智慧城市系列之智能交通系统(完整版)

1、第二章 智能交通系统的发展第一节 its的基本概念“智能交通系统”，简称its（intelligent transportation systems），是交通运输领域各种高科技技术系统的一个统称。凡是运用高新科学技术手段组成的、旨在改善交通状况、缓解交通问题的各种技术系统，都可称为its。相关的高新技术主要包括信息技术、计算机技术、自动控制技术、通讯技术等。改善交通状况主要是指提高交通运输效率和提高汽车行驶性能；缓解交通问题主要是指减少交通事故和降低交通对环境的污染。its这一国际性术语于1994年被正式认定。在此之前，美国称这类技术或相关研究项目为“智能车辆道路系统（ivhs）”（intel

2、ligent vehicle highway system）；日本将这类技术称为utms、vics等；欧盟则称之为“道路交通信息技术（rti）”。国际标准化组织（iso）为its设立的专项叫iso/tc-204，使用的术语是“tics（交通运输信息与控制系统）”。第二节 its在美国美国在60年代末就已研究开发电子导行系统ergs（electronic route guidance system）。后来，美国发现欧盟、日本都在致力于研究应用高新技术改善道路交通状况的课题；又考虑到在冷战结束后美国的许多军用高科技成果可转向民用，故中断了相关研究。1989年，由联邦运输部向国会提出了一个研发运用高

3、科技成果改善道路交通的长达30年的战略计划，定名为ivhs，并投资300多亿美元组织全国政府部门、高等院校、研究机构、产业界（包括众多咨询公司）投入这项研究。1. ivhs战略计划（1） 1989年ivhs战略计划1989年美国制定了ivhs的研究总目标、研究的分系统及研究内容等。确定其研究目标是： 使用信息技术、计算机自动控制等高新技术建立先进的交通管理系统，提高城市道路与城际高速道路网的运营效率。 通过车内、车外信息系统，向驾驶员提供交通状况及驾驶所需有关信息及行驶路线导行信息，使车辆可以最短时间到达目的地。 用车内安全报警系统提高驾驶员注意力，提高交通安全性。 用安全报警系统、辅助驾驶系

4、统、车辆辨识系统等提高货车等商用车的运行效率、安全性与可靠性。 用出行信息系统给旅行者提供各类交通信息，提高交通服务水平，使出行方便、畅通、舒适。 改善车辆在道路上的运行状态，降低交通对环境的污染。 发展交通运输系统智能化、信息化设施新产业。战略计划中的ivhs分成四个分系统：先进的交通管理系统（advanced traffic management system，简称atms）、先进的交通信息系统（advanced traveler information system，简称atis）、商用车运行管理系统（commercial vehicle operation system，简称cvos）

5、、先进的车辆控制系统（advanced vehicle control system，简称avcs）。（2）1991年的istea1991年美国又提出新一轮的道路交通建设法案，即简称istea (intermodal surface transportation efficiency act)的陆上综合交通运输效率化法案，被美国交通运输界誉为确立美国交通运输新政策的一部划时代的交通运输建设新法案。这就是著名的“冰茶法案”。法案中，把ivhs的研究开发置于道路交通建设政策的中心项目的位置，并规定了研究开发ivhs的巨大投资计划。（3） 1992年ivhs战略计划美国1992年再次提出的ivhs战

6、略计划，把四大分系统的研究课题分为两大类：“研究开发”与“运行测试”。前者是ivhs的基础研究，后者是把基础研究成果推向实际应用前的论证阶段。从美国ivhs战略计划的研究内容可见：ivhs不仅涉及所需的高新技术，还涉及实施运行后，ivhs对社会、经济、法律、土地使用及人们出行行为的影响，以及所需采取的管理制度的建立等研究内容。可见，ivhs不仅使交通运输建设与运行管理走上高科技之路，使交通运输产生划时代的改变，而且将对社会、经济、法律、土地使用产生深远的影响。2. 研究ivhs的组织机构1989年美国有一个民间组织，叫mobility-2000，自发开展有关促进协调研究ivhs的工作。提出iv

7、hs战略计划后，考虑到这样庞大的研究计划涉及学科众多，于是美国运用二战中组织大型科研项目的成功经验，在国家的主持下，于1990年成立研究工作的组织、管理与协调专门机构，组织来自全国各部门（政府部门、高等院校、研究机构、企业单位、咨询公司等）、各学科的专家、学者、管理人员共同协作完成ivhs研发任务。这个组织机构开始取名为ivhs-america（intelligent vehicle highway society-america）。3. 从ivhs到its1994，美国根据ivhs的实际在研项目，认为ivhs的名称已不能覆盖其全部内容，因而把ivhs改名为its。在原ivhs四大分系统基础上

8、再增加两个分系统，先进的公共交通系统（advanced public transit system，简称apts）和先进的乡村交通系统（advanced rural transportation system，简称arts），形成现在的its研究的构架。与此同时，原组织机构ivhs-america也随之更名为its-america。4. 时间节约战略1996年1月，美国联邦运输部又发布了“交通运行时间节约战略”。在这个“战略”中提出了iti（intelligent transportation infrastructure）“智能交通运输基础设施”的新概念，就是要通过美国75个城市“智能交通运

9、输基础设施”的建设，在今后10年内，实现旅行时间缩短15%的一项计划，借以加强its研究成果的实施，推进its设施产业的发展。iti“智能交通运输基础设施”概念的提出及其在美国75个城市中的实施，加上日本在全国推广vics及其its设施建设的响应与国际上its的激烈竞争表明：新世纪的交通运输基础设施已不再是传统的土建设施，而是土建加its设施的综合，这是对传统交通运输基础设施观念的一个彻底更新。无疑，没有强有力的产业经济利益的支撑，美国是不会提出这样的“战略”的。5. its的效益（1） 美国于1990年在达拉斯（dallas）召开了全国ivhs会议，对当时ivhs的效益作了定性的描述，认为：

10、ivhs可以促进全国交通运输业的发展，汽车工业将有一个飞跃，现有路网将被更加有效地使用，旅行者的出行将更安全、方便、通畅、舒适，能源将大大节省，环境将得到改善。（2） mobility-2000曾对美国应用ihvs技术的潜在效益作过分析，基本结论如下： 可使都市地区的交通阻塞损失降低25%40%。以1990年美国因交通阻塞损失1000亿美元计，因ivhs每年至少可减少损失250亿美元。这项效益还将因交通量的逐年增长而增加。 到2010年，估计每年可以减少交通事故死亡11500人及220亿次交通事故；到2020年可以减少交通事故死亡33500人，交通事故650亿次。 此外尚可带来减少能源消耗，降

11、低大气污染，提高城市运输生产力的效益。 各相关产品的国际国内市场效益，估计到2000年可达每年280亿美元。mobility-2000对ivhs计划成本估计包括研究、开发、测试、设计、安装，共约350亿美元。这是以美国250个大都市、18000里高速公路上全部使用ivhs为前提的。分项成本如下： 研究开发成本约14亿美元； 测试经费约30亿美元； 实施安装成本约300亿美元； 此外车主大约要花费8001000美元购买车内有关设备。若单计降低交通拥挤损失及产品市场效益两项，以上成本一年即可全部回收。（3）美国得克萨斯（texas）州运输部对ivhs的效益估计atms可减少停车次数30%，降低行驶

12、时间13%45%；atis又可降低行驶时间10%15%；cvo可提高货运效率；avcs可减少交通事故，提高道路通行能力，减少废气排放8%15%。（4）美国实施its取得的实效u atms在密歇根（michigan）使高峰期间车速提高19%，在密苏里（missouri）使高峰期间车速提高35%；u atis使行驶时间缩短了19%；u avcs使公共汽车交通事故降低20%。第三节 its在日本1. 研究its的简要历史（1） 1971年日本就开始研究开发cacs（comprehensive automobile control system），1979年完成，未能实施；（2）1984年建设省研究开

13、发racs（road automobile communication system），1991年完成，未能实施；（3） 1987年警察厅研究开发amtics（advanced mobile traffic information and communication system），1991年完成，也未能实施；（4） 1991年，在上述系统基础上，警察厅、建设省、邮电省联合开发vics（vehicle information and communication system），1993年完成，1994年开始在东京试运行，获得成功，1996年在东京1都3县开始服务，1997年组织全国推广。（5）

14、1993年，日本提出utms（universal traffic management system）计划，全面展开研究its。utms包括六个分系统：u itcs（integrated traffic control system）集成交通控制系统；u amis（advanced moblie information system）先进车辆信息系统；u mocs（mobile operation control system）车辆运行控制系统；u drgs（dynamic route guidance system）动态路线导行系统；u ptps（public transportation

15、priority system）公共交通优先系统；u epms（environment protection management system）环境保护管理系统。（6）1995年，在横滨召开的第二届世界its会议后，把所有研究项目也统称为its。2. its基本国策日本研发its的基本政策是从“基本方针”、“实施方针”到“its总体构想”。（1） “基本方针”1995年2月，日本政府制定了“推进实施高度信息通信社会的基本方针”；6月，日本内阁会议正式通过。在“基本方针”5个研究领域中，道路交通情报化研究被列在首位。（2） “实施方针”同年，在“推进实施高度信息通信社会的基本方针”的基础上，由

16、与研究its有关的四省一厅（建设省、通产省、运输省、邮电省以及警察厅）联合制定并宣布了“在道路、交通、车辆领域实施信息化的方针”，“实施方针”向国内外表明了日本政府对于推进研究开发its的积极姿态。其目的在于：组织推进政府、产业界与学术界联合开发研究its，并于21世纪初把各种系统陆续投入实用，构成its体系。 实施措施“实施方针”提出11条实施措施：n制定总体构想 n基础设施布设 n系统的兼容适应性n组织研究管理机构 n开发its的实用化 n国际合作n研究与开发项目 n法制、制度的配合考虑 nits国际会议n实施测试内容 n标准化 “实施方针”研究领域“实施方针”计划研究开发9个领域：n导行

17、系统 n公共交通优先n自动收费系统 n商用车辆高效化n安全驾驶系统 n行人n交通管理最优化 n紧急车辆运行n道路管理高效化（3）“its总体构想”1996年7月，在“实施方针”基础上，日本的四省一厅联合制定并出版了“推进its总体构想”。“总体构想”的目的使国民深入理解its的必要性和通过统一产、学、官各界目标推进its实用化的研究开发。“总体构想”研究计划“总体构想”研究计划在“实施方针”9个开发领域的基础上，进一步明确20项为用户服务项目。应“总体构想”的提出，1996年日本政府安排596亿日元用于its实用化和改善基础设施，74亿日元用于its的研究开发，用高额的财政支持来加紧推进its

18、的研究与开发应用。3. 研究its的组织机构为研究开发its，日本政府及民间曾成立不少组织机构，主要有：（1） hido日本1984年就已成立hido（highway industry development organization）财团法人“道路新产业开发机构”，专门资助its研究成果的开发应用及产业化。（2）utms-japan1993年配合utms的提出，成立utms-japan（universal traffic management society of japan）“日本通用交通管理系统研究促进协会”。（3）vertis1994年开始，效仿美国、欧洲，四省一厅联合组织成立全国统一

19、的研究开发its的组织机构vertis（vehicle, road and traffic intelligence society），即“车辆、道路和交通智能化协会”。4. its的效益分析（1） 交通效益日本对its的效益估计见表2-1。表2-1 日本its交通效益估计10年后20年后30年后减少交通事故0.850.700.50降低堵车发生率0.500.200节省燃料0.900.800.78降低废气污染0.900.850.80（2） its的收益投资比日本its的收益投资见下表2-2。表2-2 日本its收益投资估计投资（兆日元）收益（兆日元）收益/投资第一阶段1995-2000年1.01

20、.21.2第二阶段2001-2005年75第三阶段2006-2015年67此外，日本还对vics的投资效益进行了预算：在20年间，必要的事业投资为1.2兆日元，收益可达7.7兆日元，相当于投资的6倍之多。第四节 its在欧洲欧洲80年代初期，德、英、法等国纷纷先后各自研究自己的系统：德国的lisb，英国的autoguide，瑞典的arise，法国的marathon atlas等。欧共体经济合作与发展组织（oecd）对此做了调查，并对各国的研究成果作了评价。1988年发表了题为路线导行与车内通讯系统的调研报告，认为：应用现代信息与通讯技术等高科技的路线导行系统

21、，将会使道路交通发生显著的变化。基于这样的认识，oecd将努力促进这一领域的研究开发。1. drive计划drive(dedicated road infrastructure for vehicle safety in europe)计划是欧共体由政府组织的一项研发计划，1987年欧共体运输部长联席会议开始筹划，1988年开始执行。组织12个国家的高校、研究中心、企业等各方面，累计有70多家单位参加合作研究。其目标是：降低道路交通事故，加强道路交通安全，提高原有设施的运行效率，降低交通对环境的污染等。（1） drive-i计划的起始阶段：从1988年至1991年。研究内容集中于基础研究与标准

22、研究，分成四个方面：总体问题和建模，出行者行为分析和交通安全，交通控制与服务，以及通信与数据库。第一阶段drive-i计划已于1991年告一段落，取得的成果包括：移动无线通信的动态路线导行系统、交通事故自动检测系统、数字地图、交通控制与管理知识库系统、交通控制新策略新算法、交通控制与路线导行综合系统、全欧出行规划系统等。（2） drive-iidrive-ii的基本目标是：a.使drive-i研究成果付诸实用；b.建立通用系统规范。（3） 从drive-ii到telematicsdrive计划第三阶段drive-iii，或称交通运输信息通讯技术是一项环绕道路交通运输、航空运输、铁路和水路运输、

23、多方式联合运输的综合性研究计划。2. prometheus计划1986年14家欧洲汽车制造商联合提出prometheus计划（program for europe traffic with highest efficiency and unprecedented safety），将其作为欧洲eureka联合开发项目的一个组成部分，其目的是探清研究的必要性，确定研究方向和内容，并拟订研究计划。（1） 开发目标、项目prometheus环绕五个开发目标：u 安全：研究预防交通事故系统；u 经济：降低油耗；u 高效：提高道路通行能力；u 方便：减轻司机驾驶负担；u 环境保护：降低交通对环境的污染。研

24、究与开发项目分为两大类：第一类是基础研究，由高校、研究院承担，共70个研究机构参加。第二类是应用研究，由汽车制造商承担，共有103家厂商参加。（2） 研究成果prometheus规定的研究开发和现场测试项目的研究成果分成9类。这些成果已于1994年10月在巴黎举行的94智能车辆学术会上展示。（3） 从prometheus到promote上述展示标志prometheus结束，随之promote（program for mobility in transportation in europe）计划开展了。promote从1995年开始，计划4年完成。promote围环绕各种不同的交通方式研究其智能

25、化措施。promete并非prometheus的简单继续，两者区别如下：研究内容从车辆技术移向交通管理系统与安全系统；参与者不仅是汽车制造商，也包括电子公司和道路管理者。3. 研究telematics的组织机构欧盟随美国its-america的成立，于1992年筹组成立与its-america相当的retico（european road transport telematics implementation organization）机构，统一协调telematics的研究。第五节 its在中国20世纪90年代初，我国的相关学者已经意识到研究和开发its的重要性。在20世纪90年代中期，由于

26、受到国外its研发的影响，政府部门也开始重视对its的研究，随后，又得到中央部门和部分地方政府的支持，例如：国家科技部、交通部、铁道部、信息产业部、国家技术监督局等，以及北京、上海、深圳、广州、济南、青岛、杭州、厦门、中山等。1999年，我国成立了全国智能交通系统（its）协调指导小组及办公室，同年，又成立了全国智能交通运输系统（its）专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家 “九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。第六节 its子系统概貌总结美国、日本、欧盟研发its的进程，可以得出如表

27、2-3所示的美、日、欧研发its的计划中其分系统名称及变迁表。应该指出，我国在“九五攻关”项目中，在借鉴美国、欧盟、日本的its子系统建立经验的基础上，也确立了中国的its子系统。表2-3 美国、日本、欧洲研发its计划中子系统名称及变迁对照美国日本欧盟ivhsitsutmsitsdrivetelematics先进交通管理系统（atms）集成交通控制系统（itcs），动态路径导行系统（drgs）交通管理最适化（otm），道路管理效率化（erm）导行系统高度化（ans）城市交通综合管理交通管理与控制先进出行者信息系统（atis）先进车辆信息系统（amis）交通旅行情报交通与旅行情报先进车辆控制系

28、统（avcs）车辆运行控制系统（mocs）安全运行支援（asd）司机援助与协作驾驶车辆控制商车运行管理系统（cvos）商用车高效化（ecvo）货运交通及其车队管理先进公交运行系统（apts）公交有线系统（ptps）公共交通支援（spt）公共交通管理先进市际交通系统（arts）城际交通综合管理环境保护管理系统（epms）电子收费系统（etcs）步行者支援（sp）紧急车辆运行支援（sevo）交通需求管理自动道路系统（ahs）思考题1世界各国为何要投入巨大人力、财力致力于its的研究和开发？2its在我国有无研究应用的必要性？试以上海市为例，加以说明。第三章 its体系结构智能交通系统是一种复杂的巨

29、系统，如何来描述系统各构件之间的相互关系及系统各部分的功能与整体功能，就要用到“体系结构”这一概念。本章介绍its体系结构的基本概念、体系结构的构建方法、以及应用实例。第一节 什么是its体系结构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”，是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。在交通系统中，人、车、路以及货物这四个组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（货物）、车、路构成的道路交通系统，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车载设施和道路交通基础设施，如各类检测设施、信息发布设施即信息

30、传输设施，就构成了智能交通运输系统。然而，怎样来描述这一抽象概念的系统呢？像居住房屋一样，房屋由基础、梁、柱、屋面等各构件用一定的搭接方式建成，具有供人们居住生活的功能。房屋的各构件相互搭接的关系及房屋各部分的功能和整体功能可用房屋的建筑图和结构图来描绘。同样，its各构件的相互关系及各部分的功能和整体功能，也可用系统体系结构来描述。因此，its的体系结构是指系统所包含的子系统、各个子系统之间的相互关系和集成方式、以及各个子系统为实现用户服务功能、满足用户需求所应具备的功能。根据定义，its体系结构决定了系统如何构成，确定了功能模块以及模块之间的通信协议和接口，它的设计必须包含实现用户服务功能

31、的全部子系统的设计。its体系结构具有下列重要意义：u its本身比较复杂，涉及面广，需要有一个指导性的框架，来帮助我们理解这个系统的结构； u its是一个庞大的系统，包含有很多子系统，它的实施需要通过这些子系统来实现，its体系结构为its的各个部分提供了统一的接口标准，从而使各个部分便于协调，集成为一个整体；u 避免少缺和重复，使its成为一个高效、完整的系统，并具有良好的扩展性；u 根据国家总体its框架，发展地区性的体系结构，保证不同地区智能交通系统具有兼容性。第二节 its体系结构的构建方法1. its体系结构构建方法比较世界各国开发its体系结构采用的方法主要有两种，一种称为结构

32、化方法(structured method)，一种称为面向对象的方法(object oriented method)。结构化方法，以功能的抽象与分解为主要手段，按功能之间的联结关系组织数据。结构化方法简单易行，流行已久，能被大多数工程师理解和接受，便于交流，但用结构化方法开发的系统修改或扩展比较困难。面向对象的方法，首先确定对象或实体及其与其他对象之间的关系，然后确定每个对象执行的功能，围绕数据对象或实体组织功能，形成单一的相互关联的视图。用面向对象方法开发的系统易于扩展和修改，但该方法操作起来比较复杂，而且可读性不强，不利于交流和讨论。国家its体系结构作为一种指导全国its设计的框架，必须

33、得到全国工程师和投资者的广泛认同才能真正发挥作用。因此，国家its体系结构必须具有较强的可读性，以便让更多的人能理解之，进而讨论之。此外，如果用面向对象的方法来开发its逻辑结构，在确定“对象”集时将遇到很大的麻烦，因为its是一个复杂的大系统，可能的“对象”太多，“对象”的抽象程度也很难一致。美国“国家its体系结构开发小组”就是选用结构化方法构建了其国家its体系结构。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”，也采用了结构化方法。2. 结构化方法简介结构化方法构建its体系结构，其主要流程如图3.1所示。图3.1 结构化方法构建体系结构流程简图（1）界定用户构建its体

34、系结构首先要界定系统的用户。its作为信息技术（it）系统的一个分支，可用it系统界定用户的方法来界定其用户。信息系统的用户是指影响系统或受系统影响的人和机构，可以从四个方面识别信息技术系统的用户，即：需要it者、制造it者、使用it者和管理it者。（2）用户服务所谓用户服务是按用户的要求，系统应能为用户服务的事项。its用户服务就是its能提供的服务与产品；提出了its用户服务项目，也就是提出了its开发的范围。（3）用户服务要求为了实现每项用户服务，需要its能完成一系列功能。为了反映这一点，须将每项用户服务分解成更为详细的功能说明即用户服务要求；换句话说，用户服务要求是系统为提供用户服务

35、而应该具备的一些功能。（4）需求模型需求模型描述系统应该做什么，是系统功能要求的模型化。需求模型主要任务是定义系统的信息处理行为和控制行为。在构架模型开发阶段主要考虑系统的功能要求。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”及其相应的“过程定义”、“控制说明”与“数据字典”组成。需求总图定义系统的边界，即确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能。控制流图和控制说明描述系统执行这些功能的条件或环境。实时性要求(time specification)对系统在“输入终端”接受事件(event)刺激后，在“输出终端”作出反应的时间进行限

36、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体系结构中被叫做“逻辑结构”，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。构架模型的主要任务是：确定组成系统的物理实体；定义物理实体之间的信息流动；说明信息流动的通道。在构架模型开发阶段不仅要考虑功能要求，而且要考虑性能要求、可靠性要求、安全保密要求以及开发费用、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”、“模块说明”、“信息通道图”、“信息通道定义”和“信息字典”组成。构架总图建立系统与其运行环

37、境之间的信息边界，是系统的最高级视图，构架总图一般与系统总图一致。信息流图和构架模块说明描述组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所有的数据以及数据字典中未出现的其他信息。构架模型在美国国家its体系结构中被叫做“物理结构”。构架模型完成后，经确认所有的用户服务都被体系结构构架中各子系统所包含，并经过对所构建的体系进行评价，包括来自投资者意愿的反馈信息，最后利用来自确认和评价的反馈结果进一步修改系统要求和体系结构。修改完善后，在确定的its体系结构的基础上，才能拟定整个its的研究开发计划、制定its各部分和各类产品的

38、统一标准以及规定系统的通信协议等。第三节 美国的国家its体系结构1. 开发过程目前，我国还没有形成最终完善的国家its体系结构，这里以美国为例，简要介绍其its体系结构。美国是最早开发完整的its体系结构的国家，美国国家its体系结构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结构初步方案；经过方案评审和比较，2个开发小组获准进入第二阶段，称为“联合开发阶段”，吸收各初步方案的优点，经过整理与合并，合作开发统一、唯一的国家its体系结构。典型的体系结构开发过程实质上包括在第一阶段的工作中，采用了反复修改的开发程序。首先从界定用户、确定用户服务和用户服务要求出

39、发，开发出运营要求或系统要求，进而开发出运营概念（体系结构的目标以及用户如何与之交互）；接着，开发包含一系列详细功能要求的逻辑结构；将逻辑结构中的处理分配到物理实体/子系统，就产生了物理结构，一个在2012年时间框架内提供所有用户服务的体系结构也就被开发出来了；发展部署确定导入某些功能(或服务)的时间框架和背景；体系结构的确认体现在追溯矩阵中，追溯矩阵将用户服务要求追溯至逻辑结构中的处理、物理结构中的子系统，以保证所有的用户服务都被体系结构所包含；然后对体系结构进行评价，包括接受来自投资者意愿的反馈信息；最后利用来自评价和确认过程的返馈结果进一步改进系统要求和体系结构。2. its体系结构概貌

40、美国国家its体系结构（简称unia）开发计划共耗资2500万美元，主要成果体现在约2500页的文本中，分为：体系结构、评价、实施策略和相关标准等4部分内容。下文将从用户服务与用户服务要求、逻辑结构和物理结构等方面，介绍美国国家its体系结构概貌。（1） 用户服务与用户服务要求满足用户服务和用户服务要求是对its体系结构的基本要求，unia覆盖了30项its用户服务（见下表3-1）)及相应的1000多条用户服务要求。表3-1 美国its用户服务用户服务领域用户服务出行和运输管理途中驾驶员信息 (en-route driver information)路线导行(route guidance)旅行

41、者服务信息(traveler services information)交通控制(traffic control)偶发事件管理(incident management)排放测试与缓解(emissions testing and mitigation)道路铁路交叉口(highway-rail intersection)出行需求管理出行前旅行信息(pre-trip travel information)合乘车匹配与预约(ride matching and reservation)需求管理和运营(demand management and operations)公共运输运营公共运输管理(public

42、 transportation management)在途公交信息(en-route transit information)个人化公共交通(personalized public transit)公共出行安全(public travel security)电子付费服务电子付费服务(electronic payment services)商用车运营商用车电子结算(commercial vehicle electronic clearance)自动路边安全检查(automated roadside safety inspection)车载安全监视(on-board safety monitori

43、ng)商用车行政管理(commercial vehicle administrative processes)危险物品异常响应(hazardous material incident response)商用车队管理(commercial fleet management)紧急事件管理紧急事件通报与个人安全(emergency notification and personal security)紧急车辆管理 (emergency vehicle management)先进车辆控制和安全系统纵向防撞(longitudinal collision avoidance )横向防撞(lateral c

44、ollision avoidance)交叉口防撞(intersection collision avoidance)防撞视野强化(vision enhancement for crash avoidance)危险预警(safety readiness)撞前避伤(pre-crash restraint deployment)自动公路系统(automated highway systems)（2） 逻辑结构unia逻辑结构通过its需求总图、数据流图、处理说明和数据字典来体现前述用户服务和用户服务要求。unia确定的美国its总图如图3.2所示，图中圆圈代表its功能性“处理”，矩形代表从its处

45、理接收信息或者将信息传递给its处理的“外部终端”。图3.3是简化了的unia顶层数据流图，图中箭头表示“数据流”，圆圈表示“处理”、直线段表示“文件”，矩形表示“外部终端”。图3.2 美国its总图图3.3 简化的unia顶层数据流图（3）物理结构uina将运输系统分成3层：运输层、通信层和体制层。运输层执行运输功能，通信层为运输层组件之间的连接提供通信服务，体制层反映政策制定者、规划者和其他its用户之间的关系。物理结构的确定要考虑体制方面的因素，但体制层不属于物理结构部分，而是在实施策略中描述。物理结构分运输层和通信层进行描述。运输层unia构架总图与图3.2所示的逻辑结构总图一致。un

46、ia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；每种类型又包括数量不等的个别子系统，unia共确定了19个子系统；每个子系统进一步分解多个设备包。设备包是物理结构中可以购买的最小单位的实体，每个设备包对应着逻辑结构中的一个或多个“处理”。图3.4是unia顶层构架流图(top level architecture flow diagram)，显示了各类子系统之间及其与外部终端之间的关系，图中实线框表示its组件，虚线框表示外部终端。图3.4 unia顶层构架流图通信层 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

47、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3.5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（用矩形框表示）及其交换信息的4种基本通信连接方式（用椭圆形框表示），该图也可被看成是unia物理结构之运输层和通信层的最高级视图。图3.5 unia顶层构架互连图第四节 中国国家its体系结构展望本节参考unia，对中国国家its体系结构（cnia）做扼要介绍，主要集中于上层体系结构，并给出各子系统之间的关系。1. 逻辑结构逻辑结构的重点是系统的功能性处理和数据流。逻辑结构独立于体制和技术，它不确定由谁来实现系统中的功能，也不考虑实现这些功能的方式。因此

48、，cnia逻辑结构与unia逻辑结构的差异主要来源于中、美its用户服务与用户服务要求的差异。 its总图总图定义系统的边界，根据中国its用户服务要求，可初步确定中国its总图如图3.6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3.6 中国its总图 顶层数据流图顶层数据流图涉及到its功能的首次分解，其实质是划分its功能领域。unia逻辑结构将its分解成8棵功能性“处理树”，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用户服务要求上的区

49、别，可以在逻辑结构顶层数据流图将中国its分解成9棵功能性“处理树”：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)自行车与行人支援；9)提供历史数据服务。考虑各“处理树”之间的数据交换，可得中国its逻辑结构顶层数据流图如图3.7所示。图3.7 中国its逻辑结构顶层数据流图2. 物理结构物理结构把逻辑结构所确定的“处理”分配到its物理实体上，根据各实体所含的“处理”之间的数据流，确定实体之间的构架流，进而确定物理实体的互连方式。物理结构的确定要考虑系统功能要求，也要考虑非功能性要求，包括体制、文化、市场等因素

50、的影响。系统功能要求通过逻辑结构确定的“处理”和“数据流”来体现，决定its物理实体必须完成的功能。非功能性要求则影响its功能在物理实体间的分配。例如：美国最初想把“交通信息服务”功能和“交通管理”功能分配到一个子系统中，但考虑到“交通信息服务”涉及到个人隐私，执行“交通管理”功能的公有部门在保护个人隐私方面不如私有部门，因此决定专门设计“信息服务提供者”子系统来执行“交通信息服务”功能，并期望由赢利性私有商家来完成之；又如：为了吸引运输业者购买车载its产品，美国its体系结构研究小组又将“处理”功能尽量多地分配到“路侧子系统”中，减少“商用车系统”承担的功能，为降低商用车车载its产品的

51、价格提供基础。尽管中国与美国在体制、文化、市场等方面不尽相同，但从长远目标来看，cnia与unia在这方面的基本考虑应该是一致的，例如：要保护隐私、扩大市场等。所以，cnia与unia在物理结构方面的差异，主要还是应该来源于功能要求上的差异。以此为基础，可对cnia物理结构作出初步展望。 运输层cnia构架总图与图3.7所示的逻辑结构总图一致。图3.8 中国its顶层构架互连图中国its组件也分成4类，即：中心子系统、路侧子系统、车辆子系统、出行者子系统；但在中心子系统类型中增加“灾害救治中心”，同时将“规划”子系统扩展为“历史数据服务”子系统；在路侧子系统类型中增加“自行车道”；在车辆子系统

52、类型中增加“自行车”子系统。 通信层cnia子系统之间的通信可以套用unia确定的4类通信媒体，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3.8显示了中国its分属4类的22个子系统（用矩形框表示）及其交换信息的4种基本通信连接方式（用椭圆形框表示），是cnia顶层构架互连图，同时也是cnia物理结构之运输层和通信层的最高级视图。思考题建立its体系结构有什么重要意义？第四章 its的主要内容its的基本功能表现在：减少出行时间、保障交通安全、缓解交通拥挤、减少交通污染等四个方面，其最终目标是建立一个实时、准确、高效的交通运输管理系统

53、。its的基本功能模块包括：先进的出行者信息系统（atis），先进的交通管理系统（atms），先进的公共交通系统（apts），先进的车辆控制系统（avcs），以及商用车运营管理系统、先进的乡村运输系统、自动公路系统等。考虑到系统在国外、国内投入运营的情况，这里对前四个子系统进行重点介绍，并结合各子系统的特点，选择不同的侧重点分别予以讨论。第一节 先进的出行者信息系统（atis）1. 基本概念该系统主要是对交通出行者提供及时的信息服务。在出行前，通过办公室或家庭的计算机终端、咨询电话、咨询广播系统等，向出行者提供当前的交通和道路状况以及服务信息，帮助出行者选择出行方式、出行时间和出行路线；在出行

54、途中，通过车载信息单元或路边动态信息显示板，向出行者提供道路条件、交通状况、车辆运行情况、交通服务等实时信息，通过路径诱导系统对车辆定位和导航，使汽车始终行驶在最佳路线上，使出行者以最佳的出行方式和路线到达目的地。atis可以通过车载设施、可变标志、交通信息广播、移动电话等，向驾驶员提供互动信息，让他们始终行驶在最短路线上。atis提供的信息可以分为三类：u 出行前信息u 途中信息u 目的地信息2. atis在日本的应用1990年，日本开始研发vics（vehicle information and communication system）项目，在日本建立了第一个全国统一的提供交通信息服务的

55、通信系统。vics采用三种通讯方式：红外信标，安装于道路的主要路段；短波信标，安装于乡村区域的道路和高速公路；调频副载波广播。vics在1996年4月正式开始信息服务，覆盖区域包括东京等大城市及主要高速公路。vics播放的实时交通信息包括：主要地点间的交通信息、交通拥挤、法规、事故、广域的最优路径信息和道路施工、天气情况及停车场信息等。目前高档的vics车载接收机结合了差分gps和fm调频副载波功能，可以进行车辆导航和路径诱导。3. atis在上海的应用目前，上海市已投入应用的atis项目包括：有线通信系统、闭路电视监视系统、道路交通信号控制实时监控系统、计算机网络系统等。其中，上海市的交通广

56、播电台是全国最早的交通台。1991年，上海人民广播电台与上海市公安局联合，率先在全国推出了“上海广播电台交通台（648千赫）”，在早晚高峰期间，报告上海主要路段当前的交通状况，引导司机及早改道，避免堵车。随之，上海市专门成立了“上海城市交通信息中心”，并于2000年12月正式推出了“上海交通网站”（），提供交通与地图智能查询、交通出行指南（公交为主）、交通实时动态信息等。上海市已建成的交通信息系统见表4-1。表4-1 上海市已建成的交通信息系统信息系统类别交通信息系统实体（所属）道路交通信息系统上海市交通自适应控制与管理系统（交警总队）浦东城市道路交通实时控制与管理系统（浦东交管部门）上海市高架道路交通“监控”系统（市政工程局市政处）公共汽车交通管理系统大众公共汽车公司交通信息广播系统上海市交通信息台（交警总队、上海市广播电台）轨道交通信息系统地铁1号线交通信息系统（地铁公司）铁路交通监控系统（上海铁路管理局）航空交通信息系统虹桥机场交通监控系统（虹桥机场）船舶/港口交通信息系统吴淞港、十六浦港等交通信息系统此外，上海市交通信息交互中心正在规