面向自主式交通的智能交通系统用户需求研究
2022-04-02魏伟，郑来，蔡铭
魏 伟，郑 来，蔡 铭
(1. 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，哈尔滨 150090；2.中山大学 智能工程学院，广东 深圳 518106；3.广东省智能交通系统重点实验室，广州 510006)
人工智能、大数据、移动互联、云计算等技术的进步正在改变居民生活的整体面貌，带来了以自动驾驶、车联网等为代表的交通技术创新，也带来了交通系统需求的提升和质变。一方面用户希望得到主动服务，另一方面决策者希望系统能自主响应。随着信息量变大、系统增多、迭代加快，现有的智能交通系统(ITS)将无法满足需求，亟需构建新一代自主式交通系统(ATS)，推动交通系统从“弱自主”向“全自主”的体系化转变。从本质特征来看，ATS将通过自主感知、自主学习、自主决策、自主响应的业务逻辑，以自组织运行和自主化服务的方式，完成人与物的运输。
目前，国内外在自主式交通领域有了初步探索。国外方面，Hancock等[1]探究了交通系统自主化发展带来的伦理问题，指出未来交通系统的自主化可能会产生不可预见的消极社会后果。Khalid等[2]提出在物联网支持下，自主式交通系统给传统运输系统带来了根本性变化，提供了智能和自动化的乘客及货物运输，为服务减少了人为干扰。Damak等[3]表示自主式交通是未来交通的支柱，由于缺乏行业反馈和客户对技术的不解导致ATS发展缓慢。Menouar等[4]提出互联和自动车辆的有效集成促进了下一代交通系统的发展。此外，也有学者研究了自主式车辆的未来发展，如Menon等[5]研究了自主式车队对普通家用车辆的影响。国内方面，严新平[6]院士团队正致力于推动自主水路交通系统研究，并对水路交通运输的内涵与特征、自主水路交通系统的概念与组成、关键技术以及发展展望进行了论述。此外，交通系统的部分领域内存在对交通系统的自主化研究，主要集中在自主式车辆、城市轨道自主化等方面。自主式车辆方面，石磊[7]对自主式车辆的环境感知技术进行了进一步研究，拓展了较多道路场景。贺汉根等[8]分析了发展自主驾驶技术对交通安全、环保、节能以及汽车产业的重要意义，并提出了自主驾驶技术的发展策略建议。轨道交通方面，郜春海[9]立足国内需求，建立自主化全自动运行系统，针对性地提出城轨全链条高RAMS设计等方案特征，并总结了建设经验。汪小勇[10]探讨了城市轨道交通基于车车通信的列车自主运行系统特性，并在实地进行验证。
总体看，ATS仍处于前期探索阶段，其发展建设仍需要大量的理论研究和技术储备。依据我国ITS的建设经验，体系框架为ITS结构和标准的制定提供了约束和参考，解决了交通基础设施建设、信息基础设施建设和现代电子与控制技术的融合集成问题，确保了用户选择的高度灵活性，促进了ITS的健康、快速发展[11-12]。同样，发展ATS也需要首先构建一套科学的ATS通用体系框架，而明确ATS用户需求也是构建体系框架最重要的基础工作[13-14]。
ATS是一个典型的复杂巨系统，存在诸多的利益相关方，而不同的利益相关方会基于当前的目标和科技水平对系统产生不同的潜在需求，这就导致了需求的多样性、可变性，甚至矛盾性。Damak等在文献[3]中提出在知识反馈较少且需要以往经验的情况下，需求复用似乎更适合高效重用和回收已开发的系统需求。此外，根据需求工程相关理论，用户需求来源包括与利益相关方交谈、场景研究、描述性文档、正在升级的现有系统、现有系统存在的问题和变更建议、类似系统[15]。鉴于ATS与ITS的相似性，可将ITS用户需求作为ATS用户需求的主要来源。因此，文中将梳理有代表性的ITS用户需求，以期从中捕获ATS用户需求，为开展ATS的体系框架研究、促进ATS发展奠定基础。
1 ATS用户需求研究框架
根据文献[14]，ATS用户需求是用户主体对于系统服务功能的需求以及系统可靠性、安全性、兼容性等其他方面的需求，即从用户角度阐述用户需要什么样的系统服务和系统特性。在ATS中，用户主体即为利益相关方，是指在交通系统中参与、使用、管理等工作的人、群体、组织或其他实体；服务主体是服务的提供者，为用户提供服务以满足其需求。因此，明确用户主体和服务主体是捕获ATS用户需求的首要任务。
文中提出了以ITS用户需求剖析为基础的ATS用户需求研究框架，如图1所示。美国和欧洲在20世纪90年代陆续完成了本国(地区)的ITS体系框架并持续推出改进版本，是目前世界范围内最具代表性的智能交通系统体系。我国也在2000年底提出了中国ITS体系框架，充分体现了我国的实际情况和特色。因此，首先以美国ITS体系框架(ARC-IT)、欧洲ITS体系框架(FRAME)和中国ITS体系框架为基础，梳理各体系框架中的用户需求,并整合为ITS用户需求体系，识别各需求中的用户主体和服务主体。进而，面向ATS更新用户主体和服务主体以生成新的需求列表，并将其采用标准化范式表达，以形成新的ATS用户需求体系。最后，结合未来技术发展和国家交通运输政策走向，提出适应未来发展需要的需求，补充和完善ATS用户需求体系。
图1 ATS用户需求研究框架
2 ITS用户需求分析
2.1 美国ARC-IT及其用户需求
ARC-IT旨在为美国ITS的规划、界定和集成提供一个通用框架，其筹备于1992年，1996年建立了国家级系统框架的最初版本[16]，2021年3月更新至最新版的ARC-IT 9.0。总体看，ARC-IT采用了面向过程的构建方法，以服务为核心自上而下进行规划，并从企业、功能、物理、通信四个视角组织ITS内部组分[17]，如图2所示。其中，企业视角明确了ITS利益相关者(即规划、开发、操作、维护和使用ITS服务的人员和组织)的角色和关系，并强调利益相关者组织、其成员及客户的需求驱动了ITS的发展。
图2 美国ARC-IT框架
ARC-IT为参与ITS的所有利益相关者定义了用户需求，根据子服务满足这些需求的能力，将这些需求与子服务一一相匹配，实现了“用户→需求→服务”的逻辑关联。ARC-IT共有服务域12个，子服务150个，对应用户需求518条，每一条需求均采用了以用户主体为主语的统一表达范式，即
2.2 欧洲FRAME及其用户需求
欧洲FRAME旨在为欧洲各国智能交通系统整合和推广提供一个通用体系框架，1998年实施的KAREN项目于2000年首次公开发布，其后随着ITS技术的发展并在欧盟FRAME项目的支持下持续更新，最新版本为2011年发布的FRAME 4.1[18-19]。FRAME也使用了面向过程的构建方法，但其采用的是自下而上的集成方式。此外，由于FRAME是欧盟成员国内部使用的体系框架且其定位是辅助规则，因此，其仅包含用户需求和功能视角两个部分，但其也为使用者基于这两个部分进一步构建物理、通讯、企业视角提供了工具，如图3所示。
表1 ARC-IT服务与用户需求统计
图3 欧洲FRAME框架
用户需求是FRAME体系框架的核心组成，简言之，是对ITS能够提供什么的描述。为确保用户需求的真实性和可验证性，KAREN项目首先识别了ITS中存在的用户，并将用户主体类别较为宽泛地划分为7类。在确定用户需求时，该项目借鉴了美国以及其他组织的研究，并邀请专家对需求体系进行评论和完善，最终形成了对应10个组(类似于服务域)、49个分组的764条用户需求(见表2)。FRAME用户需求采用了以ITS系统为主语的统一表达范式，即
2.3 中国ITS体系框架及其用户需求
中国ITS体系框架旨在解决现代电子信息技术、控制技术与交通运输的融合与集成问题，其核心成果形成于国家“九五”科技攻关项目《中国智能
表2 FRAME用户需求统计
运输系统体系框架研究》专题，并于2003年以著作形式发布。中国ITS体系框架的建设吸收了欧美等发达国家经验并结合中国国情，使用了面向过程的构建方法，确定了以用户主体和服务主体为基础的ITS总体框架，具体包括用户主体、服务主体、用户服务、系统功能、逻辑框架、物理框架、ITS标准和技术经济评价等8个方面，如图4所示。
图4 中国ITS体系框架
用户需求是定义中国ITS体系框架中用户服务、子服务的基础，但在具体实施中，并没有直接由需求入手推出用户服务，而是以ISO 14813/TR-1和ISO 14813/TR-5定义的服务领域和用户服务为蓝本，借鉴政府科技主管部门和ITS领域专家的意见，提出了交通管理和规划、电子收费、车辆、紧急事件与安全、运营管理、自动公路、综合运输(枢纽)、出行者信息等8个领域和一个通用技术平台，进而按领域提出用户对运输系统和ITS的需求。中国ITS体系框架内的用户需求也是以用户主体为主语，但并没有采用统一的表达范式，典型服务域用户主体的需求示例如表3所示。
表3 中国ITS体系框架需求表达方式示例
3 ITS用户需求整合与分析
3.1 用户需求整合
美国、欧洲、中国的ITS体系框架有相似之处，均采用了面向过程的构建方法，并使用了类似服务域的领域划分。然而，不同国家(地区)的服务域划分不尽一致，且各服务域内的用户主体及需求也不相同。如美国和欧洲均设有与公共交通管理相关的独立服务域，而中国的公共交通则包含在运营管理服务域内。同样是公共交通服务领域的用户主体——公交公司运营者，美国用户有44条需求，而欧洲用户只有21条需求。不同来源的用户需求均考虑了其所在国家(地区)的国情和用户实际需要，因此不十分一致。考虑到交通运输发展带来的用户“终极”需求的统一趋势，以及构建面向ATS用户需求体系的完备要求，将3个来源的用户需求整合，得到覆盖全面的ITS用户需求列表。用户需求整合采用了分类对比分析方法，具体流程如图5所示。该整合方式有利于比较相似用户主体的需求，以达到不重不漏目的。
图5 用户需求整合流程
1)首先，将美国、欧洲、中国的用户需求按照对应服务域进行划分,在3个体系框架下的类似服务域内对需求进行整合，通过遍布服务域，得到初始用户需求列表。
2)其次，不同来源的需求表达方式和用户主体等会有所不同，整合需求后应运用统一的用户主体、服务主体对需求表达方式进行修改。用户需求修改应遵从以下两个原则：结合文献[16],ITS用户需求表达应尽量避免涉及具体技术,由于需求体系的生命周期会迟滞于技术的变化速度，在整个生命周期内保持需求体系有效性的唯一方法是避免提及特定技术；ITS用户需求应采用统一范式，表述为在<具体场景>中，当<事件名称>时，<用户主体>需要<能力>，在<操作条件>下。根据文献[15]使用一致的语言更便于识别不同类型，保证需求表达的明确和清晰，更有利于ITS需求体系向ATS需求体系的扩展。以驾驶者、非机动车驾驶员的需求为例，其需求表述如表4所示。
3)最后，按照用户主体进行分类，在同一用户主体下比对需求，进一步筛除重复需求，形成最终用户需求列表。通过整合，得到了752条用户需求,以公交信息管理者为例，其需求如表5所示。
3.2 用户需求分析
用户需求来源于用户主体，而ITS用户主体根据其在系统的定位或与系统的关系可分为使用者、管理者、运营者、供应者、维护者、获取者及其他类型，不同类型用户主体的需求数量如图6所示。由图6可知，管理者和运营者的需求数量远多于其他类型的用户主体，两者占比达到72.6%，主要原因是由于其覆盖范围较广。管理者是管理交通系统而使其高效有序运行的用户主体，常见的包括交通设施管理者、交通管理者、载运工具管理者、物流运输服务管理者、紧急事件管理者等。运营者是为产品和服务系统提供服务的用户主体，主要包括交通中心运营者、物流运输服务运营者、交通基础设施厂商运营者等。
表4 驾驶者、非机动车驾驶员用户需求表述范式示例
表5 公交信息管理者用户需求展示
图6 用户主体需求数量
虽然不同用户主体的需求各不一致，但也具有一定的规律性特征。如图7所示，ITS用户需求的词云图表明信息、数据、安全、监控、警告等为出现频率较高的关键词。信息、数据等词以较高频率出现，反映了ITS中信息的重要作用。安全、监控、警告等词的高频出现，表明了用户主体对交通系统具有较多安全方面的需求，也反映了保证用户安全是交通系统的永恒宗旨。
图7 ITS用户需求词云
4 面向ATS的用户需求扩展
技术的进步推动着交通系统从“弱自主”(ITS)向“全自主”(ATS)的体系化转变，如自动驾驶系统从部分辅助驾驶(SAE L1级)发展至全自动驾驶(SAE L5级)[20]。然而，该转变过程必将经历相对漫长的时间和不同的发展阶段，与之对应的是不同自主化水平的交通系统和不同的用户需求。因此，ITS用户需求向ATS用户需求的扩展应考虑交通系统的自主化水平。以自动驾驶系统中用户主体驾驶员的需求为例，不同自动驾驶等级下驾驶员的需求也在改变，包括操作条件的变化(如从L1级的“设计运行条件”至L5级的“任何可行条件”)乃至用户主体本身的变化(从L1、L2、L3的“驾驶员”至L4、L5的“驾驶自动化系统”)，具体如图8所示。
图8 自动驾驶场景下驾驶员需求
国家、地方政策的引导也会导致需求转变。以绿色交通为例，国家倡导简约适度、绿色低碳的生活方式，各地相继完善公交专用道、人行道、自行车道等基础设施，引导公众出行优先选择公共交通、步行和自行车等绿色出行方式，从而促进了出行者对公共交通、慢行交通系统的需求。我国《交通强国建设纲要》明确提出要在本世纪中叶全面建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系[21]。因此，在对ITS用户需求进行扩展时，也应以《交通强国建设纲要》为引导，构建面向安全、便捷、高效、绿色、经济的ATS多目标用户需求体系。
5 结 语
自动驾驶、车联网等技术创新将催生新一代自主式交通系统(ATS)。我国ITS建设经验表明，为了ATS的健康发展必须先建立其体系框架，而确定用户需求则是建立ATS体系框架的基础。文中参照需求工程理论中的用户需求捕获方法，梳理了与ATS相似的ITS用户需求体系，整合了美国、欧洲、中国ITS体系框架中的用户需求，建立了相对完善的ITS用户需求列表，并提出以ITS用户需求为基础，从技术推动和政策引导两个维度扩展ATS用户需求，以期构建安全、便捷、高效、绿色、经济的ATS多目标用户需求体系。总体看，文中为ATS用户需求体系构建提供了可供参考的需求列表及进一步研究的方向，同时，也为ATS体系框架的建立奠定了基础。
