基于微服务架构的综合交通资源智能协同调度系统设计

文图｜李标 封春房

MaaS；多模式交通出行；出行服务；系统架构

当前，国内大城市日均出行量呈现快速增长态势，高峰拥堵、换乘不便、耗时长、停车难、体验差等问题凸显。我国《交通强国建设纲要》提出，要推进出行服务快速化、便捷化，打造基于移动智能终端技术的服务系统，实现出行即服务。因此，如何优化整合、集约高效利用政府、企业及个体出行资源，为交通出行者提供多渠道、多方式、可预约、可定制的高品质出行服务，已成为当前亟待解决的问题与挑战。

为提升城市交通出行服务和管理水平，国内外部分学者在交通出行需求优化、出行资源优化配置、一站式出行服务等方面开展了相关研究和应用探索。当前基于MaaS的出行服务框架和多模式集成服务理念已基本发展成型，但在实际应用过程中仍存在技术和应用瓶颈。为此，本文提出面向公众出行的多模式综合交通资源智能协同调度系统，结合公交车、出租车、网约车、共享单车等多方式出行资源的衔接特性，整合多种共享出行方式的运营信息和调度资源，接入常规出行方式服务资源，使单一方式出行资源向多模式集成式出行资源转变。从出行者和管理者的角度来说，实现一站式、全链条出行服务，以及公共出行资源的一体化调度及运行状态反馈自优化，提升出行服务质量和管理效率，提高出行便利性和舒适性。从运营者的角度来说，实现不同用户群体整合接入，运力资源最大化利用和多方共赢。

一、智慧出行业务需求

当前城市交通出行方式日渐丰富，在出行模式选择上也逐渐由单一出行方式发展到多种出行方式组合，从而对交通运输部门、公安交通管理部门、运营管理部门等提出了不同方式交通资源的协同管理、优化调度等方面的挑战。

研究城市综合交通智慧出行服务体系、落地方法和措施具有迫切的需求，主要体现为以下五个方面：一是多方式组合出行需求，需要多方式出行资源的协同供给，如公交车、出租车、网约车、共享单车等；二是多方式出行链的高度融合需求，向用户提供全过程一体化衔接信息，用户可实时把握多模式交通最新出行信息；三是出行计划个性化定制需求，可向用户提供个性化、智能化的交互式体验；四是多模式交通出行资源协同调度需求，通过交通管控手段实现交通运输方式、枢纽场站、多模式出行工具等资源的优化配置，平衡出行需求、出行资源在空间和时间上的分布；五是应对公共出行参与度广、关联衔接度高、多模式协同需求高等多元化服务场景需求，研究建立多模式综合交通智能出行协同调度系统，实现综合交通资源一体化协同调度及运行状态反馈自优化。

二、综合交通资源智能协同调度系统设计

（一）面向微服务的体系结构

目前，微服务环境框架是软件工程设计领域一种新型的软件架构模式，其核心思想是将系统软件单一应用程序划分成若干小颗粒的、互相独立且能够采用分布式部署模式的软件服务，服务的开发、部署在各自独立的进程中，每个软件服务之间互相协调、互相配合，每个服务都围绕具体业务进行构建，为用户提供最终价值，服务与服务间采用轻量级的通信机制互相沟通（RESTful API），服务可独立扩展伸缩，每个服务定义了明确的边界，不同的服务甚至可以用不同的编程语言来实现，由独立的运营团队来维护。

图1 微服务技术结构

基于此，通过分析综合交通资源智能协同调度系统在MaaS中开展应用的客观需求，本文应用微服务技术框架和MaaS基础理论，提出了微服务环境下的综合交通资源智能协同调度系统架构和体系化功能应用，以实现异构的单一出行服务系统的资源整合与服务应用的集成化、场景化、协同化和智能化。

（二）系统架构设计

综合交通资源智能协同调度系统以微服务框架为核心技术载体，在系统架构设计层面，将系统构建为数据与应用之间“分层解耦、灵活开放”的分层架构，同时采用面向对象和软件组件化技术，使系统具备可持续、可迭代、可扩展等特性，能较好地满足出行服务业务发展需要；在业务架构层面，通过对各类业务需求的分类、归纳和抽象，总结分析出具有迭代上升空间的业务处理模型，并与实际业务应用场景进行融合落地。

基于系统需求调研，面向城市交通运输部门、公安交通管理部门、运营单位、交通出行者等不同的服务对象，围绕综合交通资源运行监测、多方式出行资源协同调度、交通组织管控和出行诱导服务等内容，以顶层设计思维，自下而上研究制定了包括感知/认知层、网络层、基础IT层、数据资源存储分析层、业务应用层、应用展现层等的系统整体架构，研究设计了交通运行状态监测、出行资源配置与调度、交通时空协同管控、交通出行协同诱导及系统评估与优化等系统应用功能。系统整体架构参见图2所示。

图2 基于微服务架构的综合交通资源智能协同调度系统整体架构图

1.感知层。感知层是构建整个综合交通场站、出行线路、出行人员等完备、全量交通信息环境的基础感知和控制系统，包括对人、车、路、环境及事件等信息的全方位、深刻感知刻画。其中，感知和控制设备包括交通节点运行状态感知设备、交通场站全场景客流监测设备、车载式客流和车流综合感知设备、其他感知设备等。

2.网络层。利用有线网络和无线网络传输技术，构建集光纤传输骨干网、移动通信网、无线局域网、无线传感网、广播网等多种方式为一体的基础网络，建立形成政务网、视频专网、互联网等不同网络，为文本、视频图像、语音等信息的传输提供强有力保障。

3.基础IT层。搭建整个系统的数据计算、存储、网络、安全等完善的基础设施环境，提供统一的计算资源、存储资源、网络资源和安全资源，可按需、自主动态分配基础设施资源，并实现不同类别资源统一集中管理。

4.数据资源存储分析层。通过统一数据接入服务、统一数据交互协议、数据关联融合处理服务及数据分析挖掘服务等组件，建设系统数据资源库，为业务应用系统提供数据支撑；并以大数据、微服务框架等基础技术为载体，支撑路网及重要节点运行状态研判服务、多方式出行资源动态配置与调度服务、重要节点交通时空一体化管控服务、特殊或异常交通需求的多方式出行诱导服务等的运行。

5.业务应用层。面向交通运输部门、公安交通管理部门、运营单位与出行者等应用与服务对象，以出行服务、交通管控等业务为主导，搭建交通运行状态监测、出行资源配置与调度、交通时空协同管控、出行协同诱导、系统自主评估与优化、可视化动态展示等应用功能。

6.应用展现层。其是面向系统用户提供信息服务的窗口，至少包括移动智能终端App、路面可变信息标志、语音广播、业务应用系统门户、车载智能终端等多种信息展示渠道。

（三）系统应用设计

1.系统微服务应用划分

根据系统整体架构设计，将系统服务模块分为两个部分：一是基础公共服务模块，二是业务处理服务模块；其中，基础公共服务模块包括对引用的第三方组件的封装、系统设计的各类共性组件模块等，业务处理服务模块包括进行业务处理所需要的处理、分析、模型等模块。根据前述的微服务体系结构，基于微服务框架开发环境，将综合交通资源智能协同调度系统的各功能模块设计为微服务，包括基础公共微服务和业务定制微服务两类。

研究设计的系统功能模块分类及相应的微服务分类参见上述表1所示，将系统的基础公共服务设计为基础功能微服务模块，业务定制服务根据业务功能设计出各自定制的业务微服务模块，各类微服务设计成独立运行应用程序，可以实现在不同的服务器环境中部署，同时通过定义标准化的服务接口，使用服务所提供的功能。

表1 系统应用微服务设计划分列表

2.应用功能模块设计

应用功能模块是综合交通资源智能协同调度业务需求实现的关键，从业务场景需求和技术实现融合的视角，以应用功能模块构成图的方式描述业务应用功能的框架；研究设计出面向不同业务单位和出行者业务应用场景的整体应用系统，建立组件化、工具化的业务微服务应用，满足管理对象和服务对象个性化、定制化的业务应用。本设计根据出行资源综合协同业务需求和业务逻辑关系，基于路网交通状态实时监测技术、路网运行状态预测技术、出行资源动态配置与调度技术、交通时空一体化智慧管控技术、特殊或异常交通需求下出行诱导技术等方法，实现系统集成应用效果。应用功能模块参见图3所示。

图3 综合交通资源智能协同调度系统应用功能模块构成

（1）交通运行状态监测模块，包括统一汇聚接入前端感知设备获取的交通运行基础数据、其他外部系统交互的数据，利用以路网、主干道、关键交叉口等为场景要素的交通运行状态研判算法模型，输出路网实时交通运行状态并基于GIS电子地图进行分图层、分类分级展示；统一汇聚接入前端感知设备所获取的交通运行基础数据、其他外部系统交互的数据，利用以交通场站（汽车客运站、火车站、交通枢纽场站）为场景要素的交通运行状态研判算法模型，输出交通场站实时运行状态，并基于GIS电子地图进行分图层、分类分级展示；统一汇聚接入前端感知设备获取的交通运行基础数据、其他外部系统交互的数据，利用以多种出行方式（公交车、出租车、网约车、共享单车等）为场景要素的分类研判算法模型，输出不同出行方式实时运行状态，并基于GIS电子地图进行分图层、分类分级展示。

（2）出行资源配置与调度模块，包括标准化接入各类出行方式（公交、出租车、网约车、共享单车等）的出行调度数据，基于GIS电子地图进行分类展示，实现对出行方式调度方案的动态管理，以及可调度资源实时查询；基于系统分析出的路网交通运行状态、交通场站运行状态、多种出行方式运行状态等数据，以及各类出行方式的调度数据，利用研究构建的交通供需失衡、出行资源动态配置等算法模型，研判分析交通供需失衡点，生成不同出行方式的动态配置和协同调度方案，并基于GIS电子地图进行分类展示。

（3）交通时空协同管控模块，包括重点节点协同管控功能。基于重要交通节点的机动车、非机动车和步行等多方式感知数据，利用多方式运行效率测算模型，从时空匹配、方式匹配、供需匹配等多个角度评判多方式时空协同管控策略运行效率，并进行优选，输出重要交通节点的交通组织与控制协同优化方案；基于路网交通运行状态、公交线路客流、交通需求预测结果、路口交通信号配时方案等基础数据，综合考虑各种出行方式，利用多相位多公交请求冲突下的公交优先判定模型，输出公交优先方案，并下发相应系统执行。

（4）出行协同诱导服务模块，包括基于路网交通运行状态、交通事件、停车场数据等信息，利用突发事件下路网运行状态演化模型、多方式出行协同诱导模型，输出多方式协同的定制式、个性化诱导方案；以大型活动、突发事件等特殊或异常交通需求为场景，统一集成多种交通信息发布方式，实现多方式出行协同诱导，可以同时根据出行者的不同出行方式，向出行不同阶段的出行者推送定制化的个性诱导方案等。

（5）系统自主评估与优化模块，包括协同调度方案评估。基于研究构建的运行状态评价指标体系和评价方法，构建自主评估模型，动态评估资源配置和调度方案，输出评估结果，并实现基于GIS电子地图的可视化展示；基于调度方案的评估结果，利用深度学习技术和智能化算法构建自主迭代优化模型，定周期优化迭代调度方案，实现调度方案自主优化并反馈至系统进行执行，同时基于GIS地图进行展示。

三、系统实现创新特征

随着移动互联、大数据、人工智能、5G等新兴信息化和通信传输技术的日益成熟，以及在城市交通管理、出行服务等领域的广泛应用，为城市公众出行信息服务、交通出行资源协同服务的发展提供了重要的技术支撑和实现载体；相比传统单一方式交通出行资源调度、互联网交通出行服务等系统架构和技术应用，多模式交通出行资源智能协同调度系统的整体架构和应用设计具有以下“5New”特征体现：

第一个新（New）：交通运输部门、公安交通管理部门、运营管理部门、社会单位及互联网公司之间数据融合共享的层次更深、更凸出，同时业务应用的数据开放程度更加显著、开放颗粒度更加聚焦。

第二个新（New）：城市单一出行方式向多种类别集成共享、综合交通出行服务转变，实现了不同模式出行服务方式的全面协同、高度耦合，向用户提供全过程一体化交通出行智能衔接信息。

第三个新（New）：通过各类交通运行状态综合监测、出行资源动态配置与调度、交通时空一体化智慧管控等技术方法，并基于微服务软件环境，构建形成了智能化的多层次、多手段的综合交通出行资源协同调度服务架构。

第四个新（New）：将交通出行链和多模式交通方式进行精确匹配，全局优化多方式出行资源配置，提高出行服务质量与运营效益。

第五个新（New）：面向有差异化需求的出行管理对象、出行服务对象，基于本文设计的业务应用功能，其实现的应用场景更具创新性、不同用户综合体验感更强，同时更具象化、微服务化。