0 引言

    當(dāng)今城市大規(guī)模擴(kuò)建的同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及管理方式改革卻相對(duì)滯后,，因此導(dǎo)致的“城市病”日益嚴(yán)重,，交通擁堵和交通事故是最有代表性的一個(gè)“癥狀”。據(jù)《中國經(jīng)濟(jì)生活大調(diào)查》2014年的研究數(shù)據(jù),，北京每年因交通擁堵帶來的時(shí)間,、燃料、環(huán)境等方面的損失高達(dá)700億^[1],。雖然為了緩解交通擁堵實(shí)施了尾號(hào)限行,、搖號(hào)購車等政策并取得了一定成效，可無法從根本上解決問題,，長此以往,，居民的出行滿意度將越來越低，而交通擁堵情況仍日益嚴(yán)重,，不利于城市的健康發(fā)展。因此,，智慧交通的研究勢在必行,。

    智慧交通是一個(gè)交叉性的綜合學(xué)科，要想真正實(shí)現(xiàn)城市交通的車路協(xié)同,、全面物聯(lián)和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,，還需要多方的協(xié)同研究。為了使智慧交通領(lǐng)域的研究人員更加統(tǒng)一地了解其研究情況,，本文簡述了智慧交通的概念及框架,，對(duì)智慧交通的關(guān)鍵技術(shù)和幾種具體應(yīng)用作了詳細(xì)介紹，并對(duì)智慧交通的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢作了說明,。

1 智慧交通概述

    智慧交通的理念可以追溯到上世紀(jì)八十年代的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,，ITS)，ITS是一個(gè)綜合運(yùn)用了信息處理和計(jì)算機(jī)等技術(shù)來提高交通運(yùn)輸服務(wù)成效的實(shí)時(shí)綜合管理系統(tǒng),，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用,，減少了高達(dá)30%的燃油消耗和26%的廢氣排放量^[2]。智慧交通可理解為智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的升級(jí)版,，即融合了物聯(lián)網(wǎng),、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、無線傳感等先進(jìn)技術(shù),，使人、車,、路更加協(xié)調(diào),，使公共交通服務(wù)更加人性化的智慧出行服務(wù)系統(tǒng)。智慧交通的構(gòu)建對(duì)我國的長久可持續(xù)發(fā)展意義重大,，智慧交通的應(yīng)用預(yù)計(jì)能使高峰時(shí)期擁堵路段的通行能力,、交通運(yùn)輸能力翻幾番，交通事故率也可降低80個(gè)百分點(diǎn)^[3],。一個(gè)智慧的,、通暢的、安全的交通網(wǎng)絡(luò)將徹底改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞胶徒煌w驗(yàn),，并且有助于低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，是提高國民生活水平和國家綜合實(shí)力的強(qiáng)大助力。

    智慧交通涵蓋了公路,、鐵路,、民航、水運(yùn)等領(lǐng)域,，各領(lǐng)域內(nèi)部的管理體系相對(duì)成熟,，智慧交通要解決的是如何整合多個(gè)平臺(tái)內(nèi)部的信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘后分析出交通的一些潛在數(shù)據(jù),，從而為道路使用者提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)^[4],。智慧交通網(wǎng)絡(luò)中，行人,、車輛及周圍的紅綠燈,、指示牌、攝像頭等基礎(chǔ)設(shè)施都能作為感應(yīng)終端聯(lián)結(jié)成城市路網(wǎng)信息系統(tǒng),，終端之間通過無線射頻識(shí)別（Radio Frequence Identification,，RFID）、GPS,、紅外感應(yīng)等技術(shù)進(jìn)行智能識(shí)別,，按一定協(xié)議相聯(lián)結(jié)并進(jìn)行持續(xù)的信息交換，如圖1所示,。

    從ITS到智慧交通,，無論是從理論還是應(yīng)用來講都是質(zhì)的飛躍，智慧交通的框架也日漸清晰,。如圖2所示,，文獻(xiàn)[5]中提到的含輔助網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)框架就是智慧交通的一種典型結(jié)構(gòu),，車輛能根據(jù)環(huán)境反饋回來的信息動(dòng)態(tài)調(diào)整行駛速度，若感知到突發(fā)事件則做出合理決策輔助駕駛,。

    這個(gè)課題中,，GODOY J等人在AUTOPIA項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，除了原有的車輛主網(wǎng),，還引入了由周邊基礎(chǔ)設(shè)施單獨(dú)聯(lián)結(jié)而成的輔助通信網(wǎng),。在這個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)中，無線通信網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)車輛和核心單元之間信息的持續(xù)交互,，核心單元在收到輔助網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)后,，結(jié)合實(shí)時(shí)交通流量對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析、協(xié)調(diào)與規(guī)劃,，然后向車輛及基礎(chǔ)設(shè)施等傳遞信息和指令,，如提示車輛的建議速度、進(jìn)入事故區(qū)域警報(bào),、控制交通信號(hào)燈變化,、公告欄發(fā)布實(shí)時(shí)路況信息等。

2 智慧交通的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 交通要素的標(biāo)識(shí)和感知

    智能識(shí)別和無線傳感技術(shù)是用于標(biāo)識(shí)和感知物體的最主要的技術(shù)手段,，是整個(gè)智慧交通建設(shè)的基礎(chǔ),。智能識(shí)別是指每個(gè)物品都擁有唯一的條碼、二維碼,、或RFID標(biāo)簽,，這些電子標(biāo)簽中封存著它們獨(dú)有的特征及位置信息，然后這些信息被智能設(shè)備讀取并傳輸至上層系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別處理和最終決策^[6],。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,，WSNs）是指由部署在目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量低成本微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間通過無線方式交換信息,，有著靈活、低成本和便于部署的優(yōu)勢^[7],。智慧交通網(wǎng)絡(luò)中,，傳感器分為采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖3,，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小型嵌入式信息處理系統(tǒng),，負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集處理，然后發(fā)送至其他節(jié)點(diǎn)或者傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn),；匯聚節(jié)點(diǎn)接收到各采集節(jié)點(diǎn)傳來的信息后進(jìn)行融合處理后再傳送至上一級(jí)處理中心^[8],。作為物聯(lián)網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)為智慧交通提供了一個(gè)更加安全,、可靠,、靈敏的解決方案,。但傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗和壽命問題不容忽視，否則日后的設(shè)備維護(hù)工作將耗費(fèi)大量的人力財(cái)力成本,。 

2.2 智能交通云

    智能交通領(lǐng)域各系統(tǒng)整體尚處于信息分立,、各自為戰(zhàn)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)難以相互傳遞,，嚴(yán)重浪費(fèi)數(shù)據(jù)資源,。智能交通云主要面向交通服務(wù)行業(yè)，是一種融合了云計(jì)算的智能交通管理技術(shù),，充分利用了云計(jì)算的海量存儲(chǔ),、信息安全、資源統(tǒng)一處理等優(yōu)勢,，為交通領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享和有效管理提供了新的思路^[9],。云計(jì)算，是指將大量高速計(jì)算機(jī)集中在Internet上構(gòu)成一個(gè)大型虛擬資源池,，為遠(yuǎn)程的上網(wǎng)終端用戶提供計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)的技術(shù),，用戶只需事先租用“云計(jì)算”服務(wù)商提供的服務(wù)，便能根據(jù)需要自由使用云端資源而不需要購買任何獨(dú)立軟硬件^[10],。類似于云服務(wù),，智能交通云服務(wù)也可分為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS）,、平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service,，PaaS）、軟件即服務(wù)（Software as a Service,，SaaS）三個(gè)層次,，如圖4，其中IaaS提供的是按需使用的虛擬服務(wù)器,，PaaS即Web服務(wù),，能直接為客戶提供可直接用于開發(fā)軟件應(yīng)用的API或開發(fā)平臺(tái)。作為智慧交通未來的發(fā)展方向之一,，智能交通云處理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),、預(yù)處理、計(jì)算和分析,，能有效緩解數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理的壓力,，具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

    智慧交通中數(shù)據(jù)的海量性、多樣性,、異構(gòu)性都決定了處理的復(fù)雜性,，簡單到交通設(shè)施及來往車輛數(shù)據(jù)的收集，復(fù)雜到交通事件的判定檢測,，都需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí),、準(zhǔn)確的處理,。智慧交通中常用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有數(shù)據(jù)融合（Data Fusion）、數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）,、數(shù)據(jù)活化（Data Vitalization）,、數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）等，除此以外,，還必須做到數(shù)據(jù)的選擇性上傳,，保證個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的安全。

    數(shù)據(jù)融合是一種涉及人工智能,、通信,、決策論、估計(jì)理論等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性數(shù)據(jù)處理技術(shù),，能從數(shù)據(jù)層,、特征層和決策層三個(gè)層次上對(duì)多源信息進(jìn)行探測、通信,、關(guān)聯(lián),、估計(jì)與分析^[11]。由于數(shù)據(jù)融合涉及到的傳感器種類過多,、信息獲取過于頻繁,，融合之前還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間預(yù)處理，時(shí)空對(duì)準(zhǔn)能避免數(shù)據(jù)管理的混亂,，同時(shí)提高數(shù)據(jù)的一致性和可靠性,，從而保證決策的正確性^[12]。智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用已有一段時(shí)間,，產(chǎn)生的交通信息數(shù)據(jù)量越來越大,，如果只是單純的存儲(chǔ)和分立處理，成本過高且無法發(fā)揮其應(yīng)有價(jià)值,。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的引入,，能從這些海量的獨(dú)立數(shù)據(jù)中發(fā)掘出真正有價(jià)值的信息，將這些有噪聲的,、模糊的,、無規(guī)律的數(shù)據(jù)處理成為有用的知識(shí)^[13]。文獻(xiàn)[14]調(diào)取了某路段兩個(gè)月內(nèi)的抓拍數(shù)據(jù),，通過數(shù)據(jù)挖掘軟件SPSS Modeler按照時(shí)間序列進(jìn)行自動(dòng)聚類分析后，得到了交通流量和月份,、假期,、天氣等要素之間的關(guān)系，有力地驗(yàn)證了數(shù)據(jù)挖掘的可靠性,。

    數(shù)據(jù)活化是一種新型數(shù)據(jù)組織與處理技術(shù),，簡而言之,，就是賦予數(shù)據(jù)生命。數(shù)據(jù)活化最基本的單位是“活化細(xì)胞”,，即兼具存儲(chǔ),、映射、計(jì)算等能力,，能隨物理世界中數(shù)據(jù)描述對(duì)象的變化而自主演化,、隨用戶行為對(duì)自身數(shù)據(jù)進(jìn)行適應(yīng)性重組的功能單元^[15]。數(shù)據(jù)活化的應(yīng)用將為交通領(lǐng)域帶來一場顛覆式的變革,。未來的智慧交通將逐漸向以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的方向發(fā)展,，即采用多種手段對(duì)POI數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù),、客流情況等智能交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，由數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來了解城市的交通情況，為居民提供導(dǎo)航,、定位,、公告、交通引流等服務(wù)^[16],。

2.4 智慧交通系統(tǒng)集成技術(shù)

    不同省市,、不同部門、不同場景的智慧交通系統(tǒng)尚為分散狀態(tài),，無法共享數(shù)據(jù),，形成了一個(gè)個(gè)“信息孤島”，造成前期投入成本很高,，卻無法發(fā)揮作用,。因此智慧交通系統(tǒng)集成技術(shù)的研究迫在眉睫。智慧交通領(lǐng)域的系統(tǒng)集成可分為數(shù)據(jù)集成和設(shè)備集成,。數(shù)據(jù)集成有兩種應(yīng)用方式,，一種是單個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的融合，如車輛監(jiān)測模塊中多個(gè)傳感器信息的融合處理,，另一種是多平臺(tái)多傳感器不同時(shí)期相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理,，通過融合后得到潛在數(shù)據(jù)對(duì)交通信息進(jìn)行預(yù)測^[17]。設(shè)備集成是因?yàn)楫?dāng)前舊系統(tǒng)需要平滑過渡到智慧交通階段,，還不能立刻被取代,。因此可以制定統(tǒng)一的智慧交通標(biāo)準(zhǔn)體系和管理規(guī)范，建立一個(gè)規(guī)范的管理平臺(tái),，將智慧交通產(chǎn)業(yè)鏈中的政府資源,、企業(yè)資源、科研資源等融合到一起,，然后由大型企業(yè)牽頭促進(jìn)協(xié)調(diào)智慧交通的產(chǎn)業(yè)化,，最終形成完整的智慧交通管理體系^[18],。

3 智慧交通發(fā)展歷程及案例分析

    隨著私家車保有量的爆炸式增長，交通問題很早便得到了各國的重視,。幾十年來研究人員們不斷突破技術(shù)上的難關(guān),，如高速路上的不停車電子收費(fèi)(Electronic Toll Collection，ETC)系統(tǒng),、IC卡智能停車場及GPS智能導(dǎo)航儀等,。智慧交通的大體發(fā)展歷程如圖5所示。當(dāng)前美國,、日本等國家已經(jīng)成功將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到實(shí)際智慧交通建設(shè)中,，路網(wǎng)協(xié)同和輔助駕駛功能的研究也已投入試運(yùn)行，并嘗試智慧終端的普及和原有設(shè)施的改造^[19],。我國起步較晚,，迄今為止車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不成熟，但借著智慧城市建設(shè)的東風(fēng),，智慧交通也收獲頗豐,。

    目前智慧交通領(lǐng)域已經(jīng)在很多方面開展了深入研究，從終端的智能化方面,，有智能車輛,、智能交通信號(hào)燈等，從應(yīng)用大方向來看,，有智能公交,、智能出租、智能港口等,，從交通用途來看,，有車牌識(shí)別、閉路電視監(jiān)控,、車流控制,、車輛調(diào)度、智能停車場,、智能路徑規(guī)劃導(dǎo)航,、智能輔助駕駛系統(tǒng)等。本文將通過幾種典型應(yīng)用對(duì)智慧交通的發(fā)展現(xiàn)狀作簡要闡述,。

3.1 智能車輛

    智能車輛的研究始于美國的自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System,，AGVS），之后各西歐國家便都開始了車輛的智能化研究,，可以預(yù)見,，智能車輛將成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。智能車輛可通過模糊邏輯技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)車輛的人工智能，為模擬駕駛者做出合理的路徑規(guī)劃和突發(fā)事件決策,，這對(duì)減少交通事故率提高道路安全有很重要的意義^[20]。目前的智能車輛研究主要集中在環(huán)境感知,、駕駛員行為監(jiān)測系統(tǒng),、車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、防撞預(yù)警系統(tǒng),、規(guī)范環(huán)境下的智能巡航控制系統(tǒng),、極端情況下的輔助駕駛系統(tǒng)等方面，相關(guān)技術(shù)諸如雷達(dá),、GPS精度,、磁道釘、CCD,、通信協(xié)議及各種智能算法也是目前研究的熱點(diǎn)^[21],。

3.2 智能公交

    作為城市居民出行的主要方式，公交和私家車相比在運(yùn)輸能力,、相同載客量下的油耗,、占地、價(jià)格等方面都有著不可比擬的優(yōu)勢,。智能公交系統(tǒng)是指結(jié)合了智能識(shí)別,、網(wǎng)絡(luò)通信、GIS等先進(jìn)技術(shù),，在調(diào)度,、運(yùn)行、路徑規(guī)劃及乘客服務(wù)等方面進(jìn)行信息化規(guī)范化高效管理的綜合性公共交通系統(tǒng),。智能公交系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)小型交通物聯(lián)網(wǎng),，車載傳感器、站臺(tái)設(shè)備和IC卡都是用于收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的智能終端,，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送至公交調(diào)度中心,，處理后通過智能站牌報(bào)站和公布周圍環(huán)境、客流量等信息^[22],。文獻(xiàn)[23]結(jié)合蕪湖公交系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,，提出了一個(gè)基于SOA架構(gòu)的公交應(yīng)用集成，利用fisher有序聚類算法對(duì)IC卡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析客流變化規(guī)律,，提出了一種更符合公交客流量變化的分時(shí)段自適應(yīng)公交調(diào)度算法,。北京、蘇州,、常州等城市的智能公交系統(tǒng)都已逐步投入運(yùn)行,，為居民的出行提供了很大方便。 

3.3 智能停車

    城市汽車數(shù)量日益增長，停車和停車管理便成為了城市建設(shè)的難點(diǎn),，傳統(tǒng)的人力管理有太強(qiáng)的主觀性和局限性,，視頻監(jiān)控方式易受惡劣天氣影響，磁卡收費(fèi)方式又無法避免磁卡的老化消磁和近距離識(shí)別限制,。目前,，很多發(fā)達(dá)國家都啟用了自己的智能停車系統(tǒng)，我國的停車管理也正步入智能時(shí)代,。2014年,，阿里云率先進(jìn)軍智能停車領(lǐng)域，在杭州建成了一套智能停車收費(fèi)系統(tǒng),。系統(tǒng)覆蓋杭州市各區(qū)兩萬多個(gè)停車位,，通過每個(gè)停車位上的智能地感對(duì)車輛的進(jìn)出做出感應(yīng)，從而向停車管理員的手持設(shè)備發(fā)出提示,，有效提高了停車位的循環(huán)效率^[24],。李正明^[25]等人基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和ARM提出了一種實(shí)時(shí)性更好的嵌入式停車場監(jiān)控系統(tǒng)。遼寧工程技術(shù)大學(xué)的單曉艷^[26]設(shè)計(jì)的新型超高頻讀寫器,，和無源電子標(biāo)簽配合使用克服了普通停車場RFID識(shí)別范圍的限制,，適用范圍更廣。室內(nèi)停車場環(huán)境一般比較復(fù)雜,，設(shè)備也不易維護(hù),，因此室內(nèi)的精準(zhǔn)定位和實(shí)時(shí)響應(yīng)成為一個(gè)更大的難點(diǎn)。為此,，江西理工大學(xué)的張雪[27]的室內(nèi)智能停車場管理系統(tǒng)以藍(lán)牙作為通信方式,，并在停車場路口處設(shè)置了引導(dǎo)指示燈用于車位的反向引導(dǎo)。智能停車的發(fā)展將大大降低城市停車和管理的難度,。

4 總結(jié)展望

    本文從智慧交通的概念出發(fā),，描述了智慧交通中的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展歷程，并對(duì)智慧交通的典型應(yīng)用做了簡要介紹,。鑒于智慧交通在智慧城市建設(shè)中的重要地位,，我國必須緊跟發(fā)達(dá)國家的腳步，吸收各國智慧交通項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),，充分利用智慧交通中的先進(jìn)技術(shù),，尤其是時(shí)下流行的云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘及系統(tǒng)集成等技術(shù),，在與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的不斷磨合中,，探索出一條更適合我國國情的智慧交通新道路，為各級(jí)交通服務(wù)對(duì)象提供更為全面高效的交通信息服務(wù),，從而進(jìn)一步推進(jìn)智慧城市的建設(shè),。

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