基于微服務(wù)架構(gòu)的綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

文圖｜李標 封春房

MaaS；多模式交通出行；出行服務(wù)；系統(tǒng)架構(gòu)

當前，國內(nèi)大城市日均出行量呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，高峰擁堵、換乘不便、耗時長、停車難、體驗差等問題凸顯。我國《交通強國建設(shè)綱要》提出，要推進出行服務(wù)快速化、便捷化，打造基于移動智能終端技術(shù)的服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)出行即服務(wù)。因此，如何優(yōu)化整合、集約高效利用政府、企業(yè)及個體出行資源，為交通出行者提供多渠道、多方式、可預(yù)約、可定制的高品質(zhì)出行服務(wù)，已成為當前亟待解決的問題與挑戰(zhàn)。

為提升城市交通出行服務(wù)和管理水平，國內(nèi)外部分學者在交通出行需求優(yōu)化、出行資源優(yōu)化配置、一站式出行服務(wù)等方面開展了相關(guān)研究和應(yīng)用探索。當前基于MaaS的出行服務(wù)框架和多模式集成服務(wù)理念已基本發(fā)展成型，但在實際應(yīng)用過程中仍存在技術(shù)和應(yīng)用瓶頸。為此，本文提出面向公眾出行的多模式綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)，結(jié)合公交車、出租車、網(wǎng)約車、共享單車等多方式出行資源的銜接特性，整合多種共享出行方式的運營信息和調(diào)度資源，接入常規(guī)出行方式服務(wù)資源，使單一方式出行資源向多模式集成式出行資源轉(zhuǎn)變。從出行者和管理者的角度來說，實現(xiàn)一站式、全鏈條出行服務(wù)，以及公共出行資源的一體化調(diào)度及運行狀態(tài)反饋自優(yōu)化，提升出行服務(wù)質(zhì)量和管理效率，提高出行便利性和舒適性。從運營者的角度來說，實現(xiàn)不同用戶群體整合接入，運力資源最大化利用和多方共贏。

一、智慧出行業(yè)務(wù)需求

當前城市交通出行方式日漸豐富，在出行模式選擇上也逐漸由單一出行方式發(fā)展到多種出行方式組合，從而對交通運輸部門、公安交通管理部門、運營管理部門等提出了不同方式交通資源的協(xié)同管理、優(yōu)化調(diào)度等方面的挑戰(zhàn)。

研究城市綜合交通智慧出行服務(wù)體系、落地方法和措施具有迫切的需求，主要體現(xiàn)為以下五個方面：一是多方式組合出行需求，需要多方式出行資源的協(xié)同供給，如公交車、出租車、網(wǎng)約車、共享單車等；二是多方式出行鏈的高度融合需求，向用戶提供全過程一體化銜接信息，用戶可實時把握多模式交通最新出行信息；三是出行計劃個性化定制需求，可向用戶提供個性化、智能化的交互式體驗；四是多模式交通出行資源協(xié)同調(diào)度需求，通過交通管控手段實現(xiàn)交通運輸方式、樞紐場站、多模式出行工具等資源的優(yōu)化配置，平衡出行需求、出行資源在空間和時間上的分布；五是應(yīng)對公共出行參與度廣、關(guān)聯(lián)銜接度高、多模式協(xié)同需求高等多元化服務(wù)場景需求，研究建立多模式綜合交通智能出行協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合交通資源一體化協(xié)同調(diào)度及運行狀態(tài)反饋自優(yōu)化。

二、綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

（一）面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)

目前，微服務(wù)環(huán)境框架是軟件工程設(shè)計領(lǐng)域一種新型的軟件架構(gòu)模式，其核心思想是將系統(tǒng)軟件單一應(yīng)用程序劃分成若干小顆粒的、互相獨立且能夠采用分布式部署模式的軟件服務(wù)，服務(wù)的開發(fā)、部署在各自獨立的進程中，每個軟件服務(wù)之間互相協(xié)調(diào)、互相配合，每個服務(wù)都圍繞具體業(yè)務(wù)進行構(gòu)建，為用戶提供最終價值，服務(wù)與服務(wù)間采用輕量級的通信機制互相溝通（RESTful API），服務(wù)可獨立擴展伸縮，每個服務(wù)定義了明確的邊界，不同的服務(wù)甚至可以用不同的編程語言來實現(xiàn)，由獨立的運營團隊來維護。

圖1 微服務(wù)技術(shù)結(jié)構(gòu)

基于此，通過分析綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)在MaaS中開展應(yīng)用的客觀需求，本文應(yīng)用微服務(wù)技術(shù)框架和MaaS基礎(chǔ)理論，提出了微服務(wù)環(huán)境下的綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)和體系化功能應(yīng)用，以實現(xiàn)異構(gòu)的單一出行服務(wù)系統(tǒng)的資源整合與服務(wù)應(yīng)用的集成化、場景化、協(xié)同化和智能化。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)以微服務(wù)框架為核心技術(shù)載體，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計層面，將系統(tǒng)構(gòu)建為數(shù)據(jù)與應(yīng)用之間“分層解耦、靈活開放”的分層架構(gòu)，同時采用面向?qū)ο蠛蛙浖M件化技術(shù)，使系統(tǒng)具備可持續(xù)、可迭代、可擴展等特性，能較好地滿足出行服務(wù)業(yè)務(wù)發(fā)展需要；在業(yè)務(wù)架構(gòu)層面，通過對各類業(yè)務(wù)需求的分類、歸納和抽象，總結(jié)分析出具有迭代上升空間的業(yè)務(wù)處理模型，并與實際業(yè)務(wù)應(yīng)用場景進行融合落地。

基于系統(tǒng)需求調(diào)研，面向城市交通運輸部門、公安交通管理部門、運營單位、交通出行者等不同的服務(wù)對象，圍繞綜合交通資源運行監(jiān)測、多方式出行資源協(xié)同調(diào)度、交通組織管控和出行誘導(dǎo)服務(wù)等內(nèi)容，以頂層設(shè)計思維，自下而上研究制定了包括感知/認知層、網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)IT層、數(shù)據(jù)資源存儲分析層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、應(yīng)用展現(xiàn)層等的系統(tǒng)整體架構(gòu)，研究設(shè)計了交通運行狀態(tài)監(jiān)測、出行資源配置與調(diào)度、交通時空協(xié)同管控、交通出行協(xié)同誘導(dǎo)及系統(tǒng)評估與優(yōu)化等系統(tǒng)應(yīng)用功能。系統(tǒng)整體架構(gòu)參見圖2所示。

圖2 基于微服務(wù)架構(gòu)的綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1.感知層。感知層是構(gòu)建整個綜合交通場站、出行線路、出行人員等完備、全量交通信息環(huán)境的基礎(chǔ)感知和控制系統(tǒng)，包括對人、車、路、環(huán)境及事件等信息的全方位、深刻感知刻畫。其中，感知和控制設(shè)備包括交通節(jié)點運行狀態(tài)感知設(shè)備、交通場站全場景客流監(jiān)測設(shè)備、車載式客流和車流綜合感知設(shè)備、其他感知設(shè)備等。

2.網(wǎng)絡(luò)層。利用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，構(gòu)建集光纖傳輸骨干網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)、廣播網(wǎng)等多種方式為一體的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，建立形成政務(wù)網(wǎng)、視頻專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等不同網(wǎng)絡(luò)，為文本、視頻圖像、語音等信息的傳輸提供強有力保障。

3.基礎(chǔ)IT層。搭建整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全等完善的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，提供統(tǒng)一的計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源和安全資源，可按需、自主動態(tài)分配基礎(chǔ)設(shè)施資源，并實現(xiàn)不同類別資源統(tǒng)一集中管理。

4.數(shù)據(jù)資源存儲分析層。通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入服務(wù)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互協(xié)議、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)融合處理服務(wù)及數(shù)據(jù)分析挖掘服務(wù)等組件，建設(shè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源庫，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；并以大數(shù)據(jù)、微服務(wù)框架等基礎(chǔ)技術(shù)為載體，支撐路網(wǎng)及重要節(jié)點運行狀態(tài)研判服務(wù)、多方式出行資源動態(tài)配置與調(diào)度服務(wù)、重要節(jié)點交通時空一體化管控服務(wù)、特殊或異常交通需求的多方式出行誘導(dǎo)服務(wù)等的運行。

5.業(yè)務(wù)應(yīng)用層。面向交通運輸部門、公安交通管理部門、運營單位與出行者等應(yīng)用與服務(wù)對象，以出行服務(wù)、交通管控等業(yè)務(wù)為主導(dǎo)，搭建交通運行狀態(tài)監(jiān)測、出行資源配置與調(diào)度、交通時空協(xié)同管控、出行協(xié)同誘導(dǎo)、系統(tǒng)自主評估與優(yōu)化、可視化動態(tài)展示等應(yīng)用功能。

6.應(yīng)用展現(xiàn)層。其是面向系統(tǒng)用戶提供信息服務(wù)的窗口，至少包括移動智能終端App、路面可變信息標志、語音廣播、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)門戶、車載智能終端等多種信息展示渠道。

（三）系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

1.系統(tǒng)微服務(wù)應(yīng)用劃分

根據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)服務(wù)模塊分為兩個部分：一是基礎(chǔ)公共服務(wù)模塊，二是業(yè)務(wù)處理服務(wù)模塊；其中，基礎(chǔ)公共服務(wù)模塊包括對引用的第三方組件的封裝、系統(tǒng)設(shè)計的各類共性組件模塊等，業(yè)務(wù)處理服務(wù)模塊包括進行業(yè)務(wù)處理所需要的處理、分析、模型等模塊。根據(jù)前述的微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，基于微服務(wù)框架開發(fā)環(huán)境，將綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)的各功能模塊設(shè)計為微服務(wù)，包括基礎(chǔ)公共微服務(wù)和業(yè)務(wù)定制微服務(wù)兩類。

研究設(shè)計的系統(tǒng)功能模塊分類及相應(yīng)的微服務(wù)分類參見上述表1所示，將系統(tǒng)的基礎(chǔ)公共服務(wù)設(shè)計為基礎(chǔ)功能微服務(wù)模塊，業(yè)務(wù)定制服務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)功能設(shè)計出各自定制的業(yè)務(wù)微服務(wù)模塊，各類微服務(wù)設(shè)計成獨立運行應(yīng)用程序，可以實現(xiàn)在不同的服務(wù)器環(huán)境中部署，同時通過定義標準化的服務(wù)接口，使用服務(wù)所提供的功能。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用微服務(wù)設(shè)計劃分列表

2.應(yīng)用功能模塊設(shè)計

應(yīng)用功能模塊是綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度業(yè)務(wù)需求實現(xiàn)的關(guān)鍵，從業(yè)務(wù)場景需求和技術(shù)實現(xiàn)融合的視角，以應(yīng)用功能模塊構(gòu)成圖的方式描述業(yè)務(wù)應(yīng)用功能的框架；研究設(shè)計出面向不同業(yè)務(wù)單位和出行者業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的整體應(yīng)用系統(tǒng)，建立組件化、工具化的業(yè)務(wù)微服務(wù)應(yīng)用，滿足管理對象和服務(wù)對象個性化、定制化的業(yè)務(wù)應(yīng)用。本設(shè)計根據(jù)出行資源綜合協(xié)同業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，基于路網(wǎng)交通狀態(tài)實時監(jiān)測技術(shù)、路網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)測技術(shù)、出行資源動態(tài)配置與調(diào)度技術(shù)、交通時空一體化智慧管控技術(shù)、特殊或異常交通需求下出行誘導(dǎo)技術(shù)等方法，實現(xiàn)系統(tǒng)集成應(yīng)用效果。應(yīng)用功能模塊參見圖3所示。

圖3 綜合交通資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用功能模塊構(gòu)成

（1）交通運行狀態(tài)監(jiān)測模塊，包括統(tǒng)一匯聚接入前端感知設(shè)備獲取的交通運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、其他外部系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)，利用以路網(wǎng)、主干道、關(guān)鍵交叉口等為場景要素的交通運行狀態(tài)研判算法模型，輸出路網(wǎng)實時交通運行狀態(tài)并基于GIS電子地圖進行分圖層、分類分級展示；統(tǒng)一匯聚接入前端感知設(shè)備所獲取的交通運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、其他外部系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)，利用以交通場站（汽車客運站、火車站、交通樞紐場站）為場景要素的交通運行狀態(tài)研判算法模型，輸出交通場站實時運行狀態(tài)，并基于GIS電子地圖進行分圖層、分類分級展示；統(tǒng)一匯聚接入前端感知設(shè)備獲取的交通運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、其他外部系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)，利用以多種出行方式（公交車、出租車、網(wǎng)約車、共享單車等）為場景要素的分類研判算法模型，輸出不同出行方式實時運行狀態(tài)，并基于GIS電子地圖進行分圖層、分類分級展示。

（2）出行資源配置與調(diào)度模塊，包括標準化接入各類出行方式（公交、出租車、網(wǎng)約車、共享單車等）的出行調(diào)度數(shù)據(jù)，基于GIS電子地圖進行分類展示，實現(xiàn)對出行方式調(diào)度方案的動態(tài)管理，以及可調(diào)度資源實時查詢；基于系統(tǒng)分析出的路網(wǎng)交通運行狀態(tài)、交通場站運行狀態(tài)、多種出行方式運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，以及各類出行方式的調(diào)度數(shù)據(jù)，利用研究構(gòu)建的交通供需失衡、出行資源動態(tài)配置等算法模型，研判分析交通供需失衡點，生成不同出行方式的動態(tài)配置和協(xié)同調(diào)度方案，并基于GIS電子地圖進行分類展示。

（3）交通時空協(xié)同管控模塊，包括重點節(jié)點協(xié)同管控功能?；谥匾煌ü?jié)點的機動車、非機動車和步行等多方式感知數(shù)據(jù)，利用多方式運行效率測算模型，從時空匹配、方式匹配、供需匹配等多個角度評判多方式時空協(xié)同管控策略運行效率，并進行優(yōu)選，輸出重要交通節(jié)點的交通組織與控制協(xié)同優(yōu)化方案；基于路網(wǎng)交通運行狀態(tài)、公交線路客流、交通需求預(yù)測結(jié)果、路口交通信號配時方案等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，綜合考慮各種出行方式，利用多相位多公交請求沖突下的公交優(yōu)先判定模型，輸出公交優(yōu)先方案，并下發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)執(zhí)行。

（4）出行協(xié)同誘導(dǎo)服務(wù)模塊，包括基于路網(wǎng)交通運行狀態(tài)、交通事件、停車場數(shù)據(jù)等信息，利用突發(fā)事件下路網(wǎng)運行狀態(tài)演化模型、多方式出行協(xié)同誘導(dǎo)模型，輸出多方式協(xié)同的定制式、個性化誘導(dǎo)方案；以大型活動、突發(fā)事件等特殊或異常交通需求為場景，統(tǒng)一集成多種交通信息發(fā)布方式，實現(xiàn)多方式出行協(xié)同誘導(dǎo)，可以同時根據(jù)出行者的不同出行方式，向出行不同階段的出行者推送定制化的個性誘導(dǎo)方案等。

（5）系統(tǒng)自主評估與優(yōu)化模塊，包括協(xié)同調(diào)度方案評估?；谘芯繕?gòu)建的運行狀態(tài)評價指標體系和評價方法，構(gòu)建自主評估模型，動態(tài)評估資源配置和調(diào)度方案，輸出評估結(jié)果，并實現(xiàn)基于GIS電子地圖的可視化展示；基于調(diào)度方案的評估結(jié)果，利用深度學習技術(shù)和智能化算法構(gòu)建自主迭代優(yōu)化模型，定周期優(yōu)化迭代調(diào)度方案，實現(xiàn)調(diào)度方案自主優(yōu)化并反饋至系統(tǒng)進行執(zhí)行，同時基于GIS地圖進行展示。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)創(chuàng)新特征

隨著移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新興信息化和通信傳輸技術(shù)的日益成熟，以及在城市交通管理、出行服務(wù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為城市公眾出行信息服務(wù)、交通出行資源協(xié)同服務(wù)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐和實現(xiàn)載體；相比傳統(tǒng)單一方式交通出行資源調(diào)度、互聯(lián)網(wǎng)交通出行服務(wù)等系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用，多模式交通出行資源智能協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)的整體架構(gòu)和應(yīng)用設(shè)計具有以下“5New”特征體現(xiàn)：

第一個新（New）：交通運輸部門、公安交通管理部門、運營管理部門、社會單位及互聯(lián)網(wǎng)公司之間數(shù)據(jù)融合共享的層次更深、更凸出，同時業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)開放程度更加顯著、開放顆粒度更加聚焦。

第二個新（New）：城市單一出行方式向多種類別集成共享、綜合交通出行服務(wù)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了不同模式出行服務(wù)方式的全面協(xié)同、高度耦合，向用戶提供全過程一體化交通出行智能銜接信息。

第三個新（New）：通過各類交通運行狀態(tài)綜合監(jiān)測、出行資源動態(tài)配置與調(diào)度、交通時空一體化智慧管控等技術(shù)方法，并基于微服務(wù)軟件環(huán)境，構(gòu)建形成了智能化的多層次、多手段的綜合交通出行資源協(xié)同調(diào)度服務(wù)架構(gòu)。

第四個新（New）：將交通出行鏈和多模式交通方式進行精確匹配，全局優(yōu)化多方式出行資源配置，提高出行服務(wù)質(zhì)量與運營效益。

第五個新（New）：面向有差異化需求的出行管理對象、出行服務(wù)對象，基于本文設(shè)計的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，其實現(xiàn)的應(yīng)用場景更具創(chuàng)新性、不同用戶綜合體驗感更強，同時更具象化、微服務(wù)化。