區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

區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。由于缺乏整體規劃和設計，現有的智能交通系統無法形成有機的整體，難以適應智慧城市需求。智慧交通是現代交通的發展方向，區縣級交通是智慧交通系統的基礎，本文研究區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據接口。本文研究為區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

隨著我國社會和經濟的快速發展，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的建設，經過十多年的努力，已經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、交通視頻監控和警車GPS定位/綜合查詢分析等多個子系統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、道路誘導屏和車流量采集裝置來自于多個生產廠家，通信協議的差異導致設備之間、設備與控制中心系統之間無法互聯互通，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調和數據標準統一制訂，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、孤立、單一的交通流調控模式

例如，蕪湖市交通管控主要采用傳統的交通工程方法，為基于專家經驗的靜態模式，控制點基本上是孤立的，部分主干道采用了靜態的綠波帶控制模式。交通流動態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和誘導系統相互獨立，導致兩者均沒有能夠很好發揮其應有的作用。上述的交通流調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，物聯網、云計算和大數據等新技術快速發展，為智能交通提供了新的有效途徑。當前的智能交通已經有了一定的基礎，但是仍然處于智慧交通的起步階段，如大多數區縣尚無交通指揮中心、沒有形成多級協調管控、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，現有的區縣城市交通架構、平臺和基礎設施已經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展趨勢，需要進行城市智能交通頂層設計，以規范多源交通數據和業務應用系統，實現城市交通業務協同、資源共享、系統整合和統籌建設，使得城市智能交通成為智慧城市建設的有機組成部分。

2 區縣級智慧交通頂層設計目標

本節首先討論分析智慧交通、頂層設計和區縣級智慧交通頂層設計等概念。智慧交通目前尚無統一的定義，在本文的研究中定義智慧交通系統（STS: Smart Traffic System）為：將先進的感知、通信、控制、人工智能，以及網絡、系統工程和大數據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。

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

智慧交通的特點為: 系統性、實時性、信息交互性和服務的泛在性，與傳統意義上的交通管理與工程有著本質的區別。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、綠色環保和節能減排等。

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，必須實現理論上一致、功能上協調、結構上統一、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：為了實現復雜的巨系統工程，自高端開始進行總體構思，采用系統的、全局視角，對項目建設的各方面、各層次、各要素進行統籌考慮，頂層設計是在規劃的指導下，設計業務架構、信息架構、應用架構和技術架構，規劃實現目標架構的路徑，是通過理論指導實踐所需要的途徑和方法。

2.1 設計目標

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

為了實現區縣級城市智慧交通系統建設，整合現有的交通基礎設施，針對各相關部門業務系統進行統一協調，推進交通信息的規范化和標準化進程，實現業務協同、資源共享和統籌建設，區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、高效的城市區縣級智慧交通管理、控制與服務系統，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、路和物之間的聯系，通過智能化地采集、建模和分析多源交通數據，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

區縣級智慧交通頂層設計方案不僅要考慮到智慧交通的發展要求，也要兼顧現有交通基礎設施的利用和數據共享，有效降低建設成本，設計原則包括：

（1）兼容性、經濟性和前瞻性

城市智慧交通的建設既要立足現狀，又要兼顧未來發展需要。一方面通過制定交通設備的統一接口標準，對現有設備進行有效利用；另一方面要考慮城市發展需求和智慧交通新技術的應用，面向未來，統籌布局，以適應未來相當長時期智慧交通發展的整體需求，以及社會、經濟、技術發展的新趨勢。

（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，且來自不同的業務部門。為了減少重復城市交通系統的投資和重復建設，需要構建統一的數據平臺，對數據進行標準化，實現交通數據的共享。

（3）系統性

使用自上而下的頂層設計方法，以業務協同、資源共享、系統整合和統籌建設為目標，綜合設計系統的整體功能、信息資源體系、技術支撐體系，形成指導智慧交通系統建設總的框架，立足于系統間的互聯、互通和協同，推動資源的共享與系統的整合，實現智慧交通的統籌發展。

（4）先進性

由于城市交通系統涉及到公共安全，需要采用具有自主知識產權的交通基礎設施與管控系統。考慮到智慧交通系統數據的海量性與實時性，以及車聯網、云計算等新技術的發展趨勢，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，也要注重商業的可行，設計市場化投資、建設、運營的模式，使系統成為用戶滿意、政府，商業上可行的多贏工程。從功能框架、技術框架、投資建設、商業運營、產業支撐等多個角度全局規劃，有效保障目標架構的落地，提高組織的協同合作能力，利用低成本、高效率、資源優化達到最佳應用效果。

3 區縣級智慧交通頂層設計的總體架構

3.1 區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縣級架構為基礎，其中，區縣級城市智慧交通頂層設計側重于指定區域的交通基礎設施的統一接口定義、多源交通信息共享的數據標準化，對區域內的交通流進行有效管理、控制、誘導和服務，并為市級交通系統提供必要的交通數據，開放交通設施接口；市級智慧交通系統則負責跨區域的交通流協調控制與子系統調度。

3.2 區縣級智慧交通頂層設計的總體架構

區縣級智慧交通頂層設計總體框架的要素包括：業務架構、數據架構、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，法律法規和政策支持。主要架構描述如圖1所示。

圖1 區縣級智慧交通頂層架構

（1）業務架構設計

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部門職能整體需求。業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節。在業務架構的具體設計過程中，從組織機構的職能入手，分析現行業務，構建業務模型，確定業務流程和邏輯關系，以系統地歸納智慧交通業務需求。

（2）數據架構

根據建立的業務流程，形成數據流圖，進而確定由各項業務產生、使用和控制的數據實體，按照數據實體之間關系，確定數據庫之間的關系以及主要數據表。描述數據模型、數據庫架構、內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則以及數據架構中確定的主題數據庫，重點分析業務流程和各主題數據庫之間的邏輯關系，應用架構圍繞部門職能發展目標，根據業務需求，面向特定應用定制個性化的應用層系統。以有效組織、管理各項業務和數據。

（4）平臺架構

該架構為實現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和硬件運行平臺。

（5）評估架構

區縣級智慧交通總體框架是基于運行效果驅動的，建立有效的評估指標體系可督促政府職能部門對業務模型、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：以業務架構為基礎，選擇業務流程，明確可以具體考核的業務內容及考核指標；系統有效性評估方法的選擇。

根據區縣級智慧交通頂層架構的設計規范，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同建設，數據接口如圖2所定義。

圖2 交通信息共享平臺數據接口

4 結語

由于缺乏統一的總體規劃，我國的交通基礎設施、管理和控制系統均存在著難以實現交通信息共享、無法形成大范圍協同調控等突出問題。區縣級交通頂層規劃與設計對有效整合交通資源和基礎設施、科學有效地實現城市交通的管理、控制與誘導服務具有重要的現實意義，將為城市智慧交通系統的可持續發展和智慧城市建設提供有效支撐。

[1] Junping Zhang, Fei-Yue Wang, Kunfeng Wang, Wei-Hua Lin, Xin Xu, Cheng Chen. Data-Driven Intelligent Transportation Systems: A Survey[J], IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2011, 12(4): 1624 - 1639.

[2] 金茂菁, 我國智能交通系統技術發展現狀及展望[J], 交通信息與安全, 2012, 5(30): 1 - 5.

[3] 陸化普, 李瑞敏. 城市智能交通系統的發展現狀與趨勢[J], 工程研究, 2014, 6(1): 2014, 6 - 19.

[4] 錢小鴻等著. 智慧交通[M]. 北京: 清華大學出版社, 2011. 10．

[5] 余紅藝. 智慧城市: 愿景、規劃與行動策略[M]. 北京郵電大學出版社, 2012

[6] 趙俊鈺, 劉芳玉, 黃劍琪, 彭宇, 智慧交通頂層架構研究[J]. 郵電設計技術, 14 - 18, 2013, 06, 14 - 18.

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大學計算機應用專業學士和碩士學位。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、城市路網的分布式協同優化控制等。主持了國家自然基金、中國科學院知識創新工程重要方向項目、省部級科技攻關等項目的研發工作，發表論文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