智能交通系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

第三章ITS體系構(gòu)造智能交通系統(tǒng)是一種復(fù)雜的巨系統(tǒng)，如何來(lái)描述系統(tǒng)各構(gòu)件之間的互有關(guān)系及系統(tǒng)各部分的功效與整體功效，就要用到“體系構(gòu)造”這一概念。本章介紹ITS體系構(gòu)造的基本概念、體系構(gòu)造的構(gòu)建辦法、以及應(yīng)用實(shí)例。第一節(jié)什么是ITS體系構(gòu)造系統(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)”，是由互相作用和互相依賴的若干構(gòu)成部分結(jié)合成的含有特定功效的有機(jī)整體。在交通系統(tǒng)中，人、車、路以及貨品這四個(gè)構(gòu)成部分構(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（貨品）、車、路構(gòu)成的道路交通系統(tǒng)，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車載設(shè)施和道路交通基礎(chǔ)設(shè)施，如各類檢測(cè)設(shè)施、信息公布設(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，如何來(lái)描述這一抽象概念的系統(tǒng)呢像居住房屋同樣，房屋由基礎(chǔ)、梁、柱、屋面等各構(gòu)件用一定的搭接方式建成，含有供人們居住生活的功效。房屋的各構(gòu)件互相搭接的關(guān)系及房屋各部分的功效和整體功效可用房屋的建筑圖和構(gòu)造圖來(lái)描繪。同樣，ITS各構(gòu)件的互有關(guān)系及各部分的功效和整體功效，也可用系統(tǒng)體系構(gòu)造來(lái)描述。因此，ITS的體系構(gòu)造是指系統(tǒng)所包含的子系統(tǒng)、各個(gè)子系統(tǒng)之間的互有關(guān)系和集成方式、以及各個(gè)子系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)顧客服務(wù)功效、滿足顧客需求所應(yīng)含有的功效。根據(jù)定義，ITS體系構(gòu)造決定了系統(tǒng)如何構(gòu)成，擬定了功效模塊以及模塊之間的通信合同和接口，它的設(shè)計(jì)必須包含實(shí)現(xiàn)顧客服務(wù)功效的全部子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。ITS體系構(gòu)造含有下列重要意義：ITS本身比較復(fù)雜，涉及面廣，需要有一種指導(dǎo)性的框架，來(lái)協(xié)助我們理解這個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造；ITS是一種龐大的系統(tǒng)，包含有諸多子系統(tǒng)，它的實(shí)施需要通過(guò)這些子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，ITS體系構(gòu)造為ITS的各個(gè)部分提供了統(tǒng)一的接口原則，從而使各個(gè)部分便于協(xié)調(diào)，集成為一種整體；避免少缺和重復(fù)，使ITS成為一種高效、完整的系統(tǒng)，并含有良好的擴(kuò)展性；根據(jù)國(guó)家總體ITS框架，發(fā)展地區(qū)性的體系構(gòu)造，確保不同地區(qū)智能交通系統(tǒng)含有兼容性。第二節(jié)ITS體系構(gòu)造的構(gòu)建辦法1.ITS體系構(gòu)造構(gòu)建辦法比較世界各國(guó)開(kāi)發(fā)ITS體系構(gòu)造采用的辦法重要有兩種，一種稱為構(gòu)造化辦法(StructuredMethod)，一種稱為面對(duì)對(duì)象的辦法(ObjectOrientedMethod)。構(gòu)造化辦法，以功效的抽象與分解為重要手段，按功效之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系組織數(shù)據(jù)。構(gòu)造化辦法簡(jiǎn)樸易行，流行已久，能被大多數(shù)工程師理解和接受，便于交流，但用構(gòu)造化辦法開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)修改或擴(kuò)展比較困難。面對(duì)對(duì)象的辦法，首先擬定對(duì)象或?qū)嶓w及其與其它對(duì)象之間的關(guān)系，然后擬定每個(gè)對(duì)象執(zhí)行的功效，圍繞數(shù)據(jù)對(duì)象或?qū)嶓w組織功效，形成單一的互有關(guān)聯(lián)的視圖。用面對(duì)對(duì)象辦法開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)易于擴(kuò)展和修改，但該辦法操作起來(lái)比較復(fù)雜，并且可讀性不強(qiáng)，不利于交流和討論。國(guó)家ITS體系構(gòu)造作為一種指導(dǎo)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)同才干真正發(fā)揮作用。因此，國(guó)家ITS體系構(gòu)造必須含有較強(qiáng)的可讀性，方便讓更多的人能理解之，進(jìn)而討論之。另外，如果用面對(duì)對(duì)象的辦法來(lái)開(kāi)發(fā)ITS邏輯構(gòu)造，在擬定“對(duì)象”集時(shí)將碰到很大的麻煩，由于ITS是一種復(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體系構(gòu)造開(kāi)發(fā)小組”就是選用構(gòu)造化辦法構(gòu)建了其《國(guó)家ITS體系構(gòu)造》。我國(guó)“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“中國(guó)智能交通系統(tǒng)體系框架研究”，也采用了構(gòu)造化辦法。2.構(gòu)造化辦法介紹構(gòu)造化辦法構(gòu)建ITS體系構(gòu)造，其重要流程如圖所示。圖構(gòu)造化辦法構(gòu)建體系構(gòu)造流程簡(jiǎn)圖（1）界定顧客構(gòu)建ITS體系構(gòu)造首先要界定系統(tǒng)的顧客。ITS作為信息技術(shù)（IT）系統(tǒng)的一種分支，可用IT系統(tǒng)界定顧客的辦法來(lái)界定其顧客。信息系統(tǒng)的顧客是指影響系統(tǒng)或受系統(tǒng)影響的人和機(jī)構(gòu)，能夠從四個(gè)方面識(shí)別信息技術(shù)系統(tǒng)的顧客，即：需要IT者、制造IT者、使用IT者和管理IT者。（2）顧客服務(wù)所謂顧客服務(wù)是按顧客的規(guī)定，系統(tǒng)應(yīng)能為顧客服務(wù)的事項(xiàng)。ITS顧客服務(wù)就是ITS能提供的服務(wù)與產(chǎn)品；提出了ITS顧客服務(wù)項(xiàng)目，也就是提出了ITS開(kāi)發(fā)的范疇。（3）顧客服務(wù)規(guī)定為了實(shí)現(xiàn)每項(xiàng)顧客服務(wù)，需要ITS能完畢一系列功效。為了反映這一點(diǎn)，須將每項(xiàng)顧客服務(wù)分解成更為具體的功效闡明——即顧客服務(wù)規(guī)定；換句話說(shuō)，顧客服務(wù)規(guī)定是系統(tǒng)為提供顧客服務(wù)而應(yīng)當(dāng)含有的某些功效。（4）需求模型需求模型描述系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)做什么，是系統(tǒng)功效規(guī)定的模型化。需求模型重要任務(wù)是定義系統(tǒng)的信息解決行為和控制行為。在構(gòu)架模型開(kāi)發(fā)階段重要考慮系統(tǒng)的功效規(guī)定。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”及其對(duì)應(yīng)的“過(guò)程定義”、“控制闡明”與“數(shù)據(jù)字典”構(gòu)成。需求總圖定義系統(tǒng)的邊界，即擬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)行的功效。控制流圖和控制闡明描述系統(tǒng)執(zhí)行這些功效的條件或環(huán)境。實(shí)時(shí)性規(guī)定(TimeSpecification)對(duì)系統(tǒng)在“輸入終端”接受事件(Event)刺激后，在“輸出終端”作出反映的時(shí)間進(jìn)行限定。數(shù)據(jù)字典對(duì)在數(shù)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體系構(gòu)造》中被叫做“邏輯構(gòu)造”，其中的控制流圖被加入數(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)架模型的重要任務(wù)是：①擬定構(gòu)成系統(tǒng)的物理實(shí)體；②定義物理實(shí)體之間的信息流動(dòng)；③闡明信息流動(dòng)的通道。在構(gòu)架模型開(kāi)發(fā)階段不僅要考慮功效規(guī)定，并且要考慮性能規(guī)定、可靠性規(guī)定、安全保密規(guī)定以及開(kāi)發(fā)費(fèi)用、開(kāi)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”、“模塊闡明”、“信息通道圖”、“信息通道定義”和“信息字典”構(gòu)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)視圖，構(gòu)架總圖普通與系統(tǒng)總圖一致。信息流圖和構(gòu)架模塊闡明描述構(gòu)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全部的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)字典中未出現(xiàn)的其它信息。構(gòu)架模型在美國(guó)《國(guó)家ITS體系構(gòu)造》中被叫做“物理構(gòu)造”。構(gòu)架模型完畢后，經(jīng)確認(rèn)全部的顧客服務(wù)都被體系構(gòu)造構(gòu)架中各子系統(tǒng)所包含，并通過(guò)對(duì)所構(gòu)建的體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，涉及來(lái)自投資者意愿的反饋信息，最后運(yùn)用來(lái)自確認(rèn)和評(píng)價(jià)的反饋成果進(jìn)一步修改系統(tǒng)規(guī)定和體系構(gòu)造。修改完善后，在擬定的ITS體系構(gòu)造的基礎(chǔ)上，才干擬定整個(gè)ITS的研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃、制訂ITS各部分和各類產(chǎn)品的統(tǒng)一原則以及規(guī)定系統(tǒng)的通信合同等。第三節(jié)美國(guó)的國(guó)家ITS體系構(gòu)造1.開(kāi)發(fā)過(guò)程現(xiàn)在，我國(guó)還沒(méi)有形成最后完善的《國(guó)家ITS體系構(gòu)造》，這里以美國(guó)為例，簡(jiǎn)要介紹其ITS體系構(gòu)造。美國(guó)是最早開(kāi)發(fā)完整的ITS體系構(gòu)造的國(guó)家，美國(guó)國(guó)家ITS體系構(gòu)造開(kāi)發(fā)計(jì)劃分為兩個(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(kāi)發(fā)出體系構(gòu)造初步方案；通過(guò)方案評(píng)審和比較，2個(gè)開(kāi)發(fā)小組獲準(zhǔn)進(jìn)入第二階段，稱為“聯(lián)合開(kāi)發(fā)階段”，吸取各初步方案的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)整頓與合并，合作開(kāi)發(fā)統(tǒng)一、唯一的國(guó)家ITS體系構(gòu)造。典型的體系構(gòu)造開(kāi)發(fā)過(guò)程實(shí)質(zhì)上涉及在第一階段的工作中，采用了重復(fù)修改的開(kāi)發(fā)程序。首先從界定顧客、擬定顧客服務(wù)和顧客服務(wù)規(guī)定出發(fā)，開(kāi)發(fā)出運(yùn)行規(guī)定或系統(tǒng)規(guī)定，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出運(yùn)行概念（體系構(gòu)造的目的以及顧客如何與之交互）；接著，開(kāi)發(fā)包含一系列具體功效規(guī)定的邏輯構(gòu)造；將邏輯構(gòu)造中的解決分派到物理實(shí)體/子系統(tǒng)，就產(chǎn)生了物理構(gòu)造，一種在時(shí)間框架內(nèi)提供全部顧客服務(wù)的體系構(gòu)造也就被開(kāi)發(fā)出來(lái)了；發(fā)展布署擬定導(dǎo)入某些功效(或服務(wù))的時(shí)間框架和背景；體系構(gòu)造確實(shí)認(rèn)體現(xiàn)在追溯矩陣中，追溯矩陣將顧客服務(wù)規(guī)定追溯至邏輯構(gòu)造中的解決、物理構(gòu)造中的子系統(tǒng)，以確保全部的顧客服務(wù)都被體系構(gòu)造所包含；然后對(duì)體系構(gòu)造進(jìn)行評(píng)價(jià)，涉及接受來(lái)自投資者意愿的反饋信息；最后運(yùn)用來(lái)自評(píng)價(jià)和確認(rèn)過(guò)程的返饋成果進(jìn)一步改善系統(tǒng)規(guī)定和體系構(gòu)造。2.ITS體系構(gòu)造概貌美國(guó)國(guó)家ITS體系構(gòu)造（簡(jiǎn)稱UNIA）開(kāi)發(fā)計(jì)劃共耗資2500萬(wàn)美元，重要成果體現(xiàn)在約2500頁(yè)的文本中，分為：體系構(gòu)造、評(píng)價(jià)、實(shí)施方略和有關(guān)原則等4部分內(nèi)容。下文將從顧客服務(wù)與顧客服務(wù)規(guī)定、邏輯構(gòu)造和物理構(gòu)造等方面，介紹美國(guó)國(guó)家ITS體系構(gòu)造概貌。（1）顧客服務(wù)與顧客服務(wù)規(guī)定滿足顧客服務(wù)和顧客服務(wù)規(guī)定是對(duì)ITS體系構(gòu)造的基本規(guī)定，UNIA覆蓋了30項(xiàng)ITS顧客服務(wù)（見(jiàn)下表3-1）)及對(duì)應(yīng)的1000多條顧客服務(wù)規(guī)定。表3-1美國(guó)ITS顧客服務(wù)顧客服務(wù)領(lǐng)域顧客服務(wù)出行和運(yùn)輸管理途中駕駛員信息(En-RouteDriverInformation)路線導(dǎo)行(RouteGuidance)旅行者服務(wù)信息(TravelerServicesInformation)交通控制(TrafficControl)偶發(fā)事件管理(IncidentManagement)排放測(cè)試與緩和(EmissionsTestingandMitigation)道路—鐵路交叉口(Highway-RailIntersection)出行需求管理出行前旅行信息(Pre-TripTravelInformation)合乘車匹配與預(yù)約(RideMatchingandReservation)需求管理和運(yùn)行(DemandManagementandOperations)公共運(yùn)輸運(yùn)行公共運(yùn)輸管理(PublicTransportationManagement)在途公交信息(En-RouteTransitInformation)個(gè)人化公共交通(PersonalizedPublicTransit)公共出行安全(PublicTravelSecurity)電子付費(fèi)服務(wù)電子付費(fèi)服務(wù)(ElectronicPaymentServices)商用車運(yùn)行商用車電子結(jié)算(CommercialVehicleElectronicClearance)自動(dòng)路邊安全檢查(AutomatedRoadsideSafetyInspection)車載安全監(jiān)視(On-BoardSafetyMonitoring)商用車行政管理(CommercialVehicleAdministrativeProcesses)危險(xiǎn)物品異常響應(yīng)(HazardousMaterialIncidentResponse)商用車隊(duì)管理(CommercialFleetManagement)緊急事件管理緊急事件通報(bào)與個(gè)人安全(EmergencyNotificationandPersonalSecurity)緊急車輛管理(EmergencyVehicleManagement)先進(jìn)車輛控制和安全系統(tǒng)縱向防撞(LongitudinalCollisionAvoidance)橫向防撞(LateralCollisionAvoidance)交叉口防撞(IntersectionCollisionAvoidance)防撞視野強(qiáng)化(VisionEnhancementforCrashAvoidance)危險(xiǎn)預(yù)警(SafetyReadiness)撞前避傷(Pre-CrashRestraintDeployment)自動(dòng)公路系統(tǒng)(AutomatedHighwaySystems)

（2）邏輯構(gòu)造UNIA邏輯構(gòu)造通過(guò)ITS需求總圖、數(shù)據(jù)流圖、解決闡明和數(shù)據(jù)字典來(lái)體現(xiàn)前述顧客服務(wù)和顧客服務(wù)規(guī)定。UNIA擬定的美國(guó)ITS總圖如圖所示，圖中圓圈代表ITS功效性“解決”，矩形代表從ITS解決接受信息或者將信息傳遞給ITS解決的“外部終端”。圖是簡(jiǎn)化了的UNIA頂層數(shù)據(jù)流圖，圖中箭頭表達(dá)“數(shù)據(jù)流”，圓圈表達(dá)“解決”、直線段表達(dá)“文獻(xiàn)”，矩形表達(dá)“外部終端”。圖美國(guó)ITS總圖圖美國(guó)ITS總圖圖簡(jiǎn)化的UNIA頂層數(shù)據(jù)流圖（3）物理構(gòu)造圖簡(jiǎn)化的UNIA頂層數(shù)據(jù)流圖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)輸功效，通信層為運(yùn)輸層組件之間的連接提供通信服務(wù)，體制層反映政策制訂者、規(guī)劃者和其它ITS顧客之間的關(guān)系。物理構(gòu)造的擬定要考慮體制方面的因素，但體制層不屬于物理構(gòu)造部分，而是在實(shí)施方略中描述。物理構(gòu)造分運(yùn)輸層和通信層進(jìn)行描述。運(yùn)輸層UNIA構(gòu)架總圖與圖所示的邏輯構(gòu)造總圖一致。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)、出行者子系統(tǒng)；每種類型又涉及數(shù)量不等的個(gè)別子系統(tǒng)，UNIA共擬定了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)備包是物理構(gòu)造中能夠購(gòu)置的最小單位的實(shí)體，每個(gè)設(shè)備包對(duì)應(yīng)著邏輯構(gòu)造中的一種或多個(gè)“解決”。圖是UNIA頂層構(gòu)架流圖(TopLevelArchitectureFlowDiagram)，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)線框表達(dá)ITS組件，虛線框表達(dá)外部終端。圖UNIA頂層構(gòu)架流圖通信層圖UNIA頂層構(gòu)架流圖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)）。圖是UNIA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)（用矩形框表達(dá)）及其交換信息的4種基本通信連接方式（用橢圓形框表達(dá)），該圖也可被當(dāng)作是UNIA物理構(gòu)造之運(yùn)輸層和通信層的最高級(jí)視圖。圖UNIA頂層構(gòu)架互連圖圖UNIA頂層構(gòu)架互連圖第四節(jié)中國(guó)國(guó)家ITS體系構(gòu)造展望本節(jié)參考UNIA，對(duì)中國(guó)國(guó)家ITS體系構(gòu)造（CNIA）做扼要介紹，重要集中于上層體系構(gòu)造，并給出各子系統(tǒng)之間的關(guān)系。1.邏輯構(gòu)造邏輯構(gòu)造的重點(diǎn)是系統(tǒng)的功效性解決和數(shù)據(jù)流。邏輯構(gòu)造獨(dú)立于體制和技術(shù)，它不擬定由誰(shuí)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的功效，也不考慮實(shí)現(xiàn)這些功效的方式。因此，CNIA邏輯構(gòu)造與UNIA邏輯構(gòu)造的差別重要來(lái)源于中、美ITS顧客服務(wù)與顧客服務(wù)規(guī)定的差別。ITS總圖總圖定義系統(tǒng)的邊界，根據(jù)中國(guó)ITS顧客服務(wù)規(guī)定，可初步擬定中國(guó)ITS總圖如圖所示；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功效的初次分解，其實(shí)質(zhì)是劃分ITS功效領(lǐng)域。UNIA邏輯構(gòu)造將ITS分解成8棵功效性“解決樹(shù)”，即：交通管理、商用車管理、車輛監(jiān)視與控制、公交管理、緊急服務(wù)管理、駕駛員和出行者服務(wù)、電子付款服務(wù)、規(guī)劃與實(shí)施?？紤]到中國(guó)與美國(guó)在顧客服務(wù)規(guī)定上的區(qū)別，能夠在邏輯構(gòu)造頂層數(shù)據(jù)流圖將中國(guó)ITS分解成9棵功效性“解決樹(shù)”：1)交通管理；2)商用車管理；3)車輛監(jiān)視與控制；4)公交管理；5)緊急服務(wù)管理；6)駕駛員與旅行者服務(wù)；7)電子收付費(fèi)；8)自行車與行人增援；9)提供歷史數(shù)據(jù)服務(wù)?？紤]各“解決樹(shù)”之間的數(shù)據(jù)交換，可得中國(guó)ITS邏輯構(gòu)造頂層數(shù)據(jù)流圖如圖所示。圖中國(guó)ITS邏輯構(gòu)造頂層數(shù)據(jù)流圖2.物理構(gòu)造物理構(gòu)造把邏輯構(gòu)造所擬定的“解決”分派到ITS物理實(shí)體上，根據(jù)各實(shí)體所含的“解決”之間的數(shù)據(jù)流，擬定實(shí)體之間的構(gòu)架流，進(jìn)而擬定物理實(shí)體的互連方式。物理構(gòu)造的擬定要考慮系統(tǒng)功效規(guī)定，也要考慮非功效性規(guī)定，涉及體制、文化、市場(chǎng)等因素的影響。系統(tǒng)功效規(guī)定通過(guò)邏輯構(gòu)造擬定的“解決”和“數(shù)據(jù)流”來(lái)體現(xiàn)，決定ITS物理實(shí)體必須完畢的功效。非功效性規(guī)定則影響ITS功效在物理實(shí)體間的分派。例如：美國(guó)最初想把“交通信息服務(wù)”功效和“交通管理”功效分派到一種子系統(tǒng)中，但考