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边缘计算在交通领域信号控制系统的应用

边缘计算在交通领域信号控制系统的应用

2020-12-09 09:40 -

摘要:移动互联网和物联网的快速发展以及各种新型业务的不断涌现,促使移动通信技术在过去的十年里经历了爆炸式增长,从2G到3G、4G甚至5G,为了有效解决移动互联网和物联网快速

摘要:移动互联网和物联网的快速发展以及各种新型业务的不断涌现,促使移动通信技术在过去的十年里经历了爆炸式增长,从2G到3G、4G甚至5G,为了有效解决移动互联网和物联网快速发展带来的高网络负荷、实时动态、低时延等业务需求,边缘计算概念在5G的背景下得到了广泛关注,5G技术的发展也为边缘计算技术的突破提供了有利条件。本文介绍了端-边-云体系架构下的交通信号管理控制场景,设计了边缘计算下的交通信号控制策略,达到对城市交通出行车辆的控制效果,保证城市整体的交通运行效率。

 

 

1、引言

城市交通的智能化管理和面向交通场景提供智能化服务是我国目前智能交通的发展重点。在新技术、新需求的大背景下,智能交通系统的发展也将面临一个全新的时代。位于各条道路交叉路口处的交通信号灯是管理与控制城市道路的基本形式和重要手段,控制好道路交通信号灯是确保交通快速、安全及有序运行的首要前提、重要环节与基础保障。多个交叉路口之间交通流互相关联,互相影响,仅管理单个交叉路口的交通信号灯可能导致区域交通效率下降,因此需要通过信息交互,联合处理多个交叉口的交通信号灯,完成交通信号灯的联合控制[1]。随着信息科学技术、自动化技术的发展和交通理论研究的不断深入,各类新型交通控制系统,不断在现实中发挥积极作用。
 
 

2、传统信控系统方案不足

 

2.1 规模路网下控制效果低

 
传统的城市交通控制模型多采用集中式架构,集中式的方案将所有数据通过网络进行传输,统一集中至云端计算中心并利用其超强的计算能力来进行处理,但大量增加的智能交通设备实时产生大量的数据,将全部数据统一通过网络传输至云端进行处理会对网络带宽造成很大的压力。与此同时,随着应用类型的丰富,未来智能交通服务对于实时性的要求提升,传统方案下,数据需要被传输至云端计算中心再等待数据处理结果,系统延迟较大,以智能交通调控为例,交通车流量是一项实时动态变化的信息,并且会随着当前时间段、城市的发展程度而不断改变,而针对其变化做出相应的交通信号灯配时控制则能明显改善城市交通情况,快速行驶的汽车使得交通流量信息变化速度极快,也就需要交通灯控制系统对其做出快速的反应。
 
因此,当路口规模扩大时,集中式的控制系统不能满足大量交通数据的通信传输和控制策略的实时优化,且系统需要建立复杂的交通模型,维护难度大[2]。
 

2.2 控制方案不合理增加交通冲突

 
在一些比较宽广的主干道路口或一些车流非常大的路口,为了提高机动车的放行效率,减少每个放行周期内的放行相位,提高绿信比,大都采用了直行与右转一起放行或右转常时放行的方法,这就造成了行人过街绿灯与机动车右转冲突或与另一方向的机动车左转冲突的局面,机动车与行人互相干扰,造成拥堵。特别是早晚高峰时期,行人常常为了等转弯车辆通过会耽误行人绿灯通行时间,于是便在行人红灯亮时强行穿越,交通事故时有发生。同时对于盲人在无人带领的情况下按照语音提示过马路尤其危险,使得很有人文关怀的语音红绿灯系统形同虚设,危险系数大大增加。
 

2.3 控制方式不合理造成交通拥堵

 
目前我国大部分城市道路中安装的都是多时段定时式信号机,放行相位时间及周期不变,控制方案单一[3]。由于多时段定时式信号机不能根据车流量的变化来调整控制方案,调整绿灯放行时间,因而在早晚高峰时期,路口经常出现车辆拥堵现象。如果放行周期过短,路面车辆会由于频繁制动启动而导致拥堵。如果单相位放行时间过长,则导致下一相位车辆排队大幅增加,同时也会出现某一车道无车通行,绿灯“空等”现象,这都会大大降低道路的通行效率。
 

2.4 策略、控制功能不切实际

 
传统交通信号控制系统事先主观制定控制策略、划分时段、选择控制方式。感应控制方案受制于事先主观确定的最大绿灯时间;自适应控制方案受制于过去5分钟甚至10分钟、15分钟的“历史”流量数据,无法通过“直接检测判断实时交通状态”的方式确定控制方案。在节假日进出城主要通道流量突变、重大活动集中散场流量突变等突发交通流面前,战略战术理念的缺失,导致路口拥堵、路口失衡现象屡屡发生。
传统交通信号控制系统的断面检测,建模寻优,无法直接检测判断不同路口、不同时段,节假日与平日,不同气象条件的实时交通状态。无法区分和精确掌握每个路口的干扰与通行效率。不知晓、不考虑社会普遍关注的排队长度。
 
从实践情况看,传统交通信号控制系统基于算法建模或预测,对路网交通状态难预知,应对过饱和交通状态乏力,拥堵控制效果不佳。并且信号系统生产商所建立的拥堵模型、拥堵算法不透明,给用户留有不可信、不可靠的印象。面对拥堵常态化,现有交通信号控制系统给人带来束手无策的感觉。
 
 

3、基于边缘计算的信号控制系统框架搭建

 
边缘计算是一种在物理上靠近数据生成的位置处理数据的方法,它可以有效减少系统处理的延迟,减少数据传输带宽,提高可用性。由于交通信号灯的智能控制具有数据实时采集,时延要求较高等特点,将其计算和控制过程部署在云端上是有一定困难和弊端的,相反,采用边缘计算的方式完成控制过程则能够较好的解决问题。
 
基于端-边-云三层架构,通过端点设备的综合感知,强化边缘计算对路口及干道交通信号灯的实时干预和控制功能,最终以云端中心与边缘节点的协调合作模式完成交通控制功能。控制系统包括前端感知设备的建设、智能化的边缘计算节点的设计部署、以及利用节点与基础设施、已建系统和交通个体之间的通信及数据传输工作等,如下图。
 
图系统架构
 
在此系统下,可以提供统一的接口标准及模块化的问题解决方案,为不同的信号控制系统提供统一的信控方案平台接口,现已成功对接SCATS及国产信号机。模块化的发展也有利于产品的更新换代和实时的问题解决。打破传统的2D可视化仿真技术,本产品采用WebGL技术来构造轻量化的 3D 可视化交通场景,包括交叉路口、干道、路口元素、路口控制设备等。不仅支持在线可视化3D仿真,同时支持设备状态和数据的实时交互,实现快速建模、运行时轻量化到甚至手机终端浏览器即可 3D 可视化运维的良好效果。



 
信号配时问题自助诊断
边缘智控支持多种实时控制模式
 
同时,边缘实时计算,快速干预,为小范围、交通情况复杂、交通信号需要动态管理的交通组织及时提供决策管理方案,边缘计算设备可以在秒级内实现路口信号灯相位的插入、跳过、延长和提前结束,弥补中心控制指令延时带来的交通影响。
 
此系统从道路使用率、出行者时间效益以及环境效益的角度,同时考虑机动车、自行车、行人三种交通方式之间的均衡协调关系,选取机动车延误、自行车延误、行车延误、机动车停车率、交叉口通行能力等为信号控制交通性能指标,对配时参数进行优化,全面地优化各交通性能指标。
 
 

4、系统功能实现

 

4.1 数据采集和设备联动

 
通过制定统一的标准协议,与路口的检测设备进行通讯,获取采集设备的数据和设备工作状态功能,包括过车数据采集和处理、排队长度检测数据采集和处理、信号灯故障检测数据采集和处理、违法抓拍数据采集和处理、信号机实时数据采集等。
 

4.2 路口信号机实时监测

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单路口监视多路口监视
 
系统可实时获得路口信号器的状态信息,信息内容主要包括:
 
(1)故障信息,包括信号器的工作状态、信号灯的状态,如有故障发生,能够及时向系统计算机发送故障信息及故障发生变化后的信息。
(2)信号灯灯色信息,包括当前控制点信号灯的灯色状态和每一次的灯色变化的信息。
(3)工作模式信息,当前控制模式,如感应、定时、黄闪等。
(4)信号器特征参数,包括信号周期、绿信比、相位、相位差等主要参数。
(5)时间信息,当前的时间信息,包括“年、月、日、时、分”。
 

4.3 基于实时效果评价的状态计算

 
基于采集而得到的实时数据,建立车道级、进口道级、路口级及绿灯空放预警的实时分析模型,实现对路口精细化的状态分析。结合道路自身固有属性和动态交通流特性建立路口预警模型。针对路口预警的不同原因自动生成路口信号配时方案。
 
针对路口方案选择的单项控制模型,进行路口交通运行的指标分析、评价和预警。模型可计算指标如下:
 
 

4.4 单点信号控制的动态干预

 
系统的检测器安装在停车线附近,难以检测车队的行进,但无实时信息反馈,所以相位、相序的动态调整能力较弱。实时检测路口设备的运行情况,可以实现对单点信号控制的动态干预,主要包括绿灯延长、绿灯提前、相位插入和相位跳跃四种情况。
 
绿灯延长。即延长相位绿灯时间。当某一主要相位的绿灯信号即将结束,但该流向又较多车辆连续到达时,可延长该相位的绿灯时间,使车辆有足够的时间通过交叉口。
 
绿灯提前。即缩短车辆等待绿灯相位的红灯时间,当某一主要相位有较多车辆到达交叉口时,车辆通行方向所在的相位处于红灯状态,且当前相位车辆并不多时,可通过缩短交叉口当前相位的绿灯时间,使到达交叉口的车辆可以顺利通过交叉口。
 
相位插入。即正常的相位相序中为车辆增加一个特定的相位。当重要车辆到达或到达车辆较多的相位为红灯信号时,且交叉口当前相位的下一个执行相位仍不允许车辆通过时,要为车辆提供信号优先,必须在当前相位和下一相位之间插入一个相位。
 
相位跳跃。即忽略某一相位的绿灯信号。由于交叉口下一个执行相位等待通行的社会车辆较少,在权衡通行效益的基础上跳过下一个执行相位,直接执行等待车辆较多方向的相位绿灯。
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相位配时智能方案推荐
 
 

5、总结

基于边缘计算的交通信控系统的应用,有利于充分利用社会互联网公司资源,打通政府部门数据共享通道,将有助于形成守土有责,齐抓共管的交通管理理念;利用大数据及云计算技术帮助公安交通部门做出决策,推动管理方式转变;同时,互联网+技术的投入有利于合理配置交通管理部门的警力,促使民警不断学习,提升认识和技术创新,提升交通管理的综合能力。从管理理念、管理方式、资源配置、技术创新等各方面将促进公安交通和政府部门的管理改革,增强整体管理能力,能够获得最好的交通管理效果和最大的社会效益。
 
文章来源:ITS智能交通