SMOOTH交通信号控制系统.docx
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SMOOTH交通信号控制系统
SMOOTH
智能交通信号控制系统
介绍
深圳市格林威交通科技有限公司
二○一六年三月
目录
一．概述2
二．应用效果5
三．对著名系统的分析与借鉴6
四．技术特点8
4.1、满足可靠性、灵活性的分布式控制模式8
4.2、满足可扩展性、开放性、安全性的三层体系结构11
4.3、灵活、柔性的拓扑结构13
4.4、战术/战略检测器综合分布方案13
4.5、适应我国交通特征的控制策略16
4.6、对各种应用环境的普适性17
五、自适应系统应用倒计时器的技术突破17
5.1、传统学习型倒计时存在的二义性17
5.2、动态实时倒计时的技术难点18
5.3、SMOOTH实现了动态实时倒计时的功能19
六、系统构成19
6.1、中央控制管理系统19
6.2、路口设备的分布20
七．系统功能描述24
7.1、中央系统管理24
7.2、SGT-1Y交通信号控制机28
7.3、VD-8SP车辆检测器33
7.4、DXST1A-330动态数据型机动车倒计时器35
7.5、DXST1P-320动态数据型人行道倒计时器36
7.6、CA-550行人过街应答器37
7.7、SA-880盲人钟/SA-710行人过街语音提示仪38
7.8、交通诱导39
八、系统配置41
8.1、中央系统硬件平台41
8.2、操作系统平台42
8.3、中央系统软件平台42
8.4、路口设备配置44
一．概述
近年来，随着我国经济实力的迅速增长，机动车保有量和出行率大幅度提高。
急剧增长的、多样化的、时变的交通需求是造成交通拥挤程度不断增加和拥挤区域迅速扩大的直接原因。
然而有限的土地资源和其它制约因素使得道路设施的建设永远无法满足不断增长的交通需求。
因此，对交通信号的适应性、智能化提出了更高的要求。
深圳市格林威交通科技有限公司始终致力于交通控制理论与实现方法的探索，及交通监控专业产品开发、生产、维护的技术积累。
公司组织科技力量对国外著名的交通信号控制系统和我国大中城市交通需求的现状及发展趋势进行了深入的分析和研究。
在充分学习KATNET、SCOOT、SCATS等著名系统技术路线、控制策略及功能模块的基础上，继承其闪光点，摒弃其局限性，进行了大胆的技术创新，采用分布式控制模式、三层体系结构、大型数据库、多服务器协同处理、GPRS/CDMA无线通信、嵌入式微处理器等先进、成熟的现代技术手段和制造工艺，自行开发了SMOOTH智能交通信号控制系统，研制了基于嵌入式软硬件系统平台的信号控制机、车辆检测器和断面交通数据处理机,以及通信性机动车/行人倒计时器、行人过街应答器、行人过街语音提示仪、路口级交通诱导屏等数据外设。
SMOOTH智能交通信号控制系统通过了全国智能交通专家组的推广论证。
SMOOTH交通信号控制系统针对我国大中城市高饱和度、高复杂度、高期望值的交通需求，和规律性、可变性、随机性相结合的交通特征，采用了灵活有效的控制策略，在平峰时段追求通行能力最大，高峰时段追求拥挤度最小，提出了单路口自适应控制和路网区域协调控制相结合的综合解决方案。
自2001年5月至今，SGT-1V/1Y信号控制机已在深圳、昆明、东莞等地应用近2500台，VD-8S/VD-8SP车辆检测器应用3000余台，前端设备均通过了相关技术标准的检验。
系统的功能和效果，在深圳市、昆明市进行了全面的测试和验证，达到设计目标和应用要求。
路网的行车延误有效降低，通行能力显著提高，堵塞状况明显改善。
至今，在国内外同类系统中，SMOOTH系统一直保持着技术领先，如：
在交通信号控制系统中率先采用“分布式控制模式”；
在交通信号控制系统中率先采用“三层体系结构”；
率先采用无线公网资源实现路口设备与中央系统的联网控制；
突破了传统系统一套中央平台控制管理128~300个路口设备的数量限制，理论上可控制管理无限多个路口设备，如深圳市已控制管理近2000个路口设备；
实现了区域路口与快速路连接点的互动调控；
实现了信号系统和诱导系统的融合；
突破了在自适应系统中应用通信式倒计时器的行业技术瓶颈。
二．应用效果
SMOOTH系统的单点感应控制、动态优化控制及区域协调控制功能在深圳市、昆明市获得成功验证。
以下是第三方独立调查的数据，以深圳市交通压力最大的“莲花/新洲”路口为例。
·最大通行量的提高：
路口早高峰最大通行量由7850量/小时提高到8550量/小时，提高了8.9%；晚高峰最大通行量由8220量/小时提高到9170量/小时，提高了11.5%。
·延误的降低
路口平峰时段停车延误由75秒下降为62秒，减少17.3%；高峰时段停车延误由98秒下降为78秒，减少20.4%。
子区路段平峰时段行车延误由23秒下降为15秒，减少34.8%；高峰时段行车延误由58秒下降为34秒，减少41.4%。
·高峰持续时间的缩短：
早高峰持续时间由90分钟缩短为30分钟；晚高峰持续时间由110分钟缩短为50分钟。
·自适应水平的提高：
动态优化控制策略决策的早高峰周期在180~220秒之间动态变化，晚高峰时间在200~260秒之间动态变化，更加适应路口交通状态的需求；各相位实时分配、动态跟踪调节的绿信比更加适应流量、行车速度、排队长度的需求。
应用动态优化控制策略后，完全取消了人工手动放行，智能化、自适应水平显著提高。
·对干扰的适应性：
东方向存在医院、住宅区出入口及公交车站对正常行驶的车流的干扰，尤其在高峰时段，造成通行效率下降。
动态优化控制可以自主识别这种状态，在绿信比的分配上有效加长东方向的配时，减轻队列造成的延误。
·对特殊气象条件的适应性：
验证的过程中，晚高峰时段遇到中雨的特殊气象条件，各方向车流的通行速度下降，通行效率受到影响。
动态优化控制策略延长了高峰持续时间，各方向绿信比分配合理，提供了较高的服务水平。
没有通过手动控制放行，对特殊气象条件的适应性良好。
·对交通事件的适应性：
验证的过程中，早高峰时段，东方向左转车道发生交通事故，通行效率急剧下降，造成该方向堵塞。
动态优化控制策略分配的东方向左转相位绿信比减少，东方向直行相位绿信比增加，以适应事故持续期间的交通需求。
事故排除后，恢复左转和直行绿信比的正常分配，并配合以较大的周期和侧重绿信比，在短时间内排除了事故造成的车队积累。
系统对事件的适应性和快速响应能力较强。
三．对著名系统的分析与借鉴
在SMOOTH系统的开发过程中，对世界上应用最为广泛的日本KATNET系统、英国SCOOT系统、澳大利亚SCATS系统及其它系统进行了调研、分析和借鉴。
旨在使SMOOTH系统充分汲取著名系统的优点，摒弃局限性，走出技术创新之路。
KATNET系统采用了将交通需求识别为不同强度的状态区域，分别对应有针对性的控制参数，实现不同的控制目标的策略。
经过深圳市十多年的实际应用，系统对交通状态的识别是可信的，不失为最符合交通工程师思路的较好的实现方法。
然而，作为典型的方案选择型系统，所有的控制参数以及算法中的系数、因子均需要交通工程师根据经验设置并定期维护，智能化水平较低。
SCOOT系统采用了“短期预测”策略，在实时采集交通数据的基础上，建立周期流量分布图，只对下一周期的排队长度进行预测。
并以延误和停车率作为优化目标，采用小步长渐进寻优法，优化控制参数，提高了预测的准确性和控制的有效性。
然而，其预测模型和数据仿真需要大量的静态和动态数据支持，依赖于人工定期观测和估计，直接影响到控制参数的优化程度。
SCATS系统采用了战略控制与战术微调相结合的方法，将检测器分布在停车线处，定义了类饱和度，控制参数的调整实现各相位在检测器断面上的等类饱和度。
实现策略简单，跟踪性强。
然而，检测器的分布方式，在饱和交通状态下，难以准确辨识各方向队列的需求，一定程度上制约了系统对不同队列需求的均衡性及快速性的处理能力。
不论是KATNET、SCOOT还是SCATS，均开发于上世纪70~80年代，主要面对的是当时非饱和、两相位的交通需求，其控制机理不完全适应我国高饱和度、高混合度、高复杂度的交通需求特征。
同时，受到系统及设备实现在技术水平发展方面的约束。
这些系统均采用了集中式控制模式。
系统的检测器、信号机不具备智能化，没有交通数据解算和路口级控制参数自主决策的能力。
数据处理、模型预测、参数优化完全依赖于中央计算机实现。
一旦中央计算机或通信链路发生故障，信号机即失去了优化的参数、指令来源，只能降级为缺乏实时数据支持的无电缆协调、简单的感应控制或定时控制。
集中式控制模式，对通信的实时性要求极强，如KATNET系统以50毫秒的间隔与所有信号机交换数据。
通信介质只能依赖于光缆或专线，无法利用逐步成熟的无线公网资源，如GPRS、CDMA。
使系统控制范围的扩展受到管线资源和高额的管线租用费用的制约。
这些系统均不具备较强的开放性，不能与ITS其它子系统实现数据共享和事件互动，不能支持系统的二次开发。
而交通信号控制系统是ITS的基础、核心子系统，开放性和持续开发的限制将使ITS的规划和建设受到制约。
四．技术特点
4.1、满足可靠性、灵活性的分布式控制模式
SMOOTH系统采用了成熟的分布式控制模式，系统的控制策略、控制功能由“中央控制管理系统-信号控制机-车辆检测器”分布实施、协同处理完成。
SMOOTH系统的车辆检测器采用了ARM7嵌入式软硬件系统平台设计，不仅采集车辆通过线圈传感器的占空脉冲群，产生原始数据，而且完成了对数据的初步处理。
信号控制机采用了ARM9嵌入式软硬件系统平台设计，实现了数据综合处理、状态目标区域识别、路口级信号控制参数的本地决策、配时参数的输出控制和绿信比的战术微调。
因此，单路口的控制模式在全感应、半感应、行人感应及多段定时控制的基础上，实现了基于交通状态识别下的多目标决策控制策略的动态优化功能。
中央系统建立相位差协调控制的子区，和子区间的连接，以子区内及子区间连线上双向绿波或侧重单向绿波通过带宽度最大为目标，配平各路口周期请求，生成子区和连接的周期，动态决策相位差参数，实现多相位条件下的协调控制。
分布式控制模式的实现，避免了系统中的局部故障导致全局功能的严重降级，保障了系统的可靠性和安全性。
即使中央系统或通信链路发生故障，也仅仅损失了相位差协调的能力，路口级参数的动态优化仍可保持。
分布式控制模式的实现，降低了通信的实时性要求，控制参数与统计数据以“分钟”级的间隔交换，完全可以利用GPRS、CDMA无线公网资源，突破管线资源对应用范围的限制，节约了通信资费，使系统的无限、灵活扩展成为可能。
分布式控制模式的实现，使中央系统从繁重的数据处理、各路口参数决策的任务中解脱出来，为设备的海量接入、数据的海量管理及完善ITS规划下的其它应用提供了处理容量。
使系统的扩展抛弃了建立多个并列系统的方式，更无需建立分控中心，有利于统一管理和统一协调控制。
4.2、满足可扩展性、开放性、安全性的三层体系结构
SMOOTH系统采用了先进的三层体系结构，由“数据库主机群-应用服务器群-客户端”组成。
数据库主机群实现对设备注册与运行记录数据、交通流统计数据、控制数据的海量存储与备份；应用服务器群是由任务管理服务器、协调控制服务器、有线通信服务器及无线通信服务器构成的核心中间件，实现任务与安全管理、控制单元管理、协调控制参数决策、通信链路管理、通信协议解析、客户端访问支持等系统基本任务，以及与其它子系统之间的数据共享、事件互动等ITS规划下的其它任务；客户机由信号控制机、车辆检测器、断面交通数据处理机和经过授权的系统浏览器组成，实现数据采集、参数输出及交通工程师对系统的管理和干预功能。
信号控制系统是ITS的核心子系统，不仅是交通信控制的执行机构，而且需要为诱导系统、公交系统及规划仿真系统等其它子系统提供数据源，同时需要响应其它检测系统生成的事件信息，实现控制参数的事件互动。
这就要求系统具备较强的开放性、可扩展性和安全性。
三层体系结构的实现，使系统的任务层次明晰，各层内部的扩展不会造成系统结构的不适应甚至崩溃，使系统具备了较强的开放性、互动性和可扩展性。
合理的优先级管理，保障了核心控制任务对数据访问的优先性和安全性。
承担不同任务的应用服务器及客户机可以通过网络安全技术及权限管理，保障数据层与控制层的安全性，以及对系统访问的安全性。
DatabaseServer
ApplicationServer
Client
三层体系结构
4.3、灵活、柔性的拓扑结构
SMOOTH系统提供了无限式无线公网、共享式宽带网络两种前端设备接入方式。
无线通信模块采用工业级的GPRS、CDMA、3G、4G引擎，实现数据路由动态监控和自动拨号功能，保障通信的可靠性。
前端设备的嵌入式系统平台支持绑定TCP/IP协议栈，中央系统与无线公网之间建立数据隧道，实现数据交换。
设备分布突破管线资源的制约，使系统的控制范围可以任意扩展。
前端设备的嵌入式系统平台支持局域网接口，如果所在的监控点已有局域网介质，可以充分利用宽带网络资源，与其它设备共享式接入系统。
4.4、战术/战略检测器综合分布方案
ATC系统的检测器分布于距停车线约150米处，采集宏观的交通数据；SCOOT系统的检测器分布于上游路口出口处，估计本路口的车辆到达率及排队长度；SCATS系统的检测器分布于停车线后2米，检测停车线处的类饱和度。
有别于其它系统，SMOOTH系统为了适应高饱和、多相位的交通需求，提出了战术/战略/队列检测器综合分布方案。
战略检测器分布于距停车线150米处，解算各入口方向战略断面的流量、占有率、平均车速、队列到达率等数据，用于识别交通状态和优化战略控制参数；战术检测器分布于导向车道入口处，约距停车线50米，采集左、直、右各流向的流量、占有率及车间时距数据，用于辨识各流向的交通需求。
4.5、适应我国交通特征的控制策略
SMOOTH系统继承了KATNET系统识别交通状态的方法，汲取了SCOOT系统“临近预测”的策略，引入了SCATS系统战术微调的手段，针对我国的交通现状和发展趋势，提出了基于交通状态识别下的多目标决策控制策略。
SMOOTH系统在数据采集和处理的基础上，将交通需求识别为闲散、自由、受控、拥挤、堵塞、队列六种不同负荷的交通状态，在流量-占有率平面上，对应不同的目标区域。
进一步，将状态区域平面映射为周期-状态平面，为不同的状态区域建立周期优化函数及其边界约束，从而优化生成预执行的周期参数。
在给定的预执行周期参数下，根据各相的交通需求优化配置绿信比，实现各流向队列在路口导流区域内等密度消散。
参数执行的过程中，引入跟踪反馈机制，提高控制精度并进一步适应交通流的随机变化。
中央系统将交通需求相近并在物理分布上相邻的路口群组合为相位差协调控制的子区，配平各路口的周期申请；以子区内连线上双向绿波或侧重单向绿波通过带宽度最大为目标，调整配平的周期生成子区统一的周期参数；根据系统估计的车流空间平均速度、连线长度及交通状态，动态决策路口间的相位差参数，实现区域协调控制。
系统通过外部相位差在相邻子区之间建立连接，实现更大范围的区域协调控制。
4.6、对各种应用环境的普适性
SMOOTH系统不仅适用于单点动态优化控制的路口、干线协调控制的路段和网状区域协调控制的路网，还为匝道、行人斑马线、与干线相关的个别小路口、及高饱和近距离小路口群构成的区域等特殊需求的应用场合提供了解决方案，对各种应用环境有较强的普适性。
五、自适应系统应用倒计时器的技术突破
经过多年的理论探索和技术方案论证，SMOOTH系统突破了“自适应系统不能使用倒计时器”的技术限制，开发了动态数据型机动车、行人倒计时器。
目前为止，未见其他系统突破了这一技术难点。
5.1、传统学习型倒计时存在的二义性
国内外广泛应用的倒计时器均是学习型倒计时器。
其工作原理是：
记忆上一周期的红、黄、绿灯执行的时间，在下一周期显示。
由此可见，这种倒计时器只能用于定周期控制的路口。
对于感应控制、自适应控制及系统协调控制的路口，每个周期的周期长及绿信比均是根据交通需求的变化而实时变化的，无法采用这种“记忆——回放”的学习型倒计时。
采用传统的学习型倒计时器在不同控制模式下，会出现如下尴尬局面，引起倒计时与信号灯显示的二义性，可能诱发交通事故：
·多时段控制模式，当时段切换时，出现倒计时显示与信号灯不一致的现象。
若本周期的时间长于上周期的时间，则倒计时已计时完毕，信号灯仍未切换；反之，则倒计时尚未计时完毕，信号灯已发生变化。
·感应控制、自适应控制及系统协调控制模式，每个周期均会出现倒计时显示与信号灯状态不一致的现象。
·手控或保持步控制模式，倒计时不能立即关闭，直到数字计时完毕才会停止显示，每个周期均会出现倒计时显示与信号灯状态不一致的现象。
·灯控运行切换为灭灯模式，倒计时不能立即关闭，直到数字计时完毕才会停止显示。
5.2、动态实时倒计时的技术难点
要解决传统学习型倒计时存在的二义性问题，需要采用能适应周期及绿信比时变要求的动态实时倒计时。
实现动态实时倒计时的硬件环境基础是：
改变学习型工作方式为数据通讯型，即倒计时接收交通信号控制机实时发布的各灯色运行的时间参数进行显示，在感应控制、自适应控制及系统协调控制模式下，交通信号控制机及中央系统能够获得各灯色的倒计时数据。
据了解，目前国内外其它系统尚未突破这一技术难点，主要原因是：
由于系统算法架构因素，仅通过调整、优化算法中的参数或局部修改算法的手段，可能无法突破这一技术难点，系统的体系架构、算法均需要发生结构性的变化，相当于重新规划设计一套系统，技术难度大；同时涉及到中央系统数据结构、数据库结构及与信号机之间的通信协议的变化，改动面大；由预测下一周期或下一相位的参数，转变为若连续预测两个周期的参数，数据处理量、运算量加大；由于大多系统采用集中控制模式，周期、绿信比参数不是直接由信号机生成，而是由中央系统密集地（至少在1秒之内）下达步停/步进或灯色变化指令，信号机无法生成各灯色的预执行时间，更无法向倒计时发布数据，因此受到系统体系结构制约而难以实现。
5.3、SMOOTH实现了动态实时倒计时的功能
正是由于SMOOTH系统采用了分布式控制模式，车检器在ARM7平台支持下具有了处理大量交通数据的能力，信号机在ARM9平台支持下具有了决策路口动态优化周期、绿信比参数的能力。
信号机通过对数据预测算法和参数决策算法的进一步优化，具备了获得各灯色的倒计时数据的能力。
特殊控制模式的处理：
信号机由常规控制模式转换为手动、保持步、黄闪、灭灯模式时，倒计时显示“H”特殊字符；特殊控制模式取消后，紧密跟踪进入正常工作模式。
六、系统构成
SMOOTH智能交通信号控制系统可由中央控制管理系统、路口信号控制单元、干道交通数据采集单元、交通诱导发布单元组成。
6.1、中央控制管理系统
中央控制管理系统有基于交警支队计算机网络平台上的数据库主服务器、数据备份服务器、协调控制服务器、通信管理服务器、数据处理服务器及各办公桌面的客户端计算机构成。
序号
名称
配置软件
角色
1
数据库
主服务器
主数据库系统
存储系统的控制参数及统计数据。
2
数据库
备份服务器
备份数据库系统
备份系统的控制参数及统计数据，作为安全机制。
3
协调控制
服务器
协调控制
主应用程序
自动运行协调控制任务，实现干线协调、区域协调控制的功能；实现人工干预信息、配置参数向前端设备的下达。
4
数据处理
管理服务器
数据写入管理
应用程序
解析系统的前端设备回报的上行数据，写入数据库；支持客户端操作。
5
通信管理服务器
通信管理
应用程序
实现中央系统与前端设备的数据交互。
6.2、路口设备的分布
路口控制单元由交通信号控制机、车辆检测器、动态数据型倒计时器、及交通诱导发布单元等设备组成。
如图所示，每个路口需要配置1台信号控制机，可提供48路信号灯输出接口。
根据不同的路口规模配置车辆检测器或行人过街请求按钮。
A．大型复杂路口分布战略、战术检测器，运行动态优化模式。
大型复杂路口的一般描述：
·主干道与主干道相交；
·战术区域采用了喇叭口渠化设计，车道数明显增加；
·高峰期交通压力较大；
·左转与直行交通需求均较大。
大型复杂路口设备配置：
·交通信号机：
1套
·车辆检测器：
每个方向2套，战略/战术检测器（可只配置战略）
·动态数据型机动车倒计时：
每灯组1套（选配）
·动态数据型行人倒计时：
每灯组1套（选配）
·交通诱导信息发布单元：
每个方向1套（选配）
大型复杂路口建议分布战略、战术检测器。
战略检测器约距停车线120~150米，如有公交车站、出入口等干扰，需要后移；战略检测器分布于导向车道入口处，约距停车线30~50米。
控制策略可完全按照自适应控制模式运行。
SMOOTH系统为了实现高饱和度、高复杂
度、高期望值的总体目标及适应规律性、可变性、随机性的交通特征，提出了战术/战略检测器综合分布方案。
战略检测器解算各入口方向断面的流量、占有率、平均车速、队列到达率及队列驻留时间等数据，用于识别交通状态和优化战略控制参数。
战术检测器分布于导向车道入口处，采集左、直、右各流向的流量、占有率及车间时距数据，用于辨识各流向需求，并实现绿信比的战术微调。
B．中型路口分布战略检测器，运行动态优化模式。
中型路口的一般描述：
·主干道与支路相交，或支路与支路相交；
·交通压力适中；
·运行两相位，或主干道运行多相位；
·左转交通需求小，且较规律。
中型路口设备配置：
·交通信号机：
1套
·车辆检测器：
每个方向1套，战略检测器（选配）
·动态数据型机动车倒计时：
每灯组1套（选配）
·动态数据型行人倒计时：
每灯组1套（选配）
·交通诱导信息发布单元：
每个方向1套（选配）
中型路口建议分布战略，运行动态优化智能控制模式。
若主干道运行直行
C．小型路口可不分布车辆检测器，运行多时段控制。
小型路口的一般描述：
·支路与支路相交；
·交通压力较小；
·运行两相位。
小型路口设备配置：
·交通信号机：
1套
·动态数据型机动车倒计时：
每灯组1套（选配）
·动态数据型行人倒计时：
每灯组1套（选配）
·交通诱导信息发布单元：
每个方向1套（选配）
可不分布检测器，采用多时段控制模式。
D．斑马线路口
在路段上的斑马线路口可安装行人过街应答器。
当行人请求时，信号机作出响应，切换为行人过街相位；当无行人请求时，信号机可一直保持主干道机动车通行相位，降低机动车的停车延误。
斑马线路口设备配置：
·交通信号机：
1套
·行人过街应答器：
每组行人灯配置1套
E．数据采集断面
路口各个方向的交通数据可由路口的车辆检测器获得。
在高速公路及快速干线路段上，也需要采集交通数据，判断交通趋势，并及时地向交通参与者发布交通状况信息，起到疏导交通的目的，提高道路的服务水平。
七．系统功能描述
7.1、中央系统管理
智能交通信号控制中央管理系统主要包括如下功能：
·各种设备的管理；
·工作状态监控；
·运行日志记录；
·各路口参数的在线管理和远程设置；
·根据不同的路口特征支持多种控制模式，达到良好的控制效果，如动态优化自适应控制、交通感应控制、行人请求控制；
·实现干线相位差协调控制及区域相位差协调控制；
·实现人工实时控制，如保持步、临时方案、黄闪、灭灯等；
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