4.6 智慧交通集成技術

在智能交通向智慧交通的發展過程中，各類新興集成技術占據了很大比重，以人們耳熟能詳的無人駕駛汽車為例，它是利用車載傳感器來感知車輛周圍環境，并根據感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。這類技術的誕生和發展并不取決于單一的感知或控制技術，而是集自動控制、體系結構、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發展的產物，本節將對幾種典型的智慧交通集成技術進行介紹。

1.信息物理系統

信息物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C（Computation、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。CPS實現計算、通信與物理系統的一體化設計，可使系統更加可靠、高效、實時協同，具有重要而廣泛的應用前景。

信息物理系統主要分為3個部分，分別是感知層、數據傳輸層和應用控制層。感知層主要是由傳感器、控制器和采集器等設備組成。感知層中的傳感器作為信息物理系統中的末端設備，主要采集的是環境中的具體信息。感知層主要是通過傳感器獲取環境的信息數據，并定時地發送給服務器；服務器接收到數據之后進行相應的處理，再返回給物理末端設備相應的信息；物理末端設備接收到數據之后要進行相應的變化。數據傳輸層主要是連接信息世界和物理世界的橋梁，主要實現的是數據傳輸，為系統提供實時的網絡服務，保證網絡分組的實時可靠。應用控制層主要是根據感知層的感知結果，根據物理設備傳回來的數據進行相應的分析，將相應的結果返回給客戶端以可視化的界面呈現給客戶。

CPS的意義在于將物理設備聯網，即連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能。CPS本質上是一個具有控制屬性的網絡，但它又有別于現有的控制系統。CPS把通信放在與計算和控制同等地位上，因為CPS強調的分布式應用系統中物理設備之間的協調是離不開通信的。CPS在網絡內部設備的遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數量，特別是網絡規模方面遠遠超過現有的工控網絡。美國國家科學基金會（NSF）認為，CPS將讓整個世界互聯起來。如同互聯網改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。

2.無人駕駛

在蓬勃發展的科學技術的推動作用下，無人駕駛汽車技術在社會研究領域中的地位逐步提高。無人駕駛汽車依托環境感知技術，可以感知汽車周邊的環境，對捕捉到的環境信息進行處理，利用計算機信息技術來控制、調節汽車的駕駛速度與行駛方向，保證車輛能夠在道路上正常行駛，按照原定計劃抵達目的地。無人駕駛汽車領域在發展的過程中，致力于將精密度更高的信息技術應用到汽車上，進而推動人車交互的發展，提高這種方式的效率，降低其操作的復雜度。無人駕駛不僅能夠提高汽車運行的效率，降低交通事故發生的概率，還能為那些未掌握汽車駕駛技術的人提供出行服務[31]。

為適應汽車主動安全技術的爆發式增長，美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）在2013年發布了汽車自動化的五級標準，將汽車的自動駕駛功能劃分成了0～4級5個等級，見表4-6。除NHTSA外，美國汽車工程師學會（SAE）也對自動駕駛做了分級，將自動駕駛技術劃分成了0～5級6個級別，其中0～3級與NHTSA對自動駕駛的定義一致，分別強調無自動化、駕駛支持、部分自動化、有條件自動化。至于完全自動化，SAE對其做了細分，對行車道路及環境的要求做了進一步強調。根據SAE對自動駕駛4級的規定，在此階段，汽車只能在特定的道路條件下實現自動駕駛，比如封閉的園區、固定的行車路線等。換句話說，這個階段的自動駕駛就是面向特定情景的高度自動化駕駛。5級階段則可在各種環境下進行完全自動駕駛，對復雜的車輛環境、人流環境、道路環境提出有效的應對之策[31]。

從未來發展趨勢來看，無人駕駛有兩條發展路徑：一是高級駕駛輔助系統，二是人工智能。二者的最高形態都是完全無人駕駛，也就是說，完全無人駕駛是自主化、智慧化發展到最高階段的結果。

由此，本章對智慧交通系統感知、傳輸、處理、決策、控制以及集成技術進行了分析，對各類技術的發展歷程及關鍵技術進行了介紹。

從發展歷程上可以看出，各類技術的發展情況與全球科技進步、交通運輸需求變化是緊密聯系的，經歷了明顯的階段化發展過程。早期以人工調查、人工控制為主，機械化后出現交通信號燈等新型機械設備，再到無線電傳輸、電子信號等電氣化技術；最后隨著計算機技術發展，視頻檢測、移動通信、數據庫、機器學習、自動控制陸續出現，直到現在的智慧化新興技術。

從關鍵技術上，21世紀以來，隨著物聯網、大數據、5G通信、人工智能等新興技術的迅速發展，各類交通運輸技術快速地更新換代，正逐步實現泛在感知、5G傳輸、大數據處理、智能決策和自動控制，并不斷向新一代智慧化技術快速前進。

本章通過對各類交通運輸技術進行梳理，為第2、3章架構設計提供了技術支撐。第5章將通過對交通系統整體的發展歷程進行分析，提出智慧交通系統的發展路線及保障措施。