城市智能交通系统框架体系与架构设计方法研究_王振华

Research on Framework and Architecture Design

Method of Urban ITS

Zhenhua Wang1, Lijun Lei1, Wei Nie1, Zhongsheng Hou2, Zetao Jing1, Shangtai Jin2 1China Aerospace Science & Industry Academy of Information Technology, Beijing 100070, China

2Advanced Control System Laboratory, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China

Email: zhwang2012@https://www.360docs.net/doc/b3290125.html,

Abstract: Urban ITS systems have been constructed by different departments batch by batch and stage by stage at present, so that there are many problems among them such as mutual independence, difficulty of in-formation sharing, lack of top-level design and so on. To resolve above problems, the method of the urban ITS frame and architecture design is presented based on researches of such global advanced architecture technologies of information systems as FEA, GIG and so on in the paper. The method presents four layers of the framework such as sensing, transport, data support, and application from IOT perspective, and presents four ITS architecture design methods such as performance, business, information system, and technology from ITS project construction perspective. The method provides ideas and approaches of urban ITS system design from overall view of the city. The practice shows that it could avoid problems of traditional system construction mode that different systems constructed by different departments and functions.

Keywords: ITS (Intelligent Transportation Systems); Urban Traffic; Architecture Design; Framework 城市智能交通系统框架体系与架构设计方法研究

王振华1，雷利军1，聂炜1，侯忠生2，景泽涛1，金尚泰2

1中国航天科工信息技术研究院, 北京, 100070;

2北京交通大学先进控制系统研究所, 北京, 100044

Email: zhwang@https://www.360docs.net/doc/b3290125.html,

摘要：当前我国城市智能交通系统由不同部门分期分批建设，系统存在相互独立、信息共享困难、缺乏顶层设计等问题。为解决上述问题，本文在研究FEA、GIG等全球先进信息系统架构技术的基础上，提出了新型的城市智能交通框架体系及架构设计方法。该方法结合了物联网、云计算等先进技术的优点，从物联网的视角提出了感知层、传输层、数据支撑层、应用层四层框架体系，从智能交通系统工程建设的角度提出了绩效、业务、信息系统、技术四方面系统架构设计方法，为城市从总体角度规划设计智能交通系统提供了思路和方法，经实践证明可以有效避免了以往以部门职能划分为主体的系统建设模式的问题。

关键词：智能交通；城市交通；架构设计；框架体系

1 引言

从上个实际90年代提出建设智能交通系统以来，我国各个城市投入了大量的资金，建设了多种多样的智能交通系统。例如交通流采集系统、信号控制系统、视频监控系统、公交调度系统、地理信息系统（GIS）、接处警系统（122）等。这些系统都能独立有效地工作，对我国交通状况改善发挥了重要作用，也积累了大量的交通数据。但由于缺乏整体性的规划和顶层设计，不同交通部门分批、分项目实施的多个交通系统往往存在着各自独立、自成体系、信息缺乏共享、业务协同不足等问题；因此，如何构建更无缝连接的新一代城市智能交通系统体系，如何将现有智能交通系统和信息资源集成起来、加以综合挖掘和应用，成为我国智能交通发展面临的新挑战。上个世纪90年代美国、日本、欧盟都提出了智能交通体系框架研究[1-2]，我国在“十一、五”期间也提出我国的智能交通系统框架[3-5]，这些体系框架有效促进了我国智能交通系统发展，但由于信息技术发展飞速，上述的城市智能交

通体系框架已经很难适应新需求、新技术、新基础上的智能交通系统建设需要。近年来，美国、英国、欧盟、澳大利亚等国家和地区研究和提出了一些先进的信息系统架构方法，为我国城市ITS 的规划、设计和建设提供了依据和参考模型，为我国的智能交通系统向更智慧化发展指出了发展路径。

综上，本文借鉴航天系统工程思想，结合发达国家先进信息系统架构设计方法，提出了新的城市智能交通框架体系与架构设计方法，以用来更好地指导我国城市智能交通系统的规划、设计工作。 2 基本概念和先进方法介绍 2.1 框架体系与架构设计的涵义 2.1.1 框架体系 系统框架体系是指从更高层面对复杂大系统的整体性描述，系统框架体系主要描述系统的主要功能域以及功能域之间的相互关系。从系统工程角度理解，框架体系主要指的是系统的主要组成部分以及这些组成部分的相互关系。因此，可以明确的是，框架体系仅仅关心的是系统的主要结构、顶层结构，而不关心具体的系统细节结构，系统框架体系主要用于指导大型复杂系统的规划工作。在实际当中，系统的框架体系一般表现为系统组成子系统的划分、分层以及相互关系定义等内容。 2.1.2 架构设计 架构是创建一个系统的业务、数据、应用和技术蓝图的一个规则（约束）,是领导、业务人员与软件开发人员的共同语言，用于思考、沟通、决策和控制信息系统项目，同时保证不同层面的人看到一个系统更宏观的视图。系统的架构设计是指对系统实现需要的层次、分类以及实现的关键部件等进行描述，并定义这些部件建设的时序。本文强调的是复杂大系统情况下，各个分系统、子系统在自身规划、设计和建设时，要充分考虑到其他分系统和子系统，共用复用相互重复的组件，

从而减少重复建设，降低系统建设的成本。系统架构主要描述的构成系统的抽象功能组件，系统架构设计主要用于指导大型复杂系统的设计和开发工作。 2.2 先进架构设计方法介绍 城市智能交通系统主要由政府建设，是发展速度

最快、较为成熟的电子政务系统之一。随着电子政务

的大规模建设以及新技术的发展，美国、英国、澳大利亚等欧美发达国家研究提出了不同的电子政务架构方法，例如美国的联邦企业架构（Federal Enterprise Architecture ，FEA ）、英国电子政府互操作框架（E-Government Interoperability Framework ，E-GIF ）、澳大利亚政府架构（Australian Government Architec-ture ，AGA ）、以及美军全球信息栅格（Global Infor-mation Grid, GIG ）等方法[6-7]。在这些方法中，美国最早开始研究电子政务的架构设计方法，目前也最先进和成熟，其他的框架或多或少参考了美国FEA 的思路和方法。因此，本文主要介绍美国FEA 以及美军GIG 方法。

2.2.1 联邦企业架构（FEA ）

从1998年开始，美国CIO 理事会根据《信息技术管理改革法案》（即《克林格.科恩法案》）的要求，着手开发联邦企业架构框架。框架是为了提供一个可支撑的机制来识别、开发和记录高优先级领域的架构描述，这些领域是建立在跨组织边界的共同业务域和设计之上。FEAF 于1999年正式发布，主要内容是八大构件，即架构驱动力、战略方向、当前架构、目标架构、过渡流程、架构分块、架构模型和标准。FEAF 的目的是为了推动联邦政府各机构和其它政府实体之间共同联邦流程的共享开发、互操作以及信息共享。2002年2月，美国OMB 成立了FEA 项目管理办公室(FEA-PMO)，开始着手开发一个综合的、业务驱动的政府信息系统蓝图，即联邦企业架构(FEA)。

FEA 是为了帮助政府管理层制定有效的信息系统投资决策，并允许他们在跨机构之间增加系统合作以及资源共享的机会。FEA 由一套相互关联的参考模型组成，用来进行跨机构业务分析，识别机构内部或跨机构的重复投资、差距和机会。围绕FEA 参考模型的使用，OMB 还发布了一些通告，如用于预算的准备、提交与执行的通告A-11和用于联邦信息资源管理的A-130。特别是A-11中的Exhibit53和Exhibit300详细说明了预算提交与FEA 的匹配和连接关系，从而使FEA 成为联邦政府在各机构中间发现系统的差距、共享、合作和复用机会的重要工具。 2.2.2 全球信息栅格（GIG ）

信息栅格是指按需向用户提供互联的端对端综合信息收集、处理、存储、分发、管理和应用的信息系

统。“全球信息栅格”的概念是在美军C4ISR充分发展的基础上提出来的。美军以往的天基、空基、地基和海基的信息系统大都是专用系统，互不兼容，可以直观地形容为一片相互没有联系的“烟囱群”。C4ISR往往“各自为战”，且只能处理通过计算机通信联网的信息，而对其它设备的数字化信息，比如战场前端的传感器、作战要素的射击系统等，就不具备兼容共享的能力。美军提出，要谋求“全时、全维的信息优势”。但C4ISR系统显然还缺少如此高效、直接的战场信息转化能力。为了克服C4ISR系统的这些“先天不足”，美军于1999年首次提出了建立“全球信息栅格”的倡议,并于2000年3月，向国会正式提交了启动GIG项目的报告。

所谓“全球信息栅格”，就是由可以链接到全球任意两点或多点的信息传输能力、实现相关软件和对信息进行传输处理的操作使用人员组成栅格化的信息综合体。按照美军的“时间表”，他们将于2020年建成全球性的信息栅格系统。GIG概念的提出，是革命性的，美军的信息网络和C4ISR系统也因此正在发生一系列变化，如：信息获取全球化，信息交换全维化，信息处理智能化，信息设施兼容化，信息防护保密化等等。

3 城市智能交通系统框架体系与架构设计3.1 框架体系

世界多个国家的智能交通系统建设管理部门主要分为交通运输部门、道路执法部门，例如我国主要是交通委（局）、交管局/交警支队两大部门；日本主要有警察厅、国土交通省两大部门。围绕这两大部门，城市智能交通系统主要包含道路交通管理、道路应急、轨道交通、交通运输企业、交通政务、电子收费等多个方面。这些城市智能交通子领域之间的层次和相互关系的定义，对未来城市智能交通系统的建设具有非常重要的指导意义。因此，本文从城市总体角度出发，结合云计算、物联网等新技术发展，提出了更具扩展性以及更加先进的新型城市智能交通系统框架体系，具体如图1所示。

新型城市智能交通系统框架体系，分为信息感知层、信息传输层、数据知识层、应用服务四层，其中，感知层强调：通过制定相应的管理制度和技术标准，统筹整个城市前段采集设备的布设，完成信息的统一

Figure 1. Top-level framework of Urban ITS

图1. 城市智能交通系统顶层框架体系

管理。传输层强调：通过一定的管理制度和机制，按照统筹集约、共建共用的原则，灵活应用多种传输方式，逐步建设完善与城市智能交通系统需要相同步的信息传输网络，满足业务需求。知识层强调：在已有数据中心建设格局的背景下，通过物理和逻辑相互结合的方式，逐步向云数据中心过渡。应用层强调：从公众和业务需求出发，基于服务型政府和一站式服务理念，对现有职能划分和工作机制优化基础上的系统和服务整合；应用层主要包含公共交通、城市物流、道路交通出行三大核心子领域，以及慢行、交通枢纽、设施养护、电子收费、交通应急、综合联运六大辅助性子领域。

3.2 架构设计

围绕城市框架体系建设，本节参考FEA、GIG等先进架构设计方法，提出了适合物联网、云计算等新技术背景下的城市智能交通系统新型架构设计方法。城市是一个复杂的综合系统，交通问题是城市快速发展中多重矛盾的集中反映，本文所提出的架构设计方法，针对城市智能交通特点，从政府绩效体系构建、业务流程优化、信息栅格体系建设、技术运用等方面系统地予以解决。

Figure 2. Architecture design method of Urban ITS 图2. 城市智能交通系统架构设计方法 如图2所示，其中：绩效架构需要政府面向业务需求和信息系统建设要求，构建更具绩效考核体系及改进机制，从根本驱动力上牵引城市智能交通发展,对城市智能交通系统的规划设计、立项审批、建设和运维进行全流程全过程的绩效评价，以提升信息化投资和系统运行的绩效。业务架构是指从一体化、服务型政府出发，建立内部协同工作机制，向公众提供一站式的服务，智能交通信息系统的建设需要支撑这种一体化、服务型政府建设需求，因此要强调面向协同工作机制的信息整合、系统整合以及服务整合。信息系统架构指按照信息栅格技术要求，将城市智能交通系统划分为网络、资源、服务、运行、应用、标准六个子体系，按照网络共建共用、资源共享融合、服务集成整合，运行统一保障、应用统筹部署、标准统一兼容的原则，使城市智能交通系统连接成扁平化的栅格状信息网。如图所示，技术架构主要将各类智能交通系统建设所需要的主要技术进行定义形成标准的组件，从而为未来系统建设提供科学、适用的技术选型依据，同时提供云计算、物联网、新一代移动互联等新技术的合理应用的条件和标准。 4 应用案例 本文作者依托中国航天科工信息技术研究院智能

交通研发中心参与武汉智慧交通规划与设计项目，将

上述框架体系和架构设计的理念和方法应用到武汉智慧交通规划与设计的实际工作中。由于篇幅原因，对具体的架构设计在本文不再展开阐述。该规划方案建议的框架体系如图3所示，主要分为泛在感知、集约传输、智慧支撑、集成服务四层，重点系统包括一个中心、五大平台、十二大应用方向。本框架体系及其架构设计成果，已经被相关交通管理部门部分采纳，应用到城市的“十二、五”智能交通规划、设计和建设工作中，得到了很好的应用效果。

Figure 3. Suggestion for Overall Framework of Wuhan ITS

图3. 武汉智能交通总体框架体系建议

5 结语

城市是复杂综合体，城市交通问题是复杂综合长期性问题，城市智能交通系统领域众多、系统繁杂，需要先进的框架体系和架构设计方法进行指导。本文在参照FEA 、GIG 等先进信息系统架构技术的基础上，提出来适合我国城市智能交通系统的框架体系和架构设计方法，经实际城市验证，本文方法能很好地解决目前我国以业务部门职能划分为依据的城市ITS 建设、服务模式所带来的问题。当前本文对架构设计的方法体系仅做了较为粗略的论述和探讨，尤其是绩效架构、信息系统架构都可以进一步深入研究和论述。

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