智慧交通信號控制系統架構設計探討

車 輝 ，楊 波 ，邢慧芬 ，樊玉琦 ，鄭淑麗

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

0 引言

隨著全國私家車擁有量的增加，城市交通擁堵現象更加嚴重，因此各城市加快了智慧交通[1]建設，以提高城市交通通行效率和服務水平。交通信號控制系統[2-4]作為智慧交通的重要組成部分，依靠先進適用的交通模型和算法對交通信號控制參數進行自動優化調整， 運用電子、 計算機、 網絡通信和PGIS （Police Geographic Information System）電子地圖等技術手段對交通路口進行智能化、科學化控制， 從而實現交叉口群交通信號的最佳協調控制。交通信號燈控制系統經過幾十年的發展，也形成了一大批成熟的自適應區域協調交通信號控制系統。國外典型的有英國TRANSYT 系統、西門子SCOOT系統和澳大利亞SCATS 系統[5]等。 在國內，主要有上海交通大學開發的SUATS 系統， 公安部交通管理科學研究所開發的HT-UTCS 系統，天津大學開發的TICS 系統， 另外還有深圳市格林威交通科技有限公司開發的 SMOOTH 系統等[6]。

面對如此眾多的系統，城市只有做好頂層規劃設計，才能使選擇的系統適應城市的建設、應用和維護需求。 企業架構 EA（Enterprise Architecture）研究如何將業務功能與需求映射到IT 系統， 并為選擇、設計、開發和部署企業所有的IT 系統提供一種符合企業戰略和業務功能需求的平衡方法[7]，如TOGAF（The Open Group Architecture Framework， 開放組體系結構框架）[8]。城市在做智能信號燈控制系統頂層設計規劃時可以參考EA 的設計理念，從技術架構、業務架構、應用架構和數據架構[9]等方面進行設計，從而提高頂層規劃的合理性和更適應智慧交通的建設發展。

1 技術架構

智慧交通信號控制系統的技術架構由基礎設施服務層（IaaS）、數據服務層（DaaS）、平臺服務層（PaaS）及應用服務層（SaaS）組成。 如圖 1 所示。

圖1 信號控制系統技術架構Figure 1 Technical architecture of signal control system

1.1 基礎設施服務層IaaS

IaaS（Infrastructure as a Service），即為基礎設施即服務，該層提供面向市、縣、鄉鎮信號控制業務的計算、存儲、網絡、信號機管控、感知能力和資源，并可通過管理調度服務實現對資源的本級統一調度、跨級級聯管理。 此外，系統通過前置AI 解析能力，準確提取場景中的人、車、非機動車、事件、環境特征。

1.2 數據服務層DaaS

DaaS（Data as a Service），即為數據即服務，該層基于數據基礎服務組件，通過多方式匯聚各類物聯網物聯數據及業務信息數據，提供數據治理及關聯分析工具， 實現多源數據融合。 部署Kafka、PostgreSQL 等各類組件， 提供數據分布式計算、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數據、 業務數據、零散數據及級聯數據；提供各種數據治理工具，包括數據質量監測工具、交通參數提取工具、交通評價指標計算工具、多時段劃分工具等，以及關聯分析工具，包括人、車、非機動車的時空匹配工具、路口關聯及聚類工具等。

1.3 平臺服務層PaaS

PaaS（Platform as a Service）即為平臺即服務。平臺服務負責提供共性業務服務、 基礎組件服務、智能信號管控服務、智能信號算法服務、核心服務及運維組件服務，并通過API 網關為第三方提供開放能力。 共性業務組件提供業務資源檢索、權限管理、GIS 服務、視頻接入服務、系統校時服務等通用服務能力；基礎服務組件提供緩存服務、消息隊列處理等基礎能力；智能信號管控服務組件提供信控中心管理服務、業務數據管理服務、信號機管理服務以及信控算法調度管理服務等專業能力；核心服務提供登錄服務、軟件許可管理服務、日志服務、通知服務、告警服務、多語言服務、多線路服務等；運維服務組件提供系統穩定運行的保障， 如設備、網絡、數據、服務運維等；平臺通過API 網關為第三方提供信號機管控能力及應用服務。

1.4 應用服務層SaaS

SaaS（Software as a Service）即為軟件即服務，該層的應用服務為各級交通管理部門提供信號控制管理應用，包括交通問題診斷、信號燈管控、智慧控制決策、用戶管理、查詢統計、勤務路線控制等，基于數據和系統存儲、計算、解析資源，驅動“問題發現—致因診斷—生成策略—實施策略—評估效果”的業務應用。

2 業務架構

圍繞交通管理建設、管理、應用、維護的核心業務思路， 將信號控制業務分為基礎設施建設維護、交通秩序優化管理、特殊事件安保警衛三大業務板塊，如圖2 所示。

圖2 信號控制系統業務架構Figure 2 Business architecture of signal control system

2.1 基礎設施建設維護

由支隊或大隊秩序科負責建設維護。信號控制業務相關的基礎設施分為信息化基礎設施和道路基礎設施。 其中信息化基礎設施包括前端設備、網絡和后端設備。 前端設備包括信號燈、信號機以及交通數據采集設備，后端設備包括服務器和信號控制平臺。 道路基礎設施包括標志標線、標牌等交通標志，以及隔離欄、防撞柱等交通安全設施。

2.2 交通秩序優化管理

指揮中心通過交通態勢監測系統結合視頻巡檢的方式，通過大數據分析手段，實現業務導向的數據模型建設、應用，診斷交通失衡、擁堵、溢流等問題，并分析問題產生原因。 如若是交通組織設計問題，會采用渠化優化、可變車道、潮汐車道等方式實現；對于常發性擁堵問題，一般會采用交通組織優化與信號配時優化相結合的方式緩解擁堵，并對優化后的效果進行評價。

2.3 特殊事件安保警衛

特殊事件一般分為大型活動、突發事故以及特勤警衛任務。

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、應急預案等。指揮中心組織實施策略，并在實施中根據現場實際情況進行指揮調度，包括遇到突發情況的策略轉換、警員的調度和指揮等。

當遇到重大事故時，指揮中心會對事故影響范圍內的交通進行臨時管制， 調整區域信號控制策略，并發布事故信息。 特勤大隊會前往現場處置事故，同時秩序科也會前往現場維護交通秩序。

特勤警衛任務一般分為三級，由特勤大隊擬定特勤路線方案并組織特勤方案實施。特勤任務會根據特勤級別的高低來配置警力，三級特勤一般統一由指揮中心從平臺端控制信號燈實現特勤綠波，而不會在路面部署警力；而一級特勤指揮中心一般只做監測和指揮調度，路面的所有交叉口、出入口均會部署警力。

3 應用架構

應用架構直接服務于業務需求，規劃了企業整體的應用系統，是一系列解決方案的集合[10]。智慧交通信號控制系統基于前端物聯感知設備的豐富數據信息和可視化的優勢，深度融合大數據、深度學習、算法倉庫及邊緣計算等先進技術，提供滿足不同業務場景信號控制需求的系統應用。 智慧交通信號控制系統應用架構可分為全域感知、數據服務、業務應用、系統運維、設備接入五個層面，如圖3 所示。

圖3 信號控制系統的應用架構Figure 3 Application architecture of signal control system

3.1 全域感知

數據驅動的智慧交通信號控制系統具有多樣的檢測手段和豐富的數據來源。系統以視頻、雷達、地磁、 熱成像等局部區域物聯感知數據為基礎，除了視頻設備采集的機動車、非機動車、行人的交通數據外， 還實現了其他檢測方式提供的排隊長度、速度和行駛軌跡等數據接入和共享。相比于傳統的斷面檢測數據， 系統可以覆蓋交叉口的局部區域，再結合交通態勢、浮動車、氣象等互聯網宏觀數據的使用，可以實現城市交通人、車、路的全面感知。

3.2 數據服務

數據服務將算法倉庫與數據庫部署在一起，可以縮短數據傳輸鏈路提高計算效率，并且充分利用大數據計算能力，將數據匯聚與數據計算結合在一起。 算法倉庫結合傳統的交通工程算法、先進的大數據挖掘算法，并在未來采用人工智能算法。 數據匯聚采用按需匯聚的理念，實時過車、流量、排隊長度等數據會直接傳輸到信號機端用于完成單點控制應用。 中心端的數據匯聚采用分布式處理技術，在接收數據時直接計算數據：對數據進行清洗和融合，將數據特征化，并分門別類存入配時方案、人工操作、特征數據、車輛信息、交通事件等專題數據庫，提高上層應用的數據使用效率。

3.3 業務應用

業務應用分為基礎應用、智慧控制決策、方案效果評估以及查詢統計等。

基礎應用包括信號燈狀態監控、信號機遠程人工控制、視頻監控和信號控制管理等，如用戶可以選擇對應相位進行綠燈鎖定等遠程人工操作。同時系統能夠對信號機進行配置和統一管理。

智慧控制決策應用可以根據歷史數據挖掘交通規律，劃分高峰、平峰、夜間小平峰等多時段，并在每個時段內對單點、干線、區域控制方案進行優化， 使得交通控制方案與交通需求變化規律相匹配。如特殊場景控制可以為行人過街、公交優先、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據，從時間維度、空間維度計算不同的交通指標，評價方案運行的效果，并對路口、干線的運行良好情況進行排名，如單點評價指標、干線評價指標和區域指標等。同時系統可以通過查詢統計模塊查詢交通評價指標、方案運行情況、系統運行日志和用戶操作日志。

3.4 系統運維

智慧交通信號控制系統具備數據運維、 設備運維、網絡/安全運維及服務運維能力。 數據運維能夠通過系統各環節產生的數據及其變化間接分析系統異常。 設備運維能夠實時發現系統異常、超負荷、離線等狀態。 網絡運維能夠實時發現系統接入、匯聚、核心交換網絡存在的能力瓶頸，進行更有效的預警預測；安全運維可以保護系統及數據，特別是系統與外網之間數據交互時， 可以避免數據泄露或系統被入侵。 服務運維能夠及時發現PaaS 層的服務組件問題，保障系統的穩定性。

3.5 設備接入

系統具備對各類設備的統一接入、管理和應用能力。對于不同的設備，系統采用地圖、設備一體化配置的方式將不同設備關聯到同一張地圖上，實現地圖上的路段、交叉口、車道編號與設備中的路段、交叉口與車道編號一一對應。 對于第三方設備，系統提供對接API 接口，通過協議轉換的方式接入第三方信號機等設備，并通過平臺的智能應用賦能第三方信號機，實現能力開放。

4 數據架構

智慧交通信號控制系統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，其數據架構如圖4 所示。

圖4 信號控制系統的數據架構Figure 4 Data Architecture of signal control system

4.1 邊緣端

對于邊緣端前端物聯感知設備按照路口組成局域網，采集設備將實時過車、排隊長度等數據通過局域網直接傳輸到智能信號機， 用于單點控制、無纜協調控制、優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據如軌跡數據、車輛牌照、 定位數據等通過數據接入組件傳輸到算法倉庫，同時原始數據存入數據庫。 算法倉庫對數據進行質量診斷、數據清洗及補齊，用于干線、區域等高級控制和交通問題診斷、方案效果評估，并將計算結果存入數據庫。

4.3 智慧信號控制平臺

平臺主要包括智能信號管控服務和業務服務組件。 智能信號管控服務對信號機進行管控，對于第三方信號機則通過信號適配網關以及第三方平臺API 實現間接管控，信號機將信號燈狀態、當前控制參數/方案、故障告警信息傳輸到信控平臺，平臺則向信號機下發控制參數/方案。

業務服務組件服務于不同的業務應用，智能信控業務應用組件主要展示信號燈狀態數據，并對信號機下發控制數據；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果和優化方案，若方案需要下發則將信控方案或參數傳輸到信號機管控服務下發；交通智能決策應用組件接收并展示算法倉庫計算的單點、干線、區域、特殊場景等優化方案，同時可以向算法傳輸配置參數；交通效果評價應用組件接收并展示算法倉庫計算的交通評價指標數據；信號控制移動應用組件會向手持終端傳輸信號燈狀態、控制命令等數據。

5 結語

面對市場上如此眾多的成熟交通信號控制系統，城市交通管理部門在系統建設前只有做好頂層規劃設計，才能選擇最適應本城市的系統，以提高城市的交通通行效率。 EA 研究如何將業務功能與需求映射到IT 系統， 提供一種符合城市交通戰略和業務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的技術架構、業務架構、應用架構和數據架構進行了設計，并進行了詳細闡述。基于企業架構的系統頂層規劃以技術為基礎、以業務需求為導向、以數據為核心、以應用為目標，滿足了城市交通信號控制系統的設計、建設和運維需求，提高了系統頂層規劃的合理性，因此具有較高的應用和參考價值。