基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交通控制系統(tǒng)架構(gòu)

摘 要：隨著當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)化、集中化的交通管控系統(tǒng)正逐漸發(fā)展為有廣泛應(yīng)用前景的城市交通組織架構(gòu)。文中系統(tǒng)性地介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交通控制系統(tǒng)，及其相對于傳統(tǒng)交通管理系統(tǒng)在管控模式上的革新。首先介紹該城市交通控制系統(tǒng)的基本概念和特征；其次闡述系統(tǒng)的體系架構(gòu)，并進一步詳細介紹系統(tǒng)的研究難點與關(guān)鍵技術(shù)；最后，基于當前研究成果嘗試性地提出未來的研究方向。該系統(tǒng)采用軟件定義交通管理模式，構(gòu)建了由集中控制平臺和路網(wǎng)交通控制要素共同組成的集中式管控結(jié)構(gòu)，有力推動了交通管控的數(shù)字化進程。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；城市交通控制；車聯(lián)網(wǎng)；軟件定義交通管理；智能交通管理設(shè)施；網(wǎng)絡(luò)虛擬化

中圖分類號：TP391.4；TN929.5；U495 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的機動車保有量逐年增長，人們的出行需求快速增長，傳統(tǒng)的交通管理方式已無法滿足當前社會對高效、智能化交通管理的需求。同時，我國政府提出了“加快建設(shè)數(shù)字經(jīng)濟、數(shù)字社會、數(shù)字政府，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革”的建設(shè)目標，將數(shù)字技術(shù)廣泛應(yīng)用于政府管理服務(wù)，推動政府治理流程優(yōu)化，提升我國交通管理現(xiàn)代化水平。

隨著物聯(lián)網(wǎng)與可編程技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，車輛已逐漸成為了具備遠程數(shù)字通信能力、信息交互功能以及多元化感知特性的終端，通過網(wǎng)聯(lián)汽車獲取交通運行狀態(tài)、開展交通流數(shù)字化管控已具備可行性[1-3]。針對傳統(tǒng)交通控制體系分散控制、協(xié)同性差等問題，為推進交通管控數(shù)字化和精細化變革，本文緊跟軟件定義技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)交叉學術(shù)前沿，面向交通管理智能化升級的需求，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交通控制系統(tǒng)，并闡述其基本概念、體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進一步探討其未來面臨的挑戰(zhàn)。

1 概念與特征

1.1 城市交通控制系統(tǒng)的概念定義

基于軟件定義的交通系統(tǒng)作為一種新型的交通管控架構(gòu)，其核心在于通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將交通管理設(shè)施的控制平面從底層設(shè)施中分離，轉(zhuǎn)而以軟件的形式體現(xiàn)，將分散在路網(wǎng)設(shè)施上的控制界面進行集中化管理[4-5]。

這種架構(gòu)通過集中化管理分散在路網(wǎng)設(shè)施上的控制界面，實現(xiàn)了交通管理的虛擬化和可編程化?；谶@一理念，本文提出了一種采用軟件定義控制邏輯的交通管理架構(gòu)，旨在通過軟件定義的方式對路網(wǎng)內(nèi)的交通流進行集中化管理調(diào)度，以期實現(xiàn)路網(wǎng)層面的車流負載均衡，并提升整體路網(wǎng)的服務(wù)水平。

基于以上論述，本文將面向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的城市交通控制系統(tǒng)做出如下定義：基于軟件定義理念，實現(xiàn)交通管控的虛擬化、運轉(zhuǎn)和控制分離，并提供開放可編程的城市交通控制系統(tǒng)架構(gòu)。

1.2 城市交通控制系統(tǒng)架構(gòu)的特征

相較于傳統(tǒng)的分布式交通控制系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交通控制系統(tǒng)具有以下顯著特征。

1.2.1 運轉(zhuǎn)“車流化”

車載單元（OBU）將車輛的位置、速度、ID等信息上傳至控制平臺，攜帶這些信息的車輛單元在路網(wǎng)中匯聚成具有方向性的車流?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能網(wǎng)聯(lián)交通設(shè)施對車輛的管控策略得以從對單一車輛的局部控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷嚵鞯恼w引導。

1.2.2 “中臺”式管理

基于軟件定義模式的集中控制、轉(zhuǎn)控分離理念，將以往針對單一交叉口的單元化交通控制轉(zhuǎn)變?yōu)槁肪W(wǎng)層面交通流的全局調(diào)度。通過封裝化的業(yè)務(wù)指令進行下達，該系統(tǒng)能夠同時對存在業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)的多個交管設(shè)施節(jié)點以及車輛直接下達指令。

1.2.3 “虛擬化”控制

交通控制系統(tǒng)基于中臺式的全局管控邏輯，在上層平臺收集和處理交通信息，形成了路網(wǎng)全局交通態(tài)勢。通過路網(wǎng)層面的全局調(diào)控，實現(xiàn)交通控制的虛擬化，以期實現(xiàn)路網(wǎng)內(nèi)各路段交通流量均勻分布，即交通負載均衡。

1.2.4 設(shè)施“可添加”

底層設(shè)施和控制平面的解耦，使得新添加的智能交通設(shè)施可以便捷接入控制系統(tǒng)。當路網(wǎng)物理環(huán)境更新或管控設(shè)施拓撲環(huán)境調(diào)整時，態(tài)勢研判平臺應(yīng)能對其進行相應(yīng)的映射。

1.2.5 指令“可編程”

軟件定義化的交通控制系統(tǒng)由相對獨立的應(yīng)用平面形成管控指令。針對交管部門業(yè)務(wù)和新的交通管理需求，能夠在不影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的情況下實現(xiàn)對業(yè)務(wù)指令的后續(xù)擴展和二次開發(fā)。

2 城市交通控制系統(tǒng)體系架構(gòu)

傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)以交叉口為控制單元，實現(xiàn)單節(jié)點的交通流管理，路網(wǎng)協(xié)同性差，關(guān)鍵路段疏通困難。本文提出的城市交通控制系統(tǒng)采用集中控制理念，將交通管控設(shè)施通過物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，為路網(wǎng)層面的交通信息采集和交通流的集中化管控提供了硬件基礎(chǔ)。同時，集中式的管理模式使得系統(tǒng)形成了新式體系架構(gòu)和軟件平臺。

2.1 城市交通控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市交通控制系統(tǒng)分為集中控制平臺和交通控制要素兩個部分，二者通過接收平臺指令，協(xié)同管控交通流運轉(zhuǎn)[6-7]，管控架構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 路網(wǎng)集中控制平臺

路網(wǎng)集中控制平臺是一種面向路網(wǎng)層面交通管控的集中式管理平臺，由態(tài)勢研判子平臺、交管業(yè)務(wù)應(yīng)用、集中控制單元三部分組成。

態(tài)勢研判子平臺是一種為交通控制提供決策支持的實時分析平臺，它負責實時采集路網(wǎng)交通流運轉(zhuǎn)信息，以數(shù)字的方式實現(xiàn)實時交通運行狀況的可視化和可評估化，是具體業(yè)務(wù)策略開發(fā)應(yīng)用的“信息底座”。根據(jù)路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)以及交通流量分布情況，態(tài)勢研判子平臺還可以對突發(fā)交通事件制定解決策略[8]。

平臺具備多種業(yè)務(wù)場景應(yīng)用，如動態(tài)限速、勤務(wù)保障等。這些應(yīng)用通過集中控制單元下發(fā)對應(yīng)道路節(jié)點的可編程交通管理設(shè)施，對車輛路徑的選擇進行動態(tài)誘導和直接管控。

集中控制單元是一個聯(lián)通上下平面的集中式控制器，內(nèi)部集成南北向通信所需的接口。用戶依據(jù)態(tài)勢研判平臺提供的決策支持，制定交管策略，將具體業(yè)務(wù)指令提供給控制單元；控制單元解析指令后，通過南向接口傳輸至路網(wǎng)相應(yīng)的交通管理設(shè)施[9]。

2.1.2 交通控制要素

交通控制要素由可通過集中控制單元進行直接調(diào)控的網(wǎng)聯(lián)交通設(shè)施以及搭載了車載單元的智能網(wǎng)聯(lián)車輛組成。

可編程交通控制要素將可變地面標志、交通標線、信號控制器等智能交通管理設(shè)施轉(zhuǎn)換為智能網(wǎng)聯(lián)汽車可以識別的虛擬化交通環(huán)境，根據(jù)集中控制單元發(fā)送的流表指令進行分析執(zhí)行，對進入運轉(zhuǎn)節(jié)點的交通流進行實時分流調(diào)度[10]。

2.1.3 交通控制系統(tǒng)虛擬控制邏輯

交通控制系統(tǒng)具有應(yīng)用層、控制層、運轉(zhuǎn)層、安全層四層虛擬控制邏輯，如圖2所示。

運轉(zhuǎn)層即真實的交通流及其通信的路網(wǎng)環(huán)境。城市道路（轉(zhuǎn)運鏈路）與交叉口（轉(zhuǎn)運節(jié)點）共同構(gòu)成了基礎(chǔ)的交通運轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層由針對特定交管業(yè)務(wù)的封裝應(yīng)用和交通態(tài)勢分析模塊組成，該層能根據(jù)交管部門對路網(wǎng)交通控制的不同需求提供相應(yīng)策略，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給控制層?？刂茖痈鶕?jù)應(yīng)用層提供的控制策略，通過集中控制器將具體執(zhí)行指令下發(fā)到交通管理設(shè)施，實現(xiàn)對運轉(zhuǎn)層的調(diào)控。安全層是一個覆蓋了各層信息傳輸過程的安全系統(tǒng)，負責保障跨層信息傳輸過程的信息安全。

2.2 城市交通控制系統(tǒng)軟件平臺

2.2.1 交通態(tài)勢感知

集中控制平臺內(nèi)含態(tài)勢研判平臺，是進行交通管控的決策基礎(chǔ)，平臺通過與聯(lián)網(wǎng)交通設(shè)施的實時通信，獲取路網(wǎng)交通流的基本信息，并針對實時路況評估和識別交通態(tài)勢與節(jié)點負載狀態(tài)，形成路網(wǎng)管控需求。

2.2.2 誘導與控制協(xié)同

集中化控制平臺集成了路網(wǎng)的交通控制和交通誘導設(shè)施，執(zhí)行管控方案時，誘導設(shè)施和控制設(shè)施能夠協(xié)同工作。平臺充分考慮多樣化的硬件需求，實現(xiàn)了對設(shè)施的集中化通信和控制。

2.2.3 信息描述與管理

交通控制系統(tǒng)的上層平臺連接路網(wǎng)所有異構(gòu)交通設(shè)備，獲取海量交通信息數(shù)據(jù)，應(yīng)對設(shè)備信息資源進行規(guī)范化描述，并具備結(jié)構(gòu)清晰的管理模式。

2.2.4 應(yīng)用編程接口

平臺通過數(shù)字化建模，對不同的底層交通設(shè)施進行抽象，為上層開發(fā)者提供了屏蔽物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間硬件配置的統(tǒng)一化應(yīng)用編程接口。

3 研究挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)

本文提出的軟件定義交通控制系統(tǒng)，以其區(qū)別于傳統(tǒng)分布式交通控制系統(tǒng)的控制邏輯及體系結(jié)構(gòu)，帶來了一系列新的挑戰(zhàn)和問題。本節(jié)將從集中化管控邏輯、設(shè)施數(shù)字化重構(gòu)、全局視圖構(gòu)建、指令互操作定制等四個方面分別介紹交通控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 集中式交通流調(diào)度

3.1.1 集中化交互模型

針對交通控制系統(tǒng)集中化管理的需求，研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對道路交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)物質(zhì)、信息流動的影響機理，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)條件下集中控制平臺-交通參與者-交通控制要素-網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)中心間的交互模型。

3.1.2 要素指令合作

對比道路交通網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)相似性與差異性，將交換機的轉(zhuǎn)運策略映射到交叉口節(jié)點的交通控制要素控制策略上，進一步研究針對特定指令所需調(diào)動的交通控制要素類型及其合作機理。

3.2 管控設(shè)施數(shù)字化重構(gòu)

3.2.1 信息精細化提取

為提高交通管理效率和精度，交通控制系統(tǒng)架構(gòu)需要獲取道路路徑和交通標志、標線、信號機、路側(cè)單元等靜態(tài)設(shè)施的數(shù)字化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)化采集技術(shù)，對交通設(shè)施的數(shù)字特征進行有效提取。

3.2.2 設(shè)施數(shù)字化建模

研究臨時性車速控制、路權(quán)控制、方向控制等動態(tài)交通信號數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)物理實體與性能狀態(tài)數(shù)字信息的映射關(guān)系，構(gòu)建路網(wǎng)交通管理設(shè)施（措施）數(shù)字孿生體。

3.3 實時交通態(tài)勢視圖構(gòu)建

3.3.1 交通態(tài)勢定義

通過數(shù)字化抽象模型對交通流進行深入研究，并基于路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、設(shè)施數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫、理想化交通態(tài)勢感知信息（路側(cè)、車載）得出路網(wǎng)運行狀態(tài)全局視圖的形式化定義和構(gòu)建算法。

3.3.2 態(tài)勢視圖建模

利用路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)對交通網(wǎng)絡(luò)進行建模，通過對路網(wǎng)節(jié)點和邊的關(guān)系進行描述，構(gòu)建出交通網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。利用設(shè)施數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫，對交通設(shè)施進行數(shù)字化描述，對交通流進行建模，為控制層提供全面、準確的信息支持。

3.4 指令互操作定制

3.4.1 南向設(shè)施協(xié)議標準化

在城市路網(wǎng)內(nèi)，交通管理設(shè)施來自不同廠家且遵循不同標準，為集中管理帶來巨大挑戰(zhàn)的同時互操作需求明顯。通過設(shè)計集中控制條件下的交通管理設(shè)施通信協(xié)議棧，實現(xiàn)統(tǒng)一的集中控制器設(shè)備標準化和集成調(diào)控，為交通管理提供更為高效、智能的支持。

3.4.2 北向業(yè)務(wù)指令可定制

為滿足控制層與應(yīng)用層之間的通信需求，依照三種管控類型進行分類，梳理出預(yù)警、建議和強制三類指令，研究編制開源交通管控指令材料集合。為開發(fā)業(yè)務(wù)場景應(yīng)用提供統(tǒng)一的編程接口，實現(xiàn)更高效、智能的定制化管理。

4 未來研究方向

4.1 可編程設(shè)備協(xié)同智能化

本文提出的交通控制系統(tǒng)通過將路網(wǎng)的交通控制要素進行智能化和信息化的管控，實現(xiàn)對交通流量的集中式管理和全局優(yōu)化控制。在城市交通控制系統(tǒng)中，區(qū)域路段交通調(diào)度任務(wù)的多設(shè)備協(xié)作是實現(xiàn)高效管控的基本理念。但在實際的交通管理中，參與路網(wǎng)內(nèi)多項調(diào)度策略的管控設(shè)施也可能存在指令沖突問題。因此，實現(xiàn)多交通控制設(shè)備在復(fù)雜交通調(diào)度任務(wù)下的協(xié)作智能化以及集中控制器、網(wǎng)聯(lián)車輛、交管設(shè)施間的協(xié)同運行是未來值得研究的方向。

4.2 面向大型路網(wǎng)管控架構(gòu)的演進

盡管軟件定義的城市交通管控架構(gòu)使得在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下集中控制大量的交通管控設(shè)備成為可能，單一的集中控制器仍然面臨海量交通信息帶來的數(shù)據(jù)過載問題。面對信息量龐大、交通狀態(tài)復(fù)雜的大型路網(wǎng)環(huán)境，應(yīng)用多個控制器的分布式布置架構(gòu)將成為重要演進方向。在該背景下，上層平臺區(qū)域化管控、管控業(yè)務(wù)指令、控制器協(xié)調(diào)布置、區(qū)域化交通疏導等問題成為亟待解決的研究難點。同時，車流跨控制域流動時的域間要素協(xié)作機制也將成為新的研究方向。

5 結(jié) 語

本文提出的軟件定義化城市交通控制架構(gòu)對于推進我國交通控制的數(shù)字化和精細化變革具有重大的現(xiàn)實意義。未來，交通控制系統(tǒng)的研究需要更多研究者共同參與，通過深入探討交通控制系統(tǒng)的應(yīng)用問題，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸突破，為該架構(gòu)提供了更高效的管理模式。為實現(xiàn)交通控制系統(tǒng)實時分析、集中管控的總體目標，仍需要對交通控制系統(tǒng)的應(yīng)用難點以及解決關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸進行深入研究。

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