学生视角丨城市道路中智能交通系统应用研究
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编者按：由中国石油大学（华东）万剑华教授主讲的《时空信息与智慧城市》课程已结课，学生们结合自己的兴趣点，通过查阅资料，积极思考，撰写了短文，陆续在【慧天地】“学生视角”栏目刊发。刊发这些短文的目的是鼓励在校大学生、研究生们不要拘泥于书本和课堂，要有独立思考的能力，写出自己的所思所想。尽管这些文章在专家们看来显得稚嫩，甚至或多或少存在一些问题，但考虑他们的身份是学生，还望以育人的初心对他们的文章进行批评指正，谢谢大家。【慧天地】也欢迎全国各高校的同学们向本栏目投稿（点击文末“阅读原文”查看投稿指南）。
在经济快速发展的背景下，过快汽车增长速度和较低的道路容纳力之间的矛盾愈发突出。交通问题是个极为重要的现实问题，如何有效地缓解交通压力，提高路网的通行能力，已成为大中城市迫切需要解决的问题之一。随着数据采集技术和信息处理技术的快速发展和在交通运输领域的广泛应用，智能交通系统也随之发展起来，将计算机处理技术、信息技术以及人工智能和5G等结合，以有效解决城市交通拥堵、停车困难、交通安全性等问题，为下一步的城市规划打下坚实的基础。
一、城市道路中的智能交通系统
“智能交通系统”，简称ITS(Intelligent Transportation systems），是建立一种在大范围内、全方位发挥作用的准时、准确、高效的交通运输管理体系,是在现阶段交通情况基础上采用创新科技和高新技术以解决目前城市遇到的交通拥堵、交通安全性、行驶舒适性等问题[1] 。
智能交通系统在交通管理体系中把先进的计算机处理技术、信息技术、数据通讯传输技术及电子控制技术等有效地进行了综合运用[2] 。运行模式是通过道路交通监控信息传输至计算机大数据分析中心，由计算机按照人为设定的一定参数做出相应的判断，再发出指令，并传输至执行端，智能交通系统通过人、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,较少交通事故,降低能源消耗,减轻环境污染。借助智能交通系统,驾驶员对实时交通状况了如指掌,管理人员则对车辆的行驶状况一清二楚,从而提高道路的安全性、系统的工作效率及环境质量等。
二、智能监控系统辅助交通管理
智能交通在交通监控、信号控制方面的出色表现为城市安全，为提高城市交通服务水平，减少交通事故的发生提供了有效的实时信息帮助，其主要包括智能交通监控系统和综合交通信息平台。在交通数据收集上为管理者提供了大量准确可靠的数据支撑，节约了管理成本，使得城市变得更智慧、更人性化。智能交通可以基本覆盖每条城市道路，通过监控实时观察现场交通流量、意外事故等，对现场进行即时的反馈和指挥疏导。
1、基于物联网的信号控制
日常生活中的实时状况的反馈是物联网技术得以实施的基础，为了物联网技术能够有效地在交通信号控制方面得到运用，首先需要将用于感知的检测器装置于需要交通信号灯的地区，包括固定以及可移动的两种监测设备[3] 。同时，进行多方面的检测，将路口的交通状况及时准确的反馈给计算机，进行装置的区域需要工作人员提前到相关地点进行检测计算，最后才能决定检测器的最终安装位置，尽可能精准地安装检测器，准确地反馈数据给计算机。智能交通信号控制可以将信号实时传输给指挥中心，指挥中心通过各个路口的不同方向交通流量，对信号灯的时间长短进行控制，进而减少现场执勤交通手动控制信号灯的尴尬，有效节约人工成本，提高时间价值。
2、车辆身份的识别系统
车辆身份自动识别系统在大型停车场应用较为实用。汽车牌识别和汽车类型识别组成了汽车身份自动识别系统。车牌自动识别将输入的车牌号进行处理识别，对大小车辆、字符串等进行识别，运用管理数据库连接的方法实现快速识别精确识别。交通部门的违章监测和高速公路收费站管理等都可以运用汽车身份自动识别系统，采用ccd摄像机对车辆牌照进行拍摄，并运用汽车位置传感器将汽车的位置、车辆的行驶情况以触发信号的方式进行采集。图像采集部分将车牌图像信号送入图像处理，并进行预处理、二值化、特征提取，经字符识别程序将结果运行之后写入数据库。
3、基于北斗系统的交通诱导
北斗系统将采集到的各道路的车流量情况进行实时采集与整理,对道路交通状况进行分析,实时的监控各交通路段的车辆信息[4] 。同时将收集到的路况信息上传到智能交通系统中,利用北斗系统的短信通信功能以语音播报的形式为驾驶员提供交通路况信息,选择合理的驾驶路线,合理避开拥堵区。利用北斗系统的短报文通信功能,公共交通管理部门可以采用车辆监管系统对各车发回的信息进行综合分析,再将调度命令发送给司机,及时调整车辆运行情况,实现有效管理。同时,还可以推广使用电子站牌,电子站牌通过无线数据链路接收即将到站车辆发出的位置和速度信息,显示车辆运行信息,并预测到站时间,为乘客出行提供方便。通过北斗卫星导航系统进行定位,并结合交通监控管理系统,可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标,规划出最优援助方案,帮助值班人员快速的进行应急处理。
三、人工智能技术推动智能交通
随着城市化的发展，交通方面的问题也变得越发严重，传统的交通管理模式和交通系统已经无法满足时代的实际要求。在全新的时代背景下，城市交通必须要朝着智能化的方向进行转变，积极引入先进的人工智能技术，针对当前存在的问题进行具有针对性的解决，这样才能有效解决一系列交通问题。人工智能技术在智能交通系统主要包括车辆控制、交通流预测系统、道路安全及事故预测系统和智能化地图的应用。
1、车辆控制中的人工智能
人工智能技术应用在车辆控制中主要体现在智能识别交通标志、自动导航车辆、对于悬架系统进行优化、不断提高车辆运行的稳定性以及防震刹车系统等方面[5] 。根据相关调查研究显示，在对汽车进行控制的过程中所使用的技术主要是遗传算法技术。同时自动驾驶技术逐步的实现并投入市场，自动识别交通标志系统在无人驾驶技术中的作用尤为重要。在各国研究人员的努力下，图像的识别与分类已经有了跨越式的进步，在传统机器学习的图像识别的基础上进行改进，利用卷积神经网络实现了对交通标志的高精度识别，为智能化汽车服务建立了一套完善的交通标志识别系统，推动了智慧城市的脚步。
2、智能化交通流预测
交通问题是个极为重要的现实问题，如何有效地缓解交通压力，提高路网的通行能力，已成为大中城市迫切需要解决的问题之一。精准、实时的城市交通流预测是城市交通控制和引导的基础，也是智能交通系统的重要组成部分[6] 。目前，现有的交通预测方法大体可以分为两类：动态建模和数据驱动，而数据驱动类方法存在着相当广泛的应用，其中主要有三类，分别为基于统计的线性预测方法、基于非线性模型的预测方法以及基于深度学习的预测方法。在交通控制和预测系统中所使用的人工智能技术主要是人工神经网络，该技术占到了整个技术应用到40%以上。除此之外，还充分结合了遗传算法和专家系统等技术，多项技术的共同融合能够有效保证整个城市网络的完整性和有效性，在此基础之上，能够有效减少车辆在行驶过程中在十字路口所停留等待的时间，在帮助交通管理部门采取有效的交通控制和诱导手段，和帮助出行者合理规划路线等方面具有重要意义。
3、道路安全及事故预测系统和智能化地图
造成交通事故的因素有很多，其中最为主要的包括道路的实际情况，环境因素以及驾驶人员的行为因素。道路安全和事故预测系统很好的解决了这类问题，通过该系统能够对车辆的整个运行情况进行系统性的分析，并且及时提出一些有效信息，这样能够有效避免一些交通事故的发生[7] 。在道路安全和事故预测系统中所应用的人工智能技术非常多，最为主要的是模糊逻辑技术，其次包括遗传算法以及人工神经网络，通过对道路安全及事故预测系统进行完善能够有效保证人们日常出行的安全性。将人工智能技术应用在智能化地图中，能够有效提高智能化地图的准确性，目前许多智能化地图都与交通运管部门进行合作，应用大数据技术来为驾驶人员提供最为便捷通畅的出行道路，这样能够有效减少城市交通的拥堵问题[8] 。
四、5G技术推动智能交通
5G技术将建立虚拟化、网络切片化和边缘计算模式，依据场景完成单载波宽带数值的变化，建立更加完善的技术评估模式，最大化提升物联网的时效性和可靠性。对比4G技术，5G技术的传输速率更快、网络时延更小且容量密度更大。5G技术以其跨越物理层和MAC层的优势实现了无线通信技术的进一步升级，更准确的建立了良好的无线通信系统，将其应用在智慧城市交通系统中，能发挥简化信令设计优势的同时，更好地提升信息和数据的覆盖性，保证信息回传和分析工作更加合理。
1、5G时代下的列车
为了保证列车运行的安全性和可靠性，要在列车运行期间进行数据信息的及时性汇总，建立列车和数控调度中心的合理性联系，在维系通信联系基础上维持数据传输网络的高效操作效率[9] 。基于5G技术建立的通信体系和运行模式能最大化提升工作水平，借助D2D完成设备到设备的技术处理。所谓D2D就是突破4G蜂窝用户中要借助基站实现用户互联的技术体系，能实现用户对用户的直接互联，融合了两种通信模式切换处理的可能性。
在实际应用过程中，D2D支持列车和数控中心在信息传输管理的基础上，建立“列车-列车”、“列车-次级信息中心”的两种链路信息传输模式，为紧急情况下多节点信息交互提供了最佳保障。
2、公众出行
在智慧城市交通系统建立的过程中，轨道交通无论是运行承载力还是人员集散能力都更加具有优势，尽管能提高便捷性，却也增加了人员密集程度，尤其是在上下班高峰期，人员进站上车难、安检工作难以及购票队伍长等问题也逐渐突显出来。为了保证其运行效率和安全性更贴合实际需求，要融合5G技术建立对应的信息处理体系，确保资源利用率更高效且出行体验更舒适。
主要是应用CDN网络技术环节，建立近距离内容分发网络模式，利用综合分析和评估计算范式对各个端点的载荷数据以及连接状态予以实时性分析，确保用户能获取最近信息和数据引导。也就是说，5G技术支持对应的软件实现不同进站口客流量数据的估测和分析，确保能为出行市民提供更加具有弹性的备选方案，从而优化服务质量，提升人们公众出行的舒适度。综上所述，利用5G网络技术建立的运行体系和实时性数据集汇总平台，最大化的提高了资源的利用效率，避免拥堵问题，也能创设良好的出行空间。
3、智能监控
对于轨道交通工作而言，除了人员疏通外，设备的常规化管理也非常关键，只有践行定期的维护保养工作，才能最大化的降低设备运行中的安全隐患，从而一定程度上提高出行的安全性。但是，因为轨道交通存在设施分布较为广泛、线路较长且具体设备勘测空间复杂的问题，传统的人力巡检会大大增加资源浪费几率。而利用5G技术体系支持的监控监测系统，能有效建立大容量和搞宽带的节点网络分析模式，依据技术流程和要求实现全方位的数字化智能分析机制。
总之，随着大数据、人工智能、移动互联及新一代信息技术的运用和普及,智能交通成为现代交通发展的重要方向,特别是中国车辆大国,每天的交通拥堵率与日俱增,急需构建高智能化城市道路交通控制应用系统,优化智能交通网络安全体系,不断推进城市交通治理体系和治理能力现代化,以实现城市道路交通管理控制机制改革,为今后城市道路交通发展服务提供推动力。
参考文献
[1]陈柳.公路智能交通控制存在的问题及应对措施探讨[J].低碳世界,2021,11(03):209-210.
[2]彭宁.浅谈城市智能交通控制系统[J].企业科技与发展,2021(02):43-45.
[3]徐花芬,袁江婷,孟广学.基于物联网的智能交通系统设计与实现[J].华北科技学院学报,2021,18(01):96-100.
[4]李伟,杨文铂.基于多源信息融合的车辆定位系统设计[J].自动化仪表,2021,42(02):94-97.
[5]吴探微.人工智能技术在城市智能交通系统中的应用[J].时代汽车,2021(05):179-180.
[6]王洪斌.大数据背景下人工智能在智慧交通中的应用研究[J].电脑知识与技术,2021,17(12):198-199.
[7]李骏,王永军.中国智慧城市、智慧交通和智能汽车（SCSTSV）——发展战略、系统构架和应用（英文）[J].汽车文摘,2021(03):1-7.
[8]陈昌川,王海宁,赵悦,王延平,李连杰,李奎,张天骐.一种基于深度学习的交通标志识别新算法[J].电讯技术,2021,61(01):76-82.
[9]孙列,杨梓晗.车联网中基于交通流量感知的数据路由[J].导航定位学报,2021,9(01):130-134.
作者简介
王志海，中国石油大学（华东）资源与环境2020级硕士研究生。
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