智能交通系统

智能交通系统主讲周大森GPS导航和§1ITS的发展及基础技术发起于20世纪90年代，并迅速发展，用于研究开发投入很大。•美国1990年—1997年12．9亿美元•欧洲1984年—1998年280亿欧元•日本1996年—1997年161亿日元一、ITS目的效益利用信息技术，综合人、车、路，系统地管理交通。美国ITS效益分析（鼓励公私合作）•交通阻塞降低25-40%•每年减少交通死亡万人以上，减少交通事故600亿次。•减少能源消耗和大气污染。•相关产品的市场效益200亿美元/年。欧洲目标：2000年交通死亡事故减少50%，降低交通对环境的污染。日本政府国策30年目标：•严重交通事故↓50%•降低油耗和CO2排量15%•减少NO2排放在空气中含量30%•消除交通阻塞投资/收益分析阶段投资（兆元）收益（兆元）收益/投资1995-20001.01.21.22001-20053.24.41.372006-20153.69.62.67中国制定发展战略单项研究：交通信号控制（无序状态），高速公路监控，GPS调度。20世纪末开始研究ITS发展战略。中国ITS系统服务功能名称功能交通监控与管理交通监视、交通控制、城市出入口控制信息服务路线引导、出行信息、驾驶员信息、旅行信息安全保障事故报警及响应、应急支援、安全警报、防撞、自动驾驶电子收费人工、半自动、不停车运输管理快速客货运服务、电子数据交换、运营调度、自动调度、公交服务二、ITS的主要内容•信息服务系统•交通管理系统•公交管理系统•电子收费系统•车辆控制系统•紧急支援系统三、ITS的基础技术1.计算机网络—相互连接起来的，独立自治的计算机群。将地域上分散且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路按不同的拓扑结构连接起来，能以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式和网络操作系统）实现网络资源共享的系统称为计算机网络系统。广域网—共享资源为主要目的，通过网络操作系统实现。局域网—有限地理范围内信息传输通道，部门间共同拥有。互连网—不同网络之间的互连（一致的方式，相互之间交换数字数据）。2.通讯技术•固定通讯：微波：（0.3～300GHZ）光纤：光波为载频光导纤维为介质卫星：做为中继站转发无线电信号•移动通讯：移动中进行数据交换由移动台、基地站、交换中心、中继线等部分组成。•公用数据通讯（通讯网络）基础网络、信息网络、增值网络平台（电子信箱等）。公共移动通信网：数字无线系统（蜂窝拓扑）3.传感器技术感知某一物理量的信息，并将它转化为有用信息的装置（非电量→电信号）传感元件被测非电量敏感元件辅助电路转换电路电量车辆检测：磁频波频视频车辆识别：光磁车辆控制：发动机管理车辆控制环境信息危险警告用于：4.显示技术和人工智能•大屏幕显示：LED—发光二极管、点阵模块LCD—液晶显示器件•人工智能：用计算机模拟，延伸和扩展的智能。其中：智能控制—模式控制、知识控制、专家控制、神经网络控制。地面控制站和网站控制用户接收机选择信号算出导航解显示输出定位•识别：长、宽、高、重的车辆属性；车载标志及身份属性。IC卡：一卡多用，安全性、机读性、存储量大（静态数据、动态数据）•定位：全球定位系统（GPS）5.车辆识别和自动定位导航卫星发射波段1575.42MHZ1227.60MHZ三部分组成6.地理信息系统由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。在ITS上应用—采集、显示、查询、分析地理位置信息。§2ITS的主要内容一、信息服务系统1.车辆信息通信系统（VICS）是一种典型的实时交通信息提供系统。VTCS使用-FM多频广播系统，微波和红外线信号的路侧发射器（信标）向驾驶员提供旅行时间、交通拥挤、交通事故、施工路段、交通控制等实时信息。VICS系统概念如下图VICS中心交通信息中心道路管理FM多频道广播驾驶员（车载机）信标GPS信息收集信息处理、编辑信息发布信息利用系统功能2.车载导航•GPS导航26dB有源天线通道GPS接收板•自律导航：微机（MPU）陀螺传感器•地图匹配器：薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器•CD-ROM驱动器：8倍速，650MB（DVD-ROM）•CPU：嵌入式，数字信号处理技术（DPS）GPS天线GPS接收VICS导航接收CD-ROM驱动器电子地图数据库MPU微机地图匹配器导航软件TFILCD显示陀螺传感器语音电路车速传感器遥控二、交通管理系统TMS1.功能：交通监视、交通控制、事故管理需求管理、排放管理、交叉口管理2.结构特点：应用计算机通信和传感器技术，将车辆、道路和交通管理系统联接为一体，对交通进行实时监测，智能控制和主动管理。通过网络连接如下部分：信息收集装置控制信号机交通管理中心信息提供装置通过网络是通过光缆、电缆、微波等传输媒介在上述各部和交管中心之间传输数据、语音和图像。交通管理中心信息收集信息分析光信标红外探测器摄像探测器交通流量探测人行道信号机控制其它中心交通信号机VICS车载装置各种信息板车辆诱导系统路测通信装置信息提供ATMS结构图三、公交运营系统1.功能构成车辆定位及车载设备；通讯网络及通讯方式；网络及数据库；运营调度管理；乘客信息服务。1996年亚特兰大奥运会•差分GPS导航接收机和车载元件•自动乘员计数•车载广播及显示设备•实时公交信息服务•允许使用IC卡付费北京公交智能化调度系统（七个子系统）•计算机网络；•通信；•GPS；•调度平台；•大屏幕显示；•电子站牌；•会议电视2.车载设备：可实现定位，车载外围设备的控制包括控制模块，通信模块，计划模块和数据管理系统，控制模块是核心，要与处于监控下的每辆车保持联系，不仅记录车辆实际地理位置，还要与计划的位置进行比较，得出车辆是否准时，并通过公交站转给转乘的乘客。3.电子站牌向乘客显示正向本站行驶的运营车状态位置，来源于公交运营中心，电子站牌由无线信号接收器，显示控制器，光带式车辆位置显示器和LED时间显示单元，电源及防护外壳以及有源式ID码发射器等部分组成。电子站牌能定时接收GPS时间信息，对内部时钟进行校正，通过LED显示时间信息，及离本站最近车辆位置，到站时间等。四、电子收费系统（ETC）每小时放行能力是人工收费的6倍。在网络环境下，彩电子标签作为通行卡，收费过程由计算机及其外围设备与通告卡，自动交换信息，实现车辆自动认别，金额自动收取，自动结帐。1.系统构成及原理：构成车载处理单元；车道处理单元，收费站计算机管理单元，中央计算机管理系统。2.收费中心计算机系统结构数据库外围设备摄像机读写器警察局车辆户口数据库系统主机银行联网账单寄出五、车辆控制系统VCS•借助车载设备和路侧设备检测行驶环境变化帮助驾驶员控制车辆，即是智能汽车的研究与应用。1.主要功能：道路障碍自动识别，自动报警，自动转向，自动制动，自动保持安全距离和车速以及巡航控制功能。2.效益：增强公路通行能力，减少道路阻塞，缩短行车时间，降低事故率，提高行车安全，降低行车成本，提高行车效率，降低废气排放量减轻环境污染。3.控制系统结构天线摄像磁性传感器车间距扫描同轴电缆磁性标记电子数字地图车辆行驶状传感器轮速、振动、油门加速度、制动力信息处理、交通、环境、车距、道路行驶控制方向辅助传动装置油门、刹车转向信息显示驾驶转换行驶控制速度航向4.日本的先进安全汽车ASV（以安全技术为中心，谋求汽车智能化的国家项目）•事故预警技术：危险状态报警，提高可视性，环境信息，减轻驾员负担。•事故规避技术：提高运动控制性能，危险状态规避，环境引发事故规避。•自动驾驶技术：自律型自动驾驶技术，新设施下自动驾驶系统。•冲击安全技术：冲击吸收、司乘人员保护，减轻步行者被害。•防止灾害技术：紧急门锁解除，减小二次冲击，火灾扑灭，自动通报。•汽车底盘技术：数字速度变化记录，车辆识别卡，GPS定位，高龄疲劳对应。§3.GPS导航及车载设备一、GPS定位１．GPS的发展古代导航是星历导航，即通过观察天空星座位置变化来确定自己位置。中国指南针的发明也一直为人们所用。１９世纪人造卫星的发射成功，为卫星电子导航打下基础。６０年代美国的“子午卫星系统”用于海军导航。７０年代有了全球卫星导航，由１８个卫星组成。８０年代建成了GPS由２４个卫星组成，全球任何地点可同时观测到４个卫星，可实现实时定位。美国从７３年到９３年用了近二十年，耗资３００亿美元完成。２．GPS首要目的是军用，民用为副产品，设计两种服务：P码：军用，基频10.23Mz。C/A码：民间用户，1.023Mz。3.GPS的组成•空间卫星部分：互成60°的６个椭圆轨道上，各布４个卫星。•地面控制部分：向卫星提供要广播的星历。•用户接收机部分：供用户使用。4.GPS定位的基本原理⑴GPS为高轨测距体制：以观测站至GPS卫星间距离做为基本观测量，可采用两种观测方法。•测卫星发射的信号到达接收机的时间（数据处理简单）。•测接收到载波信号与接收机产生的参考信号之间相位差。⑵在导航和动态定位时定位方式：•单点定位—独立确定待定点在地心坐标中的绝对位置，只需一台接收机，但定位精度低。•差分定位—地面已知点上设一接收机作为基准点，与所有待测点的接收机进行同步观测，基准点求出的定位坐标改正数（用定位差分法或伪距差分法求得）实时传给相关用户（待测接收机），从而提高定位结果的精度（可达10m水平定位误差）。卫星GPS差分基准站卫星卫星卫星差分定位差分改正数５．GPS差分站的组成①硬件部分由差分无线，基准GPS接收机，基准站ＰＣ机（ＲＳ２３２／４８５）电平转换模块、直流电源和ＵＰＳ组成。其系统连接如下图所示。差分GPS天线基准GPS接收处直流电源基准站PC机UPS电平转换用户用户差分站GPS天线是抗干扰的高增益天线，安装于无遮挡的高处，基准GPS接收机是差分站的核心组成，其功能是将天线接收信号放大处理并进行转换生成差分改正数，直流电源和UPS可提供标准电源，电平转换模块可延长信号传输距离。②软件功能GPS差分基准站软件功能表现在能实时读取GPS接收机数据，提供并显示差分站的运行状态；读取标准格式的差分数据，并解算接收机监测卫星的数目和差分信息长率；时实判断GPS接收机工作状态，异常时提供报警。６．GPS/DR组合定位车载设备中的定位装置，多采用GPS和DR组合的方法。（GPS正常定位输出并做为DR初始点)航位推算（DR）是根据汽车角速度传感器（舵螺仪）和显程仪的信号，推算车辆由起始位置（X0,Y0）和初始方位角下一时刻的位置。下图示出了DR推算原理。３．车速传感器：电磁式交流信号频率，可转换成车速前进速度。VVV气体陀螺仪X1=x0+S0sinθ0Y1=Y0+S0cosθ0θ1=θ0+△θ0X2=X1+S1sinθ1Y2=Y1+S1cosθ1θ2=θ1+△θ1依次推算得：Xk=X0+ΣSisinθ2Yk=Y0+ΣSicosθ2θk=θk-1+θk-1DR推算原理k=1、２、３６．应用举例（本田汽车导航系统）系统构成（自主导航系统）CD-ROM人机接口显示操作位置判断惯性导航CD-ROM驱动器车速传感器陀螺仪７．GPS/DR/地图匹配组合定位系统其结构如图所示：数据处理过程为每个采样时刻是由滤波器处理传感器和GPS测量值后组成优化值，后输出车辆位置估计值并与定位滤差和行车方向一并输入地图匹配模块，算出地图上的匹配位置坐标，滤波器的结构原理如下：里程仪陀螺仪GPS接收机导航地图数据库滤波器地图匹配模块位置估计组合DR信息GPS信息车辆位置估算行车方向估算误差估算定位输出二、车载设备１．车载设备由定位模块（GPS接收机和DR传感器）、通信控制器、收发信机（集群电台）、驾驶员接口和电源模块组成，其原理图如下：驾驶员接口数码显示语音提示短信息输入定位模块角速度传感器GPS接收机里程仪接口通讯控制器单片机系统无线MODEM时序逻辑电路集群电台电源模块里程仪信号输入GPS接收机接收GPS所发导航电文，经处理后形成一定格式的综合数据流（位置、时间、速度）经串口送至通信控制器。通信控制器将综合数据流和本车身份及其它数据经通讯协议重构后由收发信机发射到控制中心，