智能交通系统 技术与应用

概述
计算机、电子设备、卫星和传感器正在交通领域扮演越来越重要的角色，其作为一种工具，因不同目的而被应用于不同的情境。智能交通系统（ITS）将各种信息和通信技术应用于各种交通运输方式（公路、铁路、水路、航空）中，并且能够为客运和货运提供均可适用的服务。目前，交通系统中存在的主要挑战是如何利用现有技术使得交通可持续发展，这就涉及效率、经济性和安全性的相互协调。
本书提出了一种整体的ITS方法，包含学术成果和产业成果。这种方法试图融合ITS中由研究机构和高校得出的非常有效的科研成果和技术方法。同时，本书还提出了如何在现实场景中部署这些工作。
本书分为5个部分，共16章。每个部分和每章都划定了自身的研究范围以使全书具有整体和连贯的线索，这样读者就可以从书中看到ITS从研究到发展的全过程。首先，本书概括性地给出了欧美智能交通系统的架构体系。其次，体系中的每一层，即从物理层面到应用层面都描述了一些ITS核心研究团队当前所面临的技术挑战。其中一些技术问题涉及诸如车载环境下的无线通信、传感器网络、监视或数据处理方法。后，本书介绍了一些已被产业界应用的针对用户和交通管理者的应用程序和服务。
大约50位资深研究者均对本书的编写作出了贡献，他们的研究为ITS提供了一个广泛的、多层次的、国际化的视野。他们来自于3个大洲的9个国家：英国、西班牙、葡萄牙、意大利、法国、芬兰、克罗地亚、美国和中国。为了寻求产业和学术间的平衡，研究者供职的机构为覆盖工业和学术界的13家ITS领域世界的组织和公司及其附属机构。
智能交通系统
ITS术语包含在交通领域利用信息和通信技术以获得经济、社会以及能源效益的一系列应用。ITS可以被应用于任何一种交通方式并且考虑了所有要素：包括车、基础设施和用户（驾驶人和乘客）。
正如上文所提到的，ITS的主要功能是改善交通系统性能，一方面通过其开发和制定的决策系统协助管理基础设施，另一方面帮助用户提升对交通系统的总体满
意度。
基于这个原因，ITS包含采集相关场景状态的信息系统、处理整合信息的系统以及为终端用户提供结果的系统，如下图所示。通过这种方法，ITS实时采集到的信息可被用于确定交通状态、计划行程、动态管理特定区域的交通、向客户报告来自物流操作人员的数据或者在地理信息系统（GIS）上显示的交通事故。总体来说，无论是公路、铁路、水路或者航空，所有的交通参与者都可以获得更多的信息和工具来帮助他们处理这些信息，以便对交通系统进行更为协调和智能的操作。

如果一定要给ITS一个定义，那么ITS可以说是一系列为了提高管理、维护、监视、控制和交通安全的，基于远程通信和计算机技术的解决方案。同时，智能系统可以被定义为用于获得所需产品的优化过程或资源，实时提供信息用于后续评估和控制，并且允许在其管理过程中引入变化。
基于这个原因，除了上述主要目标外，ITS还具有一系列优势，主要有提升运营效率和服务的稳定性，交通基础设施管理中的生产改善、提高安全性，减少环境影响和改进提供给交通用户的一系列信息服务。因此，ITS包含因远程信息处理概念在交通领域的应用而产生的不同工具和服务，例如：
自动交通管理系统。
公共交通信息服务。
旅行者信息系统。
车队管理和定位系统。
紧急情况管理。
电子支付系统。
车辆协同系统。
应用和服务的类型是非常多变的，这主要是因为ITS在持续发展并且越来越多的努力和资源被应用到它们的发展和实施过程之中。
另一方面，公共（和私营）机构在扶持政策上扮演着重要的角色，可以帮助和改善目前ITS应用的发展和部署。以欧盟为例，其之前的一个资助项目（地平线2020计划）定位为“智能、绿色、综合交通”，鼓励与“交通发展”或“绿色汽车”相关的项目和理念。
近年来，大量的项目、研究、创新已经聚焦于这里提到的理念，所有的这些都可归入ITS主题之下。下表列出了一些该领域的研究项目和方案。
（续）
项目描述
项目描述
PREVENT
有助于欧洲道路安全目标的有效预防的安全应用该项目旨在促进欧洲智能集成安全系统的发展、部署和应用，帮助驾驶人避免交通事故。其核心概念是基于危险的重要性和时机，系统应该尽可能早地提醒并警告驾驶人，如果他们没有作出反应，就积极协助或完全干预。它涉及诸如安全速度和安全跟随、横向支撑和驾驶人监视、交通路口的安全和易受伤害的道路用户及碰撞缓解系统的服务
AIDE
适应性的集成人车交互该项目的目标是产生知识并开发将高级驾驶辅助系统（ADAS）、车内信息系统（IVIS）以及驾驶环境设备安全有效地集成到驾驶环境中所需的方法论和人机界面技术。它测试了创新概念和技术，化ADAS的效率，小化在IVIS和设备限制下的工作量和干扰水平，并在不损害安全性的情况下，实现新的车内技术和设备在机动性和舒适性方面的潜在利益
SAFESPOT
道路安全协同系统“智能道路上的智能汽车”为防止道路交通事故的发生，该项目通过一个“安全边界助理”来提前发现潜在的危险情况，延伸驾驶人对周围环境感知的时空范围。实现这个目标需要同时用到基础设施和汽车，把它们作为安全相关信息的来源（和目的地），定义一个开放、灵活、模块化的通信架构，开发能评估影响和终端用户接受程度的基于传感技术和场景测试应用的关键技术和基础设施
COOPERS
智能道路安全的协同网络该项目针对交通管理创新应用的长期发展，整合车辆和基础设施。它通过专用的基础设施与车辆的通信连接，为车辆和驾驶人提供了实时的本地环境下与安全状况相关的信息。它遵循了一个三步法来实现I2V通信：改进道路传感器基础设施和交通控制应用程序，以获得更精确的交通信息和驾驶人意见开发能够处理I2V需求（可靠性、实时性和鲁棒性）的通信概念和应用程序，并在欧洲高速公路的重要路段进行结果演示
CVIS
车辆与基础设施协同系统该项目发展和整合重要的基础技术和使能技术，如能够轻易地适应车辆和路侧的多频道通信和网络平台技术、高度精确的定位和当地地图模块以及开放的软件应用环境。这些组件允许车辆与附近的车辆共享紧急信息，并且直接与在路侧的基础设施、基础设施运营商以及服务提供者进行对话
SAFETRIP
紧急处理、交通警示、道路安全和事故预防的卫星应用该项目提供了一个允许任一第三方公司发展道路市场应用的集成平台，促进新型的卫星技术的发展和通信特性的提升，并且集成在车内一个叫“绿盒子”的装置内，以提供一个双向通用的通信系统。项目过程中测试了下述应用：由从其他车辆、紧急呼叫系统和实时跟踪弱势乘客交通收集到的数据生成实时交通信息和预警
PRE-DRIVE基于对车际和车对基础设施通信系统的通用欧洲架构的总体概述，该项目旨在发展一个用于未来现场操作测试的详细系统规范和功能验证原型。此外，为协同系统开发了一个集成的仿真模型，可以在安全、效率和环境方面估计C2X通信的预期收益。后，实现了协同系统在真实交通环境下的功能验证和测试所需的必要工具和方法
DRIVE C2X
在欧洲推动实施和评价C2X通信技术该项目的目标是通过在欧洲不同地方进行实地操作试验，对协同系统完成一个完整的评估，目的是核实其利益并为其在市场的推广铺平道路。这个建议坚实地建立在前期和当前的协同系统工作之上，对于大规模现场操作测试也是足够成熟的。这个项目中重要的活动是测试方法和评估协同驾驶功能对用户、环境和社会产生的影响
INTERACTIVE
通过智能车辆积极介入来避免事故的发生该项目致力于基于主动干预的下一代智能车辆安全系统的开发和评估。通过整合车内部件的信息，大量的关于驾驶人、车辆位置和环境的信息可以提供给所有感兴趣的应用。项目基于三个支柱概念发展下一代安全系统：持续的驾驶支持、碰撞避免和碰撞减轻
ADAPTIVE
智能车辆的自动驾驶应用技术该项目在轿车和货车上发展新型的、集成的自动驾驶功能，通过将人为错误的影响小化来改善交通安全，通过平滑流量和减少拥堵来提高交通效率。此方法基于共享控制观念，确保在驾驶人和自动驾驶操作系统之间的恰当协调。在动态响应环境和驾驶人状态的自动化等级方面考虑使用车辆协同技术、先进的障碍传感器和自适应算法
ECOMOVE
机动协同系统和能源效率服务该项目通过发展系统和工具帮助驾驶人消除不必要的燃料消耗（路线和驾驶人行为化），创建了一个集成的道路交通能源效率解决方案，道路交通管理操作者可以以节能的方法（网络管理优化）管理交通。通过车辆与基础设施通信协同系统的结合，该项目旨在减少20%的燃料消耗

技术与应用
部分　智能交通系统
由于信息通信领域的快速发展，ITS越来越复杂并且更加难以发展和部署。因此，在设计ITS时，既要保证其每一部分的单独运行，又要保证所有组成部分结合在一起时整个系统的全面运行。
如今，ITS是结合了管理、控制、信息收集、驱动系统的多系统结构，必须实现完美的关联和同步，以实现整个系统的目标。因此，当设计ITS解决方案时，所有的子系统和相关方（用户、公司、政府等）利益的协同作用必须被明确，要提供一个普遍在用户的需求和适用范围基础上为计划、界定和整合在一个智能交通系统中进行设计的架构。
一个降低ITS复杂性的方法是使用提供一个包含一系列对一般ITS的普遍假定结构的架构参考。部分介绍了欧洲（第1章）和美国（第2章）的架构参考。两者都有一个共同的目标：帮助当地相关方参与ITS的设计来计划和实施可以对改善机动性体验作出贡献的操作系统，涉及车辆、驾驶人、乘客、道路管理者和政府，以及所有的要素与环境。
第二部分　无线车载通信
协同系统允许车辆互相通信（车对车，V2V）或者车同基础设施通信（车对基础设施，V2I；或者基础设施对车，I2V），并且目标是改善道路安全和交通管理。
目前，以车辆基于一个无线连接实现与基础设施的通信为例，如在公交车上安装允许车辆与交通信号灯进行通信的装置，以使其在交叉路口获得优先通行。因为两个要素之间相互交换它们的状态、位置和其他方面的信息，并且根据这些数据做出决策，因此ITS被认为是一个协同系统。这些种类的系统被认为是独立自主的系统，因为它们基于一个独立的平台，该平台仅为单一应用程序开发，并且很可能不会轻易地适应新的应用程序。若允许方便地添加分布于几个移动节点上的多层次服务和应用，就有可能实现开放平台的双向通信技术专利在协同系统中的部署。第二部分，即第
3 ~ 5章，介绍了能够使ITS处理问题的几种无线电技术和方案，尤其是在车辆环境下，可能有很多移动节点（车）需要互相通信（V2V连接）和与基础设施通信（V2I或I2V连接）。
天线在优化无线车载通信系统性能方面起着关键作用。第6章提出了车辆与电磁场相互作用及对ITS的影响，而第7章描述了交通行业的新型车载集成和车顶天线。这两章都展示了具有代表性的MIRA有限公司和Harada工业有限公司的的、深入的研究前沿。特别地，第6章概述了使用软件工具和定制技术对人体暴露于车内电磁场的信道特征和调查的相关问题，同时介绍了一种针对车内电磁场测量的新型低干扰扫描仪。除此之外，第7章讨论新的小型车顶天线和创新的隐藏及集成原型，这些原型具有增加多样性以获得卓越性能的潜力，并预测未来的车载远程信息天线都是外形小巧并且可以用于智能决策（即电子优化天线）。
第三部分　ITS传感器网络和监视系统
传统用于交通管理、监视和控制的方法在性能、成本、维护和支持方面变得效率低下。传感器网络是一种新兴技术，具有克服这些困难的有效潜力，并且会给ITS带来巨大的附加值。每年，许多行业人员和学术研究者都投身于城市和高速公路场景的应用开发中。传感器网络通过收集数据、规划和管理道路上的实际情况，以及为用户提供信息，从而使提高当前交通系统的效率成为可能。
网络节点之间的信息交换都可以通过自组织网络、基础设施或混合来通信。除此之外，两种传感器是需要区分的：道路传感器和车辆传感器。传感器的类型和通信模式的组合，产生了ITS的传感器网络架构。本书第三部分介绍了直接应用于ITS中的传感器。特别是，由于相对于有线网络所提供的优点，它们都集中在这些网络的无线版本中。具体的内容会在第8章和第9章详述。
第四部分　ITS中的数据处理技术
未来互联网和通信技术的部署将为智能交通系统提供大量数据(实时状态下的某一时间点)，这些数据需要管理、通信、解释、汇总和分析。因此，需要开发和应用新的数据处理技术、数据挖掘技术以及数据优化技术，以支持相应的决策和控制。
总的来说，智能交通系统的所有参与者既是数据的产生者，又是数据源，这极有可能导致数据量巨大且更新率较低。数据产生的这种增长是由个人、新型传感器和车载通信能力驱动的。本书第四部分中的第10章和第11章，介绍了利用数据采集和处理新技术的应用，并设计了应用于智能交通系统领域的新方法和应用程序。一些法律层面的知识将在第12章中阐述。
第五部分　用户和交通管理者的应用和服务
基础结构层的几种技术一旦被覆盖，它们将结合起来为用户和交通管理者提供软件应用程序和服务，目的通常是为了改善移动性管理和城市生活质量。
从交通管理者的角度来讲，智能交通系统的一个重要组成部分就是交通管理系统。交通管理系统的主要目标就是实现路网的有效管理，优化交通流，同时限度地提高道路使用者的安全性和舒适性。尤其是提高道路交通安全性，这是在交通协同系统中的一种特别有效的方法。第五部分的第13章，介绍了以数据收集、处理和分析以及信息传播和驱动作为支柱的交通管理系统的概念架构。第14章则介绍了城市交通中的一些协同方法的应用示例，例如与协同匝道控制相关的应用。交通管理的议题是由不同的城市和公路交通环境中的交通管理系统的描述完成的。
从驾驶人的角度来讲，当车辆起动时，车辆可以为驾驶人提供多项服务。这些服务分别具有不同的功能：娱乐、安全和导航等。在道路上行驶时，驾驶人会遇到许多意想不到的情况。因此，实时交通和旅游信息系统除外，静态和动态的道路交通信号灯试图提醒所有驾驶人发生在道路上的所有事件。在驾驶过程中掌握周围的环境状况，对于驾驶人的正确决策至关重要。
但是，如果所有探测到的信息不经过过滤和优先排序，都显示在汽车仪表板上，那么驾驶人的工作量会大大增加。所以，为驾驶人优先筛选出重要信息是非常有必要的。意识到这种优先排序的重要性，第15章提出了一种车载智能交通信息管理系统的新方法。
后，从用户的角度来讲，新的方法在服务多式联运运行规划已经出现。在过去的几年里，由于在制度层面基于公交优先的理念，交通习惯和城市交通已经发生了显著变化。人们逐渐将公共交通作为一种可行的替代方式，即同时利用公共交通工具与私人交通工具，也就是多式联运。第16章展现了旨在促进多式联运的使用软件解决方案和服务的概略。
小结
智能交通系统在客运和货运的安全性、效率、可持续性和舒适度方面正扮演着越来越重要的角色。从这一点来讲，智能交通系统在科幻与现实之间实现了一个很好的结合。一方面，一套前景很好的技术已经出现，许多研究团队都在进行初步探索；另一方面，一些相关的智能交通系统已经部署和应用到工业企业中。
本书提出了智能交通系统领域内学术贡献和工业应用的均衡结合。一些致力于ITS研究的团队已经取得了代表性的技术和研究成果，并展示其产生的工业解决方案及在实际交通环境中部署的可能性。
本书的目的是为研发人员和研究生寻找一个开始研究智能交通系统热点的基线。同时为他们提供了一个智能交通系统发展趋势的详尽叙述（从物理层到应用层），以使他们能够使用参考书目和其他资源关注自己感兴趣的领域。作为未来研究的步，本书也为学者和研究人员提供了一个涉及信息通信技术和交通领域的热点话题的有效介绍。不仅如此，本书通过包括工业合作伙伴描述的真实的案例来完成这一整体方法，在这些案例中，研究工作是针对真实的ITS产品和服务进行的。
衷心希望你能从本书中学到所需的知识！

《智能交通系统：技术与应用》对智能交通系统（ITS）进行了系统性的概述。本书对欧盟主要研究项目中开发的架构参考进行深入介绍；从物理层到应用层逐层深入研究了这些架构体系，并描述了ITS研究团队目前面临的一些技术问题；介绍了其一些由工业合作伙伴部署的用户服务和应用程序。
《智能交通系统：技术与应用》是智能交通系统领域学术贡献和工业应用的完美结合，对一些ITS研究团队所取得的极具代表性的技术和研究成果进行了整理，以展示在实际交通环境中产生工业解决方案的可能性。

《智能交通系统：技术与应用》对智能交通系统（ITS）进行了系统性的概述。本书对欧盟主要研究项目中开发的架构参考进行深入介绍；从物理层到应用层逐层深入研究了这些架构体系，并描述了ITS研究团队目前面临的一些技术问题；介绍了其一些由工业合作伙伴部署的用户服务和应用程序。
《智能交通系统：技术与应用》是智能交通系统领域学术贡献和工业应用的完美结合，对一些ITS研究团队所取得的极具代表性的技术和研究成果进行了整理，以展示在实际交通环境中产生工业解决方案的可能性。

【作者简介】

阿西尔·佩拉尔（Asier Perallos），获得西班牙德乌斯托大学计算机工程学博士学位，计算机工程系主任，主要研究领域为远程信息系统、车辆通信和智能交通系统。

乌奈·埃尔南德斯·贾（Unai Hernandez-Jayo），获得西班牙德乌斯托大学电信学博士学位，主要研究领域为车辆通信、智能交通系统。

前言
部分　智能交通系统
1　欧洲智能交通架构参考2
1.1　概述2
1.2　FRAME：欧洲ITS框架架构2
1.2.1　背景2
1.2.2　范围3
1.2.3　方法与内容4
1.3　协作系统及其对欧洲ITS架构定义的影响5
1.3.1　研究项目和措施5
1.3.2　驾驶人和实地操作试验6
1.3.3　欧洲政策与标准化框架6
1.3.4　对FRAME架构的影响7
1.4　ITS架构设计经验7
1.4.1　Cybercars-2：合作控制论运输系统的架构设计8
1.4.2　MoveUs 云基础平台架构11
参考文献13
2　美国ITS架构参考15
2.1　概述15
2.2　美国国家ITS架构15
2.3　美国国家ITS架构的起源16
2.4　美国国家ITS架构定义16
2.4.1　开发过程17
2.4.2　用户服务18
2.4.3　逻辑架构18
2.4.4　物理架构19
2.4.5　服务21
2.4.6　标准映射21
2.5　对美国国家ITS发展的影响22
2.5.1　架构和标准管理22
2.5.2　ITS计划23
2.5.3　ITS项目开发24
2.5.4　工具26
2.6　美国国家ITS架构体系的演化28
参考文献29
第二部分　无线车载通信
3　车载环境下的无线通信32
3.1　车载网络的发展背景和历史起源32
3.2　车载网络的实现方法38
3.3　车载自组织网络40
3.3.1　车辆与基础设施间的通信41
3.3.2　车辆与车辆间的通信42
3.3.3　综合车辆与车辆以及车辆与基础设施之间的通信43
3.3.4　混合式车载网络44
3.3.5　LTE及其液体应用44
参考文献45
4　基于路侧基础设施的无限车载通信案例48
4.1　概述48
4.2　车辆安全应用通信方面的MAC方案51
4.2.1　基于基础设施的无冲突MAC协议53
4.2.2　RT-WiFi-TDMA层55
4.2.3　车辆确定接入（VDA）55
4.2.4　自组织时分多址（STDMA）55
4.2.5　MS-Aloha56
4.3　车辆的柔性时间触发协议57
4.3.1　高速公路上的RSU部署模型57
4.3.2　RSU基础设施窗口（IW）58
4.3.3　V-FTT协议概述60
4.3.4　同步OBU窗（SOW）63
4.4　V-FTT协议的详细信息64
4.4.1　触发信息尺寸64
4.4.2　同步OBU窗长（lSOW）65
4.4.3　V-FTT协议：IEEE 802.11p/WAVE/ITS G-566
4.5　结论68
参考文献69
5　智能交通系统和车载网络的网络安全风险分析71
5.1　概述71
5.2　汽车网络安全漏洞72
5.2.1　信息安全72
5.2.2　电磁漏洞72
5.3　标准和准则73
5.3.1　风险评估概念73
5.3.2　功能安全标准74
5.3.3　信息技术安全标准74
5.3.4　安全和信息安全综合分析75
5.4　威胁识别75
5.4.1　使用案例75
5.4.2　安全行为者76
5.4.3　暗视场景（Dark-side方案）和攻击树77
5.4.4　确定安全要求79
5.5　意外安全风险与蓄意安全风险统一分析80
5.5.1　严重程度等级80
5.5.2　概率等级81
5.5.3　可控性等级83
5.5.4　风险等级83
5.5.5　攻击树风险评估84
5.5.6　优先考虑安全功能要求85
5.5.7　安全保证和安全完整性要求86
5.6　网络安全风险管理88
5.7　结论88
参考文献89
6　车辆与电磁场的相互作用及对智能交通系统（ITS）的影响92
6.1　概述92
6.2　车载电磁场调查和通道表征93
6.3　现场仿真工具和技术95
6.4　车内电磁场测量99
6.5　场分布和天线的模拟放置优化102
6.6　占用场暴露和可能的现场缓解方法105
6.6.1　人体暴露于电磁场105
6.6.2　现场缓解方法107
6.7　结论110
致谢110
参考文献111
7　新型车载集成和车顶天线113
7.1　概述113
7.2　广播电台的天线113
7.2.1　车顶天线113
7.2.2