交通信号控制远程托管中心系统

一、概述

随着社会经济的发展，解决城市交通拥堵已成为各国大中城市交通所面临的一项十分迫切的任务。交通信号控制系统作为现代化城市交通管理的核心和难点，不仅对于缓解交通拥堵、提高路网交通通行能力、确保路口安全至关重要，而且关乎国计民生与社会形象。

传统的以城市为单位建设的交通控制系统由现场信号控制设备、通讯网络、中心控制系统等部分组成。由于交通信号控制系统技术复杂，调试专业性强，维护难度大，不仅需要雄厚的资金保证而且需要专门的交通工程、控制专业技术人员作为长期支持。在我国，众多中、小城市交通问题十分突出，但在中小城市建立区域交通控制系统存在投资巨大、专业人才匮乏、升级维护困难等诸多难题，导致有的城市即使建立了道路交通信号控制系统也只能工作在单点状态，尤其当有大型警卫任务、大型活动等突发事件时，很难实现在指挥中心对信号灯进行集中控制。

为解决上述问题，北方工业大学研发了可普遍适用于我国广大中小城市的"交通信号控制远程托管中心系统"。该系统了构建一种集中管理与灵活组网相结合适合中小城市使用的全新的信号控制系统模式，获得了多项具有独立知识产权的专利技术，可以对全国还没有建立交通信号指挥控制系统或已建立但运行效果不理想的各城市，实现交通信号控制远程集中托管，不再需要引进或建设各自独立的交通信号控制中心系统。该系统已在北方工业大学建立远程信号控制中心，在大连金州区选取13个路口进行示范应用。

二、系统简介

交通信号控制远程托管中心系统在各城市现有路口交通信号机的基础上，利用远程网络实现本地系统与远程中心之间的协同运作。系统结构可以分为现场设备部分、远程通信部分、托管中心三个部分，由路口交通信号机、本地网络、本地交通数据网关、本地操作终端、远程通讯网络、托管中心交通数据网关、远程托管控制中心系统、托管中心操作终端等部分组成。

系统的基本构成如图1所示。

　　图1系统结构示意图

远程托管中心由交通数据网关和中心控制系统两部分组成。托管中心交通数据网关基于自定义的网络通信协议软件，实现不同交通信号机与交通信号控制系统的通讯解析；中心控制系统配置多种信号控制系统、大容量数据库和标准化城市电子地图。远程托管中心利用互联网建立多种信号控制系统与受控城市现场设备之间的通讯联接，并以专用虚拟网络方式在交通控制系统与受托城市信号机、操作终端之间进行数据交互，实现实时控制，是本系统的控制中心、通讯中心、数据处理与存储中心。同时，也是控制各受托城市交通运行的核心。

远程通讯网络由互联网实现托管中心交通数据网关与受托城市本地交通数据网关之间的联接，为保障网络数据交互的快速性和稳定性，通过网络通讯解耦和时延预测补偿技术，实现受托城市交通控制设备与托管中心信号控制系统的实时解耦控制。

受托城市部分由路口交通信号机、本地通讯网络、本地交通数据网关和本地操作终端组成。基于自定义的网络通信协议软件，实现不同交通信号控制系统与路口交通信号机的通讯解析。本地通讯网络保障本地交通数据网关与路口交通信号机的交互。本地操作终端在远程网络通讯正常时通过访问远程中心系统实现对路口交通信号机的优化控制；当远程网络通讯故障时采用只读方式监控路口交通信号机的运行状态，从而保障本地交管部门对交通信号机的无盲区管理。

三、系统功能

远程托管中心系统涵盖了多个主流城市交通信号控制系统的主要功能，通过远程网络托管中心的多个交通信号控制系统可对受控城市内的路口交通信号机实现无差别实时控制，网络时延不大于5秒，不影响系统正常运行。当远程网络通讯故障大于5秒时，受控城市的路口交通信号机同步采用本地控制模式。

受控城市以虚拟专网方式通过远程中心实现对路口交通信号机的控制，并且在远程网络通讯故障时在本地以只读方式了解路口交通信号机的工作状态。系统采用模块化设计，分为设备控制层、网络通讯层、托管中心服务层和应用层，各功能层包含不同的功能模块，并具有很强的移植性和扩展性；不同的城市或指挥中心可根据实际情况选择采用本中心系统全部或部分的功能。如图2所示为远程托管中心系统的功能结构。

图2系统功能结构图

图中，设备控制层为分布于不同城市的路口交通信号机，信号机将自身的控制状态、本路口的交通流数据等进行收集传送至网络通讯层，并接受来自网络通讯层的控制指令控制本路口的交通控制行为。

网络通讯层一方面将由设备控制层上传的数据和信息进行加密、封装、分发、转发至托管中心，并在托管中心对这些数据进行接收、解密、分解，提供给托管中心服务层进行处理；另一方面，将来自托管中心服务层的指令和数据传递、解释和应用到设备控制层。

托管中心服务层是本系统的功能核心，完成交通信号控制、交通数据处理和挖掘、数据库服务、交通信息发布、能见度检测、交通拥堵检测等应用功能，不同的城市可实现不同功能的任意组合。

应用层分为托管中心应用和城市终端应用两部分。在托管中心根据不同的城市交通情况，实现不同交通信号控制系统的具体应用，包括控制子区划分、区域信号配时协调、相位差优化等。受控城市操作终端根据本地实际情况对所辖区域内的交通信号控制路口进行实时调控，调控过程通过远程访问托管中心的具体信号系统来实现；当远程网络出现通讯故障时，操作终端对路口交通信号机进行运行状态监控。

如图3所示为系统的信息流程图：

图3系统信息流程图

四、关键技术

1、基于时延预测补偿的远程交通信号实时控制

为保证系统在实施远程托管后能够保持良好的实时性和稳定性，建立带时延补偿器的系统控制模型，将互联网通信环节视为纯滞后环节。采用改进的BP神经网络算法实现互联网传输时延在线预测。根据控制报文协议ICMP在指定时间间隔探测托管中心交通数据网关与受托城市交通数据网关之间数据包的往返时间(RTT)。经测试，北方工业大学到大连金州交警支队的RTT时延平均值为52.2ms；北方工业大学到南京市交警支队间RTT时延平均值为27.9ms；北方工业大学到武汉市交警支队间RTT时延平均值为236.9ms，完全满足交通信号控制系统数据传输不大于1s的实时性要求。

2、交通信号控制系统通讯解耦

系统分别配置托管中心交通数据网关和本地交通数据网关，将交通信号系统与路口交通信号机之间的通讯改变为的"远程托管控制系统---数据网关---互联网---数据网关---路口交通信号机"通信模式，通过研发专用远程网络通讯协议，实现路口交通信号机与交通信号控制系统间的通讯解耦，达到交通信号控制系统能对不同路口交通信号机实施远程控制。

3、交通数据网关ICU设备的设计及实现

ICU设备是支持系统功能远程实现的根本途径。ICU设备支持多种接口方式和通讯协议，主要有TCP/IP网络，包括LAN、VPN、CDMA和GPRS协议。ICU设备接收来自外站系统的数据，并将这些数据汇总为统一的数据报文，发送至中心控制系统，同时将中心控制系统下发的命令数据分解，分发至每一个联网的外站。

4、高性能大型交通数据库技术

实时交通数据是交通信号控制系统形成控制策略的重要依据，远程托管中心连接多个城市的现场控制设备，每天需要存储、处理数以亿条的交通数据。为满足应用业务数据接入的负载需求，本系统设计了具有高稳定性、可扩容的负载平衡系统（LVS）处理复杂数据的接入传输。LVS集群采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且调度器可以自动屏蔽掉发生故障的服务器，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。整个服务器集群的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。

5、研发并嵌入多种先进交通控制技术与管理方法

（1）城市道路交通拥堵快速检测与自动报警技术

利用车辆检测器检测数据，路口交通信号机与车辆检测器相连，将数据打包发送给远程中心系统，中心系统分析车辆检测器的交通数据以及当前信号运行情况判断道路交通的运行状况和交通道路是否拥堵。

（2）基于GIS的勤务线路信号控制技术

远程托管中心系统具有相应的GIS路网结构，用户通过操作终端登录信号控制托管中心系统，进行勤务线路的规划，并将勤务线路下载到用户终端计算机中，信号绿波控制指令通过远程网关下载至本地信号机执行。

（3）基于高清视频的能见度检测技术

距离图像采集设备位置（高清摄像机）的3个不同位置（一般为50米、100米、200米处）分别安装目标发光源作为测量靶标，发光标靶的闪烁周期为T秒（可自定义），根据高清摄像在闪烁周期内采集到的图像，通过光靶标区域的亮度差以及发光标靶的闪烁状态来判定当前各目标发光源可见性、推断该路段的当前能见度，如若存在大雾状况在1秒钟内实现快速报警。

五、示范工程

为检验交通信号控制远程托管中心系统的实际效果，北方工业大学、大连大学与大连市公安局交通警察支队共同开展了"交通信号控制远程托管中心系统"示范工程项目建设。该项目在北方工业大学建立远程信号控制中心，在大连金州区五一路选取13个路口安装前端信号控制设备。示范工程选取SCOOT系统作为远程交通信号控制系统。

对应用远程托管系统后的交通控制效果进行评价，示范道路各路口基本交通资料如表1所示，路口由西向东依次顺序为高速公路下匝道进入五一路。

表1大连金州区示范道路基本情况（五一路到桃园路口）

对测试结果进行统计，高峰时段（16：50~17：50）小时流量如图4所示，图中纵坐标为车流量，横坐标1~14分别代表从桃园路口由东向西依次顺序五一路进入高速公路。

图4示范道路高峰时段由东向西路口流量对比

高峰时段（16：50~17：50）小时流量如图5所示，图中纵坐标为车流量，横坐标1~14分别代表高速公路下匝道进入五一路，由西向东依次到桃园路口。

图5示范道路高峰时段由西向东路口流量对比

系统实施后与原系统旅行时间对比图如图6所示。图中，纵坐标为旅行时间（单位：秒），横坐标1~4分别代表下午16：20桃园开始由东向西到高速（平峰期）、下午16：35高速开始由西向东到桃园（晚高峰期）、下午16：50桃园开始由东向西到高速（晚高峰期）、中午12：20桃园开始由东向西到高速（低峰期）。

图6示范道路旅行时间对比（略）

系统实施后与原系统停车次数对比图如图7所示。图中，纵坐标为停车次数（单位：次），横坐标1~2分别代表全路段交通流高峰期和平峰期。

图7示范道路停车次数对比（略）

从上述测试结果可以看出，在交通控制效果方面，通过应用本系统可以使路口交通通行能力在高峰及平峰期均有不同程度的提高，且平均路段旅行时间和平均停车次数均缩短了20%以上。

六、结论

北方工业大学研发的"交通信号控制远程托管中心系统"，采用了多项自主研发的具有独立知识产权的专利技术，运用信号控制技术、远程网络实时数据传输技术、地理信息技术和交通管理等技术实现了对多城市、多区域、不同交通信号机和交通信号控制系统的远程集中托管。本项目所构建的集中控制管理与灵活组网相结合的全新交通信号控制模式，在国内外属首例，具有创新性、先进性和实用性，为提高我国中小城市智能交通信号控制水平探索出了一条新途径，开创了先进交通技术和管理方法以远程托管的模式在中小城市推广应用的先河。为全面提高我国智能交通管理水平，实现交通管理科学化、现代化，保障道路有序、畅通、安全做出了新贡献，起到了示范和推进作用。

作者简介

李正熙：北京市高层次人才，教授，工学博士，北方工业大学副校长，北方工业大学智能交通研究所所长、学科带头人。主要研究方向为智能交通控制系统、电力电子与电气传动、人工智能。

张永忠：研究员，北方工业大学智能交通研究所常务副所长。主要研究方向为智能交通控制系统、智能交通信号控制器。

张福生：研究员，北方工业大学智能交通研究所总工程师。主要研究方向为智能交通控制系统集成与开发、网络化控制系统。

姜廷顺：教授级高工，原大连交通警察支队副支队长。主要研究方向为交通管理与控制、智能交通新技术应用。

王力：副教授，北方工业大学智能交通研究所。主要研究方向为交通控制系统建模、仿真与评价。