基于大數(shù)據(jù)的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)架構(gòu)研究

劉廣磊，趙 磊，董芊里

（1.華錄易云科技有限公司，江蘇 南京 211800；2.北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司，北京 100043；3.北京工業(yè)大學(xué) 城市交通學(xué)院，北京 100124）

交通信號(hào)控制的目的是在時(shí)間和空間上消除交通沖突，進(jìn)而緩解交通擁堵、減少機(jī)動(dòng)車尾氣污染、改善城市交通出行環(huán)境，提高城市道路通行效率[1-2]。

智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)及研究，目前能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)信號(hào)系統(tǒng)管理功能子模塊，方便用戶根據(jù)不同的需求管理交通。軟件系統(tǒng)方面，交通信號(hào)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用戶管理的需求，系統(tǒng)根據(jù)不同模塊為不同的用戶角色設(shè)置若干權(quán)限，針對(duì)不同的用戶角色選擇相應(yīng)的權(quán)限，使用戶按照自己的權(quán)限管理信號(hào)控制系統(tǒng)；還可實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)設(shè)備管理的需求，系統(tǒng)中不僅能夠添加信號(hào)機(jī)也能夠刪除信號(hào)機(jī)，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)可以設(shè)置信號(hào)機(jī)的基本參數(shù)，如通信控制設(shè)置、控制策略控制、信號(hào)機(jī)傳輸周期控制、信號(hào)燈輸出方式設(shè)置；還可實(shí)現(xiàn)信號(hào)機(jī)方案編輯功能：時(shí)間表方案、配時(shí)方案、相序方案、感應(yīng)方案、感應(yīng)檢測(cè)器設(shè)置和DET參數(shù)等；還可實(shí)現(xiàn)特勤控制功能，信號(hào)機(jī)可采取立即或按特勤預(yù)案時(shí)間表方式執(zhí)行特勤控制功能，此功能亦可完全由中心進(jìn)行控制，用戶可對(duì)特勤方案進(jìn)行編輯或?yàn)g覽；還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備及信號(hào)狀態(tài)功能，可以監(jiān)視指定路口狀態(tài)、監(jiān)視指定子區(qū)的所有路口狀態(tài)、監(jiān)視所有信號(hào)機(jī)狀態(tài)，也可以自動(dòng)記錄并提示設(shè)備或通信狀態(tài)下的異常與故障；還可實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)控制功能，人工干預(yù)控制也稱為中心手動(dòng)控制，中心手動(dòng)控制包括系統(tǒng)控制操作和信號(hào)機(jī)控制操作，其系統(tǒng)還具備中心步進(jìn)功能，以中心方式實(shí)現(xiàn)了警察在路口的手動(dòng)操作；還可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)功能，中心系統(tǒng)具有時(shí)鐘校準(zhǔn)功能，可以指定系統(tǒng)軟件校時(shí)的時(shí)間間隔，也可以通過(guò)中心平臺(tái)GPS授時(shí)設(shè)備對(duì)軟件時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，還可以通過(guò)人工手動(dòng)校時(shí)的方法對(duì)路口交通信號(hào)機(jī)進(jìn)行手動(dòng)校時(shí)。除以上功能需求外，系統(tǒng)中也能夠?qū)崿F(xiàn)日志管理、數(shù)據(jù)管理、綠損分析等功能；還能夠與車載系統(tǒng)對(duì)接，可以無(wú)縫接入汽車標(biāo)識(shí)RFID設(shè)備，而且信號(hào)機(jī)具有車輛設(shè)備連接的接口，可通過(guò)系統(tǒng)獲得車輛擁堵信息。

基于大數(shù)據(jù)的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)基于路口的信號(hào)控制模式、基于區(qū)域的范圍信號(hào)控制模式以及基于總控中心的全局統(tǒng)一控制模式。通過(guò)多級(jí)信號(hào)控制模式，實(shí)現(xiàn)靈活的交通信號(hào)控制效果，最大限度滿足不同場(chǎng)景條件下的交通信號(hào)控制策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)道路上的交通流進(jìn)行合理引導(dǎo)和控制，以緩和或防止交通擁擠，并提供交通狀況信息以合理規(guī)劃和疏導(dǎo)交通，緩解高峰時(shí)段以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的交通擁堵，提高公眾出行的暢通性和便捷性。

1 建設(shè)目標(biāo)

在既定的政策、約束條件下，采用新技術(shù)手段或方式建設(shè)城市交通信號(hào)控制平臺(tái)，有利于促進(jìn)新技術(shù)在交通領(lǐng)域的融合應(yīng)用，改善城市交通出行環(huán)境，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）降低道路交通事故率，改善居民出行環(huán)境。通過(guò)實(shí)施合理的交通信號(hào)控制方案，可實(shí)現(xiàn)人流、車流在時(shí)空上的分離，從而減少交通沖突點(diǎn)，提高居民出行的安全性。（2）緩解城市道路交通堵塞，提高道路通行效率。交通信號(hào)控制可對(duì)城市道路交通流進(jìn)行合理的引導(dǎo)，保證城市道路交通流具有序、連續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而減少交通流之間的沖突發(fā)生，提高城市道路的通行效率。（3）減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放，改善城市空氣質(zhì)量。實(shí)施合理的交通信號(hào)控制可減少機(jī)動(dòng)車延誤、停車次數(shù)，進(jìn)而減少機(jī)動(dòng)車怠速、低速、啟動(dòng)等引起的尾氣排放增多問(wèn)題，減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染。

2 需求分析

2.1 智能信號(hào)控制需求

交通信號(hào)控制系統(tǒng)是道路交通管理和控制的基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車流量，實(shí)時(shí)優(yōu)化交通信號(hào)控制模式，調(diào)整信號(hào)控制參數(shù)，實(shí)施交叉口間的協(xié)調(diào)控制，調(diào)節(jié)道路交通流量，充分挖掘道路網(wǎng)容量；在保障交通安全的前提下，合理配置道路交叉口時(shí)間和空間資源，使停車次數(shù)、延誤時(shí)間、最大排隊(duì)長(zhǎng)度減至最小，充分發(fā)揮道路系統(tǒng)的交通效益，達(dá)到道路交通系統(tǒng)最大程度的暢通。

交通信號(hào)控制系統(tǒng)的日常控制方式：?jiǎn)吸c(diǎn)控制、干線協(xié)調(diào)控制、區(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化控制、人工干預(yù)控制、公交優(yōu)先控制等。系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分級(jí)優(yōu)化控制，多種控制策略相結(jié)合，根據(jù)路口的實(shí)際交通流量，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)干線綠波協(xié)調(diào)以及區(qū)域聯(lián)網(wǎng)控制，智能優(yōu)化信號(hào)控制方案，最大程度減少綠燈浪費(fèi)時(shí)間和增大路網(wǎng)通行能力，保障道路運(yùn)行有序通暢；系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)感知的道路交通參數(shù)進(jìn)行融合、處理，針對(duì)不同的交通狀況實(shí)時(shí)生成不同的控制策略，實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制系統(tǒng)的智能化。

2.2 交通流量采集需求

交通信號(hào)控制系統(tǒng)通過(guò)道路檢測(cè)器和信號(hào)機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通流量的采集功能。一方面，采集的交通流量用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制等；另一方面，將采集的交通流信息上傳至指揮中心，與其他系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)相融合，用于對(duì)整個(gè)道路路況的綜合研判。

系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)智能化采集手段的靈活應(yīng)用，包括布設(shè)存在、感應(yīng)、排隊(duì)長(zhǎng)度、反溢檢測(cè)器，對(duì)于流量的采集監(jiān)控做到多手段、全采集。

2.3 其他需求

除信號(hào)控制、交通流采集以及特勤任務(wù)外，系統(tǒng)還應(yīng)滿足以下業(yè)務(wù)需求：實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制系統(tǒng)軟件操作簡(jiǎn)便、業(yè)務(wù)貼切實(shí)際，切實(shí)反映車輛運(yùn)行狀況，最大化滿足交通管理者的應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)路段交通運(yùn)行有序可控，關(guān)鍵路口通行效率提升，路段行程時(shí)間、停車次數(shù)等交通指標(biāo)最優(yōu)；實(shí)現(xiàn)交通評(píng)價(jià)科學(xué)化，對(duì)于新建、改建路口的通行能力、道路服務(wù)水平給予評(píng)價(jià)，為今后路口的設(shè)施改造、流量數(shù)據(jù)分析提供參考數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)路口基礎(chǔ)資料庫(kù)的建設(shè)。以圖紙為例，收集整理與交通信號(hào)相關(guān)的道路管網(wǎng)信息、設(shè)備分布信息、地理方位信息等，為今后路口改建施工以及設(shè)備升級(jí)準(zhǔn)備完善的參考資料。

3 總體邏輯框架設(shè)計(jì)

3.1 總體邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

總體邏輯架構(gòu)如圖1所示，在基礎(chǔ)資源層，采用物理服務(wù)器為大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供存儲(chǔ)、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源；數(shù)據(jù)來(lái)源層是此次項(xiàng)目將要整合的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)[3]；數(shù)據(jù)整合層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)分散業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一整合、標(biāo)準(zhǔn)化清洗轉(zhuǎn)換，以及實(shí)時(shí)加工計(jì)算處理；數(shù)據(jù)管理層主要建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)及其運(yùn)維管理平臺(tái)，GIS平臺(tái)采用離線百度引擎實(shí)現(xiàn)；在業(yè)務(wù)應(yīng)用層，建成大屏可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)視角的統(tǒng)一整合，以及大屏可視化分析呈現(xiàn)[4-5]。

圖1 總體邏輯架構(gòu)圖

3.2 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，所有服務(wù)器部署到同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)，不同的服務(wù)器負(fù)責(zé)不同的任務(wù)。

大數(shù)據(jù)集群服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)與管理整合的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并提供分析計(jì)算能力；大數(shù)據(jù)管理服務(wù)器負(fù)責(zé)運(yùn)維管理及監(jiān)控大數(shù)據(jù)集群運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)為數(shù)據(jù)資源整合提供運(yùn)行環(huán)境及資源；應(yīng)用和Web服務(wù)器負(fù)責(zé)為大屏可視化系統(tǒng)運(yùn)行提供資源。

3.3 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）基于Hadoop架構(gòu)建立存儲(chǔ)模塊采用優(yōu)化的分布式文件系統(tǒng)，不僅能對(duì)平臺(tái)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源庫(kù)中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，也支持對(duì)非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與統(tǒng)一管理。

（2）通過(guò)建立多級(jí)存儲(chǔ)、多級(jí)檢索機(jī)制，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效檢索，支持?jǐn)?shù)據(jù)資源的可視化分析。

（3）提供圖形化的UI界面，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理功能，降低運(yùn)維人員的工作復(fù)雜度，提高工作效率，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)落地存儲(chǔ)模塊，通過(guò)分布式數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的存儲(chǔ)規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)，為數(shù)據(jù)的檢索、分析等應(yīng)用操作提供高響應(yīng)的服務(wù)保障。

（5）高容量、高性能。支持PB級(jí)規(guī)模的數(shù)據(jù)管理，千億非結(jié)構(gòu)化文檔規(guī)模下檢索可實(shí)現(xiàn)秒內(nèi)響應(yīng) 。

（6）多類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理支持對(duì)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理和統(tǒng)一訪問(wèn)查詢。

（7）與Hadoop有機(jī)結(jié)合。基于Hadoop的MPP架構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)，有機(jī)兼容Hadoop生態(tài)圈的組建，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)只能采用Hadoop與分布式數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)混搭的模式構(gòu)建大數(shù)據(jù)中心的問(wèn)題，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，只需要一套物理集群即可，使一份數(shù)據(jù)同時(shí)支持SQL多維分析和定制化分析。

（8）高可擴(kuò)展。系統(tǒng)可透明橫向擴(kuò)展，性能隨系統(tǒng)擴(kuò)展而近線性增加。

（9）豐富的查詢能力。支持全文檢索、SQL語(yǔ)義查詢、模糊查詢、文本查詢、文本統(tǒng)計(jì)、UDF查詢、關(guān)聯(lián)查詢、正則表達(dá)式查詢、二進(jìn)制檢索語(yǔ)義。

（10）可靠安全。提供了副本機(jī)制保障數(shù)據(jù)可靠性，支持權(quán)限機(jī)制保證數(shù)據(jù)安全性。

（11）標(biāo)準(zhǔn)化接口。提供JDBC/ODBC編程接口，支持?jǐn)U展的SQL語(yǔ)法，方便應(yīng)用開(kāi)發(fā)編程。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的建設(shè)，能夠獲取道路交通實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的檢測(cè)與感知，并為信號(hào)控制方案的優(yōu)化提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐，提高交通信號(hào)控制的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，提升區(qū)域信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控水平與控制決策水平，減少停車次數(shù)，避免道路交通擁堵，消除路口交通組織混亂帶來(lái)的安全隱患，降低交通事故發(fā)生率，全面提升道路交通通行效率和科技管控效能，從而提高公眾出行的暢通性和便捷性。