楊志華

（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）

0 引言

交通信號(hào)控制器（以下簡稱“信號(hào)機(jī)”）管理道路交叉口的信號(hào)燈，是智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵控制設(shè)備，其發(fā)展先后經(jīng)歷了手動(dòng)變換、機(jī)械電動(dòng)控制、電子智能控制等多個(gè)階段[1]。隨著路口產(chǎn)品數(shù)量的增加及智能化技術(shù)的進(jìn)步，信號(hào)機(jī)的智能化運(yùn)維管理顯得越來越重要。

當(dāng)前一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)通過基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)范化建設(shè)[2]、產(chǎn)品及維修備件的集成管理[3]、協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用分析平臺(tái)[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)與精細(xì)化管理。整體而言，其應(yīng)用成本及技術(shù)要求較高，交通設(shè)備的管理由政府統(tǒng)籌（比如香港采用SCATS和SCOOT等國外信號(hào)機(jī)，1 800多個(gè)路口的維護(hù)由政府機(jī)電工程署負(fù)責(zé)[7]），應(yīng)用不夠靈活，相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)取不方便，如Paruchuri等[8]提出的基于車輛到達(dá)時(shí)間的信號(hào)優(yōu)化方法以及Han[9]研究的基于交通信號(hào)狀態(tài)數(shù)據(jù)的車輛導(dǎo)航及優(yōu)化算法等，這些新技術(shù)對(duì)路口狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取均需重新設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)傳輸通道。

國內(nèi)信號(hào)機(jī)產(chǎn)品及應(yīng)用情況復(fù)雜多樣，導(dǎo)致其運(yùn)維智能化及靈活性水平較低。首先，信號(hào)機(jī)產(chǎn)品差異大[10]、標(biāo)準(zhǔn)不夠完善、基礎(chǔ)設(shè)施更新較快，導(dǎo)致統(tǒng)一化的運(yùn)維實(shí)施難度較大，為此蔣光勝[11]從規(guī)范化、精細(xì)化等方面分析了系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)方法，但對(duì)不同軟硬件設(shè)備的智能化管理方法仍需進(jìn)行深入研究；其次，很多路口信號(hào)機(jī)不具備有線聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，部分聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理也需通過公安專網(wǎng)的交警控制平臺(tái)，存在企業(yè)化維護(hù)不靈活、大數(shù)據(jù)難以獲取等不足。當(dāng)前，很多新技術(shù)在智能交通領(lǐng)域得到了較好的研究和應(yīng)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(shí)現(xiàn)；杜呈旭等[13]研究了4G技術(shù)與智能交通的融合；包左軍[14]探索了新一代5G網(wǎng)絡(luò)與車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同發(fā)展。

整體而言，當(dāng)前信號(hào)機(jī)運(yùn)維成本較高、產(chǎn)品接入復(fù)雜、難以社會(huì)化應(yīng)用。為此，本文將結(jié)合無線通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)與智能交通系統(tǒng)，研究設(shè)計(jì)基于4G通信的交通信控?zé)o線運(yùn)維系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同省市及不同信號(hào)機(jī)產(chǎn)品的兼容接入、統(tǒng)一運(yùn)維和社會(huì)化應(yīng)用，并通過在多個(gè)城市的實(shí)施，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能性驗(yàn)證。

1 無線運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前信號(hào)機(jī)通過有線網(wǎng)絡(luò)連接至交警管理中心，每個(gè)城市形成獨(dú)立的智能交通專網(wǎng)系統(tǒng)，難以建立多個(gè)城市大區(qū)域的運(yùn)維應(yīng)用平臺(tái)。為推動(dòng)各種新技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用[15]，本文設(shè)計(jì)了采用4G物聯(lián)網(wǎng)卡進(jìn)行無線通信的運(yùn)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(hào)機(jī)的工作狀態(tài)，通過增加獨(dú)立的無線通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)路口相關(guān)數(shù)據(jù)的4G通信傳輸，利用運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，最終將信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給無線運(yùn)維服務(wù)器，并通過管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理。

1.2 系統(tǒng)功能層設(shè)計(jì)

無線運(yùn)維系統(tǒng)主要分接口設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、運(yùn)維平臺(tái)3個(gè)運(yùn)行層級(jí)，如圖2所示。

無線運(yùn)維系統(tǒng)的接口設(shè)備為一個(gè)獨(dú)立的無線通信設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型信號(hào)機(jī)和不同城市設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)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(gè)不同的數(shù)據(jù)庫，如設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫、機(jī)動(dòng)車流量數(shù)據(jù)庫、信號(hào)燈實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、信號(hào)機(jī)運(yùn)維日志數(shù)據(jù)庫等。各數(shù)據(jù)庫可根據(jù)功能進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)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(yùn)維系統(tǒng)功能層設(shè)計(jì)圖

交通信控運(yùn)維平臺(tái)為一個(gè)集成化的信控平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同權(quán)限用戶的管理，并分類設(shè)置其查看、調(diào)用不同功能數(shù)據(jù)內(nèi)容的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)交通信控運(yùn)維的智能化管理、促進(jìn)交通信息應(yīng)用的社會(huì)化推廣。

1.3 系統(tǒng)安全管理

信號(hào)機(jī)作為控制交通通行的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行安全性非常重要。針對(duì)無線通信技術(shù)應(yīng)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(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也需針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)建立新的安全管理機(jī)制。

無線運(yùn)維通信系統(tǒng)采用多重安全處理機(jī)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(shè)備實(shí)現(xiàn)了4G遠(yuǎn)程控制隔離，即禁止任何通過4G通信方式對(duì)信號(hào)機(jī)的控制操作；

（2）通過加密算法管理，對(duì)設(shè)備的有線聯(lián)網(wǎng)控制操作進(jìn)行了多重安全認(rèn)證與限制；

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

（4）對(duì)于連接交警管理平臺(tái)的信號(hào)機(jī)，無線通信模塊采用路由隔離的模式實(shí)現(xiàn)了交警專網(wǎng)與4G公網(wǎng)的可靠隔離防護(hù)。

2 無線通信設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備基本功能

信號(hào)機(jī)的無線運(yùn)維功能必須充分考慮信號(hào)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)終端應(yīng)用的模塊化與便捷化。路口信號(hào)機(jī)存在有網(wǎng)絡(luò)接口或只有串行通信接口等情況。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)已有信號(hào)機(jī)的兼容連接，同時(shí)不改變其當(dāng)前工作狀態(tài)，本研究設(shè)計(jì)了獨(dú)立的無線通信設(shè)備，如示意圖3所示。無線通信設(shè)備與信號(hào)機(jī)之間采用網(wǎng)絡(luò)和串口雙重通信方式，可實(shí)現(xiàn)與多個(gè)信號(hào)機(jī)的連接。對(duì)于已經(jīng)通過網(wǎng)絡(luò)連接至交警信控管理平臺(tái)的信號(hào)機(jī)，無線通信設(shè)備可在與交警管理平臺(tái)有線聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與無線運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)的實(shí)時(shí)信息交互。

圖3 無線通信設(shè)備功能示意圖

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

2.2 多服務(wù)器連接功能

無線通信設(shè)備4G通信傳輸還具備同時(shí)向多個(gè)服務(wù)器中心差異化傳輸數(shù)據(jù)的功能，即可通過軟件設(shè)置多個(gè)服務(wù)器接收端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同服務(wù)器不同類型數(shù)據(jù)的并行或獨(dú)立發(fā)送。多個(gè)服務(wù)器可根據(jù)運(yùn)維需求設(shè)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(fù)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(wù)器，同時(shí)將車流量、平均車速、排隊(duì)長度等數(shù)據(jù)發(fā)送給交通優(yōu)化單位的服務(wù)器，將故障信息發(fā)送給負(fù)責(zé)設(shè)備維護(hù)單位的服務(wù)器。

圖4 4G設(shè)備連接多個(gè)服務(wù)器

3 運(yùn)維功能實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)的無線運(yùn)維，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了系統(tǒng)運(yùn)維平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)等設(shè)備的故障監(jiān)控、機(jī)動(dòng)車流量統(tǒng)計(jì)、信號(hào)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示、運(yùn)維日志存取等功能。

3.1 信號(hào)機(jī)故障運(yùn)維

對(duì)信號(hào)機(jī)進(jìn)行故障管理是無線運(yùn)維系統(tǒng)的首要任務(wù)。通過對(duì)信號(hào)機(jī)故障信息的實(shí)時(shí)接收、顯示及自動(dòng)報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和智能處理，推動(dòng)對(duì)故障更準(zhǔn)確的檢測(cè)及定位新技術(shù)的應(yīng)用[17]。運(yùn)維平臺(tái)通過對(duì)歷史故障信息的大數(shù)據(jù)分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同故障的分級(jí)管理及數(shù)據(jù)記錄關(guān)聯(lián)，將嚴(yán)重故障通過管理平臺(tái)直接推送給運(yùn)維技術(shù)人員，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速、專業(yè)化分析。

信號(hào)機(jī)的故障維護(hù)及處理僅授權(quán)于專業(yè)的維護(hù)人員查看和管理。如表1所示，通過查看運(yùn)維平臺(tái)故障設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的遠(yuǎn)程定位，進(jìn)一步結(jié)合信號(hào)機(jī)的狀態(tài)信息、軟硬件版本信息等數(shù)據(jù)庫歷史記錄進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而實(shí)現(xiàn)故障的快速解決。

表1 運(yùn)維平臺(tái)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(chǔ)。當(dāng)前道路交叉口車流量檢測(cè)器應(yīng)用情況差異較大：多數(shù)路口沒有車流量檢測(cè)器，或者路口信號(hào)機(jī)不支持實(shí)時(shí)優(yōu)化控制；部分路口為協(xié)調(diào)式信號(hào)機(jī)，但所應(yīng)用的車流量數(shù)據(jù)較單一，新的檢測(cè)參數(shù)無法實(shí)際應(yīng)用。無線運(yùn)維設(shè)備終端既可接收信號(hào)機(jī)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(cè)器，獲取全面的車輛檢測(cè)信息；對(duì)于需要優(yōu)化方案而無檢測(cè)器的路口，可架設(shè)臨時(shí)檢測(cè)設(shè)備，將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給無線運(yùn)維平臺(tái)。

無線運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)信號(hào)機(jī)或車輛檢測(cè)器發(fā)送的車流量數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫。部分信號(hào)機(jī)無法直接應(yīng)用的平均車速、車牌號(hào)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，可通過運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析或新算法試驗(yàn)。無線運(yùn)維系統(tǒng)，通過對(duì)檢測(cè)器通道號(hào)、路口車道、方向、時(shí)間段的精細(xì)化統(tǒng)計(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果；進(jìn)一步結(jié)合實(shí)時(shí)放行的信號(hào)燈燈色，可實(shí)現(xiàn)路口信號(hào)控制方案的智能優(yōu)化[18]。通過無線運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)路口交通優(yōu)化前后方案對(duì)比如圖5所示。交通優(yōu)化功能可授權(quán)給信號(hào)控制優(yōu)化及評(píng)價(jià)人員，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通優(yōu)化方案的智能化生成及驗(yàn)證。

圖5 運(yùn)維平臺(tái)方案優(yōu)化

3.3 信號(hào)狀態(tài)實(shí)時(shí)獲取

通過對(duì)道路交叉口的運(yùn)維管理，可進(jìn)一步獲取信號(hào)機(jī)的實(shí)時(shí)控制信息，如利用手持終端可隨時(shí)便捷地查看路口的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的社會(huì)化應(yīng)用。

結(jié)合地圖信息，無線運(yùn)維平臺(tái)可將各路口的實(shí)時(shí)燈色、控制方式、執(zhí)行相位、倒計(jì)時(shí)時(shí)間等信號(hào)燈控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在規(guī)劃的行車路線上，同時(shí)結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)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(shí)現(xiàn)全路段更勻速、更通暢的行車管理。在沒有倒計(jì)時(shí)顯示器的路口，行人也可通過該平臺(tái)查看相應(yīng)路口的實(shí)時(shí)倒計(jì)時(shí)或感應(yīng)控制的最大綠燈信號(hào)控制狀態(tài)。如圖6所示，各種信號(hào)控制狀態(tài)可更全面地顯示在應(yīng)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(yùn)維服務(wù)管理

無線運(yùn)維系統(tǒng)可通過終端與服務(wù)器的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)維日志、交通狀況、優(yōu)化方案等信息的統(tǒng)一管理。平臺(tái)通過記錄運(yùn)維人員對(duì)信號(hào)機(jī)的維修時(shí)間、人員信息、故障處理情況等數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)控制設(shè)備更系統(tǒng)化的維修管理，并通過維修記錄推動(dòng)信號(hào)機(jī)產(chǎn)品可靠、持續(xù)地升級(jí)。社會(huì)大眾人員在查看路口交通運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，也可通過手持終端實(shí)時(shí)上報(bào)路口交通及設(shè)備運(yùn)行異常情況，實(shí)現(xiàn)交通狀況及故障更及時(shí)準(zhǔn)確的獲取。

圖6 信號(hào)控制實(shí)時(shí)狀態(tài)圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

為推動(dòng)無線運(yùn)維系統(tǒng)的進(jìn)一步落地實(shí)施，本文開發(fā)了可便捷連接的無線通信設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)4G無線通信、數(shù)據(jù)接入等終端運(yùn)維功能，并分別在多個(gè)路口（包括合肥、蚌埠、宣城、天長4個(gè)城市的10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分3種型號(hào)的信號(hào)機(jī)）進(jìn)行了安裝測(cè)試及應(yīng)用，如表2所示。試驗(yàn)中，所有終端設(shè)備均通過4G無線通信的方式連接至公司的運(yùn)維服務(wù)中心，路口信號(hào)機(jī)包括與公安交警后臺(tái)有線聯(lián)網(wǎng)及未聯(lián)網(wǎng)兩種情況，實(shí)現(xiàn)了有線與4G無線的雙網(wǎng)絡(luò)連接及未聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)運(yùn)維。

表2 無線運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用情況

試驗(yàn)證明，無線運(yùn)維系統(tǒng)可用于信號(hào)機(jī)故障的遠(yuǎn)程查看和分析，提高了故障運(yùn)維智能化水平與實(shí)時(shí)性。針對(duì)部分已安裝車流量檢測(cè)器的試驗(yàn)路口，運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)機(jī)方案的遠(yuǎn)程在線優(yōu)化，并通過與原信號(hào)機(jī)方案進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)了路口交通優(yōu)化的遠(yuǎn)程智能評(píng)價(jià)。同時(shí)該運(yùn)維平臺(tái)也可通過手機(jī)等設(shè)備接入查看，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)無線管理。試驗(yàn)結(jié)果還表明，無線運(yùn)維系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同城市、不同類型、不同聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的信號(hào)機(jī)的統(tǒng)一運(yùn)維，解決了城市、設(shè)備類型的運(yùn)維約束；實(shí)現(xiàn)了在線信號(hào)優(yōu)化、交叉口狀態(tài)獲取等功能；系統(tǒng)獨(dú)立于交警專網(wǎng)，可與相關(guān)智能交通項(xiàng)目的大規(guī)模應(yīng)用相結(jié)合，進(jìn)一步提高其社會(huì)化應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能交通系統(tǒng)也需要更好地融入、推動(dòng)智慧城市的建設(shè)。本文通過設(shè)計(jì)具有多輸入接口的無線通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)端的4G無線數(shù)據(jù)傳輸，并通過與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中心、運(yùn)維平臺(tái)、手持終端等各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠連接，建立了一套基于4G通信獨(dú)立于交警專網(wǎng)的無線運(yùn)維管理系統(tǒng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)交通信控運(yùn)維服務(wù)信息在非公安專網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，推動(dòng)信控人員對(duì)優(yōu)化方案的智能生成及評(píng)價(jià)，促進(jìn)信號(hào)控制設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。由于本系統(tǒng)尚未在項(xiàng)目中大規(guī)模應(yīng)用，為充分發(fā)揮無線運(yùn)維平臺(tái)的作用，還需進(jìn)一步加強(qiáng)與大數(shù)據(jù)平臺(tái)、交通優(yōu)化、車聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)的有效結(jié)合，并對(duì)無線運(yùn)維系統(tǒng)的便捷應(yīng)用及開放接口的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)展開深入研究。