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金螳螂怡和技术文章入选《智能建筑》:基于云计算的城市交通信号控制系统



基于云计算的城市交通信号控制系统

苏州金螳螂怡和科技有限公司 卢元展


摘要:基于云计算的信号控制系统,通过云计算的方式,对路口的信号灯进行控制。借助云计算的强大计算能力,完成从一个路口、到一条街道、到一个区域、直到整个城市的城市信号控制,且借助互联网技术,和城市大脑、无人驾驶等网络平台对接,实现真正意义的智慧城市。


关键词:交通信号控制、网络信号灯、子区、信号控制平台、云计算

 

一、概述

互联网的高速发展,对很多传统技术带来了变革,物联网的出现,为世界带来更大的变化。信号灯技术发明于140年前,也经过了多次的技术革新。目前的信号控制,大量的还是单点控制,少量做到小区域控制,但由于技术壁垒以及接口原因,大范围的区域控制和城市控制,还是无法实现。目前,一个规模稍大些的城市,都使用有多个厂商的信号机,但由于互相之间不能互联互通,给城市建设带来极大的不便。


基于云计算的城市交通信号控制系统,提出了一个通过云计算和云存储的方法,对前端路口的信号灯进行控制,采用成熟的网络技术和物联网技术,解决目前大量信号机不能互联互通的问题,使城市交通控制从点线控制提升到城市控制,并打通和城市大脑、无人驾驶等领域的数据交换,满足智慧城市的需求。


二、方案设计

1、目前的信号控制系统

目前的交通信号控制系统,包含信号灯、车辆检测器、路口信号机、区域控制机、中央控制系统,信号灯、车辆检测器和信号机安装在路口,区域控制机和中央控制系统安装在控制室,信号灯、车辆检测器和信号机通过线缆连接,信号机、区域控制机及中央控制机通过网络连接。结构较为复杂,配置、维护工作量非常大,可靠性也难以保证。


▲ 现有信号控制原理图



2、网络信号控制系统结构

本方案提供了一种全新的架构,采用全数字控制模式,通过云计算的方式,实现路口的交通信号控制。


系统由两大部分组成,城市信号控制云平台以及和外界平台对接边界(如城市大脑、无人驾驶平台、城市应急平台)。


系统总体结构如下:


网络信号控制系统分三级:

第一级:路口信息采集和信号灯控制,通过路口的车辆检测设备,实时感知路口的车流量情况,并实时传输到中心平台;信号灯接收到中心平台的指令后,按指令显示红、黄、绿信号。


第二级:子区控制,把相邻路口或路段的几个路口(具体数量要根据现场定)画成一个子区,由中心平台对该子区的车流量数据进行分析,形成一个完善的子区信号控制方案,并下发到各个路口的信号灯进行执行。整个城市的信号控制由N个子区组成。


第三级:中心云平台,该云平台由多个子模块组成,包括信控模块、管理模块、数据库模块、存储模块、GIS模块、仿真模块、运维模块、指挥决策模块等。模块可按需进行选择。


3、系统控制原理

本方法是基于云计算的城市交通信号控制,取消了路口信号机,解决了城市内不同厂商的信号机不能互联互通的问题,实现城市信号控制高度统一。


采用全数字化的设计理念,采用标准化的数据格式和TCP/IP协议进行数据传输,使信号控制更稳当、更灵活、也更容易扩容。本方法描述的信号灯为带网络控制的信号灯,车检器为带网络控制的车检器。


按照路口的控制需求,可采用单点控制、子区控制、城市控制等多种控制方式,具体控制原理如下:

第一种模式:单点信号控制


a) 通过车检器检测路口的车流量情况,并把流量数据传输到信号控制平台,信号控制平台通过计算和判断,给出一套信号配时控制策略。


b) 通过网络把信号配时控制策略下发到路口的信号灯,每个方向的信号灯接收到各自的指令后,按指令进行红、黄、绿显示。


c) 当不进行车流量检测时,信号控制平台也可按照预先设定好的定时控制、定周期控制策略等常规控制方式,对前端信号灯进行指挥。


第二种模式:子区控制

子区控制就是把相邻的多个路口,人为地画成一个区域,综合考虑区域内各路口的车流量情况,给出一个适合于整个区域的信号配时控制策略,然后指挥区域内各路口信号灯放行,这样可避免车流在路口溢出后,造成更大的拥堵。



a) 通过车检器检测路口的车流量情况,并把流量数据传输到信号控制平台和子区管理平台。


b) 通过路口的信号控制平台的计算和判断,给出一套信号配时控制策略,然后由网络下发到前端信号灯,信号灯按指令进行红、黄、绿显示。


c) 子区管理平台按照预设的模型,对各个路口的车流量数据进行建模和分析,对区域内的交通状态进行预测,在车流还没出现不畅前,适度地调整某些路口的配时,提高车辆通行率,使车辆更快地通过该区域。当路口出现拥堵时,能根据建模和仿真后的数据,及时调整各路口的放行时间,使车流更有序地通过各路口,避免出现越堵越死的现场,减轻道路拥堵压力。


d) 在交通平峰和低峰时,子区管理平台可根据区域内的车辆情况,快速设置绿波带。


e) 在交通平峰和低峰时,子区管理平台也可取消子区控制,由各路口的信号控制平台按照预先设定好的定时控制、定周期控制策略等常规控制方式,对前端信号灯进行指挥。


第三种模式:城市控制

整个城市的信号控制是建立在子区控制的基础上,对城市内的所有路口同时进行建模和分析,提前发现拥堵趋势,并进行预测,制定更好的配时策略,指导各子区进行配时调整,及时把车辆分流出去。



a) 通过车检器检测路口的车流量情况,并把流量信息传输到信号控制平台和子区控制平台、中心控制平台,信号控制平台和子区控制平台完成各自的控制任务。


b) 中心控制平台按照预设的模型,对各个子区的车流量数据进行建模和分析,对各子区的交通状态进行监控和预测,当某个子区将出现异常时,在车流还没出现不畅前,适度地调整其他子区路口的配时策略,把车流疏导到其他子区去。当路口出现拥堵时,能根据拥堵情况,从全局出发,及时指导其他子区调整配时,使车流更有序地通过各路口,避免出现越堵越死的现场,减轻城市拥堵压力。


c) 在交通平峰和低峰时,可取消城市控制模式,由各子区或路口按照各自策略运行。

 

4、关键设备技术

前端设备包含网络信号灯、网络车检器,信号灯需集成网络和控制模块,能接收信号控制平台下发的指令,并按要求控制信号灯的切换。车检器也需集成网络模块,能把检测到的数据实时传输到信号控制平台,便于平台分析和判断。


中心部分包含城市交通信号控制平台,以及运行平台的服务器和存储设备,由于云计算的快速发展,采用云端服务来完成路口的建模和预测,将变得可能和精准,还能很方便地路口的增减。

 

三、小结

本系统采用了全数字架构,采用TCP/IP协议,使交通信号控制系统的接口和数据容易进行标准化,解决信号联网的问题。同时取消了前端信号机,使系统结构变得更为简单,也非常方便地按需扩容。


近年,城市大脑和无人驾驶领域得到极大发展,通过与本系统对接,可为无人驾驶汽车提供精准的路口信号数据,指导汽车调整车速行驶,也可减轻城市拥堵的压力。



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