CN109035815A - 基于多源交通大数据的交通信号优化系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于多源交通大数据的交通信号优化系统及运行方法，其可以对多源海量数据优化进行统一处理，生成实时、精确可靠的交通信号控制方案，提高了数据分析的实时性和综合利用率。其包括信号机系统、网络通信设备及中心系统平台；信号机系统和中心系统平台通过网路通信设备进行通信连接；信号机系统包括控制单元、灯驱动单元，控制单元包括核心单元、执行单元；中心系统平台包括大数据处理模块，大数据处理模块接收来自路面检测器采集的交通数据、互联网平台的交通数据、以及从导航系统传入的交通数据，并对数据进行融合分析，形成区域信号配时优化方案，并发送至信号机系统。

Description

基于多源交通大数据的交通信号优化系统及运行方法

技术领域

本发明涉及交通控制系统技术领域，具体为基于多源交通大数据的交通信号优化系统及运行方法。

背景技术

交通信号控制系统作为城市智能交通系统的核心组成部分，自上世60年代以来，国内外学者进行了大量的研究和探索，先后研发了各具特色、效果显著的交通信号控制系统，如英国的SCOOT、澳大利亚的SCATS、国内海信Hi-Con信号控制系统，这些系统在世界范围内的广泛应用，为许多城市的交通拥堵确实起到了很好的缓解作用；但是综观现有的交通信号控制系统的应用状况，在处理多源海量数据的时候，仍然存在对于数据的综合利用率不高、实时处理可靠性不足的问题。

发明内容

为了解决处理多源海量数据时对数据利用率不高、实时处理可靠性不足的问题，本发明提供了基于多源交通大数据的交通信号优化系统及运行方法，其可以对多源海量数据优化进行统一处理，生成实时、精确可靠的交通信号控制方案，提高了数据分析的实时性和综合利用率。

其技术方案是这样的：

基于多源交通大数据的交通信号优化系统，其包括信号机系统、网络通信设备及中心系统平台；所述网络通信设备包括通过无线网络、有线网络方式进行通信数据传输的设备，所述信号机系统和所述中心系统平台通过所述网路通信设备进行通信连接；所述信号机系统包括控制单元、灯驱动单元，其特征在于：

所述中心系统平台包括大数据处理模块，所述大数据处理模块接收来自路面检测器采集的交通数据、互联网平台的交通数据、以及从导航系统传入的交通数据，并对数据进行融合分析，形成区域信号配时优化方案，并发送至所述信号机系统；

所述控制单元包括核心单元、执行单元；所述核心单元对接收到的所述中心系统平台发出的区域信号配时优化方案后进行解析，确定本次配时方案所需控制的执行方案，并将执行方案转发至执行单元；所述执行单元对执行方案进行解析得到灯控制指令，发送给所述灯驱动单元进而控制相应的信号灯的状态；所述灯驱动单元根据将所述执行单元发出的灯控制指令转换成对信号灯电源的开关控制，控制对应的信号灯的开关状态；

所述核心单元包括实时时钟、数据通信模块；所述数据通信模块与所述中心系统平台通信连接，所述核心单元通过所述数据通信模块与所述中心系统平台进行数据通信；所述核心单元在进行区域信号配时优化方案解析时，通过所述实时时钟进行时间判断，以确保区域信号配时优化方案的实时性和准确性。

其进一步特征在于：

所述核心单元还包括数据存储模块，所述数据存储模块存储的参数主要包括信号灯组、接线端子、相位、配时方案、控制时段、日计划调度信息、进口车道和检测器配置信息；

所述中心系统平台还包括监控终端模块，所述监控终端模块用于各种信号控制数据的结果展示，显示联网路口的运行信息；

所述信号机系统还包括显示操作单元、保安单元、检测器单元；所述显示操作单元通过图形界面的方式实现对信号机运行参数的修改；所述保安单元作为所述核心单元的热备份，平时处于休眠状态，一旦所述核心单元检测到唤醒信号，则所述保安单元被唤醒，唤醒后先进入过渡状态，然后进入工作状态，代替所述核心单元的工作，获取对所述执行单元的控制权，取代所述执行单元对所述灯驱动单元进行控制；所述检测器单元接收来自检测器的数据，对接收的原始数据进行预处理后，通过所述核心单元转发到所述中心系统平台；

所述唤醒信号包括绿灯冲突警告、红灯绿灯同亮警告、红灯不亮警告。

基于上述基于多源交通大数据的交通信号优化系统的运行方法，其包括以下步骤：

S1：将交通数据发送到所述中心系统平台，由所述中心系统平台进行统一分析、处理、存储，并形成区域信号配时优化方案；

S2：所述中心系统平台将区域信号配时优化方案通过所述网络通信设备发送至所述信号机系统；

S3：所述信号机系统的所述控制单元对所述中心系统平台下发的区域信号配时优化方案进行判断以及预处理；

S4：所述控制单元对执行方案进行解析，向所述灯驱动单元发送控制指令；

S5：所述灯驱动单元接收控制指令，控制相应的交通信号灯的开关状态；

其特征在于：

送到所述中心系统平台的所述交通数据包括来自路面检测器、互联网平台以及从导航系统的多源交通大数据；所述控制单元包括核心单元、执行单元；在所述步骤3中通过所述核心单元对所述中心系统平台下发的区域信号配时优化方案进行判断以及预处理，同时通过所述核心单元的实时时钟进行时间判断，以确保区域信号配时优化方案的实时性和准确性；

所述步骤3实施之后，还要实施步骤S3-1所述核心单元把处理后的执行方案转发至所述执行单元；

所述步骤4中，通过所述执行单元对执行方案进行解析，向所述灯驱动单元发送控制指令。

其进一步特征在于：

其还包括步骤S6：所述灯驱动单元记录输出状态，并送至所述保安单元，供唤醒信号检测使用；

所述信号机系统启动后，上述步骤运行中，所述核心单元会循环执行所述唤醒信号检测，当检测到所述唤醒信号的时候所述保安单元启动，所述保安单元封锁所述执行单元对所述灯驱动单元的控制、获取对所述灯驱动单元的控制权，通过人工干预解除所述唤醒信号提示的冲突；直至所述唤醒信号消失，则解锁所述保安单元对灯驱动单元的控制，把对所述灯驱动单元的控制权还给所述执行单元后，所述保安单元进入休眠状态；

在所述步骤3-1执行之前，所述核心单元还需要确认前一方案周期是否结束，在前一方案周期结束后才可以把本次区域信号配时优化方案发送到所述执行单元。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1) 本发明通过层次性的部署方式，将传统信号机系统的控制单元分为核心单元和执行单元，通过所述核心单元对所述中心系统平台下发的区域信号配时优化方案进行判断以及预处理，而核心单元的实时时钟进行时间判断，以确保区域信号配时优化方案的实时性和准确性；所述执行单元对执行方案进行解析，向所述灯驱动单元发送控制指令，有助于提高信号机系统数据分析的实时性，提高信号机系统的故障处置能力，提高执行效率；

(2) 本发明中，对来自路面检测器、互联网平台以及导航系统的多源海量数据进行统一管理，包括数据的采集、处理、分析、存储，形成了一个有机的整体，提高了对数据的综合利用率；

(3) 本发明基于大数据处理技术，将分散在各个路口的交通信号控制数据、互联网交通大数据进行统一分析和处理，形成交通运行大数据，改变信号控制系统各路口数据相互隔离的现状，消除“信息壁垒”和“信息孤岛”，提高了数据的共享水平。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为信号机系统结构框图；

图3为核心单元的结构框图；

图4为本发明的运行方法的流程示意图；

图5为本发明的数据流图。

具体实施方式

如图1~图5所示，本发明包括信号机系统3、网络通信设备2及中心系统平台1；网络通信设备2包括通过无线网络、有线网络方式进行通信数据传输的设备，信号机系统3和中心系统平台1通过网路通信设备2进行通信连接；

中心系统平台1包括大数据处理模块101，大数据处理模块101接收来自包括高德、百度在内的互联网平台的交通数据、实时从路面采集的包括交流流量、排队长度及占有率在内的交通数据、从包括GPS在内的导航系统传入的交通数据，并对数据进行融合分析，形成区域信号配时优化方案，并发送至信号机系统3；具体通信协议可参考《GB 25280-2016 道路交通信号控制机》附录A中的相关内容。

信号机系统3包括控制单元、灯驱动单元306，控制单元包括核心单元303、执行单元305；核心单元303对接收到的中心系统平台1发出的区域信号配时优化方案后进行解析，确定本次配时方案所需控制的执行方案，并将执行方案转发至执行单元305；执行单元对305执行方案进行解析得到灯控制指令，发送给灯驱动单元306进而控制相应的信号灯的状态；灯驱动单元306根据将执行单元305发出的灯控制指令转换成对信号灯电源的开关控制，控制对应的信号灯的开关状态；

核心单元303包括实时时钟3032、数据通信模块3031；数据通信模块3031与中心系统平台1通信连接，核心单元303通过数据通信模块3031与中心系统平台1进行数据通信；核心单元303在进行区域信号配时优化方案解析的时候，通过实时时钟3032进行时间判断，以确保区域信号配时优化方案的实时性和准确性；

核心单元303主要包括三类数据：通讯类数据、输入数据及输出数据；通讯类数据主要包括与中心平台1之间的通信数据；输入数据包括检测器单元数据、显示操作单元数据；输出数据包括本次配时方案所需控制的执行方案，执行方案包括信号灯的灯驱动数据、状态指示数据；

信号机系统3初始化候会根据路口信号灯、交通流状况设置特征参数配置文件，特征参数配置文件配置的参数包括道路交通信号机运行所需的信号灯组、相位、配时方案、控制方式、日计划调度；联网后，这些特征参数配置文件会同步到中心系统平台1，在中心系统平台1也可以设置特征参数配置文件；中心系统平台1依据特征参数配置文件，结合交通运行多源大数据，生成区域信号配时优化方案；区域信号配时优化方案发到信号机系统3后，信号机系统3根据这个特征参数配置文件进行后续判断和处理；核心单元303在运行时，首先判断特征参数配置文件是否存在，如果文件不存在或不正常，则重新生成相应的文件，并初始化有关数据；其次，判断特征参数配置文件的正确性，如果参数配置有问题，则不按照配置参数文件运行，直接进入黄闪或关灯状态；最后，程序对端口、参数初始化后进入主循环部分，该部分主要包括以下几项工作：配置参数更新判断、当前方案是否结束的判断、检测器原始数据采集、时间同步判断、信号机状态判断、通讯数据处理；核心单元中每一种灯的状态的变化都有严格的时间限定；为了确保准确性，对时间要求较为严格的操作，全部放在时钟同步中断中进行。

灯驱动单元306将执行单元305发出的灯控制指令（TTL电平）转换成对信号灯电源（～220V）的开关控制；灯驱动单元306有96路灯输出，每路灯输出具有相同的功能；灯驱动单元306接受执行单元305的灯控制指令，并根据灯控制指令调整信号灯的输出状态，同时检测信号灯的输出状态，且把信号灯输出状态的检测结果送至保安单元304，供唤醒信号检测使用。

核心单元303还包括数据存储模块3033，数据存储模块3033存储的参数主要包括信号灯组、接线端子、相位、配时方案、控制时段、日计划调度、进口车道和检测器配置信息。

中心系统平台1还包括监控终端模块102，监控终端模块102用于各种信号控制数据的结果展示，显示联网路口的运行信息，信息包括实时交通流运行状态、信号控制状态及故障报警信息；监控终端模块102部署于交通指挥中心，用于各种信号控制数据的结果展示，显示联网路口的实时交通流运行状态、信号控制状态及故障报警信息，提供给系统管理人员及信号配时人员使用，便于相关人员可以直观的了解系统当前的运行状况。

权限管理模块103通过分级管理以及权限控制，对用户进行权限授权和划分管辖区域；系统针对不同用户的权限级别及管辖范围，通过监控终端模块102可展示及控制的内容也有所不同；如大队用户只能显示本大队管辖范围的信号路口，支队用户可管辖所有大队的信号路口；一般操作员只能查看当前系统的显示状态及简单的信号配时操作，高级操作员可现实系统全部状态并进行相关高级配时设置，系统管理员可对用户进行权限授权及管辖区域；通过权限管理模块103中的分级管理及权限控制，确保本系统的安全可靠。

信号机系统3还包括显示操作单元303，显示操作单元303通过图形界面的方式实现对信号机运行参数的修改，参数包括相位、周期、方案、灯色；显示操作单元303选用汉字菜单方式，选用128*64的图形液显示器（LCD）作为显示操作单元的显示屏，每屏可显示8*4个汉字；设置9个按键的操作键盘，9个按键的功能分别为：菜单前移、菜单后移、设置值增大、设置值减小、设置确认、取消设置、复位、自动/手动控制、手控步进。

信号机系统3还包括保安单元304，保安单元304作为核心单元303的热备份，平时处于休眠状态，一旦核心单元303检测到唤醒信号，则保安单元304被唤醒，唤醒后先进入过渡状态，然后进入工作状态，代替核心单元303的工作，获取对执行单元305的控制权，取代执行单元305对灯驱动单元306进行控制；唤醒信号包括绿灯冲突警告、红灯绿灯同亮警告、红灯不亮警告；

信号机系统3启动时，保安单元304处于休眠状态，循环检测唤醒信号；当检测到唤醒信号后，保安单元304进入工作状态，获取对执行单元305的控制权，并封锁执行单元305对灯驱动单元304的控制；保安单元304开始工作时，首先进入过渡状态：黄闪、全红；然后进入人工干预阶段，通过人工解除发生冲突的信号灯的故障，保证系统的正常运行；保安单元304在工作中，仍然循环检测唤醒信号；一旦唤醒信号撤消，即解除对执行单元305的锁定，把对灯驱动单元304的控制还给执行单元305，仍以过渡状态：黄闪、全红过渡，恢复到休眠状态。

信号机系统3还包括检测器单元302，检测器单元302接收来自检测器的数据，根据不同的采集设备类型，对接收的原始数据进行去重、去噪等预处理后，通过核心单元303转发到中心系统平台1，与其他来源的数据一起，在中心系统平台1中进行统一分析、处理、存储；

检测器单元302采用开关量信号方式，共有32路检测通道，由4个相同的检测器组成，每个检测器检测8路通道；检测器包括线圈、微波、视频检测器；信号机系统3与检测器之间的具体通讯数据及通信协议可以参考标准《道路交通信号控制机与车辆检测器间的通信协议》（GA/T 920-2010）中的相关说明。

如图4所示，基于上述基于多源交通大数据的交通信号优化系统的运行方法，其包括以下步骤：

S1：将自路面检测器、互联网平台以及从导航系统的多源交通大数据发送到中心系统平台1，由中心系统平台1进行统一分析、处理、存储，并形成区域信号配时优化方案；

S2：中心系统平台1将区域信号配时优化方案通过网络通信设备发送至信号机系统2，控制单元包括核心单元、执行单元；

S3：控制单元中的核心单元对中心系统平台下发的区域信号配时优化方案进行判断以及预处理；同时通过核心单元的实时时钟进行时间判断，以确保区域信号配时优化方案的实时性和准确性；

S3-1：核心单元把处理后的执行方案转发至执行单元；

S4：控制单元中的执行单元对执行方案进行解析，向灯驱动单元发送控制指令；

S5：灯驱动单元接收控制指令，控制相应的交通信号灯的开关状态；

S6：灯驱动单元记录输出状态，并送至保安单元，供唤醒信号检测使用；

信号机系统3启动后，在步骤S1~S6执行过程中，核心单元303会循环执行唤醒信号检测，当检测到唤醒信号的时候启动保安单元304，保安单元304封锁执行单元305对灯驱动单元306的控制、获取对灯驱动单元306的控制权，通过人工干预解除唤醒信号提示的冲突；直至唤醒信号消失，则解锁保安单元304对灯驱动单元306的控制，把对灯驱动单元306的控制权还给执行单元305后，保安单元304进入休眠状态；唤醒信号包括绿灯冲突警告、红灯绿灯同亮警告、红灯不亮警告，一旦出现警告就代表信号灯组的线路出现问题，保安单元304锁定出现冲突的信号灯组，通过人工干预解除冲突，确保系统能够保持正常工作。

在步骤S3-1执行之前，核心单元303还需要确认前一方案周期是否结束，在前一方案周期结束后才可以把本次区域信号配时优化方案发送到执行单元305。

使用本发明的技术方案后，来自路面检测器、互联网平台、导航系统的多源交通数据都汇聚到中心系统平台进行统一处理，提高了多源数据的综合利用率；本发明把传统的信号机系统的控制单元划分为核心单元和执行单元，核心单元负责对来自中心系统平台的区域信号配时优化方案数据的预处理、分析、传递、和存储，执行单元负责把来自核心单元的执行方案分解成灯控制指令，然后通过灯驱动单元控制信号灯的状态，核心单元和执行单元采用分工合作的方式，处理不同的流程，提升了数据的处理效率，提高了系统处理数据的实时性；在核心单元中，对时间要求较为严格的操作，全部利用实时时钟、放在时钟同步中断中进行，保证了执行方案的准确性；本发明的技术方案中还设置了保安单元，一旦信号灯发生冲突的时候，通过保安单元取代执行单元对灯驱动单元进行控制，直至冲突消失，使系统具有处理意外的能力，提高了系统的可靠性；通过显示操作单元的设置，使操作者可以通过同行界面使用本系统，使系统更具可用性。

Claims (9)

1.基于多源交通大数据的交通信号优化系统，其包括信号机系统、网络通信设备及中心系统平台；所述网络通信设备包括通过无线网络、有线网络方式进行通信数据传输的设备，所述信号机系统和所述中心系统平台通过所述网路通信设备进行通信连接；所述信号机系统包括控制单元、灯驱动单元，其特征在于：

所述中心系统平台包括大数据处理模块，所述大数据处理模块接收来自路面检测器采集的交通数据、互联网平台的交通数据、以及从导航系统传入的交通数据，并对数据进行融合分析，形成区域信号配时优化方案，并发送至所述信号机系统；

所述控制单元包括核心单元、执行单元；所述核心单元对接收到的所述中心系统平台发出的区域信号配时优化方案后进行解析，确定本次配时方案所需控制的执行方案，并将执行方案转发至执行单元；所述执行单元对执行方案进行解析得到灯控制指令，发送给所述灯驱动单元进而控制相应的信号灯的状态；所述灯驱动单元根据将所述执行单元发出的灯控制指令转换成对信号灯电源的开关控制，控制对应的信号灯的开关状态；

所述核心单元包括实时时钟、数据通信模块；所述数据通信模块与所述中心系统平台通信连接，所述核心单元通过所述数据通信模块与所述中心系统平台进行数据通信；所述核心单元在进行区域信号配时优化方案解析的时候，通过所述实时时钟进行时间判断，以确保区域信号配时优化方案的实时性和准确性。

2.根据权利要求1所述基于多源交通大数据的交通信号优化系统，其特征在于：所述核心单元还包括数据存储模块，所述数据存储模块存储的参数主要包括信号灯组、接线端子、相位、配时方案、控制时段、日计划调度信息、进口车道和检测器配置信息。

3.根据权利要求1所述基于多源交通大数据的交通信号优化系统，其特征在于：所述中心系统平台还包括监控终端模块，所述监控终端模块用于各种信号控制数据的结果展示，显示联网路口的运行信息。

4.根据权利要求1所述基于多源交通大数据的交通信号优化系统，其特征在于：所述信号机系统还包括显示操作单元、保安单元、检测器单元；所述显示操作单元通过图形界面的方式实现对信号机运行参数的修改；所述保安单元作为所述核心单元的热备份，平时处于休眠状态，一旦所述核心单元检测到唤醒信号，则所述保安单元被唤醒，唤醒后先进入过渡状态，然后进入工作状态，代替所述核心单元的工作，获取对所述执行单元的控制权，取代所述执行单元对所述灯驱动单元进行控制；所述检测器单元接收来自检测器的数据，对接收的原始数据进行预处理后，通过所述核心单元转发到所述中心系统平台。

5.根据权利要求4所述基于多源交通大数据的交通信号优化系统，其特征在于：所述唤醒信号包括绿灯冲突警告、红灯绿灯同亮警告、红灯不亮警告。

6.采用权利要求1~5任一项所述的基于多源交通大数据的交通信号优化系统的运行方法，其包括以下步骤：

S1：将交通数据发送到所述中心系统平台，由所述中心系统平台进行统一分析、处理、存储，并形成区域信号配时优化方案；

S2：所述中心系统平台将区域信号配时优化方案通过所述网络通信设备发送至所述信号机系统；

S3：所述信号机系统的所述控制单元对所述中心系统平台下发的区域信号配时优化方案进行判断以及预处理；

S4：所述控制单元对执行方案进行解析，向所述灯驱动单元发送控制指令；

S5：所述灯驱动单元接收控制指令，控制相应的交通信号灯的开关状态；

其特征在于：

送到所述中心系统平台的所述交通数据包括来自路面检测器、互联网平台以及从导航系统的多源交通大数据；所述控制单元包括核心单元、执行单元；在所述步骤3中通过所述核心单元对所述中心系统平台下发的区域信号配时优化方案进行判断以及预处理，同时通过所述核心单元的实时时钟进行时间判断，以确保区域信号配时优化方案的实时性和准确性；

所述步骤3实施之后，还要实施步骤S3-1所述核心单元把处理后的执行方案转发至所述执行单元；

所述步骤4中，通过所述执行单元对执行方案进行解析，向所述灯驱动单元发送控制指令。

7.根据权利要求6所述基于多源交通大数据的交通信号优化系统的运行方法，其特征在于：其还包括步骤S6：所述灯驱动单元记录输出状态，并送至所述保安单元，供唤醒信号检测使用。

8.根据权利要求7所述基于多源交通大数据的交通信号优化系统的运行方法，其特征在于：所述信号机系统启动后，上述步骤运行中，所述核心单元会循环执行所述唤醒信号检测，当检测到所述唤醒信号的时候所述保安单元启动，所述保安单元封锁所述执行单元对所述灯驱动单元的控制、获取对所述灯驱动单元的控制权，通过人工干预解除所述唤醒信号提示的冲突；直至所述唤醒信号消失，则解锁所述保安单元对灯驱动单元的控制，把对所述灯驱动单元的控制权还给所述执行单元后，所述保安单元进入休眠状态。

9.根据权利要求6所述基于多源交通大数据的交通信号优化系统的运行方法，其特征在于：在所述步骤3-1执行之前，所述核心单元还需要确认前一方案周期是否结束，在前一方案周期结束后才可以把本次区域信号配时优化方案发送到所述执行单元。