一种用于弹性交通信息物理系统的构件标准化描述方法

本发明涉及交通信息物理系统领域，具体涉及一种用于弹性交通信息物理系统的构件标准化描述方法。

背景技术：

1、我国大城市交通系统具有出行需求强度大、扰动冲击频度高、风险因素类型多等特征，城市交通的发展需要从单纯追求速度和规模向更加注重服务的可靠性与恢复力转变。在《交通强国建设纲要》和《国家综合立体交通网规划纲要》等国家级规划文件中，明确提出了增强交通系统弹性和安全性的要求。因此，无论是面向智慧化、数字化的新型交通基础设施建设，还是面向多模式运输服务一体化的城市综合交通系统规划，都亟待将弹性纳入交通系统核心目标并指导系统架构的协同性设计，以此为新一代交通系统的规划设计、运行管理、更新再造提供可靠的理论基础，助力跨部门、跨方式协同的交通运输运行监测、行政执法和应急指挥体系的建设。

2、近年来，信息物理系统的概念被引入到交通系统中，形成了交通信息物理系统。这种系统通过深度整合计算、通信和控制技术，实现了对交通系统的实时感知、动态分析和智能响应，极大地提高了交通系统的智能化水平和应对各类扰动的能力。智能交通系统作为交通系统信息化发展的基础性技术，通过信息处理过程为中心进行功能组合，集中考虑系统所需维护的信息。然而，智能交通系统和交通信息物理系统的实施在提高交通系统智能化和自适应能力方面仍存在一定的局限性。

3、一方面，智能交通系统的设计有待进一步兼容信息物理系统建设的技术进展和提升交通系统弹性的显性需求；另一方面，交通信息物理系统的设计仍然较为宏观，且较多集中于对城际交通某一运输方式的讨论，有待于面向弹性目标在城市交通系统中的纳入进行更具体的设计。此外，现有的交通系统设计也有待基于系统构件的具体分类、功能和运行机制，深入刻画交通系统应对扰动冲击场景时的内部作用逻辑和协同关系。

4、弹性交通信息物理系统是一种从弹性视角构建的新型交通系统，强调在面对扰动冲击时的应对能力和恢复力。在弹性交通信息物理系统中，基于系统架构的构件标准化描述定义至关重要。通过精细化和标准化的构件描述及其功能定义，弹性交通信息物理系统能够更好地应对复杂多变的交通环境，实现“状态实时感知—服务可靠冗余—运行自动恢复”的弹性目标。在弹性交通信息物理系统中，系统构件的功能及构件之间的关系都需要围绕系统构件的运行机制进行重新描述和定义。

技术实现思路

1、鉴于当前弹性交通信息物理系统在构件的标准化描述方面存在的不足，本发明提供了一种用于弹性交通信息物理系统的标准化构件描述方法，该方法通过一种标准化的语言，详细描述系统中的构件，包括构件的分类、功能、所属功能域以及运行机制。这种标准化的描述方法能够实现对现实场景中的物理对象的抽象化，从而便利后续以构件为基础的弹性交通信息物理系统建模，为相关专业人员在继续深化和丰富弹性交通信息物理系统架构的设计、管理和维护提供参考和基本框架。

2、本发明技术方案：

3、一种用于弹性交通信息物理系统的构件标准化描述方法，其特征在于，通过一种标准化的语言，定义和描述弹性交通信息物理系统中的构件，包括构件分类、构件功能、构件所属功能域以及构件运行机制。

4、所述描述过程包括如下具体步骤：其一，采用一种基于双重分类标准的多维度分类方法对弹性交通信息物理系统的构件分类进行标准化的描述，包含基于智能交通系统架构的构件分类和基于交通方式的构件分类；其二，基于扰动冲击场景下系统构件响应动作所涉及的主体和影响，从系统构件的核心动作、施加对象、作用属性和功能反身性4个维度出发对系统构件的功能进行标准化描述；其三，基于构件分类和构件功能从构件类别、交通方式、核心动作、功能反身性四个维度定义弹性交通信息物理系统构件的属性，并应用独热编码和k-means聚类方法对构件进行聚类，从而实现对构件所属功能域的标准化描述；其四，面向交通系统应对扰动冲击场景时的内部作用逻辑和协同关系对弹性交通信息物理系统构件的运行机制进行标准化描述，并基于sysml的模块定义图和活动图对系统构件运行机制中的功能表达、信息传递、逻辑关联进行标准化描述。

5、具体的：

6、1、采用一种基于双重分类标准的多维度分类方法对弹性交通信息物理系统的构件进行科学分类，实现对构件分类的标准化描述，包括：

7、依据智能交通系统的架构对弹性交通信息物理系统的构件进行一级划分，包括基础设施、移动设备、运行服务、管理控制中心和边缘计算组件五类；

8、根据交通方式对弹性交通信息物理系统的构件进行二级划分，包括地面公交、慢行交通、轨道交通和道路交通四类。

9、2、剖析系统构件功能表述中所涉及的主体和影响，基于功能的核心动作、施加对象、作用属性和功能反身性对系统构件的功能进行定义，实现对构件功能的标准化描述，包括：

10、核心动作：对系统构件功能主要行为的描述；

11、施加对象：对系统构件功能动作所施加或影响对象构件的描述；

12、作用属性：对系统构件功能所施加或影响对象的具体属性的描述；

13、功能反身性：对系统构件功能动作的方向的描述。

14、3、基于构件分类和构件功能定义弹性交通信息物理系统构件的属性，并应用独热编码和k-means聚类方法对构件进行聚类，实现对构件所属功能域的标准化描述，包括：

15、考虑到构件的属性来源于第1项内容所述的构件双重分类以及第2项内容所述的构件功能，从构件类别、交通方式、核心动作、功能反身性4个维度出发定义构件属性；

16、对构件的核心动作和功能反身性进行合并得到“核心动作-功能反身性”属性，并对其进行独热编码以及聚合操作；对构件的构件分类和交通方式属性进行独热编码，与核心动作-功能反身性属性进行合并，得到构件最终的属性特征向量；

17、设定目标分类簇数，应用k-means聚类算法基于构件的属性向量对构件进行聚类，得到每个构件所属的功能域。

18、4、定义5类弹性交通信息物理系统的构件运行机制，并基于sysml的模块定义图和活动图对运行机制中系统构件之间的功能表达、信息传递、逻辑关联进行可视化定义，实现对构件运行机制的标准化描述，包括：

19、运行机制定义了弹性交通信息物理系统的构件在系统应对扰动冲击时所采取的不同类型的响应机制，并描述构件之间的功能表达、信息传递与逻辑关联。基于交通系统在应对扰动冲击时所采取的基本措施，将其抽象为5类：保持、伸缩、变构、代偿、诱导。

20、基于sysml的模块定义图对系统在“保持”、“伸缩”、“变构”、“诱导”运行机制中基础设施、移动设备、运行服务、管理控制中心、边缘计算设备5类系统构件的功能、约束、通信以及关联进行标准化描述；

21、基于sysml的活动图对系统在“代偿”运行机制中5类系统构件的输入输出以及逻辑流程进行标准化描述。

22、上述方法技术方案，通过一种标准化的语言详细定义和描述系统中的构件，包括构件的分类、功能、所属功能域以及运行机制。这种标准化的定义方法能够实现对现实场景中的物理对象的抽象化，使其能够被存储在数据库中，为跨部门、跨方式的交通管理与应急响应提供统一的语言和工具，从而为基于构件的弹性交通信息物理系统建模奠定基础，并为相关专业人员继续深化和丰富弹性交通信息物理系统的设计、管理和维护提供参考，助力智慧、互联、韧性、安全的城市交通系统规划设计与更新再造。