交通信控無線運維系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

楊志華

（1.城市交通管理集成與優(yōu)化技術公安部重點實驗室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責任公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

交通信號控制器（以下簡稱“信號機”）管理道路交叉口的信號燈，是智能交通系統(tǒng)的關鍵控制設備，其發(fā)展先后經(jīng)歷了手動變換、機械電動控制、電子智能控制等多個階段[1]。隨著路口產(chǎn)品數(shù)量的增加及智能化技術的進步，信號機的智能化運維管理顯得越來越重要。

當前一些發(fā)達國家和地區(qū)通過基礎設施的規(guī)范化建設[2]、產(chǎn)品及維修備件的集成管理[3]、協(xié)議的標準化（如美國的NTCIP協(xié)議[4]，歐洲的OCIT協(xié)議[5]等）以及專業(yè)的交通數(shù)據(jù)應用分析平臺[6]，實現(xiàn)對設備的遠程維護與精細化管理。整體而言，其應用成本及技術要求較高，交通設備的管理由政府統(tǒng)籌（比如香港采用SCATS和SCOOT等國外信號機，1 800多個路口的維護由政府機電工程署負責[7]），應用不夠靈活，相關數(shù)據(jù)調(diào)取不方便，如Paruchuri等[8]提出的基于車輛到達時間的信號優(yōu)化方法以及Han[9]研究的基于交通信號狀態(tài)數(shù)據(jù)的車輛導航及優(yōu)化算法等，這些新技術對路口狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取均需重新設計新的數(shù)據(jù)傳輸通道。

國內(nèi)信號機產(chǎn)品及應用情況復雜多樣，導致其運維智能化及靈活性水平較低。首先，信號機產(chǎn)品差異大[10]、標準不夠完善、基礎設施更新較快，導致統(tǒng)一化的運維實施難度較大，為此蔣光勝[11]從規(guī)范化、精細化等方面分析了系統(tǒng)運營維護方法，但對不同軟硬件設備的智能化管理方法仍需進行深入研究；其次，很多路口信號機不具備有線聯(lián)網(wǎng)基礎，部分聯(lián)網(wǎng)設備的管理也需通過公安專網(wǎng)的交警控制平臺，存在企業(yè)化維護不靈活、大數(shù)據(jù)難以獲取等不足。當前，很多新技術在智能交通領域得到了較好的研究和應用，如孫正良等[12]分析了大數(shù)據(jù)交通信息的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)；杜呈旭等[13]研究了4G技術與智能交通的融合；包左軍[14]探索了新一代5G網(wǎng)絡與車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同發(fā)展。

整體而言，當前信號機運維成本較高、產(chǎn)品接入復雜、難以社會化應用。為此，本文將結(jié)合無線通信技術、大數(shù)據(jù)應用技術與智能交通系統(tǒng)，研究設計基于4G通信的交通信控無線運維系統(tǒng)，以實現(xiàn)對不同省市及不同信號機產(chǎn)品的兼容接入、統(tǒng)一運維和社會化應用，并通過在多個城市的實施，對系統(tǒng)進行功能性驗證。

1 無線運維系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

當前信號機通過有線網(wǎng)絡連接至交警管理中心，每個城市形成獨立的智能交通專網(wǎng)系統(tǒng)，難以建立多個城市大區(qū)域的運維應用平臺。為推動各種新技術在智能交通中的應用[15]，本文設計了采用4G物聯(lián)網(wǎng)卡進行無線通信的運維系統(tǒng)，其基本架構(gòu)如示意圖1所示。該系統(tǒng)不更改路口已有信號機的工作狀態(tài)，通過增加獨立的無線通信設備，實現(xiàn)路口相關數(shù)據(jù)的4G通信傳輸，利用運營商的網(wǎng)絡平臺，最終將信號機數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給無線運維服務器，并通過管理平臺實現(xiàn)對設備的遠程管理。

1.2 系統(tǒng)功能層設計

無線運維系統(tǒng)主要分接口設備、數(shù)據(jù)中心、運維平臺3個運行層級，如圖2所示。

無線運維系統(tǒng)的接口設備為一個獨立的無線通信設備，可實現(xiàn)對不同類型信號機和不同城市設備的多種數(shù)據(jù)接入及歸一化后的無線數(shù)據(jù)傳輸管理，實現(xiàn)對設備運維的終端智能管理。

交通信控大數(shù)據(jù)中心內(nèi)部包括多個不同的數(shù)據(jù)庫，如設備故障數(shù)據(jù)庫、機動車流量數(shù)據(jù)庫、信號燈實時狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、信號機運維日志數(shù)據(jù)庫等。各數(shù)據(jù)庫可根據(jù)功能進行擴展，實現(xiàn)對相關設備的一站式多種數(shù)據(jù)的集中管理與分類優(yōu)化。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2 運維系統(tǒng)功能層設計圖

交通信控運維平臺為一個集成化的信控平臺，可實現(xiàn)對不同權限用戶的管理，并分類設置其查看、調(diào)用不同功能數(shù)據(jù)內(nèi)容的權限，實現(xiàn)交通信控運維的智能化管理、促進交通信息應用的社會化推廣。

1.3 系統(tǒng)安全管理

信號機作為控制交通通行的關鍵設備，其運行安全性非常重要。針對無線通信技術應用，閆軍杰[16]分析了多種數(shù)據(jù)加密方法及防御措施，其中部分方法也可用于無線運維系統(tǒng)的實現(xiàn)，同時也需針對系統(tǒng)應用特點建立新的安全管理機制。

無線運維通信系統(tǒng)采用多重安全處理機制，以保障自身安全以及與交警專網(wǎng)的隔離，具體有：

（1）無線通信設備實現(xiàn)了4G遠程控制隔離，即禁止任何通過4G通信方式對信號機的控制操作；

（2）通過加密算法管理，對設備的有線聯(lián)網(wǎng)控制操作進行了多重安全認證與限制；

（3）采用只發(fā)不收的方式進一步提高無線系統(tǒng)的安全可靠性，并只對符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)進行傳輸處理；

（4）對于連接交警管理平臺的信號機，無線通信模塊采用路由隔離的模式實現(xiàn)了交警專網(wǎng)與4G公網(wǎng)的可靠隔離防護。

2 無線通信設備設計

2.1 設備基本功能

信號機的無線運維功能必須充分考慮信號機的實際應用需求，實現(xiàn)終端應用的模塊化與便捷化。路口信號機存在有網(wǎng)絡接口或只有串行通信接口等情況。為了實現(xiàn)對已有信號機的兼容連接，同時不改變其當前工作狀態(tài)，本研究設計了獨立的無線通信設備，如示意圖3所示。無線通信設備與信號機之間采用網(wǎng)絡和串口雙重通信方式，可實現(xiàn)與多個信號機的連接。對于已經(jīng)通過網(wǎng)絡連接至交警信控管理平臺的信號機，無線通信設備可在與交警管理平臺有線聯(lián)網(wǎng)的同時，實現(xiàn)與無線運維服務平臺的實時信息交互。

圖3 無線通信設備功能示意圖

無線通信設備可根據(jù)不同的連接情況，調(diào)用不同的軟件模塊實現(xiàn)差異化輸入、統(tǒng)一化輸出。無線通信設備通過網(wǎng)口或串口獲取信號機實時數(shù)據(jù)后，發(fā)送給運維服務中心。對于有線聯(lián)網(wǎng)的信號機，無線通信模塊同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給交警控制中心。為實現(xiàn)更全面的無線運維管理，無線通信設備還可通過其他串口和IO輸入口連接或檢測路口其他設備，獲取車流量、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并發(fā)送給運維中心，實現(xiàn)對不同交通設備及工作狀態(tài)的全面運維管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活接入。

2.2 多服務器連接功能

無線通信設備4G通信傳輸還具備同時向多個服務器中心差異化傳輸數(shù)據(jù)的功能，即可通過軟件設置多個服務器接收端口，實現(xiàn)對不同服務器不同類型數(shù)據(jù)的并行或獨立發(fā)送。多個服務器可根據(jù)運維需求設置在不同的單位或省市，可較好地降低有線通信多重聯(lián)網(wǎng)的復雜性。如圖4所示，無線通信模塊將所有數(shù)據(jù)上傳到中心服務器，同時將車流量、平均車速、排隊長度等數(shù)據(jù)發(fā)送給交通優(yōu)化單位的服務器，將故障信息發(fā)送給負責設備維護單位的服務器。

圖4 4G設備連接多個服務器

3 運維功能實現(xiàn)

為實現(xiàn)對信號機的無線運維，本文設計開發(fā)了系統(tǒng)運維平臺，可實現(xiàn)對信號機等設備的故障監(jiān)控、機動車流量統(tǒng)計、信號機運行狀態(tài)顯示、運維日志存取等功能。

3.1 信號機故障運維

對信號機進行故障管理是無線運維系統(tǒng)的首要任務。通過對信號機故障信息的實時接收、顯示及自動報警，可實現(xiàn)故障的及時發(fā)現(xiàn)和智能處理，推動對故障更準確的檢測及定位新技術的應用[17]。運維平臺通過對歷史故障信息的大數(shù)據(jù)分析，可實現(xiàn)對不同故障的分級管理及數(shù)據(jù)記錄關聯(lián)，將嚴重故障通過管理平臺直接推送給運維技術人員，以實現(xiàn)對故障的快速、專業(yè)化分析。

信號機的故障維護及處理僅授權于專業(yè)的維護人員查看和管理。如表1所示，通過查看運維平臺故障設備狀態(tài)，實現(xiàn)對故障的遠程定位，進一步結(jié)合信號機的狀態(tài)信息、軟硬件版本信息等數(shù)據(jù)庫歷史記錄進行系統(tǒng)分析，從而實現(xiàn)故障的快速解決。

表1 運維平臺故障查看列表

3.2 車流量及交通優(yōu)化

車流量信息是交通優(yōu)化的基礎。當前道路交叉口車流量檢測器應用情況差異較大：多數(shù)路口沒有車流量檢測器，或者路口信號機不支持實時優(yōu)化控制；部分路口為協(xié)調(diào)式信號機，但所應用的車流量數(shù)據(jù)較單一，新的檢測參數(shù)無法實際應用。無線運維設備終端既可接收信號機內(nèi)部的車流量數(shù)據(jù)，又可通過RS 485通信接口連接檢測器，獲取全面的車輛檢測信息；對于需要優(yōu)化方案而無檢測器的路口，可架設臨時檢測設備，將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給無線運維平臺。

無線運維系統(tǒng)實時統(tǒng)計信號機或車輛檢測器發(fā)送的車流量數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。部分信號機無法直接應用的平均車速、車牌號、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，可通過運維平臺進行大數(shù)據(jù)分析或新算法試驗。無線運維系統(tǒng)，通過對檢測器通道號、路口車道、方向、時間段的精細化統(tǒng)計分析，可得知路口的交通擁堵狀況，生成區(qū)域交通狀態(tài)評價結(jié)果；進一步結(jié)合實時放行的信號燈燈色，可實現(xiàn)路口信號控制方案的智能優(yōu)化[18]。通過無線運維系統(tǒng)對路口交通優(yōu)化前后方案對比如圖5所示。交通優(yōu)化功能可授權給信號控制優(yōu)化及評價人員，用以實現(xiàn)對交通優(yōu)化方案的智能化生成及驗證。

圖5 運維平臺方案優(yōu)化

3.3 信號狀態(tài)實時獲取

通過對道路交叉口的運維管理，可進一步獲取信號機的實時控制信息，如利用手持終端可隨時便捷地查看路口的實時運行信息，實現(xiàn)運行狀態(tài)的社會化應用。

結(jié)合地圖信息，無線運維平臺可將各路口的實時燈色、控制方式、執(zhí)行相位、倒計時時間等信號燈控制數(shù)據(jù)實時顯示在規(guī)劃的行車路線上，同時結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)應用進行紅綠燈提醒[19]，并生成車輛行駛至下一路口的建議車速，實現(xiàn)全路段更勻速、更通暢的行車管理。在沒有倒計時顯示器的路口，行人也可通過該平臺查看相應路口的實時倒計時或感應控制的最大綠燈信號控制狀態(tài)。如圖6所示，各種信號控制狀態(tài)可更全面地顯示在應用終端界面上，其中G表示綠燈，Y表示黃燈，R表示紅燈。

3.4 運維服務管理

無線運維系統(tǒng)可通過終端與服務器的交互，實現(xiàn)對運維日志、交通狀況、優(yōu)化方案等信息的統(tǒng)一管理。平臺通過記錄運維人員對信號機的維修時間、人員信息、故障處理情況等數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對信號控制設備更系統(tǒng)化的維修管理，并通過維修記錄推動信號機產(chǎn)品可靠、持續(xù)地升級。社會大眾人員在查看路口交通運行狀態(tài)的同時，也可通過手持終端實時上報路口交通及設備運行異常情況，實現(xiàn)交通狀況及故障更及時準確的獲取。

圖6 信號控制實時狀態(tài)圖

4 系統(tǒng)應用實例

為推動無線運維系統(tǒng)的進一步落地實施，本文開發(fā)了可便捷連接的無線通信設備用于實現(xiàn)4G無線通信、數(shù)據(jù)接入等終端運維功能，并分別在多個路口（包括合肥、蚌埠、宣城、天長4個城市的10個試驗點，分3種型號的信號機）進行了安裝測試及應用，如表2所示。試驗中，所有終端設備均通過4G無線通信的方式連接至公司的運維服務中心，路口信號機包括與公安交警后臺有線聯(lián)網(wǎng)及未聯(lián)網(wǎng)兩種情況，實現(xiàn)了有線與4G無線的雙網(wǎng)絡連接及未聯(lián)網(wǎng)設備的無線聯(lián)網(wǎng)運維。

表2 無線運維系統(tǒng)應用情況

試驗證明，無線運維系統(tǒng)可用于信號機故障的遠程查看和分析，提高了故障運維智能化水平與實時性。針對部分已安裝車流量檢測器的試驗路口，運維平臺實現(xiàn)了信號機方案的遠程在線優(yōu)化，并通過與原信號機方案進行對比分析，實現(xiàn)了路口交通優(yōu)化的遠程智能評價。同時該運維平臺也可通過手機等設備接入查看，實現(xiàn)了設備的實時無線管理。試驗結(jié)果還表明，無線運維系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了對不同城市、不同類型、不同聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的信號機的統(tǒng)一運維，解決了城市、設備類型的運維約束；實現(xiàn)了在線信號優(yōu)化、交叉口狀態(tài)獲取等功能；系統(tǒng)獨立于交警專網(wǎng)，可與相關智能交通項目的大規(guī)模應用相結(jié)合，進一步提高其社會化應用價值。

5 結(jié)語

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，智能交通系統(tǒng)也需要更好地融入、推動智慧城市的建設。本文通過設計具有多輸入接口的無線通信設備，實現(xiàn)信號機端的4G無線數(shù)據(jù)傳輸，并通過與服務器數(shù)據(jù)庫中心、運維平臺、手持終端等各個節(jié)點的可靠連接，建立了一套基于4G通信獨立于交警專網(wǎng)的無線運維管理系統(tǒng)。

試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)可較好地實現(xiàn)交通信控運維服務信息在非公安專網(wǎng)領域的應用拓展，推動信控人員對優(yōu)化方案的智能生成及評價，促進信號控制設備物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展與應用。由于本系統(tǒng)尚未在項目中大規(guī)模應用，為充分發(fā)揮無線運維平臺的作用，還需進一步加強與大數(shù)據(jù)平臺、交通優(yōu)化、車聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)的有效結(jié)合，并對無線運維系統(tǒng)的便捷應用及開放接口的標準化實現(xiàn)展開深入研究。