智能运输系统体系框架研究.pdf

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1、智能运输系统体系框架研究 王笑京 国家智能交通系统工程技术研究中心（北京西土城路 8 号，100088）摘要摘要 智能运输系统体系框架研究是智能运输系统开发和实施过程中首先进行的一步，本文从系统科学的发展过程和知识表达出发，根据智能运输系统的层次结构，分析了如何建立智能运输系统的体系框架及其作用。最后对我国智能运输系统体系框架研究的初步成果做一简要介绍。智能运输系统的出发点是充分利用现有交通基础设施资源和信息基础设施资源，提高交通基础设施的应用效率和交通运输的效率。为实现这一目的，智能运输系统的规划和设计就必须使用新的方法，也就是系统在集成时必须考虑智能运输系统本身的特点，使用与其特点相适应的

2、方法，智能运输系统的体系框架研究就是实现这一点的根本方法。1控制系统和智能系统的发展控制系统和智能系统的发展 交通以及交通运输管理与控制系统的不断变化和进步，反映了人类社会和经济的进步，也反映了人类认识世界的不断深化和运用工具（包括硬件、软件和数学工具）的改进。运输系统发展到智能运输系统，除原有运输科学中应用的技术外，大量应用的技术学科有：通信、控制、信息科学，所以我们是这样定义智能运输系统的：在较完善的基础设施（包括道路、港口、机场和通信等）之上，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感器技术和系统综合技术有效地集成，并应用于地面运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的，实时、准确、高效的运

3、输系统。既然智能运输系统强调了智能二字，那么作为系统，我们应该从智能系统发展的历史角度看看智能运输系统。综观控制科学的发展历史，将各个发展阶段有代表性的理论工作和研究对象的复杂性（含不确定性）联系起来，可用图 1 1给出直观的表示和解释。从图中可以看出控制科学发展的方向，当然，从中也可以领悟到智能运输系统应用控制技术的发展方向。1 智能控制 自学习控制，自组织控制 自适应控制，鲁棒控制 随机控制 最优控制 确定性反馈控制 开环控制 对象的复杂性 进展方向 图 1 在控制系统向智能化发展的过程中，根据不同智能水平和不同复杂程度将智能系统表述成不同的层次，如图 2 2所示。从图中我们可以看出，智能

4、化的发展是由数值计算向符号计算发展，处理的内容，由数值、数据向知识发展。处理依据和输入 系统的复杂性 水平 问 题 由 低 到 高 的 复 杂 性 人类知识 感官输入 知识 传感器数据 计算传感器 BNN BPR BI ANN APR AI CNN CPR CI 生物 符号 数值 CNN计算型神经网络，CPR计算模式识别，CI计算智能 ANN人工神经网络，APR人工模式识别，AI人工智能 BNN生物神经网络，BPR生物模式识别，BI生物智能 图 2 这就向我们提出了一个新的问题，我们应该用什么东西描述智能化的系统，用什么样的工具来处理他们？对于智能系统来说，很重要的是如何将人们面对的实际系统映

5、射到用知识表述的空间，然后根据知识层次上对系统求得最优（或接近最优），根据这一结果得到知识层次上的系统结构，再将该结果映射回现实空间，就可以得到我们需要的智能系统物理上的构成。22智能运输系统层次的建立智能运输系统层次的建立 智能运输系统既然是通信、控制和信息科学在运输系统中集成应用的产物，那么，对智能运输系统的描述是完全可以借鉴上面应用的方法，根据以上的分析和有关研究3，我们认为可以这样来看智能运输系统，如图 3 所示。高级智能高级智能 运输系统运输系统 数学模型 人工智能 知识模型 模型化模型化 智能运输系统智能运输系统 数学模型 系统辩识、模式识别 初级初级 智能运输系统智能运输系统 计

6、算机、信息技术、新数学方法应用 地理信息处理、高速通信技术 以监控为主体的交通工程系统以监控为主体的交通工程系统 交通工程基本设施、传感器、电子设备、数据采集、监控软件 图 3 正是由于智能运输系统有这样的层次结构，同时它又是一个超大规模的系统，因此智能运输系统是有别于以前的传统的交通管理和控制方法的。实际的设计过程是为运输系统提出了一定的目标，人们在知识层次上应用系统科学的方法，在极复杂的相互关系网中按最大效益和最小费用的标准去考虑不同的解决方案并选出可能的最优方案，实现这个目标，必须借助通信、计算机和信息科学。而为了在知识层次上寻找实现目标的方法和手段，就要求人们能够用知识的表达形式来描述

7、智能运输系统。3智能运输系统在知识层次上的表达智能运输系统在知识层次上的表达 借助于智能系统中的研究结果，智能运输系统在知识层次上的表达将采用如下的方法：31 知识的逻辑模型化 对应在智能运输系统中，就是将运输系统中各服务系统及其子系统抽象成服务功能和子功能，我们称之为框架，每一个框架（功能或子功能）由概念、服务对象、服务者、事件和处理表述，同时该功能下还需要有一定类型的数据，表示该框架（功能或子功能）在测度空间上的值或另一个框架的名字。在智能运输系统体系框架研 3究中，为便于用计算机进行处理，我们用分层的数据流图、数据词典和处理说明等来描述框架。32 物理模型 物理模型一般是指对现实对象和行

8、为的描述，在传统的控制理论中，一般采用微分方程、代数方程和传统的传递函数等一类解析型的数学模型。在这类模型中，所描述的对象的物理量均在实数域中定义和测度，而各物理量之间的关系具有解析意义下的精确性。由于交通和运输系统的开放性以及有人参与，解析型的方法是无法对其进行描述的。4 而仅用逻辑框架来描述智能运输系统，由于其不能反映中间过程和状态，因此无法对应到现实的系统。物理模型就是为弥补逻辑模型的不足而引入的，在物理模型中，对系统各物理量（或物理系统）之间的结构关系的描述是精确的，对各物理量（或物理系统）描述是定性的。建立这种物理模型的最大好处是能够建立比常规数学模型简单得多的知识表示方法，使得智能

9、运输系统能够用简单的方法进行表示。物理结构是智能运输系统的物理视图，它是关于系统应该如何提供用户所要求的功能的物理性表述。物理结构把逻辑结构所认定的“处理”分配到物理实体（在ITS 中称为“子系统”）上，根据各物理实体所含的“处理”之间的数据流以确定实体之间的“体系结构流”。体系结构流及其对通信的要求将决定物理实体之间的接口，是制定有关标准和协议的基础。33 智能运输系统体系框架的作用 智能运输系统体系框架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。通过集成若干 ITS 子系统的功能可以实现一个或多个用户服务功能。体系框架

10、既不是一个简单的设计文档，也不是一个技术性的说明，更不是智能运输系统本身的研究发展过程，而是一个贯穿于智能运输系统结构研究制定过程的指导性框架，它提供了一个检查标准遗漏、重叠和不一致的依据。4中国智能运输系统体系框架研究简介中国智能运输系统体系框架研究简介 为促进中国的智能运输系统的发展，在国家“九五”科技攻关项目中安排了国家智能运输系统体系框架研究项目，该项目由国家智能交通系统工程技术研究中心牵头，来自院校、研究院所、企业和各部门的 100 多为专家参加了这个项目的研究。根据提供给国内外专家的征求意见稿和2000年第四届亚太ITS年会上中国有关方面的资料5，对中国智能运输系统体系框架研究的部

11、分结果做一简要介绍。41 逻辑框架 中国智能运输系统逻辑框架的顶层结构如图 4 所示，逻辑框架最主要的内容就是描述系统功能和系统功能之间的数据流，系统功能和数据流可以参阅将要发表的研究报告中有关功能描述表和数据流描述表（数据字典）。4车辆安全辅助驾驶和自动公路功能域综合运输功能域交通管理和规划功能域电子收费功能域紧急事件管理和安全功能域运营管理功能域出行者信息功能域用户主体和服务主体 图 4 逻辑框架顶层结构 4.2 物理框架 物理框架是逻辑框架具体实现。物理框架是一些系统和子系统连接构成的。系统和子系统基本上是按目前交通系统的现状和职能进行划分的，同时考虑了将来可能的发展。图 5 是两种不同

12、的物理顶层结构之一，基本可以顺应目前中国不同的管理体制。详细的系统描述和框架流描述见将发表的研究报告第四章物理框架。交交 通通 管管 理理 部部 门门交通控制交交 通通 部部 门门紧急车辆管理交通诱导信息交通执法与监督路侧停车管理（含电子收费）路桥隧电子收费停车场管理（含电子收费）紧急事件管理货物运输管理货运站场管理长途客运管理出租车管理自动公路其其 它它 部部 门门出行者信息公交信息服务公交电子收费交通控制城市公共交通运营管理终端终端气象部门媒体车辆驾驶员出行者公交乘客铁路运营部门水路运营部门航空运营部门急救中心消防部门交通规划 图 5 物理顶层结构（一）5 5小结小结 通过本文对智能运输系

13、统体系框架研究的分析，可以看出随着交通运输需求的不断提高，人们除了进一步进行基础设施建设以外，还在应用信息技术和控制技术的成果对现有的交通和信息基础设施进行创新性的集成，使其发挥出更大的效能，这就是智能运输系统，智能运输系统的体系框架研究就是实现这一目标的第一步，也是必须进行的一步。应用知识表达的方法来描述系统，给我们提供了对复杂系统进行分析和集成的有力工具，使我们的系统集成能够实现 112。本文的介绍基本上是采用面向过程的方法，在国际上还有采用面向对象的方法来进行体系框架设计，无论采用什么方法，其目的是一样的，利用知识表达方法来描述系统也是一样的。我们国家开展这方面的工作还仅仅是开始，但确实是十分重要和艰难的一步。参考文献 1 李人厚，秦世引，智能控制理论和方法西安交通大学出版社，1994 年 11 月 2 靳 蕃，神经计算智能基础 原理方法 西南交通大学出版社 2000 年 1 月 3“智能运输系统发展战略研究”课题组，智能运输系统发展战略研究，中央广播电 视大学出版社，1998 年 5 月 4 王笑京，智能运输系统的实质初探，中国交通工程学会 1999 年年会论文，1999 年 12 月 5 张智文，齐彤岩，中国智能运输系统体系框架，第四届亚太地区智能交通年会论文，2000 年 7 月 47 日 (原载交通与计算机杂志 2001 年第 4 期)6