新時(shí)代下智慧城市交通系統(tǒng)架構(gòu)的分析與研究

摘要：物聯(lián)網(wǎng)指的是一種使每一個(gè)可能的設(shè)備都能聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，這種技術(shù)的發(fā)展將發(fā)展機(jī)器與機(jī)器之間的關(guān)系，而不是用戶與機(jī)器之間的關(guān)系。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括手機(jī)、咖啡機(jī)、電視、冰箱、手表等等。智慧城市是指利用信息和通信技術(shù)（ICT）來(lái)提高生活水平、改善工作方式和構(gòu)建可持續(xù)性的城市。物聯(lián)網(wǎng)為智慧城市的發(fā)展提供了支撐和便利。智慧城市包含垃圾管理、交通系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。本文討論了現(xiàn)有的智能交通和智慧城市體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)它們進(jìn)行了各種參數(shù)的比較，有助于構(gòu)建智能城市交通領(lǐng)域的魯棒通用軟件體系結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：智慧城市；物聯(lián)網(wǎng)；智能交通；體系構(gòu)建

引言

智慧城市的愿景是通過(guò)降低公共管理的運(yùn)行成本，提高公共資源利用的服務(wù)質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)這一愿景，它需要大規(guī)模的loT系統(tǒng)和一個(gè)服務(wù)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以高效地訪問(wèn)智慧城市服務(wù)。智慧城市的工作有三個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，首先它使用傳感器來(lái)收集關(guān)于自身、其他設(shè)備和現(xiàn)有系統(tǒng)的信息，其次它通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，第三它使用數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析處理。智慧城市的主要基礎(chǔ)領(lǐng)域如下：水資源管理，保證電力供應(yīng)，衛(wèi)生/廢物管理，數(shù)字化電子政務(wù)，可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境，公民的健康安全，教育，運(yùn)輸?shù)鹊?。在本文中，我們討論了智能交通軟件架?gòu)。在軟件應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)中，我們定義了滿足所有技術(shù)和操作需求的結(jié)構(gòu)化解決方案，同時(shí)優(yōu)化了公共質(zhì)量屬性比如性能、安全性和可管理性。軟件體系結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一是面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)。SOA是一組可以通過(guò)傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的服務(wù)。本文研究和討論了多種軟件體系結(jié)構(gòu)。其中微服務(wù)架構(gòu)使用RESTful服務(wù)。隨著智慧城市的發(fā)展，解決了技術(shù)的異構(gòu)性、可擴(kuò)展性、軟件組件的可重用性、解決方案的適應(yīng)性等問(wèn)題。需要一個(gè)健壯的體系結(jié)構(gòu)來(lái)解決所有這些問(wèn)題。在此，我們討論了幾種智慧城市交通架構(gòu)，并進(jìn)行了比較和推薦。

1、智慧城市智能交通體系結(jié)構(gòu)闡析

在本節(jié)中，我們討論了各種交通體系結(jié)構(gòu)。智能交通的主要概念是在正確的地點(diǎn)和正確的設(shè)備上獲取正確的信息，以合理的方式做出與交通相關(guān)的決策，以方便市民在更快捷的方式進(jìn)行通行。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們需要軟件架構(gòu)。因此，在本節(jié)中，我們討論了智能交通的各種架構(gòu)。這些架構(gòu)解決了停車(chē)、交通、交通數(shù)據(jù)通信、共享車(chē)輛、導(dǎo)航、能源管理等各種功能。

1.1 批量生成大數(shù)據(jù)圖形化交通

本文主要討論了兩大系統(tǒng)：車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)和道路傳感器系統(tǒng)。道路傳感器部署在道路的每個(gè)交叉口，計(jì)算道路上所有車(chē)輛的交通信息。其中包括車(chē)輛數(shù)量、車(chē)輛平均速度、行駛距離等。而車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)則用來(lái)獲取單個(gè)車(chē)輛的信息，如位置和速度。它們通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)、聚合器和分類(lèi)器等將系統(tǒng)信息與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

在圖1中，第一層，即在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)源層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的生成。然后使用中繼節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸生成的數(shù)據(jù)。第二層是通信層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從車(chē)輛傳輸?shù)街鞣治鱿到y(tǒng)，從傳感器傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)，并在分析系統(tǒng)的各個(gè)單元之間傳輸。三是圖形生成層，該層以進(jìn)入的車(chē)輛數(shù)據(jù)為輸入，生成或更新圖形。接下來(lái)是圖形處理層，它具有多個(gè)并行服務(wù)器，使用多種圖形算法來(lái)處理每個(gè)子圖。然后，結(jié)果層組裝并分析來(lái)自各個(gè)服務(wù)器的結(jié)果。在解釋層和應(yīng)用層，決策是根據(jù)分析結(jié)果做出的，并向所需的受眾宣布。此體系結(jié)構(gòu)中處理的主要功能是導(dǎo)航。該系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)時(shí)的交通情況，確定從源頭至目的地的有效路線，或向當(dāng)局通報(bào)交通情況，例如道路受阻、交通情況嚴(yán)重、交通意外等。

1.2 基于云的智能城市停車(chē)服務(wù)

智能城市停車(chē)服務(wù)的概念按loT標(biāo)準(zhǔn)部署。筆者建立了該服務(wù)在大學(xué)校園內(nèi)使用。第一層是云層。云主要提供存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)。云平臺(tái)存儲(chǔ)停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛、用戶位置等數(shù)據(jù)。下一層是OSGi Web服務(wù)器層。這一層充當(dāng)移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)雍驮茖又g的橋梁。它應(yīng)該支持在不停止服務(wù)器的情況下部署應(yīng)用程序。它提供了將應(yīng)用程序模塊化成一個(gè)數(shù)據(jù)包的環(huán)境，這個(gè)數(shù)據(jù)包可以在環(huán)境中動(dòng)態(tài)注冊(cè)自己。負(fù)載均衡器在web服務(wù)之間分配請(qǐng)求。Web服務(wù)器的日志通過(guò)系統(tǒng)收集并發(fā)送到云端。最后一層是移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)?。?dāng)用戶穿過(guò)校園時(shí)，應(yīng)用程序（代表用戶）將自動(dòng)請(qǐng)求發(fā)送到一個(gè)OSGi停車(chē)場(chǎng)web服務(wù)器，請(qǐng)求提供可用的停車(chē)場(chǎng)。服務(wù)器將根據(jù)用戶的配置文件找到合適的或可用的停車(chē)場(chǎng)。然后使用谷歌地圖應(yīng)用程序駕駛方向返回給用戶。這個(gè)軟件架構(gòu)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)停車(chē)功能的。該軟件架構(gòu)支持android操作系統(tǒng)。因此，以上系統(tǒng)提供的所有服務(wù)都使用android api。上圖所描述的基于云的智能停車(chē)場(chǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)是智能交通系統(tǒng)（ITS）的重要組成部分之一。

1.3 多站共享車(chē)輛系統(tǒng)的運(yùn)輸系統(tǒng)架構(gòu)

通常，共享車(chē)輛系統(tǒng)通常每天由不同用戶使用多次的車(chē)輛組成。因此，本文描述了共享車(chē)輛的運(yùn)輸系統(tǒng)。此架構(gòu)有三個(gè)通用組件：1）用戶旅行注冊(cè)組件；2）系統(tǒng)管理組件；3）車(chē)輛組件。用戶行程注冊(cè)組件的主要任務(wù)是注冊(cè)需要的車(chē)輛請(qǐng)求。用戶如欲索取車(chē)輛資料，應(yīng)前往設(shè)于各車(chē)站的登記服務(wù)站，該服務(wù)站設(shè)有非接觸式讀卡器及觸屏顯示器。第二個(gè)組件是系統(tǒng)管理組件（圖2），它以包含用戶、車(chē)輛和請(qǐng)求信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中心。這些智能代理包括：注冊(cè)過(guò)程、監(jiān)控過(guò)程、系統(tǒng)操作員接口、數(shù)據(jù)記錄、附加的遠(yuǎn)程處理。

進(jìn)出注冊(cè)亭的信息由基于web服務(wù)器的注冊(cè)機(jī)進(jìn)行處理的。監(jiān)測(cè)過(guò)程是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它不斷監(jiān)測(cè)來(lái)自車(chē)隊(duì)的數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地向?qū)χ付ǖ能?chē)輛發(fā)送“結(jié)帳”消息，在行程結(jié)束時(shí)，它還計(jì)算行程時(shí)間和距離。系統(tǒng)操作員接口允許系統(tǒng)操作員在基于地圖的環(huán)境中觀察每輛車(chē)的狀態(tài)。所有來(lái)自車(chē)輛和登記亭的數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行分析，以獲得關(guān)于用戶出行行為、車(chē)輛操作和系統(tǒng)管理技術(shù)有效性的信息。遠(yuǎn)程過(guò)程包括遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，如果用戶超過(guò)了預(yù)先設(shè)定的時(shí)間限制，就向用戶扣款，跟蹤車(chē)輛以確保它們沒(méi)有超過(guò)預(yù)先設(shè)定的界限，監(jiān)控車(chē)輛發(fā)出的緊急信息，車(chē)輛到達(dá)時(shí)間和車(chē)輛需求預(yù)測(cè)。本系統(tǒng)的第三個(gè)組成部分是智能分享車(chē)輛組件（如圖2所示）。用于與系統(tǒng)管理人員通信的無(wú)線電應(yīng)答器。它與汽車(chē)上的幾個(gè)信號(hào)相連接，以確定電池的充電狀態(tài)、輔助電池電壓、里程表脈沖讀數(shù)、門(mén)開(kāi)/關(guān)信號(hào)、充電信號(hào)、選檔信號(hào)；它與車(chē)輛上的許多控制信號(hào)（如門(mén)鎖和點(diǎn)火激活/關(guān)閉電路）相連接；此外，它還包含作為為用戶/車(chē)輛接口和車(chē)輛/系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的協(xié)議的邏輯基礎(chǔ)。該體系結(jié)構(gòu)提供的主要功能是共享車(chē)輛管理。該系統(tǒng)可以緩解停車(chē)擁堵，改善空氣質(zhì)量，提高地面交通效率。

1.4 交通擁堵的交通系統(tǒng)架構(gòu)

該體系結(jié)構(gòu)討論了使用面向服務(wù)的交通擁堵管理體系結(jié)構(gòu)（SOA）。它采用了系統(tǒng)元素的多重復(fù)使用、類(lèi)似功能的消除、標(biāo)準(zhǔn)操作流程的統(tǒng)一和集中等原則，為系統(tǒng)提供了一個(gè)單一的集成平臺(tái)。這些服務(wù)不受內(nèi)部實(shí)現(xiàn)條件的限制，因此可以將其視為“黑匣子”。該系統(tǒng)為第三方服務(wù)提供一些信息，用于確定交通堵塞和相關(guān)地圖數(shù)據(jù)。然后該系統(tǒng)向多個(gè)用戶提供有關(guān)交通擁堵的信息。消費(fèi)者可以使用web應(yīng)用程序來(lái)使用這些信息。包含這些接口服務(wù)的提供和消費(fèi)信息，另一個(gè)有三個(gè)服務(wù)器，其中兩個(gè)分析接收到的事件和確定特定道路上交通堵塞存在與否，剩下的服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)當(dāng)前道路相關(guān)信息。該系統(tǒng)架構(gòu)解決了智能交通系統(tǒng)的交通擁堵問(wèn)題。由于該系統(tǒng)的每個(gè)服務(wù)器都是松散耦合的，因此必須計(jì)算服務(wù)器之間的相關(guān)性，并使用耦合矩陣計(jì)算該服務(wù)對(duì)其他服務(wù)中的更改影響。

2、結(jié)論

本文從交通領(lǐng)域出發(fā)，討論了面向圖形的智能城市網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、多站點(diǎn)共享車(chē)輛系統(tǒng)、停車(chē)場(chǎng)服務(wù)、交通擁堵服務(wù)體系結(jié)構(gòu)。它們都是針對(duì)智能交通系統(tǒng)的不同功能而設(shè)計(jì)的，但是沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)可以滿足智能交通系統(tǒng)的所有功能。本文設(shè)計(jì)的當(dāng)代智慧交通系統(tǒng)因其高解耦性和高內(nèi)聚性特點(diǎn)，在智慧城市設(shè)計(jì)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定、靈活、優(yōu)化的控制系統(tǒng)產(chǎn)品仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，最大限度地滿足智能交通系統(tǒng)的功能需求是設(shè)計(jì)智慧交通的永恒主題。

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作者簡(jiǎn)介：

王曉霞，山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，專(zhuān)業(yè)；通信與信息系統(tǒng)，主要從事網(wǎng)絡(luò)通信、智能交通、人工智能等研究；碩士。