基于大数据的智能交通信号控制系统架构研究

刘广磊，赵 磊，董芊里

（1.华录易云科技有限公司，江苏 南京 211800；2.北京易华录信息技术股份有限公司，北京 100043；3.北京工业大学 城市交通学院，北京 100124）

交通信号控制的目的是在时间和空间上消除交通冲突，进而缓解交通拥堵、减少机动车尾气污染、改善城市交通出行环境，提高城市道路通行效率[1-2]。

智能交通信号控制系统经过多年的开发及研究，目前能够实现多个信号系统管理功能子模块，方便用户根据不同的需求管理交通。软件系统方面，交通信号控制系统可实现用户管理的需求，系统根据不同模块为不同的用户角色设置若干权限，针对不同的用户角色选择相应的权限，使用户按照自己的权限管理信号控制系统；还可实现信号机设备管理的需求，系统中不仅能够添加信号机也能够删除信号机，同时通过系统平台可以设置信号机的基本参数，如通信控制设置、控制策略控制、信号机传输周期控制、信号灯输出方式设置；还可实现信号机方案编辑功能：时间表方案、配时方案、相序方案、感应方案、感应检测器设置和DET参数等；还可实现特勤控制功能，信号机可采取立即或按特勤预案时间表方式执行特勤控制功能，此功能亦可完全由中心进行控制，用户可对特勤方案进行编辑或浏览；还可实现实时监控设备及信号状态功能，可以监视指定路口状态、监视指定子区的所有路口状态、监视所有信号机状态，也可以自动记录并提示设备或通信状态下的异常与故障；还可实现人工干预控制功能，人工干预控制也称为中心手动控制，中心手动控制包括系统控制操作和信号机控制操作，其系统还具备中心步进功能，以中心方式实现了警察在路口的手动操作；还可实现实现对时功能，中心系统具有时钟校准功能，可以指定系统软件校时的时间间隔，也可以通过中心平台GPS授时设备对软件时钟进行校准，还可以通过人工手动校时的方法对路口交通信号机进行手动校时。除以上功能需求外，系统中也能够实现日志管理、数据管理、绿损分析等功能；还能够与车载系统对接，可以无缝接入汽车标识RFID设备，而且信号机具有车辆设备连接的接口，可通过系统获得车辆拥堵信息。

基于大数据的智能交通信号控制系统，可实现基于路口的信号控制模式、基于区域的范围信号控制模式以及基于总控中心的全局统一控制模式。通过多级信号控制模式，实现灵活的交通信号控制效果，最大限度满足不同场景条件下的交通信号控制策略，以实现对道路上的交通流进行合理引导和控制，以缓和或防止交通拥挤，并提供交通状况信息以合理规划和疏导交通，缓解高峰时段以及关键节点的交通拥堵，提高公众出行的畅通性和便捷性。

1 建设目标

在既定的政策、约束条件下，采用新技术手段或方式建设城市交通信号控制平台，有利于促进新技术在交通领域的融合应用，改善城市交通出行环境，具体体现在以下几个方面：（1）降低道路交通事故率，改善居民出行环境。通过实施合理的交通信号控制方案，可实现人流、车流在时空上的分离，从而减少交通冲突点，提高居民出行的安全性。（2）缓解城市道路交通堵塞，提高道路通行效率。交通信号控制可对城市道路交通流进行合理的引导，保证城市道路交通流具有序、连续的运行状态，进而减少交通流之间的冲突发生，提高城市道路的通行效率。（3）减少机动车尾气排放，改善城市空气质量。实施合理的交通信号控制可减少机动车延误、停车次数，进而减少机动车怠速、低速、启动等引起的尾气排放增多问题，减少机动车尾气排放对环境的污染。

2 需求分析

2.1 智能信号控制需求

交通信号控制系统是道路交通管理和控制的基础，通过实时监测车流量，实时优化交通信号控制模式，调整信号控制参数，实施交叉口间的协调控制，调节道路交通流量，充分挖掘道路网容量；在保障交通安全的前提下，合理配置道路交叉口时间和空间资源，使停车次数、延误时间、最大排队长度减至最小，充分发挥道路系统的交通效益，达到道路交通系统最大程度的畅通。

交通信号控制系统的日常控制方式：单点控制、干线协调控制、区域协调优化控制、人工干预控制、公交优先控制等。系统应实现信号的分级优化控制，多种控制策略相结合，根据路口的实际交通流量，实现感应控制、自适应控制，实现干线绿波协调以及区域联网控制，智能优化信号控制方案，最大程度减少绿灯浪费时间和增大路网通行能力，保障道路运行有序通畅；系统应实现对实时感知的道路交通参数进行融合、处理，针对不同的交通状况实时生成不同的控制策略，实现信号控制系统的智能化。

2.2 交通流量采集需求

交通信号控制系统通过道路检测器和信号机的配合实现对道路交通流量的采集功能。一方面，采集的交通流量用于实现信号的感应控制、自适应控制等；另一方面，将采集的交通流信息上传至指挥中心，与其他系统采集的数据相融合，用于对整个道路路况的综合研判。

系统应实现智能化采集手段的灵活应用，包括布设存在、感应、排队长度、反溢检测器，对于流量的采集监控做到多手段、全采集。

2.3 其他需求

除信号控制、交通流采集以及特勤任务外，系统还应满足以下业务需求：实现信号控制系统软件操作简便、业务贴切实际，切实反映车辆运行状况，最大化满足交通管理者的应用；实现路段交通运行有序可控，关键路口通行效率提升，路段行程时间、停车次数等交通指标最优；实现交通评价科学化，对于新建、改建路口的通行能力、道路服务水平给予评价，为今后路口的设施改造、流量数据分析提供参考数据；实现路口基础资料库的建设。以图纸为例，收集整理与交通信号相关的道路管网信息、设备分布信息、地理方位信息等，为今后路口改建施工以及设备升级准备完善的参考资料。

3 总体逻辑框架设计

3.1 总体逻辑架构设计

总体逻辑架构如图1所示，在基础资源层，采用物理服务器为大数据平台提供存储、计算和网络资源；数据来源层是此次项目将要整合的各业务系统[3]；数据整合层负责实现分散业务系统数据的统一整合、标准化清洗转换，以及实时加工计算处理；数据管理层主要建设大数据平台及其运维管理平台，GIS平台采用离线百度引擎实现；在业务应用层，建成大屏可视化系统，实现业务视角的统一整合，以及大屏可视化分析呈现[4-5]。

图1 总体逻辑架构图

3.2 总体网络架构设计

在总体网络架构中，所有服务器部署到同一网络环境内，不同的服务器负责不同的任务。

大数据集群服务器负责存储与管理整合的各业务系统数据，并提供分析计算能力；大数据管理服务器负责运维管理及监控大数据集群运行状态，同时为数据资源整合提供运行环境及资源；应用和Web服务器负责为大屏可视化系统运行提供资源。

3.3 平台技术架构设计

（1）基于Hadoop架构建立存储模块采用优化的分布式文件系统，不仅能对平台中基础数据资源库中的结构化数据进行存储，也支持对非结构化、半结构数据的存储与统一管理。

（2）通过建立多级存储、多级检索机制，实现海量数据的高效检索，支持数据资源的可视化分析。

（3）提供图形化的UI界面，实现运维管理功能，降低运维人员的工作复杂度，提高工作效率，保证系统的正常稳定运转。

（4）数据统一存储。在数据落地存储模块，通过分布式数据仓库对数据进行合理的存储规划，可以实现对结构化、半结构化及非结构化数据的统一存储，为数据的检索、分析等应用操作提供高响应的服务保障。

（5）高容量、高性能。支持PB级规模的数据管理，千亿非结构化文档规模下检索可实现秒内响应 。

（6）多类型数据统一处理支持对结构化、非结构化数据的统一存储管理和统一访问查询。

（7）与Hadoop有机结合。基于Hadoop的MPP架构的分布式数据仓库系统，有机兼容Hadoop生态圈的组建，解决了传统数据仓库只能采用Hadoop与分布式数据仓库混搭的模式构建大数据中心的问题，降低了系统的复杂性，只需要一套物理集群即可，使一份数据同时支持SQL多维分析和定制化分析。

（8）高可扩展。系统可透明横向扩展，性能随系统扩展而近线性增加。

（9）丰富的查询能力。支持全文检索、SQL语义查询、模糊查询、文本查询、文本统计、UDF查询、关联查询、正则表达式查询、二进制检索语义。

（10）可靠安全。提供了副本机制保障数据可靠性，支持权限机制保证数据安全性。

（11）标准化接口。提供JDBC/ODBC编程接口，支持扩展的SQL语法，方便应用开发编程。

4 结束语

通过智能交通信号控制系统的建设，能够获取道路交通实时状态信息的检测与感知，并为信号控制方案的优化提供实时数据支撑，提高交通信号控制的科学性和准确性，提升区域信号的实时监控水平与控制决策水平，减少停车次数，避免道路交通拥堵，消除路口交通组织混乱带来的安全隐患，降低交通事故发生率，全面提升道路交通通行效率和科技管控效能，从而提高公众出行的畅通性和便捷性。