金螳螂怡和技術文章入選《智能建筑》：基于云計算的城市交通信號控制系統

基于云計算的城市交通信號控制系統

摘要：基于云計算的信號控制系統，通過云計算的方式，對路口的信號燈進行控制。借助云計算的強大計算能力，完成從一個路口、到一條街道、到一個區域、直到整個城市的城市信號控制，且借助互聯網技術，和城市大腦、無人駕駛等網絡平臺對接，實現真正意義的智慧城市。

關鍵詞：交通信號控制、網絡信號燈、子區、信號控制平臺、云計算

一、概述

互聯網的高速發展，對很多傳統技術帶來了變革，物聯網的出現，為世界帶來更大的變化。信號燈技術發明于140年前，也經過了多次的技術革新。目前的信號控制，大量的還是單點控制，少量做到小區域控制，但由于技術壁壘以及接口原因，大范圍的區域控制和城市控制，還是無法實現。目前，一個規模稍大些的城市，都使用有多個廠商的信號機，但由于互相之間不能互聯互通，給城市建設帶來極大的不便。

基于云計算的城市交通信號控制系統，提出了一個通過云計算和云存儲的方法，對前端路口的信號燈進行控制，采用成熟的網絡技術和物聯網技術，解決目前大量信號機不能互聯互通的問題，使城市交通控制從點線控制提升到城市控制，并打通和城市大腦、無人駕駛等領域的數據交換，滿足智慧城市的需求。

二、方案設計

1、目前的信號控制系統

目前的交通信號控制系統，包含信號燈、車輛檢測器、路口信號機、區域控制機、中央控制系統，信號燈、車輛檢測器和信號機安裝在路口，區域控制機和中央控制系統安裝在控制室，信號燈、車輛檢測器和信號機通過線纜連接，信號機、區域控制機及中央控制機通過網絡連接。結構較為復雜，配置、維護工作量非常大，可靠性也難以保證。

▲ 現有信號控制原理圖

2、網絡信號控制系統結構

本方案提供了一種全新的架構，采用全數字控制模式，通過云計算的方式，實現路口的交通信號控制。

系統由兩大部分組成，城市信號控制云平臺以及和外界平臺對接邊界（如城市大腦、無人駕駛平臺、城市應急平臺）。

系統總體結構如下：

網絡信號控制系統分三級：

第一級：路口信息采集和信號燈控制，通過路口的車輛檢測設備，實時感知路口的車流量情況，并實時傳輸到中心平臺；信號燈接收到中心平臺的指令后，按指令顯示紅、黃、綠信號。

第二級：子區控制，把相鄰路口或路段的幾個路口（具體數量要根據現場定）畫成一個子區，由中心平臺對該子區的車流量數據進行分析，形成一個完善的子區信號控制方案，并下發到各個路口的信號燈進行執行。整個城市的信號控制由N個子區組成。

第三級：中心云平臺，該云平臺由多個子模塊組成，包括信控模塊、管理模塊、數據庫模塊、存儲模塊、GIS模塊、仿真模塊、運維模塊、指揮決策模塊等。模塊可按需進行選擇。

3、系統控制原理

本方法是基于云計算的城市交通信號控制，取消了路口信號機，解決了城市內不同廠商的信號機不能互聯互通的問題，實現城市信號控制高度統一。

采用全數字化的設計理念，采用標準化的數據格式和TCP/IP協議進行數據傳輸，使信號控制更穩當、更靈活、也更容易擴容。本方法描述的信號燈為帶網絡控制的信號燈，車檢器為帶網絡控制的車檢器。

按照路口的控制需求，可采用單點控制、子區控制、城市控制等多種控制方式，具體控制原理如下：

第一種模式：單點信號控制

a) 通過車檢器檢測路口的車流量情況，并把流量數據傳輸到信號控制平臺，信號控制平臺通過計算和判斷，給出一套信號配時控制策略。

b) 通過網絡把信號配時控制策略下發到路口的信號燈，每個方向的信號燈接收到各自的指令后，按指令進行紅、黃、綠顯示。

c) 當不進行車流量檢測時，信號控制平臺也可按照預先設定好的定時控制、定周期控制策略等常規控制方式，對前端信號燈進行指揮。

第二種模式：子區控制

子區控制就是把相鄰的多個路口，人為地畫成一個區域，綜合考慮區域內各路口的車流量情況，給出一個適合于整個區域的信號配時控制策略，然后指揮區域內各路口信號燈放行，這樣可避免車流在路口溢出后，造成更大的擁堵。

a) 通過車檢器檢測路口的車流量情況，并把流量數據傳輸到信號控制平臺和子區管理平臺。

b) 通過路口的信號控制平臺的計算和判斷，給出一套信號配時控制策略，然后由網絡下發到前端信號燈，信號燈按指令進行紅、黃、綠顯示。

c) 子區管理平臺按照預設的模型，對各個路口的車流量數據進行建模和分析，對區域內的交通狀態進行預測，在車流還沒出現不暢前，適度地調整某些路口的配時，提高車輛通行率，使車輛更快地通過該區域。當路口出現擁堵時，能根據建模和仿真后的數據，及時調整各路口的放行時間，使車流更有序地通過各路口，避免出現越堵越死的現場，減輕道路擁堵壓力。

d) 在交通平峰和低峰時，子區管理平臺可根據區域內的車輛情況，快速設置綠波帶。

e) 在交通平峰和低峰時，子區管理平臺也可取消子區控制，由各路口的信號控制平臺按照預先設定好的定時控制、定周期控制策略等常規控制方式，對前端信號燈進行指揮。

第三種模式：城市控制

整個城市的信號控制是建立在子區控制的基礎上，對城市內的所有路口同時進行建模和分析，提前發現擁堵趨勢，并進行預測，制定更好的配時策略，指導各子區進行配時調整，及時把車輛分流出去。

a) 通過車檢器檢測路口的車流量情況，并把流量信息傳輸到信號控制平臺和子區控制平臺、中心控制平臺，信號控制平臺和子區控制平臺完成各自的控制任務。

b) 中心控制平臺按照預設的模型，對各個子區的車流量數據進行建模和分析，對各子區的交通狀態進行監控和預測，當某個子區將出現異常時，在車流還沒出現不暢前，適度地調整其他子區路口的配時策略，把車流疏導到其他子區去。當路口出現擁堵時，能根據擁堵情況，從全局出發，及時指導其他子區調整配時，使車流更有序地通過各路口，避免出現越堵越死的現場，減輕城市擁堵壓力。

c) 在交通平峰和低峰時，可取消城市控制模式，由各子區或路口按照各自策略運行。

4、關鍵設備技術

前端設備包含網絡信號燈、網絡車檢器，信號燈需集成網絡和控制模塊，能接收信號控制平臺下發的指令，并按要求控制信號燈的切換。車檢器也需集成網絡模塊，能把檢測到的數據實時傳輸到信號控制平臺，便于平臺分析和判斷。

中心部分包含城市交通信號控制平臺，以及運行平臺的服務器和存儲設備，由于云計算的快速發展，采用云端服務來完成路口的建模和預測，將變得可能和精準，還能很方便地路口的增減。

三、小結

本系統采用了全數字架構，采用TCP/IP協議，使交通信號控制系統的接口和數據容易進行標準化，解決信號聯網的問題。同時取消了前端信號機，使系統結構變得更為簡單，也非常方便地按需擴容。

近年，城市大腦和無人駕駛領域得到極大發展，通過與本系統對接，可為無人駕駛汽車提供精準的路口信號數據，指導汽車調整車速行駛，也可減輕城市擁堵的壓力。

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