CORBA技術(shù)在動(dòng)態(tài)交通分配系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了一個(gè)在分布式計(jì)算環(huán)境下可以實(shí)時(shí)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)交通分配系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于CORBA技術(shù)，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)起迄點(diǎn)出行分布矩陣的估計(jì)和預(yù)測(cè)，還可以進(jìn)行系統(tǒng)一致性控制。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通擁擠、道路阻塞、交通事故和交通污染等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重地困擾著世界各國(guó)的城市。應(yīng)運(yùn)而生的智能交通系統(tǒng)ＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）通過(guò)使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)以提高現(xiàn)有交通系統(tǒng)的效率，給人類帶來(lái)了新的希望。根據(jù)美國(guó)智能交通協(xié)會(huì)ＩＴＳ ＡＭＥＲＩＣＡ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ）的定義，ＩＴＳ的兩個(gè)基本組成部分是先進(jìn)交通信息系統(tǒng)ＡＴＩＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｒａｖｅｌｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）和先進(jìn)交通管理系統(tǒng)ＡＴＭＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ）。ＡＴＩＳ使用視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)設(shè)備搜集相關(guān)交通信息，然后分析、傳遞和提供信息，從而在起點(diǎn)到終點(diǎn)的旅行過(guò)程中，向出行者提供實(shí)時(shí)幫助，使整個(gè)旅行過(guò)程舒適、方便、高效；ＡＴＭＳ將車輛作為管理系統(tǒng)的一部分，利用它感知并預(yù)測(cè)未來(lái)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(yùn)行的核心方法是動(dòng)態(tài)交通分配ＤＴＡ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｒａｆｆｉｃ Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ）。所謂動(dòng)態(tài)交通分配，就是將實(shí)時(shí)交通流量在路網(wǎng)各路段上進(jìn)行合理分配，為旅行者提供出發(fā)時(shí)間與方式選擇，為車輛提供道路誘導(dǎo)系統(tǒng)，引導(dǎo)車輛行駛在最佳線路上，并提供誘導(dǎo)系統(tǒng)與交通控制系統(tǒng)的相互聯(lián)系。

美國(guó)德克薩斯州奧斯汀大學(xué)于２００１年開(kāi)發(fā)出了一套實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)——ＤＹＮＡＳＭＡＲＴ－Ｘ。本文基于其研究成果，提出了一個(gè)ＣＯＲＢＡ分布式實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)的框架。

１ ＣＯＲＢＡ技術(shù)

從１９８９年成立起?熏對(duì)象管理組織ＯＭＧ（Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ）一直致力于使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使基于對(duì)象的軟件在分布異構(gòu)環(huán)境中可重用、可移植、可互操作。公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)ＣＯＲＢＡ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｏｂｊｅｃｔ Ｒｅｑｕｅｓｔ Ｂｒｏｋｅｒ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）即是由ＯＭＧ提出的應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)和對(duì)象技術(shù)規(guī)范。其核心是一套標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言、接口和協(xié)議，以支持異構(gòu)分布應(yīng)用程序間的互操作性及獨(dú)立于平臺(tái)和編程語(yǔ)言的對(duì)象重用。

ＣＯＲＢＡ技術(shù)是一個(gè)重大革新，它解決了系統(tǒng)集成中兩大著名問(wèn)題：（１）開(kāi)發(fā)客戶機(jī)／服務(wù)器應(yīng)用的困難；（２）快速集成新老系統(tǒng)的問(wèn)題。它被認(rèn)為是新出現(xiàn)的分布式對(duì)象管理ＤＯＭ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）技術(shù)的規(guī)范。ＤＯＭ技術(shù)在基本的分布式計(jì)算服務(wù)上提供了一個(gè)更高層次的面向?qū)ο蠼涌?。最高層次的?guī)范叫做對(duì)象管理體系結(jié)構(gòu)ＯＭＡ（Ｏｂｊｅｃｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ），見(jiàn)圖１。其中，ＯＲＢ的作用是對(duì)其他部件間的請(qǐng)求進(jìn)行傳遞；ＣＯＲＢＡ服務(wù)提供了一些基本的系統(tǒng)服務(wù)，如命名、持久性和事件通知等；ＣＯＲＢＡ設(shè)施包括用戶界面、信息管理等設(shè)施；ＣＯＲＢＡ域?qū)?yīng)于特定的應(yīng)用域，如財(cái)政、制造和遠(yuǎn)程通信技術(shù)等。

集成應(yīng)用對(duì)象的關(guān)鍵是使用接口定義語(yǔ)言ＩＤＬ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｌａｎｇｕａｇｅ）定義的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。一旦所有應(yīng)用和數(shù)據(jù)有了一個(gè)與ＩＤＬ兼容的接口，通信就會(huì)獨(dú)立于物理位置、平臺(tái)類型、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和程序語(yǔ)言。一個(gè)使用ＣＯＲＢＡ創(chuàng)建的信息系統(tǒng)仲裁這些軟件對(duì)象間的控制和信息流。

廣泛使用的ＣＯＲＢＡ２．０ ＯＲＢ是在對(duì)象間建立客戶機(jī)／服務(wù)器關(guān)系的中間件。使用一個(gè)ＯＲＢ，一個(gè)客戶機(jī)對(duì)象可以透明地調(diào)用一個(gè)服務(wù)器對(duì)象的一個(gè)方法，這個(gè)服務(wù)器對(duì)象可以在同一臺(tái)機(jī)器上，也可以在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。ＯＲＢ截聽(tīng)調(diào)用請(qǐng)求，并負(fù)責(zé)找到一個(gè)對(duì)象，執(zhí)行這個(gè)請(qǐng)求，傳遞參數(shù)，調(diào)用方法并返回結(jié)果。此客戶機(jī)不需要知道對(duì)象的位置、編程語(yǔ)言、操作系統(tǒng)或其他任何不屬于對(duì)象接口的方面。注意到客戶機(jī)／服務(wù)器作用只是協(xié)調(diào)兩個(gè)對(duì)象之間的相互作用非常重要。

２ 動(dòng)態(tài)交通分配

ＤＴＡ系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在保證對(duì)交通系統(tǒng)中周期性和非周期性的事件進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)的同時(shí)，還需要對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的路段、控制器和車輛的歷史、當(dāng)前及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。ＤＴＡ系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行要求系統(tǒng)同時(shí)滿足兩個(gè)條件：（１）系統(tǒng)響應(yīng)避免系統(tǒng)故障；（２）系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，如果不能及時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)也不致停止運(yùn)行。計(jì)算環(huán)境和軟件工具是保證一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的兩個(gè)主要因素。

２．１ 實(shí)時(shí)運(yùn)行機(jī)制

為了滿足實(shí)時(shí)運(yùn)行的要求，需要一個(gè)機(jī)制，使ＤＴＡ系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收測(cè)量值，并啟動(dòng)相應(yīng)的算法單元，傳遞結(jié)果到相應(yīng)的外部設(shè)備。圖２給出了這種實(shí)時(shí)運(yùn)行機(jī)制。在當(dāng)前運(yùn)行時(shí)段Ｔｉ的起點(diǎn)，ＤＴＡ系統(tǒng)接收并評(píng)價(jià)剛剛過(guò)去的運(yùn)行時(shí)段Ｔｉ－１的測(cè)量值?；谶@些測(cè)量值，整個(gè)系統(tǒng)及其中的算法單元在當(dāng)前時(shí)段響應(yīng)和作用。每個(gè)算法單元和整個(gè)集成系統(tǒng)在邏輯內(nèi)部和功能設(shè)計(jì)上均使用上述機(jī)制，從而通過(guò)運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)ＤＴＡ框架

實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)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(jì)（Ｏ即Ｏｒｉｇｉｎ，Ｄ即Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ，Ｏ－Ｄ估計(jì)即起迄點(diǎn)出行分布矩陣估計(jì)）；（４）Ｏ－Ｄ預(yù)測(cè)；（５）狀態(tài)估計(jì)；（６）狀態(tài)預(yù)測(cè)；（７）交通分配；（８）用戶界面；（９）數(shù)據(jù)庫(kù)：（１０）管理。這些功能單元之間相互作用并與ＡＴＭＳ數(shù)據(jù)庫(kù)相互作用。其中（１）負(fù)責(zé)檢查真實(shí)系統(tǒng)和ＤＴＡ仿真器與（３）之間的一致性，主要是比較預(yù)測(cè)的狀態(tài)變量和實(shí)際的狀態(tài)變量，一旦超過(guò)事先規(guī)定的閾值，即向（２）報(bào)告；（２）基于（１）的報(bào)告更新ＤＴＡ仿真器和（４）；（３）基于監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量值和歷史Ｏ－Ｄ數(shù)據(jù)，估計(jì)當(dāng)前道路網(wǎng)絡(luò)的起迄點(diǎn)出行矩陣；（４）基于當(dāng)前Ｏ－Ｄ估計(jì)結(jié)果、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和歷史Ｏ－Ｄ數(shù)據(jù)，產(chǎn)生未來(lái)時(shí)段的Ｏ－Ｄ預(yù)測(cè)；（５）把給定的非常短的仿真間隔（幾秒鐘）的路徑?jīng)Q策與（２）產(chǎn)生的調(diào)節(jié)結(jié)合來(lái)仿真交通流的類型；（６）仿真更長(zhǎng)時(shí)間的交通流的類型并提供未來(lái)時(shí)段（２０～３０ｍｉｎ）的路徑?jīng)Q策；（７）根據(jù)系統(tǒng)最優(yōu)和用戶平衡等不同用戶要求提供路徑?jīng)Q策：（８）提供用戶接口；（９）最小化其他單元請(qǐng)求的等待時(shí)間和最大化吞吐量；（１０）提供所有單元間的控制以維持系統(tǒng)穩(wěn)定并防止故障，同時(shí)保證系統(tǒng)同步。顯然，實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)基于層次結(jié)構(gòu)。最高層，即管理單元，其他單元各自被映射到一個(gè)不同的專用處理器，見(jiàn)圖３。

３ 基于ＣＯＲＢＡ的ＤＴＡ系統(tǒng)

３．１ ＡＭＨ框架下的ＤＴＡ系統(tǒng)

多處理機(jī)／并行計(jì)算對(duì)實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)相當(dāng)重要。在實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)中，一些功能周期性執(zhí)行；另一些功能非周期性地被其他功能觸發(fā)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)，最根本的一點(diǎn)是把握每個(gè)功能單元的執(zhí)行周期。

可以把所有循環(huán)集成在一個(gè)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(shí)現(xiàn)。每個(gè)功能以周期性模式、非周期性模式或聯(lián)合活動(dòng)模式運(yùn)行。周期性活動(dòng)模式下，基于執(zhí)行循環(huán)定時(shí)執(zhí)行；非周期性活動(dòng)模式下，只有當(dāng)其他功能發(fā)出一個(gè)事件調(diào)用請(qǐng)求時(shí)才執(zhí)行；聯(lián)合活動(dòng)模式下，一個(gè)功能定時(shí)執(zhí)行，同時(shí)允許其他功能觸發(fā)以啟動(dòng)一個(gè)新功能的運(yùn)行。也就是說(shuō)，在當(dāng)前執(zhí)行循環(huán)中，當(dāng)接收到一個(gè)調(diào)用請(qǐng)求時(shí)，將從下一個(gè)執(zhí)行循環(huán)的起點(diǎn)開(kāi)始新功能的運(yùn)行。這個(gè)策略非常重要，保證系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化實(shí)時(shí)響應(yīng)，同時(shí)維持整個(gè)ＤＴＡ系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定。

３．２ ＩＬＵ框架下的ＤＴＡ系統(tǒng)

在ＣＯＲＢＡ環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)最好使用中間語(yǔ)言統(tǒng)一體ＩＬＵ（Ｉｎｔｅｒ Ｌａｎｇｕａｇｅ Ｕｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ），因?yàn)椋桑蹋帐枪蚕淼?，可用性更好。ＩＬＵ支持?chuàng)建新的對(duì)象、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用和異步調(diào)用。一旦一個(gè)ＩＬＵ對(duì)象被創(chuàng)建，它就通知ＩＬＵ服務(wù)器其已經(jīng)存在。通過(guò)這個(gè)服務(wù)器，每個(gè)對(duì)象都能獲得其他對(duì)象的信息。此后，每個(gè)對(duì)象均能遠(yuǎn)程訪問(wèn)其他任何對(duì)象，就像在同一臺(tái)機(jī)器上。

實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)可以由三個(gè)主要對(duì)象組成：操作對(duì)象、ＧＵＩ和ＡＴＭＳ數(shù)據(jù)庫(kù)，見(jiàn)圖４。ＣＯＲＢＡ中的對(duì)象需要被指定為服務(wù)器或客戶機(jī)。服務(wù)器定義為一個(gè)接收客戶機(jī)請(qǐng)求并執(zhí)行這個(gè)請(qǐng)求的對(duì)象；客戶機(jī)定義為一個(gè)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求的對(duì)象。一個(gè)對(duì)象也可以同時(shí)被指定為客戶機(jī)和服務(wù)器。它既能發(fā)送也能接收請(qǐng)求。

    在實(shí)時(shí)ＤＴＡ系統(tǒng)中，三個(gè)對(duì)象均被指定為客戶機(jī)和服務(wù)器。在操作對(duì)象下設(shè)計(jì)六個(gè)子操作對(duì)象。每個(gè)子操作對(duì)象在一個(gè)運(yùn)行周期工作。在狀態(tài)估計(jì)對(duì)象下設(shè)計(jì)一致性檢查和一致性更新兩個(gè)對(duì)象，是因?yàn)檫@兩個(gè)對(duì)象與狀態(tài)估計(jì)對(duì)象直接作用。ＧＵＩ負(fù)責(zé)輸入指令輸出結(jié)果。ＡＴＭＳ數(shù)據(jù)庫(kù)包括實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)、系統(tǒng)輸出、歷史數(shù)據(jù)及其中的相互作用。

動(dòng)態(tài)交通分配是保證智能交通系統(tǒng)運(yùn)行的核心手段?；冢茫希遥拢良夹g(shù)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)交通分配系統(tǒng)是恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。國(guó)際上這方面的研究尚處于系統(tǒng)測(cè)試階段，而國(guó)內(nèi)更是剛剛起步。本文對(duì)這一框架進(jìn)行初步探討，期待有更多的學(xué)者深入研究，開(kāi)發(fā)出真正實(shí)用的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通分配系統(tǒng)，以促進(jìn)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。