車 輝 ，楊 波 ，邢慧芬 ，樊玉琦 ，鄭淑麗

（1.織里鎮(zhèn)公共事業(yè)服務(wù)中心，浙江 湖州 313000； 2.中國移動通信集團(tuán)山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000；3.巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 238000； 4.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著全國私家車擁有量的增加，城市交通擁堵現(xiàn)象更加嚴(yán)重，因此各城市加快了智慧交通[1]建設(shè)，以提高城市交通通行效率和服務(wù)水平。交通信號控制系統(tǒng)[2-4]作為智慧交通的重要組成部分，依靠先進(jìn)適用的交通模型和算法對交通信號控制參數(shù)進(jìn)行自動優(yōu)化調(diào)整， 運用電子、 計算機、 網(wǎng)絡(luò)通信和PGIS （Police Geographic Information System）電子地圖等技術(shù)手段對交通路口進(jìn)行智能化、科學(xué)化控制， 從而實現(xiàn)交叉口群交通信號的最佳協(xié)調(diào)控制。交通信號燈控制系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，也形成了一大批成熟的自適應(yīng)區(qū)域協(xié)調(diào)交通信號控制系統(tǒng)。國外典型的有英國TRANSYT 系統(tǒng)、西門子SCOOT系統(tǒng)和澳大利亞SCATS 系統(tǒng)[5]等。 在國內(nèi)，主要有上海交通大學(xué)開發(fā)的SUATS 系統(tǒng)， 公安部交通管理科學(xué)研究所開發(fā)的HT-UTCS 系統(tǒng)，天津大學(xué)開發(fā)的TICS 系統(tǒng)， 另外還有深圳市格林威交通科技有限公司開發(fā)的 SMOOTH 系統(tǒng)等[6]。

面對如此眾多的系統(tǒng)，城市只有做好頂層規(guī)劃設(shè)計，才能使選擇的系統(tǒng)適應(yīng)城市的建設(shè)、應(yīng)用和維護(hù)需求。 企業(yè)架構(gòu) EA（Enterprise Architecture）研究如何將業(yè)務(wù)功能與需求映射到IT 系統(tǒng)， 并為選擇、設(shè)計、開發(fā)和部署企業(yè)所有的IT 系統(tǒng)提供一種符合企業(yè)戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)功能需求的平衡方法[7]，如TOGAF（The Open Group Architecture Framework， 開放組體系結(jié)構(gòu)框架）[8]。城市在做智能信號燈控制系統(tǒng)頂層設(shè)計規(guī)劃時可以參考EA 的設(shè)計理念，從技術(shù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)[9]等方面進(jìn)行設(shè)計，從而提高頂層規(guī)劃的合理性和更適應(yīng)智慧交通的建設(shè)發(fā)展。

1 技術(shù)架構(gòu)

智慧交通信號控制系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層（IaaS）、數(shù)據(jù)服務(wù)層（DaaS）、平臺服務(wù)層（PaaS）及應(yīng)用服務(wù)層（SaaS）組成。 如圖 1 所示。

圖1 信號控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Figure 1 Technical architecture of signal control system

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層IaaS

IaaS（Infrastructure as a Service），即為基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，該層提供面向市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)信號控制業(yè)務(wù)的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、信號機管控、感知能力和資源，并可通過管理調(diào)度服務(wù)實現(xiàn)對資源的本級統(tǒng)一調(diào)度、跨級級聯(lián)管理。 此外，系統(tǒng)通過前置AI 解析能力，準(zhǔn)確提取場景中的人、車、非機動車、事件、環(huán)境特征。

1.2 數(shù)據(jù)服務(wù)層DaaS

DaaS（Data as a Service），即為數(shù)據(jù)即服務(wù)，該層基于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)組件，通過多方式匯聚各類物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)治理及關(guān)聯(lián)分析工具， 實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合。 部署Kafka、PostgreSQL 等各類組件， 提供數(shù)據(jù)分布式計算、存儲及檢索能力；通過ETL、信號機SDK、視頻采集、非視頻采集等多方式匯聚物聯(lián)數(shù)據(jù)、 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、零散數(shù)據(jù)及級聯(lián)數(shù)據(jù)；提供各種數(shù)據(jù)治理工具，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測工具、交通參數(shù)提取工具、交通評價指標(biāo)計算工具、多時段劃分工具等，以及關(guān)聯(lián)分析工具，包括人、車、非機動車的時空匹配工具、路口關(guān)聯(lián)及聚類工具等。

1.3 平臺服務(wù)層PaaS

PaaS（Platform as a Service）即為平臺即服務(wù)。平臺服務(wù)負(fù)責(zé)提供共性業(yè)務(wù)服務(wù)、 基礎(chǔ)組件服務(wù)、智能信號管控服務(wù)、智能信號算法服務(wù)、核心服務(wù)及運維組件服務(wù)，并通過API 網(wǎng)關(guān)為第三方提供開放能力。 共性業(yè)務(wù)組件提供業(yè)務(wù)資源檢索、權(quán)限管理、GIS 服務(wù)、視頻接入服務(wù)、系統(tǒng)校時服務(wù)等通用服務(wù)能力；基礎(chǔ)服務(wù)組件提供緩存服務(wù)、消息隊列處理等基礎(chǔ)能力；智能信號管控服務(wù)組件提供信控中心管理服務(wù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理服務(wù)、信號機管理服務(wù)以及信控算法調(diào)度管理服務(wù)等專業(yè)能力；核心服務(wù)提供登錄服務(wù)、軟件許可管理服務(wù)、日志服務(wù)、通知服務(wù)、告警服務(wù)、多語言服務(wù)、多線路服務(wù)等；運維服務(wù)組件提供系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障， 如設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、服務(wù)運維等；平臺通過API 網(wǎng)關(guān)為第三方提供信號機管控能力及應(yīng)用服務(wù)。

1.4 應(yīng)用服務(wù)層SaaS

SaaS（Software as a Service）即為軟件即服務(wù)，該層的應(yīng)用服務(wù)為各級交通管理部門提供信號控制管理應(yīng)用，包括交通問題診斷、信號燈管控、智慧控制決策、用戶管理、查詢統(tǒng)計、勤務(wù)路線控制等，基于數(shù)據(jù)和系統(tǒng)存儲、計算、解析資源，驅(qū)動“問題發(fā)現(xiàn)—致因診斷—生成策略—實施策略—評估效果”的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

圍繞交通管理建設(shè)、管理、應(yīng)用、維護(hù)的核心業(yè)務(wù)思路， 將信號控制業(yè)務(wù)分為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)維護(hù)、交通秩序優(yōu)化管理、特殊事件安保警衛(wèi)三大業(yè)務(wù)板塊，如圖2 所示。

圖2 信號控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)Figure 2 Business architecture of signal control system

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)維護(hù)

由支隊或大隊秩序科負(fù)責(zé)建設(shè)維護(hù)。信號控制業(yè)務(wù)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施分為信息化基礎(chǔ)設(shè)施和道路基礎(chǔ)設(shè)施。 其中信息化基礎(chǔ)設(shè)施包括前端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和后端設(shè)備。 前端設(shè)備包括信號燈、信號機以及交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備，后端設(shè)備包括服務(wù)器和信號控制平臺。 道路基礎(chǔ)設(shè)施包括標(biāo)志標(biāo)線、標(biāo)牌等交通標(biāo)志，以及隔離欄、防撞柱等交通安全設(shè)施。

2.2 交通秩序優(yōu)化管理

指揮中心通過交通態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合視頻巡檢的方式，通過大數(shù)據(jù)分析手段，實現(xiàn)業(yè)務(wù)導(dǎo)向的數(shù)據(jù)模型建設(shè)、應(yīng)用，診斷交通失衡、擁堵、溢流等問題，并分析問題產(chǎn)生原因。 如若是交通組織設(shè)計問題，會采用渠化優(yōu)化、可變車道、潮汐車道等方式實現(xiàn)；對于常發(fā)性擁堵問題，一般會采用交通組織優(yōu)化與信號配時優(yōu)化相結(jié)合的方式緩解擁堵，并對優(yōu)化后的效果進(jìn)行評價。

2.3 特殊事件安保警衛(wèi)

特殊事件一般分為大型活動、突發(fā)事故以及特勤警衛(wèi)任務(wù)。

大型活動一般由秩序科和指揮中心制定交通管制、安保策略，包括交通組織策略、信號控制策略、應(yīng)急預(yù)案等。指揮中心組織實施策略，并在實施中根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行指揮調(diào)度，包括遇到突發(fā)情況的策略轉(zhuǎn)換、警員的調(diào)度和指揮等。

當(dāng)遇到重大事故時，指揮中心會對事故影響范圍內(nèi)的交通進(jìn)行臨時管制， 調(diào)整區(qū)域信號控制策略，并發(fā)布事故信息。 特勤大隊會前往現(xiàn)場處置事故，同時秩序科也會前往現(xiàn)場維護(hù)交通秩序。

特勤警衛(wèi)任務(wù)一般分為三級，由特勤大隊擬定特勤路線方案并組織特勤方案實施。特勤任務(wù)會根據(jù)特勤級別的高低來配置警力，三級特勤一般統(tǒng)一由指揮中心從平臺端控制信號燈實現(xiàn)特勤綠波，而不會在路面部署警力；而一級特勤指揮中心一般只做監(jiān)測和指揮調(diào)度，路面的所有交叉口、出入口均會部署警力。

3 應(yīng)用架構(gòu)

應(yīng)用架構(gòu)直接服務(wù)于業(yè)務(wù)需求，規(guī)劃了企業(yè)整體的應(yīng)用系統(tǒng)，是一系列解決方案的集合[10]。智慧交通信號控制系統(tǒng)基于前端物聯(lián)感知設(shè)備的豐富數(shù)據(jù)信息和可視化的優(yōu)勢，深度融合大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、算法倉庫及邊緣計算等先進(jìn)技術(shù)，提供滿足不同業(yè)務(wù)場景信號控制需求的系統(tǒng)應(yīng)用。 智慧交通信號控制系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)可分為全域感知、數(shù)據(jù)服務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、系統(tǒng)運維、設(shè)備接入五個層面，如圖3 所示。

圖3 信號控制系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)Figure 3 Application architecture of signal control system

3.1 全域感知

數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧交通信號控制系統(tǒng)具有多樣的檢測手段和豐富的數(shù)據(jù)來源。系統(tǒng)以視頻、雷達(dá)、地磁、 熱成像等局部區(qū)域物聯(lián)感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，除了視頻設(shè)備采集的機動車、非機動車、行人的交通數(shù)據(jù)外， 還實現(xiàn)了其他檢測方式提供的排隊長度、速度和行駛軌跡等數(shù)據(jù)接入和共享。相比于傳統(tǒng)的斷面檢測數(shù)據(jù)， 系統(tǒng)可以覆蓋交叉口的局部區(qū)域，再結(jié)合交通態(tài)勢、浮動車、氣象等互聯(lián)網(wǎng)宏觀數(shù)據(jù)的使用，可以實現(xiàn)城市交通人、車、路的全面感知。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)將算法倉庫與數(shù)據(jù)庫部署在一起，可以縮短數(shù)據(jù)傳輸鏈路提高計算效率，并且充分利用大數(shù)據(jù)計算能力，將數(shù)據(jù)匯聚與數(shù)據(jù)計算結(jié)合在一起。 算法倉庫結(jié)合傳統(tǒng)的交通工程算法、先進(jìn)的大數(shù)據(jù)挖掘算法，并在未來采用人工智能算法。 數(shù)據(jù)匯聚采用按需匯聚的理念，實時過車、流量、排隊長度等數(shù)據(jù)會直接傳輸?shù)叫盘枡C端用于完成單點控制應(yīng)用。 中心端的數(shù)據(jù)匯聚采用分布式處理技術(shù)，在接收數(shù)據(jù)時直接計算數(shù)據(jù)：對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和融合，將數(shù)據(jù)特征化，并分門別類存入配時方案、人工操作、特征數(shù)據(jù)、車輛信息、交通事件等專題數(shù)據(jù)庫，提高上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)使用效率。

3.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用

業(yè)務(wù)應(yīng)用分為基礎(chǔ)應(yīng)用、智慧控制決策、方案效果評估以及查詢統(tǒng)計等。

基礎(chǔ)應(yīng)用包括信號燈狀態(tài)監(jiān)控、信號機遠(yuǎn)程人工控制、視頻監(jiān)控和信號控制管理等，如用戶可以選擇對應(yīng)相位進(jìn)行綠燈鎖定等遠(yuǎn)程人工操作。同時系統(tǒng)能夠?qū)π盘枡C進(jìn)行配置和統(tǒng)一管理。

智慧控制決策應(yīng)用可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)挖掘交通規(guī)律，劃分高峰、平峰、夜間小平峰等多時段，并在每個時段內(nèi)對單點、干線、區(qū)域控制方案進(jìn)行優(yōu)化， 使得交通控制方案與交通需求變化規(guī)律相匹配。如特殊場景控制可以為行人過街、公交優(yōu)先、匝道、瓶頸、可變/潮汐車道、短間距交叉口等提供特殊的信號控制能力。

方案效果評估模塊可以利用電警、視頻車檢器等過車數(shù)據(jù)，從時間維度、空間維度計算不同的交通指標(biāo)，評價方案運行的效果，并對路口、干線的運行良好情況進(jìn)行排名，如單點評價指標(biāo)、干線評價指標(biāo)和區(qū)域指標(biāo)等。同時系統(tǒng)可以通過查詢統(tǒng)計模塊查詢交通評價指標(biāo)、方案運行情況、系統(tǒng)運行日志和用戶操作日志。

3.4 系統(tǒng)運維

智慧交通信號控制系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)運維、 設(shè)備運維、網(wǎng)絡(luò)/安全運維及服務(wù)運維能力。 數(shù)據(jù)運維能夠通過系統(tǒng)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及其變化間接分析系統(tǒng)異常。 設(shè)備運維能夠?qū)崟r發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常、超負(fù)荷、離線等狀態(tài)。 網(wǎng)絡(luò)運維能夠?qū)崟r發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)接入、匯聚、核心交換網(wǎng)絡(luò)存在的能力瓶頸，進(jìn)行更有效的預(yù)警預(yù)測；安全運維可以保護(hù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)，特別是系統(tǒng)與外網(wǎng)之間數(shù)據(jù)交互時， 可以避免數(shù)據(jù)泄露或系統(tǒng)被入侵。 服務(wù)運維能夠及時發(fā)現(xiàn)PaaS 層的服務(wù)組件問題，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.5 設(shè)備接入

系統(tǒng)具備對各類設(shè)備的統(tǒng)一接入、管理和應(yīng)用能力。對于不同的設(shè)備，系統(tǒng)采用地圖、設(shè)備一體化配置的方式將不同設(shè)備關(guān)聯(lián)到同一張地圖上，實現(xiàn)地圖上的路段、交叉口、車道編號與設(shè)備中的路段、交叉口與車道編號一一對應(yīng)。 對于第三方設(shè)備，系統(tǒng)提供對接API 接口，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式接入第三方信號機等設(shè)備，并通過平臺的智能應(yīng)用賦能第三方信號機，實現(xiàn)能力開放。

4 數(shù)據(jù)架構(gòu)

智慧交通信號控制系統(tǒng)按照按需匯聚劃分為邊緣端與中心端，并包括智慧信號控制平臺，其數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 信號控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)Figure 4 Data Architecture of signal control system

4.1 邊緣端

對于邊緣端前端物聯(lián)感知設(shè)備按照路口組成局域網(wǎng)，采集設(shè)備將實時過車、排隊長度等數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)直接傳輸?shù)街悄苄盘枡C， 用于單點控制、無纜協(xié)調(diào)控制、優(yōu)先控制等實時性要求高的功能。

4.2 中心端

對于中心端更大量的數(shù)據(jù)如軌跡數(shù)據(jù)、車輛牌照、 定位數(shù)據(jù)等通過數(shù)據(jù)接入組件傳輸?shù)剿惴▊}庫，同時原始數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。 算法倉庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量診斷、數(shù)據(jù)清洗及補齊，用于干線、區(qū)域等高級控制和交通問題診斷、方案效果評估，并將計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

4.3 智慧信號控制平臺

平臺主要包括智能信號管控服務(wù)和業(yè)務(wù)服務(wù)組件。 智能信號管控服務(wù)對信號機進(jìn)行管控，對于第三方信號機則通過信號適配網(wǎng)關(guān)以及第三方平臺API 實現(xiàn)間接管控，信號機將信號燈狀態(tài)、當(dāng)前控制參數(shù)/方案、故障告警信息傳輸?shù)叫趴仄脚_，平臺則向信號機下發(fā)控制參數(shù)/方案。

業(yè)務(wù)服務(wù)組件服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用，智能信控業(yè)務(wù)應(yīng)用組件主要展示信號燈狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對信號機下發(fā)控制數(shù)據(jù)；信號控制運行診斷組件接收并展示算法倉庫計算的診斷結(jié)果和優(yōu)化方案，若方案需要下發(fā)則將信控方案或參數(shù)傳輸?shù)叫盘枡C管控服務(wù)下發(fā)；交通智能決策應(yīng)用組件接收并展示算法倉庫計算的單點、干線、區(qū)域、特殊場景等優(yōu)化方案，同時可以向算法傳輸配置參數(shù)；交通效果評價應(yīng)用組件接收并展示算法倉庫計算的交通評價指標(biāo)數(shù)據(jù)；信號控制移動應(yīng)用組件會向手持終端傳輸信號燈狀態(tài)、控制命令等數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

面對市場上如此眾多的成熟交通信號控制系統(tǒng)，城市交通管理部門在系統(tǒng)建設(shè)前只有做好頂層規(guī)劃設(shè)計，才能選擇最適應(yīng)本城市的系統(tǒng)，以提高城市的交通通行效率。 EA 研究如何將業(yè)務(wù)功能與需求映射到IT 系統(tǒng)， 提供一種符合城市交通戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)功能需求的平衡方法。 因此， 本文基于EA的理念對智慧交通信號控制系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并進(jìn)行了詳細(xì)闡述?；谄髽I(yè)架構(gòu)的系統(tǒng)頂層規(guī)劃以技術(shù)為基礎(chǔ)、以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向、以數(shù)據(jù)為核心、以應(yīng)用為目標(biāo)，滿足了城市交通信號控制系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和運維需求，提高了系統(tǒng)頂層規(guī)劃的合理性，因此具有較高的應(yīng)用和參考價值。