CORBA技術在動態交通分配系統中的應用

摘要：介紹了一個在分布式計算環境下可以實時運行的動態交通分配系統。該系統基于CORBA技術，可進行動態起迄點出行分布矩陣的估計和預測，還可以進行系統一致性控制。

隨著經濟發展，交通擁擠、道路阻塞、交通事故和交通污染等問題越來越嚴重地困擾著世界各國的城市。應運而生的智能交通系統ＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）通過使用先進的計算機技術、電子技術和通信技術以提高現有交通系統的效率，給人類帶來了新的希望。根據美國智能交通協會ＩＴＳ ＡＭＥＲＩＣＡ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ）的定義，ＩＴＳ的兩個基本組成部分是先進交通信息系統ＡＴＩＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｒａｖｅｌｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）和先進交通管理系統ＡＴＭＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ）。ＡＴＩＳ使用視覺和聽覺設備搜集相關交通信息，然后分析、傳遞和提供信息，從而在起點到終點的旅行過程中，向出行者提供實時幫助，使整個旅行過程舒適、方便、高效；ＡＴＭＳ將車輛作為管理系統的一部分，利用它感知并預測未來交通擁擠堵塞，并且給出交通管理最佳策略。

保證ＩＴＳ（尤其是ＡＴＭＳ）運行的核心方法是動態交通分配ＤＴＡ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｒａｆｆｉｃ Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ）。所謂動態交通分配，就是將實時交通流量在路網各路段上進行合理分配，為旅行者提供出發時間與方式選擇，為車輛提供道路誘導系統，引導車輛行駛在最佳線路上，并提供誘導系統與交通控制系統的相互聯系。

美國德克薩斯州奧斯汀大學于２００１年開發出了一套實時ＤＴＡ系統——ＤＹＮＡＳＭＡＲＴ－Ｘ。本文基于其研究成果，提出了一個ＣＯＲＢＡ分布式實時ＤＴＡ系統的框架。

１ ＣＯＲＢＡ技術

從１９８９年成立起?熏對象管理組織ＯＭＧ（Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ）一直致力于使用面向對象技術，使基于對象的軟件在分布異構環境中可重用、可移植、可互操作。公共對象請求代理體系結構ＣＯＲＢＡ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｏｂｊｅｃｔ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｂｒｏｋｅｒ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）即是由ＯＭＧ提出的應用軟件體系結構和對象技術規范。其核心是一套標準的語言、接口和協議，以支持異構分布應用程序間的互操作性及獨立于平臺和編程語言的對象重用。

ＣＯＲＢＡ技術是一個重大革新，它解決了系統集成中兩大著名問題：（１）開發客戶機／服務器應用的困難；（２）快速集成新老系統的問題。它被認為是新出現的分布式對象管理ＤＯＭ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）技術的規范。ＤＯＭ技術在基本的分布式計算服務上提供了一個更高層次的面向對象接口。最高層次的規范叫做對象管理體系結構ＯＭＡ（Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ），見圖１。其中，ＯＲＢ的作用是對其他部件間的請求進行傳遞；ＣＯＲＢＡ服務提供了一些基本的系統服務，如命名、持久性和事件通知等；ＣＯＲＢＡ設施包括用戶界面、信息管理等設施；ＣＯＲＢＡ域對應于特定的應用域，如財政、制造和遠程通信技術等。

集成應用對象的關鍵是使用接口定義語言ＩＤＬ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ）定義的標準規范。一旦所有應用和數據有了一個與ＩＤＬ兼容的接口，通信就會獨立于物理位置、平臺類型、網絡協議和程序語言。一個使用ＣＯＲＢＡ創建的信息系統仲裁這些軟件對象間的控制和信息流。

廣泛使用的ＣＯＲＢＡ２．０ ＯＲＢ是在對象間建立客戶機／服務器關系的中間件。使用一個ＯＲＢ，一個客戶機對象可以透明地調用一個服務器對象的一個方法，這個服務器對象可以在同一臺機器上，也可以在一個網絡上。ＯＲＢ截聽調用請求，并負責找到一個對象，執行這個請求，傳遞參數，調用方法并返回結果。此客戶機不需要知道對象的位置、編程語言、操作系統或其他任何不屬于對象接口的方面。注意到客戶機／服務器作用只是協調兩個對象之間的相互作用非常重要。

２ 動態交通分配

ＤＴＡ系統是一個復雜的系統，在保證對交通系統中周期性和非周期性的事件進行實時響應的同時，還需要對數以萬計的路段、控制器和車輛的歷史、當前及預測數據進行管理。ＤＴＡ系統的實時運行要求系統同時滿足兩個條件：（１）系統響應避免系統故障；（２）系統響應及時，如果不能及時響應，系統也不致停止運行。計算環境和軟件工具是保證一個復雜系統實時響應的兩個主要因素。

２．１ 實時運行機制

為了滿足實時運行的要求，需要一個機制，使ＤＴＡ系統實時接收測量值，并啟動相應的算法單元，傳遞結果到相應的外部設備。圖２給出了這種實時運行機制。在當前運行時段Ｔｉ的起點，ＤＴＡ系統接收并評價剛剛過去的運行時段Ｔｉ－１的測量值?；谶@些測量值，整個系統及其中的算法單元在當前時段響應和作用。每個算法單元和整個集成系統在邏輯內部和功能設計上均使用上述機制，從而通過運行時段的一致定義，即可方便地增減算法步驟和功能，大大提高了靈活性。

２．２ 實時ＤＴＡ框架

實時ＤＴＡ系統由以下功能單元組成：（１）一致性檢查；（２）一致性更新；（３）Ｏ－Ｄ估計（Ｏ即Ｏｒｉｇｉｎ，Ｄ即Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ，Ｏ－Ｄ估計即起迄點出行分布矩陣估計）；（４）Ｏ－Ｄ預測；（５）狀態估計；（６）狀態預測；（７）交通分配；（８）用戶界面；（９）數據庫：（１０）管理。這些功能單元之間相互作用并與ＡＴＭＳ數據庫相互作用。其中（１）負責檢查真實系統和ＤＴＡ仿真器與（３）之間的一致性，主要是比較預測的狀態變量和實際的狀態變量，一旦超過事先規定的閾值，即向（２）報告；（２）基于（１）的報告更新ＤＴＡ仿真器和（４）；（３）基于監視系統的實時測量值和歷史Ｏ－Ｄ數據，估計當前道路網絡的起迄點出行矩陣；（４）基于當前Ｏ－Ｄ估計結果、當前網絡狀態和歷史Ｏ－Ｄ數據，產生未來時段的Ｏ－Ｄ預測；（５）把給定的非常短的仿真間隔（幾秒鐘）的路徑決策與（２）產生的調節結合來仿真交通流的類型；（６）仿真更長時間的交通流的類型并提供未來時段（２０～３０ｍｉｎ）的路徑決策；（７）根據系統最優和用戶平衡等不同用戶要求提供路徑決策：（８）提供用戶接口；（９）最小化其他單元請求的等待時間和最大化吞吐量；（１０）提供所有單元間的控制以維持系統穩定并防止故障，同時保證系統同步。顯然，實時ＤＴＡ系統的設計應基于層次結構。最高層，即管理單元，其他單元各自被映射到一個不同的專用處理器，見圖３。

３ 基于ＣＯＲＢＡ的ＤＴＡ系統

３．１ ＡＭＨ框架下的ＤＴＡ系統

多處理機／并行計算對實時ＤＴＡ系統相當重要。在實時ＤＴＡ系統中，一些功能周期性執行；另一些功能非周期性地被其他功能觸發。因此，設計時，最根本的一點是把握每個功能單元的執行周期。

可以把所有循環集成在一個異步多層次ＡＭＨ（Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｕｌｔｉ－Ｈｏｒｉｚｏｎ）框架中。在ＡＭＨ框架中，各功能在不同層次的分布式處理器上實現。每個功能以周期性模式、非周期性模式或聯合活動模式運行。周期性活動模式下，基于執行循環定時執行；非周期性活動模式下，只有當其他功能發出一個事件調用請求時才執行；聯合活動模式下，一個功能定時執行，同時允許其他功能觸發以啟動一個新功能的運行。也就是說，在當前執行循環中，當接收到一個調用請求時，將從下一個執行循環的起點開始新功能的運行。這個策略非常重要，保證系統對環境變化實時響應，同時維持整個ＤＴＡ系統的可靠和穩定。

３．２ ＩＬＵ框架下的ＤＴＡ系統

在ＣＯＲＢＡ環境下實現實時ＤＴＡ系統最好使用中間語言統一體ＩＬＵ（Ｉｎｔｅｒ Ｌａｎｇｕａｇｅ Ｕｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ），因為ＩＬＵ是共享的，可用性更好。ＩＬＵ支持創建新的對象、遠程過程調用和異步調用。一旦一個ＩＬＵ對象被創建，它就通知ＩＬＵ服務器其已經存在。通過這個服務器，每個對象都能獲得其他對象的信息。此后，每個對象均能遠程訪問其他任何對象，就像在同一臺機器上。

實時ＤＴＡ系統可以由三個主要對象組成：操作對象、ＧＵＩ和ＡＴＭＳ數據庫，見圖４。ＣＯＲＢＡ中的對象需要被指定為服務器或客戶機。服務器定義為一個接收客戶機請求并執行這個請求的對象；客戶機定義為一個向服務器發送請求的對象。一個對象也可以同時被指定為客戶機和服務器。它既能發送也能接收請求。

    在實時ＤＴＡ系統中，三個對象均被指定為客戶機和服務器。在操作對象下設計六個子操作對象。每個子操作對象在一個運行周期工作。在狀態估計對象下設計一致性檢查和一致性更新兩個對象，是因為這兩個對象與狀態估計對象直接作用。ＧＵＩ負責輸入指令輸出結果。ＡＴＭＳ數據庫包括實時監視數據、系統輸出、歷史數據及其中的相互作用。

動態交通分配是保證智能交通系統運行的核心手段?；冢茫希遥拢良夹g設計實時運行的動態交通分配系統是恰當的解決方案。國際上這方面的研究尚處于系統測試階段，而國內更是剛剛起步。本文對這一框架進行初步探討，期待有更多的學者深入研究，開發出真正實用的實時動態交通分配系統，以促進智能交通系統的發展。