03智能交通系统体系结构

1、第三章 ITS 体系结构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

2、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

3、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的全部子系统 的设计。ITS 体系结构具有下列重要意义：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；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；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；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

4、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

5、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 “

6、中国智能交通系统体系框架研究” ， 也采用了结构化方法。框架模型( Architecture Mode)l界定用户、用户服务、用户服务要求界定用户、用户服、用户服务要求框架背景图框架字典响应时间要求控制流图 数据流图 背景图控制说明 处理说明 需求字典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

7、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， 用户服务要系统为提供用户服务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

8、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( Requirement Mode)l框架互连图 框架互连说明 框架流图 框架模块说明需求模型由“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定。数据字典对

9、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

10、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

11、 的研究开 发计划、制定 ITS 各部分和各类产品的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

12、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

13、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

14、 用户服务用户服务领域用户服务途中驾驶员信息 (En-Route Driver Information)路线导行 (Route Guidance)旅行者服务信息 (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)出行和运输管理道路铁路交叉口 (Highway-Rail Intersection)出行前旅行信息 (Pre-Trip Travel Information)合乘车匹配与预约 (Ride Ma

15、tching and Reservation)出行需求管理需求管理和运营 (Demand Management and Operations)公共运输管理 (Public Transportation Management)在途公交信息 (En-Route Transit Information)个人化公共交通 (Personalized Public Transit)公共运输运营公共出行安全 (Public Travel Security)电子付费服务电子付费服务 (Electronic Payment Services)商 用 车 电 子 结 算 (Commercial Vehicle E

16、lectronic Clearance)自 动路边 安全 检查(Automated Roadside Safety Inspection)车载安全监视 (On-Board Safety Monitoring)商用车行政管理 (Commercial Vehicle AdministrativeProcesses)危 险 物 品 异 常 响 应 (Hazardous Material Incident Response)商用车运营商用车队管理 (Commercial Fleet Management)紧急事件通报与个人安全 (Emergency Notification andPersonal S

17、ecurity)紧急事件管理紧急车辆管理 (Emergency Vehicle Management)纵向防撞 (Longitudinal Collision Avoidance )横向防撞 (Lateral Collision Avoidance)交叉口防撞 (Intersection Collision Avoidance)防撞视野强化 (Vision Enhancement for Crash Avoidance)先进车辆控制和安全系统危险预警 (Safety Readiness)撞前避伤 (Pre-Crash Restraint Deployment) 自动公路系统 (Automate

18、d Highway Systems)公交乘 客公交维 修人员公交系 统运营者收费设 备地图更旅行者 服务提供者道路与 铁路交叉口其它紧 急事 件管理 中心其它交 通 管理中 心定位数 据源紧急通 信系统多模式 运输 服务提 供者道路建 设与维护货运管 理机构其它公 交 管理中 心商用车驾驶员普通车驾驶员公交驾驶员障碍物路况普通车其它车公交车商用车媒体执法机 构信息服 务 工作人 员车辆特 征道路收 费员道路收费机构交通管 理人员交通规 划人员停车场 工作人 员管理I TS停车场 主财政机 构活动主 办者多模式 货运装卸人 员多模式 货运仓库公共场 所 安全状 况其它信 息服务提供 者商用车 运

19、营 信息问 讯者商用车 检查人 员铁路 运营者道路路边 设备紧急系 统 工作员车辆 管理部 门其它商 用车公交车 队管理系 统管理者政府（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

20、.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。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

21、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 FlowDiagram) ，显出行者请求出 行者状态子 系统协调其它中 心子系统中心工作人 员请求车辆识别路侧请求 路侧状态子 系统交易确认子 系统状态 工作人 员车辆系 统车辆系 统环 境路侧系 统路侧系 统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

22、（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 3.5 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。信息中心 子 系统状态请求服务回应请求服务 探测车数据识别 交易确认驾驶员AHS 控制状态障碍物空气其它车 辆图 3.4 UNIA 顶层构架流图出行者子系统中心子系统远程出行支持个人信息入口信息服务提供者交通管理尾气 排放管 理紧急 事件管 理车队与货 运管 理商用车 管 理

23、规划有 线 通 信普通车辆公交车辆商用车辆紧急车辆车辆子系统专用短程通信收费停车管理商用车检查图 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， 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 总图广域无线通信道路车通信路边子系统商用车驾

24、驶员普通车 驾驶员地图更 新者车辆特 征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 总图顶层数据流图旅行者媒体管理 I TS活动主 办者行 人交 通普通车商用车公交 驾驶员公交乘 客道路与 轨道 交叉口天气预 报者其它紧 急事 件管理 中心其它交 通 管理中 心定位数 据源紧急通 信 系统多模式 运输 服务提 供者防灾救 灾办公室骑车者残疾人科研人 员公交维 修 人员公交系 统运营者收费设 备旅行者 服务 提供

25、者执法机 构信息服 务 工作人 员道路收 费员交通管 理 人员残疾车其它公 交 铁路 路边 管理中 心 运营者 设备紧急系 统 工作员车辆 管理部 门其它商 用车 管理系 统商用车 检 查人员公交车 队 政府 管理者 部门道路收 费机构交通规 划 人员停车场 工作人 员停车场 主财政机 构自行车公共场 所 安全状 况商用车 运营 信息问 讯者多模式 货运 装卸人 员其它信 息服 务提供 者多模式 货运 仓库道路建 设 与维护货运管 理 机构其它车公交车环境障碍物路况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

26、” ，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。收费结事件数据付费请求务信息车辆数路线请求数据交通价格数据据价格查询AHS控制事件检测

27、信息车辆数据收费结果财务数据路线确认信息紧急车辆运营数据商车统 计数据事件管理信息及优先控制请求公交统 计数据交控信息 公交优 先请求公交 查询交通数 据记录探测车信息 与排放数据紧急事件求救公交紧急 事件协调 公交紧急事件查询AHS路线4 公交管理 （DFD）6 驾驶员与 旅行者服务 （DFD）请求服务9 提供历史 数据服务 （DFD）车辆监视与 控制 （DFD）2 商用车管理 （DFD）交通管理 （DFD）7 电子收付费 （DFD）8 自行车与行 人支援 （DFD）紧急 服务管理 （DFD）紧急事件数据暴力事件信息事件数 据查询图 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