1、第三章 ITS體系結構智能交通系統是一種復雜的巨系統，如何來描述系統各構件之間的相互關系及系統各局部的功能與整體功能，就要用到“體系結構這一概念。本章介紹ITS體系結構的根本概念、體系結構的構建方法、以及應用實例。第一節 什么是ITS體系結構系統的概念來源于自然實踐。辭海對系統的解釋是：所謂“系統，是由相互作用和相互依賴的假設干組成局部結合成的具有特定功能的有機整體。在交通系統中，人、車、路以及貨物這四個組成局部構成了道路交通系統，該系統的目的是實現人或物的有效移動。如果人貨物、車、路構成的道路交通系統，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施和道路交通根

2、底設施，如各類檢測設施、信息發布設施即信息傳輸設施，就構成了智能交通運輸系統。然而，怎樣來描述這一抽象概念的系統呢？像居住房屋一樣，房屋由根底、梁、柱、屋面等各構件用一定的搭接方式建成，具有供人們居住生活的功能。房屋的各構件相互搭接的關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構圖來描繪。同樣，ITS各構件的相互關系及各局部的功能和整體功能，也可用系統體系結構來描述。因此，ITS的體系結構是指系統所包含的子系統、各個子系統之間的相互關系和集成方式、以及各個子系統為實現用戶效勞功能、滿足用戶需求所應具備的功能。根據定義，ITS體系結構決定了系統如何構成，確定了功能模塊以及模塊之間的通信協

3、議和接口，它的設計必須包含實現用戶效勞功能的全部子系統的設計。ITS體系結構具有以下重要意義：ITS本身比擬復雜，涉及面廣，需要有一個指導性的框架，來幫助我們理解這個系統的結構； ITS是一個龐大的系統，包含有很多子系統，它的實施需要通過這些子系統來實現，ITS體系結構為ITS的各個局部提供了統一的接口標準，從而使各個局部便于協調，集成為一個整體；防止少缺和重復，使ITS成為一個高效、完整的系統，并具有良好的擴展性；根據國家總體ITS框架，開展地區性的體系結構，保證不同地區智能交通系統具有兼容性。第二節 ITS體系結構的構建方法1. ITS體系結構構建方法比擬世界各國開發ITS體系結構采用的方

4、法主要有兩種，一種稱為結構化方法(Structured Method)，一種稱為面向對象的方法(Object Oriented Method)。結構化方法，以功能的抽象與分解為主要手段，按功能之間的聯結關系組織數據。結構化方法簡單易行，流行已久，能被大多數工程師理解和接受，便于交流，但用結構化方法開發的系統修改或擴展比擬困難。面向對象的方法，首先確定對象或實體及其與其他對象之間的關系，然后確定每個對象執行的功能，圍繞數據對象或實體組織功能，形成單一的相互關聯的視圖。用面向對象方法開發的系統易于擴展和修改，但該方法操作起來比擬復雜，而且可讀性不強，不利于交流和討論。國家ITS體系結構作為一種指導

5、全國ITS設計的框架，必須得到全國工程師和投資者的廣泛認同才能真正發揮作用。因此，國家ITS體系結構必須具有較強的可讀性，以便讓更多的人能理解之，進而討論之。此外，如果用面向對象的方法來開發ITS邏輯結構，在確定“對象集時將遇到很大的麻煩，因為ITS是一個復雜的大系統，可能的“對象太多，“對象的抽象程度也很難一致。美國“國家ITS體系結構開發小組就是選用結構化方法構建了其?國家ITS體系結構?。我國“九五國家科技攻關工程“中國智能交通系統體系框架研究，也采用了結構化方法。2. 結構化方法簡介結構化方法構建ITS體系結構，其主要流程如圖3.1所示。圖3.1 結構化方法構建體系結構流程簡圖1界定用

6、戶構建ITS體系結構首先要界定系統的用戶。ITS作為信息技術IT系統的一個分支，可用IT系統界定用戶的方法來界定其用戶。信息系統的用戶是指影響系統或受系統影響的人和機構，可以從四個方面識別信息技術系統的用戶，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，系統應能為用戶效勞的事項。ITS用戶效勞就是ITS能提供的效勞與產品；提出了ITS用戶效勞工程，也就是提出了ITS開發的范圍。3用戶效勞要求為了實現每項用戶效勞，需要ITS能完成一系列功能。為了反映這一點，須將每項用戶效勞分解成更為詳細的功能說明即用戶效勞要求；換句話說，用戶效勞要求是系統為提供用戶效

7、勞而應該具備的一些功能。4需求模型需求模型描述系統應該做什么，是系統功能要求的模型化。需求模型主要任務是定義系統的信息處理行為和控制行為。在構架模型開發階段主要考慮系統的功能要求。需求模型由“需求總圖、一系列分層次的“數據流圖與“控制流圖及其相應的“過程定義、“控制說明與“數據字典組成。需求總圖定義系統的邊界，即確定哪些元素屬于系統內部，哪些元素位于系統外部。數據流圖和過程定義描述系統執行的功能。控制流圖和控制說明描述系統執行這些功能的條件或環境。實時性要求(Time Specification)對系統在“輸入終端接受事件(Event)刺激后，在“輸出終端作出反響的時間進行限定。數據字典對在數

8、據流圖、控制流圖中出現的數據流、控制流、存儲器和終端進行描述和定義。需求模型在美國?國家ITS體系結構?中被叫做“邏輯結構，其中的控制流圖被參加數據流圖。5構架模型構架模型描述系統設計應如何組織，是系統設計的模型化。構架模型的主要任務是：確定組成系統的物理實體；定義物理實體之間的信息流動；說明信息流動的通道。在構架模型開發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費用、開發周期、可用資源甚至市場條件等方面的問題。構架模型由“構架總圖、“信息流圖、“模塊說明、“信息通道圖、“信息通道定義和“信息字典組成。構架總圖建立系統與其運行環境之間的信息邊界，是系統的最高級

9、視圖，構架總圖一般與系統總圖一致。信息流圖和構架模塊說明描述組成系統的物理模塊以及模塊之間的信息流動。信息通道圖和信息通道定義描述模塊間信息流動的渠道。信息字典注釋信息通道中所有的數據以及數據字典中未出現的其他信息。構架模型在美國?國家ITS體系結構?中被叫做“物理結構。構架模型完成后，經確認所有的用戶效勞都被體系結構構架中各子系統所包含，并經過對所構建的體系進行評價，包括來自投資者意愿的反響信息，最后利用來自確認和評價的反響結果進一步修改系統要求和體系結構。修改完善后，在確定的ITS體系結構的根底上，才能擬定整個ITS的研究開發方案、制定ITS各局部和各類產品的統一標準以及規定系統的通信協議

10、等。第三節 美國的國家ITS體系結構1. 開發過程目前，我國還沒有形成最終完善的?國家ITS體系結構?，這里以美國為例，簡要介紹其ITS體系結構。美國是最早開發完整的ITS體系結構的國家，美國國家ITS體系結構開發方案分為兩個階段，第一階段為“思路競爭階段，由4個小組分別獨立開發出體系結構初步方案；經過方案評審和比擬，2個開發小組獲準進入第二階段，稱為“聯合開發階段，吸收各初步方案的優點，經過整理與合并，合作開發統一、唯一的國家ITS體系結構。典型的體系結構開發過程實質上包括在第一階段的工作中，采用了反復修改的開發程序。首先從界定用戶、確定用戶效勞和用戶效勞要求出發，開發出運營要求或系統要求，

11、進而開發出運營概念體系結構的目標以及用戶如何與之交互；接著，開發包含一系列詳細功能要求的邏輯結構；將邏輯結構中的處理分配到物理實體/子系統，就產生了物理結構，一個在2021年時間框架內提供所有用戶效勞的體系結構也就被開發出來了；開展部署確定導入某些功能(或效勞)的時間框架和背景；體系結構確實認表達在追溯矩陣中，追溯矩陣將用戶效勞要求追溯至邏輯結構中的處理、物理結構中的子系統，以保證所有的用戶效勞都被體系結構所包含；然后對體系結構進行評價，包括接受來自投資者意愿的反響信息；最后利用來自評價和確認過程的返饋結果進一步改良系統要求和體系結構。2. ITS體系結構概貌美國國家ITS體系結構簡稱UNIA

12、開發方案共耗資2500萬美元，主要成果表達在約2500頁的文本中，分為：體系結構、評價、實施策略和相關標準等4局部內容。下文將從用戶效勞與用戶效勞要求、邏輯結構和物理結構等方面，介紹美國國家ITS體系結構概貌。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ITS體系結構的根本要求，UNIA覆蓋了30項ITS用戶效勞見下表3-1)及相應的1000多條用戶效勞要求。表3-1 美國ITS用戶效勞用戶效勞領域用戶效勞出行和運輸管理途中駕駛員信息 (En-Route Driver Information)路線導行(Route Guidance)旅行者效勞信息(Traveler Services

13、 Information)交通控制(Traffic Control)偶發事件管理(Incident Management)排放測試與緩解(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)合乘車匹配與預約(Ride Matching and Reservation)需求管理和運營(Demand Management and Operations)公共運輸運營公共運輸管理(Public Transportation Managem

14、ent)在途公交信息(En-Route Transit Information)個人化公共交通(Personalized Public Transit)公共出行平安(Public Travel Security)電子付費效勞電子付費效勞(Electronic Payment Services)商用車運營商用車電子結算(Commercial Vehicle Electronic Clearance)自動路邊平安檢查(Automated Roadside Safety Inspection)車載平安監視(On-Board Safety Monitoring)商用車行政管理(Commercial V

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

16、撞(Intersection Collision Avoidance)防撞視野強化(Vision Enhancement for Crash Avoidance)危險預警(Safety Readiness)撞前避傷(Pre-Crash Restraint Deployment)自動公路系統(Automated Highway Systems)2 邏輯結構UNIA邏輯結構通過ITS需求總圖、數據流圖、處理說明和數據字典來表達前述用戶效勞和用戶效勞要求。UNIA確定的美國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是簡化了的UNIA頂層數據流圖，圖中箭頭表示“數據流，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ITS總圖圖3.3 簡化的UNIA頂層數據流圖3物理結構UINA將運輸系統分成3層：運輸層、通信層和體制層。運輸層執行運輸功能，通信層為運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、規劃者和其他ITS用戶之間的關系。物理結構確實定要考慮體制方面的因素，但體制層不屬于物理結構局部，而是在實施策略中描述。物理結構分運輸層和通信層進行描述。運輸層UNIA構架總圖與圖3.2所示的邏輯結構總圖一致。UNIA將ITS組件分成4類，即：中心子系統、路側子系統、車輛子系統、

18、出行者子系統；每種類型又包括數量不等的個別子系統，UNIA共確定了19個子系統；每個子系統進一步分解多個設備包。設備包是物理結構中可以購置的最小單位的實體，每個設備包對應著邏輯結構中的一個或多個“處理。圖3.4是UNIA頂層構架流圖(Top Level Architecture Flow Diagram)，顯示了各類子系統之間及其與外部終端之間的關系，圖中實線框表示ITS組件，虛線框表示外部終端。圖3.4 UNIA頂層構架流圖通信層 UNIA為支持ITS子系統之間的通信定義了4種類型的通信媒體，即：有線通信固定固定、廣域無線通信固定移動、專用短程通信固定移動和車車通信移動移動。圖3.5是UNI

19、A頂層構架互連圖，顯示了美國ITS分屬4類的19個子系統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物理結構之運輸層和通信層的最高級視圖。圖3.5 UNIA頂層構架互連圖第四節 中國國家ITS體系結構展望本節參考UNIA，對中國國家ITS體系結構CNIA做扼要介紹，主要集中于上層體系結構，并給出各子系統之間的關系。1. 邏輯結構邏輯結構的重點是系統的功能性處理和數據流。邏輯結構獨立于體制和技術，它不確定由誰來實現系統中的功能，也不考慮實現這些功能的方式。因此，CNIA邏輯結構與UNIA邏輯結構的差異主要來源于中、美ITS用戶效勞與用戶效勞要求的差異。

20、ITS總圖總圖定義系統的邊界，根據中國ITS用戶效勞要求，可初步確定中國ITS總圖如圖3.6所示；與美國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、防災救災辦公室等外部終端。圖3.6 中國ITS總圖 頂層數據流圖頂層數據流圖涉及到ITS功能的首次分解，其實質是劃分ITS功能領域。UNIA邏輯結構將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、規劃與實施。考慮到中國與美國在用戶效勞要求上的區別，可以在邏輯結構頂層數據流圖將中國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；8)自行車與行人支援；9)提供歷史數據效勞。考慮各“處理樹之間的數據交換，可得中國ITS邏輯結構頂層數據流圖如圖3.7所示。圖3.7 中國ITS邏輯結構頂層數據流圖2. 物理結構物理結構把邏輯結構所確定的“處理分配到ITS物理實體上，根據各實體所含的“處理之間的數據流，確定實體之間的構架流，進而確定物理實體的互連方式。物理結構確實定要考慮系統功能要求，也要考慮非功能性要求，包括體制、文化、市場等因素的影響。系統功能要求通過邏輯結構確定的“處理和“數據流來表達，決定ITS物理實體必須完成的功能。非功能性要求那么影響ITS功能在物理實體間的分配。例如：美國最初想把“交通信