交通信控无线运维系统设计与实现

杨志华

（1.城市交通管理集成与优化技术公安部重点实验室，安徽 合肥 230088；2.安徽科力信息产业有限责任公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

交通信号控制器（以下简称“信号机”）管理道路交叉口的信号灯，是智能交通系统的关键控制设备，其发展先后经历了手动变换、机械电动控制、电子智能控制等多个阶段[1]。随着路口产品数量的增加及智能化技术的进步，信号机的智能化运维管理显得越来越重要。

当前一些发达国家和地区通过基础设施的规范化建设[2]、产品及维修备件的集成管理[3]、协议的标准化（如美国的NTCIP协议[4]，欧洲的OCIT协议[5]等）以及专业的交通数据应用分析平台[6]，实现对设备的远程维护与精细化管理。整体而言，其应用成本及技术要求较高，交通设备的管理由政府统筹（比如香港采用SCATS和SCOOT等国外信号机，1 800多个路口的维护由政府机电工程署负责[7]），应用不够灵活，相关数据调取不方便，如Paruchuri等[8]提出的基于车辆到达时间的信号优化方法以及Han[9]研究的基于交通信号状态数据的车辆导航及优化算法等，这些新技术对路口状态数据的获取均需重新设计新的数据传输通道。

国内信号机产品及应用情况复杂多样，导致其运维智能化及灵活性水平较低。首先，信号机产品差异大[10]、标准不够完善、基础设施更新较快，导致统一化的运维实施难度较大，为此蒋光胜[11]从规范化、精细化等方面分析了系统运营维护方法，但对不同软硬件设备的智能化管理方法仍需进行深入研究；其次，很多路口信号机不具备有线联网基础，部分联网设备的管理也需通过公安专网的交警控制平台，存在企业化维护不灵活、大数据难以获取等不足。当前，很多新技术在智能交通领域得到了较好的研究和应用，如孙正良等[12]分析了大数据交通信息的物联网实现；杜呈旭等[13]研究了4G技术与智能交通的融合；包左军[14]探索了新一代5G网络与车联网的协同发展。

整体而言，当前信号机运维成本较高、产品接入复杂、难以社会化应用。为此，本文将结合无线通信技术、大数据应用技术与智能交通系统，研究设计基于4G通信的交通信控无线运维系统，以实现对不同省市及不同信号机产品的兼容接入、统一运维和社会化应用，并通过在多个城市的实施，对系统进行功能性验证。

1 无线运维系统设计

1.1 系统架构

当前信号机通过有线网络连接至交警管理中心，每个城市形成独立的智能交通专网系统，难以建立多个城市大区域的运维应用平台。为推动各种新技术在智能交通中的应用[15]，本文设计了采用4G物联网卡进行无线通信的运维系统，其基本架构如示意图1所示。该系统不更改路口已有信号机的工作状态，通过增加独立的无线通信设备，实现路口相关数据的4G通信传输，利用运营商的网络平台，最终将信号机数据通过互联网发送给无线运维服务器，并通过管理平台实现对设备的远程管理。

1.2 系统功能层设计

无线运维系统主要分接口设备、数据中心、运维平台3个运行层级，如图2所示。

无线运维系统的接口设备为一个独立的无线通信设备，可实现对不同类型信号机和不同城市设备的多种数据接入及归一化后的无线数据传输管理，实现对设备运维的终端智能管理。

交通信控大数据中心内部包括多个不同的数据库，如设备故障数据库、机动车流量数据库、信号灯实时状态数据库、信号机运维日志数据库等。各数据库可根据功能进行扩展，实现对相关设备的一站式多种数据的集中管理与分类优化。

图1 系统架构示意图

图2 运维系统功能层设计图

交通信控运维平台为一个集成化的信控平台，可实现对不同权限用户的管理，并分类设置其查看、调用不同功能数据内容的权限，实现交通信控运维的智能化管理、促进交通信息应用的社会化推广。

1.3 系统安全管理

信号机作为控制交通通行的关键设备，其运行安全性非常重要。针对无线通信技术应用，闫军杰[16]分析了多种数据加密方法及防御措施，其中部分方法也可用于无线运维系统的实现，同时也需针对系统应用特点建立新的安全管理机制。

无线运维通信系统采用多重安全处理机制，以保障自身安全以及与交警专网的隔离，具体有：

（1）无线通信设备实现了4G远程控制隔离，即禁止任何通过4G通信方式对信号机的控制操作；

（2）通过加密算法管理，对设备的有线联网控制操作进行了多重安全认证与限制；

（3）采用只发不收的方式进一步提高无线系统的安全可靠性，并只对符合通信协议的数据进行传输处理；

（4）对于连接交警管理平台的信号机，无线通信模块采用路由隔离的模式实现了交警专网与4G公网的可靠隔离防护。

2 无线通信设备设计

2.1 设备基本功能

信号机的无线运维功能必须充分考虑信号机的实际应用需求，实现终端应用的模块化与便捷化。路口信号机存在有网络接口或只有串行通信接口等情况。为了实现对已有信号机的兼容连接，同时不改变其当前工作状态，本研究设计了独立的无线通信设备，如示意图3所示。无线通信设备与信号机之间采用网络和串口双重通信方式，可实现与多个信号机的连接。对于已经通过网络连接至交警信控管理平台的信号机，无线通信设备可在与交警管理平台有线联网的同时，实现与无线运维服务平台的实时信息交互。

图3 无线通信设备功能示意图

无线通信设备可根据不同的连接情况，调用不同的软件模块实现差异化输入、统一化输出。无线通信设备通过网口或串口获取信号机实时数据后，发送给运维服务中心。对于有线联网的信号机，无线通信模块同时将数据发送给交警控制中心。为实现更全面的无线运维管理，无线通信设备还可通过其他串口和IO输入口连接或检测路口其他设备，获取车流量、运行状态等数据，并发送给运维中心，实现对不同交通设备及工作状态的全面运维管理，实现数据的灵活接入。

2.2 多服务器连接功能

无线通信设备4G通信传输还具备同时向多个服务器中心差异化传输数据的功能，即可通过软件设置多个服务器接收端口，实现对不同服务器不同类型数据的并行或独立发送。多个服务器可根据运维需求设置在不同的单位或省市，可较好地降低有线通信多重联网的复杂性。如图4所示，无线通信模块将所有数据上传到中心服务器，同时将车流量、平均车速、排队长度等数据发送给交通优化单位的服务器，将故障信息发送给负责设备维护单位的服务器。

图4 4G设备连接多个服务器

3 运维功能实现

为实现对信号机的无线运维，本文设计开发了系统运维平台，可实现对信号机等设备的故障监控、机动车流量统计、信号机运行状态显示、运维日志存取等功能。

3.1 信号机故障运维

对信号机进行故障管理是无线运维系统的首要任务。通过对信号机故障信息的实时接收、显示及自动报警，可实现故障的及时发现和智能处理，推动对故障更准确的检测及定位新技术的应用[17]。运维平台通过对历史故障信息的大数据分析，可实现对不同故障的分级管理及数据记录关联，将严重故障通过管理平台直接推送给运维技术人员，以实现对故障的快速、专业化分析。

信号机的故障维护及处理仅授权于专业的维护人员查看和管理。如表1所示，通过查看运维平台故障设备状态，实现对故障的远程定位，进一步结合信号机的状态信息、软硬件版本信息等数据库历史记录进行系统分析，从而实现故障的快速解决。

表1 运维平台故障查看列表

3.2 车流量及交通优化

车流量信息是交通优化的基础。当前道路交叉口车流量检测器应用情况差异较大：多数路口没有车流量检测器，或者路口信号机不支持实时优化控制；部分路口为协调式信号机，但所应用的车流量数据较单一，新的检测参数无法实际应用。无线运维设备终端既可接收信号机内部的车流量数据，又可通过RS 485通信接口连接检测器，获取全面的车辆检测信息；对于需要优化方案而无检测器的路口，可架设临时检测设备，将数据直接发送给无线运维平台。

无线运维系统实时统计信号机或车辆检测器发送的车流量数据，形成统计数据库。部分信号机无法直接应用的平均车速、车牌号、统计数据等，可通过运维平台进行大数据分析或新算法试验。无线运维系统，通过对检测器通道号、路口车道、方向、时间段的精细化统计分析，可得知路口的交通拥堵状况，生成区域交通状态评价结果；进一步结合实时放行的信号灯灯色，可实现路口信号控制方案的智能优化[18]。通过无线运维系统对路口交通优化前后方案对比如图5所示。交通优化功能可授权给信号控制优化及评价人员，用以实现对交通优化方案的智能化生成及验证。

图5 运维平台方案优化

3.3 信号状态实时获取

通过对道路交叉口的运维管理，可进一步获取信号机的实时控制信息，如利用手持终端可随时便捷地查看路口的实时运行信息，实现运行状态的社会化应用。

结合地图信息，无线运维平台可将各路口的实时灯色、控制方式、执行相位、倒计时时间等信号灯控制数据实时显示在规划的行车路线上，同时结合车联网应用进行红绿灯提醒[19]，并生成车辆行驶至下一路口的建议车速，实现全路段更匀速、更通畅的行车管理。在没有倒计时显示器的路口，行人也可通过该平台查看相应路口的实时倒计时或感应控制的最大绿灯信号控制状态。如图6所示，各种信号控制状态可更全面地显示在应用终端界面上，其中G表示绿灯，Y表示黄灯，R表示红灯。

3.4 运维服务管理

无线运维系统可通过终端与服务器的交互，实现对运维日志、交通状况、优化方案等信息的统一管理。平台通过记录运维人员对信号机的维修时间、人员信息、故障处理情况等数据，可实现对信号控制设备更系统化的维修管理，并通过维修记录推动信号机产品可靠、持续地升级。社会大众人员在查看路口交通运行状态的同时，也可通过手持终端实时上报路口交通及设备运行异常情况，实现交通状况及故障更及时准确的获取。

图6 信号控制实时状态图

4 系统应用实例

为推动无线运维系统的进一步落地实施，本文开发了可便捷连接的无线通信设备用于实现4G无线通信、数据接入等终端运维功能，并分别在多个路口（包括合肥、蚌埠、宣城、天长4个城市的10个试验点，分3种型号的信号机）进行了安装测试及应用，如表2所示。试验中，所有终端设备均通过4G无线通信的方式连接至公司的运维服务中心，路口信号机包括与公安交警后台有线联网及未联网两种情况，实现了有线与4G无线的双网络连接及未联网设备的无线联网运维。

表2 无线运维系统应用情况

试验证明，无线运维系统可用于信号机故障的远程查看和分析，提高了故障运维智能化水平与实时性。针对部分已安装车流量检测器的试验路口，运维平台实现了信号机方案的远程在线优化，并通过与原信号机方案进行对比分析，实现了路口交通优化的远程智能评价。同时该运维平台也可通过手机等设备接入查看，实现了设备的实时无线管理。试验结果还表明，无线运维系统较好地实现了对不同城市、不同类型、不同联网状态的信号机的统一运维，解决了城市、设备类型的运维约束；实现了在线信号优化、交叉口状态获取等功能；系统独立于交警专网，可与相关智能交通项目的大规模应用相结合，进一步提高其社会化应用价值。

5 结语

随着人工智能和物联网技术的快速发展，智能交通系统也需要更好地融入、推动智慧城市的建设。本文通过设计具有多输入接口的无线通信设备，实现信号机端的4G无线数据传输，并通过与服务器数据库中心、运维平台、手持终端等各个节点的可靠连接，建立了一套基于4G通信独立于交警专网的无线运维管理系统。

试验结果表明，本系统可较好地实现交通信控运维服务信息在非公安专网领域的应用拓展，推动信控人员对优化方案的智能生成及评价，促进信号控制设备物联网大数据技术的发展与应用。由于本系统尚未在项目中大规模应用，为充分发挥无线运维平台的作用，还需进一步加强与大数据平台、交通优化、车联网等系统的有效结合，并对无线运维系统的便捷应用及开放接口的标准化实现展开深入研究。