智能交通管理系统框架体系.doc

智能交通管理系统框架体系摘 要：分析了智能交通管理系统框架体系现状，利用系统分析与设计方法，建立了智能交通管理系统功能框架和物理框架，解决了目前智能交通管理系统建设中存在的用户范围不明确、需求不明确、功能不明确、系统建设内容不明确等实际问题，为构建区域智能交通管理系统框架和建设具体智能交通管理系统，提供了理论依据与技术指导。关键词：交通管理；智能交通管理系统；系统分析与设计；用户服务；功能框架；物理框架基金项目：公安部应用创新计划，课题“智能交通管理系统研究”（编号2008YYCXJTS145）中图分类号：U491文献标识码：AFramework of Intelligent Traffic Management SystemAbstract: This article analyzed the current situation of intelligent traffic management systems framework,and established the functional architecture and physical architecture of intelligent traffic management system by using system analysis and design methods,which resolved the current construction of intelligent traffic management system existing in the range of users is not clear,the demand is not clear,function is not clear,the contents of system construction and other practical problems is not clear.The framework provided a theoretical basis and technical guidance for the construction of the regional intelligent traffic management systems framework and construction of specific intelligent traffic management system.Keywords: traffic management;ITMS;sytem analysis and design;user service;functional architecture; physical architecture0引言智能交通管理系统（Intelligent Traffic Management System，ITMS）是利用智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）技术和方法，建立的面向道路交通管理部门的先进的交通控制、交通管理和交通决策系统，实现对道路交通系统、高效、全面、科学的管理，保障交通安全、畅通、环保、节能1。自从八十年代开始各地道路交通管理部门开展了大量的ITMS应用与建设，形成了一批成果，但是在应用上并没有达到预期效果，主要是ITMS建设水平不高、应用成效不佳，此外还出现了盲目建设和重复投资问题。导致这些问题的主要原因是各地对ITMS不了解，不知道如何应用ITMS解决实际问题，主要表现在：1）对用户范围不明确，为广大交通出行者提供服务较少，交通出行者对道路交通状况知之甚少，成为导致交通拥堵的主要原因之一；2）对实际需求不明确，结合实际需求较少，如多数交通信号控制系统基本都是参照国外系统模式建设而没有结合国内需求；3）对系统功能不明确，应用智能交通管理技术查处重点违法行为、进行交通事故紧急救援、预防事故的工作还没有充分开展；4）应用领域不明确，在环保、节能等方面的应用还不够深入。要解决这些问题，最重要的是进一步明确智能交通管理系统的内涵、作用及技术实现途径，然后在此基础上形成一整套框架体系，指导和规范我国ITMS建设和发展，充分发挥ITMS的作用，提高ITMS应用水平。1框架体系现状多年来，ITMS一直作为ITS的一个组成部分，伴随着ITS的发展而发展壮大，ITS框架体系对于ITMS框架研究具有十分重要的指导意义。美、日、欧等发达国家或地区早在上世纪九十年代就基本完成了ITS框架体系。我国ITS框架体系研究始于国家“九五”科技攻关，在攻关项目“国家智能运输系统体系框架研究”中提出了中国智能交通系统体系框架（第一版）。随后，在“十五”科技攻关期间，又对ITS框架体系进行了修订和完善，形成中国智能交通系统体系框架（第二版）2。表1列出了我国和主要发达国家/地区ITS框架内容3,4,5,6，从各国ITS框架内容可以发现，用户服务、功能框架（也叫逻辑框架）和物理框架是ITS框架体系的核心内容。表1：主要国家ITS框架内容(Tab.1：ITS framework of the major countries)国家/地区ITS框架内容美国用户服务，逻辑架构，物理架构，市场包，标准体系日本用户服务，逻辑架构，物理架构，标准体系欧洲用户需求，功能架构，物理架构，通信架构，组织架构等中国用户服务，逻辑架构，物理架构，标准体系ITS框架的出现推动了ITS建设水平的提高，促进了ITS的产业化和规范化。ITS框架也为ITMS建设提供了指导，一定程度上推动了ITMS的发展。但是，ITS框架是一个面向交通运输服务的大系统，由于涉及的领域太多，对具体领域尤其是道路交通管理领域的内容定义比较粗浅，使得ITS框架对ITMS建设的实际指导作用不强。这一点在我国体现得特别突出，由于我国特殊的道路交通管理体制和客观需求决定了道路交通管理部门需要开展大量ITMS相关工作，使得道路交通管理领域成为国内ITS的最大应用领域，其涉及的业务范围已经远远超出我国ITS框架相应领域定义的范围，在这种情况下，ITMS建设无法参考国家ITS框架，只能由各地自行开展，结果造成了许多ITMS建设水平不高、效果不佳的现象。因此，从应用和指导层面上看，国家ITS框架显然已经无法满足ITMS建设的需求，急需研究制订一个国家ITMS体系框架。2ITMS框架体系研究2.1 研究的方法和理论ITMS是一个大型复杂系统，涉及的基础理论包括运筹学、控制论、信息论、管理科学等，属于系统工程研究范畴。系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法8。系统工程的主要内容包括系统分析、系统设计等。系统分析是一种问题解决技术，它将一个系统分解成各个组成部分，目的是研究各个部分如何工作、如何交互，以实现其系统目标9。系统分析的产物是系统功能框架。系统设计是一个描述、组织、构造系统部件的过程，这个过程分为两个层次，即结构设计和细节设计9。系统设计的产物是系统物理框架。ITMS框架研究主要建立在系统工程的理论基础上，利用系统分析与设计的方法，建立功能框架和物理框架。ITMS框架研究采用的主要技术路线如图1所示。图1 ITMS框架体系研究的技术路线图(Fig.1 Technology roadmapping for research of ITMS framework)图1描述的关键步骤如下：1）资料收集整理：收集国内外智能交通系统（ITS）研究现状、智能交通系统框架和智能交通管理系统研究现状，总结智能交通管理技术各个阶段发展特征，分析其发展趋势。2）实际调研：分赴国内一些具有代表性的大、中、小城市开展调研，摸清各类城市智能交通管理技术应用现状，掌握智能交通管理各类用户的需求。3）需求分析：分析交通管理用户需求，针对不同用户群体进行需求分析。4）用户服务定义：将用户需求按照业务分类，定义用户服务。5）功能领域和功能划分：在用户服务的基础上，结合我国道路交通管理业务，对智能交通管理系统功能进行领域划分，并确定各个领域涵盖的系统功能。6）数据流分析：分析系统、用户之间以及系统处理过程中涉及的接收和发送的信息。7）功能框架构建：功能框架是系统功能之间的关系模型，其主要由系统功能和数据流组成。8）物理实体设计：按目前交通系统的现状和职能进行划分，同时考虑将来可能的发展，将具有同类功能的实体编入一组，形成子系统，每一类功能则形成模块。9）业务流设计：将功能结构中的一类或几类数据流组合形成业务流。每条业务流对应于功能框架中的若干数据流。10）物理框架构建：将子系统、模块、物理数据流和终端用户数据流等物理实体分发给车辆、路边设施和交通管理中心，组成一个ITMS实际系统。11）形成框架体系：将用户服务、功能框架和物理框架进行整理汇总，形成智能交通管理系统框架体系初稿，并反复征求意见，不断完善框架体系，最终形成智能交通管理系统框架体系正式稿。2.2 初步的研究成果2.2.1用户服务ITMS相关用户主体和服务主体主要有以下几类：第一类为ITMS使用者，主要是交通参与者，包括行人、驾驶人、乘车人、交通管理者；第二类为ITMS管理者，主要是系统软件、硬件管理人员；第三类为ITMS提供者，主要是ITMS建设者、技术或产品提供者；第四类为ITMS服务第三方，主要包括公安、消防、银行、医疗、保险、建设、气象、交通运输、市政等部门。经过充分调查分析各类用户需求，得到如表2所示的用户服务列表。表2：ITMS用户服务(Tab.2：ITMS user service)领域服务描述1.交通信息服务1.1出行交通信息查询出行前路径查询和出行前交通信息查询1.2路径诱导当前路径提示以及在途交通信息查询提示等。1.3车辆换乘查询公共交通信息和轨道换乘信息查询等。1.4出行其它交通相关信息查询道路环境信息和道路施工信息等查询。1.5交通信息服务为网站、电视、电台等提供交通信息服务。1.6交通信息交换与银行、保险、医疗等机构信息交换。2.车辆安全服务2.1 车辆状况查询车辆行驶状况和安全状况查询。2.2 车辆状况提示车辆行驶状况和安全状况主动提示。2.3 车辆安全检查出行前和在途车辆安全检查。2.4 安全辅助驾驶主动避撞和安全车速、车距控制。3.交通状态监测服务3.1 交通运行状况监测视频监控、交通流检测、拥堵和事件检测。3.2 交通安全态势监测道路安全状况监测、事故形态分析。3.3 交通信息预测当前、历史信息查询，未来交通预测。3.4 过往车辆监控过往车辆查看、车辆轨迹查询。4.行政管理与执法服务4.1 交通电子档案管理机动车、驾驶人、交通事故和交通违法信息管理。4.2 勤务管理警务车辆、人员和警卫任务管理。4.3 自动电子收费自动收取停车费、拥堵费、通行费和罚款等。4.4 自动电子支付自动支付罚款和缴费。5.决策支持服务5.1 交通仿真与评估交通流仿真和交通影响分析。5.2 辅助决策与预案管理控制方案、指挥调度方案制定和执行。5.3 设备布点分析电子监控设备和信息采集设备合理分布设计。5.4 系统效果评估各种交通管理系统使用效果评价。6.静态交通管理服务6.1 停车管理停车信息查询和车位预约管理。6.2 交通需求管理需求信息查询和需求控制。6.3 交通设施、设备管理中心软硬件和路边设备设施管理。7.动态交通管理服务7.1 交通诱导群体、单车和停车诱导。7.2 交通组织大型活动、突发事件、施工和警卫任务交通组织。7.3 应急管理接处警和应急处置管理。7.4 交通控制交通信号控制等。表2共列出29项具体服务，分为7大领域，基本涵盖了目前智能交通管理需求，将来随着需求的增加，允许进行扩展。2.2.2ITMS功能框架结构功能框架是功能与数据流的结合体。功能框架主要回答ITMS能做什么，具有什么功能，功能之间具有什么联系的问题。图2为ITMS顶层功能框架结构简图，从上到下依次为数据采集与处理、数据分析与决策支持、执行与信息服务三个领域，箭头代表顶层数据流。图2 ITMS顶层功能框架结构图(Fig.2 ITMS Top-level functional architecture)在顶层功能框架的基础上，本研究又进行了详细的分析，并将ITMS功能划分为3个领域、15个子领域和77项功能，得到了详细的功能框架，具体请参见相关研究报告。2.2.3 ITMS物理框架结构物理框架是将功能框架组织成物理实体的产物，是功能框架的具体实现，它由一些实体和子系统构成。物理框架的主要作用包括：明确ITMS的内容，即ITMS包含了哪些子系统，子系统之间如何连接；明确ITMS业务流向，即ITMS有哪些业务组成，业务之间如何联系；指导ITMS规划，包括远景规划和近景规划，说明ITMS如何分阶段实施和扩展；制定ITMS标准体系，包括子系统标准和通信标准。根据功能框架和现有ITMS技术情况，本研究将ITMS物理实体/子系统划分为8个顶层实体和70个实体，并将物理实体进行组装得到了物理框架，图3描述了ITMS的一个物理框架结构，框架从“人车道路环境中心”角度描述了实体之间的关系，基本反映了我国当前ITMS现状。图3 ITMS物理框架结构简图(Fig.3 ITMS physical architecture)3ITMS框架的应用3.1 应用步骤ITMS框架的建立对于引导全国智能交通管理技术的发展和规范化，提高智能交通管理科技工程建设水平都具有十分重要的作用。根据ITMS框架作用的范围不同，可将ITMS框架分为国家ITMS框架、区域ITMS框架和项目ITMS框架，它们具有不同的功能和特点。国家ITMS框架为整个国家范围内的ITMS建设服务，它从国家级普适性的角度阐述系统功能、系统构成以及它们之间的信息流，为区域ITMS框架的开发提供了参考的模板。区域ITMS框架则是为一个特定区域（如县、市、省等）服务的，用以保证区域内ITMS项目实施在体制上的协调和技术上的集成，它根据区域的实际特点从功能上定义区域内ITMS系统的构成如何连接，交换何种信息。相比而言，项目ITMS框架是一种低层框架，它更为细致地解释区域中的一个项目内部及与其他项目和系统之间的连接关系和信息交换。本研究制定的ITMS框架是一个国家级ITMS参考框架，并非各地最终的框架。要建立各地区ITMS框架和具体项目ITMS框架，必须结合自身实际情况，从经济、技术、管理等角度综合考虑，并在本框架的指导下，构建地区和项目ITMS框架包括需求分析、功能框架设计、物理框架设计、框架实施和管理、标准化等阶段，具体步骤如图4所示。图4 区域和具体项目ITMS框架构建步骤(Fig.4 regional ITMS framework development steps)3.2 举例说明下面以智能交通控制系统（Intelligent Traffic Controll System，ITCS）为例说明框架的具体应用。ITCS是通过各种传感器自动收集交通流量、交通事件、交通堵塞等交通信息，对交叉口信号灯实施控制，给交通情报板等各种显示装置提供交通状况和交通管制方面的交通信息，以达到减少路口冲突点，保障安全、有序、顺畅，提高路网运行效率的一种智能交通管理系统。1）ITCS服务从本研究的用户服务列表（表2）中选取ITCS相关用户服务，得到表3所示的ITCS用户服务。表3：ITCS用户服务(Tab.3：ITCS user service)领域服务描述1.交通信息服务1.1出行交通信息查询出行前路径查询，出行前交通信息查询1.2路径诱导当前路径提示，在途交通信息查询提示等。1.3出行其它交通相关信息查询道路环境信息、道路施工信息等查询。1.4交通信息服务为网站、电视、电台等提供交通信息服务。2.交通状态监测服务2.1 交通运行状况监测视频监控、交通流检测、拥堵和事件检测。2.2 交通信息预测当前、历史信息查询，未来交通预测。2.4 自动电子支付自动支付罚款和缴费。3.决策支持服务3.1 交通仿真与评估交通流仿真和交通影响分析。3.2 辅助决策与预案管理控制方案、指挥调度方案制定和执行。3.3 设备布点分析信息采集设备合理分布设计。3.4 系统效果评估信号控制系统和诱导系统使用效果评价。4.动态交通管理服务4.1 交通诱导群体、单车和停车诱导。4.2 交通控制交通信号控制等。2）ITCS功能框架在本研究的顶层功能框架（图2）基础上，进行功能划分，并分析各功能之间的数据流向，得到ITCS详细功能框架，见图5所示。图5 ITCS功能框架结构图(Fig.5 ITCS functional architecture)3）ITCS物理框架在本研究的物理框架（图3）基础上，进行物理实体设计和业务流分析，得到ITCS物理框架，见图6所示。图6 ITCS物理框架结构图(Fig.6 ITCS physical architecture)4结语本研究采用系统分析与设计理论，结合国内外ITS框架，建立了智能交通管理系统的功能框架和物理框架，解决了目前智能交通管理系统建设中存在的用户范围不明确、需求不明确、功能不明确、系统建设内容不明确等实际问题，为进一步形成全国性的指导意见、建设指南及相关标准规范，为构建区域ITMS框架和建设具体项目ITMS，提供了理论依据与技术指导。本框架体系中用户需求的调查仅基于部分用户，并不能代表全部，从用户需求提炼的用户服务、系统功能以及构建的物理实体，可能存在一定的片面性。此外，对于正在研究的和未来可能出现的功能或技术，在框架体系中无法进行全面预测