中國科學技術大學自動化系 陳鋒

區(qū)縣級城市智慧交通頂層設計研究

中國科學技術大學自動化系 陳鋒

本世紀初以來，智能交通在我國得到了快速發(fā)展，有效緩解了交通擁堵狀況，提高了交通出行安全。由于缺乏整體規(guī)劃和設計，現(xiàn)有的智能交通系統(tǒng)無法形成有機的整體，難以適應智慧城市需求。智慧交通是現(xiàn)代交通的發(fā)展方向，區(qū)縣級交通是智慧交通系統(tǒng)的基礎，本文研究區(qū)縣級智慧交通的頂層設計方案，給出了設計目標和原則，描述區(qū)縣級智慧交通頂層結構，分析了交通信息共享平臺與相關部門的數(shù)據(jù)接口。本文研究為區(qū)縣級智慧交通頂層設計提供了有益的借鑒。

智慧交通；頂層設計；體系結構

1 引言

隨著我國社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市交通供需矛盾突出，周期性道路交通擁堵和過飽和矛盾日益凸顯。為了緩解日趨嚴重的城市交通擁堵壓力，我國各級政府高度重視智能交通系統(tǒng)的建設，經(jīng)過十多年的努力，已經(jīng)初步形成了包括交通信號控制、治安防控卡口、交通違法抓拍、交通信息出行誘導、交通視頻監(jiān)控和警車GPS定位/綜合查詢分析等多個子系統(tǒng)的城市道路交通智能控制信息平臺，有效提高了城市交通通行能力和出行安全[1-3]。

然而，我國各地市的智能交通建設尚難以適應快速的城市化進程和日益增長的各種交通服務需求，主要原因如下[4-6]：

1.1 缺乏交通設備的接口規(guī)范

我國大部分城市的交通設施是2001年之后逐漸建立起來的，所使用的交通設施如交通信號機、交通控制系統(tǒng)、道路誘導屏和車流量采集裝置來自于多個生產(chǎn)廠家，通信協(xié)議的差異導致設備之間、設備與控制中心系統(tǒng)之間無法互聯(lián)互通，難以進行大范圍的交通管控與誘導服務。

1.2 信息孤島，難以共享

實現(xiàn)城市智慧交通管控與誘導服務需要融合城市交通的相關多源信息，基礎信息包括：城市路網(wǎng)拓撲信息、出租車實時運行信息、公交線路、站點和車輛運行信息、平安城市的道路視頻信息、居民出行信息等，上述信息來源于不同的部門，由于缺乏各部門之間的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一制訂，形成實際上的信息孤島，極大地制約著智慧城市建設。

1.3 靜態(tài)、孤立、單一的交通流調(diào)控模式

例如，蕪湖市交通管控主要采用傳統(tǒng)的交通工程方法，為基于專家經(jīng)驗的靜態(tài)模式，控制點基本上是孤立的，部分主干道采用了靜態(tài)的綠波帶控制模式。交通流動態(tài)誘導也是交通控制的重要組成部分，由于交通流量采集系統(tǒng)和誘導系統(tǒng)相互獨立，導致兩者均沒有能夠很好發(fā)揮其應有的作用。上述的交通流調(diào)控模式無法適應快速增長的城市交通需求。

1.4 城市交通管理、控制和服務技術和手段相對落后

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等新技術快速發(fā)展，為智能交通提供了新的有效途徑。當前的智能交通已經(jīng)有了一定的基礎，但是仍然處于智慧交通的起步階段，如大多數(shù)區(qū)縣尚無交通指揮中心、沒有形成多級協(xié)調(diào)管控、尚未能提供有效的交通服務。亟需引入新的智能交通理念、方法、技術和裝備，以適應智慧城市建設的需要。

綜上所述，現(xiàn)有的區(qū)縣城市交通架構、平臺和基礎設施已經(jīng)無法滿足日益增長的城市交通需求，適應城市交通智慧化的發(fā)展趨勢，需要進行城市智能交通頂層設計，以規(guī)范多源交通數(shù)據(jù)和業(yè)務應用系統(tǒng)，實現(xiàn)城市交通業(yè)務協(xié)同、資源共享、系統(tǒng)整合和統(tǒng)籌建設，使得城市智能交通成為智慧城市建設的有機組成部分。

2 區(qū)縣級智慧交通頂層設計目標

本節(jié)首先討論分析智慧交通、頂層設計和區(qū)縣級智慧交通頂層設計等概念。智慧交通目前尚無統(tǒng)一的定義，在本文的研究中定義智慧交通系統(tǒng)（STS: Smart Traffic System）為：將先進的感知、通信、控制、人工智能，以及網(wǎng)絡、系統(tǒng)工程和大數(shù)據(jù)等技術有效地綜合并應用于整個交通運輸管理體系，形成人-車-路-物有機互聯(lián)的多維閉空間，建立泛在的實時、安全、準確、高效、低碳交通運輸綜合管理、控制和服務系統(tǒng)。

智慧交通是一個復雜系統(tǒng)，包括業(yè)務體系、知識體系、方法與技術體系、法律與法規(guī)體系、評價體系等多個子系統(tǒng)。

智慧交通的特點為: 系統(tǒng)性、實時性、信息交互性和服務的泛在性，與傳統(tǒng)意義上的交通管理與工程有著本質(zhì)的區(qū)別。智慧交通亟待解決的主要問題包括：如何緩解道路壓力、降低交通事故率、提升交通服務水平、綠色環(huán)保和節(jié)能減排等。

頂層設計源于自然科學或大型技術工程領域，指為完成一個大型科技項目，必須實現(xiàn)理論上一致、功能上協(xié)調(diào)、結構上統(tǒng)一、資源上共享和部件標準化。頂層設計在不同的領域有不同的內(nèi)涵與外延。頂層設計是一種設計思想和方法論。

本文研究定義術語“頂層設計”為：為了實現(xiàn)復雜的巨系統(tǒng)工程，自高端開始進行總體構思，采用系統(tǒng)的、全局視角，對項目建設的各方面、各層次、各要素進行統(tǒng)籌考慮，頂層設計是在規(guī)劃的指導下，設計業(yè)務架構、信息架構、應用架構和技術架構，規(guī)劃實現(xiàn)目標架構的路徑，是通過理論指導實踐所需要的途徑和方法。

2.1 設計目標

區(qū)縣級城市智慧交通頂層設計以城市行政區(qū)域的交通系統(tǒng)為核心，實現(xiàn)交通的智慧化管理、控制與服務。即從城市區(qū)縣行政區(qū)域智慧交通業(yè)務的整體視角出發(fā)，以交通信息化綜合體系為基礎，細化并明確區(qū)縣級智慧交通業(yè)務間的相互關系，規(guī)范城市交通信息資源規(guī)劃與組織、各類業(yè)務應用系統(tǒng)的規(guī)劃、設計和開發(fā)，以保障信息資源共享與業(yè)務協(xié)同的實現(xiàn)。實現(xiàn)對區(qū)縣級交通信息資源和系統(tǒng)安全、運營維護和建設管理機制等方面進行技術規(guī)范與業(yè)務指導，以保障城市智慧交通建設的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

為了實現(xiàn)區(qū)縣級城市智慧交通系統(tǒng)建設，整合現(xiàn)有的交通基礎設施，針對各相關部門業(yè)務系統(tǒng)進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，推進交通信息的規(guī)范化和標準化進程，實現(xiàn)業(yè)務協(xié)同、資源共享和統(tǒng)籌建設，區(qū)縣級智慧交通頂層設計的目標為：建立一個全方位、實時、準確、高效的城市區(qū)縣級智慧交通管理、控制與服務系統(tǒng)，通過與市級智慧交通頂層設計的無縫銜接，達到安全、暢通、提高交通服務水平、降低交通排放等目標。即在現(xiàn)有的道路基礎設施基礎上，將先進的智慧交通新技術、方法和裝置綜合運用于城市道路交通的全過程，加強人、車、路和物之間的聯(lián)系，通過智能化地采集、建模和分析多源交通數(shù)據(jù)，及時地反饋給交通管理者和出行者，提供高效、全方位的時間/空間交通管控與服務，以平衡交通資源、改善交通狀況。

2.2 設計原則

區(qū)縣級智慧交通頂層設計方案不僅要考慮到智慧交通的發(fā)展要求，也要兼顧現(xiàn)有交通基礎設施的利用和數(shù)據(jù)共享，有效降低建設成本，設計原則包括：

（1）兼容性、經(jīng)濟性和前瞻性

城市智慧交通的建設既要立足現(xiàn)狀，又要兼顧未來發(fā)展需要。一方面通過制定交通設備的統(tǒng)一接口標準，對現(xiàn)有設備進行有效利用；另一方面要考慮城市發(fā)展需求和智慧交通新技術的應用，面向未來，統(tǒng)籌布局，以適應未來相當長時期智慧交通發(fā)展的整體需求，以及社會、經(jīng)濟、技術發(fā)展的新趨勢。

（2）共享性

交通信息是智慧交通管理、控制與服務的基礎，具有多源異構等特點，且來自不同的業(yè)務部門。為了減少重復城市交通系統(tǒng)的投資和重復建設，需要構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，對數(shù)據(jù)進行標準化，實現(xiàn)交通數(shù)據(jù)的共享。

（3）系統(tǒng)性

使用自上而下的頂層設計方法，以業(yè)務協(xié)同、資源共享、系統(tǒng)整合和統(tǒng)籌建設為目標，綜合設計系統(tǒng)的整體功能、信息資源體系、技術支撐體系，形成指導智慧交通系統(tǒng)建設總的框架，立足于系統(tǒng)間的互聯(lián)、互通和協(xié)同，推動資源的共享與系統(tǒng)的整合，實現(xiàn)智慧交通的統(tǒng)籌發(fā)展。

（4）先進性

由于城市交通系統(tǒng)涉及到公共安全，需要采用具有自主知識產(chǎn)權的交通基礎設施與管控系統(tǒng)?？紤]到智慧交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)的海量性與實時性，以及車聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術的發(fā)展趨勢，城市智慧交通頂層設計應該在新興技術的基礎上予以構建，以符合智慧交通發(fā)展的需求。

（5）可實施性

不僅考慮技術的可行性，也要注重商業(yè)的可行，設計市場化投資、建設、運營的模式，使系統(tǒng)成為用戶滿意、政府，商業(yè)上可行的多贏工程。從功能框架、技術框架、投資建設、商業(yè)運營、產(chǎn)業(yè)支撐等多個角度全局規(guī)劃，有效保障目標架構的落地，提高組織的協(xié)同合作能力，利用低成本、高效率、資源優(yōu)化達到最佳應用效果。

3 區(qū)縣級智慧交通頂層設計的總體架構

3.1 區(qū)縣級智慧交通與市級智慧交通相互關系

市級城市交通頂層設計以區(qū)縣級架構為基礎，其中，區(qū)縣級城市智慧交通頂層設計側重于指定區(qū)域的交通基礎設施的統(tǒng)一接口定義、多源交通信息共享的數(shù)據(jù)標準化，對區(qū)域內(nèi)的交通流進行有效管理、控制、誘導和服務，并為市級交通系統(tǒng)提供必要的交通數(shù)據(jù)，開放交通設施接口；市級智慧交通系統(tǒng)則負責跨區(qū)域的交通流協(xié)調(diào)控制與子系統(tǒng)調(diào)度。

3.2 區(qū)縣級智慧交通頂層設計的總體架構

區(qū)縣級智慧交通頂層設計總體框架的要素包括：業(yè)務架構、數(shù)據(jù)架構、應用架構、平臺架構、評估架構和安全架構。為了保證整個架構完整性，須考慮架構的管理，法律法規(guī)和政策支持。主要架構描述如圖1所示。

圖1 區(qū)縣級智慧交通頂層架構

（1）業(yè)務架構設計

作為智慧交通頂層設計的基礎性工作，須反映所涉及的行業(yè)部門職能整體需求。業(yè)務架構是構建既符合信息化要求又符合政府部門職能履行要求的關鍵環(huán)節(jié)。在業(yè)務架構的具體設計過程中，從組織機構的職能入手，分析現(xiàn)行業(yè)務，構建業(yè)務模型，確定業(yè)務流程和邏輯關系，以系統(tǒng)地歸納智慧交通業(yè)務需求。

（2）數(shù)據(jù)架構

根據(jù)建立的業(yè)務流程，形成數(shù)據(jù)流圖，進而確定由各項業(yè)務產(chǎn)生、使用和控制的數(shù)據(jù)實體，按照數(shù)據(jù)實體之間關系，確定數(shù)據(jù)庫之間的關系以及主要數(shù)據(jù)表。描述數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫架構、內(nèi)容管理和領域知識管理的架構。

（3）應用架構

考慮交通信息應用的規(guī)則以及數(shù)據(jù)架構中確定的主題數(shù)據(jù)庫，重點分析業(yè)務流程和各主題數(shù)據(jù)庫之間的邏輯關系，應用架構圍繞部門職能發(fā)展目標，根據(jù)業(yè)務需求，面向特定應用定制個性化的應用層系統(tǒng)。以有效組織、管理各項業(yè)務和數(shù)據(jù)。

（4）平臺架構

該架構為實現(xiàn)交通信息資源共享和應用架構的底層技術基礎平臺，包括所選擇的軟件系統(tǒng)和硬件運行平臺。

（5）評估架構

區(qū)縣級智慧交通總體框架是基于運行效果驅(qū)動的，建立有效的評估指標體系可督促政府職能部門對業(yè)務模型、運行機制和支撐平臺的更新和完善。一個標準化的評估體系主要包括：以業(yè)務架構為基礎，選擇業(yè)務流程，明確可以具體考核的業(yè)務內(nèi)容及考核指標；系統(tǒng)有效性評估方法的選擇。

根據(jù)區(qū)縣級智慧交通頂層架構的設計規(guī)范，結合對交通需求的分析，定義交通信息共享平臺由各相關部門協(xié)同建設，數(shù)據(jù)接口如圖2所定義。

圖2 交通信息共享平臺數(shù)據(jù)接口

4 結語

由于缺乏統(tǒng)一的總體規(guī)劃，我國的交通基礎設施、管理和控制系統(tǒng)均存在著難以實現(xiàn)交通信息共享、無法形成大范圍協(xié)同調(diào)控等突出問題。區(qū)縣級交通頂層規(guī)劃與設計對有效整合交通資源和基礎設施、科學有效地實現(xiàn)城市交通的管理、控制與誘導服務具有重要的現(xiàn)實意義，將為城市智慧交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和智慧城市建設提供有效支撐。

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陳鋒（1966-），江蘇睢寧人，副教授，博士。1986年、1994年分別獲得合肥工業(yè)大學計算機應用專業(yè)學士和碩士學位。2000年獲得中國科學技術大學信號與信息處理專業(yè)博士，主要研究分布式合作問題求解。2000年在中國科學技術大學自動化系工作至今。主要研究方向包括：城市交通流感知與信息獲取、交通流建模、人工平行交通系統(tǒng)、城市路網(wǎng)的分布式協(xié)同優(yōu)化控制等。主持了國家自然基金、中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目、省部級科技攻關等項目的研發(fā)工作，發(fā)表論文50多篇，其中，SCI或EI檢索30多篇。獲省部級科技成果5項，獲得或申請國家發(fā)明專利5項，軟件著作權3項。

Top-level Design of Smart Traffic System for the District and County

Intelligent traffic system has got fast development in China since the beginning of this century. It relieves urban traffic congestion and improves traffic safety. Due to the lack of overall planning and design scheme, it is highly difficult to integrate the various sub-systems of intelligent traffic system, which cannot meet the requirement of smart city. Smart traffic system is trend of intelligent traffic system. And the district and county traffic is the foundation of intelligent traffic system. In this paper, we investigate the top-level design scheme of smart traffic system for the district and county traffic. The design goals and principles are given. The top architecture of the district and county traffic is described. The interface between traffic information sharing platform and the related departments are analyzed too. This work offers the helpful reference for top-level design of the district and county traffic.

Smart traffic system; Top-level design; Architecture