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(shè)，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(shè)尚難以適應(yīng)快速的城市化進程和日益增長的各種交通服務(wù)需求，主要原因如下[4-6]：

1.1　缺乏交通設(shè)備的接口規(guī)范

我國大部分城市的交通設(shè)施是2001年之后逐漸建立起來的，所使用的交通設(shè)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(shè)備之間、設(shè)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(wù)。

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(wù)需要融合城市交通的相關(guān)多源信息，基礎(chǔ)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(shè)。

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(yīng)有的作用。上述的交通流調(diào)控模式無法適應(yīng)快速增長的城市交通需求。

1.4　城市交通管理、控制和服務(wù)技術(shù)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(shù)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(chǔ)，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(wù)。亟需引入新的智能交通理念、方法、技術(shù)和裝備，以適應(yīng)智慧城市建設(shè)的需要。

綜上所述，現(xiàn)有的區(qū)縣城市交通架構(gòu)、平臺和基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)無法滿足日益增長的城市交通需求，適應(yīng)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(shè)計，以規(guī)范多源交通數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)城市交通業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享、系統(tǒng)整合和統(tǒng)籌建設(shè)，使得城市智能交通成為智慧城市建設(shè)的有機組成部分。

2　區(qū)縣級智慧交通頂層設(shè)計目標

本節(jié)首先討論分析智慧交通、頂層設(shè)計和區(qū)縣級智慧交通頂層設(shè)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(luò)、系統(tǒng)工程和大數(shù)據(jù)等技術(shù)有效地綜合并應(yīng)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(wù)系統(tǒng)。

智慧交通是一個復(fù)雜系統(tǒng)，包括業(yè)務(wù)體系、知識體系、方法與技術(shù)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(wù)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(wù)水平、綠色環(huán)保和節(jié)能減排等。

頂層設(shè)計源于自然科學或大型技術(shù)工程領(lǐng)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(jié)構(gòu)上統(tǒng)一、資源上共享和部件標準化。頂層設(shè)計在不同的領(lǐng)域有不同的內(nèi)涵與外延。頂層設(shè)計是一種設(shè)計思想和方法論。

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

2.1　設(shè)計目標

區(qū)縣級城市智慧交通頂層設(shè)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(wù)。即從城市區(qū)縣行政區(qū)域智慧交通業(yè)務(wù)的整體視角出發(fā)，以交通信息化綜合體系為基礎(chǔ)，細化并明確區(qū)縣級智慧交通業(yè)務(wù)間的相互關(guān)系，規(guī)范城市交通信息資源規(guī)劃與組織、各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和開發(fā)，以保障信息資源共享與業(yè)務(wù)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(shè)管理機制等方面進行技術(shù)規(guī)范與業(yè)務(wù)指導，以保障城市智慧交通建設(shè)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(shè)，整合現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施，針對各相關(guān)部門業(yè)務(wù)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(wù)協(xié)同、資源共享和統(tǒng)籌建設(shè)，區(qū)縣級智慧交通頂層設(shè)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(wù)系統(tǒng)，通過與市級智慧交通頂層設(shè)計的無縫銜接，達到安全、暢通、提高交通服務(wù)水平、降低交通排放等目標。即在現(xiàn)有的道路基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上，將先進的智慧交通新技術(shù)、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(wù)，以平衡交通資源、改善交通狀況。

2.2　設(shè)計原則

區(qū)縣級智慧交通頂層設(shè)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(chǔ)設(shè)施的利用和數(shù)據(jù)共享，有效降低建設(shè)成本，設(shè)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(shè)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(shè)備的統(tǒng)一接口標準，對現(xiàn)有設(shè)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(shù)的應(yīng)用，面向未來，統(tǒng)籌布局，以適應(yīng)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(shù)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(wù)的基礎(chǔ)，具有多源異構(gòu)等特點，且來自不同的業(yè)務(wù)部門。為了減少重復(fù)城市交通系統(tǒng)的投資和重復(fù)建設(shè)，需要構(gòu)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(shè)計方法，以業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享、系統(tǒng)整合和統(tǒng)籌建設(shè)為目標，綜合設(shè)計系統(tǒng)的整體功能、信息資源體系、技術(shù)支撐體系，形成指導智慧交通系統(tǒng)建設(shè)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(quán)的交通基礎(chǔ)設(shè)施與管控系統(tǒng)。考慮到智慧交通系統(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(shù)的發(fā)展趨勢，城市智慧交通頂層設(shè)計應(yīng)該在新興技術(shù)的基礎(chǔ)上予以構(gòu)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(shù)的可行性，也要注重商業(yè)的可行，設(shè)計市場化投資、建設(shè)、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(shù)框架、投資建設(shè)、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(gòu)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(yīng)用效果。

3　區(qū)縣級智慧交通頂層設(shè)計的總體架構(gòu)

3.1　區(qū)縣級智慧交通與市級智慧交通相互關(guān)系

市級城市交通頂層設(shè)計以區(qū)縣級架構(gòu)為基礎(chǔ)，其中，區(qū)縣級城市智慧交通頂層設(shè)計側(cè)重于指定區(qū)域的交通基礎(chǔ)設(shè)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(wù)，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(shè)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(shè)計的總體架構(gòu)

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

圖1 區(qū)縣級智慧交通頂層架構(gòu)

（1）業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計

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

（2）數(shù)據(jù)架構(gòu)

根據(jù)建立的業(yè)務(wù)流程，形成數(shù)據(jù)流圖，進而確定由各項業(yè)務(wù)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(guān)系，確定數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)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(gòu)、內(nèi)容管理和領(lǐng)域知識管理的架構(gòu)。

（3）應(yīng)用架構(gòu)

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

（4）平臺架構(gòu)

該架構(gòu)為實現(xiàn)交通信息資源共享和應(yīng)用架構(gòu)的底層技術(shù)基礎(chǔ)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(gòu)

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(wù)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(wù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，選擇業(yè)務(wù)流程，明確可以具體考核的業(yè)務(wù)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(gòu)的設(shè)計規(guī)范，結(jié)合對交通需求的分析，定義交通信息共享平臺由各相關(guān)部門協(xié)同建設(shè)，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(jié)語

由于缺乏統(tǒng)一的總體規(guī)劃，我國的交通基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計對有效整合交通資源和基礎(chǔ)設(shè)施、科學有效地實現(xiàn)城市交通的管理、控制與誘導服務(wù)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(shè)提供有效支撐。

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作者簡介：

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(yīng)用專業(yè)學士和碩士學位。2000年獲得中國科學技術(shù)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(shù)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(guān)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(quán)3項。

摘自《自動化博覽》2015年9月刊