ITS的通信系统标准研究.pdf
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1、第 1 5卷第 2期 2 0 0 2年 4月 中 国 公路学报 Ch i n a J o u r n a l o f Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t Vo 1 1 5 No 2 Ap t 2 0 0 2 文 章 编 号l 0 0 1柏 7 2(2 0 0 0)0 2 0 0 9 9 0 6 I TS的通信 系统标准研究 李敏,王 慧,李平(浙 江 大 学智 能 交 通 系统 研究 中 心,浙 江杭 州 3 1 0 0 2 7)摘要:分析 了 I TS中转有的物理通信实体以及对通信的要求+构筑了通信 网络的层次结构厦其 分 层参 考模 型。通过 对 I T
2、S通 信 系统标 准发展 现状 的讨论 提 出了基 于通 信 系统 标准 的 系统集成 方 法,指 出 了 I T S持 续发展 可能对 通信 系统产 生的影 响。关键词:智 能交通 系统;通信 系统;参 考模型;系统 集成 中图分 类号;U4 9 1 文献标 识码:A Re s e a r c h o n s t a nd ar di z a t i o n o f t he c o mm u ni c a t i o n s y s t e ms i n I TS 【_ I M i a,W ANG Hu ,I Pi n g (Re s e a r c h Ce n t e r o f I
3、TS,Z h e j i a n g Un i v e r s i t yHa n g z h o u 3 1 0 0 2 7 Ch i n a)Ab s t r a c t:So me p r ob l e ms r el a t e d t o t he s t a nd a r di z a t i o n o f t he c omm u ni c a t i o n s ys t e ms i n I TS a r e d i s c u s s e d i n t h e p a p e r The r e e r e nc e m o d e l s,t he h i e r a
4、 r c hy a nd t he c u r r e nt s I t u a t i on a r e a na l y z e d i n t e n s i v e l y Fu r t he r mor et t he pr i n c i p l e s of i n t e gr a tin g t he wh ol e s y s t e m b a s e d o n c o m mu ni c a t i o n s y s t e m s s t a nd a r ds a r e pr e s e nt e d,a s we l l a s s o me po t e
5、n t i a l i m p a c t s br ou gh t b y t h e d ur a t i v e d e v e l op i n g o f I TS Ke y wo r d s:I TS;c o mmu n i c a t i o n s y s t e m;r e f e r e n c e mo d e l;s y s t e m i n t e g r a t i o n 0 引 言 智 能交 通 系统(I T S)是 一个典 型 的 内部 强耦 合 的人工 分 布式 复杂 智 能大 系统+要 使这 样 一 个 系统 协调有序地运行,必然需要建立 高效的通信网络
6、系 统,以实现 系统 内部 繁重 而紧密 的通信 联 系。然而,高效 的通信联 系并 不仅仅 取决于 高带 宽通信 网络 的 通信 链路 本 身,它 们很 多 时候 还 要强 烈 地 依赖 于通 信 系统 的 体 系 结构 与 系统 标 准;此 外,由 于 I T S投 资与建设往往不可能一步到位,而是分级 分阶段地 进行+因而 需要 为 系统 的不 断 发 展 与扩 张 留有 建设 的余量。一般情 况下,为 了保护原有 的 投资 收益,新 系统 往往是 在 原有 系统 的 基 础上 进 行建 设,这 种情 况下 常会 碰到因为 原有 通信 网络大量 的非 标准 问题 而 带来 系统 的 开放
7、性 和扩充 能力 不足,从 而引起 投 资浪费和短期 内无 法解 决的技 术难 题。因此 I T S的 收藕 日期:2 0 0 1 0 6 0 5 基盒项目:嘶江省 自然科学基金项 目t 6 0 1 1】9)作者简介:李韫(1 9 7 9,男 朝南 衡阳人 工学博土研究 生 通信 网络体系结构和系统标准问题也逐渐被越来越 多 的专家所 重视。笔者将对 I T S的通信 系统 及其标 准 问题从 不 同的 角度 作 一些 研究 性 的 探讨,主要 讨 论 与 分析 I T S中特 有 的 通 信 系统 及其 标 准 的 相关 问题,对 于在 I TS工 程建 设 中涉 及到 的常 规电信 业 务
8、 的 解决方案 往往 已经 比较成熟+文 中不再涉及 1 I TS中的物理通信 实体及对通信的 要求 I TS中的物 理通信 实体 主要 包括 车载 电子设 备(On B o a r d Un i t OBU)、路 侧 电 子设 备(Ro a d S i d e Eq u i p me n t RS E)、交 通 管 制 中心(,r r a f f i c Co n l r o l a n d Ma n a g e me n t C e n t e r TC MC)以及 通信链 路等 1,1 车载 电子设 备 车载电子设 备市场的急剧增 长是车辆电子学(Ve h i c l e E l e c
9、 t r o n i c s)学 科 发 展 的 产 物 近 几 年 在 维普资讯 http:/ 1 o o 中 国公路学报 2 0 0 2,晕 T 下s迅速 发展 的大 环境 下,车辆 电 子学 的研 究更 是 得 到 了 前 所未 有 的 发 展。目前 一些 高挡 汽 车上 的 C P U 数 目已经 超 过 4 0,车载 电 子设 备 的 种 类 也 日 趋 复杂化,最 常见 的如 表 1所示。表 1 车载 电子设 备 的常见种 类 I)S RC 车载 GP S V S(Au t 0 0 L 收费 电子车睥 车载信息终端 I me l lig e n t C r u i s e 相盖 交
10、通 信息接啦装 2 o n t ml Sy s t e m Ve h ic ll 车辆 转向电控装置 l e f a r m a t l _)n n n d 车 导航性 C o m mu n lc a t io n 行驶 A B S 控制 辅助利车装置 捆 喷射电控最 车辆前后毫米波 触光 雷选 拦动机 控制 辅助 死角传癌器 电子点系统 驾驶 车辆就态显 器 HUD 车载 电子设 备之 间通 信 的信息量 和对 实时性 的 要 求不尽相 同。一般说 来与行驶 安全 息 息相关 的系 统 通信量较 小,但 对实 时性要求 较高,典 型的如 车辆 行驶控 制系统 1 2路侧设备 路侧设 备 属
11、于公 用性 的交通 基 础设 施,其 中常 见 的如表 2 所 示。路 侧设 备 阿络 是一个 非 常庞大 的 由各 种数据源组 成 的、为 不同 系统 服务 的、具 有各种 通信 要求的 复杂通 信 网络 表 2常见 的路侧设 备 电磁 线 圈 检 涮 器 交通 事故 报 警 终 端 散渡车辆检舞器 车道电磁标志 超 卢 波 车 辆 检测 器 交 通 信 息 服 务 路 侧 广 播 装 置 光学 车 辆 检 测 器 路 一 车通 信 设 备 能见度检 器 路侧交通信息 缚端 交通 路 面 结 球植 测器 可 变 图 形 信 息 牌 车辆 自动识别装置 可娈文字信息牌 椅恻 摄 象击 交 通
12、控 制 与 诱 导 信 号 灯具 风 力 植褪 I 器 路 口控 制 器 路 面 温度 植 删 器 匝 遭 控 制 器 车辆 捧放 植 恻 器 E TC标 签 阅 凄器 电 子 收 费 系坑 车 辆 静 重装 置 智 能#读写 器 车 辆 违规 检 则 器 1 3 交通管制中心 按 照 智能控 制 专 家 S AR I D I S G N 有 关 复杂 大 系统 的分层递 阶控制 理论-可将 I TS的体 系结构 划 分成 由组 织缠、协 调级 和 执行 级 组成 的广 义递 阶分 散智 能控 制 系统,其 具体 组 成 如 图 1所示。由 图可 知,交通 管 制中心 在 该 体系 结 构 中
13、执行 的 任务 大多 是 递 阶分散 智能 控 制 系统 中 的上 层功 能,由于其 高 度 的智能性、复杂 性,所 以其通 信系统 主要完成 各种 高层应用之 间 的实时和非 实 时、粒度 大小不 同、熵 大 小 不同 的各 种通信 l 集 成交通 管理 l H 而 匾 嗣协 调 鲺 廿解 一 。-0 缎 丹解 围 一 广 义空 通 系 统 机结 音 递阶 分 敞 帮 能控 制 结 椅 2 I TS中通信网络层次结构及分层参 考模 型 2 1 I TS中通 信网络 的层 次结构 如上所 述,若将 I TS看成 是 一个 递 阶分散 的 复 杂智 能控制 系统 则 为了 支持这样 一个 系统,
14、其通信 网络 也应 该具 有相关 的一 些特征,更确切地 说,面 向 I T S的通 信 网络 应该 具 有 分层 结 构 一般 情 况下,I T S的通 信 阿络可 以划 分为 以 F三层 2 1 1现 场 控 制 层 现场 控 制层 主 要 涉1=受到 的 是 图 l中的 底 层 网 络,例 如路侧设 备 网络 和智 能车辆 的 内部 网络 这一 层 网络的 主要 特点 是 对实 时性 要 求 较高 对带 宽 的 要 求具 有多样性,具体 地 可以分为低 速 网段(如现场 传 感 器互 联)、高速 网段(如现 场控 制 器互联)、超高 速 网段(如现 场数字 摄 象 头互联)等,各 网段之
15、 间应 该 能够 通过 网关实现 透明 连接 在这 一层 次 大多数 节 点 的设 备都 是嵌入式 系 统 在设 备成本 的约束下,各 类 设 备所 用 的计 算 装 置 拥有 的处 理 能 力 差 别较 大,所 以 对 协 议 栈 的处 理 能 力 有 很 大 的 不 同,以 5 1 XA、1 9 6 等单 片机 为核心 的 系统 较多地 使用 成熟 的 工业 控制 现 场总线 协 议栈,而 另外 一些 以 ARM、P o we r P C、x 8 6或 者 MI P S处 理 器 为 核 心 的设 备则 可 以直 接 处理 很 多重 量 缠 的协 议 栈,例 如 I n t e r n e
16、 l 协议 栈、多智能体 平 台(MAS P l a t f o r m)以及 自发 网 络(S p o n l a n e o u s Ne t wo r k i n g)平台 2 1 2协 调 层 协调层 主要涉 及 到的是 网 1中 0级分 解中各个 协调 器的 网络和 0缠分 解 中对执行 器进行 1 级分解 后 的 高层 网络,例 如区域控 制 中心、诱 导 中心通信 网 络。在这 一层 中,通信 协议 栈 I S()七 层模 型 中的下 面六 层 已经非 常 成熟,对于 该层 系统标 准 的讨 论 主 维普资讯 http:/ 第 2期 李 敏,等:I TS的通信 系统 标 准研 究
17、 1 0 1 要集 中于应 用层 协议 2 1 3组 织层 组织层 基本 上对 应 于图 1中组织 级 的 网络,例 如域 市交通指 挥 中心网 络和研 究、规 划机 构 网络 等,这 一层 的相关 问题 与协 调层 类似。在 上述 分层 结 构 中,协 调 层与 现 场 控制 层 的 网 关 主要用 于现场 网络组 态和维 护与 车载 无线接 收机 的连接。组 织层 与协调层 的 网关则基 本 上 只具 有逻 辑 上 的 意 义。需要解 释 的是,以上通信 系统 的分 层概 念,事实 上是 依据 I T S作 为 递 阶分 散 的复 杂 智 能 控 制 系统 的逻辑 结构 而 划分得 到 的
18、,所 以 并不代 表 实 际上 的 物理网络拓 扑结构。例 如:上述 的协 调层 网络很有 可 能是由大量路 由器 和 网关、网桥 连接起 来 的网 间网,其 网络拓扑本 身实 际上也 可能具 有 相 当复杂的分 层 结 构。2 2 I T S中通信 网络 的分屡参 考模 型 开放式 系统 互联基 于分层 结 构参 考模 型这 一点 早 已被工程 技术 界所认识 事实 上 一 些参 考模型 如 1 S()七 层 模 型 和 T C P I P 五层 模 型 已经 得 到 了 公 认,并 获得 了很 大的成功。2 2 1 考虑分层参考模型的 因素 首 先 是 I T S 中 通 信 网 络 的
19、复 杂 性,由 于 整个 I T S的 通 信 网络 是 由不 同层 次 不 同种 类 的 子 网 构 成,所 以在 分 层参 考模 型 中应该 考 虑的 是 一个 模 型 组 而不是 某 一个;其次 是 I TS需要 的是 一 个 系统标 准 而非仅 仅是 通 信标 准,因 为通 信标 准 只建 立 了端 到 端的 数据 链路,而 单是 依 靠 通常 意义 上 的通 信 标 准(I S O 七层模 型 中的 下面六层 和 应用层 底部)是 无 法 实现 逻辑 设备 之 间的 互 操作(I n t e r o p e r a t i o n)的。目前 大多数层次 结 构模型所 描述 的基本 上
20、还 只是 通 信标 准(如 CAN 两层 模型)。2 2 2 分层参考模型组 笔者在组织 层 和协调 层提 出的分 层参 考模型 如 图 2所示。可 以看 出这 个 模 型 只是在原来 的 I S O 七 层 参考 模 型之 上增 加 了应 用 连接 层(关 于 I s O 七 层 各 自的定 义请 参考 相关 资 围 2 组 规 层 与 协 调层 的 分层参考模型 料);它所 包含 的协议 事实上 解决 的是 递阶分散 智能 控 制系统 中的高层 应用 之 间如 何进 行相 互访 问和协 作 的问题 严 格说 来应 用连接 层应 当属 于应用 层的 一部分,这 里将 应 用连 接 层从 应
21、用 层分 离 出 来 只是 想突 出系统标 准的重要 性。这一 层 的协议 目前常 见 的可 供选 择 的 有早 期 的 R P C、C O M、C )R B A,及 新出 现 的 UDDI、S OAP等(注:UDDI、S OAP工 作 在多个层 面)。考虑 人工智 能的 发展,当前分 布式 人 工智能 的 主流研究 之 一 MAS已经 越来 越 多地 从理 论 走 向实践,国外 已经有 了一些 实际 的示范 工程 例 如 FI P A 的 I TS应 用(S I M ENS、MOTOROI A 等)。由 于 MAS本质 上 适 应 I TS应 用 的 分 布 式 复 杂 环 境,F I P
22、A 以及 更加 先进 的多智 能体平 台必将在 I T S 的嵌 人 与非嵌 人式 节点 中得到广 泛的应用。现 场控 制 层的 两 种 可能参 考 模 型如 图 3所 示 其 中图 3(a)描 述 的 是 比较 适合 于一 般 低 速现 场 控 制网络(如简单传感器网络)的分层模型。这类网络 往 往单个节 点信 息量不 大,通 信要 求 比较 简单,但 是 对实 时性 要 求很 高,所 以模 型 对层 问操 作 和转 换 做 了一些 简化。图 3(b)描 述 的 分层 模 型 相 对 比较 复 杂。它建 立 在 I S O 七层模 型 之上,其 特点 是能 够 使 用 当前的标 准协议 族,
23、如 l n t e r n e l协 议栈等,但 是它 需要 能够提 供相对 更多 带宽 的协 议栈 链路层 和物理 层(如 I E EE8 0 2 3、I EEE S 0 2 1 1)的支撑。可 以注 意 到 图 3所示 的两个层 次模 型 的最上层 均为逻 辑设 备 接 口层,它是 系统标 准 中最重 要的部分 是 为系统集 成 服务的。(a 砖r 层 模 型I 伯)丹 层模 型2 圈 3现 场 控 制 层的 分 层 参 考 模 型 3 I TS通信 系统标准发展现状 随着科 学技术 的不 断进 步和用户需 求的 日益增 加,I TS的 内涵、外延 和体 系框 架 也在不 断发展。目 前
24、活 跃 在 I TS通 信 系 统 标 准 领 域 的 主 要 有 I S()T C2 0 4、C E N TC 2 7 8委 员 会 和 一 些 生 产 I T S设 施 的大 公司,大致 情况 如 下 3 1 为特定设 备设 计 的通 倍标 准与协 议 由于标 准 化工 作 的 滞后,目前 各生 产 厂商 的 产 品 大 多 使 用 各 成 体 系 的 通 信 协 议。例 如,P E E K T RAF F 1 C公 司 的 全 套 系 列 产 品配 备 了 R S 2 3 2和 R S 4 8 5通信 口,然后 在 R S 2 3 2和 R S 4 8 5总线物理 层 协议 基础 上简单
25、 定 义 了上 层 协议,主要 为 面 向端 对 端 的通 信。E C O NOI 1 T E 公司 在其 AR I E S系统 中 基 于 R S 4 8 5标 准,建立 了一个 由区域控 制机 和交 通 灯控 制器 组 成 的小 型 网络,而 数据 链 路层 及 上 层 的协议 由公 司 自行定 义;其 区域控 制器 还 可 以通 过 维普资讯 http:/ 1 0 2 中 国公路学报 2 0 0 2牟 MOD E M与 交 通 中 心 建 立 联 系。TR AF F I C ENGI NE ERI NG 公 司 的 TE S e r i e s系统 中 同样 使 用 了 R S 2 3
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