基于E-R需求模型的特勤綠波協同控制系統設計

劉紅業，華 實，程泊靜

（1.湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412000；2湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

城市的緊急救護、消防救援、特勤護衛等工作至關重要，其直接關系人民群眾生命和財產的安全以及社會的穩定。目前救護車、消防車在執行緊急任務時容易受紅燈的影響而耽誤時間。在執行特勤護衛任務時雖然會提前進行交通管制和制定綠波帶方案，但綠波功能需要在指揮中心提前設置和執行，無法根據車隊的通行情況進行靈活調整，且對交通監控系統的布局程度和局域網的穩定性有較高的要求。針對當前特勤任務在交通中存在的問題，本文通過分析車載終端通信單元的需求，實現車載終端與交通信號控制機、車載終端與指揮中心信號控制系統的實時通訊，研究了基于E-R需求模型的特勤綠波協同控制系統，以保障緊急救護、消防救援、特勤護衛等任務的通行安全及任務執行過程中的最高通行權[1]。

1 特勤綠波協同控制系統結構設計

特勤綠波信號協同控制系統主要由車載終端（手機APP、平板）和路側設備（信號控制機及檢測設備）、交通信號控制中心系統三部分組成。車載終端集成了GPS導航與定位技術，能實時獲取特勤車輛的位置信息傳輸給交通信號控制中心，同時車載終端電子地圖上同步顯示車輛位置、前方路口交通信號燈狀態等。路側單元可實時采集交通信號燈的運行工作狀態，并上傳至信號控制中心。交通信號控制中心的主要功能是處理來自道路監控攝像頭的視頻信息、路側單元采集的信號燈狀態信息、車載系統采集的車輛位置信息等，根據車輛位置數據計算分析車輛到達前方路口的時間，并將前方路口的信號燈狀態傳輸給車載終端。

1.1 基于E-R模型的車載終端通信單元需求建模分析

R模型又稱為實體-聯系模型，是使用E-R圖來描述現實世界的概念模型。E-R圖通過實體、屬性、聯系等概念對現實世界進行基本抽象，建立實體與實體之間的聯系建立更高層次的概念，稱其為概念模型[2]。

特勤綠波協同控制系統的車載終端是采用交通信息動態交互的方式來保障緊急救護、消防救援、特勤護衛的快速通行服務，因此，通信單元是車載終端的重點。其主要功能是完成車載終端與路側單元、車載終端與信號控制中心之間的實時信息交互。在設計車載終端通信單元的過程中，首先要對通信單元建立需求分析。需求分析是設計和構建車載終端通信單元的起點和關鍵環節，其結果的準確性直接影響車載終端功能的設計和實現。車載終端通信單元作用于道路交通環境中，因此其需求分析需要對城市道路交通現狀進行調查，明確車載終端通信單元的需求和邊界，并對調查數據資料進行概念結構設計，通過抽象認知建立基本概念模型，對抽象概念模型進行具體化，從而形成具體概念模型。E-R需求分析方法是對現實世界進行需求分析的一個有力手段。整個需求分析流程圖如圖1所示。

圖1 交通流需求分析流程圖

在需求分析的基礎上，對車載終端系統進行抽象認知和具體化建立E-R概念模型，如圖2所示。該模型存在4個實體，分別為車載終端通信單元、車載信息處理和控制單元、智能路側設備、智能路側設備軟件單元、控制中心。車載終端通信單元分為兩部分：車載終端與路側單元之間的通信、車載終端與信號控制中心的通信。其中車載終端與路側單元之間的通信主要負責與智能路側設備進行車輛位置信息、行駛速度、交通信號燈狀態等信息的交互。信號控制中心對車載終端采集的信息進行存儲，并形成最佳的信號方案，盡量提高整個路網通行效率。

圖2 車載終端E-R概念模型

1.2 基于E-R模型的車載終端通信技術選擇

E-R需求模型展示了車載終端與路側單元、交通信號控制中心之間的交互感知的過程。各實體之間需選取合適的通信技術來完成交通信息動態傳輸的目的，因此特勤綠波協同控制系統主要采用兩種通信方式：（1）車載終端與路側單元（信號控制機及檢測設備）主要采用短程通信方式（DSRC），DSRC具有網絡通信延時少、通信質量高等優點，適用于緊急特殊事件優先申請和應用。（2）車載終端與交通信號控制中心的通信方式主要采用4G無線網絡，4G網絡其具有覆蓋范圍廣、帶寬高、應用靈活性好等優點，適用于常規數據通信、非緊急信號通信等場景[3]。

2 特勤綠波交通信號協同控制系統功能設計

針對在遇到緊急救護、消防救援、特勤護衛等任務時，信號控制系統無法快速有效實現智能綠波控制的問題，該系統在設計上充分考慮交警特勤場景，在使用自動特勤路線功能時，特勤車輛只需攜帶經交警部門授權的車載終端（手機、平板）通過路口時即可實現一路綠燈快速通行。

2.1 車載終端通信單元功能設計

移動終端通信單元內置GIS地圖和基于GPS衛星定位的手機控制系統。當車載終端的導航功能啟動后，車載設備讀取特勤車輛速度信息、通過GPS定位當車輛的地理信息。當特勤車輛距離交叉路口200m范圍內，車載終端通過DSRC無線通訊和該路口的路側設備進行數據傳輸。車載終端全程通過4G與信號控制中心系統通訊，可實現手動控制路口綠波、設置自動特勤路線以及路口智能綠波等功能。

2.2 信號控制中心通信單元功能設計

信號控制中心可設置多條特勤警衛路線、設置不同的手機APP用戶控制權限，通過PC客戶端遠程強制干預路口信號燈狀態，實現遠程手動控制等功能；可靈活增加、修改和刪除特勤路線，隨時查看已執行特勤車輛的行車軌跡。中心平臺系統除完成數據匯集、分析、轉發外，還提供數據管理、數據存儲、運行監控的功能[4]。

2.3 特勤綠波交通信號協同控制系統工作流程

特勤綠波信號協同控制系統主要由車載終端（手機APP、平板）、路側設備（信號控制機及檢測設備）和交通信號控制中心系統三部分組成。車載終端集成了GPS導航與定位技術，能夠獲取目標車輛的當前位置、行駛車速、規劃路徑等數據，并發送至交通信號控制中心，控制中心獲取車輛的行駛信息則可處理車輛的優先通行請求。優先通行請求分為自動請求和手動請求兩種方式。

自動請求是信號控制中心根據車載終端獲取的目標車輛或車隊的定位信息、規劃行駛路徑和行駛方向等信息，自動預測目標車輛到達前方交叉路口的時間，并獲取該交叉路口的信號狀態，向路側設備及信號控制機提前發送優先通行請求，切換信號控制狀態。同時信號控制中心將路口信號數據整合后傳輸給車載終端，可通過車載終端截面顯示前方交叉路口的信號燈狀態信息。

手動方式是指駕駛員通過操作車載終端向信號控制中心發送優先通行請求。當目標車輛距離交叉路口200m范圍內，車載終端通過DSRC無線通訊和該路口的路側設備進行數據傳輸。車載終端與路側設備通訊的數據包含車輛的位置信息、行駛速度信息和規劃路徑信息等，信號燈接收到數據后判斷目標車輛的行駛方向后中斷路口信號控制機的控制，將該方向的信號燈放行綠燈，其他方向的信號燈則變為紅燈，使目標車輛能不停車快速通過，待目標車輛駛離路口，車載終端和信號燈連接斷開，信號燈重新由信號控制機進行控制。特勤綠波信號協同控制如圖3所示。

圖3 特勤綠波信號協同控制流程

3 結論

針對城市在遇到緊急救護、消防救援、特勤護衛等任務時，無法快速有效地實現交叉口智能綠波的問題，本特勤綠波交通信號協同控制系統在功能設計上充分考慮到可能出現的應急需要，在使用自動特勤路線功能時，特勤車輛只需攜帶經交警部門授權的用戶手機通過路口時即可實現一路綠燈情況，對于車隊該系統還可實現“前車開道后車押尾”的雙車特勤控制模式，只需頭車及尾車分別攜帶授權手機即可保證車隊一次性完整通過，徹底杜絕了特勤車隊分離的情況出現，有效地提高了特勤控制效率及線路的安全性。其中路口智能綠波控制模式主要針對于消防及救護車輛特殊應急通行，授權用戶使用該功能后無需設置特勤路線即可“暢通無阻”無需等待前方路口紅燈。