交通运输系统工程

智能运输系统（包括ITS系统）通常是复杂的巨系统，是耗资大、开发周期长、涉及范围广的系统工程项目，若事先没有进行充分的系统体系结构研究和开发，很难想象它是一个各部分协调统一、有效的有机整体。

因此对于一个集成了多种功能的ITS，一定要在开发之前首先进行总体规划研究，而总体规划的重要内容之一就是系统体系结构的研究。

系统体系结构是一个有用的和可用的系统的稳定基础。系统结构是系统内部各要素相互联系、相互作用的方法或秩序。这里的系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的、具有特定功能的有机整体。系统的基础就是系统的基本组成框架。

系统体系结构在交通运输系统中的应用以ITS体系结构最有特色。如第1章所述，ITS的体系结构是指系统所包含的子系统，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，以及各子系统之间的相互关系和集成方式。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是一个庞大的系统，包含着很多子系统，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。应根据国家总体ITS框架，发展地区性的ITS体系结构，保证不同地区智能运输系统具有兼容性。ITS体系结构由用户主体、服务主体、用户服务、系统功能、逻辑框架、物理框架和技术经济评价等组成。

ITS体系结构的内容包括参考模型、信息体系结构、功能体系结构、数据通信体系结构、物理体系结构等。

参考模型是描述系统的整体视图，其重要性在于它提供了一个系统所包含的主要部分的一个整体框架，往往可以用一个水平的或竖直的层次结构图来描述这个框架。例如一个城市间道路交通管理系统的参考模型可以是一个从上到下由“国家网络、区域网络、链路、路段、点、数据”构成的竖直结构。

信息体系结构是描述系统运用的信息。建立信息体系结构的目的是识别系统中广泛运用的数据和信息的内容和性质，常常用一个公共的数据字典来表达系统信息体系结构。例如一个道路交通信息交换网络系统的信息体系结构应包含道路网络拓扑信息、监控设施安装位置信息、实时交通条件、道路条件和环境条件等动态信息和独立的静态信息。

功能体系结构用来描述系统的功能要素以及各功能要素之间的逻辑信息流。建立功能体系结构是回答系统能做些什么，是将参考模型分解细化，发展为一个系统，将其用功能处理模块以及各处理模块之间的逻辑数据交换来描述。

数据通信体系结构是一个通信协议的综合结构。一个ITS往往要考虑固定设备间、移动设备间、固定设备与移动设备间的通信，如交通中心之间、路边设备和中心之间、移动车辆之间、中心和移动车辆之间、路边设备和车辆之间的通信等，还要考虑公有网络与私有网络之间的联结，所以其数据通信体系结构是很复杂的。

物理体系结构将功能、信息和数据通信体系结构投影到一个物理基础设施集合上，它通过所选择的通用结构中的独立组件以及它们之间的接口来描述系统，这是为下一步系统的工程实现绘制框架蓝图。

运输系统是以交通运输系统的整个运输活动为对象，运用系统工程的原则和方法，为运输活动提供最优规划和计划，进行有效的协调和控制，并使之获得最佳经济效益和社会效益的组织管理方法。运输系统工程的内容包括：运输系统分析、运输系统预测、运输系统的优化控制、运输系统的综合评价、运输系统决策、运输系统模拟等。

运输系统预测是交通运输系统工程的重要内容。预测就是根据过去的历史资料和现在的实际情况，运用已知的客观规律和有关的科学知识手段，对所关心的事物及环境在未来的变化和发展趋势进行分析、探索、估计和评价，从而尽可能使人们对这些事物提前采取策略和措施，使之符合当前的现实情况，同时令其能最优地适应未来的发展。运输系统预测的内容包括：运输经济预测（分为宏观运输经济预测和微观运输经济预测）、运输科技预测（分为运输科学预测和运输技术预测）、交通运输和社会关系预测等。

系统评价可按项目分类，包括目标评价、规划评价、方案评价、设计评价；也可按时间顺序分类，包括事前评价、中间评价、事后评价、跟踪评价；还可按内容分类，包括技术评价、经济评价、社会评价、综合评价。

在系统分析中，为实现某一系统的目的或目标，往往可建立多个替代方案，各个替代方案经过模型化、最优化后，分别得到相应的最优解。系统评价就是指依照各项评价标准对各个替代方案的最优解进行评价，从中选择最满意的方案。

系统分析的评价标准包括功能、费用、可靠性、时间、维护的方便性。功能是指拟建立系统的作用及完成任务的能力；费用是指建立系统所需的物化劳动及活劳动、流动费及非正常或意外情况的损失费用等；可靠性是指系统的各个层次在规定期限和正常条件下运行成功的概率；时间指建立系统所需要的时间，它直接影响到系统的价值；维护的方便性常指为保持系统正常运行所需的维护修理工作的速度和方便程度。为表示某些标准的重要程度，人们往往赋予它们不同的权数以便通盘考虑和恰当评价。

系统分析评价的方法很多，主要有直观判断评价法，包括关联矩阵法和正交辅助矩阵法。当存在几个评价因素而且它们之间又没有约束时，可以用关联矩阵法进行评价。

2.1.2.1　系统分析在道路交通工程中的应用

在道路交通工程中应用系统分析主要有以下五个方面：①制定规划方案。例如国家级道路网规划，即对路网结构，特别是高等级公路的线路走向、等级、标准、公路主枢纽定址、枢纽设施等进行规划，又如城市综合交通规划中的道路网、客货运输、静态交通设施、交通管理系统的规划等。这些例子都是以特定系统为对象，综合社会、政治、经济、资源和技术等各方面的情况，运用规划理论和方法寻求各种规划方案，然后在保证整体系统协调一致的前提下，根据系统的总目标，从中选出令人满意的方案。②重大的道路交通工程项目的可行性研究。一条高速公路、一个大型立体交叉工程、一个大型桥梁工程、一个大城市的现代交通管制系统的投资没有一个不是数千万元乃至几亿元的大型工程项目。这样的项目，按照规定，工程立项要进行可行性研究，要对工程项目的确定、项目投资以及经济社会效益和工程对环境的影响等诸方面用系统分析方法进行论证。③大型道路交通工程项目施工的管理。大型道路交通工程项目投资巨大，建设周期较长，因此，管理工作十分重要，且管理工作对建设质量、完工时间，工程费用能起到保证作用。这样的管理工作，从施工计划的制定到协调实施，采用系统分析方法是行之有效的。④交通运输系统的运行技术管理。大型交通运输系统中主要是客流、物流、信息流的流动。用系统分析方法从“三流”人手，方有可能制定出安全、可靠、经济合理的优化运输计划并加以实施。⑤交通工程设施的系统设计和建设。城市交通监控系统、大型停车场、收费站、修理厂、枢纽站等的设计和建设都应按系统的要求进行设计和建设。

2.1.2.2　交通虚拟视景仿真系统

为模拟交通系统中的人-车-路（环境）系统，研究人、车、路、环境的相互作用关系，为交通系统管理提供理论依据，北京理工大学交通运输工程学科设计建设了人-车-路（环境）系统虚拟视景仿真系统，其在驾驶疲劳、驾驶安全、智能驾驶及无人驾驶研究中起到支撑作用。

1）虚拟视景仿真系统的总体框架

以江铃全顺牌轻型客车为载体，驾驶人进人驾驶舱，根据交通环境的虚拟视景操纵车辆，由车辆内安装的三组数据采集装置——驾驶参数传感器、摄像装置、生理-心理装置——实时记录驾驶过程中的驾驶参数（如位移、时间、车速、加速度，偏距等）、视频参数（驾驶人面部表情图像）、生理数据（如驾驶人的脑电、肌电等），其中传感器直接输出的驾驶参数电压值，由数据采集卡进行A/D转换后传输到虚拟视景仿真系统的软件部分，车辆动力学模型对其计算并求解，将结果输人视景仿真程序代码，并实时调用Vega Prime和Creator软件控制虚拟视景画面，驾驶人通过虚拟视景的变化来完成下一步驾驶任务。

硬件部分主要包含实车驾驶舱、驾驶人参数传感器系统、生理-心理装置（多导生理反馈测量系统）、视景显示设备，数据采集及视景驱动工作站等。

软件部分是视景仿真系统的核心，采用虚拟视景仿真技术，首先通过对车辆运动受力分析，建立车辆动力学模型；其次结合LOD、DOF等技术，利用Multigen Creator制作驾驶环境的三维模型；最后，采用VC＋＋与Vega Prime混合编程对场景进行驱动和控制，求解车辆的动力学模型，将车辆的运动状态赋予视景中的车辆，不断更新视景，从而实现车辆的运动仿真，实现人机交互，其循环流程如图2-2所示。

图2-2　虚拟视景仿真系统的循环流程

2）虚拟视景和虚拟视景仿真系统构建

在虚拟视景仿真试验中，设计者特别构建了10km的城市道路虚拟视景，包括静态环境（路面、交叉口、路段、路侧建筑、交通标志标线等）、动态环境（不同行驶状态的车辆及其他交通实体，如通过信号交叉口时遇横向右转车、跟驰前车行驶和避让静止车等）。虚拟视景仿真系统如图2-3所示。通过构建虚拟视景及虚拟视景仿真系统可研究不同的驾驶行为，包括按照既定路线在城市道路上行驶，完成通过交叉口、直线跟驰、避障、转弯等驾驶任务。

图2-3　虚拟视景仿真系统