交通信号控制系统中信息交换平台的设计

郭小丹

摘 要：本论文提出了基于 XML 和消息中间件的统一的信息交换平台，利用XML 的 TelesemeML 协议为交通信号控制系统和各路口信号机之间的通信提供了统一的通信标准，实现了交通信号控制系统和各路口信号机之间信息的共享与交互。

关键词：交通信号控制；消息中间件；XML；TelesemeML

中图分类号： TP393 文献标识码： A 文章编号：2095-2163（2015）04-

Design of Information Exchange Platform in the Traffic Signal Control System

Guo Xiaodan

（School of Information Engineering， Xizang Minzu University， Xianyang Shanxi 712082，china）

Abstrct： The thesis puts forward the unified information exchange based on XML and message oriented middleware platform. It provides a unified standard of communication， By using TelesemeML agreement of XML for traffic signal control system and the communication between each intersection signal. Therefore， the thesis realizes information sharing and interaction between the communication control system and each intersection signal.

Keywords： Traffic Signal Control； Message Middleware； XML； TelesemeML

0 引 言

随着我国经济飞速发展，城市的交通问题日益严重，交通信号控制系统在保障道路畅通、安全和有序方面起着重要的作用。尽管各地的交通信号控制已经投入使用，但是仍然存在数据共享程度较低、通信过程缺乏统一标准、与交通系统外的其他系统进行信息交互的接口较少等问题。

针对目前部分地区交通信号控制系统落后的现状，提出了基于XML和消息中间件的信息交互平台，可有效提取出各信号机提供的数据，并实现系统控制区域的动态划分和合并，以及各区域间数据的共享与交互。

1 关键技术

1.1 XML 技术

XML（eXtensible Markup Language，可扩展标记语言）是SGML（Standard Generalized Markup Language，标准通用标记语言）的一个简化子集，将 SGML的功能和HTML的易用性结合在了Web应用中，扩展性和可验证性较好，而且易于使用和易于移植。无论是组织还是个人均可通过XML创建满足自己需求的标记集合，而且XML的数据存储格式不受限于显示格式，因此，XML在一些中间件、电子商务等领域大受欢迎[1]。

目前，支持XML格式的消息传输技术有很多。例如，基于XML的远程过程调用（XML Remote Procedure Calls）、简单对象访问协议（Simple Access Protocol）以及消息中间件（Message-Oriented Middleware）等。

1.2 消息中间件技术

中间件位于操作系统和应用程序之间的一类软件，封装了一类应用程序的共性，并且提供相应的API进行二次开发，最终完成一个应用程序。消息中间件实现的信息交互的主要特点是：消息传递机制既高效可靠，同时又平台无关的。基于消息排队以及传递模型，消息中间件可以支持多通信协议，实现了分布式系统的集成。MOM的基本组成包括消息和MOM提供者、客户端，前者主要指的是管理工具和相关API。由于MOM中提供的路由体系结构不同，就使得MOM不仅可以应用于集中式消息服务器上，还可以由各客户端实现路由功能，ActiveMQ就是其中的一种。

1.3 信息交换

信息交换是指不同计算机应用程序之间互相交流有用的信息，主要应用于电子商务、远程服务、数据集成等领域。XML定义的数据结构不是基于二进制的，而是简单的纯文本，允许程序开发制定满足自身需求具有特定领域特点的底层数据交换规范。把XML作为信息交互的中介，实现不同服务器或者应用程序之间的无缝信息交互。XML作为一种元数据语言，提供统一的格式对信息进行描述，使得即便信息来源于不同系统也能按照统一的格式实现信息交互。XML有利于协调处理数据，而且也不依赖于编程语言或者操作系统，所以，XML即为应用系统内部或者互联网系统之间的数据交换提供了一种简单、快速的解决方案。

信息交互平台内部直接封装信息，旨在使得被动提供信息的应用程序能与其他应用程序实现信息交流。

2 交通信号控制系统中信息交换的设计

2.1 交通信号控制系统

交通信号控制系统是协调管控一个城市的某个区域或者整个城市内部的各路口信号的系统。目标是使得城市受控区域内道路系统的交通效益得到充分发挥，在交通信号控制系统的整体控制下，针对各路口、路段所允许的最大交通流量在承载运送上的不同，最大限度地发挥路口间的优势互补和良好协作，均衡各路段的交通量，使得车辆停车次数、延误时间和环境污染等减至最小。

交通信号控制系统共分为三层：上层PC应用层，中间业务服务层和底层资源接入层[2]。其系统架构如图1所示。

图1 系统架构图

Fig.1 System architecture diagram

如图1所示，在此给出系统架构图中三层各自的实现原理及对应功能概述如下。

上层PC应用层是面向用户的，主要包括集中协调时信号机的交通控制中心和各交警大队的子控制中心。系统的设计采用的是B/S架构，用户只需要打开浏览器登录进入系统，就可以管理和控制各信号机。

底层资源接入层是指管理城市道路各交叉路口的车辆通行状况的信号机，信号机在保障车辆顺利通行、道路畅通的同时也在监测着其路口的交通流量。

中间业务服务层的主要作用是连接上层 PC 应用层和底层资源接入层。中间业务服务层包括三类服务器，分别是Apache应用服务器、数据库服务器和ActiveMQ 服务器。其中，Apache 应用服务器主要负责为上层PC应用层的交通控制中心和各交警大队的子控制中心提供web服务；数据库服务器的作用是保存所有数据；Active MQ服务器作为消息中间件的一种，负责转发上层PC应用层和底层资源接入层之间的信息。

2.2 交通信号控制系统中信息交换标准

国际上各个城市交通信号控制系统的通信协议虽有不同，但国外使用的NTCIP协议已经有效解决了协议不一致的问题，只是我国仍未出台统一的通信标准和规范。目前我国使用的通信协议以数据帧的格式为主，协议的通用性、扩展性和标准化均较低，协议使用的局限性较大[3]。因此，本论文提出了基于XML的交通信号控制系统通信协议TelesemeML（Teleseme Markup Language），XML类型的文档数据是源自数据内在层次结构进行组织并设计的，利于描述存在包含关系的概念模型。

2.2.1 基于XML/消息中间件的Telseme ML的设计需求

TelesemeML是中国城市交通信号控制系统的后台中心和各路口信号机间进行信息交换的格式标准，系统的后台管理中心通过基于TelesemeML的通信协议与不同商家的信号机进行通信，为系统的集成和扩展提供可能。TelesemeML的设计需求如下：

（1） 信息交换的规范和标准是在对中国城市交通信号控制系统的后台管理中心与各路口信号机进行信息交换的信息归纳和抽象的基础上综合设定并同意制定的，期望能对后台管理中心与信号机之间信息交换包含的数据与控制指令实行合理有效的表示与存储；

（2） 信息交换的每一条命令的数据格式都应该符合统一的、特定的格式。方便系统后台管理软件与路口信号机系统进行有效的信息通信和数据处理[4]；

（3） 制定的信息交换标准不应该局限于某一种特定的传输协议，而是能够支持多种机制，诸如HTTP 或者其他一些特定的传输协议；

（4） TelesemeML的可扩展性较好，方便系统日后的功能扩展；

（5） TelesemeML设计时应该尽量地简单易懂。

XML相关技术能够确保基于XML的TelesemeML通信协议符合以上要求，Schema确保信息交换符合规定格式，XSLT能够方便实现文档之间的转换，XML可以跨平台且不用基于某一特定传输协议进行通信。

2.2.2 基于 XML/消息中间件的 TelsemeML 的设计实现

TelesemeML从实用性、开放性、可扩展性、前瞻性和先进性等角度出发，不仅分考虑了中国目前交通信号控制系统的特点，而且结合系统的功能需求和发展趋势，采用XML描述语言设计实现了中国交通信号控制系统信息交换标准。

在设计和制定信息交换标准的过程中，TelesemeML作为描述控制信号灯的通信标准，根据城市交通信号控制系统信息交换的传输要求采用面向对象的分析方法，自顶向下建立信息交换的对象数据模型。主要包括对象所属类型、对象内部属性等。TelesemeML代表整个信息交换的数据内容，包括信号机参数管理层、信号机方案配置层、信号机交通控制层、信号机系统干预层、信号机交通优化层和信号机交通数据管理层六大结构层。采用XML格式描述交通信号控制系统中的交换信息，方便系统的后台管理中心和各路口信号机应用程序进行交通信息的交互和控制命令的下发与上传。具体的数据层次结构框架图如图2所示。

图2 TelesemeML主框架

Fig.2 Main frame of TelesemeML

2.3 基于信息交换模型的信息交换设计

2.3.1 参数管理模块

在系统的参数管理模块中进行信息交换时，主要涉及到的类包括用于接收系统从前端页面获取的数据的值对象类、用于保存到数据库的实体、对数据库进行相关操作的类、通信协议类、信息交换的发送端类和信息交换的接收端类等[5]，对应类图如图3所示，各个类的说明则如表1所示。

图3 参数管理模块类图

Fig.3 Parameter management module class diagram

表1 参数管理模块类说明

Tab.1 Explanation about parameter management module class

2.3.2 相位方案配置

相位方案主要涉及的类有接收系统前端页面数据的值对象类、用于保存到数据库的实体类、程序业务逻辑层类、程序数据访问层类、通信协议类、信息交换的发送端类和接收端类等，其类图如图4所示，各个类的说明如表2所示，其中通信协议类、信息交换的发送端类和接收端类的说明同表1。

图4 相位方案模块类图

Fig.4 Phase plan module class diagram

表2 相位方案类说明

Tab.2 Explanation about Phase plan class diagram

例如，当系统后台管理员添加信号机相位方案时，首先通过对象类获取要添加的相位方案相关信息，读取事先设置好的绿冲突信息，进行绿冲突检测，然后参考实体类属性进行数据处理，再引用通信协议类进行协议的封装，最后由信息交换的发送类将协议发送出去，而当信息交换的接收类接收到路口信号机的反馈信息后，即需将参考通信协议进行协议的解析，并根据实体类属性进行数据的存储。

3 结束语

通过对XML技术、消息中间件技术以及信息交换模型的分析研究，结合交通信号控制系统中信息交换的需求，将信息交换模型应用到了交通信号控制系统中。随着信息技术的继续发展，城市交通信号控制系统对信息交换的要求会越来越高，本文虽实现了信息交换在交通信号控制系统的应用，但是仍需对交通信号控制系统信息传输的安全性等方面进行深入探讨和继续完善，同时这也是本研究下一步的发展方向。

参考文献：

[1] Eric Jui-Lin，Ru Hui-Tsai.An empirical study of XML/EDI[J].The Journal of Systems

and Software，2011（58）：271-279.

[2]陈传波，张辉.基于XML和消息中间件的异构数据集成技术[J].计算机工程与科学，2004（9）：67-69， 85.

[3]顾九春.城市交通信号控制系统数据交换标准研究[D]. 北京：北京工业大学，2005.

[4]智勤，祝宗奎.关于建立交通管理控制系统标准的建议[J].交通标准化，2000（2）：32-34.

[5]谢莉莉，林春梅，陈家训.基于XML的数据交换中心模型研究[J]. 东华大学学报（自然

科学版），2001（6）：33-36.