1　引言

隨著(zhù)我國社會(huì )和經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市交通供需矛盾突出，周期性道路交通擁堵和過(guò)飽和矛盾日益凸顯。為了緩解日趨嚴重的城市交通擁堵壓力，我國各級政府高度重視智能交通系統的建設，經(jīng)過(guò)十多年的努力，已經(jīng)初步形成了包括交通信號控制、治安防控卡口、交通違法抓拍、交通信息出行誘導、交通視頻監控和警車(chē)GPS定位/綜合查詢(xún)分析等多個(gè)子系統的城市道路交通智能控制信息平臺，有效提高了城市交通通行能力和出行安全[1-3]。然而，我國各地市的智能交通建設尚難以適應快速的城市化進(jìn)程和日益增長(cháng)的各種交通服務(wù)需求，主要原因如下[4-6]：

1.1　缺乏交通設備的接口規范

我國大部分城市的交通設施是2001年之后逐漸建立起來(lái)的，所使用的交通設施如交通信號機、交通控制系統、道路誘導屏和車(chē)流量采集裝置來(lái)自于多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家，通信協(xié)議的差異導致設備之間、設備與控制中心系統之間無(wú)法互聯(lián)互通，難以進(jìn)行大范圍的交通管控與誘導服務(wù)。

1.2　信息孤島，難以共享

實(shí)現城市智慧交通管控與誘導服務(wù)需要融合城市交通的相關(guān)多源信息，基礎信息包括：城市路網(wǎng)拓撲信息、出租車(chē)實(shí)時(shí)運行信息、公交線(xiàn)路、站點(diǎn)和車(chē)輛運行信息、平安城市的道路視頻信息、居民出行信息等，上述信息來(lái)源于不同的部門(mén)，由于缺乏各部門(mén)之間的協(xié)調和數據標準統一制訂，形成實(shí)際上的信息孤島，極大地制約著(zhù)智慧城市建設。

1.3　靜態(tài)、孤立、單一的交通流調控模式

例如，蕪湖市交通管控主要采用傳統的交通工程方法，為基于專(zhuān)家經(jīng)驗的靜態(tài)模式，控制點(diǎn)基本上是孤立的，部分主干道采用了靜態(tài)的綠波帶控制模式。交通流動(dòng)態(tài)誘導也是交通控制的重要組成部分，由于交通流量采集系統和誘導系統相互獨立，導致兩者均沒(méi)有能夠很好發(fā)揮其應有的作用。上述的交通流調控模式無(wú)法適應快速增長(cháng)的城市交通需求。

1.4　城市交通管理、控制和服務(wù)技術(shù)和手段相對落后

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數據等新技術(shù)快速發(fā)展，為智能交通提供了新的有效途徑。當前的智能交通已經(jīng)有了一定的基礎，但是仍然處于智慧交通的起步階段，如大多數區縣尚無(wú)交通指揮中心、沒(méi)有形成多級協(xié)調管控、尚未能提供有效的交通服務(wù)。亟需引入新的智能交通理念、方法、技術(shù)和裝備，以適應智慧城市建設的需要。

綜上所述，現有的區縣城市交通架構、平臺和基礎設施已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的城市交通需求，適應城市交通智慧化的發(fā)展趨勢，需要進(jìn)行城市智能交通頂層設計，以規范多源交通數據和業(yè)務(wù)應用系統，實(shí)現城市交通業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享、系統整合和統籌建設，使得城市智能交通成為智慧城市建設的有機組成部分。

2　區縣級智慧交通頂層設計目標

本節首先討論分析智慧交通、頂層設計和區縣級智慧交通頂層設計等概念。智慧交通目前尚無(wú)統一的定義，在本文的研究中定義智慧交通系統（STS: Smart Traffic System）為：將先進(jìn)的感知、通信、控制、人工智能，以及網(wǎng)絡(luò )、系統工程和大數據等技術(shù)有效地綜合并應用于整個(gè)交通運輸管理體系，形成人-車(chē)-路-物有機互聯(lián)的多維閉空間，建立泛在的實(shí)時(shí)、安全、準確、高效、低碳交通運輸綜合管理、控制和服務(wù)系統。

智慧交通是一個(gè)復雜系統，包括業(yè)務(wù)體系、知識體系、方法與技術(shù)體系、法律與法規體系、評價(jià)體系等多個(gè)子系統。

智慧交通的特點(diǎn)為: 系統性、實(shí)時(shí)性、信息交互性和服務(wù)的泛在性，與傳統意義上的交通管理與工程有著(zhù)本質(zhì)的區別。智慧交通亟待解決的主要問(wèn)題包括：如何緩解道路壓力、降低交通事故率、提升交通服務(wù)水平、綠色環(huán)保和節能減排等。

頂層設計源于自然科學(xué)或大型技術(shù)工程領(lǐng)域，指為完成一個(gè)大型科技項目，必須實(shí)現理論上一致、功能上協(xié)調、結構上統一、資源上共享和部件標準化。頂層設計在不同的領(lǐng)域有不同的內涵與外延。頂層設計是一種設計思想和方法論。

本文研究定義術(shù)語(yǔ)“頂層設計”為：為了實(shí)現復雜的巨系統工程，自高端開(kāi)始進(jìn)行總體構思，采用系統的、全局視角，對項目建設的各方面、各層次、各要素進(jìn)行統籌考慮，頂層設計是在規劃的指導下，設計業(yè)務(wù)架構、信息架構、應用架構和技術(shù)架構，規劃實(shí)現目標架構的路徑，是通過(guò)理論指導實(shí)踐所需要的途徑和方法。

2.1　設計目標

區縣級城市智慧交通頂層設計以城市行政區域的交通系統為核心，實(shí)現交通的智慧化管理、控制與服務(wù)。即從城市區縣行政區域智慧交通業(yè)務(wù)的整體視角出發(fā)，以交通信息化綜合體系為基礎，細化并明確區縣級智慧交通業(yè)務(wù)間的相互關(guān)系，規范城市交通信息資源規劃與組織、各類(lèi)業(yè)務(wù)應用系統的規劃、設計和開(kāi)發(fā)，以保障信息資源共享與業(yè)務(wù)協(xié)同的實(shí)現。實(shí)現對區縣級交通信息資源和系統安全、運營(yíng)維護和建設管理機制等方面進(jìn)行技術(shù)規范與業(yè)務(wù)指導，以保障城市智慧交通建設的可持續穩定發(fā)展。

為了實(shí)現區縣級城市智慧交通系統建設，整合現有的交通基礎設施，針對各相關(guān)部門(mén)業(yè)務(wù)系統進(jìn)行統一協(xié)調，推進(jìn)交通信息的規范化和標準化進(jìn)程，實(shí)現業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享和統籌建設，區縣級智慧交通頂層設計的目標為：建立一個(gè)全方位、實(shí)時(shí)、準確、高效的城市區縣級智慧交通管理、控制與服務(wù)系統，通過(guò)與市級智慧交通頂層設計的無(wú)縫銜接，達到安全、暢通、提高交通服務(wù)水平、降低交通排放等目標。即在現有的道路基礎設施基礎上，將先進(jìn)的智慧交通新技術(shù)、方法和裝置綜合運用于城市道路交通的全過(guò)程，加強人、車(chē)、路和物之間的聯(lián)系，通過(guò)智能化地采集、建模和分析多源交通數據，及時(shí)地反饋給交通管理者和出行者，提供高效、全方位的時(shí)間/空間交通管控與服務(wù)，以平衡交通資源、改善交通狀況。

2.2　設計原則

區縣級智慧交通頂層設計方案不僅要考慮到智慧交通的發(fā)展要求，也要兼顧現有交通基礎設施的利用和數據共享，有效降低建設成本，設計原則包括：

（1）兼容性、經(jīng)濟性和前瞻性

城市智慧交通的建設既要立足現狀，又要兼顧未來(lái)發(fā)展需要。一方面通過(guò)制定交通設備的統一接口標準，對現有設備進(jìn)行有效利用；另一方面要考慮城市發(fā)展需求和智慧交通新技術(shù)的應用，面向未來(lái)，統籌布局，以適應未來(lái)相當長(cháng)時(shí)期智慧交通發(fā)展的整體需求，以及社會(huì )、經(jīng)濟、技術(shù)發(fā)展的新趨勢。

（2）共享性

交通信息是智慧交通管理、控制與服務(wù)的基礎，具有多源異構等特點(diǎn)，且來(lái)自不同的業(yè)務(wù)部門(mén)。為了減少重復城市交通系統的投資和重復建設，需要構建統一的數據平臺，對數據進(jìn)行標準化，實(shí)現交通數據的共享。

（3）系統性

使用自上而下的頂層設計方法，以業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享、系統整合和統籌建設為目標，綜合設計系統的整體功能、信息資源體系、技術(shù)支撐體系，形成指導智慧交通系統建設總的框架，立足于系統間的互聯(lián)、互通和協(xié)同，推動(dòng)資源的共享與系統的整合，實(shí)現智慧交通的統籌發(fā)展。

（4）先進(jìn)性

由于城市交通系統涉及到公共安全，需要采用具有自主知識產(chǎn)權的交通基礎設施與管控系統?？紤]到智慧交通系統數據的海量性與實(shí)時(shí)性，以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)的發(fā)展趨勢，城市智慧交通頂層設計應該在新興技術(shù)的基礎上予以構建，以符合智慧交通發(fā)展的需求。

（5）可實(shí)施性

不僅考慮技術(shù)的可行性，也要注重商業(yè)的可行，設計市場(chǎng)化投資、建設、運營(yíng)的模式，使系統成為用戶(hù)滿(mǎn)意、政府，商業(yè)上可行的多贏(yíng)工程。從功能框架、技術(shù)框架、投資建設、商業(yè)運營(yíng)、產(chǎn)業(yè)支撐等多個(gè)角度全局規劃，有效保障目標架構的落地，提高組織的協(xié)同合作能力，利用低成本、高效率、資源優(yōu)化達到最佳應用效果。

3　區縣級智慧交通頂層設計的總體架構

3.1　區縣級智慧交通與市級智慧交通相互關(guān)系

市級城市交通頂層設計以區縣級架構為基礎，其中，區縣級城市智慧交通頂層設計側重于指定區域的交通基礎設施的統一接口定義、多源交通信息共享的數據標準化，對區域內的交通流進(jìn)行有效管理、控制、誘導和服務(wù)，并為市級交通系統提供必要的交通數據，開(kāi)放交通設施接口；市級智慧交通系統則負責跨區域的交通流協(xié)調控制與子系統調度。

3.2　區縣級智慧交通頂層設計的總體架構

區縣級智慧交通頂層設計總體框架的要素包括：業(yè)務(wù)架構、數據架構、應用架構、平臺架構、評估架構和安全架構。為了保證整個(gè)架構完整性，須考慮架構的管理，法律法規和政策支持。主要架構描述如圖1所示。

圖1 區縣級智慧交通頂層架構

（1）業(yè)務(wù)架構設計

作為智慧交通頂層設計的基礎性工作，須反映所涉及的行業(yè)部門(mén)職能整體需求。業(yè)務(wù)架構是構建既符合信息化要求又符合政府部門(mén)職能履行要求的關(guān)鍵環(huán)節。在業(yè)務(wù)架構的具體設計過(guò)程中，從組織機構的職能入手，分析現行業(yè)務(wù)，構建業(yè)務(wù)模型，確定業(yè)務(wù)流程和邏輯關(guān)系，以系統地歸納智慧交通業(yè)務(wù)需求。

（2）數據架構

根據建立的業(yè)務(wù)流程，形成數據流圖，進(jìn)而確定由各項業(yè)務(wù)產(chǎn)生、使用和控制的數據實(shí)體，按照數據實(shí)體之間關(guān)系，確定數據庫之間的關(guān)系以及主要數據表。描述數據模型、數據庫架構、內容管理和領(lǐng)域知識管理的架構。

（3）應用架構

考慮交通信息應用的規則以及數據架構中確定的主題數據庫，重點(diǎn)分析業(yè)務(wù)流程和各主題數據庫之間的邏輯關(guān)系，應用架構圍繞部門(mén)職能發(fā)展目標，根據業(yè)務(wù)需求，面向特定應用定制個(gè)性化的應用層系統。以有效組織、管理各項業(yè)務(wù)和數據。

（4）平臺架構

該架構為實(shí)現交通信息資源共享和應用架構的底層技術(shù)基礎平臺，包括所選擇的軟件系統和硬件運行平臺。

（5）評估架構

區縣級智慧交通總體框架是基于運行效果驅動(dòng)的，建立有效的評估指標體系可督促政府職能部門(mén)對業(yè)務(wù)模型、運行機制和支撐平臺的更新和完善。一個(gè)標準化的評估體系主要包括：以業(yè)務(wù)架構為基礎，選擇業(yè)務(wù)流程，明確可以具體考核的業(yè)務(wù)內容及考核指標；系統有效性評估方法的選擇。根據區縣級智慧交通頂層架構的設計規范，結合對交通需求的分析，定義交通信息共享平臺由各相關(guān)部門(mén)協(xié)同建設，數據接口如圖2所定義。

圖2 交通信息共享平臺數據接口

4　結語(yǔ)

由于缺乏統一的總體規劃，我國的交通基礎設施、管理和控制系統均存在著(zhù)難以實(shí)現交通信息共享、無(wú)法形成大范圍協(xié)同調控等突出問(wèn)題。區縣級交通頂層規劃與設計對有效整合交通資源和基礎設施、科學(xué)有效地實(shí)現城市交通的管理、控制與誘導服務(wù)具有重要的現實(shí)意義，將為城市智慧交通系統的可持續發(fā)展和智慧城市建設提供有效支撐。

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作者簡(jiǎn)介：

陳鋒（1966-），江蘇睢寧人，副教授，博士。1986年、1994年分別獲得合肥工業(yè)大學(xué)計算機應用專(zhuān)業(yè)學(xué)士和碩士學(xué)位。2000年獲得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信號與信息處理專(zhuān)業(yè)博士，主要研究分布式合作問(wèn)題求解。2000年在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系工作至今。主要研究方向包括：城市交通流感知與信息獲取、交通流建模、人工平行交通系統、城市路網(wǎng)的分布式協(xié)同優(yōu)化控制等。主持了國家自然基金、中國科學(xué)院知識創(chuàng )新工程重要方向項目、省部級科技攻關(guān)等項目的研發(fā)工作，發(fā)表論文50多篇，其中，SCI或EI檢索30多篇。獲省部級科技成果5項，獲得或申請國家發(fā)明專(zhuān)利5項，軟件著(zhù)作權3項。

摘自《自動(dòng)化博覽》2015年9月刊