基于高效通信和双重管控的智能信号机设计与实现

杨志华，张博，岳彩林，王玉梅

（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）

基于高效通信和双重管控的智能信号机设计与实现

杨志华1,2，张博2，岳彩林2，王玉梅2

（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）

现有道路交通信号控制系统已难满足现今的智能化趋势。通过设计CAN通信和以太网通信双层架构，实现了大容量信息的高效传输以及信号灯控制和车辆信息的实时交互。通过灯组监控模块设计，实现了信号灯的双重管控，在信号灯或其控制系统出现故障时，确保实时执行方案降级或独立黄闪控制。以上高效通信和双重管控策略有效提高了道路交通信号控制系统运行质量，为智能交通的发展提供了理论基础。

智能交通；信号机；CAN通信；以太网；双重管控；大数据

引言

交通信号控制系统（以下简称信号机）根据给定的信号灯控制顺序要求及实时交通流信息，分析计算出合理的交通信号控制方案，并控制道路交通信号灯的运行，是道路交通系统的核心。随着我国道路交通系统的快速发展，以及更多电气设备的应用产生了更为复杂的电磁干扰，为适应智能交通与大数据的融合，信号机传输、处理的数据量也越来越大[1]，控制方案的适应性及时间精度要求也越来越高。由于交通信号控制的重要性，需要更可靠地判断信号灯及信号机自身的各种故障，并合理地调整运行方案。

当前信号机内部多采用RS485、RS232等串行通信方式[2-4]，其抗干扰能力较弱、稳定性不足、通信速率较低、难以传输较大数据量的信息。同时由于通信的分时控制及较少信息量的获取，信号机无法对信号灯实现更精确的时间控制，在信号机出现故障时，也不能有效更换方案或降级控制[5]。因此，需进一步提高信号机的通信效率及可靠性水平，以有效提高城市智能交通管理的运行质量。

本文采用基于CAN控制器局域网络通信和以太网通信的双路高效通信方式，设计了信号机的双重管控模式，旨在推动信号机的智能化发展。

1 信号机功能概述

信号机的基本功能是实现对交叉路口信号灯组的控制，需满足道路交叉口信号灯的基本控制要求，并可根据实际需要进行扩展。一个典型的十字交叉路口一般需设置直行、左转、右转4个方向12个机动车灯组（红黄绿信号灯），以及4个行人信号灯组（红绿信号灯），共需控制12×3＋4×2＝44个信号灯控制输出；如考虑非机动车灯组、行人二次过街灯组、公交车专用灯组，或者控制多路口信号灯，信号机所需的信号灯控制输出更多。为此，信号机一般采用单个主控单元和多个灯组控制单元的分布式连接形式，以便于管理及维护，实现主控单元负责信号控制方案等管理功能。灯组控制单元根据主控单元的命令信息实现对信号灯的开关控制。由于主控单元和灯组控制单元之间还有信号灯实时工作状态、故障信息、倒计时信息等内容，实时传输的数据量较大。

目前国内很多小县市的信号机还仅是单点定时信号机，只能按照预先设定的方案运行。国内很多大中型城市的感应式信号机或集中协调式信号机均取得了较好的发展和应用，它们除了实现信号灯的基本控制管理外，还实时采集和处理路口的车流量等信息，并上传给后台管理中心，成为当前信号机的一项重要功能。同时，随着智能交通的发展，当前国内信号机内核也由8位单片机转向应用32位乃至64位的ARM嵌入式处理器[6]，处理能力得到较大增强，在信号机内部增加了对信号机的抓拍监控、对机柜门的远程管理、对实时环境状态的监控等越来越多的功能，与此同时也亟待实现这些信息的有效传输与处理。

2 智能信号机设计

2.1 信号机系统架构

为适应智能交通的快速发展，采用高效可靠的CAN总线和以太网通信方式，以及双重管控的系统架构，实现了信号控制系统智能化水平的提高及运行可靠性的增强。如图1所示，本信号控制系统包括智能管理模块、灯组监控模块、灯组管理单元、机柜监控单元、车辆检测单元等多个组成部件。以智能管理模块为核心，各部件之间通过2路独立的通信总线相互连接。

图1 智能交通信号控制系统架构

智能管理模块通过CAN总线与灯组监控模块、多个灯组管理单元连接通信，该路通信主要用于灯组控制及状态传输。由于CAN总线的通信速率较高，智能管理模块可更及时地下发各种控制方案，提高实时性。CAN总线无需分时传输的特点，可让灯组管理单元及时传输自身检测到的各种故障信息，提高信号控制系统对故障分析及处理的实时性；同时灯组监控模块可实时监控总线状态并获取信号灯故障状态，以备必要时控制系统调整方案运行，或执行独立黄闪控制。

智能管理模块通过以太网1，与机柜监控单元、车辆检测单元、环境检测单元等连接通信，通过以太网，智能管理模块可实时获取大批量的车流量信息，并据此更及时地调整优化信号控制方案；机柜监控单元抓拍的系统监控图片和环境检测单元的环境状态信息也可通过智能管理模块实时传输给后台管控中心，无需单独的路由设备。

信号机的相关方案、故障、车流量等信息，可由智能管理模块通过以太网2上传给后台管控中心，并可接收后台管控中心的远程控制指令或参数设置信息。

2.2 信号机各模块功能

智能管理模块是信号机的管理核心及信息传输中心，负责分析计算接收到的车流量信息及信号控制需求，以实时优化信号控制方案。智能管理模块将优化后的信号灯组控制方案实时发送给灯组管理单元，并接收灯组管理单元实时监控的信号灯状态信息。智能管理模块及灯组管理单元均可以广播的形式发送系统的关键控制信息及故障信息，以便灯组监控模块对系统运行可靠性进行双重有效管理，实时监控故障。智能管理模块还可作为信息传输中介，将机柜监控单元的监控信息及时通过局域网发送给后台管控中心。如智能管理模块检测到以太网1的数据量太大或异常时，可切断与以太网1的连接，以确保信号机灯组控制的可靠运行。智能管理模块对以太网1数据的处理流程如图2。

图2 智能管理模块对以太网1的通信处理流程

灯组监控模块为信号机的二级管理核心部件，负责在智能管理模块失效时，接管对信号机的控制，保证信号机的基本运行；内部有若干路黄灯控制电路，可在信号灯、灯组管理单元、系统通信等方面出现故障时，执行独立黄闪控制。在无智能管理模块时，灯组监控模块也可与多个灯组管理单元实现对信号灯组的基本有效控制。若检测到智能管理模块的数据异常，灯组监控模块可将其CAN链路切断。通过灯组监控模块的实时监控、备用方案及黄闪控制，实现了对信号机灯组管理的双重管控。灯组监控模块的工作流程如图3所示。

图3 灯组监控模块工作流程

灯组管理单元负责接收智能管理模块或灯组监控模块的灯组控制命令，并转换为合理的信号灯控制命令，控制相应的信号灯组的红黄绿信号灯运行；负责检测相应灯组的红黄绿信号灯实际工作状态，并与实时的灯组控制命令进行对比分析，如信号灯出现故障，则及时广播上报。

车辆检测单元负责实时监控道路各车道的车流量信息，并通过以太网传输给智能管理模块；车辆检测单元可为1个核心传输模块，也可为根据路口的检测器设计采用多个车辆检测单元；车辆检测方式可为地磁、微波、视频等各种车辆检测装置。

机柜监控单元通过视频抓拍的方式，实时获取并监控信号机系统的开关状态，若信号机机柜门被打开，机柜监控单元被触发上电工作，并抓拍机柜门外场景，然后将抓拍的照片通过智能管理模块的中转实时传输给后台管控中心；机柜监控单元也可在机柜门打开上电后，根据后台管控中心的命令进行实时抓拍取景。环境检测单元可实现对信号机内外部相关环境状态的实时检测，如温度、湿度、环境噪声、空气质量等，协助实现对城市环境的监控。

3 智能信号机实现

3.1 智能管理模块

如图4所示，智能管理模块以模块CPU为中央处理单元，并通过存储器实现系统方案、交通流、抓拍的图片等信息的临时或长期存储；通过CAN隔离电路，模块CPU可有效实现与外部模块的电气隔离，进而通过CAN收发器实现与外部设备的交互。模块CPU为主频1 GHz的Cotex-A8处理器，并配备2路标准以太网口，可实时接收车辆检测单元的车流量信息，并快速进行大批量数据计算处理，结合自身存储的系统控制方案信息，对信号控制进行实时优化调整。

图4 智能管理模块

3.2 灯组监控模块

灯组监控模块采用32位ARM微处理器芯片STM32。如图5所示，模块自身存储了交通信号基本控制方案，可在智能管理模块方面出现故障时接管信号控制系统的运行。模块CPU同时也可独立控制系统黄灯的运行，可在系统出现故障时使信号灯独立黄闪运行。灯组监控模块可有效实现系统的降级控制。

图5 灯组监控模块STM32

3.3 其它模块

车辆检测设备采用微波车辆检测系统，不同方向的微波检测器将车流量信息传输至车辆检测单元，车辆检测单元通过以太网将车流量信息实时传输给智能管理模块。机柜监控单元用于预防信号控制系统被非法打开等，原理是通过其摄像头抓拍机柜门旁的场景，并通过以太网传输给智能管理模块，也可接收智能管理模块的抓拍命令。供电电路与机柜门连接，当机柜门打开时，机柜监控单元供电接入，并进行连续5次间隔10 s的场景抓拍，机柜门闭合后，机柜监控单元断电停止工作，以降低系统功耗。

4 结束语

本文交通信号控制系统设计架构更为高效可靠，通过CAN通信和以太网通信实现了信息传输，通过双重管理控制实现了对系统故障的有效降级管理；通过机柜监控单元实现了对信号控制系统的安全监控。

本系统的智能化水平更高，可利用各种车流量信息以及系统工作状态信息，更好地实现对信号控制的优化分析。

[1]刘小明, 何忠贺. 城市智能交通系统技术发展现状及趋势[J].自动化博览, 2015(1): 58-60.

[2]曹成涛, 郭庚麒, 徐建闽. 智能交通信号机的设计及其实现[J].计算机工程与应用, 2010, 46(12): 68-71.

[3]肖圣兵. 新型智能交通信号机的研究与设计[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2009.

[4]李少豪. 针对中小城市的交通信号控制系统的研究与设计[D].北京: 北京交通大学, 2014.

[5]张楠. 试析减少信号机故障的方法[J]. 哈尔滨铁道科技, 2009(1): 31-32.

[6]毕海滨, 刘玉德, 林建龙, 等. 交通信号控制系统的现状与发展对策[J]. 食品科学技术学报: 2008, 26(1): 29-32.

Design and Realization on Intelligent Signal Controller Based on Efficient Communication and Dual Control

YANG Zhi-hua1,2, ZHANG Bo2, YUE Cai-lin2, WANG Yu-mei2

(1. Key Laboratory of Urban ITS Technology Optimization and Integration Ministry of Public Security, Hefei, Anhui,230088, China; 2. Anhui KeLi Information Industry Co., Ltd., Hefei, Anhui,230088, China)

Existing traffic signal control system is already difficult to meet the current trend of intelligence. Through design of dual layer architecture with CAN and Ethernet communication, high efficient transmissions of big data as well as real-time interaction of signal light control and automobile information are realized. Through the module design on light group surveillance, dual control on the signal light is realized so that real-time implementation of program degrade or independent yellow flash control will be stimulated along with failure on signal light or its control system. The efficient communication and dual control strategy above can effectively improve the quality of traffic signal control system, and provide a theoretical basis for the development of intelligent traffic.

Intelligent Traffic; Signal Controller; CAN Communication; Ethernet; Dual Control; Big Data

TP273

A

2095-8412 (2016) 06-1065-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.002

杨志华(1983-)，男，硕士，主要研究方向：交通信号控制及优化技术。

E-mail: yangzhihua@ahkeli.com