在未来智慧城市中的智慧道路进展

  世界各国已开始着手设计和实施智慧城市。仅中国就有 300 多个智慧城市项目，行业和政府部门的积极参与。智慧城市的重要组成部分是交通。我们将讨论交通技术的现状、发展和一些新兴进步，以及智能道路的这些进步将如何为社会实现未来的智慧城市做好准备。

  多年来，技术继续影响着社会，提高了我们的生活水平和生活品质。电信、物联网、云计算和边缘计算、可扩展存储和数据分析方面的进步使快速计算、数据赋能洞察、互联移动和随时随地通信成为可能。随着新兴技术融合带来的附加能力，许多国家现已推出与智慧城市相关的国家项目，以改变生活、增强商业运营和市场竞争力。如今，智慧城市有很多定义，包括标准化机构的定义。例如，英国标准协会 [ 1] 将其定义为： 在建筑环境中有效整合物理、数字和人类系统，为其公民提供可持续、繁荣和包容的未来。

  中国国家智慧城市工作组将其定义为： 智慧城市带来全新的理念和模式，运用物联网、云计算、大数据、空间地理信息融合等新一代信息技术，促进城市规划、建设、管理和智慧服务。城市。

  事实上，ITU-T 焦点小组已经分析了 100 多个定义，并最终得出了自己的定义 [ 2]，即

  可持续智慧城市是指利用信息和通信技术 (ICT) 和其他手段提高生活品质、城市运营和服务效率以及竞争力的创新城市，同时确保满足当代和未来几代人的需求。尊重经济、社会和环境方面。

  智慧城市背后的关键技术是连接、云计算、数据分析、传感器、物联网和人工智能。智慧城市涵盖广泛的应用和用例。许多国家强调的三个常用案例是（i）交通、（ii）健康和（iii）生活。在本文中，我们将只关注智慧城市的交通。特别是，我们将研究过去几十年全球智能道路的进展。

  交通是现代社会和经济的动脉。货物和人员的运输使商业成功并创造了新的城市。虽然交通通常被视为一个经典的土木和结构工程问题，但它正慢慢的变多地通过信息通信技术实现数字化。我们当今社会面临的当前交通问题包括：（i）交通拥堵，（ii）事故，（iii）污染，（iv）燃料成本，（v）燃料稀缺，（vi）高保险成本，以及（vii）其他。城市人口的增加和汽车、自行车、摩托车和道路使用者数量的增加增加了事故、交通拥堵等的风险。因此，在过去的几十年中，在解决其中一些问题方面取得了一些进展。

  智能交通包括：(i) 智能道路，(ii) 智能路灯，(iii) 智能汽车，以及 (iv) 智能交通标志。在追求零碳排放和克服高油价的过程中，电动汽车 (EV) 如今在道路上普遍出现。此外，在 GOOGLE 和 UBER 等大公司的推动下，无人驾驶无人驾驶汽车 (AV) 正在积极设计、创建和测试。一些公司甚至设计和制造飞行汽车 [ 3]。致力于先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的公司、车辆充电解决方案和生产强大人工智能芯片组的半导体公司逐步推动了所有这些。

  如图所示 图1，自 1990 年代中期以来，各种与交通运输相关的技术已发展了多年，涵盖了这些技术所解决的有趣的广泛领域。从旋律道路开始，到车对车通信、车载 自 组网、电气化道路、道路能量收集、智能道路交叉口、自称道路、ITS协同应急救援、驾驶行为捕捉方法、智能路灯和无线数字交通标志。

  为了衡量社区的研究强度水平，个人会使用关键字对这些主题进行了谷歌搜索，我们获得的结果为在 表格1. 如图所示，无人驾驶汽车和智慧城市最近引起了社区的大量关注和研究工作。智能交通标志和交通路口也是热门研究课题。仅交通道路安全一项就以超过一百万份出版物位居榜首。因此，交通安全仍然是许多交通领域研究人员关注的核心。尽管许多行业领导者预测我们未来的道路需要无人驾驶汽车，并且已经在加利福尼亚、亚利桑那和其他州进行了多项试验，但交通道路安全仍然至关重要。

  在本文中，我们将着重关注智能交通，而不是涵盖电动汽车和智慧城市。具体来说，我们将讨论多年来智能道路取得的进展是如何演变的，以及它们将如何帮助实现未来智慧城市的智能交通（ 图 2和 表 2）。

  在[ 4]中，智能交通的未来是关于智能标志和道路。事实上，我们正在进入信息高速公路（连通性、互联网和数据网格）与交通高速公路相遇的时代。道路不再仅仅被视为一个物理实体或坚实的地面。他们将获得几十年前从未有过的信息通信、智能和传感能力。标准化机构在智能交通系统 (ITS) 方面所做的工作包括 ISO TC 204、IEEE 802.11WAVE、车对车联盟等，而早期的标准化工作大多集中在空中接口上，因此越来越需要查看架构、系统和应用程序。

  在以下部分中，我们将讨论多年来在智能道路方面取得的十项进步。尽管这些进步解决了交通中的一个特定问题，但集体了解这些进步并评估它们将怎么样影响未来的智能道路建设是有用的。

  道路旨在提供从一个地方到另一个地方的交通连接。没有道路，车辆将不得已在崎岖不平的路面上行驶，或者由于障碍物而不得不走很长的路线而不是直接路线。然而，未来的智能道路将能够做的不单单是为目的地铺平道路。最近也出现了利用道路获取能源的想法 [5、6 ]。

  有几种办法能够从道路上获取能量。一些使用阳光（因此称为太阳能道路 [ 7]），而另一些则使用车辆横穿道路时产生的机械振动来产生电能。在道路上捕获的太阳能可用于为路灯、标牌和交通信号灯供电。收集的能量也可以存储或馈送到电网。这是交通电网与发电电网的交汇点，改变了供电模式的未来。对于太阳能道路，光伏组件直接放置在路面顶部以捕获阳光，如图所示 图 3. 产生的能量还可用于在夜间照亮街道分隔线，并在冬季用于融化冰雪。表 3和 和44显示已经试验和实施太阳能道路和“压电道路”的国家。

  压电道路 [ 9, 10] 使用压电装置来产生电能。压电晶体放置在沥青表面下方约 5 厘米处，当车辆穿过马路时，这些晶体会轻微变形。晶体变形产生电流，如图所示 图 4. 因此，汽车的机械能现在转化为电能。东日本旅客铁道公司（地铁站大门下）和 Innowattech Ltd.（以色列道路下）已经部署了压电设备。据 Innowattech 称，如果将此类设备安装在 1 公里长的道路上，平均可以收集 400 千瓦的电力，足以为美国西部 162 户家庭供电 [ 5, 6]。交通流量（车辆/小时）影响功率密度，压电技术在交通流量高的地区表现最佳。

  第三种能量收集形式是利用动态减速带将过往车辆的动能转换为电能。这是作为欧盟 FP7 POWERAMP 项目 [ 11] 的一部分提出的。

  音乐道路是当汽车驶过时可以产生音乐或曲调的道路。它也被称为道路乐器。日本、美国、丹麦、荷兰、台湾和韩国等国家都修建了这样的道路。日本北海道工业研究所的工程师开发了一种音乐路面，它使用汽车作为音叉来创作音乐。关键概念是使用在路面上以特定间隔间隔开的凹槽或隆隆带。因此，根据凹槽的间距，在凹槽上行驶的汽车将产生一系列高音或低音。然后，设计师能够准确的通过这些音符的变化来创作音乐。发现产生配乐的最佳速度是 28 mph。开得太快就等于快进了。

  音乐道路的目的不单单是为娱乐，还包括危险警告、道路安全和帮助司机保持限速。如图所示 表 5，音乐道路在几个国家很好地达到了其安全目的。然而，这种音乐可能会在晚上对居住在附近的居民造成干扰，因为他们的睡眠经常被音乐打断。因此，音乐道路必须在夜间受到限制，或者必须远离居民。它非常适合于高速公路和漫长的乡村道路，以提醒他们的行驶速度。

  道路不仅用于运输人员，还大量用于运输货物。例如，仅在美国，每年就有数十亿吨的运输量，如图所示 图 5一个 。公路运输是许多国家货运业务的重要组成部分。超载的卡车在道路上构成潜在危险，通常在高速翻滚、突然刹车或机动急转弯和弯道，如图所示 图 6一个 。因此，经常需要检查卡车的重量和安全合规性。多年来，技术的进步已将静态称重改进为动态称重 (WIM) [ 12] 和虚拟 WIM [13、14 ]。

  ( a ) 2015 年至 2045 年在美国运输的总吨位（来源：美国交通部、交通统计局和联邦公路管理局，货运分析框架，v. 4.1，2016 年。）和 ( b ) 一辆卡车正在称重以确保其符合规定。

  随着减少碳排放和缓解燃料短缺的趋势一直增长，电动汽车现在越来越普遍。但是，如果剩余电池容量不够，则需要为电动汽车充电。通常，可能很难在附近找到充电站，尤其是在农村地区。在城市内，充电站现在位于购物中心和停车场。此外，一些学校和公共巴士现在完全由电力驱动。在韩国 [ 19]，校园内的公共汽车可以自动连续充电，允许它们使用更小的电池（普通电动汽车的三分之一）。其他方法在公共汽车站和固定常规路线的某些路段为车辆充电。

  一些城市建议未来为无人驾驶电动卡车使用专门分配的充电车道。卡车通常要长途跋涉才能运送货物，因此一定要经常充电。在瑞典 [ 20]，斯德哥尔摩附近约 1.2 英里的道路已被改造为“电气化道路”。当汽车和卡车在路上行驶时，它会为它们充电。它是瑞典“eRoadArlanda”项目的一部分，该项目旨在为车辆提供动态充电，而不是使用路边充电桩。根据瑞典人的提议，这不依赖于在道路上使用铁轨。

  在英国 [ 21]，政府对能够在汽车行驶时为汽车充电的新型道路技术感兴趣。具体来说，政府对磁感应技术很感兴趣。这个想法是将电缆埋在路面下面，这样它们就会产生足够强的电磁场，可以被汽车中的接收器设备接收，并将其转化为电能。该原理遵循迈克尔法拉第的电磁感应定律。具体而言，为此目的分配了一条绿色车道。电气化道路的共同目标是实现电动汽车的超低排放（ 图 7）。

  交通道路标志已经存在并使用了很久。事实上，英国和美国是世界上最早部署交通标志以警告驾驶员和执行交通规则的国家之一。 然而，正如 [ 22]中指出的，存在与交通标志相关的问题，例如

  美国有 60 多个标志，英国高速公路代码中有 170 个标志可供学习和记忆，这对于高级驾驶员和记忆力差和记忆力差的人来说十分艰难。如图所示 图 8，无线数字交通标志的想法是在交通标志板上嵌入一个服务器。然后将特定标志无线广播给迎面而来的交通。然后，位于车内的接收器单元将接收到无线标志信号并提醒（口头或在显示屏上）驾驶员。这完全消除了驾驶员在驾驶时注意标志的需要，并且他可以将注意力集中在他面前发生的事情上。

  传统的交通违规检测的新方法是通过预先安装的摄像头和道路上带有白线标记的测速雷达检测器来完成的 [ 23, 24]。由于能见度差，这一些方法在雨、雪和雾条件下效果较差。最近出现了两种自动交通违规检测的解决方案：(i) 利用无线] 和 (ii) 使用无人机或无人驾驶飞行器 (UAV) [ 25]。

  随着无线交通标志柱的存在，可以创建一种新的交通违规检测的新方法[ 22]。例如，驾驶员将无法向交通执法人员否认和忽视标志的存在，因为接收到的和语音讲述的标志将作为证据记录在汽车 ADAS 客户端系统和汽车黑匣子上。

  如图所示 图 9, 以超过规定的限速行驶将违反交通法规，无线数字路标会提醒交通传票系统，然后该系统能通过蜂窝连接直接将交通传票发送给驾驶员。或者，能够最终靠无线数字交通标志柱将违规警报直接发送给司机，同时将副本发送到交通引用系统。将潜水员收到的无线交通标志信息记录为通知成功的证明，司机不能否认没有收到。这个过程是自动和无缝的，因此将提高交通违章执法的运作效率。

  第二种方法涉及使用无人机或无人机，这已被全球各种警察部队最近使用，如图所示 表 6. 检测交通违规的主要挑战是需要证据。需要在违规发生的时间和地点提供证据。 表 6表明几个国家已经在道路上采用了无人机。配备摄像头和无线通信的无人机可以有效地对交通违规事件进行视频记录，提供汽车和司机的身份信息，并将违规事件通知警方。在其他使用案例中，无人机还可用于检测正在进行的犯罪、行为、司机在驾驶时发短信或打电话、可疑司机在酒后驾驶 (DUI) 以及调查车祸后道路交通事故。

  移动 自组织网络已经通过车载自组织 网络和车对车通信能力渗透到车载空间，或通常称为 V2V。从汽车到任何路边基础设施的通信称为 V2I，而 V2X 是指从车辆到任何其他对象的通信。V2X 很重要，因为它允许汽车和物体交流和交换关键信息，无论是位置、身份、物理存在状态还是速度信息。有了这些数据，就可以提醒汽车注意潜在的即将发生的交通危险，避免事故并提高道路使用者的安全性。

  目前，V2V 可用于向其他相邻汽车传播事故警报。还可以传播交通拥堵状态，建议后面的汽车提前出口并寻找替代路线，以避免进一步的拥堵 [ 33, 34]。它还可用于检测道路上的危险司机（行为不端的司机或在逃的罪犯）[ 35]。

  对于 V2I，交通信号灯能够最终靠跟踪经过的汽车数量来实现智能化，然后根据交通流量和密度动态调整其计时器时钟以将交通信号灯从绿色变为红色，反之亦然。V2I 还可用于在交通事故中进行呼救或自动收取车辆收费。大多数 V2V 通信基于 IEEE 802.11p 标准，而 Cellular-V2X 是补充现有 5.9 GHz V2V 通信的 3GPP LTE 标准（2017 年批准）（ 图 10和 表 7）。

  ( a ) V2X 架构和 ( b ) 车辆队列，后排车辆跟随前排车辆。

  如图所示 图 11，由于道路交叉口和来自不同方向的车辆的视线受阻，道路交叉口容易发生事故。因此，智能交叉口技术和解决方案 [ 40] 的工作多年来一直在发展。合作交叉口安全 (INTERSAFE-2 2008–2011) [ 41] 是一个研究这些问题的欧洲项目。该项目使用传感器进行车辆和物体检测，以及 V2I、地图绘制和定位技术，以减少致命碰撞并提高道路交叉口的安全性。该项目提供了全面的事故分析，确定了几个欧洲国家最普遍的十字路口的常见事故情景和类型。在这项工作中，对象分为：（i）停放的车辆，（ii）移动的车辆，和（iii）行人。

  ( a ) 交叉口处可能以多种方式发生事故，以及 ( b ) 四向停车交叉口处的盲点。

  在 VRUITS（针对弱势道路使用者的 ITS）[ 42] 交叉路口安全项目中，警告通过交叉路口的汽车自动制动传输给道路使用者（行人、骑自行车者和驾驶员）。在 Miovision Inc. 提供的智能交叉路口系统 [ 43] 中，交叉路口能够感知和了解道路状况并触发实时响应。一些回应包括：

  道路事故仍然每天都在发生，每年有 135 万人死于道路事故 [ 33]。其他人因坠机事故而受重伤。在 [ 35] 中，交通紧急服务的趋势已经从使用蜂窝电话报告事故发展到使用 eCall、OnStar 和在不同无线通信信道上使用车载 自组织网络 (VANET)。 事故发生后，关键时刻被称为“黄金时刻”（ 图 13a )，必须迅速采取行动以挽救生命。更具体地说，“黄金时间”是指从事故发生到到达医院之间的时间。通过减少此时间，受伤人员将有更大的机会挽救生命并减轻受伤的严重程度。此外，车载通信功能的使用可以帮助救援服务和护理人员快速提供医疗救助和救援。

  在当前的 eCall 方法中，每当车辆发生碰撞时，都会向当地紧急呼叫中心发送自动碰撞通知警报。呼叫中心随后将向事故现场寻求帮助和紧急服务。虽然有效，但可能会出现延误，并且缺乏有关事故严重程度和伤者状况的预先信息。

  使用 VANET [ 45]，警报 ( 图 13b ) 被撞车发出的信号可以用来提醒附近的车辆，提醒他们停车或减速，并且一些人可以尽可能提供帮助（例如，司机或乘客之一可能是医生、医务人员或消防员）。本地无线警报消息传播提供了碰撞事件的最快通知。此外，V2I 将使碰撞警报能够传播到控制中心，并召唤紧急服务。这能够最终靠 802.11p 和蜂窝 4G 信号发生。因此，使用 V2V 和 V2I 的同时警报和通知传输可以提高在坠机现场向受害者寻求帮助的速度。

  此外，相邻车辆可以收集有关事故的有用且准确的信息，例如坠毁的车辆状态及其乘员，并将其传输到紧急中心。这样，救援中心将能够正确处理所有信息并将其转发给相关机构（如消防队、医院急诊室等）。在前往事故现场之前，救援团队负责人可以利用这些信息更好地规划救援行动（例如：提前了解如何正确地将乘客从特定电动汽车中解救出来，以避免触电）。

  第一个智能路灯系统于2006年在挪威奥斯陆部署（ 图 14一 ）。其目的是控制路灯的开关以节省能源。快进，今天取得的一些进步包括：

  ( a ) 2006 年奥斯陆第一个智能路灯系统和 ( b ) 当前的智能路灯。

  如今，大多数路灯已被 LED 取代，而不是荧光灯或卤素灯泡，以实现更好的能源效率、降低成本、易于维护和改进操作控制。传感器和 Wi-Fi 被添加到路灯控制单元中，以使它们能够感知行人和汽车的存在，从而在需要时打开和关闭灯（即按需照明）。无线连接允许连接路灯，使它们能够形成网络，并允许它们被远程控制，成对或成组地运行 [ 46]。如图所示 图 14b 、加装传感器的路灯可用于多种用途，如

  如图所示 图 16、电力线通信 (PLC) 和射频 自组织 网状网络是连接智能路灯的可能连接选项。这里没有路灯的移动性，因此这相当于一个静态的 自组织 网络。如果一盏灯出现故障，可以自动点亮相邻的路灯，以弥补环境损失。这为系统增加了“智能”。此外，可以发送维护警报信号以通知相应的城市服务部门修理或更换有故障的路灯。

  混合 PLC 和网状 自组织 网络可用于提高鲁棒性和可靠性。由于成本高、需要不断升级设备以及随着新蜂窝通信标准的发展存在向后兼容性的风险，蜂窝连接被认为不太有吸引力。然而，华为公司提出了 NB-IoT 解决方案 [ 47]，用于大规模传感器连接，并且由于 NB-IoT 是运营商控制的网络，因此能够在一定程度上帮助城市规划者消除路灯网络建设和维护的困难。. 从本质上讲，电信公司可以帮助市政府完成这些琐事。目前为智能路灯提供解决方案和产品的公司包括飞利浦、埃施朗、Telensa、GE照明和欧司朗。

  在提到的 10 项进步中，音乐道路、能量收集道路和对行驶中的汽车进行称重的道路已经部署和使用。无线数字交通标志是一个全新的进步，随着V2X在无线实时交通违章检测中的应用。所有剩余的进展都在进行中，在某些国家进行了一些实验性部署。

  智能道路 [ 48] 将成为未来智慧城市智能交通不可或缺的一部分。二十多年来，我们见证了各种技术的进步和发展，助力智慧道路的融合和实现。 图 17展示了未来智能道路的快照，其中包括本文中提到的所有 10 项技术进步。但是，从现在开始有极大几率会出现更多新进展，这将进一步帮助重塑智能道路。

  智能道路将带来更高的自动化、更高的能源效率 [ 49]、更低的成本、更好的公共安全、更清洁的空气、更绿色的环境、更少的交通拥堵、更少的事故和死亡人数，来提升城市居民的整体生活品质 [ 50] .

  道路将不再被视为静态基础设施，而是一个“智能电网”，充分了解情况、背景和环境。智能道路也将是“端到端”的，这在某种程度上预示着它不仅有利于城市居民，更有助于城市领导和运营商。居民将可以通过手机与智能交通实体进行互动（当他们在街上、散步或通勤时），而城市运营商将能够远程但专注地监控交通和环境状况，并及时做出响应在需求的基础上。

  随着智能道路向实现迈进，将需要在个人、移动和软件应用（包括人工智能）领域进行更多的研发工作，以帮助市民实现未来智能交通的全部好处。未来 ICT 和交通将有更大的混合和嵌入 [ 51]。

  此外，随着不同国家的许多政府启动其智慧城市和智能交通项目，不久人们就会意识到智能道路的存在。对于美国、中国和印度等较大的国家，这些国家的许多大城市将不得已发展并转变为智慧城市[ 52]。这种巨大的努力需要大量的时间、计划、组织和努力。许多国家已经建立了项目办公室来负责智慧城市的发展。道路密度较高的城市将拥有最高的智能道路渗透率。根据 [ 53]，美国以 6 733 024 公里的公路网规模位居榜首，其次是印度（5 603 293 公里）和中国（4 859 500 公里）。巧合的是，中国、印度和美国也是世界上人口最多的三个国家。因此，这些国家将成为引领世界智慧道路转型的国家。

  了智能道路领域最近的 10 项技术进步和发展。它们包括：（i）能量收集道路，（ii）音乐道路，（iii）自动称重道路，（iv）电气化道路，（v）带有无线数字交通标志的道路，（vi）带有自动交通违规检测的道路和通知，(vii) 会说线X) 的道路，(viii) 具有智能十字路口的道路，(ix) 具有快速紧急救援的道路，以及 (x) 具有智能路灯的道路。这些进步将有利于未来智慧城市的智能交通的进步、发展和实现。未来的道路将变得智能、无标志、更安全和可交流。它们不仅会支持人和物的流动性，还会发电，将能量回馈给能源网。随着新技术和应用的出现，包括数据分析、深度学习和人工智能技术在智能交通中的应用，更多的进步将继续发展。最终，智慧城市将朝着实现接近零死亡率和二氧化碳排放的目标前进2排放，让我们的生活变得更美好。