智能交通系統(tǒng)its體系結(jié)構(gòu)（）

1、第三章 ITS體系結(jié)構(gòu)智能交通系統(tǒng)是一種復(fù)雜的巨系統(tǒng)，如何來(lái)描述系統(tǒng)各構(gòu)件之間的相互關(guān)系及系統(tǒng)各局部的功能與整體功能，就要用到“體系結(jié)構(gòu)這一概念。本章介紹ITS體系結(jié)構(gòu)的根本概念、體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法、以及應(yīng)用實(shí)例。第一節(jié) 什么是ITS體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的概念來(lái)源于自然實(shí)踐。辭海對(duì)系統(tǒng)的解釋是：所謂“系統(tǒng)，是由相互作用和相互依賴的假設(shè)干組成局部結(jié)合成的具有特定功能的有機(jī)整體。在交通系統(tǒng)中，人、車、路以及貨物這四個(gè)組成局部構(gòu)成了道路交通系統(tǒng)，該系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)人或物的有效移動(dòng)。如果人貨物、車、路構(gòu)成的道路交通系統(tǒng)，再配上具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車載設(shè)施和道路交通根

2、底設(shè)施，如各類檢測(cè)設(shè)施、信息發(fā)布設(shè)施即信息傳輸設(shè)施，就構(gòu)成了智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)。然而，怎樣來(lái)描述這一抽象概念的系統(tǒng)呢？像居住房屋一樣，房屋由根底、梁、柱、屋面等各構(gòu)件用一定的搭接方式建成，具有供人們居住生活的功能。房屋的各構(gòu)件相互搭接的關(guān)系及房屋各局部的功能和整體功能可用房屋的建筑圖和結(jié)構(gòu)圖來(lái)描繪。同樣，ITS各構(gòu)件的相互關(guān)系及各局部的功能和整體功能，也可用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來(lái)描述。因此，ITS的體系結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)、各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和集成方式、以及各個(gè)子系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)用戶效勞功能、滿足用戶需求所應(yīng)具備的功能。根據(jù)定義，ITS體系結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)如何構(gòu)成，確定了功能模塊以及模塊之間的通信協(xié)

3、議和接口，它的設(shè)計(jì)必須包含實(shí)現(xiàn)用戶效勞功能的全部子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。ITS體系結(jié)構(gòu)具有以下重要意義：ITS本身比擬復(fù)雜，涉及面廣，需要有一個(gè)指導(dǎo)性的框架，來(lái)幫助我們理解這個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； ITS是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，包含有很多子系統(tǒng)，它的實(shí)施需要通過(guò)這些子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，ITS體系結(jié)構(gòu)為ITS的各個(gè)局部提供了統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，從而使各個(gè)局部便于協(xié)調(diào)，集成為一個(gè)整體；防止少缺和重復(fù)，使ITS成為一個(gè)高效、完整的系統(tǒng)，并具有良好的擴(kuò)展性；根據(jù)國(guó)家總體ITS框架，開展地區(qū)性的體系結(jié)構(gòu)，保證不同地區(qū)智能交通系統(tǒng)具有兼容性。第二節(jié) ITS體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法1. ITS體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法比擬世界各國(guó)開發(fā)ITS體系結(jié)構(gòu)采用的方

4、法主要有兩種，一種稱為結(jié)構(gòu)化方法(Structured Method)，一種稱為面向?qū)ο蟮姆椒?Object Oriented Method)。結(jié)構(gòu)化方法，以功能的抽象與分解為主要手段，按功能之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系組織數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化方法簡(jiǎn)單易行，流行已久，能被大多數(shù)工程師理解和接受，便于交流，但用結(jié)構(gòu)化方法開發(fā)的系統(tǒng)修改或擴(kuò)展比擬困難。面向?qū)ο蟮姆椒?，首先確定對(duì)象或?qū)嶓w及其與其他對(duì)象之間的關(guān)系，然后確定每個(gè)對(duì)象執(zhí)行的功能，圍繞數(shù)據(jù)對(duì)象或?qū)嶓w組織功能，形成單一的相互關(guān)聯(lián)的視圖。用面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)的系統(tǒng)易于擴(kuò)展和修改，但該方法操作起來(lái)比擬復(fù)雜，而且可讀性不強(qiáng)，不利于交流和討論。國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)作為一種指導(dǎo)

5、全國(guó)ITS設(shè)計(jì)的框架，必須得到全國(guó)工程師和投資者的廣泛認(rèn)同才能真正發(fā)揮作用。因此，國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)必須具有較強(qiáng)的可讀性，以便讓更多的人能理解之，進(jìn)而討論之。此外，如果用面向?qū)ο蟮姆椒▉?lái)開發(fā)ITS邏輯結(jié)構(gòu)，在確定“對(duì)象集時(shí)將遇到很大的麻煩，因?yàn)镮TS是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，可能的“對(duì)象太多，“對(duì)象的抽象程度也很難一致。美國(guó)“國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)開發(fā)小組就是選用結(jié)構(gòu)化方法構(gòu)建了其?國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)?。我國(guó)“九五國(guó)家科技攻關(guān)工程“中國(guó)智能交通系統(tǒng)體系框架研究，也采用了結(jié)構(gòu)化方法。2. 結(jié)構(gòu)化方法簡(jiǎn)介結(jié)構(gòu)化方法構(gòu)建ITS體系結(jié)構(gòu)，其主要流程如圖3.1所示。圖3.1 結(jié)構(gòu)化方法構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)流程簡(jiǎn)圖1界定用

6、戶構(gòu)建ITS體系結(jié)構(gòu)首先要界定系統(tǒng)的用戶。ITS作為信息技術(shù)IT系統(tǒng)的一個(gè)分支，可用IT系統(tǒng)界定用戶的方法來(lái)界定其用戶。信息系統(tǒng)的用戶是指影響系統(tǒng)或受系統(tǒng)影響的人和機(jī)構(gòu)，可以從四個(gè)方面識(shí)別信息技術(shù)系統(tǒng)的用戶，即：需要IT者、制造IT者、使用IT者和管理IT者。2用戶效勞所謂用戶效勞是按用戶的要求，系統(tǒng)應(yīng)能為用戶效勞的事項(xiàng)。ITS用戶效勞就是ITS能提供的效勞與產(chǎn)品；提出了ITS用戶效勞工程，也就是提出了ITS開發(fā)的范圍。3用戶效勞要求為了實(shí)現(xiàn)每項(xiàng)用戶效勞，需要ITS能完成一系列功能。為了反映這一點(diǎn)，須將每項(xiàng)用戶效勞分解成更為詳細(xì)的功能說(shuō)明即用戶效勞要求；換句話說(shuō)，用戶效勞要求是系統(tǒng)為提供用戶效

7、勞而應(yīng)該具備的一些功能。4需求模型需求模型描述系統(tǒng)應(yīng)該做什么，是系統(tǒng)功能要求的模型化。需求模型主要任務(wù)是定義系統(tǒng)的信息處理行為和控制行為。在構(gòu)架模型開發(fā)階段主要考慮系統(tǒng)的功能要求。需求模型由“需求總圖、一系列分層次的“數(shù)據(jù)流圖與“控制流圖及其相應(yīng)的“過(guò)程定義、“控制說(shuō)明與“數(shù)據(jù)字典組成。需求總圖定義系統(tǒng)的邊界，即確定哪些元素屬于系統(tǒng)內(nèi)部，哪些元素位于系統(tǒng)外部。數(shù)據(jù)流圖和過(guò)程定義描述系統(tǒng)執(zhí)行的功能?？刂屏鲌D和控制說(shuō)明描述系統(tǒng)執(zhí)行這些功能的條件或環(huán)境。實(shí)時(shí)性要求(Time Specification)對(duì)系統(tǒng)在“輸入終端接受事件(Event)刺激后，在“輸出終端作出反響的時(shí)間進(jìn)行限定。數(shù)據(jù)字典對(duì)在數(shù)

8、據(jù)流圖、控制流圖中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)流、控制流、存儲(chǔ)器和終端進(jìn)行描述和定義。需求模型在美國(guó)?國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)?中被叫做“邏輯結(jié)構(gòu)，其中的控制流圖被參加數(shù)據(jù)流圖。5構(gòu)架模型構(gòu)架模型描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)如何組織，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模型化。構(gòu)架模型的主要任務(wù)是：確定組成系統(tǒng)的物理實(shí)體；定義物理實(shí)體之間的信息流動(dòng)；說(shuō)明信息流動(dòng)的通道。在構(gòu)架模型開發(fā)階段不僅要考慮功能要求，而且要考慮性能要求、可靠性要求、平安保密要求以及開發(fā)費(fèi)用、開發(fā)周期、可用資源甚至市場(chǎng)條件等方面的問(wèn)題。構(gòu)架模型由“構(gòu)架總圖、“信息流圖、“模塊說(shuō)明、“信息通道圖、“信息通道定義和“信息字典組成。構(gòu)架總圖建立系統(tǒng)與其運(yùn)行環(huán)境之間的信息邊界，是系統(tǒng)的最高級(jí)

9、視圖，構(gòu)架總圖一般與系統(tǒng)總圖一致。信息流圖和構(gòu)架模塊說(shuō)明描述組成系統(tǒng)的物理模塊以及模塊之間的信息流動(dòng)。信息通道圖和信息通道定義描述模塊間信息流動(dòng)的渠道。信息字典注釋信息通道中所有的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)字典中未出現(xiàn)的其他信息。構(gòu)架模型在美國(guó)?國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)?中被叫做“物理結(jié)構(gòu)。構(gòu)架模型完成后，經(jīng)確認(rèn)所有的用戶效勞都被體系結(jié)構(gòu)構(gòu)架中各子系統(tǒng)所包含，并經(jīng)過(guò)對(duì)所構(gòu)建的體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括來(lái)自投資者意愿的反響信息，最后利用來(lái)自確認(rèn)和評(píng)價(jià)的反響結(jié)果進(jìn)一步修改系統(tǒng)要求和體系結(jié)構(gòu)。修改完善后，在確定的ITS體系結(jié)構(gòu)的根底上，才能擬定整個(gè)ITS的研究開發(fā)方案、制定ITS各局部和各類產(chǎn)品的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)定系統(tǒng)的通信協(xié)議

10、等。第三節(jié) 美國(guó)的國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)1. 開發(fā)過(guò)程目前，我國(guó)還沒有形成最終完善的?國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)?，這里以美國(guó)為例，簡(jiǎn)要介紹其ITS體系結(jié)構(gòu)。美國(guó)是最早開發(fā)完整的ITS體系結(jié)構(gòu)的國(guó)家，美國(guó)國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)開發(fā)方案分為兩個(gè)階段，第一階段為“思路競(jìng)爭(zhēng)階段，由4個(gè)小組分別獨(dú)立開發(fā)出體系結(jié)構(gòu)初步方案；經(jīng)過(guò)方案評(píng)審和比擬，2個(gè)開發(fā)小組獲準(zhǔn)進(jìn)入第二階段，稱為“聯(lián)合開發(fā)階段，吸收各初步方案的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)整理與合并，合作開發(fā)統(tǒng)一、唯一的國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)。典型的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)過(guò)程實(shí)質(zhì)上包括在第一階段的工作中，采用了反復(fù)修改的開發(fā)程序。首先從界定用戶、確定用戶效勞和用戶效勞要求出發(fā)，開發(fā)出運(yùn)營(yíng)要求或系統(tǒng)要求，

11、進(jìn)而開發(fā)出運(yùn)營(yíng)概念體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)以及用戶如何與之交互；接著，開發(fā)包含一系列詳細(xì)功能要求的邏輯結(jié)構(gòu)；將邏輯結(jié)構(gòu)中的處理分配到物理實(shí)體/子系統(tǒng)，就產(chǎn)生了物理結(jié)構(gòu)，一個(gè)在2021年時(shí)間框架內(nèi)提供所有用戶效勞的體系結(jié)構(gòu)也就被開發(fā)出來(lái)了；開展部署確定導(dǎo)入某些功能(或效勞)的時(shí)間框架和背景；體系結(jié)構(gòu)確實(shí)認(rèn)表達(dá)在追溯矩陣中，追溯矩陣將用戶效勞要求追溯至邏輯結(jié)構(gòu)中的處理、物理結(jié)構(gòu)中的子系統(tǒng)，以保證所有的用戶效勞都被體系結(jié)構(gòu)所包含；然后對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括接受來(lái)自投資者意愿的反響信息；最后利用來(lái)自評(píng)價(jià)和確認(rèn)過(guò)程的返饋結(jié)果進(jìn)一步改良系統(tǒng)要求和體系結(jié)構(gòu)。2. ITS體系結(jié)構(gòu)概貌美國(guó)國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱UNIA

12、開發(fā)方案共耗資2500萬(wàn)美元，主要成果表達(dá)在約2500頁(yè)的文本中，分為：體系結(jié)構(gòu)、評(píng)價(jià)、實(shí)施策略和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等4局部?jī)?nèi)容。下文將從用戶效勞與用戶效勞要求、邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)等方面，介紹美國(guó)國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)概貌。1 用戶效勞與用戶效勞要求滿足用戶效勞和用戶效勞要求是對(duì)ITS體系結(jié)構(gòu)的根本要求，UNIA覆蓋了30項(xiàng)ITS用戶效勞見下表3-1)及相應(yīng)的1000多條用戶效勞要求。表3-1 美國(guó)ITS用戶效勞用戶效勞領(lǐng)域用戶效勞出行和運(yùn)輸管理途中駕駛員信息 (En-Route Driver Information)路線導(dǎo)行(Route Guidance)旅行者效勞信息(Traveler Services

13、 Information)交通控制(Traffic Control)偶發(fā)事件管理(Incident Management)排放測(cè)試與緩解(Emissions Testing and Mitigation)道路鐵路交叉口(Highway-Rail Intersection)出行需求管理出行前旅行信息(Pre-Trip Travel Information)合乘車匹配與預(yù)約(Ride Matching and Reservation)需求管理和運(yùn)營(yíng)(Demand Management and Operations)公共運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)公共運(yùn)輸管理(Public Transportation Managem

14、ent)在途公交信息(En-Route Transit Information)個(gè)人化公共交通(Personalized Public Transit)公共出行平安(Public Travel Security)電子付費(fèi)效勞電子付費(fèi)效勞(Electronic Payment Services)商用車運(yùn)營(yíng)商用車電子結(jié)算(Commercial Vehicle Electronic Clearance)自動(dòng)路邊平安檢查(Automated Roadside Safety Inspection)車載平安監(jiān)視(On-Board Safety Monitoring)商用車行政管理(Commercial V

15、ehicle Administrative Processes)危險(xiǎn)物品異常響應(yīng)(Hazardous Material Incident Response)商用車隊(duì)管理(Commercial Fleet Management)緊急事件管理緊急事件通報(bào)與個(gè)人平安(Emergency Notification and Personal Security)緊急車輛管理 (Emergency Vehicle Management)先進(jìn)車輛控制和平安系統(tǒng)縱向防撞(Longitudinal Collision Avoidance )橫向防撞(Lateral Collision Avoidance)交叉口防

16、撞(Intersection Collision Avoidance)防撞視野強(qiáng)化(Vision Enhancement for Crash Avoidance)危險(xiǎn)預(yù)警(Safety Readiness)撞前避傷(Pre-Crash Restraint Deployment)自動(dòng)公路系統(tǒng)(Automated Highway Systems)2 邏輯結(jié)構(gòu)UNIA邏輯結(jié)構(gòu)通過(guò)ITS需求總圖、數(shù)據(jù)流圖、處理說(shuō)明和數(shù)據(jù)字典來(lái)表達(dá)前述用戶效勞和用戶效勞要求。UNIA確定的美國(guó)ITS總圖如圖3.2所示，圖中圓圈代表ITS功能性“處理，矩形代表從ITS處理接收信息或者將信息傳遞給ITS處理的“外部終端。圖

17、3.3是簡(jiǎn)化了的UNIA頂層數(shù)據(jù)流圖，圖中箭頭表示“數(shù)據(jù)流，圓圈表示“處理、直線段表示“文件，矩形表示“外部終端。圖3.2 美國(guó)ITS總圖圖3.3 簡(jiǎn)化的UNIA頂層數(shù)據(jù)流圖3物理結(jié)構(gòu)UINA將運(yùn)輸系統(tǒng)分成3層：運(yùn)輸層、通信層和體制層。運(yùn)輸層執(zhí)行運(yùn)輸功能，通信層為運(yùn)輸層組件之間的連接提供通信效勞，體制層反映政策制定者、規(guī)劃者和其他ITS用戶之間的關(guān)系。物理結(jié)構(gòu)確實(shí)定要考慮體制方面的因素，但體制層不屬于物理結(jié)構(gòu)局部，而是在實(shí)施策略中描述。物理結(jié)構(gòu)分運(yùn)輸層和通信層進(jìn)行描述。運(yùn)輸層UNIA構(gòu)架總圖與圖3.2所示的邏輯結(jié)構(gòu)總圖一致。UNIA將ITS組件分成4類，即：中心子系統(tǒng)、路側(cè)子系統(tǒng)、車輛子系統(tǒng)、

18、出行者子系統(tǒng)；每種類型又包括數(shù)量不等的個(gè)別子系統(tǒng)，UNIA共確定了19個(gè)子系統(tǒng)；每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)一步分解多個(gè)設(shè)備包。設(shè)備包是物理結(jié)構(gòu)中可以購(gòu)置的最小單位的實(shí)體，每個(gè)設(shè)備包對(duì)應(yīng)著邏輯結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)“處理。圖3.4是UNIA頂層構(gòu)架流圖(Top Level Architecture Flow Diagram)，顯示了各類子系統(tǒng)之間及其與外部終端之間的關(guān)系，圖中實(shí)線框表示ITS組件，虛線框表示外部終端。圖3.4 UNIA頂層構(gòu)架流圖通信層 UNIA為支持ITS子系統(tǒng)之間的通信定義了4種類型的通信媒體，即：有線通信固定固定、廣域無(wú)線通信固定移動(dòng)、專用短程通信固定移動(dòng)和車車通信移動(dòng)移動(dòng)。圖3.5是UNI

19、A頂層構(gòu)架互連圖，顯示了美國(guó)ITS分屬4類的19個(gè)子系統(tǒng)用矩形框表示及其交換信息的4種根本通信連接方式用橢圓形框表示，該圖也可被看成是UNIA物理結(jié)構(gòu)之運(yùn)輸層和通信層的最高級(jí)視圖。圖3.5 UNIA頂層構(gòu)架互連圖第四節(jié) 中國(guó)國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)展望本節(jié)參考UNIA，對(duì)中國(guó)國(guó)家ITS體系結(jié)構(gòu)CNIA做扼要介紹，主要集中于上層體系結(jié)構(gòu)，并給出各子系統(tǒng)之間的關(guān)系。1. 邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)是系統(tǒng)的功能性處理和數(shù)據(jù)流。邏輯結(jié)構(gòu)獨(dú)立于體制和技術(shù)，它不確定由誰(shuí)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的功能，也不考慮實(shí)現(xiàn)這些功能的方式。因此，CNIA邏輯結(jié)構(gòu)與UNIA邏輯結(jié)構(gòu)的差異主要來(lái)源于中、美ITS用戶效勞與用戶效勞要求的差異。

20、ITS總圖總圖定義系統(tǒng)的邊界，根據(jù)中國(guó)ITS用戶效勞要求，可初步確定中國(guó)ITS總圖如圖3.6所示；與美國(guó)ITS總圖相比，增加了自行車、騎自行車者、殘疾車、殘疾人、科研人員、防災(zāi)救災(zāi)辦公室等外部終端。圖3.6 中國(guó)ITS總圖 頂層數(shù)據(jù)流圖頂層數(shù)據(jù)流圖涉及到ITS功能的首次分解，其實(shí)質(zhì)是劃分ITS功能領(lǐng)域。UNIA邏輯結(jié)構(gòu)將ITS分解成8棵功能性“處理樹，即：交通管理、商用車管理、車輛監(jiān)視與控制、公交管理、緊急效勞管理、駕駛員和出行者效勞、電子付款效勞、規(guī)劃與實(shí)施?？紤]到中國(guó)與美國(guó)在用戶效勞要求上的區(qū)別，可以在邏輯結(jié)構(gòu)頂層數(shù)據(jù)流圖將中國(guó)ITS分解成9棵功能性“處理樹：1)交通管理；2)商用車管理；

21、3)車輛監(jiān)視與控制；4)公交管理；5)緊急效勞管理；6)駕駛員與旅行者效勞；7)電子收付費(fèi)；8)自行車與行人支援；9)提供歷史數(shù)據(jù)效勞?？紤]各“處理樹之間的數(shù)據(jù)交換，可得中國(guó)ITS邏輯結(jié)構(gòu)頂層數(shù)據(jù)流圖如圖3.7所示。圖3.7 中國(guó)ITS邏輯結(jié)構(gòu)頂層數(shù)據(jù)流圖2. 物理結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)把邏輯結(jié)構(gòu)所確定的“處理分配到ITS物理實(shí)體上，根據(jù)各實(shí)體所含的“處理之間的數(shù)據(jù)流，確定實(shí)體之間的構(gòu)架流，進(jìn)而確定物理實(shí)體的互連方式。物理結(jié)構(gòu)確實(shí)定要考慮系統(tǒng)功能要求，也要考慮非功能性要求，包括體制、文化、市場(chǎng)等因素的影響。系統(tǒng)功能要求通過(guò)邏輯結(jié)構(gòu)確定的“處理和“數(shù)據(jù)流來(lái)表達(dá)，決定ITS物理實(shí)體必須完成的功能。非功能性要求那么影響ITS功能在物理實(shí)體間的分配。例如：美國(guó)最初想把“交通信