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當(dāng)今全球進(jìn)入信息化及智能化時(shí)代, 新一代多層域感知、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)、主動(dòng)協(xié)同等技術(shù)的不斷進(jìn)步, 推動(dòng)智能交通系統(tǒng)體系和內(nèi)容的全面創(chuàng)新. 智能交通系統(tǒng)貫穿用戶需求、設(shè)計(jì)制造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期的信息化和智能化, 主要面臨智能感知、 運(yùn)動(dòng)體控制與自主協(xié)同、交通需求引導(dǎo)與一體化出行、運(yùn)行安全態(tài)勢(shì)評(píng)估及應(yīng)急處理、全生命周期的大數(shù)據(jù)融合處理、 高可靠通信等一系列科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題. 《中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)》第9期發(fā)表了寧濱院士的觀點(diǎn)文章 “智能交通中的若干科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題”。文章調(diào)研了近年來(lái)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展, 總結(jié)了當(dāng)今智能交通系統(tǒng)中的若干科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題.

智能交通系統(tǒng) (intelligent transportation system, ITS) 是在傳統(tǒng)交通系統(tǒng)基礎(chǔ)上, 將先進(jìn)的傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、 信息融合技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自主協(xié)同控制技術(shù)等有效集成的一種大范圍、全方位、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確高效的綜合交通運(yùn)行控制與管理系統(tǒng), 是未來(lái)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向.

隨著交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)建設(shè)及先進(jìn)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步, 由軌道、道路、航空、水路、 管道等多種運(yùn)輸方式構(gòu)成的綜合交通運(yùn)輸體系不斷完善, 智能交通的概念也從單項(xiàng)交通的智能化逐步擴(kuò)充到了綜合交通系統(tǒng)的信息化、 網(wǎng)絡(luò)化和智能化. 綜合交通系統(tǒng)作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的先導(dǎo)性、服務(wù)性行業(yè), 是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)支柱和重要紐帶, 智能交通作為該系統(tǒng)核心技術(shù)得到了國(guó)際學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的高度重視.

美國(guó)以《2050年遠(yuǎn)景: 國(guó)家綜合運(yùn)輸系統(tǒng)》為導(dǎo)向, 提出建設(shè)具有一體化、國(guó)際化、聯(lián)合化、包容化、智能化、創(chuàng)新化的“6 I"型交通運(yùn)輸系統(tǒng); 歐盟以《交通白皮書(shū)》為核心, 注重綜合交通網(wǎng)絡(luò)配置及樞紐建設(shè), 構(gòu)建高效協(xié)同、綠色環(huán)保的綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng); 德國(guó)實(shí)施《2030聯(lián)邦交通網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》的國(guó)家戰(zhàn)略, 建設(shè)低排放、低成本、 高效率、高協(xié)同的環(huán)境友好型交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò).

在我國(guó), 國(guó)務(wù)院于2006年頒布《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020年)》, 將“智能交通管理系統(tǒng)”確定為優(yōu)先主題; 國(guó)家發(fā)展改革委和交通運(yùn)輸部于2016年聯(lián)合發(fā)布了《推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進(jìn)智能交通發(fā)展的實(shí)施方案》, 在國(guó)內(nèi)首次提出了智能交通(ITS)的總體框架和實(shí)施方案. 2017年,國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五"現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》, 提出了綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)期的發(fā)展目標(biāo)和任務(wù). 同年, 國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》, 對(duì)軌道交通智能化發(fā)展從強(qiáng)化關(guān)鍵共性技術(shù)和基礎(chǔ)平臺(tái)研究、研究智能運(yùn)載工具、 加快推進(jìn)智能交通技術(shù)應(yīng)用等方面提出了要求.

綜上所述, 智能交通系統(tǒng)的研究前沿是以安全、高效、 綠色為核心, 推進(jìn)綜合交通運(yùn)輸系統(tǒng)向網(wǎng)聯(lián)化、協(xié)同化和智慧化方向發(fā)展. 當(dāng)今全球進(jìn)入信息化及智能化時(shí)代, 新一代多層域感知、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)、主動(dòng)協(xié)同等技術(shù)的不斷進(jìn)步, 推動(dòng)智能交通系統(tǒng)體系和內(nèi)容的全面創(chuàng)新. 智能交通系統(tǒng)貫穿用戶需求、設(shè)計(jì)制造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期的信息化和智能化, 主要面臨智能感知、 運(yùn)動(dòng)體控制與自主協(xié)同、綜合交通網(wǎng)絡(luò)的管控一體化、交通需求引導(dǎo)與一體化出行、運(yùn)行安全態(tài)勢(shì)評(píng)估及應(yīng)急處理、全生命周期的大數(shù)據(jù)融合處理、 高可靠通信等一系列科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題.

本文根據(jù)近年的研究將智能交通系統(tǒng)中的若干科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題總結(jié)和簡(jiǎn)述如下.

1多層域協(xié)同智能感知與數(shù)據(jù)融合

面向載運(yùn)工具、基礎(chǔ)設(shè)施、旅客和貨物等多層域感知對(duì)象, 研究如何綜合利用智能傳感器、跨媒體感知計(jì)算、 智能信息處理、物聯(lián)網(wǎng)、車輛網(wǎng)、通信及控制等理論與技術(shù), 建立面向高效融合的數(shù)據(jù)一致性標(biāo)準(zhǔn)和完備性驗(yàn)證機(jī)制, 實(shí)現(xiàn)交通信息全面、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的采集、傳輸和融合, 是智能交通系統(tǒng)需要解決的基礎(chǔ)問(wèn)題之一, 將為實(shí)現(xiàn)智能化的交通運(yùn)行控制、服務(wù)和管理提供數(shù)據(jù)支撐.

2多源信息下測(cè)速定位技術(shù)與濾波理論

精確的移動(dòng)體速度與位置信息是智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一, 交通系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜, 雷達(dá)/區(qū)間測(cè)速與北斗/GPS定位等的多源信息融合, 是代替單一測(cè)速定位方式, 提升平面和空間測(cè)速定位精度的重要手段, 同時(shí)產(chǎn)生了多源信息下的高效融合及其實(shí)時(shí)檢測(cè)信號(hào)的精準(zhǔn)濾波難題. 如何設(shè)計(jì)多源信息下的測(cè)速定位技術(shù)及其濾波方法, 是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)體在平面和空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量的精準(zhǔn)感知的重要研究方向之一.

3移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)建模

移動(dòng)體模型的建立是揭示移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程. 傳統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)建模方法嘗試用經(jīng)典數(shù)學(xué)方法以最簡(jiǎn)化原則建立運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定性關(guān)系, 隨機(jī)模型以概率分布等形式建模隨機(jī)特性, 模糊模型以隸屬度刻畫(huà)的方式建模模糊特性與環(huán)境, 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模以海量數(shù)據(jù)建模復(fù)雜過(guò)程的運(yùn)行機(jī)理. 交通系統(tǒng)涉及多層次、多特性的高維時(shí)空變化量, 解決此類數(shù)據(jù)環(huán)境下移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)建模問(wèn)題, 是智能交通系統(tǒng)中控制與優(yōu)化要解決的科學(xué)問(wèn)題.

4移動(dòng)體無(wú)人自主控制

移動(dòng)體的無(wú)人駕駛是當(dāng)今無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). 由于執(zhí)行任務(wù)環(huán)境的高度動(dòng)態(tài)化、不確定性, 以及運(yùn)輸任務(wù)的復(fù)雜性, 需要在環(huán)境感知、決策規(guī)劃、協(xié)同控制、通信模式、人機(jī)共駕、信息安全等方面深入研究. 自主控制能力的提高是目前移動(dòng)體無(wú)人自主控制技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo),如何保證運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)以及提升突發(fā)狀況下的應(yīng)急處置能力是其研究的核心.

5移動(dòng)體與基礎(chǔ)設(shè)施的相互作用與主動(dòng)協(xié)同

由于移動(dòng)體所處環(huán)境隨著位移的改變而快速變化, 來(lái)自外部的風(fēng)、雨、電、 磁等多種環(huán)境因素導(dǎo)致移動(dòng)體與基礎(chǔ)設(shè)施間的相互作用極為復(fù)雜. 研究復(fù)雜環(huán)境下移動(dòng)體與基礎(chǔ)設(shè)施相互作用問(wèn)題的科學(xué)意義在于, 探索和明確復(fù)雜環(huán)境和運(yùn)營(yíng)條件下基礎(chǔ)設(shè)施服役性能演變規(guī)律以及移動(dòng)體本體的動(dòng)態(tài)特性, 從而提高運(yùn)輸系統(tǒng)的整體性能. 移動(dòng)體與基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)作是近年來(lái)交通領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題, 其利用信息、通信、 傳感網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)、可信計(jì)算和計(jì)算仿真等領(lǐng)域的最新技術(shù), 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)體與基礎(chǔ)設(shè)施的智能化和信息共享. 在實(shí)時(shí)、 可靠的全時(shí)空交通信息基礎(chǔ)上, 結(jié)合移動(dòng)體主動(dòng)安全控制和移動(dòng)體/基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同控制, 實(shí)現(xiàn)人–移動(dòng)體–基礎(chǔ)設(shè)施的有效協(xié)同.

6交通工具的聯(lián)合導(dǎo)航與交通需求引導(dǎo)

運(yùn)用先進(jìn)的IT技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、4G/5G通信技術(shù)、GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)等, 基于實(shí)時(shí)綜合交通態(tài)勢(shì)分析的信息服務(wù), 結(jié)合不同交通工具的運(yùn)行特點(diǎn), 研究綜合交通系統(tǒng)中的交通工具聯(lián)合導(dǎo)航技術(shù). 對(duì)客運(yùn)來(lái)講, 在已知出行者當(dāng)前狀態(tài)與出行目的地情況下, 動(dòng)態(tài)獲取完整的路況信息, 可提供滿足不同需求的交通工具與線路推薦; 對(duì)貨運(yùn)來(lái)講, 研究全局交通協(xié)同運(yùn)行下的一票出行問(wèn)題, 在高效智能管理模式下可實(shí)現(xiàn)一站安檢, 形成一體化智能出行方案. 分析多樣化信息服務(wù)對(duì)多尺度交通需求生成與分布特點(diǎn)的影響, 進(jìn)一步研究多樣化的信息服務(wù)對(duì)潛在交通需求管理手段的影響. 研究“互聯(lián)網(wǎng)+"背景下的共享出行、共享停車、 智能聯(lián)行等交通模式, 形成面向綜合交通出行的交通需求引導(dǎo)策略.

7綜合安全態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)評(píng)估

綜合交通系統(tǒng)的綜合安全涵蓋功能安全、信息安全和物理安全. 綜合安全態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)評(píng)估需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并處理大量多粒度、多維度、多模態(tài)的數(shù)據(jù), 如何結(jié)合交通系統(tǒng)的運(yùn)行特征、架構(gòu)特征等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和理解并建立交通綜合安全態(tài)勢(shì)的指標(biāo)體系是需要考慮的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題. 構(gòu)建監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與安全態(tài)勢(shì)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系, 形成交通綜合安全態(tài)勢(shì)的動(dòng)態(tài)評(píng)估對(duì)提升交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)的可靠性和彈性, 對(duì)交通系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝備的智能維護(hù)具有重要意義.

8系統(tǒng)RAMS性能與主動(dòng)安全防護(hù)

智能交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)服務(wù)特征決定了系統(tǒng)的可靠性 (reliability)、可用性(availability)和可維修性 (maintainability), 以及安全性 (safety) 保障是核心工作. 基于系統(tǒng)運(yùn)行及運(yùn)營(yíng)環(huán)境信息的全面感知, 綜合系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理, 對(duì)影響系統(tǒng)RAMS性能的故障、風(fēng)險(xiǎn)等的追蹤溯源, 建立以故障診斷和故障檢測(cè)為核心的RAMS綜合保障技術(shù)體系, 是智能交通系統(tǒng)的核心技術(shù)之一. 此外, 要建立系統(tǒng)主動(dòng)安全防護(hù), 對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)辨識(shí), 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防御及追蹤溯源. 對(duì)系統(tǒng)潛在或即將發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行感知, 并從交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)的穩(wěn)定性和可靠性保障出發(fā)進(jìn)行針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)也是核心技術(shù)問(wèn)題. 依賴于人工智能、大數(shù)據(jù), 以及人腦科學(xué)的發(fā)展可使得面向風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)和管理的決策機(jī)制實(shí)現(xiàn)最優(yōu), 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等全生命周期的主動(dòng)安全防護(hù)體系.

9基于商用產(chǎn)品的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)

智能交通系統(tǒng)中交通工具運(yùn)行速度越來(lái)越高, 移動(dòng)體之間的運(yùn)行間隔越來(lái)越小, 這對(duì)系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求. 系統(tǒng)中關(guān)鍵子系統(tǒng)的運(yùn)行控制必須具備故障導(dǎo)向安全屬性, 高可靠的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)故障導(dǎo)向安全的最佳途徑. 隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 使用商用產(chǎn)品或部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)成為業(yè)界的趨勢(shì). 如何利用容錯(cuò)及故障診斷技術(shù)等, 保障基于商用部件的運(yùn)行控制安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)的高安全性、高可靠性、 高可用性成為該領(lǐng)域重要的技術(shù)問(wèn)題.

10全生命周期交通大數(shù)據(jù)深度分析

交通大數(shù)據(jù)分析目前還處于數(shù)據(jù)不夠廣、應(yīng)用不夠深的初級(jí)階段, 數(shù)據(jù)來(lái)源和質(zhì)量面臨著縱向斷層、橫向不通的實(shí)際問(wèn)題, 行業(yè)應(yīng)用仍比較單一, 綜合化、智能化程度有待進(jìn)一步提升. 研究如何充分挖掘覆蓋交通領(lǐng)域生產(chǎn)制造、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等全生命周期的海量數(shù)據(jù)價(jià)值, 構(gòu)建面向行業(yè)深度應(yīng)用的交通大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架和技術(shù)體系, 將成為推動(dòng)建設(shè)新一代智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ), 也會(huì)促使交通運(yùn)輸行業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn).

11基于狀態(tài)修的智能維護(hù)

在現(xiàn)有交通系統(tǒng)中, 針對(duì)載運(yùn)工具和基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)和檢修大多采用基于靜態(tài)數(shù)據(jù)的“定期修"模式, 很難滿足交通系統(tǒng)對(duì)進(jìn)一步提高安全保障能力和降低運(yùn)營(yíng)成本的需求. 研究如何基于海量的設(shè)備靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù), 精確刻畫(huà)部件和系統(tǒng)的相互影響機(jī)理和狀態(tài)演化規(guī)律, 建立根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行檢修的“狀態(tài)修"智能維護(hù)模式, 并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的互聯(lián)互通, 使運(yùn)營(yíng)與檢修數(shù)字化、可控化、實(shí)現(xiàn)維修過(guò)程狀態(tài)化、可視化、 實(shí)時(shí)化、透明化和可溯化.

12移動(dòng)體–移動(dòng)體/移動(dòng)體–基礎(chǔ)設(shè)施間高可靠通信

智能交通系統(tǒng)在非常態(tài)交通條件下自身的一些特性, 如快速多變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒏咚僖苿?dòng)的交通工具、復(fù)雜的物理環(huán)境、 頻發(fā)的高密度或稀疏交通流量等, 使常規(guī)商用通信技術(shù)很難滿足智能交通應(yīng)用的安全性、可靠性和網(wǎng)絡(luò)性能需求. 隨著智能交通系統(tǒng)對(duì)綜合承載業(yè)務(wù)的需求提升, 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、通信協(xié)議、計(jì)算模式、 芯片設(shè)計(jì)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變, 如何將人工智能、云計(jì)算與云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)等智能化技術(shù)融入智能交通系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行的移動(dòng)體–移動(dòng)體/移動(dòng)體–基礎(chǔ)設(shè)施間的綜合業(yè)務(wù)通信, 并保證控制信息的高可靠傳輸是智能交通系統(tǒng)中的重要問(wèn)題.

13高速移動(dòng)條件下無(wú)線傳播環(huán)境的信道建模

無(wú)線傳播信道模型對(duì)于移動(dòng)通信的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用, 是進(jìn)行移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化, 系統(tǒng)可靠傳輸性能評(píng)估的基石. 在智能交通系統(tǒng)的高速移動(dòng)環(huán)境中, 無(wú)線傳播信道呈現(xiàn)出不同于中低速移動(dòng)條件下無(wú)線傳播信道的特征. 特別是高速移動(dòng)條件的信道時(shí)變特征加劇, 多徑隨機(jī)快速生滅使得信道非平穩(wěn)性更加顯著, 降低了通信傳輸可靠性. 對(duì)信道非平穩(wěn)特性的分析與建模成為當(dāng)前智能交通系統(tǒng)中高速移動(dòng)通信研究與發(fā)展的瓶頸.如何合理地對(duì)非平穩(wěn)信道進(jìn)行建模成為智能交通領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)技術(shù).

上述科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題的解決, 將全面提升軌道、道路、航空、水路和管道等綜合交通系統(tǒng)領(lǐng)域的信息化及智能化. 以軌道交通中的高鐵為例, 利用智能交通的關(guān)鍵技術(shù), 我國(guó)擬建設(shè)中的“京張高鐵”, 將應(yīng)用多層域狀態(tài)智能感知、 系統(tǒng)協(xié)同控制、安全態(tài)勢(shì)評(píng)估、大數(shù)據(jù)融合與智能維護(hù)、行程智能引導(dǎo)等技術(shù), 在列車運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)列車的智能調(diào)度、自動(dòng)駕駛、智能維護(hù)及高效節(jié)能, 同時(shí)面向旅客需求, 實(shí)現(xiàn)電子客票、 刷臉進(jìn)站、行程規(guī)劃等智能服務(wù), 構(gòu)建覆蓋高鐵全生命周期的智能運(yùn)維和綜合管理平臺(tái), 全面提高列車的安全和效率, 提升旅客的智能化服務(wù)水平.