基于物聯網的城市交通控制系統架構

摘 要：隨著當前物聯網技術的發展，聯網化、集中化的交通管控系統正逐漸發展為有廣泛應用前景的城市交通組織架構。文中系統性地介紹了一種基于物聯網的城市交通控制系統，及其相對于傳統交通管理系統在管控模式上的革新。首先介紹該城市交通控制系統的基本概念和特征；其次闡述系統的體系架構，并進一步詳細介紹系統的研究難點與關鍵技術；最后，基于當前研究成果嘗試性地提出未來的研究方向。該系統采用軟件定義交通管理模式，構建了由集中控制平臺和路網交通控制要素共同組成的集中式管控結構，有力推動了交通管控的數字化進程。

關鍵詞：物聯網；城市交通控制；車聯網；軟件定義交通管理；智能交通管理設施；網絡虛擬化

中圖分類號：TP391.4；TN929.5；U495 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

隨著經濟的發展，我國的機動車保有量逐年增長，人們的出行需求快速增長，傳統的交通管理方式已無法滿足當前社會對高效、智能化交通管理的需求。同時，我國政府提出了“加快建設數字經濟、數字社會、數字政府，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革”的建設目標，將數字技術廣泛應用于政府管理服務，推動政府治理流程優化，提升我國交通管理現代化水平。

隨著物聯網與可編程技術的發展和廣泛應用，車輛已逐漸成為了具備遠程數字通信能力、信息交互功能以及多元化感知特性的終端，通過網聯汽車獲取交通運行狀態、開展交通流數字化管控已具備可行性[1-3]。針對傳統交通控制體系分散控制、協同性差等問題，為推進交通管控數字化和精細化變革，本文緊跟軟件定義技術與物聯網交叉學術前沿，面向交通管理智能化升級的需求，提出一種基于物聯網的城市交通控制系統，并闡述其基本概念、體系架構與關鍵技術，在此基礎上進一步探討其未來面臨的挑戰。

1 概念與特征

1.1 城市交通控制系統的概念定義

基于軟件定義的交通系統作為一種新型的交通管控架構，其核心在于通過網絡虛擬化技術，將交通管理設施的控制平面從底層設施中分離，轉而以軟件的形式體現，將分散在路網設施上的控制界面進行集中化管理[4-5]。

這種架構通過集中化管理分散在路網設施上的控制界面，實現了交通管理的虛擬化和可編程化。基于這一理念，本文提出了一種采用軟件定義控制邏輯的交通管理架構，旨在通過軟件定義的方式對路網內的交通流進行集中化管理調度，以期實現路網層面的車流負載均衡，并提升整體路網的服務水平。

基于以上論述，本文將面向物聯網發展的城市交通控制系統做出如下定義：基于軟件定義理念，實現交通管控的虛擬化、運轉和控制分離，并提供開放可編程的城市交通控制系統架構。

1.2 城市交通控制系統架構的特征

相較于傳統的分布式交通控制系統，基于物聯網的城市交通控制系統具有以下顯著特征。

1.2.1 運轉“車流化”

車載單元（OBU）將車輛的位置、速度、ID等信息上傳至控制平臺，攜帶這些信息的車輛單元在路網中匯聚成具有方向性的車流。基于物聯網技術的發展，智能網聯交通設施對車輛的管控策略得以從對單一車輛的局部控制轉變為對車流的整體引導。

1.2.2 “中臺”式管理

基于軟件定義模式的集中控制、轉控分離理念，將以往針對單一交叉口的單元化交通控制轉變為路網層面交通流的全局調度。通過封裝化的業務指令進行下達，該系統能夠同時對存在業務關聯的多個交管設施節點以及車輛直接下達指令。

1.2.3 “虛擬化”控制

交通控制系統基于中臺式的全局管控邏輯，在上層平臺收集和處理交通信息，形成了路網全局交通態勢。通過路網層面的全局調控，實現交通控制的虛擬化，以期實現路網內各路段交通流量均勻分布，即交通負載均衡。

1.2.4 設施“可添加”

底層設施和控制平面的解耦，使得新添加的智能交通設施可以便捷接入控制系統。當路網物理環境更新或管控設施拓撲環境調整時，態勢研判平臺應能對其進行相應的映射。

1.2.5 指令“可編程”

軟件定義化的交通控制系統由相對獨立的應用平面形成管控指令。針對交管部門業務和新的交通管理需求，能夠在不影響系統運轉的情況下實現對業務指令的后續擴展和二次開發。

2 城市交通控制系統體系架構

傳統的交通控制系統以交叉口為控制單元，實現單節點的交通流管理，路網協同性差，關鍵路段疏通困難。本文提出的城市交通控制系統采用集中控制理念，將交通管控設施通過物聯網聯系起來，為路網層面的交通信息采集和交通流的集中化管控提供了硬件基礎。同時，集中式的管理模式使得系統形成了新式體系架構和軟件平臺。

2.1 城市交通控制系統架構設計

基于物聯網的城市交通控制系統分為集中控制平臺和交通控制要素兩個部分，二者通過接收平臺指令，協同管控交通流運轉[6-7]，管控架構如圖1所示。

2.1.1 路網集中控制平臺

路網集中控制平臺是一種面向路網層面交通管控的集中式管理平臺，由態勢研判子平臺、交管業務應用、集中控制單元三部分組成。

態勢研判子平臺是一種為交通控制提供決策支持的實時分析平臺，它負責實時采集路網交通流運轉信息，以數字的方式實現實時交通運行狀況的可視化和可評估化，是具體業務策略開發應用的“信息底座”。根據路網拓撲結構以及交通流量分布情況，態勢研判子平臺還可以對突發交通事件制定解決策略[8]。

平臺具備多種業務場景應用，如動態限速、勤務保障等。這些應用通過集中控制單元下發對應道路節點的可編程交通管理設施，對車輛路徑的選擇進行動態誘導和直接管控。

集中控制單元是一個聯通上下平面的集中式控制器，內部集成南北向通信所需的接口。用戶依據態勢研判平臺提供的決策支持，制定交管策略，將具體業務指令提供給控制單元；控制單元解析指令后，通過南向接口傳輸至路網相應的交通管理設施[9]。

2.1.2 交通控制要素

交通控制要素由可通過集中控制單元進行直接調控的網聯交通設施以及搭載了車載單元的智能網聯車輛組成。

可編程交通控制要素將可變地面標志、交通標線、信號控制器等智能交通管理設施轉換為智能網聯汽車可以識別的虛擬化交通環境，根據集中控制單元發送的流表指令進行分析執行，對進入運轉節點的交通流進行實時分流調度[10]。

2.1.3 交通控制系統虛擬控制邏輯

交通控制系統具有應用層、控制層、運轉層、安全層四層虛擬控制邏輯，如圖2所示。

運轉層即真實的交通流及其通信的路網環境。城市道路（轉運鏈路）與交叉口（轉運節點）共同構成了基礎的交通運轉網絡。應用層由針對特定交管業務的封裝應用和交通態勢分析模塊組成，該層能根據交管部門對路網交通控制的不同需求提供相應策略，并將其轉發給控制層。控制層根據應用層提供的控制策略，通過集中控制器將具體執行指令下發到交通管理設施，實現對運轉層的調控。安全層是一個覆蓋了各層信息傳輸過程的安全系統，負責保障跨層信息傳輸過程的信息安全。

2.2 城市交通控制系統軟件平臺

2.2.1 交通態勢感知

集中控制平臺內含態勢研判平臺，是進行交通管控的決策基礎，平臺通過與聯網交通設施的實時通信，獲取路網交通流的基本信息，并針對實時路況評估和識別交通態勢與節點負載狀態，形成路網管控需求。

2.2.2 誘導與控制協同

集中化控制平臺集成了路網的交通控制和交通誘導設施，執行管控方案時，誘導設施和控制設施能夠協同工作。平臺充分考慮多樣化的硬件需求，實現了對設施的集中化通信和控制。

2.2.3 信息描述與管理

交通控制系統的上層平臺連接路網所有異構交通設備，獲取海量交通信息數據，應對設備信息資源進行規范化描述，并具備結構清晰的管理模式。

2.2.4 應用編程接口

平臺通過數字化建模，對不同的底層交通設施進行抽象，為上層開發者提供了屏蔽物聯網設備間硬件配置的統一化應用編程接口。

3 研究挑戰和關鍵技術

本文提出的軟件定義交通控制系統，以其區別于傳統分布式交通控制系統的控制邏輯及體系結構，帶來了一系列新的挑戰和問題。本節將從集中化管控邏輯、設施數字化重構、全局視圖構建、指令互操作定制等四個方面分別介紹交通控制系統的關鍵技術。

3.1 集中式交通流調度

3.1.1 集中化交互模型

針對交通控制系統集中化管理的需求，研究物聯網技術對道路交通網絡內物質、信息流動的影響機理，構建物聯網條件下集中控制平臺-交通參與者-交通控制要素-網聯數據中心間的交互模型。

3.1.2 要素指令合作

對比道路交通網絡與通信網絡的本質相似性與差異性，將交換機的轉運策略映射到交叉口節點的交通控制要素控制策略上，進一步研究針對特定指令所需調動的交通控制要素類型及其合作機理。

3.2 管控設施數字化重構

3.2.1 信息精細化提取

為提高交通管理效率和精度，交通控制系統架構需要獲取道路路徑和交通標志、標線、信號機、路側單元等靜態設施的數字化數據結構。通過結構化采集技術，對交通設施的數字特征進行有效提取。

3.2.2 設施數字化建模

研究臨時性車速控制、路權控制、方向控制等動態交通信號數據結構，根據物理實體與性能狀態數字信息的映射關系，構建路網交通管理設施（措施）數字孿生體。

3.3 實時交通態勢視圖構建

3.3.1 交通態勢定義

通過數字化抽象模型對交通流進行深入研究，并基于路網拓撲結構、設施數字孿生數據庫、理想化交通態勢感知信息（路側、車載）得出路網運行狀態全局視圖的形式化定義和構建算法。

3.3.2 態勢視圖建模

利用路網拓撲結構對交通網絡進行建模，通過對路網節點和邊的關系進行描述，構建出交通網絡的拓撲結構。利用設施數字孿生數據庫，對交通設施進行數字化描述，對交通流進行建模，為控制層提供全面、準確的信息支持。

3.4 指令互操作定制

3.4.1 南向設施協議標準化

在城市路網內，交通管理設施來自不同廠家且遵循不同標準，為集中管理帶來巨大挑戰的同時互操作需求明顯。通過設計集中控制條件下的交通管理設施通信協議棧，實現統一的集中控制器設備標準化和集成調控，為交通管理提供更為高效、智能的支持。

3.4.2 北向業務指令可定制

為滿足控制層與應用層之間的通信需求，依照三種管控類型進行分類，梳理出預警、建議和強制三類指令，研究編制開源交通管控指令材料集合。為開發業務場景應用提供統一的編程接口，實現更高效、智能的定制化管理。

4 未來研究方向

4.1 可編程設備協同智能化

本文提出的交通控制系統通過將路網的交通控制要素進行智能化和信息化的管控，實現對交通流量的集中式管理和全局優化控制。在城市交通控制系統中，區域路段交通調度任務的多設備協作是實現高效管控的基本理念。但在實際的交通管理中，參與路網內多項調度策略的管控設施也可能存在指令沖突問題。因此，實現多交通控制設備在復雜交通調度任務下的協作智能化以及集中控制器、網聯車輛、交管設施間的協同運行是未來值得研究的方向。

4.2 面向大型路網管控架構的演進

盡管軟件定義的城市交通管控架構使得在車聯網環境下集中控制大量的交通管控設備成為可能，單一的集中控制器仍然面臨海量交通信息帶來的數據過載問題。面對信息量龐大、交通狀態復雜的大型路網環境，應用多個控制器的分布式布置架構將成為重要演進方向。在該背景下，上層平臺區域化管控、管控業務指令、控制器協調布置、區域化交通疏導等問題成為亟待解決的研究難點。同時，車流跨控制域流動時的域間要素協作機制也將成為新的研究方向。

5 結 語

本文提出的軟件定義化城市交通控制架構對于推進我國交通控制的數字化和精細化變革具有重大的現實意義。未來，交通控制系統的研究需要更多研究者共同參與，通過深入探討交通控制系統的應用問題，實現關鍵技術的瓶頸突破，為該架構提供了更高效的管理模式。為實現交通控制系統實時分析、集中管控的總體目標，仍需要對交通控制系統的應用難點以及解決關鍵技術的瓶頸進行深入研究。

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