基于高效通信和雙重管控的智能信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊志華，張博，岳彩林，王玉梅

（1. 城市交通管理集成與優(yōu)化技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230088；2. 安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽合肥，230088）

基于高效通信和雙重管控的智能信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊志華1,2，張博2，岳彩林2，王玉梅2

（1. 城市交通管理集成與優(yōu)化技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥，230088；2. 安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽合肥，230088）

現(xiàn)有道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)已難滿足現(xiàn)今的智能化趨勢。通過設(shè)計(jì)CAN通信和以太網(wǎng)通信雙層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大容量信息的高效傳輸以及信號(hào)燈控制和車輛信息的實(shí)時(shí)交互。通過燈組監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)燈的雙重管控，在信號(hào)燈或其控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，確保實(shí)時(shí)執(zhí)行方案降級(jí)或獨(dú)立黃閃控制。以上高效通信和雙重管控策略有效提高了道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，為智能交通的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

智能交通；信號(hào)機(jī)；CAN通信；以太網(wǎng)；雙重管控；大數(shù)據(jù)

引言

交通信號(hào)控制系統(tǒng)（以下簡稱信號(hào)機(jī)）根據(jù)給定的信號(hào)燈控制順序要求及實(shí)時(shí)交通流信息，分析計(jì)算出合理的交通信號(hào)控制方案，并控制道路交通信號(hào)燈的運(yùn)行，是道路交通系統(tǒng)的核心。隨著我國道路交通系統(tǒng)的快速發(fā)展，以及更多電氣設(shè)備的應(yīng)用產(chǎn)生了更為復(fù)雜的電磁干擾，為適應(yīng)智能交通與大數(shù)據(jù)的融合，信號(hào)機(jī)傳輸、處理的數(shù)據(jù)量也越來越大[1]，控制方案的適應(yīng)性及時(shí)間精度要求也越來越高。由于交通信號(hào)控制的重要性，需要更可靠地判斷信號(hào)燈及信號(hào)機(jī)自身的各種故障，并合理地調(diào)整運(yùn)行方案。

當(dāng)前信號(hào)機(jī)內(nèi)部多采用RS485、RS232等串行通信方式[2-4]，其抗干擾能力較弱、穩(wěn)定性不足、通信速率較低、難以傳輸較大數(shù)據(jù)量的信息。同時(shí)由于通信的分時(shí)控制及較少信息量的獲取，信號(hào)機(jī)無法對信號(hào)燈實(shí)現(xiàn)更精確的時(shí)間控制，在信號(hào)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，也不能有效更換方案或降級(jí)控制[5]。因此，需進(jìn)一步提高信號(hào)機(jī)的通信效率及可靠性水平，以有效提高城市智能交通管理的運(yùn)行質(zhì)量。

本文采用基于CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)通信和以太網(wǎng)通信的雙路高效通信方式，設(shè)計(jì)了信號(hào)機(jī)的雙重管控模式，旨在推動(dòng)信號(hào)機(jī)的智能化發(fā)展。

1 信號(hào)機(jī)功能概述

信號(hào)機(jī)的基本功能是實(shí)現(xiàn)對交叉路口信號(hào)燈組的控制，需滿足道路交叉口信號(hào)燈的基本控制要求，并可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展。一個(gè)典型的十字交叉路口一般需設(shè)置直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)4個(gè)方向12個(gè)機(jī)動(dòng)車燈組（紅黃綠信號(hào)燈），以及4個(gè)行人信號(hào)燈組（紅綠信號(hào)燈），共需控制12×3＋4×2＝44個(gè)信號(hào)燈控制輸出；如考慮非機(jī)動(dòng)車燈組、行人二次過街燈組、公交車專用燈組，或者控制多路口信號(hào)燈，信號(hào)機(jī)所需的信號(hào)燈控制輸出更多。為此，信號(hào)機(jī)一般采用單個(gè)主控單元和多個(gè)燈組控制單元的分布式連接形式，以便于管理及維護(hù)，實(shí)現(xiàn)主控單元負(fù)責(zé)信號(hào)控制方案等管理功能。燈組控制單元根據(jù)主控單元的命令信息實(shí)現(xiàn)對信號(hào)燈的開關(guān)控制。由于主控單元和燈組控制單元之間還有信號(hào)燈實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、故障信息、倒計(jì)時(shí)信息等內(nèi)容，實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大。

目前國內(nèi)很多小縣市的信號(hào)機(jī)還僅是單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)機(jī)，只能按照預(yù)先設(shè)定的方案運(yùn)行。國內(nèi)很多大中型城市的感應(yīng)式信號(hào)機(jī)或集中協(xié)調(diào)式信號(hào)機(jī)均取得了較好的發(fā)展和應(yīng)用，它們除了實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的基本控制管理外，還實(shí)時(shí)采集和處理路口的車流量等信息，并上傳給后臺(tái)管理中心，成為當(dāng)前信號(hào)機(jī)的一項(xiàng)重要功能。同時(shí)，隨著智能交通的發(fā)展，當(dāng)前國內(nèi)信號(hào)機(jī)內(nèi)核也由8位單片機(jī)轉(zhuǎn)向應(yīng)用32位乃至64位的ARM嵌入式處理器[6]，處理能力得到較大增強(qiáng)，在信號(hào)機(jī)內(nèi)部增加了對信號(hào)機(jī)的抓拍監(jiān)控、對機(jī)柜門的遠(yuǎn)程管理、對實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)控等越來越多的功能，與此同時(shí)也亟待實(shí)現(xiàn)這些信息的有效傳輸與處理。

2 智能信號(hào)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

為適應(yīng)智能交通的快速發(fā)展，采用高效可靠的CAN總線和以太網(wǎng)通信方式，以及雙重管控的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)控制系統(tǒng)智能化水平的提高及運(yùn)行可靠性的增強(qiáng)。如圖1所示，本信號(hào)控制系統(tǒng)包括智能管理模塊、燈組監(jiān)控模塊、燈組管理單元、機(jī)柜監(jiān)控單元、車輛檢測單元等多個(gè)組成部件。以智能管理模塊為核心，各部件之間通過2路獨(dú)立的通信總線相互連接。

圖1 智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)架構(gòu)

智能管理模塊通過CAN總線與燈組監(jiān)控模塊、多個(gè)燈組管理單元連接通信，該路通信主要用于燈組控制及狀態(tài)傳輸。由于CAN總線的通信速率較高，智能管理模塊可更及時(shí)地下發(fā)各種控制方案，提高實(shí)時(shí)性。CAN總線無需分時(shí)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，可讓燈組管理單元及時(shí)傳輸自身檢測到的各種故障信息，提高信號(hào)控制系統(tǒng)對故障分析及處理的實(shí)時(shí)性；同時(shí)燈組監(jiān)控模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)控總線狀態(tài)并獲取信號(hào)燈故障狀態(tài)，以備必要時(shí)控制系統(tǒng)調(diào)整方案運(yùn)行，或執(zhí)行獨(dú)立黃閃控制。

智能管理模塊通過以太網(wǎng)1，與機(jī)柜監(jiān)控單元、車輛檢測單元、環(huán)境檢測單元等連接通信，通過以太網(wǎng)，智能管理模塊可實(shí)時(shí)獲取大批量的車流量信息，并據(jù)此更及時(shí)地調(diào)整優(yōu)化信號(hào)控制方案；機(jī)柜監(jiān)控單元抓拍的系統(tǒng)監(jiān)控圖片和環(huán)境檢測單元的環(huán)境狀態(tài)信息也可通過智能管理模塊實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)管控中心，無需單獨(dú)的路由設(shè)備。

信號(hào)機(jī)的相關(guān)方案、故障、車流量等信息，可由智能管理模塊通過以太網(wǎng)2上傳給后臺(tái)管控中心，并可接收后臺(tái)管控中心的遠(yuǎn)程控制指令或參數(shù)設(shè)置信息。

2.2 信號(hào)機(jī)各模塊功能

智能管理模塊是信號(hào)機(jī)的管理核心及信息傳輸中心，負(fù)責(zé)分析計(jì)算接收到的車流量信息及信號(hào)控制需求，以實(shí)時(shí)優(yōu)化信號(hào)控制方案。智能管理模塊將優(yōu)化后的信號(hào)燈組控制方案實(shí)時(shí)發(fā)送給燈組管理單元，并接收燈組管理單元實(shí)時(shí)監(jiān)控的信號(hào)燈狀態(tài)信息。智能管理模塊及燈組管理單元均可以廣播的形式發(fā)送系統(tǒng)的關(guān)鍵控制信息及故障信息，以便燈組監(jiān)控模塊對系統(tǒng)運(yùn)行可靠性進(jìn)行雙重有效管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控故障。智能管理模塊還可作為信息傳輸中介，將機(jī)柜監(jiān)控單元的監(jiān)控信息及時(shí)通過局域網(wǎng)發(fā)送給后臺(tái)管控中心。如智能管理模塊檢測到以太網(wǎng)1的數(shù)據(jù)量太大或異常時(shí)，可切斷與以太網(wǎng)1的連接，以確保信號(hào)機(jī)燈組控制的可靠運(yùn)行。智能管理模塊對以太網(wǎng)1數(shù)據(jù)的處理流程如圖2。

圖2 智能管理模塊對以太網(wǎng)1的通信處理流程

燈組監(jiān)控模塊為信號(hào)機(jī)的二級(jí)管理核心部件，負(fù)責(zé)在智能管理模塊失效時(shí)，接管對信號(hào)機(jī)的控制，保證信號(hào)機(jī)的基本運(yùn)行；內(nèi)部有若干路黃燈控制電路，可在信號(hào)燈、燈組管理單元、系統(tǒng)通信等方面出現(xiàn)故障時(shí)，執(zhí)行獨(dú)立黃閃控制。在無智能管理模塊時(shí)，燈組監(jiān)控模塊也可與多個(gè)燈組管理單元實(shí)現(xiàn)對信號(hào)燈組的基本有效控制。若檢測到智能管理模塊的數(shù)據(jù)異常，燈組監(jiān)控模塊可將其CAN鏈路切斷。通過燈組監(jiān)控模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)控、備用方案及黃閃控制，實(shí)現(xiàn)了對信號(hào)機(jī)燈組管理的雙重管控。燈組監(jiān)控模塊的工作流程如圖3所示。

圖3 燈組監(jiān)控模塊工作流程

燈組管理單元負(fù)責(zé)接收智能管理模塊或燈組監(jiān)控模塊的燈組控制命令，并轉(zhuǎn)換為合理的信號(hào)燈控制命令，控制相應(yīng)的信號(hào)燈組的紅黃綠信號(hào)燈運(yùn)行；負(fù)責(zé)檢測相應(yīng)燈組的紅黃綠信號(hào)燈實(shí)際工作狀態(tài)，并與實(shí)時(shí)的燈組控制命令進(jìn)行對比分析，如信號(hào)燈出現(xiàn)故障，則及時(shí)廣播上報(bào)。

車輛檢測單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控道路各車道的車流量信息，并通過以太網(wǎng)傳輸給智能管理模塊；車輛檢測單元可為1個(gè)核心傳輸模塊，也可為根據(jù)路口的檢測器設(shè)計(jì)采用多個(gè)車輛檢測單元；車輛檢測方式可為地磁、微波、視頻等各種車輛檢測裝置。

機(jī)柜監(jiān)控單元通過視頻抓拍的方式，實(shí)時(shí)獲取并監(jiān)控信號(hào)機(jī)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)，若信號(hào)機(jī)機(jī)柜門被打開，機(jī)柜監(jiān)控單元被觸發(fā)上電工作，并抓拍機(jī)柜門外場景，然后將抓拍的照片通過智能管理模塊的中轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)管控中心；機(jī)柜監(jiān)控單元也可在機(jī)柜門打開上電后，根據(jù)后臺(tái)管控中心的命令進(jìn)行實(shí)時(shí)抓拍取景。環(huán)境檢測單元可實(shí)現(xiàn)對信號(hào)機(jī)內(nèi)外部相關(guān)環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測，如溫度、濕度、環(huán)境噪聲、空氣質(zhì)量等，協(xié)助實(shí)現(xiàn)對城市環(huán)境的監(jiān)控。

3 智能信號(hào)機(jī)實(shí)現(xiàn)

3.1 智能管理模塊

如圖4所示，智能管理模塊以模塊CPU為中央處理單元，并通過存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案、交通流、抓拍的圖片等信息的臨時(shí)或長期存儲(chǔ)；通過CAN隔離電路，模塊CPU可有效實(shí)現(xiàn)與外部模塊的電氣隔離，進(jìn)而通過CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的交互。模塊CPU為主頻1 GHz的Cotex-A8處理器，并配備2路標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口，可實(shí)時(shí)接收車輛檢測單元的車流量信息，并快速進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)計(jì)算處理，結(jié)合自身存儲(chǔ)的系統(tǒng)控制方案信息，對信號(hào)控制進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整。

圖4 智能管理模塊

3.2 燈組監(jiān)控模塊

燈組監(jiān)控模塊采用32位ARM微處理器芯片STM32。如圖5所示，模塊自身存儲(chǔ)了交通信號(hào)基本控制方案，可在智能管理模塊方面出現(xiàn)故障時(shí)接管信號(hào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。模塊CPU同時(shí)也可獨(dú)立控制系統(tǒng)黃燈的運(yùn)行，可在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)使信號(hào)燈獨(dú)立黃閃運(yùn)行。燈組監(jiān)控模塊可有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的降級(jí)控制。

圖5 燈組監(jiān)控模塊STM32

3.3 其它模塊

車輛檢測設(shè)備采用微波車輛檢測系統(tǒng)，不同方向的微波檢測器將車流量信息傳輸至車輛檢測單元，車輛檢測單元通過以太網(wǎng)將車流量信息實(shí)時(shí)傳輸給智能管理模塊。機(jī)柜監(jiān)控單元用于預(yù)防信號(hào)控制系統(tǒng)被非法打開等，原理是通過其攝像頭抓拍機(jī)柜門旁的場景，并通過以太網(wǎng)傳輸給智能管理模塊，也可接收智能管理模塊的抓拍命令。供電電路與機(jī)柜門連接，當(dāng)機(jī)柜門打開時(shí)，機(jī)柜監(jiān)控單元供電接入，并進(jìn)行連續(xù)5次間隔10 s的場景抓拍，機(jī)柜門閉合后，機(jī)柜監(jiān)控單元斷電停止工作，以降低系統(tǒng)功耗。

4 結(jié)束語

本文交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)更為高效可靠，通過CAN通信和以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)了信息傳輸，通過雙重管理控制實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)故障的有效降級(jí)管理；通過機(jī)柜監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)了對信號(hào)控制系統(tǒng)的安全監(jiān)控。

本系統(tǒng)的智能化水平更高，可利用各種車流量信息以及系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，更好地實(shí)現(xiàn)對信號(hào)控制的優(yōu)化分析。

[1]劉小明, 何忠賀. 城市智能交通系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].自動(dòng)化博覽, 2015(1): 58-60.

[2]曹成濤, 郭庚麒, 徐建閩. 智能交通信號(hào)機(jī)的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2010, 46(12): 68-71.

[3]肖圣兵. 新型智能交通信號(hào)機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2009.

[4]李少豪. 針對中小城市的交通信號(hào)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].北京: 北京交通大學(xué), 2014.

[5]張楠. 試析減少信號(hào)機(jī)故障的方法[J]. 哈爾濱鐵道科技, 2009(1): 31-32.

[6]畢海濱, 劉玉德, 林建龍, 等. 交通信號(hào)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J]. 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào): 2008, 26(1): 29-32.

Design and Realization on Intelligent Signal Controller Based on Efficient Communication and Dual Control

YANG Zhi-hua1,2, ZHANG Bo2, YUE Cai-lin2, WANG Yu-mei2

(1. Key Laboratory of Urban ITS Technology Optimization and Integration Ministry of Public Security, Hefei, Anhui,230088, China; 2. Anhui KeLi Information Industry Co., Ltd., Hefei, Anhui,230088, China)

Existing traffic signal control system is already difficult to meet the current trend of intelligence. Through design of dual layer architecture with CAN and Ethernet communication, high efficient transmissions of big data as well as real-time interaction of signal light control and automobile information are realized. Through the module design on light group surveillance, dual control on the signal light is realized so that real-time implementation of program degrade or independent yellow flash control will be stimulated along with failure on signal light or its control system. The efficient communication and dual control strategy above can effectively improve the quality of traffic signal control system, and provide a theoretical basis for the development of intelligent traffic.

Intelligent Traffic; Signal Controller; CAN Communication; Ethernet; Dual Control; Big Data

TP273

A

2095-8412 (2016) 06-1065-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.002

楊志華(1983-)，男，碩士，主要研究方向：交通信號(hào)控制及優(yōu)化技術(shù)。

E-mail: yangzhihua@ahkeli.com