智能交通诱导系统的设计与实现

方明 王剑锋

摘   要：应用交通诱导技术可以正确引导道路使用者顺利到达目的地，实现交通流优化，避免交通阻塞，更有效地管理现代交通。文章依据交通产品中集VMS、限速标志、红叉绿箭雷达、黄闪灯等多种设备为一体的控制系统，结合系统科学和信息科学技术的设计理念，通过道路信息采集、信息处理、诱导信息生成及发布一整套流程，进行城市道路诱导系统的设计与开发。

关键词：交通诱导;可变情报板;速度监测系统

1    智能交通诱导系统产生背景

随着城市化进程的加快，城市交通问题日趋严重和恶化，城市道路交通拥挤、阻塞和环境问题已经成为备受关注的热点问题之一。智能交通诱导系统是依托物联网、云计算、大數据技术，采用现代信息服务手段，开发基于物联网模式的智能交通指挥诱导系统及终端产品，能实现产业化、改善交通运输的运行情况，提高运输效率和安全性。本团队设计了界面友好、功能强大、基于浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）多层架构、支持十余种设备类型的交通控制系统，支持跨平台，支持数据库扩展，支持速度监测系统（Velocity-Measuring System，VMS），trailer，comBI，arraw等10余种设备类型，支持以HTML5技术开发的在线编辑器，详细的日志统计，支持1 000多台设备同时使用。

在城市快速路、主干道上容易发生拥堵的点位安装可变情报板，每2 min刷新一次，每天显示成千上万条实时路况信息，帮助司机选择畅通路段。当发生事故等突发情况或出现恶劣天气时，信息板可以智能发布实时路况信息和管制信息，诱导车辆避开拥堵和意外事件点段，实现对车辆的全程诱导，进而全面、有效地解决交通运输领域问题，特别是交通拥挤、交通阻塞、交通事故等问题。

针对上述种种问题以及发光二极管（Light Emitting Diode，LED）产品在交通应用上的特点，有必要开发出一款智能的交通控制系统[1]。

2    智能交通诱导系统功能需求分析

结合以往项目实施经验及未来技术发展趋势，确定新的交通控制系统应具备以下功能：

（1）支持以太网有线以及GPRS，3G，4G，WiFi等各种无线通信方式，满足不同国家、不同地区、不同客户、不同地理环境下的通信要求。

（2）支持显示屏定制的JetFileII，NTCIP，Modbus，Profibus等不同通信协议，能适应各种不同的应用场景，并且很方便地进行扩展。

（3）支持VMS、雷达、摄像头、红叉绿箭、限速标志、黄闪灯6种主设备以及7种子设备，各种设备之间可以相互组合、相互控制，利用多种设备之间的组合应用进行交通诱导的功能实现。

（4）支持浏览器在线内容编辑，支持各种不同格式的文件处理，以HTML5技术开发的编辑器应用范围广，不再受浏览器和操作系统的限制。

（5）强大的分组管理功能，能够快速地查看指定区域设备的状态，提供上千种不同大小的交通专用图片，并且支持用户自己定制交通诱导下相关的图库。

（6）支持谷歌实时GPS定位，一眼就能看到自己管理区域对应的设备位置，支持1 000个以上设备的在线处理，利用线圈和雷达来检测车流量信息，进而对每个道路的优化诱导进行相关的数据采集。

（7）支持按周、按日、按任意时间的多种模式调度设置，通过形象的展示形式，一眼就能看出什么时间播放什么文件，极大地方便了用户对文件内容的排期编辑，为无人值守智能内容更新提供了坚实的基础。

（8）支持像点检测、保护设置、短信报警、智能方案等实用性功能，满足不同项目的需要。实施监控屏体内容和设备健康状态，支持邮件报警，异常状态发生时及时通知用户。

3    控制系统的整体架构设计和关键功能部分的实现

整个架构采用模块化思路，对业务分层和功能模块进行横向和竖向划分。模块化及分层如图1所示。控制系统划分以下几个关键部分。

3.1  网站UI部分

采用微软21世纪主推的跨平台的.net Core开发框架，具有天生的跨平台特性，支持Windows，Linux，MAC等操作系统;使用模型—视图—控制器（Model-View-Controller，MVC）开发模式并结合3层架构思想进行设计开发，实现分层、解耦，结构清晰，提高开发效率;使用WebAPI的形式进行开发，极大地方便了后台UI界面的扩展，如IOS端、安卓端、PC端、微信小程序等;使用Entity Framework Core进行数据库访问，可以方便地更换各种数据库（SQLServer，MySQL，Sqlite，PostgreSQL等）;前端采用Bootstrap+Jquery+JqueryUI+less+H5 canvas开发。

3.2  Server部分

Server是网站与设备之间最重要的桥梁，要求是稳定可靠，需要处理的业务包括：实时监控VMS设备状态、在出现异常数据时发送警报（如SMS警报、邮件报警）、完成所有对VMS操作的指令。为了保障任务处理的可靠性，本团队采用了消息队列与服务器后端进行通信;服务器Modem连接采用异步IO方式，支持2 000个设备的并发连接请求;任务进度及结果采用异步推送的形式，不需要服务器后端进行轮询;采用IOC依赖注入方式降低模块间的耦合度;采用Log4net进行日志记录，支持日志复写及文件存储[2]。

3.3  设备功能部分

该部分主要包含MVC后台网络单机适配器、协议模块、设备模块3个核心模块。

MVC后台网络单机适配器模块：对于网络版，因为有服务器的存在，需要先把远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）请求的信息发送到服务器上，服务器再把请求转换成对设备模块外部接口的调用;对于单机版，因为没有服务器，所以不存在发送RPC请求信息这一环节，在后端应用程序接口（Application Programming Interface，API）可以直接调用设备模块的外部接口;除了对设备的操作以外，MVC后端的API还需要对数据库进行交互，这里的交互仅指设备相关的数据库交互[3]。

協议模块：本系统其中很重要的一部分，主要提供给系统中的设备模块调用，内部实现协议应用层的解析和调用相应的通信模块，不同协议单独一个模块。每种协议独立一个模块，根据协议定义的功能，封装由协议自身定的功能决定这个模块提供的API。

设备模块：由于本系统涉及多种多样的设备，需要将每个设备设计成独立的模块，提供给系统中的功能模块调用，内部会调用协议模块，不同设备单独一个模块，内部调用自己所需的属性和方法，模块之间互不相关。

3.4  交通诱导调优算法

针对现实生活中的智能交通诱导系统求解实时最优路径问题，根据实时交通信息，以车辆周转时间最短，提高路网道路运行效率为目标建立模型。现简单介绍最为常用的实时自适应的多agent路径诱导方法。

实时自适应的多agent路径诱导系统。它们将通过协作的方式，利用不动点原理进行路径选择，并最终得到用户满意的路径选择，而且在最大程度上降低交通拥塞，实时自适应多agent路径诱导系统由3个agent组成，分别是交通管理agent、路网agent、个人agent。

采用柔性约束的优化方法：无论是个人agent、路网agent和交通管理agent进行路径选择时都有一个优化问题，即路径的好坏多个目标，可以把这些目标划分为若干个级别，每个约束级别定义一个约束满足程度可接受的标准。

3.5  交通诱导应用场景

一条道路上安装若干个龙门架装置，每个龙门架上都安装VMS情报板、限速标志、红叉绿箭、雷达等设备。雷达检测出相应路段的车流量和车速信息后，通过后台运算得出后面路段每个限速标志最适合的限速值，智能优化每段道路的最佳行驶速度。根据雷达以及路面碰撞检测系统发现某一个车道发生事故后，计算出旁边车道是否可通行，进而控制红叉绿箭车道牌引导车辆往可通行的车道行驶，同时降低限速标志的速度值，控制车流的速度，在VMS情报板上显示“前方发生事故，减速慢行”等人性化提示信息。当某段道路检测到发生事故或者路面不能正常行驶时，通过限速标志和红叉绿箭车道盘引导车流往其他路口行驶，并在VMS情报板上显示警示信息。

4    结语

根据交通产业日益拥堵的现实状况，顺应交通市场的号召，肩负作为交通市场LED产品提供商的责任感，文章设计开发了一套智能交通诱导系统，尽可能地参与到解决城市交通拥堵的大部队中。根据多年来的交通产品的设计经验和同行产品的深入研究，结合市场客户的真实体验和反馈，本设计并实现了集多种设备、多种通信协议为一体的智能控制系统，操作简单、功能强大，采用先进的开发理念及技术、多层架构设计、清晰的结构设计，保障了系统的稳定性和扩展性。集VMS、雷达、限速标志、红叉绿箭等多种交通设备为一体的集中式控制方式，能充分发挥交通诱导的作用，为缓解城市交通拥堵奠定了坚实的基础。该系统已经推荐给澳洲和欧洲客户使用，取得了较好的经济效益和不错的用户口碑。

[参考文献]

[1]金永燊.纵谈城市交通[M].北京：中国城市出版社，2002.

[2]陈硕.Linux多线程服务端编程：使用muduo C++网络库[M].北京：电子工业出版社，2015.

[3]微软官网.微软官方文档[EB/OL].（2019-04-07）[2019-10-10].https：//docs.microsoft.com/zh-cn/aspnet/core/？view=aspnetcore-2.2.

Abstract：Traffic guidance technology can help the road users to arrive their destination smoothly and correctly， such development can achieve result in optimizing traffic flow and avoid traffic congestion. It is a technology that will manage the modern traffic much more effectively. Based on the use of velocity-measuring system， speed limits， red cross green arrow radar， yellow flashing lights and other traditional traffic guidance tool， we have developed a system that will be able to control them simultaneously. Such system was designed according to the concept of system science and information science technique， by road information collection， information processing， route guidance generation and a set of systemic procedure to implement the design and development of urban road traffic guidance system. 

Key words：traffic guidance; variable information board; velocity-measuring system