CN114613161B - 一种交通信号机与边缘计算一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交通信号机与边缘计算一体化系统，该一体化系统包括信号控制子系统、边缘计算子系统和辅助支持子系统；信号控制子系统负责实现道路交叉口各方向信号灯放行相序和相位时间控制；边缘计算子系统主要负责完成车路协同系统外部设备接入和复杂业务处理；辅助支持子系统主要提供供电、网络、位置服务和人机交互交互等功能。通过将信号控制系统和边缘计算系统进行融合，并构建面向不同模块和子系统的二级网络交互体系，解决了信号控制和车路协同边缘计算的无缝数据交互问题。本发明可以为智能车路协同系统应用提供必要的基础数据支撑和高性能的运算平台支撑，从而进一步为车路协同智能交通管理与控制创造了条件。

Description

一种交通信号机与边缘计算一体化系统

技术领域

本发明涉及交通信号处理设备技术领域，特别是涉及一种交通信号机与边缘计算一体化系统。

背景技术

随着社会经济的发展，汽车保有量的不断增加，传统的交通数据处理手段尤其是以“端-云”为主的处理模式难以满足持续增长的交通大数据规模。要想构建和谐的人-车-路环境，完善车路协同智能化体系不仅需要全息道路交通感知数据更离不开交叉口的信号灯态信息。

交通信号机是城市道路重要的路侧设备之一，道路交通信号配时信息和实时放行灯态也是车路协同应用的重要基础数据。近年来，起源于传媒领域的边缘计算技术在物联网领域得到了广泛的发展。通过提供最近端服务在边缘侧发起应用程序的方式，可以得到更快的网络服务响应，能够对实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面提供基本需求。因此，基于边缘计算，打造“端-边-云”一体化融合的全栈式技术，成为在智能交通领域中处理道路交通全要素数据的重要手段，被得到广泛应用。

传统的交通信号机设备与边缘计算设备是两个独立使用的终端，信号机设备独立应用于交通信号配时管理时，不同厂商之间的交通信号机设备传输协议私有，导致交通信号数据无法被高效使用，更无法被边缘计算系统接入兼容，造成了数据使用壁垒，也限制了如信号配时信息推送、车速引导控制等车路协同技术应用。另一方面，传统的信号机的外部检测数据接入和数据处理能力具有局限性，无法使用车路协同环境下的复杂交通管理控制需求。

因此，如何将交通信号机设备与边缘计算设备联合使用以解决上述弊端成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种交通信号机与边缘计算一体化系统，以实现交叉口基本信号控制与边缘计算业务功能的深度融合。

为实现上述目的，本发明提供了一种交通信号机与边缘计算一体化系统，所述一体化系统包括信号控制子系统、边缘计算子系统和辅助支持子系统；

所述信号控制子系统包括主控制模块、车辆检测模块和相位控制模块；所述主控制模块接收来自所述车辆检测模块采集的路口交通流量数据，计算交叉口的信号放行方案，并将所述信号放行方案中信号灯的控制信息输出至所述相位控制模块，实现对道路交通信号灯设备的控制；

所述边缘计算子系统包括边缘计算处理器集群模块；所述边缘计算处理器集群模块与所述信号控制子系统通信连接，所述边缘计算处理器集群模块用于接收所述信号控制子系统中的路口交通流量数据和信号放行方案以及道路交通信号灯设备的实时的信号灯放行状态数据，计算交通信号灯的信号放行方案，并传输至所述信号控制子系统进行灯态控制；

所述辅助支持子系统包括嵌入式网络路由管理模块；所述嵌入式网络路由管理模块连接于所述信号控制子系统与所述边缘计算子系统之间，所述嵌入式网络路由管理模块用于实现所述边缘计算处理器集群模块内部数据交互、所述信号控制子系统中所述主控制模块与多个相位控制模块之间的路由管理、所述信号控制子系统与所述边缘计算子系统之间的通信路径切换。

可选的，所述信号控制子系统包括状态检测模块，所述状态检测模块包括温度传感器、湿度传感器、电流检测电路和/或电压检测电路，所述状态检测模块用于检测所述一体化系统各个硬件的工作状态和环境状态，并对异常情况进行预警提示。

可选的，所述车辆检测模块为交通检测设备提供磁感信号分析或IO数据接入口，并分析得到交叉口的路口交通流量数据；所述交通检测设备包括地磁、线圈、视频采集设备和/或雷达；

所述相位控制模块用于接收所述主控制模块下发的交通信号灯的所述信号放行方案，并进一步控制道路交通信号灯设备；

多个所述相位控制模块与所述主控制模块的通信通过集成于所述主控制模块的所述嵌入式网络路由管理模块为多个所述相位控制模块配置管理通信地址实现。

可选的，所述边缘计算处理器集群模块包括多个嵌入式处理器，所述多个嵌入式处理器通过所述嵌入式网络路由管理模块实现链接通信；所述多个嵌入式处理器中包括一主处理器和多个处理单元；所述主处理器用于负责各个所述处理单元的计算资源、存储资源的整合和所述边缘计算处理器集群模块的统一对外数据交互管理。

可选的，所述多个嵌入式处理器中还包括一备用处理器，所述备用管理处理器用于当所述主处理器发生宕机时接替所述主处理器。

可选的，所述边缘计算子系统还包括无线数据接入/输出模块和外设接口模块；所述无线数据接入/输出模块通过所述嵌入式网络路由管理模块与所述边缘计算处理器集群模块连接，所述无线数据接入/输出模块接收来自所述辅助支持子系统传输来的第三方数据，或将所述边缘计算处理器集群模块运算得到的过程数据或最终数据交付所述辅助支持子系统进行数据外发；

所述外设接口模块用于为交通检测设备提供数据接入口，所述数据接入口包括网口、串口和/或CAN数据接口。

可选的，所述辅助支持子系统还包括多模式无线通信模块，所述多模式无线通信模块用于实现与外部第三方系统平台的无线数据收发；所述多模式无线通信模块集成多种数据传输方式，支持多模式数据交互。

可选的，所述辅助支持子系统还包括GNSS位置与校时服务模块，所述GNSS位置与校时服务模块采用单模或多模定位系统，采集系统设备安装位置的绝对经纬度坐标，为车路协同技术提供位置信息数据；还用于所述一体化系统统一授时，实现系统内各个子系统及模块的时间校准。

可选的，所述辅助支持子系统还包括人机交互模块和系统切换控制模块；所述人机交互模块包括触屏显示终端和/或信号机人工操作按钮面板；所述触屏显示终端用于显示道路交通信号灯设备的实时的信号灯放行状态，还用于配置信号放行方案和系统操作；所述人工操作按钮面板用于为系统使用者提供交通信号状态操作按钮；

所述系统切换控制模块用于为人机交互提供服务，利用所述系统切换控制模块的按钮切换所述人机交互模块显示信号控制子系统或者边缘计算子系统的软件界面，并对应交互操作。

可选的，所述辅助支持子系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块为所述一体化系统提供电力支持，用于将220V强电转换成12V、5V和/或3V弱电压，为各个子模块板卡设备提供弱电供应；还用于将220V强电直接驱动交通信号灯进行灯态控制。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的交通信号机与边缘计算一体化系统，在结构方面，对两个核心子系统(信号控制子系统、边缘计算子系统)进行了整合，具有高度集成性。此外，各子系统采用分模块化设计，系统可扩展性强，管理和维护更具灵活性。在交互方面，采用嵌入式路由管理模块实现子系统内部和不同子系统之间的连接，基于RJ45通信方法，数据交互更高效，网络结构配置更灵活。在性能方面，基于本发明所提出的一体化系统架构，实现了信号放行方案与边缘计算子系统的实时交互，借助边缘计算高性能嵌入式处理器构成的边缘计算处理器集群模块和实时获取的交通信号灯的信号放行方案及信号灯放行状态数据，可以为智能车路协同系统应用提供必要的基础数据支撑和高性能的运算平台支撑，从而进一步为车路协同智能交通管理与控制创造了条件。

本发明还可以满足城市交叉口信号控制需求，不仅可以为复杂交叉口信号配置提供基本控制器，即信号控制子系统，还能利用边缘计算子系统为复杂交通配时优化提供分布式路侧运算应用平台。此外，依托边缘计算子系统的高性能数据处理能力和信号配时数据交互接口，还可以为道路交通多源数据融合、交通视频数据分析、基于路侧的车辆安全管理、车速引导主动交通控制、公交优先控制、全息交通信息感知和出行者精准交通信息服务等现代智能车路协同技术应用领域提供可靠的分布式边缘计算节点，应用前景广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的交通信号机与边缘计算一体化系统的架构图；

图2为本发明实施例提供的通信管理网络结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种交通信号机与边缘计算一体化系统，以实现交叉口基本信号控制与边缘计算业务功能的深度融合。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供的交通信号机与边缘计算一体化系统，所述一体化系统包括信号控制子系统、边缘计算子系统和辅助支持子系统。

其中，所述信号控制子系统包括主控制模块、车辆检测模块和相位控制模块；所述主控制模块接收来自所述车辆检测模块采集的路口交通流量数据，计算交叉口的信号放行方案，并将所述信号放行方案中信号灯的控制信息输出至所述相位控制模块，实现对道路交通信号灯设备的控制；

所述边缘计算子系统包括边缘计算处理器集群模块；所述边缘计算处理器集群模块与所述信号控制子系统通信连接，所述边缘计算处理器集群模块用于接收所述信号控制子系统中的路口交通流量数据和信号放行方案以及道路交通信号灯设备的实时的信号灯放行状态数据，计算交通信号灯的信号放行方案，并传输至所述信号控制子系统进行灯态控制；

所述辅助支持子系统包括嵌入式网络路由管理模块；所述嵌入式网络路由管理模块连接于所述信号控制子系统与所述边缘计算子系统之间，所述嵌入式网络路由管理模块用于实现所述边缘计算处理器集群模块内部数据交互、所述信号控制子系统中所述主控制模块与多个相位控制模块之间的路由管理、所述信号控制子系统与所述边缘计算子系统之间的通信路径切换。

本实施例中，信号控制子系统、边缘计算子系统和辅助支持子系统集成于一体化设计的终端装置中，采用二级嵌入式路由管理方式实现子系统内部各个模块之间、以及不同子系统之间的可靠数据交互。本发明可以为交通信号控制和车路协同应用提供集成交通信号控制、交通配时数据获取和车路协同路侧高性能边缘计算处理一体化系统方案。

下面结合实际应用详细介绍该交通信号机与边缘计算一体化系统具体方案：

一、信号控制子系统

信号控制子系统负责实现道路交叉口各方向信号灯放行相序和相位时间控制。该信号控制子系统包括主控制模块、车辆检测模块、相位控制模块和状态检测模块。

主控制模块为交通信号控制的主控制器，在本实施方案中采用基于ARM的嵌入式处理系统，但不限于该处理系统。主控制模块接收来自车辆检测模块采集的路口交通流量数据，计算交叉口的信号放行方案，并将信号放行方案中信号灯的控制信息输出给相位控制模块。这里计算交叉口的信号放行方案的方法采用现有技术中的交叉口的信号放行方案计算方法，本发明重点不在于交叉口的信号放行方案的计算。

车辆检测模块为交通检测设备提供磁感信号分析或IO数据接入口，并分析得到交叉口的路口交通流量数据，为交通信号控制提供依据。其中交通检测设备包括但不限于地磁、线圈、视频采集设备和雷达等交通检测器。

相位控制模块用于接收主控制模块下发的交通信号灯的信号放行方案，并进一步控制道路交通信号灯设备。

在实际应用中，主控制板模块和相位控制模块之间可以采用RJ45网络通信方式，通过集成于主控制模块的嵌入式路由管理模块进行多个相位控制系统的通信地址配置管理，并基于JSON协议进行数据传输。协议示例如下所示：

其中，r表示红灯，y表示黄灯(本示例中未含有黄灯状态控制方案)，g表示绿灯，b表示黑灯，n表示未使用。

作为一种可选的实施方式，在该信号控制子系统还可以设置状态检测模块状态检测模块包括但不限于温度传感器、湿度传感器、电流检测电路和/或电压检测电路，该状态检测模块用于检测该一体化系统各个硬件的工作状态和环境状态，并对异常情况进行预警提示。

二、边缘计算子系统

边缘计算子系统主要负责完成车路协同系统外部设备接入和复杂业务处理。该边缘计算子系统包括边缘计算处理器集群模块、无线数据接入/输出模块和外设接口模块。

边缘计算处理器集群模块包括多个高性能嵌入式处理器，处理器可以是含有GPU的图形处理器。多个嵌入式处理器通过嵌入式网络路由管理模块实现链接通信。

本发明采用集群管理方法实现对边缘计算处理器集群模块中多个处理器的可靠管理。其中，在多个嵌入式处理器中，设定一个主处理器，可选的设置一个备用处理器，其余均为处理器单元。主处理器用于负责各个处理单元的计算资源、存储资源的整合和集群的统一对外数据交互管理。备用处理器是当主处理器发生宕机时进行集群管理接管，保证系统运行的稳定可靠。这里需要强调备用处理器在实际应用中可以去除，但都在本发明的保护范围之内。

无线数据接入/输出模块通过嵌入式网络路由管理模块与边缘计算处理器集群模块连接，无线数据接入/输出模块接收来自辅助支持子系统传输来的第三方数据，或将边缘计算处理器集群模块运算得到的过程数据或最终数据交付辅助支持子系统进行数据外发。

外设接口模块用于为交通检测设备提供数据接入口，接收来自交叉口现场安装的地磁、雷达、视频及其他交通检测设备数据；该数据接入口包括但不限于网口、串口和CAN数据接口等数据接口。

主控制模块可以通过嵌入式网络路由管理模块，基于JSON数据协议格式向边缘计算子系统中边缘计算处理器集群模块发送实时当前交叉口的信号放行方案以及道路交通信号灯设备的实时的信号灯放行状态数据。其中，信号放行方案包括路口控制模式、信号放行相序、各个相位时长和配置数据、时段配置数据和方案调度数据，具体如下：

路口控制模式包括手动控制、自动控制、固定周期控制、感应控制、特殊方案控制、自适应优化控制等，相关信息在控制模式切换或信号方案周期执行初始时刻执行的初始时刻一次发送。

信号放行相序数据包括相位数量、相位设置通道信息、相位放行的先后次序，在控制模式切换或主控制模块完成配置后时刻一次发送。

各个相位时长和配置数据包括各个相位的配置时长、相位的最小绿灯时间、最大绿灯时间及其他相关时长配置，在主控制模块完成配置后时刻一次发送。

时段配置数据为完整天的时段划分信息，在主控制模块完成配置后时刻一次发送。

方案调度数据为整年不同日期的方案调度信息，在主控制模块完成配置后时刻一次发送。

当前正在放行的信号灯态信息同主控制板模块和相位控制模块之间的数据交互方式，每秒以JSON数据格式向边缘计算子系统发送灯态数据。

综上，借助嵌入式网络路由管理模块，边缘计算处理器集群模块可以接收信号机的信号灯的实时的信号灯放行状态数据，也可以将计算得到的交通信号控制结果传输给主控制模块进行灯态控制，实现灯态信息和控制信息的无缝交互，支持车路协同高效的交通信号控制、交通数据融合、交通信息服务等业务实现。

三、辅助支持子系统

辅助支持子系统主要提供供电、网络、位置服务和人机交互交互等功能，该辅助支持子系统包括电源管理模块、多模式无线通信模块、GNSS位置与校时服务模块、嵌入式网络路由管理模块、人机交互模块和系统切换控制模块。

电源管理模块为本一体化系统提供电力支持，用于将220V强电转换成12V、5V和/或3V弱电压，为各个子模块板卡设备提供弱电供应；还用于将220V强电直接驱动交通信号灯进行灯态控制。

多模式无线通信模块主要实现与外部第三方系统平台的无线数据收发。该多模式无线通信模块集成DSRC、Wifi、4G/5G、蓝牙、802.11a/b/c/n/p等多种数据传输方式，支持多模式数据交互。

GNSS位置与校时服务模块采用北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略等单模或多模定位系统，采集系统设备安装位置的绝对经纬度坐标<longitude，latitude>，为车路协同技术应用提供基础的位置信息数据支撑。同时，利用该GNSS位置与校时服务模块进行系统统一授时，实现系统内各个子系统及模块实现时间校准，确保算法和系统控制策略执行的时间一致性。

嵌入式网络路由管理模块主要实现边缘计算处理器集群内部数据交互和信号控制子系统与边缘计算子系统之间的通信路径切换，采用RJ45网络通信模式实现高效数据交互。本一体化系统采用两级网络架构，其中，一级网络主要实现信号控制子系统、边缘计算子系统和多模式无线通信模块之间的路由管理；二级网络负责实现边缘计算子系统中各个处理器单元之间的路由管理，以及信号控制子系统中主控制模块与多个相位输出模块之间的路由管理。主控制模块和主管理处理器分别负责信号控制子系统和边缘计算子系统的一级数据交互。网络结构如图2所示。

人机交互模块主要实现人机交互操作，包括触屏显示终端、信号机人工操作按钮面板等装置。其中，触屏显示终端用于显示道路交通信号灯设备的实时的信号灯放行状态，还用于配置信号放行方案和系统操作。人工操作按钮面板主要为系统使用者提供交通信号步进、驻留、全红、黄闪等便捷操作按钮。

系统切换控制模块主要为人机交互提供服务，利用该系统切换控制模块按钮，可以切换人机交互模块显示信号控制子系统或者边缘计算子系统的软件界面，并对应交互操作。

本发明提出一种交通信号机与智能边缘计算一体化系统，通过将信号控制系统和边缘计算系统进行融合，并构建面向不同模块和子系统的二级网络交互体系，解决了信号控制和车路协同边缘计算的无缝数据交互问题。在此基础上，实现了信号控制和车路协同边缘计算的双向支撑。信号机系统模块能够直接调用边缘计算系统模块强大的运算能力从而安全高效的服务于交叉口信号优化与控制，同时边缘计算系统模块也能够对各种路侧感知设备提供数据处理和对车载终端提供信息服务。本发明可以为智能车路协同系统应用提供必要的基础数据支撑和高性能的运算平台支撑，从而进一步为车路协同智能交通管理与控制创造了条件。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种交通信号机与边缘计算一体化系统，其特征在于，所述一体化系统包括信号控制子系统、边缘计算子系统和辅助支持子系统；

所述信号控制子系统包括主控制模块、车辆检测模块和相位控制模块；所述主控制模块接收来自所述车辆检测模块采集的路口交通流量数据，计算交叉口的信号放行方案，并将所述信号放行方案中信号灯的控制信息输出至所述相位控制模块，实现对道路交通信号灯设备的控制；

所述边缘计算子系统包括边缘计算处理器集群模块；所述边缘计算处理器集群模块与所述信号控制子系统通信连接，所述边缘计算处理器集群模块用于接收所述信号控制子系统中的路口交通流量数据和信号放行方案以及道路交通信号灯设备的实时的信号灯放行状态数据，计算交通信号灯的信号放行方案，并传输至所述信号控制子系统进行灯态控制；

所述辅助支持子系统包括嵌入式网络路由管理模块；所述嵌入式网络路由管理模块连接于所述信号控制子系统与所述边缘计算子系统之间，所述嵌入式网络路由管理模块用于实现所述边缘计算处理器集群模块内部数据交互、所述信号控制子系统中所述主控制模块与多个相位控制模块之间的路由管理、所述信号控制子系统与所述边缘计算子系统之间的通信路径切换；

所述辅助支持子系统还包括多模式无线通信模块，所述多模式无线通信模块用于实现与外部第三方系统平台的无线数据收发；所述多模式无线通信模块集成多种数据传输方式，支持多模式数据交互；

所述辅助支持子系统还包括GNSS位置与校时服务模块，所述GNSS位置与校时服务模块采用单模或多模定位系统，采集系统设备安装位置的绝对经纬度坐标，为车路协同技术提供位置信息数据；还用于所述一体化系统统一授时，实现系统内各个子系统及模块的时间校准；

所述辅助支持子系统还包括人机交互模块和系统切换控制模块；所述人机交互模块包括触屏显示终端和/或信号机人工操作按钮面板；所述触屏显示终端用于显示道路交通信号灯设备的实时的信号灯放行状态，还用于配置信号放行方案和系统操作；所述人工操作按钮面板用于为系统使用者提供交通信号状态操作按钮；

所述系统切换控制模块用于为人机交互提供服务，利用所述系统切换控制模块的按钮切换所述人机交互模块显示信号控制子系统或者边缘计算子系统的软件界面，并对应交互操作；

所述辅助支持子系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块为所述一体化系统提供电力支持，用于将220V强电转换成12V、5V和/或3V弱电压，为各个子模块板卡设备提供弱电供应；还用于将220V强电直接驱动交通信号灯进行灯态控制。

2.根据权利要求1所述的交通信号机与边缘计算一体化系统，其特征在于，所述信号控制子系统包括状态检测模块，所述状态检测模块包括温度传感器、湿度传感器、电流检测电路和/或电压检测电路，所述状态检测模块用于检测所述一体化系统各个硬件的工作状态和环境状态，并对异常情况进行预警提示。

3.根据权利要求1所述的交通信号机与边缘计算一体化系统，其特征在于，所述车辆检测模块为交通检测设备提供磁感信号分析或IO数据接入口，并分析得到交叉口的路口交通流量数据；所述交通检测设备包括地磁、线圈、视频采集设备和/或雷达；

所述相位控制模块用于接收所述主控制模块下发的交通信号灯的所述信号放行方案，并进一步控制道路交通信号灯设备；

多个所述相位控制模块与所述主控制模块的通信通过集成于所述主控制模块的所述嵌入式网络路由管理模块为多个所述相位控制模块配置管理通信地址实现。

4.根据权利要求1所述的交通信号机与边缘计算一体化系统，其特征在于，所述边缘计算处理器集群模块包括多个嵌入式处理器，所述多个嵌入式处理器通过所述嵌入式网络路由管理模块实现链接通信；所述多个嵌入式处理器中包括一主处理器和多个处理单元；所述主处理器用于负责各个所述处理单元的计算资源、存储资源的整合和所述边缘计算处理器集群模块的统一对外数据交互管理。

5.根据权利要求4所述的交通信号机与边缘计算一体化系统，其特征在于，所述多个嵌入式处理器中还包括一备用处理器，所述备用处理器用于当所述主处理器发生宕机时接替所述主处理器。

6.根据权利要求1所述的交通信号机与边缘计算一体化系统，其特征在于，所述边缘计算子系统还包括无线数据接入/输出模块和外设接口模块；所述无线数据接入/输出模块通过所述嵌入式网络路由管理模块与所述边缘计算处理器集群模块连接，所述无线数据接入/输出模块接收来自所述辅助支持子系统传输来的第三方数据，或将所述边缘计算处理器集群模块运算得到的过程数据或最终数据交付所述辅助支持子系统进行数据外发；

所述外设接口模块用于为交通检测设备提供数据接入口，所述数据接入口包括网口、串口和/或CAN数据接口。

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