欢迎光临郑州华鑫电子衡器有限公司

郑州华鑫电子衡器有限公司

<中国衡器协会会员单位>

多年专注于称重设备 产品畅销海内外

全国服务热线

135-9888-6611
当前位置:首页 » 新闻资讯 » 行业资讯

智慧高速公路研究

文章出处:郑州华鑫电子衡器有限公司 发表时间:2018-11-19 17:48:55

(1.重庆交通大学,重庆 400074;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067)


  摘要:本文分析了智慧交通的内涵,明确了实现智慧高速公路的条件,基于类比法及电路学与人体仿生学原理,提出智慧高速公路的系统构成和交通组织方法,为智慧高速公路的发展提供了新构思。

  关键词:智慧高速公路;类比法;电路原理;人体仿生学


  自从2014年交通运输部提出服务“两个百年目标” [1],实现智慧交通、平安交通、绿色交通与综合交通以来,智慧高速公路成为关注的热点之一。那么,什么是智慧高速道路,目前鲜有研究。本文就这一问题进行探讨。



  什么是智慧,目前尚无明确的含义。不过,从阿尔法围棋的发展可以得到启迪。AlphaGo各版本及比赛历程见表1。

  阿尔法围棋的前三个版本采用学习人类的经典棋局,最新版本采用自我学习 。由表1可见,Alpha Go Zero在围棋领域是王者无敌。如果说Alpha Go Zero具有智慧,由其学习过程来看,智慧具有以下特征。

  感知能力:传感器获取反映道路构造、设施及交通特征的参数信息。

  识别能力:根据获取的信息,依据自身的经验和知识,评估存在的风险,判断此处的状态。

  预测能力:根据已有的信息与知识,推测发展的轨迹与结果。

  决策能力:指根据既定目标认识现状,预测未来,决定最优行动方案。

  应变能力:当影响交通通行的因素发生改变时,出于本能或经过思考后做出的决策。

  自适应能力:根据场景环境的变化,调整其自身使得其行为在新的或者已经改变了的环境下达到最好的或者至少是容许的特性和功能所具有的无既定场景的随机应变能力。

  自学习能力:不需要借鉴以往的经验,而是根据规则,自己进行实践,从实践中积累经验。完成自我学习、知识积累及智慧提升。

 


  要实现智慧高速公路,首先必须实现道路智慧化、车辆智慧化、决策智慧化。


  一、道路智慧化


  道路智慧化是指道路交通组织的智慧化,可根据道路交通的运营状态,以安全、高效、绿色为目标,对交通流的通过量、速度、行车间距、行驶方向等进行调整与控制。

  (一)道路网络构成

  事实上道路网络可看作是由路段、节点与虚拟节点构成。

  节点:包括汇流点、分流点与断面拦截点。如收费站、隧道前方的交通信号灯、匝道汇流点、高速公路主线驶入匝道的分流点等。

  虚拟节点:指由于交通事故、道路施工占道或火灾等使通行能力下降的异常发生点。虚拟节点可以是整个道路异常发生的某一区域,亦可以是部分区域,如图1、图2所示。

            

  (二)交通组织

  采用GIS技术可以将交通状态用四维时空模型来反映,当出现异常时,可设置虚拟节点。根据节点与虚拟节点,采用电路学原理,进行交通组织。异常交通主要包括火灾、交通拥堵和交通事故。[2]

  1、火灾

  火灾时需要打开车行横通道和人行横通道。此时,部分车行横通道仅供消防与救援车辆通行,部分车行横通道可供行人逃生,至于联络通道,可能打开供洞外车辆调头,也可能不打开,其拓扑结构由图3-7组合而成。

  2、交通拥堵

  由于隧道内发生事故时危害大,故应避免隧道内交通拥堵,应尽快疏散,疏散最有效的措施是限制进入隧道内的车辆数,此时,道路拓扑结构由图3~6、8组合而成。

  3、交通事故

  隧道内交通事故,可分为事故车需要拖车和事故车不需要拖车2种类型,后者的道路拓扑结构参照图8,前者的道路拓扑结构,若交通量不大,可参照图8,若交通量大,则参照图7。


  二、车辆智慧化


  无人驾驶是车辆智慧化的发展方向。无人驾驶汽车是集自动控制、视觉计算、人工智能等技术于一体的产物,其通过感知周围环境,根据获得的道路、车辆位置和障碍物信息,控制车辆的转向和速度。美、英、法等国家和我国分别在20世纪70年代和80年代开始无人驾驶汽车的研发。世界上最先进的无人驾驶汽车已经测试了近50万公里。我国的HQ3无人驾驶汽车也在2011年7月14日首次完成了286公里的高速全程无人驾驶实验 [3]

  无人驾驶汽车的传感设施主要包括卫星系统、(激光)传感摄像机、红外线测距仪、激光扫描器、同步传感器、雷达等。车路协同主要有两种方式,其一是通过路测智慧通讯站,其二是通过测距、导航和视频图像识别。对于高速公路,两种方式都施之可行,但对于普通公路,建造路侧智慧站所带来的建设、养护、维护等问题,将成为难以逾越的障碍。


  三、决策智慧化


  决策智慧化是指围绕“安全、高效、绿色、经济的运营目标,针对交通的当前状态及未来的发展态势,提出科学合理的安全措施,实现决策智慧化的关键主要包括以下三个方面。

  (1)目标选择。安全、高效、绿色、经济,这四个目标并不在同一层次。安全是第一层次的目标,高效、绿色与经济是第二层次的目标。第二层次的目标之间存在着千丝万缕的关系。虽然都可以用经济指标来统一度量,但难以获得的影响因素之间的定量关系,使得难以实际操作。例如,如何评价高效就悬而未决,可能通行能力提高了,但速度下降了;也有可能速度提高了,但事故风险增加了;还可能通行能力和速度都比较合理,但排放却不一定最优,养护与维护成本都增加了,这还需要做更深入地研究。

  (2)状态评判。状态评判主要包括对道路结构物、车辆及交通流的状态进行评价与判别。对车辆与交通流的状态进行评判,是分别从微观和宏观角度就运营的态势进行评判。在微观上,需评判每辆车的跟车间距、与障碍物的距离等。在宏观上,需判别交通流的形态是否合理,是否需根据目标进行调整与控制。此外,还需判别道路构造物,如边坡、桥梁、隧道的状态,是否适合通行。

  (3)状态推演。是指对每一辆车未来的时空位置、交通参数及交通流形态进行预测。与传统的状态推演不同处在于,智慧交通应能实现对道路所有车辆时空与运动轨迹的预测。



  信息获取、信息清洗与信息加工是智慧的源泉。


  一、信息获取


  (一)信息类别

  信息是智慧交通的粮食与营养,可按用途、重要度、来源、易用性进行分类。

  按用途可分为建设信息、运营信息和养护管理信息;按重要度可分为关键信息、表征信息和一般信息;按来源可分为公共信息、专有信息和保密信息;按易用性可分为结构化信息与非结构化信息或原始信息与加工处理的信息。

  (二)获取方式

  可通过传感设施直接获取信息,也可通过大数据分析间接获取信息。

  (三)信息内容

  需要获取的信息包括以下两个方面。

  1、初始信息

  初始信息包括建设信息、规则信息与装载信息。

  建设信息包括道路构造物的空间信息、建设的过程信息以及道路设施的信息(类别、位置、性能参数等)。

  规则信息包括交通组织、通行权、通行条件等。

  装载信息包括乘客与货物。

  2、过程信息

  包括基础设施的变化信息、车辆的时空轨迹信息、气候环境信息及服务设施信息,如加油站、加气站等。以上信息也可称为固态信息与动态信息,根据信息的应用场景,又可产生再生信息。


  二、信息清洗  [4]


  由于环境因素异常、设备故障、通信故障等原因,同一检测器获得的数据存在无效、冗余、错误、丢失、噪声、时间点漂移等现象,通常称这些数据为“脏数据”。为了避免“脏数据”影响交通状态的估计、预测与评价的效果,需要对这些数据进行消除噪声、修正错误信息、约简冗余数据、推导计算缺失数据等“清理”工作,从而提高智能运输系统应用中的数据质量,这个过程称之为信息清洗。信息清洗过程如下。

  1、数据分析:通过比较详细的数据分析来检测数据源中的错误和不一致。

  2、定义转换规则:根据数据源的个数、数据源中数据质量,需为模式相关的数据清洗和转换选定一种算法,从而提高数据自动转换效率。

  3、验证:一般是在数据源中选择数据样本进行清洗验证,当测试结果不满足数据清洗要求时,需要对原有的数据清洗转换规则进行调整和改进。

  4、数据清洗:在数据源上执行预先设计好并且己经得到验证的数据清洗转换规则,在源数据上对数据进行清洗前,需要对源数据进行备份,以防源数据的丢失或损坏。

  5、干净数据的回流:当数据被清洗之后,干净的数据应该替换数据源中原有的数据,这样既可以提高原有数据库中数据的质量,还可以避免再次抽取数据时进行重复的清洗工作。 


  三、信息加工

 

  信息加工是对收集来的信息进行去伪存真、去粗取精、由表及里、由此及彼的加工过程。它是在原始信息的基础上,生产出价值含量高、方便用户利用的二次信息的活动过程。这一过程将使信息增值。只有在对信息进行适当处理的基础上,才能产生新的、用以指导决策的有效信息或知识。主要包括三个方面。

  1、信息的筛选和判别:在大量的原始信息中,不可避免地存在一些假信息和伪信息,只有通过认真地筛选和判别,才能防止鱼目混珠、真假混杂。

  2、信息的分类和排序:收集来的信息是一种初始的、零乱的和孤立的信息,只有把这些信息进行分类和排序,才能存储、检索、传递和使用。

  3、信息的分析和研究:对分类排序后的信息进行分析比较、研究计算,可以使信息更具有使用价值乃至形成新信息。



  分析人的生命过程有利于智慧交通的实现,从人的生理结构可以推演智慧交通的构成。人由八大系统构成,除了生殖系统,智慧交通应具备其他七个系统的功能,包括消化系统、神经系统、呼吸系统、循环系统、运动系统、内分泌系统、泌尿系统。由该七大系统拆分与合并,可得出智慧高速公路的系统构成如下。

  (1)固态信息录入系统:类似于人类的食材,固态信息录入系统通过对规则信息、道路的三维信息、管辖范围等信息进行采集,反应高速公路的基础设施空间分布、基础设施建设过程、车辆通行权、通行条件等状况。

  (2)供电与通信系统:类似于人的呼吸系统和循环系统,供电通信系统为各部门的工作提高必要的电力资源,将所采集的信息传输到各个部门,如通过公网传送给交通参与者,通过专网传送到相应的需求单元。

  (3)感知系统:类似于人的神经系统,通过对道路构造物的长期监测,感知可变信息、设施信息等。设施信息包括诱导信息和服务信息。诱导信息有道路控制方案、指示标志标线等,服务信息有高速公路服务区的加油站、加气站等。

  (4)信息清洗系统:类似于人的循环系统和泌尿系统,对“脏数据”进行消除噪声、修正错误信息、约简冗余数据、推导计算缺失数据等“清理”工作,从而提高智能运输系统应用中的数据质量。

  (5)知识学习系统:类似于人的神经系统,对感知到的信息进行处理和分析,并提升知识与智慧水平。

  (6)识别判断系统:类似于人的神经系统,根据已有的信息与知识,评估存在的风险,判断高速公路上交通状况与基础设施状况。

  (7)推演系统:类似于人的神经系统,根据已有的信息与知识,推测高速公路上交通状况与基础设施状况发展的轨迹与结果。

  (8)决策支持系统:类似于人的运动系统,在对高速公路上交通状况现状进行识别判断,并对未来的交通状况进行预测后,决定最优行动方案,采取行动进行控制、诱导等动作措施。 

  (9)养护维护系统:类似于人的内分泌系统,对高速公路进行适当的养护与维护措施。



  本文论述了智慧的内涵与基础,阐述了智慧的源泉,提出了智慧高速公路的系统构成及交通组织方法。

  论文得到重庆市科委项目cstc2015shms-ztzx30014及cstc2017shms-zdyfx0062的支持,在此表示感谢。文中如有不妥之处,敬请批评指正!


  参考文献

  [1] 倪晓建. 信息加工[M]. 武汉大学出版社, 2001.

  [2] 韩直,关菲菲. Study of Collaborative Management of Intelligent Highway Tunnel(智慧公路隧道协同管理研究)[J]. 隧道建设, 2018, 38(4):538-544.

  [3] 金善科. 无人驾驶汽车的概念及发展[J]. 中国科技术语, 2017, 19(3):75-78.

  [4] 张建.基于智能交通系统的城市路网短时交通预测[D]. 西安电子科技大学, 2013.


(原文刊载于2018年第11期《中国交通信息化》杂志)

TAGS:
收缩

华鑫衡器在线客服

  • 售前咨询点击这里给我发消息
  • 售后服务点击这里给我发消息
  • 13598886611(胡先生)