智能交通系统关键技术在高速公路领域中的应用探讨.doc

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1、交通机电工程课程设计目录内容摘要1引言1第一章 智能交通系统（ITS）11.1智能交通系统发展背景11.2智能交通系统简介11.2.1 智能交通系统定义11.2.2智能交通系统应用范围21.2.3智能交通系统作用21.3 智能交通系统的系统组成21.4 智能交通系统在各国的发展41.4.1日本ITS的发展41.4.2美国的ITS发展41.4.3欧洲ITS的发展51.4.4国内ITS的发展5第二章 高速公路中的智能交通系统62.1高速公路简介62.1.1 定义62.1.2特点622高速公路中应用智能交通系统的必要性72.2.1保障高速公路车辆高效安全运行72.2.2提供路况实时信息和导航72.2

2、.3提高高速公路运输效率72.3 高速公路中的智能交通系统82.3.1先进的交通监控与管理系统82.3.2集成的信息服务系统82.3.3电子收费系统82.3.4运输管理系统82.3.5安全保障系统82.4高速公路中智能交通现阶段应用8第三章 高速公路交通智能管理系统103.1交通信息采集与处理技术103.2.通信技术113.3数据库技术12第四章 高速公路智能化导航系统及其支撑技术144.1智能化导航系统产生背景144.2 智能车辆导航技术的研究现状及关键技术144.2.1机器视觉154.2.2引导磁钉或引导电缆154.2.3 惯性导航系统154.2.4全球定位系统/数字地图174.2.5多传

3、感器组合导航技术184.3智能车辆导航技术的发展趋势19第五章 高速公里电子不停车收费系统（ETC）215.1自动车辆识别技术（AVI）215.1.1 RFID识别技术225.1.2 红外线识别技术265.1.3图像识别技术275.2自动车型分类计术（AVC）285.2.1 车型分类系统的发展现状285.2.2 车型分类系统研究现状305.3、违章车辆抓拍技术（VEC）34参考文献36 37内容摘要本文主要介绍了高速公路中的智能交通系统及其关键技术在高速公路管理运营，安全保障，提高服务水平提高运输效率等方面的一些应用及探索，并对高速公路智能交通系统中的一些关键技术进行了详细说明。首先在第一章介

4、绍了智能交通系统的一些概况。包括智能交通系统的发展背景，定义，组成和在各个国家的发展情况等。然后在第二章中对高速公路特点和高速公路智能交通系统组成和应用进行了简要介绍，同时说明了在高速公路中智能交通系统在保障高速公路车辆高效安全运行，提供路况实时信息和导航，提高高速公路运输效率的重要性。第三章主要是对高速公路交通智能管理系统的组成介绍，并对其包含的关键技术包括交通信息采集与处理技术，通信技术，数据库技术等在这个系统中的应用进行了介绍和论述。第四章主要是对智能化导航系统的介绍。着重论述了机器视觉，引导磁钉或引导电缆 ， 惯性导航系统 ，全球定位系统/数字地图 ，多传感器组合导航技术等关键技术的原

5、理及其在导航系统中的应用 。 第五章主要是关于电子不停车收费系统的介绍。这个系统采用了很多关键技术共同完成车辆的不停车收费过程，其中包括3 大主要技术：车辆自动识别技术、自动车型分类技术、违章车辆抓拍技术。在本章中就对这个三大技术原理以及它们是在这个系统中的作用进行了详细介绍。关键词：智能交通系统，高速公里，高速公路交通智能管理系统，智能化导航系统，电子不停车收费系统引言智能交通系统，简称ITS，从五十年代开始起行成概念，经过几十年的发展，在一些发达国家的应用已基本成形，其中以日美欧为代表。智能交通，在最近几年开始频繁出现在人们的视野中，并已成为未来各国交通运输系统的追求目标。 而高速公路作为

6、交通运输系统的重要的组成部分，也许高速公路的里程数在整个道路网中来说是最少的，但它的高效，高速，高通行能力，却让它承担比其它类型公路多得多的运输任务。以美国为例，在美国高速公路仅占公路总里程的1.1%，却承担全国公路运输任务的19%。因此，探索智能交通系统在高速公路中的应用就显得极有意义。本文基于这点考虑，对高速公路中的智能交通系统及其关键技术的原理及应用进行了详细的介绍和论述。第一章 智能交通系统（ITS）1.1智能交通系统发展背景工业化国家在市场经济的指导下，大都经历了经济的发展促进汽车的发展，而汽车产业的发展又刺激经济发展的过程，从而这些国家尽早实现了汽车化的时代。为了满足日益增长的交通

7、需求，世界各国先后建立四通八达的交通运输网络，但交通工具的增长速度远远高于道路和其他交通设施的增长，汽车化社会带来的诸如交通阻塞、交通事故、能源消费和环境污染等社会问题日趋恶化，交通阻塞造成的经济损失巨大，使道路设施十分发达的美国、日本等也不得不从以往只靠供给来满足需求的思维模式转向采取供、需两方面共同管理的技术和方法来改善日益尖锐的交通问题，这些建立在汽车轮子上的工业国家在探索既维护汽车化社会，又要缓解交通拥挤问题的办法中，旨在借助现代化科技改善交通状况达到保障安全，提高效率、改善环境、节约能源的目的的ITS概念便逐步形成。60、70年代以来，由于石油危机及环境恶化，工业化国家开始采取以提高

8、效益和节约能源为目的的交通系统管理（TSM）和交通需求管理（TDM）同时大力发展大运量轨道及实施工交优先政策，在社会可持续化发展的目标下调整运输结构，建立对能源均衡利用和环境保护最优化的交通运输体系。ITS作为综合解决交通问题，保护社会经济可持续发展和与环境相协调的新一代交通运输系统，随着信息技术的迅速发展在发达国家孕育发展，90年代以后，成为世界范围内的重要发展趋势。1.2智能交通系统简介1.2.1 智能交通系统定义智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成 运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，

9、实时、准确、高效的综合运输和管理系统。1.2.2智能交通系统应用范围包括机场、车站客流疏导系统，城市交通智能调度系统，高速公路智能调度系统，高速公路自动收费系统共，智能化的导航系统，安全驾驶辅助系统，运营车辆调度管理系统，机动车自动控制系统等。1.2.3智能交通系统作用它通过人、车、路的和谐、密切配合提高交通运输效率，缓解交通阻塞，提高路网通过能力，减少交通事故，降低能源消耗，减轻环境污染。它能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量；同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费

10、系统等方面都会产生巨大的影响。ITS的功能主要表现在：（1）顺畅功能：增加交通的机动性，提高运营效率；提高道路网的通行能力，提高设施效率；调控交通需求。（2）安全功能：提高交通的安全水平，降低事故的可能性/避免事故；减轻事故的损害程度；防止事故后灾难的扩大。（3）环境功能：减轻堵塞；低公害化，降低汽车运输对环境的影响。1.3 智能交通系统的系统组成智能交通系统是一个复杂的综合性的系统，从系统组成的角度可分成以下一些子系统：（1)先进的交通信息服务系统(ATIS) ATIS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，向交通信

11、息中心提供各地的实时交通信息；ATIS得到这些信息并通过处理后，实时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。 （2)先进的交通管理系统(ATMS) ATMS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的，用于检测控制和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通讯联系。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视，依靠先进的车辆检测技术和计

12、算机信息处理技术，获得有关交通状况的信息，并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。 （3)先进的公共交通系统(APTS) APTS的主要目的是采用各种智能技术促进公共运输业的发展，使公交系统实现安全便捷、经济、运量大的目标。如通过个人计算机、闭路电视等向公众就出行方式和事件、路线及车次选择等提供咨询，在公交车站通过显示器向候车者提供车辆的实时运行信息。在公交车辆管理中心，可以根据车辆的实时状态合理安排发车、收车等计划，提高工作效率和服务质量。 （4)先进的车辆控制系统(AVCS) AVCS的目的是开发帮助驾驶员实行本车辆控制的各种技术，从而使汽车行

13、驶安全、高效。AVCS包括对驾驶员的警告和帮助，障碍物避免等自动驾驶技术。 （5)货运管理系统 这里指以高速道路网和信息管理系统为基础，利用物流理论进行管理的智能化的物流管理系统。综合利用卫星定位、地理信息系统、物流信息及网络技术有效组织货物运输，提高货运效率。 （6)电子收费系统(ETC) ETC是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载器与在收费站ETC车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的，且所交纳的费用经过后台处理后清分给相关的收益业主。在现有的车道上安装电子不停车收

14、费系统，可以使车道的通行能力提高35倍。 （7)紧急救援系统(EMS) EMS是一个特殊的系统，它的基础是ATIS、ATMS和有关的救援机构和设施，通过ATIS和ATMS将交通监控中心与职业的救援机构联成有机的整体，为道路使用者提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护、排除事故车辆等服务。1.4 智能交通系统在各国的发展经过多年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。另外，其他一些国家和地区的ITS研究也有相当大的规模，如澳大利亚、韩国、新加坡、香港等。可以说，全球正在形成一个新的ITS产业，难以记数的大小项目正在开展，发展规模和速度惊人，以“保障安全、提高效益、改善环境、节约能

15、源”为目标的ITS概念正逐步在全球形成。目前，世界上智能交通系统应用最为广泛的地区是日本，如日本的VICS系统相当完毕和成熟，其次美国、欧洲等地区也普遍应用。在中国，北京、上海、广东等地也已广泛使用。1.4.1日本ITS的发展ITS在日本的发展始于70年代，从1973年到1978年日本成功地组织了一个叫动态路径诱导系统的实验。从80年代中期至90年代中期的10年时间，相继完成了路车间通信系统，交通信息通信系统中国智能交通网，宽区域旅行信息系统，超智能车辆系统，安全车辆系统及新交通管理系统等方面的研究。1994年1月成立WERTIS(路车交通智能协会)，1995年7月成立VICS(道路交通信息通

16、信系统)中心，19%年4月正式启动VICS，先在首都圈内，而后推广至大阪、名古屋等地，1998年向全国推进，日本的VICS是TIS实用化的第一步，居于世界领先水平。1.4.2美国的ITS发展美国的ITS雏形是始于二世纪60年代末期的电子路径导向系统，中间暂停了十多年，80年代中期加利福尼亚交通部门研究的FATHFNIDER系统获得成功，此后开展了一系列这方面的研究，1990年美国运输部成立智能化车辆道路系统组织，1991年国会制定了ISTEA(综合地面运输效率方案)，1994年IVHS更名为ITS。其实施战略是通过实现面向21世纪的“公路交通智能化”，以便从根本上解决和减轻事故、混杂、非效率、

17、能源浪费等交通中的各种问题。1.4.3欧洲ITS的发展1998年由欧洲10多个国家投资50多亿美元，联合执行一项旨在完善道路设施提高服务质量的DRIVE计划，其含义是欧洲用于车辆安全的专用道路基础设施，现在已经进行第二阶段的研究开发工作。目前欧洲各国正在进行Tele mastics的全面应用开发工作，计划在全欧范围内建立专门的交通无线数据通信网、智能交通系统的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕Tele mastics和全欧无线数据通信网来展开。欧洲各国也联合搞了一个叫PROMETHEUS的计划，即欧洲高效安全交通系统计划。1.4.4国内ITS的发展ITS在国内的研究刚刚起步，但作为其基础的城

18、市交通控制系统的开发研究从70年代就已开始，如北京、_上海等城市建立的交通信号控制和电视监视系统、警车定位系统、交通地理信息系统，以及交通事故、车辆和驾驶员档案等静态信息系统等;在某些城市还建立了不停车自动收费系统和IC卡驾驶员管理系统。目前国内的研究和开发还都是就某一地区或城市进行的，全国范围的ITS研究计划尚没有制定，但己有许多部门在致力于这方面的研究。第二章 高速公路中的智能交通系统2.1高速公路简介2.1.1 定义中国交通部公路工程技术标准规定，高速公路指“能适应年平均昼夜小客车交通量为25000辆以上、专供汽车分道高速行驶、并全部控制出入的公路”。高速公路属于高等级公路。一般能适应1

19、20公里/小时或者更高的速度，路面有4个以上车道的宽度。中间设置分隔带，采用沥青混凝土或水泥混凝土高级路面，设有齐全的标志、标线、信号及照明装置；禁止行人和非机动车在路上行走，与其他线路采用立体交叉、行人跨线桥或地道通过。从定义可以看出，一般来讲高速公路应符合下列4个条件：(1)只供汽车高速行驶；(2)设有多车道、中央分隔带，将往返交通完全隔开；(3)设有平面、立体交叉口；(4)全线封闭，出入口控制，只准汽车在规定的一些立体交叉口进出公路。2.1.2 特点优点：（1）物资周转快、经济效益高 。运距在300km以内，使用大吨位车辆运输，无论从时间或经济角度考虑，均优于铁路和普通公路运输。 （2）

20、交通事故少、安全舒适好 严格的管理系统，采用先进的自动化交通监控手段和完善的交通设施，全封闭、全立交，无横向干扰，因此交通事故大幅度地下降。高速公路具有完备的交通安全设施、管理设施和服务设施，且道路线性好，路况佳，服务质量好、排除了混合交通，行车安全舒适性高。 （3）行车速度快、通行能力大。一般高速公路行车速度在120km/h以上。一条车道每小时可通过1000辆中型车，比一般公路高出34倍。 在美国高速公路仅占公路总里程的1.1%，却承担全国公路运输任务的19%。缺点：占地多，对环境影响大，投资大，造价大。22高速公路中应用智能交通系统的必要性2.2.1保障高速公路车辆高效安全运行 由高速公路

21、的特点可知，高速公里事故率相对较少，但是一旦发生事故，因为高速公路上的车辆行驶速度较高，后续事故发生可能性非常高，造成较严重的后果，造成较大的财产损失和人员伤亡。因此，需要智能交通系统提供先进的交通智能管理系统，来更好的防止事故和做好事故信息的实时发布，防止二次事故的发生，最大限度地保障安全和减少损失。2.2.2提供路况实时信息和导航随着交通与汽车工业的快速发展，全世界高速公路里程数及汽车保有量在迅速增长，道路交通事故也急剧增加，造成巨大的人员伤亡和经济损失。研究表明，人的因素，如疲倦、精力不集中、过度紧张及酒后驾驶等情况，是导致许多交通事故的主要因素。统计显示，90的交通事故来自于驾驶员的错

22、误，而且驾驶员的反应若能快半秒，60的交通事故就可以得到避免。如果能让驾驶员提前了解前方路况和交通信息，驾驶员的反应肯定会更迅速，从而避免事故的发生。因此为驾驶员提供实时的路况信息，环境信息就显得非常关键。高速公路是全线封闭，控制出入的，出口多，分布广，而交叉都采用立交方式，路况复杂，对于不熟悉路况的人来说，正确地选择线路，选择正确的出口都将比较困难，一旦走错线路，要改道将会非常麻烦，影响高速公路的运行效率，而强行改道就有可能成为事故的诱因。因此为车辆驾驶员提供导航就显得非常必要。这对于提高高速公路的安全性和服务水平有重要意义。2.2.3提高高速公路运输效率 高速公路作为专供车辆高速行驶的道路

23、，行车速度快，通行能力大，但也存在着通行能力瓶颈，这就是在收费站。因为传统的人工收费和半自动收费效率较低，收费车道通行能力低，这制约了高速公路的通行能力。而智能交通系统中的电子不停车收费系统将大大提高收费车道通行能力，能有效解决这一问题。2.3 高速公路中的智能交通系统高速公路ITS的构成按高速公路ITS系统的服务功能，将其分为五点：2.3.1先进的交通监控与管理系统该系统包括停车诱导、交通预测、路经诱导及交通事故检测等技术。它依靠先进的技术实时地将道路交通信息在监控中心进行加工处理，并将信息发送至道路管理者及其使用者，从而实现动态交通分配，以及对交通的有效监管，尽量避免交通阻塞。2.3.2集

24、成的信息服务系统它由社会交通信息服务系统和车辆交通信息服务系统组成 。信息服务系统不仅能方便在路网中行驶的道路使用者，还能为将要出行的道路使用者提供详细的相关路网信息，帮助他们选择最佳出行路线。2.3.3电子收费系统不停车收费就是全自动收费，它在确保收取通行费的前提下，减少或彻底杜绝收费过程中阻碍交通的问题。2.3.4运输管理系统在智能交通系统中，运输管理属关键的服务功能。它利用智能交通系统其他子系统服务功能所提供的信息和有关运输企业的信息，进行科学的跟踪调度及指挥，使运输企业的效益最大化。2.3.5安全保障系统安全保障系统是交通运行基本的支撑，它可确保交通正常运行的过程中驾驶员的安全，若有交

25、通异常状况出现，其也可进行有效的救助。2.4高速公路中智能交通现阶段应用ITS在高速公路上的应用现阶段可在收费、监控及通信方面运用该系统，下列几点是其主要表现：(1)不停车电子收费（ETC）系统可减少传统收费模式带来的时间延误和人工消耗，提高车道的通行能力；(2)路面交通感应器，能够对道路承受压力及应力状况进行实时监控，同时将监测数据传输至管理中心，实时了解道路情况为养护部门提供完备的资料；(3)可变限速标志及可变信息标志牌，实时显示沿途的路面状况及事故情况，及时发布限速信息，对交通流实施动态管理；(4)高速公路入口匝道的交通流控制，利用和监控中心的通信及入口匝道处的信号灯，对入口匝道交通流实

26、施智能化监管；(5)闭路电视监控，利用闭路电视摄像机，对违章车辆进行实时监控，发现问题可以及时启动应急机制进行处理。第三章 高速公路交通智能管理系统高速公路交通智能管理系统是按照先进的交通管理系统的基本框架构建，主要有六个子系统构成:信息采集系统、车辆牌照自动识别系统、信息管理系统、网络传输子系统、信息发布诱导子系统、道路监控系统，采用计算机、数字视频和网络传输技术,集车辆检测、道路监控、气象监测、流量统计、数据传输,网上查询、信息发布(交通诱导),无线传输、调度指挥于一体,形成综合智能交通管理系统。支撑上述系统建设的主要关键技术分述如下：3.1交通信息采集与处理技术最早接触和使用的检测技术是

27、雷达检测技术，雷达监测技术用于检测车辆的速度，检测设备称为雷达测速器，又称多普勒雷达。雷达检测技术的原理是通过向运动着的物体（比如车辆）发射一定频率的无线电电波，并检测物体反射回来的电波频率与发射频率的差别，利用发射和反射回来的电磁波频率的差别，来计算运动物体的速度，实现对车速的检测。在检测车速的同时，对车辆进行计数达到统计交通流量的目的，同时也可以用于车辆存在的检测等。同时存在的还有主要用于车辆计数、速度检测的压力感应的橡皮气压管测速计和电子停表速度计以及电容速度计等检测技术，但由于使用环境和条件的局限性，没有得到推广和应用。目前，以形状感应为检测对象的超声波脉冲式和光电管式车辆检测技术、以

28、电磁感应为检测对象的环形线圈式和地磁式车辆检测技术以及由多普勒雷达发展起来的微波车辆检测技术这三大技术已逐渐成为交通信息采集的主要技术手段。随着电子技术和交通检测技术的发展，车辆检测设备已采用了大规模集成电路和微处理技术以及多功能综合技术。它不但能检测车辆，对车辆进行计数，还能检测车辆的存在、车辆通过时的速度以及道路车辆占有率和车辆排队长度等主要动态交通参数。目前国内外用于实时交通信息采集和处理的主要技术是电磁感应的环形线圈式车辆检测技术和多普勒感应的微波车辆检测技术。近年来，由于视频处理技术的发展，视频车辆检测技术已经成熟，视频车辆检测技术将是未来实时交通信息采集和处理技术的发展方向。3.2

29、.通信技术智能交通系统主要是利用先进的信息通信技术建立道路、车辆、行人为一体的综合交通运输系统，提高交通运输系统的效率、安全性和可持续性。在将道路、车辆、行人整合的过程中，通信系统起到了关键的作用，通信技术成为构建智能交通系统的基本要素。而在高速公路的管理系统中主要使用如下的几种通信方式：（1） 广域通信。目前，因为商用数据网已经相当成熟，希望ITS的有线和无线广域网（WAN）能够利用商业数据网。通信网应采用开放的通信接口，且与其他的开放通信网互联，即通信网的信息可以发送到另一个通信网，那么子系统之间的相互协调就会很方便。a.有线WAN通信。有线数据WAN通信系统将中心子系统与道路、远程访问、

30、及其子系统连接起来。通过与无线WAN网互联工作，也可以将中心与车辆、中心与个人移动计算机连接起来。b无线WAN通信。无线数据通信系统可以是：单向（广播），如FM副载波或寻呼系统；或双向专用系统，如专用无线移动台（SMR）；或双向功用系统，如存储SMR登记许可的商用运行网（称为E-SMR技术），它由传统的蜂窝电话供应商提供包括蜂窝数字分组数据业务(PCS)。无线WAN中单向或双向形式都被支持以适应不同的应用。这一方法即可吸引早期开发的、使用成熟且低成本的单向数据业务，也支持向着功能更丰富的双向模式改进。（2）专用短程通信（DSRC）。DSRC采用无线通信技术，由车载单元（OBU:On Board

31、 Unit）、路旁单元（RSU：Roadside Unit）、专用短程通信协议以及后台计算机网络组成，在智能交通系统中实现路、车之间信息传输、交互的通信系统。车载单元主要由车载机和电子标签组成，电子标签存储了该车有关的信息，如车号、车型、所有者等等。路旁单元又称为车道单元、车道设备，主要是车道通信设备读写器，包括车道天线和天线控制器。专用短程通信系统主要是利用短程通信技术，通过路旁单元的信号单元发射和接受装置识别通过车辆的相关信息，自动对车辆进行身份鉴别、实时监控、动态引导等智能化管理，完成车辆相关信息的动态采集工作。DSRC在ITS中的主要应用如下：1电子收费系统。电子收费系统（ETC）是指

32、将先进的电子技术、通信技术、计算机网络技术等应用到传统的路桥停车场等的收费过程中，自动接收发送有关支付通行费的信息，从而实现高效、安全、准确的收费目的的系统。目前而言电子收费系统是专用短程通信的一个主要应用领域。2DSRC与有线无线通信技术的结合，可实现车辆定位和实时、准确的信息传输的功能。3其他应用领域包括：砸道控制系统、监控及紧急事件处理系统、特殊车辆管理、安全辅助驾驶等。（3）.SDH和ATM在ITS的公路通信中的应用 1.数字体系（SDH）通信网。数字体系（SDH）所组成的通信网，是在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络。公路通信，特别是高速公路的通信，采用SDH技术，可

33、使通信网的结构得以简化； 2.异步传递方式技术（ATM）。高速公路的交通监控系统和收费系统需进行数据、图像和话音的传输，运用ATM技术使网络结构更简单，使通信更安全、可靠，并提高了网络的灵活性。运用在ATM网络技术支持下的多媒体和VOD技术，可使高速公路网的交通监控系统和收费系统联网更方便、更经济，功能更全，效率更高。3.3数据库技术数据库技术是智能交通系统的核心技术基础，为了使数据融合和共享、系统集成并提供综合服务，数据库技术在各个ITS子系统中几乎是必不可少的，数据库技术与计算机技术、通信技术一起成为了ITS关键基础技术。为了满足ITS的发展需要，分布式数据库、实时数据库、数据仓库技术等是

34、必须掌握的主要技术。1.分布式数据库系统并非单纯意味着数据是分布的，分布式数据库的定义意味着它结合了知识、动作，以及对组成分布式计算机系统的分布式部件的控制。实时数据库不单是一个速度快的系统，实时是指操作系统和与其交互的现实世界之间的时态交互。实时数据库与动态数据库的区别是：动态数据库的时间相关性较实时数据库要低。动态数据库不包含经传感器采集的“时刻”数据。2.数据仓库是指“一个面向主题的、集成的随时间变化的非易失性数据的集合，用于支持管理层的决策过程”。也可以这样认为：“是一个不断发展的过程，将多个异质的原始数据融合在一起，用于支持结构化的在线查询、分析报告和决策支持”。由此可见，数据仓库是

35、将原始的操作数据进行各种处理并转换成综合信息，并提供功能强大的分析工具对这些信息进行多方位的分析以帮助数据库的使用对象做出更合理的决策。数据仓库有着一些重要的特性：面向主体性、数据集成性、数据的时变性、数据的非易失性、数据的集合性和决策作用。建立数据仓库的目的是把企业内部数据和外部数据进行有效的集成，为企业的各层决策、分析人员使用。目前阶段，关系型数据库、实时数据库等技术已经在多个ITS子系统中获得了应用，而为了实现ITS各子系统的信息互联和更深层次的功能实现，目前人们已经开始研究数据仓库在ITS中的应用，随着交通数据量的级数增加，数据库技术将在ITS中获得更为广泛和重要的应用。第四章 高速公

36、路智能化导航系统及其支撑技术 4.1智能化导航系统产生背景 随着交通与汽车工业的快速发展，全世界高速公路里程数及汽车保有量在迅速增长，道路交通事故也急剧增加，造成巨大的人员伤亡和经济损失。据公安部统计，2005年中国共发生道路交通事故45万多起，造成9.87万人死亡和46.99万人受伤，直接财产损失18.8 亿元。研究表明，人的因素，如疲倦、精力不集中、过度紧张及酒后驾驶等情况，是导致许多交通事故的主要因素。统计显示，90的交通事故来自于驾驶员的错误，而且驾驶员的反应若能快半秒，60的交通事故就可以得到避免。 为有效降低和避免交通事故的发生以及大幅提高运输效率，美、日、德、法、意等发达国家高度

37、重视自主驾驶智能车辆（又称轮式移动机器人，WheelMobile Robot）的研究，并已成为这些国家所开展的智能交通运输系统ITS（Intelligent TransportationSystem）、AHS（Automated Highway System）和IVHS（Intelligent Vehicle Highway System）等研究的重要内容。从系统的角度，在高速公路上要实现智能车辆无人驾驶自主道路跟踪，智能车辆首先必须具备适当的导航能力，以便为进一步的控制提供反馈信息，因而，智能车辆导航技术一直是国内外智能车辆界的研究重点和难点。需要指出的是，自主驾驶中的导航技术明显不同于一般

38、的辅助驾驶员的导航定位技术，前者在导航频率、精度和可靠性等方面都有很高的要求，本文讨论的导航含义指的是前者。4.2 智能车辆导航技术的研究现状及关键技术 智能车辆导航技术的研究在早期主要侧重于对各种单一导航方式的研究，如视觉、引导磁钉或电缆、GPS等。但每种导航方式都有自身固有的局限性和工作盲区，因此，自20 世纪90 年代末期以来智能车辆的多传感器组合导航技术成为国内外的研究热点。根据导航方式与原理的不同，目前，智能车辆所应用的导航技术主要可包括：4.2.1机器视觉 在智能车辆的研究中，机器视觉具有检测范围广、信息容量大（结构化或者非结构化道路环境均能提供丰富的信息）、类似于人类驾驶决策且成

39、本低廉等诸多优势，因此，受到了高度的重视，成为当前研究最多的导航技术。目前，国内研制的智能车辆、以及国外的许多智能车辆都主要是依靠视觉来识别道路和障碍物，进而经过局部路径规划实现对车辆方向的控制。为实现车辆的自主驾驶，视觉技术应具备实时性与鲁棒性等特点。为保证视觉系统的实时性和鲁棒性，可以采用高性能的硬件设备，但研究高效的识别算法也是至关重要的。 应当指出，天气状况和光线的变化对机器视觉影响很大，在光照条件不好或无光照的情况下单纯依靠视觉无法保证能够进行可靠的检测与导航。这也是机器视觉的不足之处。4.2.2引导磁钉或引导电缆 这种导航技术通过在车道下埋设磁钉或电缆来为智能车辆提供导航信息。其优

40、点是具有较好的环境适应能力，它在雨天、冰雪覆盖、光照不足、无光照的情况下都可以提供可靠的导航信息。其不足之处在于探测范围小，且需要对现行的道路设施做较大的改造。 美国Chrysler公司和日本丰田公司的室外驾驶机器人均采用了电缆引导的方式，著名的美国PATH项目以及美国明尼苏达州的高速公路自动扫雪车采用了磁性导航方式。4.2.3 惯性导航系统 捷联惯性导航系统（Strapdown InertialNavigation System，SINS）是一种完全自主式的导航系统.1INS原理INS一般结构分为环架式及捷联式两种。这里我们重点介绍捷联式.捷联式系统，传感器是固定在载机上，对运动物体的加速度

41、及速率测量上采用坐标转换以便能在惯性系统中完成导航运算。此种方式可运用于高机动的情况下，尤其是在新型的高品质陀螺仪与加速度计出现后，捷联式惯性系统将因成本及可靠性的改善，而变成主要的装置。有关捷联式结构定义如下：捷联式与传统环架式最大不同点，主要在于惯性导航设备如陀螺仪及加速度计等是直接安装于载体上，而不是安装于参考平台上。更进一步来看，载机上导航计算机能在对陀螺仪的信号持续追踪相对于预定参考惯性轴的载机姿态。结果，由于计算机能提供必要的坐标转换，使加速度计输出于计算机计算参考轴一致，换言之，转换在计算机内以分析性的方式完成，所以在传统系统中，惯性参考平台将可以以下列二种功能来取代，即：1）在

42、陀螺仪输出基准上建立姿态惯性轴；2）把加速度计输出经坐标转换成惯性坐标变量。3）由于捷联式结构可以直接提供载机相关信号，所以在传统系统中常用的一些装置等均可省略。在INS系统内，对于系统精确度及特性的评估，一般而言均存在有大量的误差源，例如：陀螺仪及加速度计相关的误差，基本上包含静态g灵敏度偏差及漂移量，尺寸因素误差，错排误差机随机误差等。额外的误差则来自于导航解算的校正、起始及排列转换，不准度计算等。在没有补偿情况下，所有INS误差会随时间而改变，而一些误差（如位置等）则会随时间增加而发散，其它则会受到限制而产生震荡。因此INS的精确度与传感器品质、导航系统机构及载机动态等等有很大的关系。I

43、NS基本上允许独立自主操作。在误差特性上，由于大多数需要高精确度，所以可以使用外加辅助装置来降低INS误差。一台具有辅助装置的INS会使用来自于一些辅助装置（如追踪雷达、GPS、TECOM等）的数据，再配合导航卡尔曼滤波器，以改进导航数据的精确度。捷联惯性导航系统具有隐蔽性好、抗干扰、不受任何气象条件限制的优点，此外还具有数据更新率快、短期精度高和稳定性好等特点。长期以来，惯性导航系统的研究和应用一直以军事应用为主要目的。这主要是由于惯性导航系统的成本较高，难以在民用领域得到应用。 近年来，低成本惯性测量器件（Intert iaMeasurement Unit，IMU）的研究取得了快速的发展，

44、为民用领域采用捷联惯性导航系统创造了条件。但是，短期内民用导航领域的惯性测量器件不可能具有较高的精度，使得SINS在较短时间内就会累积较大的导航误差。显然，这无法满足智能车辆长时间、高精度的导航要求。因此，在现有条件下，一般不单独采用SINS，而是将它与其它导航设备组合构成组合导航系统。这样不仅可以修正SINS的累积误差，而且还保留了SINS自身的优势。2 GPS/INS结合原理GPS/INS在单独应用时，均能提供有效的精确度，这点是我们毋庸置疑的。但因其设计逻辑的不同，产生在使用上各有不同的限制，GPS的缺点是INS所没有的，INS不足的地方，GPS则可以弥补，从整体看，只有GPS和INS结

45、合在一起，才能获得十全十美的导航系统。在单独应用的情况下，INS可以在短时间载体高机动情况下提供连续的精确辅助数据，而GPS则是在长时间情况下提供离散且精确的辅助数据，换句话说就是在短时间与即时的情况下，INS拥有比GPS更小的误差，但长时间使用时，就必须通过GPS离散的测量数值来提供修正，并藉着对系统漂移量的掌握，可达到状态参数快速估算与收敛的目的。4.2.4全球定位系统/数字地图 全球定位系统(Global Positioning System，GPS)能够为全球用户实时而全天候地提供三维位置、三维速度和时间信息，并且没有累积误差。而载波相位差分GPS技术(Carrier phase di

46、fferentialGPS，CP-DGPS)已可以达到厘米级的动态测量精度。目前，车载数字地图（Digital Map，DM）技术得到了较大的发展与应用。车载数字地图基本上用于辅助驾驶，主要是为了给驾驶员提供位置信息、路径规划与诱导信息等。在车辆的自主驾驶研究中，同样可以利用DM进行导航与路径引导。但由于应用背景的特殊性，在精度、内容和功能上对数字地图提出了特殊的要求，需要进行专门的制作。1. GPS定位基本原理GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号

47、到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。图1 GPS定位原理算法2GPS功用 由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。当通过硬件和软件做成GPS定位终端用于车辆定位的时候，称为车载GPS，但光有定位还不行，还要把这个定位信息传到报警中心或者车载GPS持有人那里，我们称为第三方。所以GPS定位系统中还包含了GSM网络通讯（手机通讯），通过GSM网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方。通过微机解读短信电文，在电子地图上显示车辆位置。这样就实现了车载GPS定位。4.2.5多传感器组合导航技术 智能车辆在实际运行中，外部环境总是复杂多变的。在这种情况下，为保证自主驾驶过程的高度可靠，仅靠上述任何一种传感器来获取可靠的导航信息是不切实际的。因此，近年来，智能车辆的多传感器组合导航技术研究受到了国内外学者的普遍关注。 Manabu 1999年采用直接Kalman滤波方法将CP-DGS（CarrierPhase-Differential GPS）与车辆速度、横摆角速率等信息进行融合，利用融合结果与数字地图相匹配所得的导航信息实现了对智能车辆的控制。Keith A 2001 年提出了一种基于扩展Kalman滤波的智能车辆DGPS/INS/数字地图