4.6 智慧交通集成技术

在智能交通向智慧交通的发展过程中，各类新兴集成技术占据了很大比重，以人们耳熟能详的无人驾驶汽车为例，它是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。这类技术的诞生和发展并不取决于单一的感知或控制技术，而是集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，本节将对几种典型的智慧交通集成技术进行介绍。

1.信息物理系统

信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

信息物理系统主要分为3个部分，分别是感知层、数据传输层和应用控制层。感知层主要是由传感器、控制器和采集器等设备组成。感知层中的传感器作为信息物理系统中的末端设备，主要采集的是环境中的具体信息。感知层主要是通过传感器获取环境的信息数据，并定时地发送给服务器；服务器接收到数据之后进行相应的处理，再返回给物理末端设备相应的信息；物理末端设备接收到数据之后要进行相应的变化。数据传输层主要是连接信息世界和物理世界的桥梁，主要实现的是数据传输，为系统提供实时的网络服务，保证网络分组的实时可靠。应用控制层主要是根据感知层的感知结果，根据物理设备传回来的数据进行相应的分析，将相应的结果返回给客户端以可视化的界面呈现给客户。

CPS的意义在于将物理设备联网，即连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS把通信放在与计算和控制同等地位上，因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS在网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模方面远远超过现有的工控网络。美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。

2.无人驾驶

在蓬勃发展的科学技术的推动作用下，无人驾驶汽车技术在社会研究领域中的地位逐步提高。无人驾驶汽车依托环境感知技术，可以感知汽车周边的环境，对捕捉到的环境信息进行处理，利用计算机信息技术来控制、调节汽车的驾驶速度与行驶方向，保证车辆能够在道路上正常行驶，按照原定计划抵达目的地。无人驾驶汽车领域在发展的过程中，致力于将精密度更高的信息技术应用到汽车上，进而推动人车交互的发展，提高这种方式的效率，降低其操作的复杂度。无人驾驶不仅能够提高汽车运行的效率，降低交通事故发生的概率，还能为那些未掌握汽车驾驶技术的人提供出行服务[31]。

为适应汽车主动安全技术的爆发式增长，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）在2013年发布了汽车自动化的五级标准，将汽车的自动驾驶功能划分成了0～4级5个等级，见表4-6。除NHTSA外，美国汽车工程师学会（SAE）也对自动驾驶做了分级，将自动驾驶技术划分成了0～5级6个级别，其中0～3级与NHTSA对自动驾驶的定义一致，分别强调无自动化、驾驶支持、部分自动化、有条件自动化。至于完全自动化，SAE对其做了细分，对行车道路及环境的要求做了进一步强调。根据SAE对自动驾驶4级的规定，在此阶段，汽车只能在特定的道路条件下实现自动驾驶，比如封闭的园区、固定的行车路线等。换句话说，这个阶段的自动驾驶就是面向特定情景的高度自动化驾驶。5级阶段则可在各种环境下进行完全自动驾驶，对复杂的车辆环境、人流环境、道路环境提出有效的应对之策[31]。

表4-6 逐层递增的自动驾驶功能

从未来发展趋势来看，无人驾驶有两条发展路径：一是高级驾驶辅助系统，二是人工智能。二者的最高形态都是完全无人驾驶，也就是说，完全无人驾驶是自主化、智慧化发展到最高阶段的结果。

由此，本章对智慧交通系统感知、传输、处理、决策、控制以及集成技术进行了分析，对各类技术的发展历程及关键技术进行了介绍。

从发展历程上可以看出，各类技术的发展情况与全球科技进步、交通运输需求变化是紧密联系的，经历了明显的阶段化发展过程。早期以人工调查、人工控制为主，机械化后出现交通信号灯等新型机械设备，再到无线电传输、电子信号等电气化技术；最后随着计算机技术发展，视频检测、移动通信、数据库、机器学习、自动控制陆续出现，直到现在的智慧化新兴技术。

从关键技术上，21世纪以来，随着物联网、大数据、5G通信、人工智能等新兴技术的迅速发展，各类交通运输技术快速地更新换代，正逐步实现泛在感知、5G传输、大数据处理、智能决策和自动控制，并不断向新一代智慧化技术快速前进。

本章通过对各类交通运输技术进行梳理，为第2、3章架构设计提供了技术支撑。第5章将通过对交通系统整体的发展历程进行分析，提出智慧交通系统的发展路线及保障措施。