ITS的主要特性：智能化绿色结构设计

在未来，ITS的重要性将与日俱增，其主要特性将包括以下几点：

1）利用信息帮助人们消除和摆脱信息盲区：信息盲区是导致司机鲁莽驾驶、交通事故、路怒症（驾驶人因不耐烦前车或不满抢道而愤怒）以及车祸的最主要原因。当旅客在旅行途中遇到阻碍时，由于不知道将会发生什么，无论他们是否理性，都会担心不能按时到达目的地，这就有可能导致许多灾难性的后果。ITS体系结构的最大贡献可能就在于能向处于信息盲区的旅行者及时提供相关的准确信息，驾驶员可以根据这些信息做出抉择，重新拟定出行计划。例如，某城市有一个公务繁忙的行政人员，名叫乔伊，他计划到附近的机场乘坐航班XYZ。但由于太晚离开办公室了，乔伊在驾驶时非常慌忙急躁，差点撞倒一个行人。而当他刚好赶到机场时才发现由于飞机XYZ出现意外的机械故障，航班推迟了2h。如果ITS可以及时获得航班延误的信息，并且自动把相关信息发送给每个XYZ航班的乘客，如果这种信息能传到乔伊的手机上，那么乔伊就基本上不会存在驾驶行为问题了。

2）实现自动计算：现在，世界各地许多运输系统中的决策制定以及到达时间的计算仍然采用手工估算的方法。与之不同的是，未来的ITS架构一定会采用自动的决策计算机系统来产生准确的信息，并实现精确地控制和协调。

3）信息的准确性至关重要：信息必须是准确、及时、相关和一致的，否则，驾驶员将会质疑ITS技术的价值，甚至可能会过早地放弃使用它。任何过时的数据都可能导致错误信息的出现，从而产生无法预料的严重后果。在ITS中，像以下事例中出现的事件是绝对不允许发生的：在2002年6月，10号州际公路上一个可编程的高架电子信息板提醒司机：菲尼克斯和图森之间的空气质量很差。阅读信息板的司机会发现电子信息板上这类信息内容相当丰富，但却没一条对驾驶员有用，因为他（她）正要离开凤凰城，向西开往洛杉矶。也就是说，这些信息不应该显示在这个方向，而是应该显示在对面的州际10号公路，即菲尼克斯和图森之间。

4）尊重驾驶员的自由非常重要：除非在十分紧急的状况下，否则ITS体系结构不应该试图控制或命令司机的行为，原因有两个：首先，中央控制系统^[25]不可能确知每个司机的出行目标、目的或想法，因此，任何试图控制驾驶员的行为可能总是基于错误的假设。其次，从长远来看，驾驶员会讨厌自己做决定的自由被侵犯，这可能会最终导致他们放弃使用ITS。实际上，ITS的重要原则之一就是要向司机提供尽可能多的相关信息，给他们配备适当的网络和计算资源，使他们在某种情况下能够自己做出决定，并自由选择正确的行动方案。

5）需要更灵活和自由的选择方式：越来越多的出行者拒绝接受缺乏灵活性和个性化的服务，拒绝接受系统不准确的估计。他们非常反感以计算能力和网络带宽有限为借口。出行者对灵活、自由、个性化选择服务的需求正在不断增长，并且这一趋势很可能会延续到未来。

6）需要精确、严密、实时的信息：传统的方法中，数据先被集中到一个中心单元并进行加工，然后，由此产生的信息再被发送到各地的出行者手中。考虑到地理距离以及电磁波有限的传播速度，当出行者得到关于运输过程中某单元的信息时，原始信息由于传播时间过长已经失效了。对于动态系统来说，这种延迟就意味着出行者收到的信息已经滞后，这种信息是不精确、不严密的。由信息的滞后性导致的信息错误程度与延误时间长短有关，而延误时间的长短又是与系统的动态特性以及精确度相关的。因此，每个运输系统都会有信息传输的滞后性，所以未来的系统架构必须将注意力放在分布式计划上，以消除一切不必要的可能导致滞后的因素，尽可能地实现高效、准确和及时的决策。

7）个体出行者将成为关注的焦点：ITS体系结构必须从根本上围绕每一个司机或出行者制订方案，当然必须首先服从所有可用资源的安全性和公平性要求。这也就是说，尽管策划者或运营者更关心一些总体性指标，如路面利用率、平均出行时间、网络可使用宽带和计算能力等，但还是需要把对个体出行者运行参数的关注放在首位。

8）交通网络的一个基本特征：货物和人在实体运输网络中运输，和信息在信息网络中传输明显具有不同的含义。如今，某些实物在运输过程中可能携带了自己的计算引擎，这在当今社会中是非常有必要的。与之对应的，在通信网络中，信息单元是由纯电磁能量构成的，信息单元在传送过程中不可能携带自己的计算引擎。而那些被货物或者出行者携带着的计算引擎，能随时动态地执行与出行相关的计算和决策。此外，由于采用了无线或红外线技术，运输系统的各组成单元在运输过程中可以互相交流，这就有望降低对集中式的信息采集和决策功能的要求。因此，人们正不断追求尺寸更小、成本更低、性能更高的计算机设计，以促使计算机在交通运输网络中得到更广泛的应用。

9）设计异步、分布式算法以控制、协调和管理资源：由于许多运输系统的组成单元和资源在地理上是分散的，所以未来的系统架构必然要采用分布式算法。在交通网络运输的各单元间，其运输服务请求很可能是相互独立的，而时间间隔也可能是没有规律的。因此，系统中的互动本质上应该是异步的，为了控制、协调和配置资源，必须设计异步、分布式算法。

设计出的运输系统的异步、分布式算法必须能确切反映系统的最高级元目标或意图。该算法将在每个组成单元的行为上有所体现，它要使原有的开发系统发挥出最大的潜力。此外，必须尽可能最大化地实现本地化计算，同时尽量减少实体之间的通信，从而达到计算的高效性、鲁棒性和可扩展性。这种算法的主要特点如下：

①实体的定义和识别：从控制、协调和配置资源的算法角度来看，实体构成了基本的决策单元，并决定了运输系统中的决策行为。从物理系统的角度来看，实体和它的自然组成部分有关，包括可用于运输的资源和待运的单元。每个实体必须是独立的，即在一切可能发生的情况下，它的行为是完全由自己决定的。每个实体与其他所有实体之间是相互独立的，因此只有它知道自己要做什么。除非一个实体告诉另一个实体自己要干什么，否则没有其他实体会知道它的行为。可以想象得到，一个实体在与其他实体互动的情况下，其行为的考虑因素中必然要包括自己和其他实体之间的相互关系及其影响范围。(www.xing528.com)

②实体的异步性质：一般来说，系统单元的运输请求发出的时间间隔是不规则的。一个单元可以是单个出行者，也可以是为了某一特殊事件而一起出行的一群人。由于单元是在系统中不同地理位置零散出现的，它们互相并不知道对方的存在，运输的速度也可能不同，它们的目的地也可能不相关或完全不同，因此它们在系统中的交流也就是异步的。时间是实体自身行为以及实体间互相作用的一个重要组成部分。虽然每一个实体因为有各自的独立性，其运输时间可能不同，但是当一系列实体E₁，E₂，…之间互相作用时，它们就一定会有共用的时间，即“通用时间”，这正是它们之间相互作用的意义所在。通用时间来源于不同时间的最小公分母，它反映了所有互相作用的实体中最优的时间分配方案。然而，各实体的异步性还表现在这样几个地方：在实体A和B互相作用的地方，在它们每次互相作用的时间之间，A和B都是独立和异步的。也就是说，对于A，其相对于B的进展速度是不规则和不协调的，并且反映出对B的进展速度缺乏精确的了解，反过来也是一样的。但是，在同步点，A和B的时间价值必定是一致的。

③实体的并行性质：由于每个实体都是独立存在的，那么除了与其他实体进行必要的互动以外，每个实体必然都是并行的。也就是说，它的执行进度和速度是独立于其他实体的，在运行过程中任意某个时刻，各实体所处的位置也是唯一的。在算法的实现过程中，每个实体都可以被映射到主机系统的某个并发进程中去。认识到实体的并行性是很重要的，原因有两个：首先，它反映了对一个实际运输系统的正确看法。正是以此为基础，我们才能说控制和协调算法更贴切地反映实际。其次，当算法在拥有足够计算资源的主机系统上运行时，并发实体也可在专门的计算引擎上同步运行，以实现更快的全局运行。更快的运行将节省大量时间，同时可针对不同的参数来思考系统设计的问题。

④实体之间的通信：显然，由于地理距离和有限的信息传播速度，任何一个实体都不可能得到它在每个连续运作的瞬间所需要的一切完整而准确的信息。因此，算法的一个重要组成部分就是通过实体之间的互相作用来实现数据和知识的共享。实体之间的相互作用，根据实体的不同性质可能有不同的形式。首先，每个实体与哪个或哪些实体相互作用是可以确定的，它们精确反映了相应的现实情况。在某种极端的情况下，任何实体可以与其他所有实体互相作用。第二，为了在互相作用的实体之间分享必要的数据和资料，就必须建立相应的信息结构。第三，只能在需要了解的范围内共享信息，以确保私密性和精确性。第四，假设所有信息通信都能得到保障，也就是说，一旦发送者传播信息，就能确保该信息被接收器接收到。因此，实体之间的数据和信息共享就意味着连接实体的通信网络也是信息分享算法的一个组成部分，而通信网络的拓扑结构则是由互相作用的性质决定的。

⑤算法正确性的证明：就其本质而言，控制和协调算法，通常涉及上百个自治实体，它们依靠非集中控制的智能体同步或异步地运行来控制实体的活动，这似乎很难为人们所理解。为了确保在该算法控制下能真正实现运输系统的准确性、正确性和安全性，就必须对算法的正确性进行严格的证明。基本上来说，对算法正确性的证明必须能确保系统正确运行，也就是说，执行的算法必须能准确地反映现实（如事故），不能和现实存在任何的不一致，同时还必须保证系统能实现唯一的目标。尽管在整个系统范围内从其他实体获取信息和数据的过程会受到滞后性的影响，但是由于每个制定决策的实体都需要利用一部分信息，因此正确性的证明显得特别重要。

⑥鲁棒性：我们一直期待异步分布式算法能成为一个高稳定性系统，不会像集中式系统那样容易受到自然灾害和人为因素的破坏。每一个地理上分散的实体都是一个决策单元，而一次灾害影响到所有实体的可能性是很小的。因此，即使有一个或更多的异步实体失效，其余的实体也很可能没有完全受到影响，系统仍可能在降级模式下继续发挥作用。为使算法在部分失效的情况下仍能运行，就必须在各实体及其异步交互的设计中充分考虑意外情况的处理。

⑦性能：在该算法的控制下，多个处理器的并行使用能大大提高系统性能。该算法能够利用系统中已有的并行处理器的程度就反映在它的性能指标上。尽管每一个运输系统都可能需要各自特定的性能标准，但还是存在两个可能同时适用于所有算法的标准。第一是“可扩展性”（将在第4章详细介绍），反映该算法继续扩展其功能的能力，也就是说，即使系统规模扩大，构成系统的实体数量增加，该算法仍能达到预期的性能目标。由于整个系统中决策层面的所有计算会被分配给系统中的每一个实体，因此，即使随着系统规模的扩大需要不断提高计算能力，但此时计算引擎的数量也会相应增加。假设通信网络按照一定的比例扩大，此时可用的计算能力和所需要的计算能力之比仅仅只会因受临界部分的影响而略有降低，这意味着其主要性能目标的实现几乎不受影响。第二，假设有一个机制能够确定所有特定的实际问题的全部性能，那么它反过来就可以作为评价任一算法性能的理想指标（第5章和第6章会详细阐述这个指标）。性能评价就可以在交通部门的投资和运营决策中发挥巨大的作用。

⑧稳定性：尽管算法是交通运输系统的组成部分之一，但在运营过程中，它很可能发生无法预料的变化。稳定性，是指在典型的不稳定的工作环境下算法将会有什么样的表现，这将在第7章中作详细说明。

10）仿真是必不可少的环节：对于当今很多运输系统来说，规模的扩大和复杂度的提高意味着需要用大量的变量和参数来定义系统，对系统的价值观念的理解也会产生巨大的差异，此外，由于分析工作受到各种限制，还会导致在操作行为上也产生很大的不同。ITS可能很复杂，而模拟和进行大规模异步分布式仿真或许是最合乎逻辑的，通常也是客观地研究ITS的唯一方法。模拟与仿真有很多优点：首先，在开发原型系统前，它可以用非常经济的成本检测出设计上的错误。第二，在模拟系统的运行过程中可以找出潜在的问题，包括一些不常见的或者是难以捉摸的问题。第三，对仿真结果的分析可以用于评价目标系统结构的性能，并找出提高系统性能的潜力所在。

11）对运行错误进行不断的检查：由于其本身的性质，复杂的系统往往很可能包含一些设计错误。这些错误在运行期间的出现是没有规律的，并且经常能逃过检测，但它们往往是非常有害的。为解决这一问题，ITS架构必须不断地自动检查和接受用户的错误报告，并把它报告给系统管理层，这样才能及时修正和完善系统。

12）对ITS原则与社会规范之间的不一致性进行不断检讨：任何ITS架构都必须合乎一定的逻辑原则，而当它和已有规范出现不一致时，一定要仔细分析。例如，事实上，在整个美国，只要有高载客率（HOV）车道的地方，HOV车道一般都是在道路最左边的位置。而由于道路最左侧的车道一般都被设计成快车道，这就可能会造成一种错觉：HOV车道是一条快车道。另一件事也证明了这一点：通常情况下，非HOV上快速行驶的车辆会使用HOV车道去超越快车道中速度较慢的车。而HOV车辆，为了进入这条位于最左侧的车道，将不得不从位于右侧的匝道汇入公路，然后穿过快车道上快速行驶的车流，才能进入HOV车道。如果这事发生在一个拥挤的日子里，就会让人们误以为HOV车辆的司机打算开快车。很明显这个假设是非常错误的，因为许多HOV车辆装载的可能是一个集体旅行的家庭，他们宁愿选择限速行驶也不想发生意外。第二个例子，许多公路的起源可追溯到工会成立前的1700年。为了从城镇S开车到T，每个人都会被建议沿着公路H行驶，因为公路H会将他直接引到一条主要的州际高速公路上。虽然H在地图上是一条直路，除了那条州际高速公路之外，并没有与其他公路的交叉口，但是一名司机在实际行驶时，竟然在三个不同的地点遇到分岔路。这些分岔路的一个共同特点是，即使是沿着分岔路中最明显的支路前进，他（她）还是会感觉走错了路。事实是，要想继续在H上行驶，就必须在分岔中比较不明显的那条支路上向左或右急转弯，而不是直接前行。虽然分岔口上设有交通标志，但是几乎都已破损，或者被茂密的植被所遮蔽。据推测，这些支路的历史可以追溯到几百年前，那时，道路进入公路H段时就会转来转去以避免穿过居民房、教堂等。显然，数以千计的司机沿着公路H行驶时都会误时或迷路，过去50多年间累积的延误已经达到了数百数千小时。如今已经很难去评判这种浪费，也很难合理地去判断使用ITS能不能改变这种状况，这些问题都必须以科学、客观的态度去解决。