交通信号控制系统与公安交通 集成指挥平台通信协议研究

交通信号控制系统与公安交通集成指挥平台通信协议研究1.引言交通信号控制系统是缓解城市交通拥挤、保障城市交通安全、有序、畅通的一种重要的交通解决方案。由于我国在道路交通信号控制系统的应用和研究工作方面相对国外发达国家来说起步较晚，因此系统建设走的是引进与自主研发并行的道路，经过20世纪80年代至今这几十年的发展和建设，国内交通信号控制系统建设取得了快速发展，形成了众多的的交通信号控制系统应用品牌。但是，作为交通信号控制系统建设非常重要一环的通信标准、通信协议的制定工作却较为落后，现有系统大都基于各厂家私有协议，缺乏统一接口标准，直接导致了信号控制系统的信息难以为其他交通管理业务系统服务，大大降低了系统的应用效率。随着我国经济的飞速发展，为适应不断增长的交通管理需求，各种交通管理应用系统逐步建成。如何综合这些系统中种类繁多的交通信息，对其功能进行集成应用，从而及时全面地掌控复杂交通状况，实时监控和调度各类交通资源成为急需解决的问题。公安交通集成指挥平台由此而诞生，它集成了公安交通管理中各业务系统的主要功能和信息，实现交通研判数据化和交通指挥精确化，使得交通管理部门决策科学、指挥灵敏、反应及时、响应快速，大大提高了指挥调度效率。而城市道路交通信号控制系统是城市交通管理中重要的组成部分，公安交通集成指挥平台如何集成目前种类繁多的交通信号控制系统，实现数据的双向交换成为急需解决的问题。本文针对我国目前交通信号控制系统和公安交通集成指挥平台普遍建设中数据通信协议标准缺失的问题，通过分析国内外现有道路交通信号系统的应用及相关通信协议现状，归纳整理了公安交通集成指挥平台对交通信号控制系统的功能及数据需求，提出了基于信息层交换的轻量级构架，设计了基于XML组织数据内容的通信协议，为实现公安交通集成指挥平台对交通信号控制系统的集成提供了一种较为通用的方法。2.国内外现2.1.国内信号系统及交通集成指挥平台应用情况我国在城市交通信号控制系统的研究和应用工作方面起步较晚，20世纪80年代以来,一方面进行了以改善城市市中心交通为核心的UTSM（城市交通信号管理）技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，引入了部分国外的道路交通控制系统（如上海、杭州的SCATS系统，北京、成都的SCOOT系统，武汉、长春的ITACA系统等）。其后、随着国内交通信号控制技术的逐步成熟，一批针对我国交通流特点、具有自主知识产权的交通信号控制系统（如华通HT-UTCS，海信HiCon等等）相继出现。经过这几十年的发展和建设，我国城市交通信号控制系统的市场品牌总数达到20多个，据不完全统计，截至2007年底，全国信号灯控制的路口数量达到四万二千个，在道路上运行的信号机达到了四万二千多台。2000年全国交警部门开始建设公安交通集成指挥平台，目前，全国共有590余个城市（包括县级市）建成了集警情采集、交通流信息采集、交通控制等功能于一体的交通集成指挥平台，其中400余个城市实现了信号区域控制或主次干道“绿波带”（线协调控制）控制。2.2.国内外信号控制系统的通信协议、标准现状在国外，城市交通信号控制系统技术已较为成熟，但也出现了系统与设备、系统与系统之间的互联、互操作的难题。于是，美国国家电器制造商协会NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）于1992年着手开发通用性的交通信号控制系统通信协议（NTCIP：NationalTransportationCommunicationsforITSProtocol）。其初步设计构想源自于交通信号机的应用需求：无论任何一种交通信号控制系统以及信号机只要遵从NTCIP协议就可以实现互联、互操作和实时通信。目前，由ITE、AASHTO与NEMA共同组成的NTCIP联合委员会已通过报告、期刊与网站等方式进行NTCIP技术与应用的推广。现阶段，NTCIP已上升为针对智能交通系统电子设备间数据传输所制定的标准通信协议。其主要目标是确保交通控制与ITS系统组成单元彼此之间的“互操作性（Interoperability）”与“互换性（Interchangeability）”。NTCIP的应用一般分为两大类：中心到外场（C2F）及中心到中心（C2C）的应用。前者通常包含路侧设施或者是各运营部门所拥有的车辆与管理中心的计算机之间的信息传输。而后者则主要是管理中心的计算机或各个子系统之间的数据传输。NTCIP标准采用了分层的架构，分别为信息层，应用层，传输层，子网络层和物理层。其架构如图1所示可以看出，NTCIP是遵照OSI参考模型的规范，类似ISO的OSI七层协议模型，提供交通控制中心与现场设备或与不同控制中心之间通信的标准。对于应用层、传输层、子网络层、实体层都应用了已有的成熟标准，其关键是制定了信息层的相关标准。而与交通信号控制系统中相关的NTCIP标准有：NTCIP1201、1202等，与中心到中心通信相关的NTCIP标准有：NTCIP2500、2501、2502等。国内交通信号控制系统通信协议、标准现状1993年公安部制订了我国信号机的行业标准GA/T47-93《交通信号机技术要求与测试方法》，该标准按基本功能对交通信号机作了分类，规定了交通信号机的技术要求和测试方法，是我国首个信号机标准。2002年公安部对该标准进行了修订，并改为强制性标准GA47-2002《道路交通信号控制机》。新标准对集中协调式道路交通信号机的物理通信接口、基本通信内容进行了规定，但具体通信协议、格式等内容未包含在标准中。2004年，公安部颁布了行业标准GA/T509《城市交通信号控制系统术语》规定了城市交通信号控制系统中的专用术语。2005年，颁布了GA/T527《城市道路交通信号控制方式适用规范》规定了城市道路交通信号控制方式。以上标准都未涉及通信协议方面的内容。2008年我国正式出台国家标准GB/T20999-2007《交通信号控制机与上位机间的数据通信协议》，该标准规定了信号机与上位机间的数据通信协议的结构及物理层、数据链路层、网络层和应用层的要求，协议在参考美国NTCIP协议和美国加州AB3418标准的基础上，采用了四层结构，见图2。适用于交通信号控制系统信号机与上位机间的通信，此项标准的发布，对我国信号控制系统来说无疑是一大进步。2010年颁布了《道路交通信号控制机与车辆检测器间的通信协议》规定了道路交通信号控制机与车辆检测器间的串行接口和以太网接口的数据交换规程。2.3.国内外信号系统及协议比较分析以下选择了当前在我国使用的最具代表性及实效性的国外系统和部分我国自主研发的交通信号控制系统进行系统的分析和比较。如表格1所示：系统名称研制单位特征内部协议数据交换协议结构SCOOT英国交通与道路研究所方案形成式自适应控制系统私有协议无集中式控制SCATS澳大利亚新南威尔士州道路交通局方案选择式自适应控制系统私有协议自定义ITS接口协议三级分布式控制ACTRA美国西门子公司方案形成式＋专家系统的自适应控制系统NTCIP协议自定义接口协议分布式控制HT-UTCS公安部交通管理科学研究所方案形成＋专家系统式自适应控制系统私有协议自定义接口协议三级分布式控制海信HiCon青岛海信网络科技股份有限公司感应式协调、方案选择NTCIP自定义接口协议三级分布式控制莱思信号系统南京莱斯信息技术有限公司自适应控制私有协议自定义接口协议二级分布式表格1国内外城市道路交通信号控制系统分析表以上系统都有各自的特点，但在系统内、外部数据交换协议方面类似，大都采用私有协议及自定义接口。在系统内部数据交换方面：国外系统中心与信号机都按照系统各自专用的协议进行数据的传输，只能使用自己的专用信号机，对国产信号机都无兼容性；国内系统同样如此，系统与系统，系统与信号机之间相互不兼容。当前，我国信号机与上位之间通信协议的国家标准GB20999虽然已经制定并颁布，但其正式应用尚未展开，从目前情况来看，国外系统使用GB20999的可能性极小，国内系统使用该标准的也极少，包括这个标准的制定单位青岛海信网络科技股份有限公司自身的信号控制系统尚未应用该标准，而是使用了NTCIP。在系统外部数据交换方面：各个系统大多提供了与外部系统数据交换的接口，但是目前接口协议都是用各自专用的协议来进行数据交换。综上所述，对于城市交通信号控制系统通信协议标准，国外研究比较早，已形成了NTCIP协议标准，而国内由于在ITS系统建设及其相关技术研究方面起步较晚，目前通信协议相关标准仍在制定过程中。在交通信号控制系统通信协议标准方面，目前仅有《GBT20999交通信号机与上位机通信信协议》与《GAT920-2010信号机与检测器间的通信协议》这2个标准，标准层次较低，在应用层消息定义中仍关注的是以参数帧代码为基础的机器会话方式，与应用程序的联系较差，没有体现应用层定义的优势。交通信号控制系统系统与其他ITS系统之间系统层面的通信标准、通信协议尚未制定，现有的各系统都使用厂家私有的通信协议。随着公安交通管理信息技术的深化应用和发展，对各类交通信息的采集分析、集成应用的要求越来越高，交通信号控制系统作为公安集成指挥平台重要的子系统，在城市交通管理现代化建设中倍受关注，如何与交通信号控制系统进行数据交换成为急需解决的问题。3.需求分析3.1.应用范围与定位通信协议用于交通信号控制系统与公安交通集成指挥平台之间的数据交换，是一个中心对中心（C2C）的通信协议。通信协议的功能定位于公安交通集成指挥平台对交通信号控制系统信息的集中、共享、显示、监管这4各方面。1）集中：指对所有现场交通信号机及交通信号控制系统的各项信息集中管理；2）共享：外部系统可以获取交通信号控制系统数据，交通信号控制系统也可以获取外部系统的数据，实现数据双向交换；3）显示：可以不通过交通信号控制系统的功能界面直接在指挥平台中显示信号控制系统和现场信号机的动、静态数据；4）管：包括2个方面，一是对整个交通信号控制系统及其控制的现场交通信号机的实时状态、故障、运行效果的监测；二是对系统及其控制的现场信号机的日志及采集的交通流数据进行查询统计，用于后期的评价、评估及故障、状态回溯。通过公安集成指挥平台对交通信号控制系统数据交换内容和格式的总结分析，得出数据交换的基本需求：n通用、开放、可扩展的数据格式标准；n数据交换内容是结构化和层次化的；n能实现中心（公安交通集成指挥平台）与不同厂商信号系统的可靠通信和交互控制，解决对不同信号系统的兼容性。3.2.功能需求通过调研与项目实施经验的总结，总结并整理出接入公安集成指挥平台的交通信号控制系统必须具备的功能要求：1)能够与所有系统控制路口信号机进行实时通信；2)具备中央、区域、路口三级控制功能，系统内所有路口划分区域进行管理；3)具备实时控制接口，能够对路口信号机进行简单的实时控制。支持单点多时段定时控制方式、单点感应控制方式、上位机控制、线协调控制方式、区域协调控制方式等控制方式；4)具备道路交叉口的交通流信息采集与记录功能；5)具备路口信号机的故障检测及自动报警功能；6)具备系统数据输出接口，能够提供所需各类数据；7)具备交通流数据输入接口。3.3.数据需求基于以上功能要求，整理了两大类数据需求。1）系统配置数据系统信息：包括系统名称，版本号，供应商，系统包含的区域号列表；区域配置信息：包括区域的编号，名称，每个区域的子区号列表，路口号列表；子区配置信息：子区的编号，名称，子区中包含的路口号列表。可以不设子区；路口配置信息：路口的编号，名称，特征，检测器、车道、相位、阶段配时及配时方案等信息。2）系统运行数据运行状态数据：包括系统时间、系统运行状态、各区域、各路口运行状态等数据；故障报警数据：路口通信断开，信号机、信号灯、检测器等故障报警；路口的实时控制数据：包括当前配时方案号，控制方式，周期，阶段相位等；路口交通流数据：包括流量、占有率、平均车速。3.4.其他需求1）可靠性能够满足交通信号控制系统与公安交通集成指挥平台之间不间断的稳定数据交换通信需要。2）安全性、完