智能交通系统第二章概要

2智能交通系统体系结构●开发意义●目标●开发历程●美国国家ITS体系结构●国外ITS体系结构比较●中国ITS体系结构的建立4学时●智能交通系统将是21世纪我国交通运输领域的一场技术革命，建立一个统一、结构完整、可扩展性强的ITS体系结构是ITS全面实施应用的基础●美国、日本和欧洲在20世纪90年代陆续完成了本国(地区)的智能交通系统体系结构，并不断地推出改进版本。●智能交通系统(ITS)的体系结构是指系统所包含的各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，以及各个子系统之间的相互关系和集成方式。2.1意义●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意义●ITS是大量的功能、技术和信息的集成●通信需求无所不在●数据的获取途径和处理方法多种多样●产品和服务的开发具有阶段性●所有这些都要求有一个框架来赖以建立灵活而经济的系统ITS体系结构●系统体系结构通过确定系统组件、组件的功能以及各组件之间的关系来向设计人员和产品开发者提供所需的框架和基本指导●美国从1993年开始组织力量研究开发国家ITS体系结构，取得了一些值得借鉴的成果，并于1998年和1999年分别提交了美国国家ITS体系结构的第二和第三版ITS体系结构开发●欧盟各国在欧盟委员会的领导下，由来自各国相关政府部门、大学、科研机构和产业界的专家于1998年4月开始了为期24个月、代号为KAREN（KeystoneArchitectureRequiredforEuropeanNetworks）的项目，进行欧盟ITS体系结构的开发，并于1999年8月和10月分别推出了其逻辑体系结构和物理体系结构。●日本国家ITS体系结构的开发由5个政府部门：运输省、邮电省、建设省、通产省和警察厅联合进行，并于1999年11月完成。ITS体系结构2.2开发目的●ITS系统本身比较复杂，涉及面广，需要有一个指导性的框架(或模型)，来帮助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；●避免缺少和重复，使ITS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ITS体系结构，保证不同地区智能交通系统具有兼容性。2.3开发历程●以美国为例●1992年ITSAMERICA向美国运输部正式推荐了一套调动多家国有/私立机构联合攻关的ITS体系结构开发方法。●1993年USDOT正式启动了ITS体系结构开发计划，其目的是开发一个经过详细规划的国家ITS体系结构●第一阶段称为“思路竞争”阶段，有4个开发小组参加。●4个小组都有能力单独完成体系结构的开发，所以让他们在第一阶段展开竞争比进行合作更有利于激发对各种观点的公开分析，最终将增加体系结构的可接受性。●1994年10月4个小组都完成了体系结构初步方案，经过评审和比较，2个开发小组获准进入第二阶段●第二阶段从1995年2月到1996年7月，2个开发小组不再是竞争关系，而是合作开发统一的国家ＩＴＳ体系结构。●1997年1月，USDOT公布了美国国家ITS体系结构(第一版)，经过1年多的试用和维护●1998年9月USDOT又公布了修订后的美国国家ITS体系结构(第二版)。●整个计划共耗资2500万美元，主要成果体现在5000页文档中，平均每页5000美元。2.3开发历程2.4美国国家ITS体系结构●美国国家ITS体系结构（NationalArchitecture，简称NA）●从用户服务(UserService)入手●逐步确定了未来在美国发展和实施的ITS的逻辑结构(LogicalArchitecure)●物理结构(PhysicalArchitecture)●针对不同背景的实际需要推荐了一系列市场包(MarketPackage)。组成部分名称作用(与服务的关系)用户主体服务的对象，指定需求的主体服务主体服务的提供者用户服务明确系统能够提供的服务系统功能ITS为完成用户服务必须具有的处理能力逻辑框架为提供拥护服务所需ITS功能的组织化物理框架明确怎样具体提供服务ITS标准和评价其他技术经济因素美国国家ITS体系结构组成●建立一个开放、公平、适应多层次系统集成的体系结构●同时能为用户提供多种性能价格比选择●保护用户隐私●最大限度地增强操作性和降低市场风险。2.4.1总体设计原则2.4.2用户服务●从用户的角度看ITS所能做的事情●进一步细化为用户服务要求，是体系结构开发的基础●美国NA的30项用户服务及其分类如下表所示。用户服务领域用户服务出行和运输管理在途驾驶员信息路线导行旅行者服务信息出行和运输管理交通控制偶发事件管理排放测试与污染缓解道路--铁路交叉口出行前旅行信息合乘车匹配与预约出行需求管理需求管理和运营公共运输管理美国NA的30项用户服务美国NA的30项用户服务用户服务领域用户服务在途公交信息个人化公共交通公共运输运营公共出行安全电子付费服务电子付费服务商用车电子结关自动路边安全检查车载安全监视商用车行政管理危险物品异常响应商用车运营商用车队管理紧急事件通报与个人安全保障用户服务领域用户服务紧急事件管理紧急车辆管理纵向防撞横向防撞交叉口防撞防撞视野强化先进车辆控制和安全系统危险预警撞前避伤自动公路系统美国NA的30项用户服务2.4.3逻辑结构●逻辑结构是组织复杂实体和关系的辅助工具，其重点是系统的功能性加工和信息流。●开发逻辑结构有助于确定系统的功能和信息流动，并能指导开发出对新系统和改进后的系统的功能性要求●主要有两种系统建模的方法：面向过程的方法(ProcessOrientedmethodology)和面向对象的方法(objectorientedmethodology)。●面向过程的方法用自顶而下的方法对系统进行结构化分析，产生系统功能表以及数据流图。●面向对象的方法用对象和类的概念对系统进行抽象分析，将功能(方法)与数据(属性)封装在一起，并具有继承特性。●美国逻辑结构的开发方法采用面向过程的开发方法，用结构化思想和方法，针对每一类用户服务，设计出一系列结构相互独立、功能单一的功能模块，这些模块之间通过数据流来实现相互联系，形成整体子系统并完成相应的功能。逻辑结构●逻辑结构独立于体制和技术●不确定由谁来实现系统中的功能●不考虑实现这些功能的方式。●相关的加工和数据流组合起来就可形成特定的运输管理功能(如管理交通)。逻辑结构通常用●分层的数据流图●数据词典和加工说明等来描述面向过程方法美国NA的顶层逻辑结构图财务机构电子付款服务驾驶员和出行者服务付款请求付款商用车辆运营管理公交管理路线请求路线信息公交时刻表公交请求紧急事件服务紧急事件确认紧急事件通知紧急事件通信系统规划与实施路线信息事故数据ITS规划者规划数据商用车辆车辆监视与控制普通车辆管理交通车辆状态交通控制信息交通信息公交优先请求路线信息拥挤信息交通事故信息事故确认2.4.4物理结构●物理结构是系统的物理视图，它是关于系统应该如何提供所有用户所要求的功能的物理性陈述。●物理结构把逻辑结构所认定的“加工”分配到物理实体(在ITS中称为子系统)上，根据各实体所含的加工之间的数据流(DataFlow)，确定实体之间的结构流(ArchitectureFlow)。结构流及其对通信的要求将确定物理实体之间的接口(Interface)，是制定有关标准和协议的基础。●在美国NA中，物理结构分2层进行描述：运输层和物理层。运输层显示ITS组件之间的关系；通信层为运输层各组件的连接提供通信服务。美国NA子系统及其通信连接出行者子系统远程出行支持个人信息入口广域无线通信车辆子系统普通车辆公交车辆商用车辆紧急车辆车1车通信专用短程通信有线通信中心子系统信息服务提供者规划车队与货运管理尾气排放管理交通管理收费管理公交管理紧急事件管理商用车管理路边子系统路边商用车检查停车管理收费2.4.5市场包●如果说逻辑结构和物理结构是体系结构的正式定义的话，市场包则是体系结构的补充说明。●市场包可以表示特定的运输问题和需要，并且可以回溯到30项用户服务及其详细的用户服务要求。●市场包不倾向于与特定的技术相联系，但要靠可行的技术和产品市场来实现。●随着运输市场需求的进化、技术的发展、新设备的开发，市场包可以调整，也可以定义新的市场包。分类内容分类内容路网监视广播式交通信息交探测车监视出互式交通信息平面道路控制行自主型路线导行通高速公路管理者动态路线导行ＨＯＶ和可变车道管理信基于信息服务提供者的路线导行管交通信息发布息运输管理/路线导行集成区域交通控制服旅行者服务理偶发事件管理系统务动态合乘车服务交通网络性能评价车内标志动态过路费/停车费管理虚拟ＴＭＣ和智能探测普通铁路与道路交叉口高速铁路与道路交叉口铁路运营协调美国NA定义的市场包美国NA定义的市场包分类内容分类内容紧急紧急事件响应车队管理事件紧急路线引导商货运管理管理紧急事件支援用电子结关公交车跟踪车电子结关登记公固定线路公交车运营管国际边境电子结关交需求响应公交车运营理加载请求车公交乘客及车费管理商用车路边安全设备管公交车安全保证商用车车载安全设备理公交车维护商用车队维护多运输方式协调危险品管理分类内容车辆安全监视驾驶员安全监视纵向安全警告先横向安全警告进交叉口安全警告车撞前避伤辆防撞视野强化先进的车辆纵向控制先进的车辆横向控制交叉口防撞自动公路系统ITS规划ITS规划美国NA定义的市场包2.5国外ITS体系结构比较2.5.1总体设计原则●欧盟的总体设计原则是要建立一个开放、精炼而稳定的体系结构，能支持多种路面交通模式，可在不同模式之间自由切换，同时保障技术上的独立性。●日本的总体设计原则是所建立的体系结构要具有足够的灵活性，能适应社会需求变化和技术进步带来的剧烈变革，保障ITS与构建在先进的信息和通讯基础设施上的社会之间的相容性和关联性，而ITS的信息资源及其基础设施作为整个社会信息构架。●美国国家ITS体系结构和欧洲ITS框架结构的用户需求都是定义在主要结构之前的。●在KAREN项目中，用户需求定义的是体系结构需要提供和支持的服务，它们的结构基本相同，相关的需求被分为一组。●在美国体系结构中，需求以“域”分类，而KAREN中以“组”分类。2.5.2用户服务美国用户需求域KAREN用户需求组No.标题No.标题1出行和运输管理1总体2公共运输运营2管理行为3电子付费服务3政策4商用车运营4金融交易5紧急事件管理5紧急服务6先进车辆控制和安全系统6旅游信息7信息管理7交通管理8车内系统9货运和车队运营10公共交通美国用户需求“捆”和KAREN用户需求“组”2.5.3逻辑结构●欧盟和美国ITS体系结构的开发基于面向过程的方法。●日本和澳大利亚ITS体系结构的开发基于面向对象的方法●欧盟和美国的逻辑结构，通过“自顶向下”的方法进行功能分析，以便用户能从结构得到尽可能多的细节，这种方法最大的特点是便于理解●一是美国国家ITS体系结构中的“逻辑结构”在欧盟ITS框架结构中称为“功能结构”●二是美国国家ITS体系结构中功能被分为“过程”，而欧盟ITS框架结构分为“功能”，“过程”和“功能”的形式及内容是类似的，它们之间的关系通过数据流图表示。美国逻辑结构欧洲功能结构No.名称No.名称1交通管理1提供电子支付设备2商业车辆管理2提供安全和紧急设备3提供车辆监控3交通管理4运输管理4公共交通运营管理5紧急服务管理5提供驾驶员辅助系统6提供驾驶员和旅行者服务6提供旅行者旅游服务7提供电子支付服务7提供法律加强支持8存档数据管理8运输和车队运营管理美国和欧盟结构中的功能区●日本采用面向对象的开发方法●从系统组成上对系统进行分解，使得设计人员以更接近人的思维方式建立问题模型，使设计出的系统尽可能直接描述现实世界；●在系统的功能需求发生变化时，能更方便地对系统进行局部修改而不至于造成整个系统大的变化。●与开发方法相对应，美国和欧盟的逻辑结构