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智能交通系统起源于1940年纽约世界博览会上展出的名为“Futurama”的概念运输系统。经过1980—1990年大量的项目研究和实施，在欧洲、北美和日本，ITS已成为当今的研究主流。对人、车、路而言，ITS是一个先进的信息和通信网络。ITS可以共享信息，使人们获得更多的交通信号，提供更高的安全性和效率的同时降低对环境的影响。ITS的原理如图1.2 [10] 所示。
图1.2 智能交通系统原理图
ITS是将先进的科学技术（信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等）有效地综合运用于交通运输、服务控制和车辆制造，加强车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成一种保障安全、提高效率、改善环境、节约能源的综合运输系统。根据中国基本实现现代化的战略部署和国民经济发展的阶段性要求，综合考虑我国交通运输业的总体发展水平和智能交通的发展现状和水平，智能交通在中国的发展主要经历了以下3个阶段。
第一阶段（2006—2010年）：交通系统技术体系和智能型综合交通系统形成期，在几个应用领域达到和接近发达国家同类项目2000年的水平。具体是以城市和城间道路运输系统为核心，兼顾其他运输方式，在城市交通信号系统、公交调度和服务系统、区域联网不停车收费系统、综合交通信息集成系统、公众出行信息服务系统等方面形成效用明显、规模大、使用范围广的实际应用系统；在北京奥林匹克运动会、上海世界博览会和广州城市综合交通中形成智能交通系统应用的典型系统；在交通信息采集与处理、新型定位系统技术、新型交通安全技术、智能车路系统等方面初步形成自主研究和创新体系，开发可为企业和政府所应用的先导技术。
第二阶段（2010—2015年）：完善的智能交通技术体系已经形成，智能型综合交通体系已经开始发挥效用，并日渐完善，达到发达国家2005年ITS发展水平，即国际上所称的第二代发展水平。各种交通运输方式完成自身的智能化建设，智能交通综合系统已初步形成并发挥效应，各地区在国家ITS体系框架和标准的指导下，建成便于今后全国联网、互通共享的智能交通综合信息平台系统，能够实现全国范围内的快速客运系统和货运物流系统，达到人流、物流、信息流的无缝衔接，智能型综合交通体系开始发挥明显作用。
第三阶段（2015年至今）：智能交通系统已经成为人们生活的必要组成部分，人、车、路之间已经形成稳定、和谐的智能型整体，进入智能交通发展的成熟期，接近发达国家的发展水平。通畅、便捷、安全、经济、可持续发展的智能型综合交通体系已全面建成，智能交通系统已经成为人们生活中必不可少的组成部分，建立于一般服务和特殊服务基础之上的智能交通各子系统能够满足人们各种各样的出行要求，在交通量持续增加的情况下，智能交通系统能够实现自身的动态调节，交通与人、与社会、与环境更加和谐 [11] 。
ITS智能交通系统在自动驾驶领域一般包括以下几类：
①Vehicle to Vehicle（V2V）。
②Vehicle to Infrastructure（V2I）。
③Infrastructure to Vehicle（I2V）。
④Vehicle to Pedestrian（V2P）。
⑤Vehicle to Everything（V2X）。
V2V一般描述为在ITS系统中车与车之间的通信，实现车辆信息传输；V2I一般描述为在ITS系统中车与基础设施之间的通信，基础设施一般为路边的通信设备，用于收集ITS整体系统的各类交通信息；I2V一般描述为在ITS系统中基础设施与车之间的通信，实现基础设施与车辆之间的信息传输；V2P一般描述为在ITS系统中车与各类行人的通信，包括骑电车的人、行人、骑自行车的人等，他们被视为可携带通信设备的通信来源。在最高层次上，ITS中车辆被描述为V2X，用于车辆对任何东西，类似于“物联网”，每一个设备都可以连接到任何其他设备。
自动高速公路系统（Automated Highway System，AHS）是ITS不同研究专题中最重要的项目之一，用来表示车辆和公路基础设施之间的新型关系。自动高速公路系统假设具有专用的高速公路车道，所有的车辆均由计算机控制其转向、制动、节气门，采用通信、传感和障碍物检测技术来与外界基础设施交互，以实现车辆的完全自动化 [12] 。简而言之，AHS将车载智能和通信技术结合在一起，实现车辆与公路基础设施的互联。AHS控制框架如图1.3所示。
图1.3 AHS分层控制框架
AHS主要包括车辆控制器、队列控制器、路侧控制器、域控制器、区控制器以及全局控制器。其中，车辆控制器是指个体车辆中均存在接收来自平台命令的控制器，并将这些命令（如期望轨迹、期望速度及期望侧偏角等）转换为车辆执行机构的控制信号（如节气门、制动和转向机构的操作）；队列控制器是指接收路侧控制器的指令，并负责控制和协调队列内各车辆间的关系，主要涉及车辆队列间的操作（如与其他队列合并、分离和车道变化）和车辆队列内各车辆间的活动（如保持安全车距）；路侧控制器是公路基础设施的一部分，主要任务是为各车辆队列分配速度、安全距离，以避免各队列产生碰撞，此外还会发出对车辆队列的合并、分离和车道改变的指令。高级控制器包括域控制器、区控制器和全局控制器，为低级和中级控制器提供网络范围的协调控制。特别地，域控制器为各个平台提供全区范围的动态路径指导，并通过提供预瞄点和控制目标来监督协调路侧控制器，全局控制器对区控制器进行监督或控制。AHS使用通信、传感和障碍物检测技术对外部基础设施条件进行识别和交互。车辆和高速公路相互合作，协调车辆移动，避开障碍物并改善交通流量，提高安全性和减少交通堵塞。AHS的概念结合了一系列车载智能技术、公路基础设施的智能设备，以及连接车辆对公路基础设施的通信技术。自动驾驶系统中的智能车辆（Intelligent Vehicles，IVs）可以使用传感器感知驾驶环境，并向驾驶员提供帮助（通过提示或警告），也可以对车辆本身进行完全控制，以实现有效的车辆操作 [13] 。
AHS的实施可带来的潜在益处详见表1.1。需要注意的是，有些益处目前仍处于推测状态，具体体现取决于系统在实际中的应用。
表1.1 AHS的潜在益处
续表
AHS的实施需要智能车辆与之匹配。如今，汽车配备了越来越多采用传感器、执行器、通信系统和反馈控制的机电子系统，这些子系统的使用使得汽车变得越来越“智能”。过去20年里，固体电子学、传感器技术、计算机技术和控制系统的进步，使得智能交通系统有了可靠的技术保证。据文献统计 [15] ，现在汽车通常需要500~600颗芯片，平均需要的传感器数量为60~100个，随着汽车向智能化、电动化发展，所需芯片数量仍有大幅增长的趋势 [16] 。
智能车辆控制是AHS应用中的关键部分，有多种不同的车辆控制系统正处于不断研发之中。在本书中，我们将主要介绍两个最基本的车辆运动控制系统，即纵向控制和横向控制。在介绍纵横向控制的最新研究之前，我们先简要介绍现阶段主流的与纵横向控制相关的机械电子反馈控制技术。
●自动泊车系统（Automated Parking System，APS）能够协助或是替代驾驶员完成车辆停车入位的操作，能够在更小的空间内实现泊车操作。市场已经出现了一些产品，它们依靠汽车遥控钥匙或是安装在智能手机上的应用程序，在驾驶员的全程监控下，实现停车入位的操作。在近期，有望出现新一代系统，它们能够完全脱离驾驶员监控，通过与停车场的相关装置共同配合，减小操作风险，提高停车效率。最终，自动停车系统能够延伸到所有类型的停车操作。
●自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control，ACC）通过控制节气门和制动实现纵向控制，使得被控车辆和前车保持所期望的车距。ACC的应用可以避免车辆追尾事故的发生，自营职业收入支持计划（Self-Employment Income Support Scheme，SEISS）研究表明，2010年欧洲如果有3%的车辆配备了ACC系统，便可以减少4 000起事故 [17] 。根据美国道路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safely，IIHS）调查，这套ACC系统可以减少约40%的追尾事故。此外，美国国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）的研究显示，只要驾驶员能提前刹车1 s，就能减少约90%的追尾概率。
●横向控制包括车道偏离预警（Lane Departure Warning，LDW）和车辆换道辅助系统（Lane Change Assistant System，LCA）。如果驾驶车辆无意中偏离其所在车道，LDW系统将提醒驾驶员；而LCA系统能够在车辆换道的过程中对障碍物进行检测。
●防撞系统（Collision Avoidance，CA）与巡航控制系统类似，使车辆在前方无障碍物时保持恒定的期望速度行驶，如果前方出现障碍物，CA系统将判断车辆运行速度是否安全，若否，将通过控制加速或者制动进行加速或减速，同时向驾驶员发出警告。
●线控技术（Driven-by-Wire）通过利用机电执行器、人机交互接口（如踏板和转向传感器）的电子控制系统代替传统的机械和液压控制系统。电子技术的应用可提高驾驶性能、安全性和可靠性，同时降低生产和运营成本。一些新车型上已经采用了线控技术。
●车辆导航系统（Vehicle Navigation System，VNS）通常使用GPS获取位置信息，并使用数字地图对使用者进行定位。通过使用数字地图，可为车辆提供导航信息。
●车辆识别（Automated Vehicle Identification，AVI）和车辆定位系统（Auto mated Vehicle Location，AVL）。AVI系统首次应用在电子不停车收费（Electronic Toll Collection，ETC）系统中，以确定通过收费站的车辆身份。目前大多数AVI系统依赖于无线射频识别，AVI车辆上的应答器与收费口的天线通过专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）进行信息交互。而AVL系统将自动确定车辆的位置并将信息发送给请求者。通常情况下，GPS和无线通信系统都是必需的。AVI和AVL的使用，使得实时处理车辆位置信息成为可能。这些技术将在第3章中详细介绍。