智能交通管理系统框架体系设计研究

智能交通管理系统框架体系设计研究张雷元邱红桐王长君【摘要】分析了智能交通管理系统框架体系现状，利用系统工程理论，分析了智能交通管理系统用户类型和用户需求，设计了智能交通管理系统功能框架和物理框架，明确了智能交通管理系统功能和建设内容，为各地构建智能交通管理系统，提供了理论依据与技术参考。【关键词】道路交通管理智能交通管理系统系统分析与设计用户需求功能框架物理框架1.引言智能交通管理系统（IntelligentTrafficManagementSystem，ITMS）是利用智能交通系统（IntelligentTransportationSystems，ITS）技术和方法，建立的面向道路交通管理部门的先进的交通控制、交通管理和交通决策系统，实现对道路交通系统、高效、全面、科学的管理，保障交通安全、畅通、环保、节能。自从八十年代开始各地道路交通管理部门开展了大量的ITMS应用与建设，形成了一批成果，但是在应用上并没有达到预期效果，主要是ITMS建设水平不高、应用成效不佳，此外还出现了盲目建设和重复投资问题。导致这些问题的主要原因是各地对ITMS不了解，不知道如何应用ITMS解决实际问题，主要表现在：1）对用户范围不明确，为广大交通出行者提供服务较少，交通出行者对道路交通状况知之甚少，成为导致交通拥堵的主要原因之一；2）对实际需求不明确，结合实际需求较少，如多数交通信号控制系统基本都是参照国外系统模式建设而没有结合国内需求；3）对系统功能不明确，应用智能交通管理技术查处重点违法行为、进行交通事故紧急救援、预防事故的工作还没有充分开展；4）应用领域不明确，在环保、节能等方面的应用还不够深入。要解决这些问题，最重要的是进一步明确智能交通管理系统的内涵、作用及技术实现途径，然后在此基础上形成一整套框架体系，指导和规范我国ITMS建设和发展，充分发挥ITMS的作用，提高ITMS应用水平。2.国内外现状多年来，ITMS一直作为ITS的一个组成部分，伴随着ITS的发展而发展壮大，ITS框架体系对于ITMS框架研究具有十分重要的指导意义。美、日、欧等发达国家或地区早在上世纪九十年代就基本完成了ITS框架体系。我国ITS框架体系研究始于国家“九五”科技攻关，在攻关项目“国家智能运输系统体系框架研究”中提出了《中国智能交通系统体系框架》（第一版）。随后，在“十五”科技攻关期间，又对ITS框架体系进行了修订和完善，形成《中国智能交通系统体系框架》（第二版）[1]。表1列出了我国和主要发达国家/地区ITS框架内容[2-6]，从各国ITS框架内容可以发现，用户服务、功能框架（也叫逻辑框架）和物理框架是ITS框架体系的核心内容。表1主要国家ITS框架内容国家/地区ITS框架内容美国用户服务，逻辑架构，物理架构，市场包，标准体系日本用户服务，逻辑架构，物理架构，标准体系欧洲用户需求，功能架构，物理架构，通信架构，组织架构等中国用户服务，逻辑架构，物理架构，标准体系ITS框架的出现推动了ITS建设水平的提高，促进了ITS的产业化和规范化。ITS框架也为ITMS建设提供了指导，很大程度上推动了ITMS的发展。但是，ITS框架是一个面向交通运输服务的大系统，由于涉及的领域众多，对具体领域更多地只能从宏观规划和顶层设计角度进行规定,缺少对ITMS等具体系统的详细功能和框架的规定，使得ITS框架对ITMS建设的实际指导能力不强。这一点在我国体现得特别突出，由于我国特殊的道路交通管理体制和客观需求决定了道路交通管理部门需要开展大量ITMS相关工作，使得道路交通管理领域成为国内ITS的最大应用领域，其涉及的业务范围已经超出我国ITS框架相应领域定义的范围。在这种情况下，ITMS建设无法参考国家ITS框架，只能由各地自行地盲目开展，缺乏统一规划和指导，结果造成了许多ITMS建设水平不高、效果不佳的现象。因此，从应用和指导层面上看，急需研究制定ITMS框架体系。3.ITMS框架体系设计3.1设计原则在国内外ITS框架中，ITMS属于ITS的一个研究领域。因此，ITMS框架首先应该继承现有国家ITS框架。同时，根据我国国情和ITMS现状，ITMS框架还应结合公安交通管理部门的应用特点。ITMS框架体系设计的主要思路是适应公安交警或道路交通管理实际需求，在现有成熟技术应用的基础上，结合正在研究的技术，并对将来技术发展进行合理预测，形成技术应用框架体系。ITMS框架设计主要依据系统设计理论，除了应该遵循系统设计的原则外，还应遵循以下原则：1）简单性：在达到预定的目标、具备所需要的功能前提下，框架应尽量简单，便于实现和管理。2）完整性：框架体系应该能囊括现有ITMS子系统，同时还要具备反映子系统的动态变化，并能体现出ITMS发展的趋势。3）实用性和先进性：框架的设计结果要满足需求，切实有效，同时要具有一定的前瞻性，体系结构先进。4）灵活性和可扩展性：框架的配置灵活，提供备用和可选方案。能够随着ITMS功能规模而进行扩展，能够随着新系统的加入而扩展。3.2设计方法ITMS是一个大型复杂系统，涉及的基础理论包括运筹学、控制论、信息论、管理科学等，属于系统工程研究范畴[7]。因此，ITMS框架体系设计的主要理论依据是系统工程理论。在系统工程理论中，系统分析与设计方法是产生系统框架的主要方法。系统分析是一种问题解决技术，它将一个系统分解成各个组成部分，目的是研究各个部分如何工作、如何交互，以实现其系统目标[8]。系统分析的产物是系统功能框架。系统设计是一个描述、组织、构造系统部件的过程，这个过程分为两个层次，即结构设计和细节设计[8]。系统设计的产物是系统物理框架。3.3设计过程3.3.1用户需求分析ITMS相关用户主体和服务主体主要有以下几类：第一类为ITMS使用者，主要是交通参与者，包括行人、驾驶人、乘车人等交通出行者和交通管理者；第二类为ITMS管理者，主要是系统软件、硬件管理人员；第三类为ITMS提供者，主要是ITMS建设者、技术或产品提供者；第四类为ITMS服务第三方，主要包括公安、消防、银行、医疗、保险、建设、气象、交通运输、市政等部门。经过充分调查分析各类用户需求，得到如表2所示的需求列表。表中共列出29项具体需求，分为7大类，基本涵盖了目前智能交通管理需求。表2ITMS用户需求需求分类详细需求需求说明1交通信息服务1.1出行交通信息查询出行前路径查询和出行前交通信息查询1.2路径诱导当前路径提示以及在途交通信息查询提示等。1.3车辆换乘查询公共交通信息和轨道换乘信息查询等。1.4出行其它交通相关信息查询道路环境信息和道路施工信息等查询。1.5交通信息服务为网站、电视、电台等提供交通信息服务。1.6交通信息交换与银行、保险、医疗等机构信息交换。2.车辆安全服务2.1车辆状况查询车辆行驶状况和安全状况查询。2.2车辆状况提示车辆行驶状况和安全状况主动提示。2.3车辆安全检查出行前和在途车辆安全检查。2.4安全辅助驾驶主动避撞和安全车速、车距控制。3.交通状态监测服务3.1交通运行状况监测视频监控、交通流检测、拥堵和事件检测。3.2交通安全态势监测道路安全状况监测、事故形态分析。3.3交通信息预测当前、历史信息查询，未来交通预测。3.4过往车辆监控过往车辆查看、车辆轨迹查询。4.行政管理与执法服务4.1交通电子档案管理机动车、驾驶人、交通事故和交通违法信息管理。4.2勤务管理警务车辆、人员和警卫任务管理。4.3自动电子收费自动收取停车费、拥堵费、通行费和罚款等。4.4自动电子支付自动支付罚款和缴费。5.决策支持服务5.1交通仿真与评估交通流仿真和交通影响分析。5.2辅助决策与预案管理控制方案、指挥调度方案制定和执行。5.3设备布点分析电子监控设备和信息采集设备合理分布设计。5.4系统效果评估各种交通管理系统使用效果评价。6.静态交通管理服务6.1停车管理停车信息查询和车位预约管理。6.2交通需求管理需求信息查询和需求控制。6.3交通设施、设备管理中心软硬件和路边设备设施管理。7.动态交通管理服务7.1交通诱导群体、单车和停车诱导。7.2交通组织大型活动、突发事件、施工和警卫任务交通组织。7.3应急管理接处警和应急处置管理。7.4交通控制交通信号控制等。3.3.2功能框架设计功能框架是智能交通管理系统框架体系中的一个十分重要的层次，它主要描述系统的主要功能和功能之间的交互关系，系统的功能与用户需求相对应，系统功能通过某种组合可以满足某一项特定需求。系统的功能不是孤立的，它需要从系统的其它部分获取信息，同时尽可能向其它功能提供信息。为了满足用户需求，本研究首先将ITMS功能分为三个层次，即数据采集与监测、数据分析与决策支持、指挥控制与信息服务。然后将用户需求指派到各个层次实现，进而得出各层具体功能和数据流关系，最终形成功能框架，如图1所示。图1ITMS功能框架结构图3.3.3物理框架设计物理框架是围绕功能框架的功能和数据流而形成的一个高层次架构，是对功能框架的具体实现，是智能交通管理系统从逻辑功能向实际物理硬件和软件转化的一个重要层次，它包括子系统、模块、以及子系统之间的架构流等物理元素。根据功能框架和现有ITMS技术情况，本研究从“人—车—道路环境—中心”角度将ITMS物理实体/子系统划分为8个顶层实体和70个实体，并将物理实体进行组装得到了物理框架，如图2所示。图2ITMS物理框架结构简图4.框架体系应用4.1适用范围ITMS框架体系对实际系统规划和建设具有重大指导作用。功能框架回答了ITMS能做什么、具备什么功能、以及功能之间存在什么联系的问题；物理框架则明确了ITMS建设内容，即ITMS包含了哪些子系统、以及子系统之间如何连接。ITMS框架体系适用于ITMS规划，包括近景和远景规划。同时，框架体系还可用于指导具体系统建设，能指导系统分阶段实施和扩展；此外，还可以指导ITMS标准体系建设，推动子系统标准和通信标准的制订。4.2应用说明4.2.1在ITMS规划中的应用本框架体系从普适性的角度阐述了ITMS系统功能和技术现状，同时还融入了未来技术发展趋势的理解。因此，本框架体系为地方ITMS规划提供了参考模板。各地在进行ITMS规划时，应结合自身实际情况，从经济、技术、管理等角度综合考虑选取系统功能和技术实现。应用本框架开展ITMS规划的步骤包括需求规划、功能规划、子系统规划、标准实施规划等，具体如图3所示。图中的阶段表示规划实施时间阶段,例如阶段1为2012年至2015年,阶段2为2016至2020年等,具体阶段应按规划要求进行划分。每个实施阶段的规划内容可从本框架体系中选取，如图3中箭头所示。图3ITMS规划步骤4.2.2在ITMS建设中的应用ITMS是一个大型复杂系统，在建设过程中如果统筹不当，会出现重复投资和盲目建设情况。尤其是在建设一些公用设施例如通信系统上，如果不统一布设通信点和线路，常常会出现重复施工和扩展不方便等问题。本框架体系为解决这些问题提供了参考方案。在系统设计方面，本框架提出的用户需求可作为设计的参考，设计人员可借鉴其中的用户和服务分类进行需求分析，并从功能框架中选取部分功能形成当前系统建设功能需求。系统设计可按照物理框架进行布局，从前端、通信到中心多个角度完成系统各组成部分的设计。在系统前端设施建设方面，物理框架列出了当前存在的前端设施，包括诱导屏、交通检测器、信号控制设备、电视监控设备、违法监测设备、公路监测设备等，这些设备有的分布在城市道路交叉口，有的分布在道路路段上，有的分布在公路上，这些设备都需要远程通信与中心系统建立连接。因此，在布设通信点和通信线路时应综合考虑交叉口、路段和公路情况，同时还应考虑接入设备数量和未来扩展情况。在中心建设方面，物理框架列出了当前存在的和将来可能出现的交通管理业务子系统，建设人员在了解目前建设需求的同时，也可据此考虑将来系统扩展，具体包括通信系统扩容、机房空间扩充以及集成平台建设等。5.结语本研究采用系统分析与设计方法，结合国内外ITS框架，建立了智能交通管理系统的功能框架和物理框架，解决了目前智能交通管理