智能交通系统( ITS )与现代汽车技术
李克强 连小珉 侯德藻 高锋（清华大学汽车工程系）
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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．智能交通系统与智能汽车技术 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。
汽车主动避撞系统是利用现代计算机、信息、通信、控制技术，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，保证车辆安全行驶的系统。
有关 ITS、AVCSS、智能汽车、汽车自动驾驶、汽车辅助安全驾驶系统、汽车主动安全性、汽车主动避撞等相互关系是范围逐层缩小并特定。
2．2 ITS中汽车自动驾驶系统的研发历程
国外汽车企业及研究机构已投入了巨大的人力物力对ITS中与车辆工程密切相关的汽车辅助安全驾驶系统进行研究和开发，汽车辅助安全驾驶系统的重要作用可以由Diamler-Benz公司及美国交通部AHS项目的结论表述。
Diamler-Benz 公司通过大量的实验及分析提出:
(1)只要在事故前 2 秒钟采取措施，几乎所有的交通事故都能避免。
(2)现阶段，汽车的安全性还主要取决于驾驶人员的操纵。因驾驶员失误(判断失误、决策失误及操纵失误等)引发的交通事故占90% 以上, 且随着高速公路的快速发展、车流量逐渐增大、车速不断提高，人的驾驶能力更显不足，从而导致交通事故频频发生。
美国交通部主持的AHS项目指出，只有采用了汽车自动驾驶系统才可能实现以下目标：
(1)道路交通安全：只要系统不误动作，就不会发生碰撞事故；
(2)增加道路交通容量：每车线容量增加2至3倍，提高区域行驶速度；
(3)强化机动性：缩短并能预测人和物的移动时间，保证恶劣气候下的行驶操作方便性及可靠性；
(4)降低环境负荷：减少新建道路及扩建道路的必要性，降低油耗及尾气排放。
ITS领域的最早研究应属汽车自动驾驶，可分为三个时期：
1970年代： 第一期
1970～1980年代： 第二期
1980年代后期～现在： 第三期
2.2.1第一期的汽车自动驾驶系统（1950～1970年代）
该自动驾驶系统通过在道路上铺设制导电缆，进行横向行驶控制（转向控制）来实现的。美国的RCA项目、GM、Ohio 州立大学、欧洲的英国道路交通研究所、德国Siemens公司，日本的机械技术研究所等都开展了相关研究。
使用制导电缆的自动驾驶系统的优缺点：
(1) 恶劣气候下（雨雪天）能有效使用
(2) 需要制导线缆的埋设及专用供电，难以实用化
在应用方面，第一期的汽车自动驾驶系统在普通的道路上几乎未能实用化，仅有一些专门的用途，例如可用于专线自动驾驶或巴士停车站附近的局部自动驾驶、实验场内汽车的各种实验、复模式巴士（专用道上自动驾驶，普通道上手动驾驶）、货场内的专用驾驶等。西门子的应用是用于轮胎实验，瑞典、德国用于专线自动驾驶或巴士停车站附近的局部自动驾驶。
2．2．2 第二期的汽车自动驾驶系统（1970～1980年代）
进入1970年代以后，自动驾驶系统研究的焦点是基于机器视觉的自主型汽车自动驾驶系统。国际范围内对此方面的研究首先从日本开始。1978年，日本机械技术研究所进行了世界上首次基于机器视觉的自主型汽车自动驾驶系统道路试验，实验速度达30km/h。1980年代后期，日产与富士通联合研制了PVS自主型自动驾驶汽车，具有自动回避静止障碍物及夜间、雨天等恶劣天气下自动驾驶的功能。同时美国和欧洲也在此方面做了很多研究工作，主要有美国Maryland大学等在80年代前期开发的ALV军用无人侦察越野车，Carnegie Mellon大学在80年代后期开发的Navlab自动驾驶车，德国Munich联邦国防大学在80年代后期开发的VaMoRs自动驾驶车,到80年代末,该车时速已达90km/h。此外还有许多其它的汽车企业、大学及研究所也对汽车自动驾驶系统及相关单元技术进行了广泛的研究。
第二期自动驾驶系统的研究特点是：
(1) 不再需要特殊的道路基础设施
(2) 不再以汽车交通为唯一目的，而是考虑其它的特殊用途
(3) 系统与单元技术并重，为第三期研究工作的开展打下了基础
2．2．3 第三期的自动驾驶系统（1980年代后期～现在）
第三期的自动驾驶系统主要是基于ITS的一些国家项目，与第二期的不同点在于第三期的自动驾驶系统以解决现行汽车交通问题为明确目的。这一时期自动驾驶系统的发展重点仍然在欧洲、美国及日本。
欧洲在此方面的研究主要有：
(1)PROMETHEUS中的自动驾驶系统
PROMETHEUS 项目是以欧洲汽车厂家为中心，以AVCSS 为重点，从1986年开始历经八年的大型项目。该系统广泛采用了机器视觉及雷达技术，包括车线保持辅助系统及自动避撞系统。
(2)T-TAP项目
该项目始于1995年，不仅面向道路交通，而且包括铁道、航空及海上运输。其中的车辆控制系统包括自动避撞系统、驾驶员健康监视系统、交通管制与ACC组合系统及卡车队列控制系统。
(3)AVG、ISA项目
AVG是继1995、96年日本建设省的AHS项目及1997年美国的AHS项目后于1998年在荷兰开展的车辆自动制导项目。它不仅有T-TAP、PATH等的自动驾驶，还有机场用的无人驾驶车及港湾用的复式驾驶卡车。
ISA是1998年在瑞典大规模展开的项目，其通过路车通信，当接收到超过规定车速而驾驶员仍然在操作的信息时，使加速踏板变得异常沉重，从而抑制超速。
美国在此方面的研究主要有：
(1) PATH项目中的汽车自动驾驶系统
PATH项目是加州的ITS项目，以增加道路容量来减小道路堵塞为目的，其中的汽车自动驾驶系统的研究是以加州大学柏克利分校为中心，以AVCSS为重点的大型研究项目，包括横向控制和保持车间距离的车队列纵向行驶控制。横向控制主要利用埋设在行驶路线上的永久磁铁列来保持车线，可以减小车道宽度，增加车道数，从而增加道路容量。车队列行驶控制包括车间距离和车速控制，可以减小车间距离，从而增加道路的容量，减小碰撞损坏。
(2)AHS项目中的自动驾驶系统
AHS是由美国交通部主导的以汽车自动驾驶为重点的大型研究项目，以实现减轻交通堵塞、提高安全和防止大气污染为目的，1997年8月在加利福尼亚进行了示范性试验。主要研究内容包括：
·车队列行驶 包括利用道路上的磁性标志进行横向控制和基于车间距离雷达及车间通信的纵向控制。
·单独多种车辆 采用了单独车辆独立控制的设想，与车队列控制相对应，完成了基于机器视觉的自主型驾驶。
·替代技术 采用具有雷达反射性的胶带状材料替代常规的路面磁性标志，完成了自动驾驶试验。
·道路基础设施诊断车辆 为维护磁性标志及自动驾驶用道路设施的维护和管理，开发基于机器视觉的自主型行驶的诊断车辆。
·大型卡车的ACC。
(3)IVI项目中的自动驾驶系统
IVI是继AHS项目后，以车辆安全辅助驾驶为中心的项目。研究成果已先后应用于轿车、巴士、卡车及特种车等领域。
日本在此方面的研究主要有：
(1)ASV项目中的自动驾驶系统
ASV是以日本运输省为主导的，由各大汽车厂商参与，历经九年的大型研究项目。该项目分两期完成，第一期（1991～1995）主要包括概念设计、单元技术研究、系统技术研究、试验车制作和模范试验的实施；第二期（1996～2000）主要包括开发目标的设定、单元技术实用化及系统综合技术研究开发、实际试验车制作和实际试验的实施。其中的自动驾驶系统包括与道路基础设施相协调的自动驾驶系统和自主型自动驾驶系统。
(2)SSVS项目中的自动驾驶系统
SSVS项目是由日本通产省主导的大型研究项目，其中的汽车自动驾驶系统包括基于车间通信和车间距离测定的协调型自动驾驶系统和基于电动汽车的自动驾驶系统。
(3)ARTS项目中的自动驾驶系统
ARTS由日本建设省主导，包括ETC和AVCSS的相关项目。
2．3 ITS中汽车自动驾驶系统的单元技术
2．3．1汽车自动驾驶系统应具有的功能
(1) 检测出路线并使车辆沿其行驶的横向控制
(2)车辆跟踪行驶时控制车速及车间距离的纵向控制
(3)检测出行驶过程中遇到的障碍物并能自动回避
(4)维持小车间距离的车队列行驶时所需的车辆间通信
2．3．2横向控制技术
(1)利用制导电缆的横向控制
(2)利用磁性标志列的横向控制
(3)利用机器视觉技术的自动驾驶
(4)利用具有雷达反射性带子的横向控制
2．3．3纵向控制技术
(1)利用激光雷达测车间距离的纵向控制
(2)利用毫米波雷达测车间距离的纵向控制
(3)利用机器视觉技术测车间距离的纵向控制
(4)利用车间通信及车间距离雷达的车队列(platoon)行驶纵向控制
2．3．4 行驶过程障碍物的检测技术
(1)利用机器视觉技术的检测
(2)利用激光雷达检测前行车辆
(3)最初的机器视觉技术以识别障碍物为目的
2．3．5行驶过程车车间通信技术
(1)数台自动驾驶汽车之间协调行驶时必须的技术
(2)PROMETHEUS项目中用的是57GHz波，TDMA协定
(3)T-TAP项目中的Chauffeur所采用的是5.8GHz波
(4)日本最近开始使用紫外线或FM波
《待续》
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