张启庆
身份证号：23112419890920****
摘要：随着城市化的快速发展和经济的不断增长，越来越多的人拥有私家车，道路变得更加拥挤，这使得传统的交通设施和交通体系无法适应，利用各种高科技系统解决道路交通问题的思想应运而生。而交通信息物理系统(T-CPS)主要目标是通过传感器采集人、车、路和环境的信息，通过计算技术、通信技术和控制技术的深度集成，将信息处理结果反馈给人、车、路和环境，从而实现交通系统的规划和管理，提高交通运行效率、安全性、可靠性、经济性，以及交通系统的服务水平。
关键词：交通信息物理系统；功能；关键技术
建立快速、绿色、高效、安全的交通体系是人类社会追求的目标。近年来，随着城市化进程的加快，城市交通拥堵问题日益严重。缓解交通拥堵，已不适宜仅依靠加宽道路、修建高架桥、铺设轨道等传统交通工程手段来增加道路基础设施，而应更加重视现代信息技术在解决交通问题中的核心作用。基于此，本文分析了交通信息物理系统及其关键技术。
一、交通信息物理系统(T-CPS)
1、内涵。现代城市交通拥堵问题，很大程度上是由于交通信息系统与交通物理系统缺乏深度集成及有效的协同控制。事实上，若能通过高度可靠的通信传输来实现对交通物理系统的全面感知，包括交通载运工具、交通参与者、交通基础设施等交通要素的信息感知，结合交通信息系统强大的计算处理能力，形成有效、完整、准确的控制信息，实现对交通物理系统的实时、有效、无误控制，为解决交通问题提供准确、实时、高质量的信息及服务。
因此，T-CPS采用信息物理融合系统的方法来解决交通问题，其核心是将交通物理对象及系统状态传递给信息系统，基于计算、通信和控制技术的集成，将交通信息要素与交通物理要素相结合，充分发挥信息技术在感知、传输、存储、析挖掘、最优控制等优势，通过信息系统与物理系统的相互作用及反馈，在准确认知交通物理现象和状态的基础上，实现交通系统的信息沟通、系统协调、优化决策控制，将成为CPS应用及下一代智能交通系统发展的重要研究方向。
2、基本架构。T-CPS的基本架构是物理域-信息域-物理域的结构。实质上，T-CPS是将物理域-信息域的状态信息反馈给控制信息应用的过程。因在实际交通系统中，作为信息感知来源的交通物理系统及作为信息服务对象的交通物理系统在广义上，实际是同一个交通物理系统，但具体的客观实体却略有不同。
在T-CPS中，通信层与计算层和控制层同等重要。此外，T-CPS更强调子系统间的整体协调，通过交通物理系统与交通信息系统的交互和反馈，实现对交通物理系统的安全、可靠、高效、实时、协同感知与控制，以实现交通系统的快速、绿色、高效、安全，以更好的服务于交通参与者。
3、层次功能
1)感知层。感知层由多个传感器节点和汇集点组成，负责感知用户感兴趣的物理世界的一些物理属性，包括对交通载运工具、交通参与者、交通基础设施等交通要素的信息感知，如车速、路网交通流量、交通密度、车牌号、行驶时间和距离等，感知的原始数据经汇集节点融合后传输到信息中心。交通信息感知是T-CPS的基础。
2)通信层。通信层由多个通信基站与网络节点组成，负责将感知层感知到的原始数据传输到信息中心，保证车-车、车-路侧单元、路侧单元-服务器间的可靠通信，交通领域可采取的通信方式包括有线宽带、DSRC、3G/4G和WiFi等。在实际交通系统中，任何交通事件的发生在时间与空间上均分离，传统的顺序执行处理方法已不能满足T-CPS要求。因此，通信层的一个关键问题是如何保证信息的高可靠性及有效传输。
3)计算层。
由于T-CPS具有海量的交通数据信息，而且交通物理系统与交通信息系统间存在交互及反馈，对分析与仿真的实时性要求高，这对T-CPS计算层的计算能力及存储容量提出了挑战。因此，有必要构建一个具有强大计算能力的T-CPS平台。传统的集中式计算平台难以满足要求，而具有网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等特点的云计算平台可能成为T-CPS计算平台的重要选择之一，为了获得强大的计算与存储能力，需整合大量的分布式计算资源。
4)控制层。提高交通物理系统的控制能力是T-CPS的现实目标。现有的交通物理系统采用相对简单固定的控制方式，不够灵活，并且由于难以在系统范围内实现最优控制，不得不牺牲系统的整体运行效率。T-CPS以大量有效的交通信息为基础，设计科学合理的控制算法，判断一些预先设定的控制条件是否满足，然后通过执行器向控制节点发出相应的控制命令，或在紧急情况下直接向用户发出警告信号，从而实现对交通物理系统的精确控制。云计算的分布式架构符合T-CPS实现集中、分散控制相结合的要求，而如何保证T-CPS的鲁棒性及稳定性是实现有效控制的关键问题。
5)服务层。T-CPS能获取各种交通信息，如交通对象、交通工具、交通基础设施状况等，利用丰富的信息为用户终端提供实时的交通信息服务，是城市交通服务发展的必然方向。针对T-CPS系统，应用控制层设计的控制算法，实现交通物理系统的一些典型业务，如ETC、交通诱导、城市公交调度等。其难点在于如何有效处理交通信息感知和传递中的不确定性及不完整性等，提高交通信息发布的准确性与时效性。
二、实现T-CPS的关键技术
1、海量信息资源的安全共享与管理技术。T-CPS的海量数据来自不同的感知设备，通过不同传输介质传输到数据处理中心，数据格式与类型有所不同。因此，各种类型的数据信息接入数据处理中心的方法不同。而且由于感知层获取的海量数据中存在大量的冗余信息，为了提高数据传输效率，有必要对冗余数据进行处理。另外，T-CPS由大量通过网络互联的物理设备组成。由于T-CPS一般覆盖范围广，系统中的信息设备与物理设备一般属于许多不同的所有者。T-CPS不仅要使参与者能及时获得所需信息，而且要保证他们只能严格按其权限获得信息。因此，海量信息处理技术的研究和科学信息共享与协作机制的设计是T-CPS的一个重要环节。
2、信息传输时间与空间分离技术。在实际交通系统中，任何交通事件的发生在时间与空间上均分离，而信息系统在传递信息时却是时空同时进行。另外，计算与通信系统本身是一个复杂的物理系统，甚至在某些情况下，通信系统的复杂度要远高于被控制的物理系统。为了满足对大量数据流的高可靠实时通信要求，其数据交换设备往往比接入终端复杂。因此，如何使交通通信系统中的每个数据流在传输通道中具有时空的分离和组合性，实现高可靠的实时传输性能，是实现高性能T-CPS的关键。
3、交通信息系统与交通物理系统深度集成技术。T-CPS不是交通信息系统和交通物理系统的简单结合，而是二者的综合深度集成。在实际交通物理系统中，物理对象的参数(如车速、流量、密度等)随时间不断变化，而在交通信息系统中，交通信息的通信和计算等是离散的。因此，如何实现物理系统中不断变化参数与信息系统中离散变化变量间的深度融合，提高T-CPS的可靠性、运行效率等指标，也是T-CPS实现的一个技术难题。
4、交通系统广域多维协同优化技术。T-CPS是一种具有控制特性的网络，其最终目标是实现整个交通系统的广域、多维、协同优化控制。在未来，T-CPS中要控制的设备数量将明显超过现有的交通系统，若采用传统的集中控制，会产生大量的计算量。因此，T-CPS对物理设备的控制不能完全依赖于集中控制模式，需采取集中、分散控制相结合方式，而T-CPS通过各种嵌入式控制系统对一些物理设备进行集中控制，可达到局部控制效果。同时，控制中心可在线调整控制系统参数，必要时直接控制物理设备，通过分散控制实现整个交通系统的协同优化。因此，如何设计高稳定性、强鲁棒性、灵活性和有效性的控制系统，实现广域、多维的协同优化，是T-CPS要解决的又一关键技术问题。
参考文献：
[1]温景容.信息物理融合系统[J].自动化学报，2015(04)．
[2]孙棣华.交通信息物理系统及其关键技术研究综述[J].中国公路学报，2015(01).