交通信控無線運維系統設計與實現

楊志華

（1.城市交通管理集成與優化技術公安部重點實驗室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息產業有限責任公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

交通信號控制器（以下簡稱“信號機”）管理道路交叉口的信號燈，是智能交通系統的關鍵控制設備，其發展先后經歷了手動變換、機械電動控制、電子智能控制等多個階段[1]。隨著路口產品數量的增加及智能化技術的進步，信號機的智能化運維管理顯得越來越重要。

當前一些發達國家和地區通過基礎設施的規范化建設[2]、產品及維修備件的集成管理[3]、協議的標準化（如美國的NTCIP協議[4]，歐洲的OCIT協議[5]等）以及專業的交通數據應用分析平臺[6]，實現對設備的遠程維護與精細化管理。整體而言，其應用成本及技術要求較高，交通設備的管理由政府統籌（比如香港采用SCATS和SCOOT等國外信號機，1 800多個路口的維護由政府機電工程署負責[7]），應用不夠靈活，相關數據調取不方便，如Paruchuri等[8]提出的基于車輛到達時間的信號優化方法以及Han[9]研究的基于交通信號狀態數據的車輛導航及優化算法等，這些新技術對路口狀態數據的獲取均需重新設計新的數據傳輸通道。

國內信號機產品及應用情況復雜多樣，導致其運維智能化及靈活性水平較低。首先，信號機產品差異大[10]、標準不夠完善、基礎設施更新較快，導致統一化的運維實施難度較大，為此蔣光勝[11]從規范化、精細化等方面分析了系統運營維護方法，但對不同軟硬件設備的智能化管理方法仍需進行深入研究；其次，很多路口信號機不具備有線聯網基礎，部分聯網設備的管理也需通過公安專網的交警控制平臺，存在企業化維護不靈活、大數據難以獲取等不足。當前，很多新技術在智能交通領域得到了較好的研究和應用，如孫正良等[12]分析了大數據交通信息的物聯網實現；杜呈旭等[13]研究了4G技術與智能交通的融合；包左軍[14]探索了新一代5G網絡與車聯網的協同發展。

整體而言，當前信號機運維成本較高、產品接入復雜、難以社會化應用。為此，本文將結合無線通信技術、大數據應用技術與智能交通系統，研究設計基于4G通信的交通信控無線運維系統，以實現對不同省市及不同信號機產品的兼容接入、統一運維和社會化應用，并通過在多個城市的實施，對系統進行功能性驗證。

1 無線運維系統設計

1.1 系統架構

當前信號機通過有線網絡連接至交警管理中心，每個城市形成獨立的智能交通專網系統，難以建立多個城市大區域的運維應用平臺。為推動各種新技術在智能交通中的應用[15]，本文設計了采用4G物聯網卡進行無線通信的運維系統，其基本架構如示意圖1所示。該系統不更改路口已有信號機的工作狀態，通過增加獨立的無線通信設備，實現路口相關數據的4G通信傳輸，利用運營商的網絡平臺，最終將信號機數據通過互聯網發送給無線運維服務器，并通過管理平臺實現對設備的遠程管理。

1.2 系統功能層設計

無線運維系統主要分接口設備、數據中心、運維平臺3個運行層級，如圖2所示。

無線運維系統的接口設備為一個獨立的無線通信設備，可實現對不同類型信號機和不同城市設備的多種數據接入及歸一化后的無線數據傳輸管理，實現對設備運維的終端智能管理。

交通信控大數據中心內部包括多個不同的數據庫，如設備故障數據庫、機動車流量數據庫、信號燈實時狀態數據庫、信號機運維日志數據庫等。各數據庫可根據功能進行擴展，實現對相關設備的一站式多種數據的集中管理與分類優化。

圖1 系統架構示意圖

圖2 運維系統功能層設計圖

交通信控運維平臺為一個集成化的信控平臺，可實現對不同權限用戶的管理，并分類設置其查看、調用不同功能數據內容的權限，實現交通信控運維的智能化管理、促進交通信息應用的社會化推廣。

1.3 系統安全管理

信號機作為控制交通通行的關鍵設備，其運行安全性非常重要。針對無線通信技術應用，閆軍杰[16]分析了多種數據加密方法及防御措施，其中部分方法也可用于無線運維系統的實現，同時也需針對系統應用特點建立新的安全管理機制。

無線運維通信系統采用多重安全處理機制，以保障自身安全以及與交警專網的隔離，具體有：

（1）無線通信設備實現了4G遠程控制隔離，即禁止任何通過4G通信方式對信號機的控制操作；

（2）通過加密算法管理，對設備的有線聯網控制操作進行了多重安全認證與限制；

（3）采用只發不收的方式進一步提高無線系統的安全可靠性，并只對符合通信協議的數據進行傳輸處理；

（4）對于連接交警管理平臺的信號機，無線通信模塊采用路由隔離的模式實現了交警專網與4G公網的可靠隔離防護。

2 無線通信設備設計

2.1 設備基本功能

信號機的無線運維功能必須充分考慮信號機的實際應用需求，實現終端應用的模塊化與便捷化。路口信號機存在有網絡接口或只有串行通信接口等情況。為了實現對已有信號機的兼容連接，同時不改變其當前工作狀態，本研究設計了獨立的無線通信設備，如示意圖3所示。無線通信設備與信號機之間采用網絡和串口雙重通信方式，可實現與多個信號機的連接。對于已經通過網絡連接至交警信控管理平臺的信號機，無線通信設備可在與交警管理平臺有線聯網的同時，實現與無線運維服務平臺的實時信息交互。

圖3 無線通信設備功能示意圖

無線通信設備可根據不同的連接情況，調用不同的軟件模塊實現差異化輸入、統一化輸出。無線通信設備通過網口或串口獲取信號機實時數據后，發送給運維服務中心。對于有線聯網的信號機，無線通信模塊同時將數據發送給交警控制中心。為實現更全面的無線運維管理，無線通信設備還可通過其他串口和IO輸入口連接或檢測路口其他設備，獲取車流量、運行狀態等數據，并發送給運維中心，實現對不同交通設備及工作狀態的全面運維管理，實現數據的靈活接入。

2.2 多服務器連接功能

無線通信設備4G通信傳輸還具備同時向多個服務器中心差異化傳輸數據的功能，即可通過軟件設置多個服務器接收端口，實現對不同服務器不同類型數據的并行或獨立發送。多個服務器可根據運維需求設置在不同的單位或省市，可較好地降低有線通信多重聯網的復雜性。如圖4所示，無線通信模塊將所有數據上傳到中心服務器，同時將車流量、平均車速、排隊長度等數據發送給交通優化單位的服務器，將故障信息發送給負責設備維護單位的服務器。

圖4 4G設備連接多個服務器

3 運維功能實現

為實現對信號機的無線運維，本文設計開發了系統運維平臺，可實現對信號機等設備的故障監控、機動車流量統計、信號機運行狀態顯示、運維日志存取等功能。

3.1 信號機故障運維

對信號機進行故障管理是無線運維系統的首要任務。通過對信號機故障信息的實時接收、顯示及自動報警，可實現故障的及時發現和智能處理，推動對故障更準確的檢測及定位新技術的應用[17]。運維平臺通過對歷史故障信息的大數據分析，可實現對不同故障的分級管理及數據記錄關聯，將嚴重故障通過管理平臺直接推送給運維技術人員，以實現對故障的快速、專業化分析。

信號機的故障維護及處理僅授權于專業的維護人員查看和管理。如表1所示，通過查看運維平臺故障設備狀態，實現對故障的遠程定位，進一步結合信號機的狀態信息、軟硬件版本信息等數據庫歷史記錄進行系統分析，從而實現故障的快速解決。

表1 運維平臺故障查看列表

3.2 車流量及交通優化

車流量信息是交通優化的基礎。當前道路交叉口車流量檢測器應用情況差異較大：多數路口沒有車流量檢測器，或者路口信號機不支持實時優化控制；部分路口為協調式信號機，但所應用的車流量數據較單一，新的檢測參數無法實際應用。無線運維設備終端既可接收信號機內部的車流量數據，又可通過RS 485通信接口連接檢測器，獲取全面的車輛檢測信息；對于需要優化方案而無檢測器的路口，可架設臨時檢測設備，將數據直接發送給無線運維平臺。

無線運維系統實時統計信號機或車輛檢測器發送的車流量數據，形成統計數據庫。部分信號機無法直接應用的平均車速、車牌號、統計數據等，可通過運維平臺進行大數據分析或新算法試驗。無線運維系統，通過對檢測器通道號、路口車道、方向、時間段的精細化統計分析，可得知路口的交通擁堵狀況，生成區域交通狀態評價結果；進一步結合實時放行的信號燈燈色，可實現路口信號控制方案的智能優化[18]。通過無線運維系統對路口交通優化前后方案對比如圖5所示。交通優化功能可授權給信號控制優化及評價人員，用以實現對交通優化方案的智能化生成及驗證。

圖5 運維平臺方案優化

3.3 信號狀態實時獲取

通過對道路交叉口的運維管理，可進一步獲取信號機的實時控制信息，如利用手持終端可隨時便捷地查看路口的實時運行信息，實現運行狀態的社會化應用。

結合地圖信息，無線運維平臺可將各路口的實時燈色、控制方式、執行相位、倒計時時間等信號燈控制數據實時顯示在規劃的行車路線上，同時結合車聯網應用進行紅綠燈提醒[19]，并生成車輛行駛至下一路口的建議車速，實現全路段更勻速、更通暢的行車管理。在沒有倒計時顯示器的路口，行人也可通過該平臺查看相應路口的實時倒計時或感應控制的最大綠燈信號控制狀態。如圖6所示，各種信號控制狀態可更全面地顯示在應用終端界面上，其中G表示綠燈，Y表示黃燈，R表示紅燈。

3.4 運維服務管理

無線運維系統可通過終端與服務器的交互，實現對運維日志、交通狀況、優化方案等信息的統一管理。平臺通過記錄運維人員對信號機的維修時間、人員信息、故障處理情況等數據，可實現對信號控制設備更系統化的維修管理，并通過維修記錄推動信號機產品可靠、持續地升級。社會大眾人員在查看路口交通運行狀態的同時，也可通過手持終端實時上報路口交通及設備運行異常情況，實現交通狀況及故障更及時準確的獲取。

圖6 信號控制實時狀態圖

4 系統應用實例

為推動無線運維系統的進一步落地實施，本文開發了可便捷連接的無線通信設備用于實現4G無線通信、數據接入等終端運維功能，并分別在多個路口（包括合肥、蚌埠、宣城、天長4個城市的10個試驗點，分3種型號的信號機）進行了安裝測試及應用，如表2所示。試驗中，所有終端設備均通過4G無線通信的方式連接至公司的運維服務中心，路口信號機包括與公安交警后臺有線聯網及未聯網兩種情況，實現了有線與4G無線的雙網絡連接及未聯網設備的無線聯網運維。

表2 無線運維系統應用情況

試驗證明，無線運維系統可用于信號機故障的遠程查看和分析，提高了故障運維智能化水平與實時性。針對部分已安裝車流量檢測器的試驗路口，運維平臺實現了信號機方案的遠程在線優化，并通過與原信號機方案進行對比分析，實現了路口交通優化的遠程智能評價。同時該運維平臺也可通過手機等設備接入查看，實現了設備的實時無線管理。試驗結果還表明，無線運維系統較好地實現了對不同城市、不同類型、不同聯網狀態的信號機的統一運維，解決了城市、設備類型的運維約束；實現了在線信號優化、交叉口狀態獲取等功能；系統獨立于交警專網，可與相關智能交通項目的大規模應用相結合，進一步提高其社會化應用價值。

5 結語

隨著人工智能和物聯網技術的快速發展，智能交通系統也需要更好地融入、推動智慧城市的建設。本文通過設計具有多輸入接口的無線通信設備，實現信號機端的4G無線數據傳輸，并通過與服務器數據庫中心、運維平臺、手持終端等各個節點的可靠連接，建立了一套基于4G通信獨立于交警專網的無線運維管理系統。

試驗結果表明，本系統可較好地實現交通信控運維服務信息在非公安專網領域的應用拓展，推動信控人員對優化方案的智能生成及評價，促進信號控制設備物聯網大數據技術的發展與應用。由于本系統尚未在項目中大規模應用，為充分發揮無線運維平臺的作用，還需進一步加強與大數據平臺、交通優化、車聯網等系統的有效結合，并對無線運維系統的便捷應用及開放接口的標準化實現展開深入研究。