智能交通系统体系结构

第三章ITS体系构造智能交通系统是一种复杂的巨系统，如何来描述系统各构件之间的互有关系及系统各部分的功效与整体功效，就要用到“体系构造”这一概念。本章介绍ITS体系构造的基本概念、体系构造的构建办法、以及应用实例。第一节什么是ITS体系构造系统的概念来源于自然实践。辞海对系统的解释是：所谓“系统”，是由互相作用和互相依赖的若干构成部分结合成的含有特定功效的有机整体。在交通系统中，人、车、路以及货品这四个构成部分构成了道路交通系统，该系统的目的是实现人或物的有效移动。如果人（货品）、车、路构成的道路交通系统，再配上含有智能的交通信息中心、交通管理中心、交通控制中心等以及智能化的车载设施和道路交通基础设施，如各类检测设施、信息公布设施即信息传输设施，就构成了智能交通运输系统。然而，如何来描述这一抽象概念的系统呢像居住房屋同样，房屋由基础、梁、柱、屋面等各构件用一定的搭接方式建成，含有供人们居住生活的功效。房屋的各构件互相搭接的关系及房屋各部分的功效和整体功效可用房屋的建筑图和构造图来描绘。同样，ITS各构件的互有关系及各部分的功效和整体功效，也可用系统体系构造来描述。因此，ITS的体系构造是指系统所包含的子系统、各个子系统之间的互有关系和集成方式、以及各个子系统为实现顾客服务功效、满足顾客需求所应含有的功效。根据定义，ITS体系构造决定了系统如何构成，拟定了功效模块以及模块之间的通信合同和接口，它的设计必须包含实现顾客服务功效的全部子系统的设计。ITS体系构造含有下列重要意义：ITS本身比较复杂，涉及面广，需要有一种指导性的框架，来协助我们理解这个系统的构造；ITS是一种庞大的系统，包含有诸多子系统，它的实施需要通过这些子系统来实现，ITS体系构造为ITS的各个部分提供了统一的接口原则，从而使各个部分便于协调，集成为一种整体；避免少缺和重复，使ITS成为一种高效、完整的系统，并含有良好的扩展性；根据国家总体ITS框架，发展地区性的体系构造，确保不同地区智能交通系统含有兼容性。第二节ITS体系构造的构建办法1.ITS体系构造构建办法比较世界各国开发ITS体系构造采用的办法重要有两种，一种称为构造化办法(StructuredMethod)，一种称为面对对象的办法(ObjectOrientedMethod)。构造化办法，以功效的抽象与分解为重要手段，按功效之间的联结关系组织数据。构造化办法简朴易行，流行已久，能被大多数工程师理解和接受，便于交流，但用构造化办法开发的系统修改或扩展比较困难。面对对象的办法，首先拟定对象或实体及其与其它对象之间的关系，然后拟定每个对象执行的功效，围绕数据对象或实体组织功效，形成单一的互有关联的视图。用面对对象办法开发的系统易于扩展和修改，但该办法操作起来比较复杂，并且可读性不强，不利于交流和讨论。国家ITS体系构造作为一种指导全国ITS设计的框架，必须得到全国工程师和投资者的广泛认同才干真正发挥作用。因此，国家ITS体系构造必须含有较强的可读性，方便让更多的人能理解之，进而讨论之。另外，如果用面对对象的办法来开发ITS逻辑构造，在拟定“对象”集时将碰到很大的麻烦，由于ITS是一种复杂的大系统，可能的“对象”太多，“对象”的抽象程度也很难一致。美国“国家ITS体系构造开发小组”就是选用构造化办法构建了其《国家ITS体系构造》。我国“九五”国家科技攻关项目“中国智能交通系统体系框架研究”，也采用了构造化办法。2.构造化办法介绍构造化办法构建ITS体系构造，其重要流程如图所示。图构造化办法构建体系构造流程简图（1）界定顾客构建ITS体系构造首先要界定系统的顾客。ITS作为信息技术（IT）系统的一种分支，可用IT系统界定顾客的办法来界定其顾客。信息系统的顾客是指影响系统或受系统影响的人和机构，能够从四个方面识别信息技术系统的顾客，即：需要IT者、制造IT者、使用IT者和管理IT者。（2）顾客服务所谓顾客服务是按顾客的规定，系统应能为顾客服务的事项。ITS顾客服务就是ITS能提供的服务与产品；提出了ITS顾客服务项目，也就是提出了ITS开发的范畴。（3）顾客服务规定为了实现每项顾客服务，需要ITS能完毕一系列功效。为了反映这一点，须将每项顾客服务分解成更为具体的功效阐明——即顾客服务规定；换句话说，顾客服务规定是系统为提供顾客服务而应当含有的某些功效。（4）需求模型需求模型描述系统应当做什么，是系统功效规定的模型化。需求模型重要任务是定义系统的信息解决行为和控制行为。在构架模型开发阶段重要考虑系统的功效规定。需求模型由“需求总图”、一系列分层次的“数据流图”与“控制流图”及其对应的“过程定义”、“控制阐明”与“数据字典”构成。需求总图定义系统的边界，即拟定哪些元素属于系统内部，哪些元素位于系统外部。数据流图和过程定义描述系统执行的功效。控制流图和控制阐明描述系统执行这些功效的条件或环境。实时性规定(TimeSpecification)对系统在“输入终端”接受事件(Event)刺激后，在“输出终端”作出反映的时间进行限定。数据字典对在数据流图、控制流图中出现的数据流、控制流、存储器和终端进行描述和定义。需求模型在美国《国家ITS体系构造》中被叫做“逻辑构造”，其中的控制流图被加入数据流图。（5）构架模型构架模型描述系统设计应如何组织，是系统设计的模型化。构架模型的重要任务是：①拟定构成系统的物理实体；②定义物理实体之间的信息流动；③阐明信息流动的通道。在构架模型开发阶段不仅要考虑功效规定，并且要考虑性能规定、可靠性规定、安全保密规定以及开发费用、开发周期、可用资源甚至市场条件等方面的问题。构架模型由“构架总图”、“信息流图”、“模块阐明”、“信息通道图”、“信息通道定义”和“信息字典”构成。构架总图建立系统与其运行环境之间的信息边界，是系统的最高级视图，构架总图普通与系统总图一致。信息流图和构架模块阐明描述构成系统的物理模块以及模块之间的信息流动。信息通道图和信息通道定义描述模块间信息流动的渠道。信息字典注释信息通道中全部的数据以及数据字典中未出现的其它信息。构架模型在美国《国家ITS体系构造》中被叫做“物理构造”。构架模型完毕后，经确认全部的顾客服务都被体系构造构架中各子系统所包含，并通过对所构建的体系进行评价，涉及来自投资者意愿的反馈信息，最后运用来自确认和评价的反馈成果进一步修改系统规定和体系构造。修改完善后，在拟定的ITS体系构造的基础上，才干拟定整个ITS的研究开发计划、制订ITS各部分和各类产品的统一原则以及规定系统的通信合同等。第三节美国的国家ITS体系构造1.开发过程现在，我国还没有形成最后完善的《国家ITS体系构造》，这里以美国为例，简要介绍其ITS体系构造。美国是最早开发完整的ITS体系构造的国家，美国国家ITS体系构造开发计划分为两个阶段，第一阶段为“思路竞争阶段”，由4个小组分别独立开发出体系构造初步方案；通过方案评审和比较，2个开发小组获准进入第二阶段，称为“联合开发阶段”，吸取各初步方案的优点，通过整顿与合并，合作开发统一、唯一的国家ITS体系构造。典型的体系构造开发过程实质上涉及在第一阶段的工作中，采用了重复修改的开发程序。首先从界定顾客、拟定顾客服务和顾客服务规定出发，开发出运行规定或系统规定，进而开发出运行概念（体系构造的目的以及顾客如何与之交互）；接着，开发包含一系列具体功效规定的逻辑构造；将逻辑构造中的解决分派到物理实体/子系统，就产生了物理构造，一种在时间框架内提供全部顾客服务的体系构造也就被开发出来了；发展布署拟定导入某些功效(或服务)的时间框架和背景；体系构造确实认体现在追溯矩阵中，追溯矩阵将顾客服务规定追溯至逻辑构造中的解决、物理构造中的子系统，以确保全部的顾客服务都被体系构造所包含；然后对体系构造进行评价，涉及接受来自投资者意愿的反馈信息；最后运用来自评价和确认过程的返馈成果进一步改善系统规定和体系构造。2.ITS体系构造概貌美国国家ITS体系构造（简称UNIA）开发计划共耗资2500万美元，重要成果体现在约2500页的文本中，分为：体系构造、评价、实施方略和有关原则等4部分内容。下文将从顾客服务与顾客服务规定、逻辑构造和物理构造等方面，介绍美国国家ITS体系构造概貌。（1）顾客服务与顾客服务规定满足顾客服务和顾客服务规定是对ITS体系构造的基本规定，UNIA覆盖了30项ITS顾客服务（见下表3-1）)及对应的1000多条顾客服务规定。表3-1美国ITS顾客服务顾客服务领域顾客服务出行和运输管理途中驾驶员信息(En-RouteDriverInformation)路线导行(RouteGuidance)旅行者服务信息(TravelerServicesInformation)交通控制(TrafficControl)偶发事件管理(IncidentManagement)排放测试与缓和(EmissionsTestingandMitigation)道路—铁路交叉口(Highway-RailIntersection)出行需求管理出行前旅行信息(Pre-TripTravelInformation)合乘车匹配与预约(RideMatchingandReservation)需求管理和运行(DemandManagementandOperations)公共运输运行公共运输管理(PublicTransportationManagement)在途公交信息(En-RouteTransitInformation)个人化公共交通(PersonalizedPublicTransit)公共出行安全(PublicTravelSecurity)电子付费服务电子付费服务(ElectronicPaymentServices)商用车运行商用车电子结算(CommercialVehicleElectronicClearance)自动路边安全检查(AutomatedRoadsideSafetyInspection)车载安全监视(On-BoardSafetyMonitoring)商用车行政管理(CommercialVehicleAdministrativeProcesses)危险物品异常响应(HazardousMaterialIncidentResponse)商用车队管理(CommercialFleetManagement)紧急事件管理紧急事件通报与个人安全(EmergencyNotificationandPersonalSecurity)紧急车辆管理(EmergencyVehicleManagement)先进车辆控制和安全系统纵向防撞(LongitudinalCollisionAvoidance)横向防撞(LateralCollisionAvoidance)交叉口防撞(IntersectionCollisionAvoidance)防撞视野强化(VisionEnhancementforCrashAvoidance)危险预警(SafetyReadiness)撞前避伤(Pre-CrashRestraintDeployment)自动公路系统(AutomatedHighwaySystems)

（2）逻辑构造UNIA逻辑构造通过ITS需求总图、数据流图、解决阐明和数据字典来体现前述顾客服务和顾客服务规定。UNIA拟定的美国ITS总图如图所示，图中圆圈代表ITS功效性“解决”，矩形代表从ITS解决接受信息或者将信息传递给ITS解决的“外部终端”。图是简化了的UNIA顶层数据流图，图中箭头表达“数据流”，圆圈表达“解决”、直线段表达“文献”，矩形表达“外部终端”。图美国ITS总图图美国ITS总图图简化的UNIA顶层数据流图（3）物理构造图简化的UNIA顶层数据流图UINA将运输系统分成3层：运输层、通信层和体制层。运输层执行运输功效，通信层为运输层组件之间的连接提供通信服务，体制层反映政策制订者、规划者和其它ITS顾客之间的关系。物理构造的拟定要考虑体制方面的因素，但体制层不属于物理构造部分，而是在实施方略中描述。物理构造分运输层和通信层进行描述。运输层UNIA构架总图与图所示的逻辑构造总图一致。UNIA将ITS组件分成4类，即：中心子系统、路侧子系统、车辆子系统、出行者子系统；每种类型又涉及数量不等的个别子系统，UNIA共拟定了19个子系统；每个子系统进一步分解多个设备包。设备包是物理构造中能够购置的最小单位的实体，每个设备包对应着逻辑构造中的一种或多个“解决”。图是UNIA顶层构架流图(TopLevelArchitectureFlowDiagram)，显示了各类子系统之间及其与外部终端之间的关系，图中实线框表达ITS组件，虚线框表达外部终端。图UNIA顶层构架流图通信层图UNIA顶层构架流图UNIA为支持ITS子系统之间的通信定义了4种类型的通信媒体，即：有线通信（固定——固定）、广域无线通信（固定——移动）、专用短程通信（固定——移动）和车车通信（移动——移动）。图是UNIA顶层构架互连图，显示了美国ITS分属4类的19个子系统（用矩形框表达）及其交换信息的4种基本通信连接方式（用椭圆形框表达），该图也可被当作是UNIA物理构造之运输层和通信层的最高级视图。图UNIA顶层构架互连图图UNIA顶层构架互连图第四节中国国家ITS体系构造展望本节参考UNIA，对中国国家ITS体系构造（CNIA）做扼要介绍，重要集中于上层体系构造，并给出各子系统之间的关系。1.逻辑构造逻辑构造的重点是系统的功效性解决和数据流。逻辑构造独立于体制和技术，它不拟定由谁来实现系统中的功效，也不考虑实现这些功效的方式。因此，CNIA逻辑构造与UNIA逻辑构造的差别重要来源于中、美ITS顾客服务与顾客服务规定的差别。ITS总图总图定义系统的边界，根据中国ITS顾客服务规定，可初步拟定中国ITS总图如图所示；与美国ITS总图相比，增加了自行车、骑自行车者、残疾车、残疾人、科研人员、防灾救灾办公室等外部终端。图中国ITS总图顶层数据流图顶层数据流图涉及到ITS功效的初次分解，其实质是划分ITS功效领域。UNIA逻辑构造将ITS分解成8棵功效性“解决树”，即：交通管理、商用车管理、车辆监视与控制、公交管理、紧急服务管理、驾驶员和出行者服务、电子付款服务、规划与实施。考虑到中国与美国在顾客服务规定上的区别，能够在逻辑构造顶层数据流图将中国ITS分解成9棵功效性“解决树”：1)交通管理；2)商用车管理；3)车辆监视与控制；4)公交管理；5)紧急服务管理；6)驾驶员与旅行者服务；7)电子收付费；8)自行车与行人增援；9)提供历史数据服务。考虑各“解决树”之间的数据交换，可得中国ITS逻辑构造顶层数据流图如图所示。图中国ITS逻辑构造顶层数据流图2.物理构造物理构造把逻辑构造所拟定的“解决”分派到ITS物理实体上，根据各实体所含的“解决”之间的数据流，拟定实体之间的构架流，进而拟定物理实体的互连方式。物理构造的拟定要考虑系统功效规定，也要考虑非功效性规定，涉及体制、文化、市场等因素的影响。系统功效规定通过逻辑构造拟定的“解决”和“数据流”来体现，决定ITS物理实体必须完毕的功效。非功效性规定则影响ITS功效在物理实体间的分派。例如：美国最初想把“交通信息服务”功效和“交通管理”功效分派到一种子系统中，但考