第二章智能交通系统的基本原理

第二章智能交通系统的基本原理第一节数据获取原理基于道路的数据源（感应线圈、远程微波雷达监测、基于图像处理的视频监测）基于车辆的数据源（自动车辆识别AVI、浮动车）车辆定位信息（车辆定位技术AVL：4种技术）第二节数据传输原理第三节信息利用和信息控制原理第二节智能交通系统中的信息传输原理•现代数字通信技术概述现代数字通信系统是指以数字技术为核心构成的各种现代通信系统，包括：数字光纤通信系统、数字卫星通信系统、数字移动通信系统、数字微波通信系统等。数字技术的优点：1）便于存储、（计算机）处理2）便于交换和传输3）便于组成多路通信4）便于组成数字网5）便于设备小型化、微型化6）抗干扰性强光纤通信技术概述所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。光通信采用的载波位于电磁波谱的近红外区，频率非常高（1014~1015Hz），因而通信容量极大。现在，光纤通信的新技术仍在不断涌现，诸如频分复用系统、光放大器、相干光通信、光孤子通信的发展，预示着光纤通信技术的强大生命力和广阔的应用前景。光纤通信技术•光纤通信系统的基本构成数字光纤通信系统方框图如下图所示。由光发射机、光纤和光接收机组成。光纤通信技术•光纤通信的特点优点：（1）通信容量大（2）传输损耗低、通信距离长（3）不受电磁干扰，通信质量高，适应能力强（4）体积小、重量轻、便于施工和维护（5）主要原材料SiO2来源丰富，潜在价格低廉缺点：①需要光/电和电/光变换部分；②光直接放大难；③电力传输困难；④弯曲半径不宜太小；⑤需要高级的切断接续技术；⑥分路耦合不方便。光纤通信技术•光纤通信的应用–长途干线网和局间中继网得到普遍的应用，如光纤在公用电信网间作为传输线。–局域网中的应用。–有线电视干线网越来越多地采用光纤传输系统。–作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。–应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。卫星通信技术卫星通信是指地球上的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继转发站而实现多个地球站之间的通信，相应的通信系统称为卫星通信系统。设在空间用于中继转发的人造卫星称为通信卫星。卫星通信技术空间分系统主要指通信卫星，普通的通信业务室在通信卫星和通信地球站之间完成的，由发端地球站、上行传输路径、通信卫星转发器、下行传输路径和收端地球站组成。•卫星通信系统的构成卫星通信技术•卫星通信的优点»①通信距离远，且费用与通信距离、地面上的自然条件恶劣程度无关»②覆盖面积大，可进行多址通信（共用一颗卫星实现»③»④信号传输质量高，通信线路稳定可靠»⑤建立通信电路灵活、机动性好，不仅能用于大型固定地球站之间的远距离子线通信，而且可以在车载、船载、机载等移动地球站间进行通信，甚至还可以为个人终端提供通信服务。卫星通信不仅应用于传输电话、电报、传真、数据等，而且特别适用于民用广播电视节目的传送。卫星通信技术1.要有高可靠、长寿命的通信卫星。2.静止卫星的发射与控制技术比较复杂。3.静止卫星通信具有较大的信号传输延迟和回声干扰。4.存在星蚀和日凌中断现象。•存在的问题和缺点移动通信概念移动通信是指通信的双方，至少有一方在移动中进行信息的交换。这里的信息应包括：数据、语音、文字、图像、视频或多媒体信息。这里的双方应包括人与交通工具之间、人与机器之间或人与人之间移动通信图活动的人固定点数字移动通信技术每一个基站都有一个由发信功率与天线高度所确定的地理覆盖范围，由多个覆盖范围区组成全系统的服务区市话局移动交换中心(MSC)基站BSBS(BS)MSMS无线小区移动台移动网（PLMN）“有线”市话网（PSTN）中继线数字移动通信技术•移动通信系统的组成数字移动通信技术•公众移动通信自20世纪70年代以来，公众移动通信在这个阶段上又可分为第一代移动通信系统（以模拟技术为主，如TACS、AMPS等），第二代移动通信系统（以窄带数字技术为主，如GSM、IS54-DAMPS和IS95-CDMA）和正日趋统一成熟的第三代移动通信系统IMT-2000。阶段代表技术技术特点功能实现1代AMPS模拟技术频分复用模拟话音2代GSM数字蜂窝时分复用数据率：9。6Kb/sHSCSD可实现57Kb/s2．5代GPRS通用分组数字蜂窝数据率：115Kb/s数据在线连接3代W-CDMA（欧，日）CDMA2000（美）TD—SCDMA（中）码分多址宽带业务数据率：2M/s、384Kb/s、114Kb/s数据在线连接宽带数据业务高带宽是3G移动通信系统最直观的标志。3G标准规定移动网络必须能够支持同的数据传输速度，在室内、室外和行车的环境中都能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度，使得移动多媒体业务真正成为可能。专用短程通信技术–专用短程通信(DedicatedShortRangeCommunication,简称DSRC)是一种高效无线通信技术，它可以实现小范围内图像、语音和数据实时，准确和可靠双向传输，将车辆和道路有机连接．–DSRC是基于长距离RFID射频识别微波无线传输技术。1998年，我国交通部ITS中心向交通部无线电管理委员会提出将5．8GHz频段(5.795～5.815GHz：下行链路500Kbps,上行链路250Kbps)分配给DSRC技术领域。专用短程通信技术–车载环境无线接入(WAVE)是下一代专用短距通信(DSRC)技术，能够提供高速的车到车(V2V)和车到基础设施/中心台(V2I)数据传输，主要可以用于智能交通系统(ITS)，车辆安全服务以及车上因特网接入。–WAVE系统工作于5.850～5.925GHz，采用OFDM传输技术，能够达到6～27Mbit/s的信息传输速率。在WAVE系统中，一个路侧单元(RSU)可以覆盖方圆1000英尺。WAVE系统基于IEEE802.11p协议，此协议目前仍在积极开发之中。专用短程通信技术•DSRC结构体系DSRC有车载单元(OBU,OnBoardUnit)、路旁单元(RSU,RoadsideUnit)、专用短程通信协议及后台计算机组成。（1）车载单元目前国际上使用OBU种类很多，主要差异集中通信方式和通信频段不同。主要应用电子自动收费系统，OBU从最初单片式电子标签，发展到了目前双片式IC卡加CPU单元，IC卡存储帐号、余额、交易记录和出入口编号等信息，CPU单元存储车主、车型等有关车辆物理参数并为OBU和RSU之间高速数据交换提供保障。（2）路侧单元RSU指安装车道旁边或车道上方的通信及计算机设备，其功能是与OBU完成实时高速通信，实施车辆自动识别、特定目标检测及图像抓拍等，它通常由设备控制器、天线、抓拍系统、计算机系统及其他辅助设备等组成。（3）专用通信链路下行链路：从RSU到OBU，采用ASK调制，NRZI编码方式．数据通信速率50OKbit/s。上行链路：从OBU到RSU，RSU天线不断向OBU发射5.8GHz连续波，其中一部分作为OBU载波，将数据进行BPSK调制后又反射回RSU。上行数据本身也是BPSK调制，载频为2～10MHz．专用短程通信技术•DSRC系统通信方式主动式：这种系统中路旁单元RSU和车载单元OBU均有振荡器，都可以发射电磁波。当RSU向OBU发射询问信号后，OBU利用自身电池能量发射数据给RSU，主动式DSRC技术中OBU必须配置电池。被动式：RSU发射电磁信号，OBU被激活后进入通信状态，并以一种切换频率反向发送给RSU，被动式DSRC技术中OBU电源配置可有可无。通信技术在智能交通系统中的应用•调频广播通信在ITS中的应用–许多国家的城市都在自己的市区范围内建立起了以交通行业为主要服务目标的交通广播台，向出行者和驾驶员提供实时的交通信息，在节省投资的前提下取得良好的效果。通信技术在智能交通系统中的应用•无线寻呼在ITS中的应用–个性化交通信息的提供。用户可以通过多种途径（电话或网络）向寻呼中心提交自己的请求，预订自己所需的信息，寻呼中心通过交通信息网站获得信息，就可以在特定的时刻向用户提供他们所需要的交通信息。–货物运输信息管理。公司总部可以通过广域寻呼网向位于全国各地的公司所辖运输车辆提供货物信息，合理组织公司货运资源，与移动通信相比这是一种比较经济的信息提供手段。–增值服务。通过软件的设计，寻呼系统还可能用于实现加油付费、自动售货支付等业务的功能。通信技术在智能交通系统中的应用•移动通信在ITS中的应用–用作信息查询及发布的工具。可以方便地实现与WEB网络的互联，因此可以向使用者提供丰富的交通信息查询、发布服务。–用作数据传输的途径。可以用作道路数据采集后向交通中心的传输途径，甚至可以用作各个管理中心之间的实时数据传输。–用作调度指挥的手段。由于GPRS既可以作为语音传输的通道也可以作为数据传输的通道，因此，可以方便地实现移动体（车辆驾驶员）与控制中心的话务、数据连接，可以完成调度控制中心对自己所辖车辆的调度指挥功能，兼以实现车辆导航功能。通信技术在智能交通系统中的应用•DSRC在ITS中的应用车-路通信主要面向非安全性应用，以ETC系统为代表。它是一种应用于公路，大桥和隧道的电子自动收费系统。车辆经过特定的ETC车道，通过车载OBU与路侧RSU的通信，不需停车和收费人员采取任何操作的情况下，能自动完成收费过程。ETC系统能大大提高高速公路的通行能力，提高服务水平，简化收费过程，节约成本。如右图，除了已经比较成熟的ETC系统外，还可以用在电子地图的下载和交通调度等。路边的RSU接入后备网络与当地的交通信息网或因特网相连，通过OBU与RSU的通信来获得电子地图和路况信息等，从而可以选择最优路线，能够缓解交通拥堵等。通信技术在智能交通系统中的应用•DSRC在ITS中的应用车-车通信方式主要用于车辆的主动安全方面。据世卫组织统计全球每年有120多万人死于交通事故，每年交通事故造成的经济损失高达5180亿美元。将DSRC技术应用于交通安全领域，能够提高交通的安全系数，作用是减少交通事故，降低直接和非直接的经济损失，以及减少地面交通网络的拥塞。当前面车辆检测到障碍物或车祸等情况时，它将向后发送碰撞警告信息，提醒后面的车辆潜在的危险。另一情形为，在路边紧急停车的车辆向靠近自己的车发送警告消息，提醒它们不要进入危险区域。车-车通信的应用还包括转弯速度控制、车队管理和安全超车等。Telematics–Telematics一词是由Telecommunication与Informatics所组成，“Telematics”是以无线语音、数字通信和基于卫星的GPS系统为基础，通过汽车交换信息的技术，通过定位系统和无线通信网，向驾驶员和乘客提供交通信息、应付紧急情况的对策、远距离车辆诊断和互联网(金融交易、新闻、电子邮件等)服务。核心是结合通讯与信息技术，以汽车为主体与外界环境资源，如资讯、多媒体内容之间单向或双向互动传输。车辆远程信息服务系统、车辆资(讯)通信系统•概念Telematics•主要功能包括：–卫星定位：基于GPS与路线咨讯，做出路况知道与路线指引。–道路救援：当发生车祸或车辆故障时，通过SOS按键自动联络求援。–汽车防窃：通过卫星定位提供失窃车辆的搜索与追踪。–自动防撞系统：通过雷达感应车与车之间安伞行驶距离。–车况掌握：实现车辆性能的自动检测与维修诊断。–个性化资讯接收：收发电子邮件与个人定制咨询。–多媒体娱乐资讯接收：高音质与高清晰度的视听设备、游戏机、个人行动咨询中心、随选视讯等。Telematics的主要应用仍然集中在行车安全与车辆保全方面。Telematics•Telematics的雏形：车辆监管系统在车辆监管系统中，在被监控的车辆上装上自动车辆定位设备(AVL)，AVL设备接受GPS卫星信号，并根据GPS的定位原理完成对车辆的自动定位；AVL上的通信单元完成调度信息的接受和车辆状态信息的发送；同时AVL设备与车辆的各种设备互联，对车辆进行营运和安防监控。定位跟踪信息和通讯信息通过GSM／GPRS公网的短消息信道和语音倩道传输，在调度中心的监视终端