区县级城市智慧交通顶层设计研究

中国科学技术大学自动化系 陈锋

区县级城市智慧交通顶层设计研究

中国科学技术大学自动化系 陈锋

本世纪初以来，智能交通在我国得到了快速发展，有效缓解了交通拥堵状况，提高了交通出行安全。由于缺乏整体规划和设计，现有的智能交通系统无法形成有机的整体，难以适应智慧城市需求。智慧交通是现代交通的发展方向，区县级交通是智慧交通系统的基础，本文研究区县级智慧交通的顶层设计方案，给出了设计目标和原则，描述区县级智慧交通顶层结构，分析了交通信息共享平台与相关部门的数据接口。本文研究为区县级智慧交通顶层设计提供了有益的借鉴。

智慧交通；顶层设计；体系结构

1 引言

随着我国社会和经济的快速发展，城市交通供需矛盾突出，周期性道路交通拥堵和过饱和矛盾日益凸显。为了缓解日趋严重的城市交通拥堵压力，我国各级政府高度重视智能交通系统的建设，经过十多年的努力，已经初步形成了包括交通信号控制、治安防控卡口、交通违法抓拍、交通信息出行诱导、交通视频监控和警车GPS定位/综合查询分析等多个子系统的城市道路交通智能控制信息平台，有效提高了城市交通通行能力和出行安全[1-3]。

然而，我国各地市的智能交通建设尚难以适应快速的城市化进程和日益增长的各种交通服务需求，主要原因如下[4-6]：

1.1 缺乏交通设备的接口规范

我国大部分城市的交通设施是2001年之后逐渐建立起来的，所使用的交通设施如交通信号机、交通控制系统、道路诱导屏和车流量采集装置来自于多个生产厂家，通信协议的差异导致设备之间、设备与控制中心系统之间无法互联互通，难以进行大范围的交通管控与诱导服务。

1.2 信息孤岛，难以共享

实现城市智慧交通管控与诱导服务需要融合城市交通的相关多源信息，基础信息包括：城市路网拓扑信息、出租车实时运行信息、公交线路、站点和车辆运行信息、平安城市的道路视频信息、居民出行信息等，上述信息来源于不同的部门，由于缺乏各部门之间的协调和数据标准统一制订，形成实际上的信息孤岛，极大地制约着智慧城市建设。

1.3 静态、孤立、单一的交通流调控模式

例如，芜湖市交通管控主要采用传统的交通工程方法，为基于专家经验的静态模式，控制点基本上是孤立的，部分主干道采用了静态的绿波带控制模式。交通流动态诱导也是交通控制的重要组成部分，由于交通流量采集系统和诱导系统相互独立，导致两者均没有能够很好发挥其应有的作用。上述的交通流调控模式无法适应快速增长的城市交通需求。

1.4 城市交通管理、控制和服务技术和手段相对落后

近年来，物联网、云计算和大数据等新技术快速发展，为智能交通提供了新的有效途径。当前的智能交通已经有了一定的基础，但是仍然处于智慧交通的起步阶段，如大多数区县尚无交通指挥中心、没有形成多级协调管控、尚未能提供有效的交通服务。亟需引入新的智能交通理念、方法、技术和装备，以适应智慧城市建设的需要。

综上所述，现有的区县城市交通架构、平台和基础设施已经无法满足日益增长的城市交通需求，适应城市交通智慧化的发展趋势，需要进行城市智能交通顶层设计，以规范多源交通数据和业务应用系统，实现城市交通业务协同、资源共享、系统整合和统筹建设，使得城市智能交通成为智慧城市建设的有机组成部分。

2 区县级智慧交通顶层设计目标

本节首先讨论分析智慧交通、顶层设计和区县级智慧交通顶层设计等概念。智慧交通目前尚无统一的定义，在本文的研究中定义智慧交通系统（STS: Smart Traffic System）为：将先进的感知、通信、控制、人工智能，以及网络、系统工程和大数据等技术有效地综合并应用于整个交通运输管理体系，形成人-车-路-物有机互联的多维闭空间，建立泛在的实时、安全、准确、高效、低碳交通运输综合管理、控制和服务系统。

智慧交通是一个复杂系统，包括业务体系、知识体系、方法与技术体系、法律与法规体系、评价体系等多个子系统。

智慧交通的特点为: 系统性、实时性、信息交互性和服务的泛在性，与传统意义上的交通管理与工程有着本质的区别。智慧交通亟待解决的主要问题包括：如何缓解道路压力、降低交通事故率、提升交通服务水平、绿色环保和节能减排等。

顶层设计源于自然科学或大型技术工程领域，指为完成一个大型科技项目，必须实现理论上一致、功能上协调、结构上统一、资源上共享和部件标准化。顶层设计在不同的领域有不同的内涵与外延。顶层设计是一种设计思想和方法论。

本文研究定义术语“顶层设计”为：为了实现复杂的巨系统工程，自高端开始进行总体构思，采用系统的、全局视角，对项目建设的各方面、各层次、各要素进行统筹考虑，顶层设计是在规划的指导下，设计业务架构、信息架构、应用架构和技术架构，规划实现目标架构的路径，是通过理论指导实践所需要的途径和方法。

2.1 设计目标

区县级城市智慧交通顶层设计以城市行政区域的交通系统为核心，实现交通的智慧化管理、控制与服务。即从城市区县行政区域智慧交通业务的整体视角出发，以交通信息化综合体系为基础，细化并明确区县级智慧交通业务间的相互关系，规范城市交通信息资源规划与组织、各类业务应用系统的规划、设计和开发，以保障信息资源共享与业务协同的实现。实现对区县级交通信息资源和系统安全、运营维护和建设管理机制等方面进行技术规范与业务指导，以保障城市智慧交通建设的可持续稳定发展。

为了实现区县级城市智慧交通系统建设，整合现有的交通基础设施，针对各相关部门业务系统进行统一协调，推进交通信息的规范化和标准化进程，实现业务协同、资源共享和统筹建设，区县级智慧交通顶层设计的目标为：建立一个全方位、实时、准确、高效的城市区县级智慧交通管理、控制与服务系统，通过与市级智慧交通顶层设计的无缝衔接，达到安全、畅通、提高交通服务水平、降低交通排放等目标。即在现有的道路基础设施基础上，将先进的智慧交通新技术、方法和装置综合运用于城市道路交通的全过程，加强人、车、路和物之间的联系，通过智能化地采集、建模和分析多源交通数据，及时地反馈给交通管理者和出行者，提供高效、全方位的时间/空间交通管控与服务，以平衡交通资源、改善交通状况。

2.2 设计原则

区县级智慧交通顶层设计方案不仅要考虑到智慧交通的发展要求，也要兼顾现有交通基础设施的利用和数据共享，有效降低建设成本，设计原则包括：

（1）兼容性、经济性和前瞻性

城市智慧交通的建设既要立足现状，又要兼顾未来发展需要。一方面通过制定交通设备的统一接口标准，对现有设备进行有效利用；另一方面要考虑城市发展需求和智慧交通新技术的应用，面向未来，统筹布局，以适应未来相当长时期智慧交通发展的整体需求，以及社会、经济、技术发展的新趋势。

（2）共享性

交通信息是智慧交通管理、控制与服务的基础，具有多源异构等特点，且来自不同的业务部门。为了减少重复城市交通系统的投资和重复建设，需要构建统一的数据平台，对数据进行标准化，实现交通数据的共享。

（3）系统性

使用自上而下的顶层设计方法，以业务协同、资源共享、系统整合和统筹建设为目标，综合设计系统的整体功能、信息资源体系、技术支撑体系，形成指导智慧交通系统建设总的框架，立足于系统间的互联、互通和协同，推动资源的共享与系统的整合，实现智慧交通的统筹发展。

（4）先进性

由于城市交通系统涉及到公共安全，需要采用具有自主知识产权的交通基础设施与管控系统。考虑到智慧交通系统数据的海量性与实时性，以及车联网、云计算等新技术的发展趋势，城市智慧交通顶层设计应该在新兴技术的基础上予以构建，以符合智慧交通发展的需求。

（5）可实施性

不仅考虑技术的可行性，也要注重商业的可行，设计市场化投资、建设、运营的模式，使系统成为用户满意、政府，商业上可行的多赢工程。从功能框架、技术框架、投资建设、商业运营、产业支撑等多个角度全局规划，有效保障目标架构的落地，提高组织的协同合作能力，利用低成本、高效率、资源优化达到最佳应用效果。

3 区县级智慧交通顶层设计的总体架构

3.1 区县级智慧交通与市级智慧交通相互关系

市级城市交通顶层设计以区县级架构为基础，其中，区县级城市智慧交通顶层设计侧重于指定区域的交通基础设施的统一接口定义、多源交通信息共享的数据标准化，对区域内的交通流进行有效管理、控制、诱导和服务，并为市级交通系统提供必要的交通数据，开放交通设施接口；市级智慧交通系统则负责跨区域的交通流协调控制与子系统调度。

3.2 区县级智慧交通顶层设计的总体架构

区县级智慧交通顶层设计总体框架的要素包括：业务架构、数据架构、应用架构、平台架构、评估架构和安全架构。为了保证整个架构完整性，须考虑架构的管理，法律法规和政策支持。主要架构描述如图1所示。

图1 区县级智慧交通顶层架构

（1）业务架构设计

作为智慧交通顶层设计的基础性工作，须反映所涉及的行业部门职能整体需求。业务架构是构建既符合信息化要求又符合政府部门职能履行要求的关键环节。在业务架构的具体设计过程中，从组织机构的职能入手，分析现行业务，构建业务模型，确定业务流程和逻辑关系，以系统地归纳智慧交通业务需求。

（2）数据架构

根据建立的业务流程，形成数据流图，进而确定由各项业务产生、使用和控制的数据实体，按照数据实体之间关系，确定数据库之间的关系以及主要数据表。描述数据模型、数据库架构、内容管理和领域知识管理的架构。

（3）应用架构

考虑交通信息应用的规则以及数据架构中确定的主题数据库，重点分析业务流程和各主题数据库之间的逻辑关系，应用架构围绕部门职能发展目标，根据业务需求，面向特定应用定制个性化的应用层系统。以有效组织、管理各项业务和数据。

（4）平台架构

该架构为实现交通信息资源共享和应用架构的底层技术基础平台，包括所选择的软件系统和硬件运行平台。

（5）评估架构

区县级智慧交通总体框架是基于运行效果驱动的，建立有效的评估指标体系可督促政府职能部门对业务模型、运行机制和支撑平台的更新和完善。一个标准化的评估体系主要包括：以业务架构为基础，选择业务流程，明确可以具体考核的业务内容及考核指标；系统有效性评估方法的选择。

根据区县级智慧交通顶层架构的设计规范，结合对交通需求的分析，定义交通信息共享平台由各相关部门协同建设，数据接口如图2所定义。

图2 交通信息共享平台数据接口

4 结语

由于缺乏统一的总体规划，我国的交通基础设施、管理和控制系统均存在着难以实现交通信息共享、无法形成大范围协同调控等突出问题。区县级交通顶层规划与设计对有效整合交通资源和基础设施、科学有效地实现城市交通的管理、控制与诱导服务具有重要的现实意义，将为城市智慧交通系统的可持续发展和智慧城市建设提供有效支撑。

[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, 我国智能交通系统技术发展现状及展望[J], 交通信息与安全, 2012, 5(30): 1 - 5.

[3] 陆化普, 李瑞敏. 城市智能交通系统的发展现状与趋势[J], 工程研究, 2014, 6(1): 2014, 6 - 19.

[4] 钱小鸿等著. 智慧交通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011. 10．

[5] 余红艺. 智慧城市: 愿景、规划与行动策略[M]. 北京邮电大学出版社, 2012

[6] 赵俊钰, 刘芳玉, 黄剑琪, 彭宇, 智慧交通顶层架构研究[J]. 邮电设计技术, 14 - 18, 2013, 06, 14 - 18.

陈锋（1966-），江苏睢宁人，副教授，博士。1986年、1994年分别获得合肥工业大学计算机应用专业学士和硕士学位。2000年获得中国科学技术大学信号与信息处理专业博士，主要研究分布式合作问题求解。2000年在中国科学技术大学自动化系工作至今。主要研究方向包括：城市交通流感知与信息获取、交通流建模、人工平行交通系统、城市路网的分布式协同优化控制等。主持了国家自然基金、中国科学院知识创新工程重要方向项目、省部级科技攻关等项目的研发工作，发表论文50多篇，其中，SCI或EI检索30多篇。获省部级科技成果5项，获得或申请国家发明专利5项，软件著作权3项。

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