所正进行ITS系统及关键技术、设备的研究。随着ITS研究在我国的兴起，我国已经形成了一支进行ITS技术研究开发、使用的专业技术队伍，各交通、汽车企业也越来越加大对ITS及智能汽车技术研发的投入，整个社会的关注程度不断增加。进入“十五”以后，国家将ITS及关键技术的研究与应用列为了重点攻关项目，相信经过相关领域的共同努力，我国的ITS及智能汽车技术水平一定会飞跃地发展。
参考文献：
[1].徐友春，王荣本,世界智能车辆近况综述, 汽车工程, Vol.23, No.5, 2001.10。
[2].刘以成，智能汽车－21世纪的新型交通工具，公路交通科技，Vol.13 No.2, 1996.6。
[3].欧青立，何克忠：室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究，机器人，第22卷第6期，2000年11月，p519～p526。
[4].李晓霞，李百川，侯德藻，陈光武：汽车追尾碰撞预警系统研究，中国公路学报第14卷第3期，2001年7月，p93~p95。
[5].傅锐：减少道路交通事故的安全策略探讨，中国公路学报，第8卷，第4期。
[6].国防科大研制出第四代无人驾驶汽车，计算机自动测量与控制，第8卷，p22。
[7].杨欣欣，智能移动机器人导航与控制技术的研究，清华大学博士学位论文，1999.5
[8].朱志刚，视觉导航中环境建模的研究，清华大学博士学位论文，1997.5
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