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)公安部重點實驗室，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機設(shè)計與實現(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)公安部重點實驗室，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)有道路交通信號控制系統(tǒng)已難滿足現(xiàn)今的智能化趨勢。通過設(shè)計CAN通信和以太網(wǎng)通信雙層架構(gòu)，實現(xiàn)了大容量信息的高效傳輸以及信號燈控制和車輛信息的實時交互。通過燈組監(jiān)控模塊設(shè)計，實現(xiàn)了信號燈的雙重管控，在信號燈或其控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，確保實時執(zhí)行方案降級或獨立黃閃控制。以上高效通信和雙重管控策略有效提高了道路交通信號控制系統(tǒng)運行質(zhì)量，為智能交通的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。

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

引言

交通信號控制系統(tǒng)（以下簡稱信號機）根據(jù)給定的信號燈控制順序要求及實時交通流信息，分析計算出合理的交通信號控制方案，并控制道路交通信號燈的運行，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，信號機傳輸、處理的數(shù)據(jù)量也越來越大[1]，控制方案的適應(yīng)性及時間精度要求也越來越高。由于交通信號控制的重要性，需要更可靠地判斷信號燈及信號機自身的各種故障，并合理地調(diào)整運行方案。

當(dāng)前信號機內(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。同時由于通信的分時控制及較少信息量的獲取，信號機無法對信號燈實現(xiàn)更精確的時間控制，在信號機出現(xiàn)故障時，也不能有效更換方案或降級控制[5]。因此，需進(jìn)一步提高信號機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)計了信號機的雙重管控模式，旨在推動信號機的智能化發(fā)展。

1 信號機功能概述

信號機的基本功能是實現(xiàn)對交叉路口信號燈組的控制，需滿足道路交叉口信號燈的基本控制要求，并可根據(jù)實際需要進(jìn)行擴展。一個典型的十字交叉路口一般需設(shè)置直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)4個方向12個機動車燈組（紅黃綠信號燈），以及4個行人信號燈組（紅綠信號燈），共需控制12×3＋4×2＝44個信號燈控制輸出；如考慮非機動車燈組、行人二次過街燈組、公交車專用燈組，或者控制多路口信號燈，信號機所需的信號燈控制輸出更多。為此，信號機一般采用單個主控單元和多個燈組控制單元的分布式連接形式，以便于管理及維護(hù)，實現(xiàn)主控單元負(fù)責(zé)信號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現(xiàn)對信號燈的開關(guān)控制。由于主控單元和燈組控制單元之間還有信號燈實時工作狀態(tài)、故障信息、倒計時信息等內(nèi)容，實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大。

目前國內(nèi)很多小縣市的信號機還僅是單點定時信號機，只能按照預(yù)先設(shè)定的方案運行。國內(nèi)很多大中型城市的感應(yīng)式信號機或集中協(xié)調(diào)式信號機均取得了較好的發(fā)展和應(yīng)用，它們除了實現(xiàn)信號燈的基本控制管理外，還實時采集和處理路口的車流量等信息，并上傳給后臺管理中心，成為當(dāng)前信號機的一項重要功能。同時，隨著智能交通的發(fā)展，當(dāng)前國內(nèi)信號機內(nèi)核也由8位單片機轉(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，在信號機內(nèi)部增加了對信號機的抓拍監(jiān)控、對機柜門的遠(yuǎn)程管理、對實時環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)控等越來越多的功能，與此同時也亟待實現(xiàn)這些信息的有效傳輸與處理。

2 智能信號機設(shè)計

2.1 信號機系統(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)，實現(xiàn)了信號控制系統(tǒng)智能化水平的提高及運行可靠性的增強。如圖1所示，本信號控制系統(tǒng)包括智能管理模塊、燈組監(jiān)控模塊、燈組管理單元、機柜監(jiān)控單元、車輛檢測單元等多個組成部件。以智能管理模塊為核心，各部件之間通過2路獨立的通信總線相互連接。

圖1 智能交通信號控制系統(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地下發(fā)各種控制方案，提高實時性。CAN總線無需分時傳輸?shù)奶攸c，可讓燈組管理單元及時傳輸自身檢測到的各種故障信息，提高信號控制系統(tǒng)對故障分析及處理的實時性；同時燈組監(jiān)控模塊可實時監(jiān)控總線狀態(tài)并獲取信號燈故障狀態(tài)，以備必要時控制系統(tǒng)調(diào)整方案運行，或執(zhí)行獨立黃閃控制。

智能管理模塊通過以太網(wǎng)1，與機柜監(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)，智能管理模塊可實時獲取大批量的車流量信息，并據(jù)此更及時地調(diào)整優(yōu)化信號控制方案；機柜監(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時傳輸給后臺管控中心，無需單獨的路由設(shè)備。

信號機的相關(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上傳給后臺管控中心，并可接收后臺管控中心的遠(yuǎn)程控制指令或參數(shù)設(shè)置信息。

2.2 信號機各模塊功能

智能管理模塊是信號機的管理核心及信息傳輸中心，負(fù)責(zé)分析計算接收到的車流量信息及信號控制需求，以實時優(yōu)化信號控制方案。智能管理模塊將優(yōu)化后的信號燈組控制方案實時發(fā)送給燈組管理單元，并接收燈組管理單元實時監(jiān)控的信號燈狀態(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)運行可靠性進(jìn)行雙重有效管理，實時監(jiān)控故障。智能管理模塊還可作為信息傳輸中介，將機柜監(jiān)控單元的監(jiān)控信息及時通過局域網(wǎng)發(fā)送給后臺管控中心。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，可切斷與以太網(wǎng)1的連接，以確保信號機燈組控制的可靠運行。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)控模塊為信號機的二級管理核心部件，負(fù)責(zé)在智能管理模塊失效時，接管對信號機的控制，保證信號機的基本運行；內(nèi)部有若干路黃燈控制電路，可在信號燈、燈組管理單元、系統(tǒng)通信等方面出現(xiàn)故障時，執(zhí)行獨立黃閃控制。在無智能管理模塊時，燈組監(jiān)控模塊也可與多個燈組管理單元實現(xiàn)對信號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)控模塊的實時監(jiān)控、備用方案及黃閃控制，實現(xiàn)了對信號機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)換為合理的信號燈控制命令，控制相應(yīng)的信號燈組的紅黃綠信號燈運行；負(fù)責(zé)檢測相應(yīng)燈組的紅黃綠信號燈實際工作狀態(tài)，并與實時的燈組控制命令進(jìn)行對比分析，如信號燈出現(xiàn)故障，則及時廣播上報。

車輛檢測單元負(fù)責(zé)實時監(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個核心傳輸模塊，也可為根據(jù)路口的檢測器設(shè)計采用多個車輛檢測單元；車輛檢測方式可為地磁、微波、視頻等各種車輛檢測裝置。

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

3 智能信號機實現(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，并通過存儲器實現(xiàn)系統(tǒng)方案、交通流、抓拍的圖片等信息的臨時或長期存儲；通過CAN隔離電路，模塊CPU可有效實現(xiàn)與外部模塊的電氣隔離，進(jìn)而通過CAN收發(fā)器實現(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，可實時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)計算處理，結(jié)合自身存儲的系統(tǒng)控制方案信息，對信號控制進(jìn)行實時優(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，模塊自身存儲了交通信號基本控制方案，可在智能管理模塊方面出現(xiàn)故障時接管信號控制系統(tǒng)的運行。模塊CPU同時也可獨立控制系統(tǒng)黃燈的運行，可在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使信號燈獨立黃閃運行。燈組監(jiān)控模塊可有效實現(xiàn)系統(tǒng)的降級控制。

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)將車流量信息實時傳輸給智能管理模塊。機柜監(jiān)控單元用于預(yù)防信號控制系統(tǒng)被非法打開等，原理是通過其攝像頭抓拍機柜門旁的場景，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。供電電路與機柜門連接，當(dāng)機柜門打開時，機柜監(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，機柜門閉合后，機柜監(jiān)控單元斷電停止工作，以降低系統(tǒng)功耗。

4 結(jié)束語

本文交通信號控制系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)更為高效可靠，通過CAN通信和以太網(wǎng)通信實現(xiàn)了信息傳輸，通過雙重管理控制實現(xiàn)了對系統(tǒng)故障的有效降級管理；通過機柜監(jiān)控單元實現(xiàn)了對信號控制系統(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，更好地實現(xiàn)對信號控制的優(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].自動化博覽, 2015(1): 58-60.

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[3]肖圣兵. 新型智能交通信號機的研究與設(shè)計[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控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].北京: 北京交通大學(xué), 2014.

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

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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：交通信號控制及優(yōu)化技術(shù)。

E-mail: yangzhihua@ahkeli.com