金螳螂怡和技術(shù)文章入選《智能建筑》：基于云計算的城市交通信號控制系統(tǒng)

基于云計算的城市交通信號控制系統(tǒng)

摘要：基于云計算的信號控制系統(tǒng)，通過云計算的方式，對路口的信號燈進行控制。借助云計算的強大計算能力，完成從一個路口、到一條街道、到一個區(qū)域、直到整個城市的城市信號控制，且借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，和城市大腦、無人駕駛等網(wǎng)絡(luò)平臺對接，實現(xiàn)真正意義的智慧城市。

關(guān)鍵詞：交通信號控制、網(wǎng)絡(luò)信號燈、子區(qū)、信號控制平臺、云計算

一、概述

互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，對很多傳統(tǒng)技術(shù)帶來了變革，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，為世界帶來更大的變化。信號燈技術(shù)發(fā)明于140年前，也經(jīng)過了多次的技術(shù)革新。目前的信號控制，大量的還是單點控制，少量做到小區(qū)域控制，但由于技術(shù)壁壘以及接口原因，大范圍的區(qū)域控制和城市控制，還是無法實現(xiàn)。目前，一個規(guī)模稍大些的城市，都使用有多個廠商的信號機，但由于互相之間不能互聯(lián)互通，給城市建設(shè)帶來極大的不便。

基于云計算的城市交通信號控制系統(tǒng)，提出了一個通過云計算和云存儲的方法，對前端路口的信號燈進行控制，采用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決目前大量信號機不能互聯(lián)互通的問題，使城市交通控制從點線控制提升到城市控制，并打通和城市大腦、無人駕駛等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換，滿足智慧城市的需求。

二、方案設(shè)計

1、目前的信號控制系統(tǒng)

目前的交通信號控制系統(tǒng)，包含信號燈、車輛檢測器、路口信號機、區(qū)域控制機、中央控制系統(tǒng)，信號燈、車輛檢測器和信號機安裝在路口，區(qū)域控制機和中央控制系統(tǒng)安裝在控制室，信號燈、車輛檢測器和信號機通過線纜連接，信號機、區(qū)域控制機及中央控制機通過網(wǎng)絡(luò)連接。結(jié)構(gòu)較為復雜，配置、維護工作量非常大，可靠性也難以保證。

▲ 現(xiàn)有信號控制原理圖

2、網(wǎng)絡(luò)信號控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案提供了一種全新的架構(gòu)，采用全數(shù)字控制模式，通過云計算的方式，實現(xiàn)路口的交通信號控制。

系統(tǒng)由兩大部分組成，城市信號控制云平臺以及和外界平臺對接邊界（如城市大腦、無人駕駛平臺、城市應(yīng)急平臺）。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下：

網(wǎng)絡(luò)信號控制系統(tǒng)分三級：

第一級：路口信息采集和信號燈控制，通過路口的車輛檢測設(shè)備，實時感知路口的車流量情況，并實時傳輸?shù)街行钠脚_；信號燈接收到中心平臺的指令后，按指令顯示紅、黃、綠信號。

第二級：子區(qū)控制，把相鄰路口或路段的幾個路口（具體數(shù)量要根據(jù)現(xiàn)場定）畫成一個子區(qū)，由中心平臺對該子區(qū)的車流量數(shù)據(jù)進行分析，形成一個完善的子區(qū)信號控制方案，并下發(fā)到各個路口的信號燈進行執(zhí)行。整個城市的信號控制由N個子區(qū)組成。

第三級：中心云平臺，該云平臺由多個子模塊組成，包括信控模塊、管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、存儲模塊、GIS模塊、仿真模塊、運維模塊、指揮決策模塊等。模塊可按需進行選擇。

3、系統(tǒng)控制原理

本方法是基于云計算的城市交通信號控制，取消了路口信號機，解決了城市內(nèi)不同廠商的信號機不能互聯(lián)互通的問題，實現(xiàn)城市信號控制高度統(tǒng)一。

采用全數(shù)字化的設(shè)計理念，采用標準化的數(shù)據(jù)格式和TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，使信號控制更穩(wěn)當、更靈活、也更容易擴容。本方法描述的信號燈為帶網(wǎng)絡(luò)控制的信號燈，車檢器為帶網(wǎng)絡(luò)控制的車檢器。

按照路口的控制需求，可采用單點控制、子區(qū)控制、城市控制等多種控制方式，具體控制原理如下：

第一種模式：單點信號控制

a) 通過車檢器檢測路口的車流量情況，并把流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘柨刂破脚_，信號控制平臺通過計算和判斷，給出一套信號配時控制策略。

b) 通過網(wǎng)絡(luò)把信號配時控制策略下發(fā)到路口的信號燈，每個方向的信號燈接收到各自的指令后，按指令進行紅、黃、綠顯示。

c) 當不進行車流量檢測時，信號控制平臺也可按照預先設(shè)定好的定時控制、定周期控制策略等常規(guī)控制方式，對前端信號燈進行指揮。

第二種模式：子區(qū)控制

子區(qū)控制就是把相鄰的多個路口，人為地畫成一個區(qū)域，綜合考慮區(qū)域內(nèi)各路口的車流量情況，給出一個適合于整個區(qū)域的信號配時控制策略，然后指揮區(qū)域內(nèi)各路口信號燈放行，這樣可避免車流在路口溢出后，造成更大的擁堵。

a) 通過車檢器檢測路口的車流量情況，并把流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘柨刂破脚_和子區(qū)管理平臺。

b) 通過路口的信號控制平臺的計算和判斷，給出一套信號配時控制策略，然后由網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到前端信號燈，信號燈按指令進行紅、黃、綠顯示。

c) 子區(qū)管理平臺按照預設(shè)的模型，對各個路口的車流量數(shù)據(jù)進行建模和分析，對區(qū)域內(nèi)的交通狀態(tài)進行預測，在車流還沒出現(xiàn)不暢前，適度地調(diào)整某些路口的配時，提高車輛通行率，使車輛更快地通過該區(qū)域。當路口出現(xiàn)擁堵時，能根據(jù)建模和仿真后的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整各路口的放行時間，使車流更有序地通過各路口，避免出現(xiàn)越堵越死的現(xiàn)場，減輕道路擁堵壓力。

d) 在交通平峰和低峰時，子區(qū)管理平臺可根據(jù)區(qū)域內(nèi)的車輛情況，快速設(shè)置綠波帶。

e) 在交通平峰和低峰時，子區(qū)管理平臺也可取消子區(qū)控制，由各路口的信號控制平臺按照預先設(shè)定好的定時控制、定周期控制策略等常規(guī)控制方式，對前端信號燈進行指揮。

第三種模式：城市控制

整個城市的信號控制是建立在子區(qū)控制的基礎(chǔ)上，對城市內(nèi)的所有路口同時進行建模和分析，提前發(fā)現(xiàn)擁堵趨勢，并進行預測，制定更好的配時策略，指導各子區(qū)進行配時調(diào)整，及時把車輛分流出去。

a) 通過車檢器檢測路口的車流量情況，并把流量信息傳輸?shù)叫盘柨刂破脚_和子區(qū)控制平臺、中心控制平臺，信號控制平臺和子區(qū)控制平臺完成各自的控制任務(wù)。

b) 中心控制平臺按照預設(shè)的模型，對各個子區(qū)的車流量數(shù)據(jù)進行建模和分析，對各子區(qū)的交通狀態(tài)進行監(jiān)控和預測，當某個子區(qū)將出現(xiàn)異常時，在車流還沒出現(xiàn)不暢前，適度地調(diào)整其他子區(qū)路口的配時策略，把車流疏導到其他子區(qū)去。當路口出現(xiàn)擁堵時，能根據(jù)擁堵情況，從全局出發(fā)，及時指導其他子區(qū)調(diào)整配時，使車流更有序地通過各路口，避免出現(xiàn)越堵越死的現(xiàn)場，減輕城市擁堵壓力。

c) 在交通平峰和低峰時，可取消城市控制模式，由各子區(qū)或路口按照各自策略運行。

4、關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)

前端設(shè)備包含網(wǎng)絡(luò)信號燈、網(wǎng)絡(luò)車檢器，信號燈需集成網(wǎng)絡(luò)和控制模塊，能接收信號控制平臺下發(fā)的指令，并按要求控制信號燈的切換。車檢器也需集成網(wǎng)絡(luò)模塊，能把檢測到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)叫盘柨刂破脚_，便于平臺分析和判斷。

中心部分包含城市交通信號控制平臺，以及運行平臺的服務(wù)器和存儲設(shè)備，由于云計算的快速發(fā)展，采用云端服務(wù)來完成路口的建模和預測，將變得可能和精準，還能很方便地路口的增減。

三、小結(jié)

本系統(tǒng)采用了全數(shù)字架構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議，使交通信號控制系統(tǒng)的接口和數(shù)據(jù)容易進行標準化，解決信號聯(lián)網(wǎng)的問題。同時取消了前端信號機，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更為簡單，也非常方便地按需擴容。

近年，城市大腦和無人駕駛領(lǐng)域得到極大發(fā)展，通過與本系統(tǒng)對接，可為無人駕駛汽車提供精準的路口信號數(shù)據(jù)，指導汽車調(diào)整車速行駛，也可減輕城市擁堵的壓力。

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