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

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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