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寧濱院士：智能交通中的若干科學和技術(shù)問題
發(fā)布時間：2018-11-21 分類：趨勢研究
當今全球進入信息化及智能化時代, 新一代多層域感知、人工智能、移動互聯(lián)、主動協(xié)同等技術(shù)的不斷進步, 推動智能交通系統(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、設計制造、運營維護全生命周期的信息化和智能化, 主要面臨智能感知、 運動體控制與自主協(xié)同、交通需求引導與一體化出行、運行安全態(tài)勢評估及應急處理、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和技術(shù)問題. 《中國科學：信息科學》第9期發(fā)表了寧濱院士的觀點文章 “智能交通中的若干科學和技術(shù)問題”。文章調(diào)研了近年來智能交通系統(tǒng)的發(fā)展, 總結(jié)了當今智能交通系統(tǒng)中的若干科學和技術(shù)問題.
智能交通系統(tǒng) (intelligent transportation system, ITS) 是在傳統(tǒng)交通系統(tǒng)基礎上, 將先進的傳感技術(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)、計算機技術(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、實時準確高效的綜合交通運行控制與管理系統(tǒng), 是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向.
隨著交通運輸基礎設施持續(xù)建設及先進技術(shù)的持續(xù)進步, 由軌道、道路、航空、水路、 管道等多種運輸方式構(gòu)成的綜合交通運輸體系不斷完善, 智能交通的概念也從單項交通的智能化逐步擴充到了綜合交通系統(tǒng)的信息化、 網(wǎng)絡化和智能化. 綜合交通系統(tǒng)作為經(jīng)濟社會發(fā)展的先導性、服務性行業(yè), 是人類社會經(jīng)濟活動的基礎支柱和重要紐帶, 智能交通作為該系統(tǒng)核心技術(shù)得到了國際學術(shù)界和商業(yè)界的高度重視.
美國以《2050年遠景: 國家綜合運輸系統(tǒng)》為導向, 提出建設具有一體化、國際化、聯(lián)合化、包容化、智能化、創(chuàng)新化的“6 I"型交通運輸系統(tǒng); 歐盟以《交通白皮書》為核心, 注重綜合交通網(wǎng)絡配置及樞紐建設, 構(gòu)建高效協(xié)同、綠色環(huán)保的綜合交通運輸系統(tǒng); 德國實施《2030聯(lián)邦交通網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》的國家戰(zhàn)略, 建設低排放、低成本、 高效率、高協(xié)同的環(huán)境友好型交通運輸網(wǎng)絡.
在我國, 國務院于2006年頒布《國家中長期科學和技術(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; 國家發(fā)展改革委和交通運輸部于2016年聯(lián)合發(fā)布了《推進“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進智能交通發(fā)展的實施方案》, 在國內(nèi)首次提出了智能交通(ITS)的總體框架和實施方案. 2017年,國務院印發(fā)《“十三五"現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》, 提出了綜合交通基礎設施網(wǎng)絡中長期的發(fā)展目標和任務. 同年, 國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》, 對軌道交通智能化發(fā)展從強化關鍵共性技術(shù)和基礎平臺研究、研究智能運載工具、 加快推進智能交通技術(shù)應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, 推進綜合交通運輸系統(tǒng)向網(wǎng)聯(lián)化、協(xié)同化和智慧化方向發(fā)展. 當今全球進入信息化及智能化時代, 新一代多層域感知、人工智能、移動互聯(lián)、主動協(xié)同等技術(shù)的不斷進步, 推動智能交通系統(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、設計制造、運營維護全生命周期的信息化和智能化, 主要面臨智能感知、 運動體控制與自主協(xié)同、綜合交通網(wǎng)絡的管控一體化、交通需求引導與一體化出行、運行安全態(tài)勢評估及應急處理、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和技術(shù)問題.
本文根據(jù)近年的研究將智能交通系統(tǒng)中的若干科學和技術(shù)問題總結(jié)和簡述如下.
1多層域協(xié)同智能感知與數(shù)據(jù)融合
面向載運工具、基礎設施、旅客和貨物等多層域感知對象, 研究如何綜合利用智能傳感器、跨媒體感知計算、 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)一致性標準和完備性驗證機制, 實現(xiàn)交通信息全面、實時、精準的采集、傳輸和融合, 是智能交通系統(tǒng)需要解決的基礎問題之一, 將為實現(xiàn)智能化的交通運行控制、服務和管理提供數(shù)據(jù)支撐.
2多源信息下測速定位技術(shù)與濾波理論
精確的移動體速度與位置信息是智能交通系統(tǒng)的關鍵基礎數(shù)據(jù)之一, 交通系統(tǒng)的運行環(huán)境比較復雜, 雷達/區(qū)間測速與北斗/GPS定位等的多源信息融合, 是代替單一測速定位方式, 提升平面和空間測速定位精度的重要手段, 同時產(chǎn)生了多源信息下的高效融合及其實時檢測信號的精準濾波難題. 如何設計多源信息下的測速定位技術(shù)及其濾波方法, 是實現(xiàn)移動體在平面和空間運動狀態(tài)量的精準感知的重要研究方向之一.
3移動體運動狀態(tài)下的動態(tài)建模
移動體模型的建立是揭示移動體運動規(guī)律的過程. 傳統(tǒng)動靜態(tài)建模方法嘗試用經(jīng)典數(shù)學方法以最簡化原則建立運動規(guī)律的確定性關系, 隨機模型以概率分布等形式建模隨機特性, 模糊模型以隸屬度刻畫的方式建模模糊特性與環(huán)境, 數(shù)據(jù)驅(qū)動建模以海量數(shù)據(jù)建模復雜過程的運行機理. 交通系統(tǒng)涉及多層次、多特性的高維時空變化量, 解決此類數(shù)據(jù)環(huán)境下移動體運動狀態(tài)下的動態(tài)建模問題, 是智能交通系統(tǒng)中控制與優(yōu)化要解決的科學問題.
4移動體無人自主控制
移動體的無人駕駛是當今無人系統(tǒng)領域的研究熱點. 由于執(zhí)行任務環(huán)境的高度動態(tài)化、不確定性, 以及運輸任務的復雜性, 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體無人自主控制技術(shù)發(fā)展的重要目標,如何保證運輸服務品質(zhì)以及提升突發(fā)狀況下的應急處置能力是其研究的核心.
5移動體與基礎設施的相互作用與主動協(xié)同
由于移動體所處環(huán)境隨著位移的改變而快速變化, 來自外部的風、雨、電、 磁等多種環(huán)境因素導致移動體與基礎設施間的相互作用極為復雜. 研究復雜環(huán)境下移動體與基礎設施相互作用問題的科學意義在于, 探索和明確復雜環(huán)境和運營條件下基礎設施服役性能演變規(guī)律以及移動體本體的動態(tài)特性, 從而提高運輸系統(tǒng)的整體性能. 移動體與基礎設施的協(xié)作是近年來交通領域研究的熱點問題, 其利用信息、通信、 傳感網(wǎng)絡、下一代互聯(lián)網(wǎng)、可信計算和計算仿真等領域的最新技術(shù), 實現(xiàn)移動體與基礎設施的智能化和信息共享. 在實時、 可靠的全時空交通信息基礎上, 結(jié)合移動體主動安全控制和移動體/基礎設施協(xié)同控制, 實現(xiàn)人–移動體–基礎設施的有效協(xié)同.
6交通工具的聯(lián)合導航與交通需求引導
運用先進的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, 基于實時綜合交通態(tài)勢分析的信息服務, 結(jié)合不同交通工具的運行特點, 研究綜合交通系統(tǒng)中的交通工具聯(lián)合導航技術(shù). 對客運來講, 在已知出行者當前狀態(tài)與出行目的地情況下, 動態(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; 對貨運來講, 研究全局交通協(xié)同運行下的一票出行問題, 在高效智能管理模式下可實現(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對多尺度交通需求生成與分布特點的影響, 進一步研究多樣化的信息服務對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策略.
7綜合安全態(tài)勢動態(tài)評估
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)勢的動態(tài)評估需要實時監(jiān)測并處理大量多粒度、多維度、多模態(tài)的數(shù)據(jù), 如何結(jié)合交通系統(tǒng)的運行特征、架構(gòu)特征等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和理解并建立交通綜合安全態(tài)勢的指標體系是需要考慮的科學和技術(shù)問題. 構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)與安全態(tài)勢指標之間的關聯(lián)關系, 形成交通綜合安全態(tài)勢的動態(tài)評估對提升交通運營服務的可靠性和彈性, 對交通系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化設計和裝備的智能維護具有重要意義.
8系統(tǒng)RAMS性能與主動安全防護
智能交通系統(tǒng)的運營服務特征決定了系統(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)運行及運營環(huán)境信息的全面感知, 綜合系統(tǒng)運行機理, 對影響系統(tǒng)RAMS性能的故障、風險等的追蹤溯源, 建立以故障診斷和故障檢測為核心的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)主動安全防護, 對系統(tǒng)風險進行精準辨識, 進而實現(xiàn)主動防御及追蹤溯源. 對系統(tǒng)潛在或即將發(fā)生的風險進行感知, 并從交通運營服務的穩(wěn)定性和可靠性保障出發(fā)進行針對性風險響應也是核心技術(shù)問題. 依賴于人工智能、大數(shù)據(jù), 以及人腦科學的發(fā)展可使得面向風險響應和管理的決策機制實現(xiàn)最優(yōu), 進而實現(xiàn)交通系統(tǒng)設計、建設、運營等全生命周期的主動安全防護體系.
9基于商用產(chǎn)品的安全計算機平臺
智能交通系統(tǒng)中交通工具運行速度越來越高, 移動體之間的運行間隔越來越小, 這對系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求. 系統(tǒng)中關鍵子系統(tǒng)的運行控制必須具備故障導向安全屬性, 高可靠的安全計算機平臺是實現(xiàn)故障導向安全的最佳途徑. 隨著電子與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展, 使用商用產(chǎn)品或部件實現(xiàn)運行控制安全計算機平臺成為業(yè)界的趨勢. 如何利用容錯及故障診斷技術(shù)等, 保障基于商用部件的運行控制安全計算機平臺的高安全性、高可靠性、 高可用性成為該領域重要的技術(shù)問題.
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、應用不夠深的初級階段, 數(shù)據(jù)來源和質(zhì)量面臨著縱向斷層、橫向不通的實際問題, 行業(yè)應用仍比較單一, 綜合化、智能化程度有待進一步提升. 研究如何充分挖掘覆蓋交通領域生產(chǎn)制造、設計、施工、運營、維護等全生命周期的海量數(shù)據(jù)價值, 構(gòu)建面向行業(yè)深度應用的交通大數(shù)據(jù)基礎框架和技術(shù)體系, 將成為推動建設新一代智能交通系統(tǒng)的基礎, 也會促使交通運輸行業(yè)新模式、新業(yè)態(tài)、新應用不斷涌現(xiàn).
11基于狀態(tài)修的智能維護
在現(xiàn)有交通系統(tǒng)中, 針對載運工具和基礎設施的維護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)對進一步提高安全保障能力和降低運營成本的需求. 研究如何基于海量的設備靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù), 精確刻畫部件和系統(tǒng)的相互影響機理和狀態(tài)演化規(guī)律, 建立根據(jù)設備運行狀況進行檢修的“狀態(tài)修"智能維護模式, 并通過物聯(lián)網(wǎng)將上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時的互聯(lián)互通, 使運營與檢修數(shù)字化、可控化、實現(xiàn)維修過程狀態(tài)化、可視化、 實時化、透明化和可溯化.
12移動體–移動體/移動體–基礎設施間高可靠通信
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)絡拓撲、高速移動的交通工具、復雜的物理環(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用的安全性、可靠性和網(wǎng)絡性能需求. 隨著智能交通系統(tǒng)對綜合承載業(yè)務的需求提升, 系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系架構(gòu)、通信協(xié)議、計算模式、 芯片設計都會發(fā)生相應改變, 如何將人工智能、云計算與云存儲、大數(shù)據(jù)等智能化技術(shù)融入智能交通系統(tǒng), 實現(xiàn)大規(guī)模并行的移動體–移動體/移動體–基礎設施間的綜合業(yè)務通信, 并保證控制信息的高可靠傳輸是智能交通系統(tǒng)中的重要問題.
13高速移動條件下無線傳播環(huán)境的信道建模
無線傳播信道模型對于移動通信的發(fā)展具有重要推動作用, 是進行移動通信網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化, 系統(tǒng)可靠傳輸性能評估的基石. 在智能交通系統(tǒng)的高速移動環(huán)境中, 無線傳播信道呈現(xiàn)出不同于中低速移動條件下無線傳播信道的特征. 特別是高速移動條件的信道時變特征加劇, 多徑隨機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. 對信道非平穩(wěn)特性的分析與建模成為當前智能交通系統(tǒng)中高速移動通信研究與發(fā)展的瓶頸.如何合理地對非平穩(wěn)信道進行建模成為智能交通領域極具挑戰(zhàn)性的科學技術(shù).
上述科學和技術(shù)問題的解決, 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, 利用智能交通的關鍵技術(shù), 我國擬建設中的“京張高鐵”, 將應用多層域狀態(tài)智能感知、 系統(tǒng)協(xié)同控制、安全態(tài)勢評估、大數(shù)據(jù)融合與智能維護、行程智能引導等技術(shù), 在列車運營維護過程中實現(xiàn)列車的智能調(diào)度、自動駕駛、智能維護及高效節(jié)能, 同時面向旅客需求, 實現(xiàn)電子客票、 刷臉進站、行程規(guī)劃等智能服務, 構(gòu)建覆蓋高鐵全生命周期的智能運維和綜合管理平臺, 全面提高列車的安全和效率, 提升旅客的智能化服務水平.
