基于VPN的交通信号智能控制远程托管系统

王谢勇，王一良

（1. 大连大学 经济管理学院，辽宁 大连 116622；2.大连大学 信息工程学院，辽宁 大连 116622）

我国城市机动车保有量急剧增长，城乡的发展受到了交通拥堵、交通事故等因素的制约，亟需进行交通控制系统的建设。自Pappis等[1]于1977年提出采用信号交口模糊控制模型，该领域的研究发展很快[2,3]。我国学者在研究和应用城市交通控制系统也取得显著成果。其中较典型的包括：刘智勇[4]提出的智能交通控制理论及其应用；乔健等[5]提出兼顾效率与公平的信号交叉口模糊控制模型；李瑞敏等[6]提出集成化城市交通控制系统的开发原理、系统原型和系统结构；张飞舟等[7]提出多智能体协作的城市交通智能控制系统的框架结构；姜廷顺[8]提出公安交通紧急事件快速反应处理系统等。

20世纪70年代以来，我国一方面进行以改善城市中心交通为核心的 UTSM（Urban Traffic System Manage）技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统。以北京、上海为代表的大城市，交通控制系统主要是简易单点信号机、SCOOT系统、TRANSYT系统和SCATS系统其中几个结合使用；而如湘潭、岳阳等国内中小城市，交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机[9]。到80年代就开始陆续在北京、上海、深圳、南京、重庆、天津等城市建立交通指挥中心，引进或研制了具有区域控制功能的集中式计算机控制系统，城市交通指挥系统得到的显著提高。我国现有 34个特大城市，基本建成了智能交通指挥控制中心，40多个大城市正在建设交通指挥控制系统，而200多个中等城市及400多个小城市及广大县城，因资金和技术的限制，大多数没有指挥中心或先进的信号控制系统。因此，建设能够覆盖中小城市交警指挥的控制中心的需要，日益凸显[10]。

本文以大城市的交通控制中心系统为前提，提出了交通信号智能控制远程托管的理念，通过虚拟专用网络（VPN），为中小城市提供先进的交通信号控制服务，对其交通信号控制系统实施远程集中托管。同时，研发兼容多种智能交通信号控制机通信协议的数据网关（ICU），实现了多种智能交通系统数据的融合和共享；采用远程网络时延预测补偿和数据队列缓冲机制，保障远程控制系统实时、稳定，实现先进的交通控制技术用低成本得到普及和应用。

1 交通信号智能控制远程托管系统的概述

1.1 系统的设计目标

(1)采用对各中小城市交通信号系统进行远程托管的理念，将先进的交通控制技术用低成本得到普及和应用，为中小型城市乃至县区的智能交通发展提供了新方法和新思路。

(2)将公共网络中建立的虚拟专用网络（VPN），运用加解密技术、密钥管理技术、用户和设身份认证技术保证内部数据在公网上安全传输，真正实现网络数据的专有性。

(3)完成远程托管中心系统的交通信息服务功能，建立容纳多种控制系统，如SCOOT系统、SCAT系统或国产的相关系统。各城市也可根据各自系统的特点和城市的实际需要选择某一系统作为该城市的信号系统。制定远程信号托管中心通讯及控制的标准，为推广打下基础。

(4)将公安交通紧急事件快速反应系统的自动跟踪电视监控、绿波控制、车队指挥调度等先进技术和控制方法通过远程托管在中小城市实施。

1.2 系统的设计构成

(1)被托管城市外站设备：包括信号控制器、车辆检测器、灯具等，通过这些设备采集交通现场的交通数据，并驱动信号灯以可视化的方式控制交通行为。

(2)托管中心控制系统：中心控制系统由一系列的软硬件平台组成，负责收集来自交通现场的交通数据，并通过对这些交通数据的分析、计算，形成优化的控制方案、策略，并发出对现场设备的控制指令。

(3)通讯运营商提供的通讯公共网络：通讯网络用于连接指挥中心控制系统和现场设备，一方面将现场交通数据传递到指挥中心，另一方面将指挥中心的控制指令传送至现场设备。

2 基于VPN的智能交通远程托管系统设计

基于 VPN技术，以目前大城市中已建成的交通指挥控制中心为依托，将国内最先进的交通管理技术及最优秀的交通控制系统有机结合，建立交通信号智能控制远程托管系统。

2.1 虚拟专用网络技术

虚拟专用网络（Virtual Private Network）是一个公用网络（通常是因特网）建立一个临时的、安全的连接，是一条穿过混乱的公用网络的安全、稳定的隧道[11]。虚拟专用网络可以帮助远程用户、公司分支机构、商业伙伴及供应商同公司的内部网建立可信的安全连接，并保证数据的安全传输。也就是说，虚拟专用网络是利用公网构建专用网络，并利用特殊设计的硬件和软件，直接通过共享的 IP网所建立的隧道来完成的。

随着虚拟专用网络技术的日趋成熟，以及网络技术、通讯技术、计算机技术的发展，为建设交通信号控制远程集中托管系统，提供了切实可行的技术路线和技术支撑，关键在于系统集成创新；同时，虚拟专用网络在利用公共网络作为骨干网，不但具备了低成本的优势，还克服公共网络缺乏保密性的弱点，使得利用公网宽带技术组建更广泛的交通信号控制虚拟专用网络具有了完全的可行性，这将是未来交通信号管理和控制的发展方向之一[12]。

2.2 托管中心系统构成设计

系统由设备控制层、网络通讯层、托管中心服务层和应用层组成。各功能层包含不同的功能模块，不同的城市可选择采用中心系统全部或部分的功能（如图1所示）。

设备控制层接入道路交通信号控制器，将相位状态、交通流数据等进行收集传送至网络通讯层，并接受来自网络通讯层的控制指令。

网络通讯层一方面将设备控制层上传的数据和信息进行封装、分发、转发至托管中心，并在托管中心对这些数据进行接收、分解，提供给托管中心服务层；另一方面，将来自托管中心服务层的指令和数据进行传递、解释，并应用到设备控制层。托管中心服务层是系统的功能核心，可完成交通信号控制、交通数据处理、数据库服务、交通信息发布、能见度检测、交通拥堵检测等应用功能，不同的城市可实现功能模块的组合。

应用层分为托管中心应用和城市终端应用两部分。托管中心根据不同的城市交通情况，实现不同交通信号控制系统的具体应用，包括控制子区划分、区域信号配时协调、相位差优化等。城市操作终端根据本地实际情况对所辖区域内的交通信号控制路口进行本地操作，操作过程通过 VPN虚拟专网远程访问托管中心系统来实现。当远程网络故障时，可以通过城市操作终端对通讯故障进行排查。

2.3 远程托管系统实施方案设计

根据我国现行的交通指挥控制管理体制、运作模式和资源、技术等情况[13]，可将交通指挥控制远程托管中心的总体实施方案设计分为两种：

方案一:与现有交通指挥中心有机集成的方案和实施方法。这种方案适用于大、中城市对所辖县、市、区及相关的中小城市应用。即，将国内最先进的交通管理技术及最优秀的交通控制系统有机结合，以目前大城市中已建成的交通指挥控制中心为依托，建立交通信号智能控制远程托管系统（如图2所示）。

图1 交通信号控制远程托管中心系统结构示意图

该方案将指挥控制系统的主机作为托管系统的主机，除利用原系统的软、硬件资源外，加入资源分配异构系统运行的支持平台和远程通讯的安全保障措施等软件，使之具有远程控制的功能，对中小城市的路口信号控制器直接实行远程控制。被托管城市的操作终端只在信号控制方案的修改，实施绿波控制和发生交通拥阻进行快速反应处理及远程维护时，由操作人员通过远程通讯对托管主机实施操作。

方案二:建立独立的托管中心，对中小城市的交通信号实施托管。这种方案适用于相关大城市现有指挥中心主机和服务器资源的有限或管理体制的局限所致，应采取独立的交通指挥远程托管系统更为有效（如图 3所示）。此方案的托管系统主机和海量存储器，要加入SCOOT、SCAT交通信号控制系统及其它类型的信号控制系统，使之能对各种路口控制器实施控制，同时要加入虚拟网的安全传输、交通数据的存储与处理、自适应控制、公安交通紧急事件快速反应等应用软件，其指挥中心和操作终端的功能如前述。这种设计方案是更为有效的一种交通指挥的管理方式，是推广远程托管系统最有利的模式。

2.4 系统关键技术组成

2.4.1 兼容多种智能交通控制系统协议

目前在我国城市交通管理中多种不同类型信号控制器与信号系统之间具有通讯协议的自封闭性和高耦合性，极大提高了系统建设成本和维护成本。本系统在研制过程中解决了交通信号控制系统与信号控制器之间的通讯解耦问题。

首先，针对远程托管系统要支持多交通数据通信网关、多信号机、多信号控制系统的特点，创新性地基于SID技术，即通过对特定数据包进行唯一性服务编码，自主研发了可兼容多种智能交通控制系统的通信协议，并对通信协议进行了二次封装，避免了数据包经 Internet网络延迟后易出现的时序识别混乱问题，提高了远程托管系统应用的兼容性和有效性（如图4所示）。

其次，以通讯协议为基础自主研发了软、硬件相结合的交通数据网关（ICU设备），打破了国内外现有信号控制系统的通信协议壁垒，创造性地完成了由理论到应用的系列技术攻关，提高了我国在交通信号控制系统核心技术领域的竞争力。

图2 交通信号智能远程托管系统原理示意图

图3 独立交通信号智能远程托管系统原理示意图

图4 基于SID技术的通讯协议包

2.4.2 远程数据通信实时稳定

互联网通讯系统的实时性、确定性和稳定性直接影响远程托管的效果。以SCOOT系统为例[14]，其信号控制系统的设计对内部通讯时延具有严格的要求，网络通讯延迟将导致系统控制方案、控制模式的频繁切换，对现场交通造成较大扰动。

为确保系统在实施远程托管后具有可靠的实时性和稳定性，研发了带时延补偿器[15]的系统控制模型（如图 5所示），并将互联网通信环节视为纯滞后环节。经理论分析发现：网络时延预测误差将影响控制系统的动态性能和稳定性。

图5 时延补偿器的系统控制模型

由于互联网时延易受节点处理速度、网络负荷、网络带宽、通信数据量以及传输速度的影响，具有非线性和不确定性的特点[16]，系统将 BP（Back Propagation）自适应神经网络应用到基于互联网的交通信号控制远程托管系统的时延预测中，采用级联交通数据通信网关的方法建立数据队列缓冲机制，并通过增加线路控制/应答监测频率和通讯保持机制，确保系统的连续稳定运行，解决远程网络控制的时延问题。

通过对北京到大连、武汉、南京等地的实地测试结果表明，应用时延预测补偿后的网络时延具有以下明显特点：①网络时延幅值远小于1 s，完全满足当前主流交通信号控制系统的远程控制需要；②网络时延幅值有界且收敛于均值，不改变原交通信号控制系统的稳定性；③网络时延标准差均不超过20 ms，能够保证远程信号控制的实时性和有效性。

2.4.3 海量交通数据高效处理

为解决系统推广后的海量数据存储问题，通过建立Master-Slave形式的数据库并应用数据库代理技术，实现海量数据读写分离和系统负载均衡，有效减轻数据库压力，提高了数据处理的实时性。

2.4.4 嵌入多种先进交通控制管理方法

① 城市道路交通拥堵快速检测与自动报警技术

托管中心系统利用车辆检测器获取的实时交通数据，结合信号控制器状态，基于多元数据融合技术在30 s内检测当前道路状况、之后1秒内在控制中心进行拥堵报警。

② 基于GIS的勤务线路信号控制技术

操作员通过用户终端利用GIS地图规划勤务线路（规划时间不超过5 s），远程托管中心服务器快速生成并下发勤务线路绿波控制指令（绿波方案形成时间小于50 s）。

③ 基于高清视频的交通能见度检测技术

利用高清视频实现24 h全天候大雾、团雾或局部大雾检测，在1 s内实现快速报警，且报警后1 s内中心监控人员可以得到现场图片。

3 结论

依托 VPN虚拟专网，实施交通信号的智能远程托管控制，实现了交通信号控制系统的异地控制、远程数据处理与控制策略的有效协同运行等远程托管需求。经过实地测试，在数据通讯方面，网络延时在1s之内，实现了交通信号控制信息远程传输与控制，实时性强、稳定性好；在交通控制效果方面，可以使被托管路口交通通行能力在高峰及平峰期得到显著提高，平均路段通行时间缩短了20.9%及平均停车次数减少了53.3%；在经济效益方面，为每个中小城市交通信号控制系统的建设和维护，节约成本近千万元，实现大型城市先进的交通控制技术用低成本得到普及和应用。

综上，采用交通信号控制远程托管中心系统，探索出一种全新的交通信号控制和管理模式，突破了固有的以城市为单位独立实施的交通信号控制方式，实现了资源共享效益最大化。对于全面提高我国智能交通管理水平，实现交通管理有序、畅通、安全，推动交通管理科学化、现代化水平迈上新台阶将起到示范作用。

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