03-智能交通系统体系结构

第三章ITS体系结构

智能交通系统是一种复杂的巨系统，如何来描述系统各构件之间的相互关系及系统各部分的功能与整体功能，就要用到“体系结构”这一概念。本章介绍ITS体系结构的基本概念、体系结构的构建方法、以及应用实例。

第一节什么是ITS体系结构

系统的概念来源于自然实践。辞海对系统的解释是：所谓“系统”，是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。在交通系统中，人、车、路以及货物这四个组成部分构成了道路交通系统，该系统的目的是实现人或物的有效移动。如果人（货物）、车、路构成的道路交通系统，再配上具有智能的交通信息中心、交通管理中心、交通控制中心等以及智能化的车载设施和道路交通基础设施，如各类检测设施、信息发布设施即信息传输设施，就构成了智能交通运输系统。

然而，怎样来描述这一抽象概念的系统呢？像居住房屋一样，房屋由基础、梁、柱、屋面等各构件用一定的搭接方式建成，具有供人们居住生活的功能。房屋的各构件相互搭接的关系及房屋各部分的功能和整体功能可用房屋的建筑图和结构图来描绘。同样，ITS各构件的相互关系及各部分的功能和整体功能，也可用系统体系结构来描述。

因此，ITS的体系结构是指系统所包含的子系统、各个子系统之间的相互关系和集成方式、以及各个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。根据定义，ITS体系结构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。

ITS体系结构具有下列重要意义：

◆ITS本身比较复杂，涉及面广，需要有一个指导性的框架，来帮助我们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的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；

◆避免少缺和重复，使ITS成为一个高效、完整的系统，并具有良好的扩展性；

◆根据国家总体ITS框架，发展地区性的体系结构，保证不同地区智能交通系统具有兼容性。

第二节ITS体系结构的构建方法

1. ITS体系结构构建方法比较

世界各国开发ITS体系结构采用的方法主要有两种，一种称为结构化方法(Structured Method)，一种称为面向对象的方法(Object Oriented Method)。

结构化方法，以功能的抽象与分解为主要手段，按功能之间的联结关系组织数据。结构化方法简单易行，流行已久，能被大多数工程师理解和接受，便于交流，但用结构化方法开发的系统修改或扩展比较困难。

面向对象的方法，首先确定对象或实体及其与其他对象之间的关系，然后确定每个对象执行的功能，围绕数据对象或实体组织功能，形成单一的相互关联的视图。用面向对象方法开发的系统易于扩展和修改，但该方法操作起来比较复杂，而且可读性不强，不利于交流和讨论。

国家ITS体系结构作为一种指导全国ITS设计的框架，必须得到全国工程师和投资者的广泛认同才能真正发挥作用。因此，国家ITS体系结构必须具有较强的可读性，以便让更多的人能理解之，进而讨论之。此外，如果用面向对象的方法来开发ITS逻辑结构，在确定“对象”集时将遇到很大的麻烦，因为ITS 是一个复杂的大系统，可能的“对象”太多，“对象”的抽象程度也很难一致。美国“国家ITS体系结构开发小组”就是选用结构化方法构建了其《国家ITS 体系结构》。我国“九五”国家科技攻关项目“中国智能交通系统体系框架研究”，

也采用了结构化方法。

2. 结构化方法简介

结构化方法构建ITS体系结构，其主要流程如图3.1所示。

图3.1 结构化方法构建体系结构流程简图

（1）界定用户

构建ITS体系结构首先要界定系统的用户。ITS作为信息技术（IT）系统的一个分支，可用IT系统界定用户的方法来界定其用户。信息系统的用户是指影响系统或受系统影响的人和机构，可以从四个方面识别信息技术系统的用户，即：需要IT者、制造IT者、使用IT者和管理IT者。

（2）用户服务

所谓用户服务是按用户的要求，系统应能为用户服务的事项。ITS用户服务就是ITS能提供的服务与产品；提出了ITS用户服务项目，也就是提出了ITS 开发的范围。

（3）用户服务要求

为了实现每项用户服务，需要ITS能完成一系列功能。为了反映这一点，须将每项用户服务分解成更为详细的功能说明——即用户服务要求；换句话说，用户服务要求是系统为提供用户服务而应该具备的一些功能。

（4）需求模型

需求模型描述系统应该做什么，是系统功能要求的模型化。需求模型主要任务是定义系统的信息处理行为和控制行为。在构架模型开发阶段主要考虑系统的功能要求。

需求模型由“需求总图”、一系列分层次的“数据流图”与“控制流图”及

其相应的“过程定义”、“控制说明”与“数据字典”组成。

需求总图定义系统的边界，即确定哪些元素属于系统内部，哪些元素位于系统外部。

数据流图和过程定义描述系统执行的功能。

控制流图和控制说明描述系统执行这些功能的条件或环境。

实时性要求(Time Specification)对系统在“输入终端”接受事件(Event)刺激后，在“输出终端”作出反应的时间进行限定。

数据字典对在数据流图、控制流图中出现的数据流、控制流、存储器和终端进行描述和定义。

需求模型在美国《国家ITS体系结构》中被叫做“逻辑结构”，其中的控制流图被加入数据流图。

（5）构架模型

构架模型描述系统设计应如何组织，是系统设计的模型化。构架模型的主要任务是：①确定组成系统的物理实体；②定义物理实体之间的信息流动；③说明信息流动的通道。在构架模型开发阶段不仅要考虑功能要求，而且要考虑性能要求、可靠性要求、安全保密要求以及开发费用、开发周期、可用资源甚至市场条件等方面的问题。

构架模型由“构架总图”、“信息流图”、“模块说明”、“信息通道图”、“信息通道定义”和“信息字典”组成。

构架总图建立系统与其运行环境之间的信息边界，是系统的最高级视图，构架总图一般与系统总图一致。

信息流图和构架模块说明描述组成系统的物理模块以及模块之间的信息流动。

信息通道图和信息通道定义描述模块间信息流动的渠道。

信息字典注释信息通道中所有的数据以及数据字典中未出现的其他信息。

构架模型在美国《国家ITS体系结构》中被叫做“物理结构”。

构架模型完成后，经确认所有的用户服务都被体系结构构架中各子系统所包含，并经过对所构建的体系进行评价，包括来自投资者意愿的反馈信息，最后利用来自确认和评价的反馈结果进一步修改系统要求和体系结构。

修改完善后，在确定的ITS体系结构的基础上，才能拟定整个ITS的研究开发计划、制定ITS各部分和各类产品的统一标准以及规定系统的通信协议等。