交通信號(hào)控制系統(tǒng)與公交通集成指揮平臺(tái)通信協(xié)議研究分析 電子通信技術(shù)專業(yè)

1.引言交通信號(hào)控制系統(tǒng)是緩解城市交通擁擠、保障城市交通安全、有序、暢通的一種重要的交通解決方案。由于我國(guó)在道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和研究工作方面相對(duì)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)起步較晚，因此系統(tǒng)建設(shè)走的是引進(jìn)與自主研發(fā)并行的道路，經(jīng)過(guò)20世紀(jì)80年代至今這幾十年的發(fā)展和建設(shè)，國(guó)內(nèi)交通信號(hào)控制系統(tǒng)建設(shè)取得了快速發(fā)展，形成了眾多的的交通信號(hào)控制系統(tǒng)應(yīng)用品牌。但是，作為交通信號(hào)控制系統(tǒng)建設(shè)非常重要一環(huán)的通信標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議的制定工作卻較為落后，現(xiàn)有系統(tǒng)大都基于各廠家私有協(xié)議，缺乏統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，直接導(dǎo)致了信號(hào)控制系統(tǒng)的信息難以為其他交通管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)，大大降低了系統(tǒng)的應(yīng)用效率。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，為適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的交通管理需求，各種交通管理應(yīng)用系統(tǒng)逐步建成。如何綜合這些系統(tǒng)中種類繁多的交通信息，對(duì)其功能進(jìn)行集成應(yīng)用，從而及時(shí)全面地掌控復(fù)雜交通狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度各類交通資源成為急需解決的問(wèn)題。公安交通集成指揮平臺(tái)由此而誕生，它集成了公安交通管理中各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的主要功能和信息，實(shí)現(xiàn)交通研判數(shù)據(jù)化和交通指揮精確化，使得交通管理部門決策科學(xué)、指揮靈敏、反應(yīng)及時(shí)、響應(yīng)快速，大大提高了指揮調(diào)度效率。而城市道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)是城市交通管理中重要的組成部分，公安交通集成指揮平臺(tái)如何集成目前種類繁多的交通信號(hào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換成為急需解決的問(wèn)題。本文針對(duì)我國(guó)目前交通信號(hào)控制系統(tǒng)和公安交通集成指揮平臺(tái)普遍建設(shè)中數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)缺失的問(wèn)題，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有道路交通信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用及相關(guān)通信協(xié)議現(xiàn)狀，歸納整理了公安交通集成指揮平臺(tái)對(duì)交通信號(hào)控制系統(tǒng)的功能及數(shù)據(jù)需求，提出了基于信息層交換的輕量級(jí)構(gòu)架，設(shè)計(jì)了基于XML組織數(shù)據(jù)內(nèi)容的通信協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)公安交通集成指揮平臺(tái)對(duì)交通信號(hào)控制系統(tǒng)的集成提供了一種較為通用的方法。2.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)2.1.國(guó)內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)及交通集成指揮平臺(tái)應(yīng)用情況我國(guó)在城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用工作方面起步較晚，20世紀(jì)80年代以來(lái),一方面進(jìn)行了以改善城市市中心交通為核心的UTSM（城市交通信號(hào)管理）技術(shù)研究；另一方面采取引進(jìn)與開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方針，引入了部分國(guó)外的道路交通控制系統(tǒng)（如上海、杭州的SCATS系統(tǒng)，北京、成都的SCOOT系統(tǒng)，武漢、長(zhǎng)春的ITACA系統(tǒng)等）。其后、隨著國(guó)內(nèi)交通信號(hào)控制技術(shù)的逐步成熟，一批針對(duì)我國(guó)交通流特點(diǎn)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)（如華通HT-UTCS，海信HiCon等等）相繼出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)這幾十年的發(fā)展和建設(shè)，我國(guó)城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的市場(chǎng)品牌總數(shù)達(dá)到20多個(gè)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2007年底，全國(guó)信號(hào)燈控制的路口數(shù)量達(dá)到四萬(wàn)二千個(gè)，在道路上運(yùn)行的信號(hào)機(jī)達(dá)到了四萬(wàn)二千多臺(tái)。2000年全國(guó)交警部門開(kāi)始建設(shè)公安交通集成指揮平臺(tái)，目前，全國(guó)共有590余個(gè)城市（包括縣級(jí)市）建成了集警情采集、交通流信息采集、交通控制等功能于一體的交通集成指揮平臺(tái)，其中400余個(gè)城市實(shí)現(xiàn)了信號(hào)區(qū)域控制或主次干道“綠波帶”（線協(xié)調(diào)控制）控制。2.2.國(guó)內(nèi)外信號(hào)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀在國(guó)外，城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)技術(shù)已較為成熟，但也出現(xiàn)了系統(tǒng)與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互操作的難題。于是，美國(guó)國(guó)家電器制造商協(xié)會(huì)NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）于1992年著手開(kāi)發(fā)通用性的交通信號(hào)控制系統(tǒng)通信協(xié)議（NTCIP：NationalTransportationCommunicationsforITSProtocol）。其初步設(shè)計(jì)構(gòu)想源自于交通信號(hào)機(jī)的應(yīng)用需求：無(wú)論任何一種交通信號(hào)控制系統(tǒng)以及信號(hào)機(jī)只要遵從NTCIP協(xié)議就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操作和實(shí)時(shí)通信。目前，由ITE、AASHTO與NEMA共同組成的NTCIP聯(lián)合委員會(huì)已通過(guò)報(bào)告、期刊與網(wǎng)站等方式進(jìn)行NTCIP技術(shù)與應(yīng)用的推廣?，F(xiàn)階段，NTCIP已上升為針對(duì)智能交通系統(tǒng)電子設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸所制定的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。其主要目標(biāo)是確保交通控制與ITS系統(tǒng)組成單元彼此之間的“互操作性（Interoperability）”與“互換性（Interchangeability）”。NTCIP的應(yīng)用一般分為兩大類：中心到外場(chǎng)（C2F）及中心到中心（C2C）的應(yīng)用。前者通常包含路側(cè)設(shè)施或者是各運(yùn)營(yíng)部門所擁有的車輛與管理中心的計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸。而后者則主要是管理中心的計(jì)算機(jī)或各個(gè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。NTCIP標(biāo)準(zhǔn)采用了分層的架構(gòu)，分別為信息層，應(yīng)用層，傳輸層，子網(wǎng)絡(luò)層和物理層。其架構(gòu)如圖1所示

可以看出，NTCIP是遵照OSI參考模型的規(guī)范，類似ISO的OSI七層協(xié)議模型，提供交通控制中心與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或與不同控制中心之間通信的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于應(yīng)用層、傳輸層、子網(wǎng)絡(luò)層、實(shí)體層都應(yīng)用了已有的成熟標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)鍵是制定了信息層的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而與交通信號(hào)控制系統(tǒng)中相關(guān)的NTCIP標(biāo)準(zhǔn)有：NTCIP1201、1202等，與中心到中心通信相關(guān)的NTCIP標(biāo)準(zhǔn)有：NTCIP2500、2501、2502等。國(guó)內(nèi)交通信號(hào)控制系統(tǒng)通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀1993年公安部制訂了我國(guó)信號(hào)機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T47-93《交通信號(hào)機(jī)技術(shù)要求與測(cè)試方法》，該標(biāo)準(zhǔn)按基本功能對(duì)交通信號(hào)機(jī)作了分類，規(guī)定了交通信號(hào)機(jī)的技術(shù)要求和測(cè)試方法，是我國(guó)首個(gè)信號(hào)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。2002年公安部對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，并改為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GA47-2002《道路交通信號(hào)控制機(jī)》。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)集中協(xié)調(diào)式道路交通信號(hào)機(jī)的物理通信接口、基本通信內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定，但具體通信協(xié)議、格式等內(nèi)容未包含在標(biāo)準(zhǔn)中。2004年，公安部頒布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T509《城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)術(shù)語(yǔ)》規(guī)定了城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)中的專用術(shù)語(yǔ)。2005年，頒布了GA/T527《城市道路交通信號(hào)控制方式適用規(guī)范》規(guī)定了城市道路交通信號(hào)控制方式。以上標(biāo)準(zhǔn)都未涉及通信協(xié)議方面的內(nèi)容。

2008年我國(guó)正式出臺(tái)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20999-2007《交通信號(hào)控制機(jī)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了信號(hào)機(jī)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的要求，協(xié)議在參考美國(guó)NTCIP協(xié)議和美國(guó)加州AB3418標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用了四層結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。適用于交通信號(hào)控制系統(tǒng)信號(hào)機(jī)與上位機(jī)間的通信，此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，對(duì)我國(guó)信號(hào)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一大進(jìn)步。2010年頒布了《道路交通信號(hào)控制機(jī)與車輛檢測(cè)器間的通信協(xié)議》規(guī)定了道路交通信號(hào)控制機(jī)與車輛檢測(cè)器間的串行接口和以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)交換規(guī)程。

2.3.

國(guó)內(nèi)外信號(hào)系統(tǒng)及協(xié)議比較分析

以下選擇了當(dāng)前在我國(guó)使用的最具代表性及實(shí)效性的國(guó)外系統(tǒng)和部分我國(guó)自主研發(fā)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和比較。如表格1所示：系統(tǒng)名稱研制單位特征內(nèi)部協(xié)議數(shù)據(jù)交換協(xié)議結(jié)構(gòu)SCOOT英國(guó)交通與道路研究所方案形成式自適應(yīng)控制系統(tǒng)私有協(xié)議無(wú)集中式控制SCATS澳大利亞新南威爾士州道路交通局方案選擇式自適應(yīng)控制系統(tǒng)私有協(xié)議自定義ITS接口協(xié)議三級(jí)分布式控制ACTRA美國(guó)西門子公司方案形成式＋專家系統(tǒng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)NTCIP協(xié)議自定義接口協(xié)議分布式控制HT-UTCS公安部交通管理科學(xué)研究所方案形成＋專家系統(tǒng)式自適應(yīng)控制系統(tǒng)私有協(xié)議自定義接口協(xié)議三級(jí)分布式控制海信HiCon青島海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司感應(yīng)式協(xié)調(diào)、方案選擇NTCIP自定義接口協(xié)議三級(jí)分布式控制萊思信號(hào)系統(tǒng)南京萊斯信息技術(shù)有限公司自適應(yīng)控制私有協(xié)議自定義接口協(xié)議二級(jí)分布式

表格1國(guó)內(nèi)外城市道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)分析表

以上系統(tǒng)都有各自的特點(diǎn)，但在系統(tǒng)內(nèi)、外部數(shù)據(jù)交換協(xié)議方面類似，大都采用私有協(xié)議及自定義接口。在系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換方面：國(guó)外系統(tǒng)中心與信號(hào)機(jī)都按照系統(tǒng)各自專用的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，只能使用自己的專用信號(hào)機(jī)，對(duì)國(guó)產(chǎn)信號(hào)機(jī)都無(wú)兼容性；國(guó)內(nèi)系統(tǒng)同樣如此，系統(tǒng)與系統(tǒng)，系統(tǒng)與信號(hào)機(jī)之間相互不兼容。當(dāng)前，我國(guó)信號(hào)機(jī)與上位之間通信協(xié)議的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB20999雖然已經(jīng)制定并頒布，但其正式應(yīng)用尚未展開(kāi)，從目前情況來(lái)看，國(guó)外系統(tǒng)使用GB20999的可能性極小，國(guó)內(nèi)系統(tǒng)使用該標(biāo)準(zhǔn)的也極少，包括這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定單位青島海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司自身的信號(hào)控制系統(tǒng)尚未應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)，而是使用了NTCIP。在系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)交換方面：各個(gè)系統(tǒng)大多提供了與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的接口，但是目前接口協(xié)議都是用各自專用的協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

綜上所述，對(duì)于城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外研究比較早，已形成了NTCIP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)內(nèi)由于在ITS系統(tǒng)建設(shè)及其相關(guān)技術(shù)研究方面起步較晚，目前通信協(xié)議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在制定過(guò)程中。在交通信號(hào)控制系統(tǒng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)方面，目前僅有《GBT20999交通信號(hào)機(jī)與上位機(jī)通信信協(xié)議》與《GAT920-2010信號(hào)機(jī)與檢測(cè)器間的通信協(xié)議》這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)層次較低，在應(yīng)用層消息定義中仍關(guān)注的是以參數(shù)幀代碼為基礎(chǔ)的機(jī)器會(huì)話方式，與應(yīng)用程序的聯(lián)系較差，沒(méi)有體現(xiàn)應(yīng)用層定義的優(yōu)勢(shì)。交通信號(hào)控制系統(tǒng)系統(tǒng)與其他ITS系統(tǒng)之間系統(tǒng)層面的通信標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議尚未制定，現(xiàn)有的各系統(tǒng)都使用廠家私有的通信協(xié)議。隨著公安交通管理信息技術(shù)的深化應(yīng)用和發(fā)展，對(duì)各類交通信息的采集分析、集成應(yīng)用的要求越來(lái)越高，交通信號(hào)控制系統(tǒng)作為公安集成指揮平臺(tái)重要的子系統(tǒng)，在城市交通管理現(xiàn)代化建設(shè)中倍受關(guān)注，如何與交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換成為急需解決的問(wèn)題。3.

需求分析3.1.

應(yīng)用范圍與定位

通信協(xié)議用于交通信號(hào)控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換，是一個(gè)中心對(duì)中心（C2C）的通信協(xié)議。

通信協(xié)議的功能定位于公安交通集成指揮平臺(tái)對(duì)交通信號(hào)控制系統(tǒng)信息的集中、共享、顯示、監(jiān)管這4各方面。1）

集中：指對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)交通信號(hào)機(jī)及交通信號(hào)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)信息集中管理；

2）

共享：外部系統(tǒng)可以獲取交通信號(hào)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，交通信號(hào)控制系統(tǒng)也可以獲取外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換；

3）

顯示：可以不通過(guò)交通信號(hào)控制系統(tǒng)的功能界面直接在指揮平臺(tái)中顯示信號(hào)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)機(jī)的動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)；

4）

管：包括2個(gè)方面，一是對(duì)整個(gè)交通信號(hào)控制系統(tǒng)及其控制的現(xiàn)場(chǎng)交通信號(hào)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、故障、運(yùn)行效果的監(jiān)測(cè)；二是對(duì)系統(tǒng)及其控制的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)機(jī)的日志及采集的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，用于后期的評(píng)價(jià)、評(píng)估及故障、狀態(tài)回溯。通過(guò)公安集成指揮平臺(tái)對(duì)交通信號(hào)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換內(nèi)容和格式的總結(jié)分析，得出數(shù)據(jù)交換的基本需求：n

通用、開(kāi)放、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)；n

數(shù)據(jù)交換內(nèi)容是結(jié)構(gòu)化和層次化的；n

能實(shí)現(xiàn)中心（公安交通集成指揮平臺(tái)）與不同廠商信號(hào)系統(tǒng)的可靠通信和交互控制，解決對(duì)不同信號(hào)系統(tǒng)的兼容性。3.2.

功能需求通過(guò)調(diào)研與項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，總結(jié)并整理出接入公安集成指揮平臺(tái)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)必須具備的功能要求：1)

能夠與所有系統(tǒng)控制路口信號(hào)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；2)

具備中央、區(qū)域、路口三級(jí)控制功能，系統(tǒng)內(nèi)所有路口劃分區(qū)域進(jìn)行管理；3)

具備實(shí)時(shí)控制接口，能夠?qū)β房谛盘?hào)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)控制。支持單點(diǎn)多時(shí)段定時(shí)控制方式、單點(diǎn)感應(yīng)控制方式、上位機(jī)控制、線協(xié)調(diào)控制方式、區(qū)域協(xié)調(diào)控制方式等控制方式；4)

具備道路交叉口的交通流信息采集與記錄功能；5)

具備路口信號(hào)機(jī)的故障檢測(cè)及自動(dòng)報(bào)警功能；6)

具備系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出接口，能夠提供所需各類數(shù)據(jù)；7)

具備交通流數(shù)據(jù)輸入接口。3.3.

數(shù)據(jù)需求基于以上功能要求，整理了兩大類數(shù)據(jù)需求。1）

系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息：包括系統(tǒng)名稱，版本號(hào)，供應(yīng)商，系統(tǒng)包含的區(qū)域號(hào)列表；區(qū)域配置信息：包括區(qū)域的編號(hào)，名稱，每個(gè)區(qū)域的子區(qū)號(hào)列表，路口號(hào)列表；子區(qū)配置信息：子區(qū)的編號(hào)，名稱，子區(qū)中包含的路口號(hào)列表。可以不設(shè)子區(qū)；路口配置信息：路口的編號(hào)，名稱，特征，檢測(cè)器、車道、相位、階段配時(shí)及配時(shí)方案等信息。2）

系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)：包括系統(tǒng)時(shí)間、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、各區(qū)域、各路口運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)；故障報(bào)警數(shù)據(jù)：路口通信斷開(kāi)，信號(hào)機(jī)、信號(hào)燈、檢測(cè)器等故障報(bào)警；路口的實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)：包括當(dāng)前配時(shí)方案號(hào)，控制方式，周期，階段相位等；路口交通流數(shù)據(jù)：包括流量、占有率、平均車速。3.4.

其他需求1）

可靠性能夠滿足交通信號(hào)控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮平臺(tái)之間不間斷的穩(wěn)定數(shù)據(jù)交換通信需要。2）

安全性、完整性交通信號(hào)控制系統(tǒng)必須保證高度的運(yùn)行安全性來(lái)確保交通的安全、可靠和暢通。因此，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，遵循不將傳輸信息和指令與某種固定的傳輸模式進(jìn)行捆綁的原則。即協(xié)議的數(shù)據(jù)不局限于某種特定的傳輸方式，同時(shí)支持安全認(rèn)證和授權(quán)機(jī)制、數(shù)據(jù)的完整性、安全性等。3）

時(shí)效性控制消息、狀態(tài)變換消息以及交通流數(shù)據(jù)的通信低延時(shí)要求。4）

可擴(kuò)展性建立在開(kāi)放、通用的標(biāo)準(zhǔn)之上，能夠適應(yīng)需求的變化，在不影響現(xiàn)有應(yīng)用的前提下，靈活的擴(kuò)展通信信息內(nèi)容。4.

通信協(xié)議結(jié)構(gòu)及內(nèi)容實(shí)現(xiàn)4.1.

設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)通過(guò)需求分析，依據(jù)交通信號(hào)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的內(nèi)容和特點(diǎn)，充分考慮可擴(kuò)展性和可實(shí)施性，制定的設(shè)計(jì)原則如下：n

遵守現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)交通信號(hào)控制系統(tǒng)涉及交通、計(jì)算機(jī)、通信等眾多的領(lǐng)域，數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議必須與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)相兼容和協(xié)調(diào)。協(xié)議交換的數(shù)據(jù)應(yīng)遵循交通信號(hào)控制機(jī)及通信現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。n

開(kāi)放性建立在開(kāi)放、通用的標(biāo)準(zhǔn)之上。兼容國(guó)內(nèi)外交通信號(hào)控制系統(tǒng)，支持中英文。n

可實(shí)施性數(shù)據(jù)交換的格式?jīng)Q定系統(tǒng)運(yùn)行的效率以及對(duì)通信的依賴程度，要滿足系統(tǒng)的“交互性”，數(shù)據(jù)的格式應(yīng)當(dāng)是一種能夠容易上升為標(biāo)準(zhǔn)的格式，也能被系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者便于接受和廣泛使用的格式。協(xié)議應(yīng)立足交通信號(hào)控制系統(tǒng)的客觀需求，著眼于我國(guó)交通信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，以標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)以及統(tǒng)一化數(shù)據(jù)交換格式為目標(biāo)。就目前來(lái)說(shuō)，該數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議力求建立一個(gè)符合我國(guó)城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)中心與公安交通集成指揮平臺(tái)數(shù)據(jù)交換要求的基本規(guī)范。它能夠提供一套統(tǒng)一、靈活、開(kāi)放和可擴(kuò)充的交通信號(hào)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換規(guī)范語(yǔ)言，并充分考慮了城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮平臺(tái)的接口及接入方式的可行性及實(shí)施代價(jià)。4.2.

協(xié)議結(jié)構(gòu)1）

OSI模型OSI模型是一個(gè)由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型，有7層結(jié)構(gòu)，每層都可以有幾個(gè)子層。OSI的7層從上到下分別是：7應(yīng)用層->6表示層->5會(huì)話層->4傳輸層->3網(wǎng)絡(luò)層->2數(shù)據(jù)鏈路層->1物理層。其中高層，既7、6、5、4層定義了應(yīng)用程序的功能，下面3層，既3、2、1層主要面向通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的端到端的數(shù)據(jù)流。OSI模型通過(guò)七個(gè)層次化的結(jié)構(gòu)模型使不同的系統(tǒng)不同的網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)可靠的通訊，最主要的功能使就是幫助不同類型的主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。2）

NTCIP使用的5層模型結(jié)構(gòu)OSI7層模型是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前廣泛應(yīng)用的各類計(jì)算機(jī)通信協(xié)議都是基于它設(shè)計(jì)建立的，例如著名的Internet通訊基礎(chǔ)協(xié)議TCP/IP?，F(xiàn)有交通控制自動(dòng)化技術(shù)都是以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的，因此交通控制相關(guān)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)都參考和借鑒了計(jì)算機(jī)通信的協(xié)議、規(guī)范。NTCIP協(xié)議的設(shè)計(jì)同樣參考了OSI分層模型，但是簡(jiǎn)化為了5層。通常，兩個(gè)計(jì)算機(jī)或其他的電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信能夠包括以下的主要層：叫做NTCIP“層”，用來(lái)和OSI模型定義的層相區(qū)分。

NTCIP信息層－信息標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)和信息的意義，并且通常涉及ITS信息（不同于通信網(wǎng)絡(luò)信息）。NTCIP應(yīng)用層－應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)交換信息的規(guī)則和程序。NTCIP傳輸層－傳輸標(biāo)準(zhǔn)定義了交換網(wǎng)絡(luò)上兩點(diǎn)之間的應(yīng)用數(shù)據(jù)的規(guī)則和程序，包括任何必要的路經(jīng)、信息拆分/重組和網(wǎng)絡(luò)管理功能。NTCIP子網(wǎng)絡(luò)層－子網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)定義了某些通信媒體上兩個(gè)“相臨”設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換的規(guī)則和程序。NTCIP實(shí)體層－實(shí)體層包括使用NTCIP通信標(biāo)準(zhǔn)并將對(duì)用于挑選出的通信基礎(chǔ)設(shè)施上適當(dāng)?shù)淖泳W(wǎng)絡(luò)層的選擇有直接影響的通信設(shè)施。3）

本通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本協(xié)議結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在借鑒上述模型的同時(shí)也考慮了目前國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況。我國(guó)交通信號(hào)控制機(jī)以及其控制系統(tǒng)主要由企業(yè)設(shè)計(jì)制造，目前市場(chǎng)上已有國(guó)內(nèi)外的多家信號(hào)機(jī)生產(chǎn)廠商開(kāi)發(fā)的信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，在目前先有系統(tǒng)后設(shè)計(jì)通信協(xié)議的實(shí)際情況下要充分考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，各個(gè)信號(hào)系統(tǒng)廠商的接受程度以及實(shí)施代價(jià)，這也是通信協(xié)議能否被順利采納的重要因素。從目前已有交通信號(hào)控制系統(tǒng)接口來(lái)看，主要包含以下幾類：基于Socket的字節(jié)數(shù)據(jù)封裝接口、基于XML的消息通訊接口、基于CORBA的接口、以及基于Socket的自定義消息接口。這4大類接口在NTCIP的各層（參見(jiàn)圖1）中的實(shí)現(xiàn)都具備多條選擇路徑，每一層都基于現(xiàn)有的通信協(xié)議可選擇多種實(shí)現(xiàn)，各廠商根據(jù)自身的技術(shù)儲(chǔ)備及應(yīng)用要求在從應(yīng)用層到實(shí)體層的實(shí)現(xiàn)各不相同。當(dāng)前如果在設(shè)計(jì)通信協(xié)議中對(duì)每一層的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)、協(xié)議再做出唯一的規(guī)定顯然不切合實(shí)際情況，也不可能為廣大信號(hào)系統(tǒng)廠商接受。因此，基于“信息層”來(lái)定義確定交通信號(hào)控制系統(tǒng)與集成指揮平臺(tái)交換數(shù)據(jù)的范圍，定義數(shù)據(jù)和信息的意義，對(duì)于應(yīng)用層、傳輸層、子網(wǎng)絡(luò)層及實(shí)體層不做強(qiáng)制要求，由各個(gè)廠商選擇最適合應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，是符合當(dāng)前實(shí)際情況的最佳選擇。參考NTCIP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，結(jié)合交通信號(hào)控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮系統(tǒng)的具體通信需求，以及目前我國(guó)市場(chǎng)上使用的各種國(guó)內(nèi)外交通信號(hào)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了基于“信息層”的數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議，見(jiàn)圖6。

4.3.

基于XML的協(xié)議內(nèi)容組織XML作為一種元標(biāo)記語(yǔ)言，它提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，利用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用系統(tǒng)可以根據(jù)需要制定自身領(lǐng)域的新標(biāo)記語(yǔ)言和配套標(biāo)簽。XML這一能夠以統(tǒng)一的格式描述信息的文本化語(yǔ)言，將不同系統(tǒng)來(lái)源的信息按照統(tǒng)一的格式描述和相互轉(zhuǎn)換，已經(jīng)成為了信息標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程和數(shù)據(jù)交換的有力工具。XML最突出的應(yīng)用就在于作為信息交換的數(shù)據(jù)格式技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它本身具有自描述性、可擴(kuò)展性、可移植性和結(jié)構(gòu)性的特點(diǎn)，所以基于XML的數(shù)據(jù)描述格式的擴(kuò)展性和靈活性允許它描述不同種類應(yīng)用軟件中的數(shù)據(jù)。XML不依賴于平臺(tái)、廠商和特定應(yīng)用程序的特性，因此可以被應(yīng)用于異構(gòu)平臺(tái)和不同應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)交換和集成，允許異構(gòu)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)的一種辦法是為所有的輸入輸出系統(tǒng)分別制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式。XML能根據(jù)特定的應(yīng)用定義自己的標(biāo)簽來(lái)描述數(shù)據(jù)是其最重要的功能，而且XML的最終目標(biāo)是提供異構(gòu)與系統(tǒng)、廠商無(wú)關(guān)的統(tǒng)一解決方案。交通信號(hào)控制系統(tǒng)中存在中心到中心數(shù)據(jù)交換和共享的需求，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)有系統(tǒng)是由不同的軟件開(kāi)發(fā)商采用各自喜好的數(shù)據(jù)格式來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)施，存在數(shù)據(jù)格式的差異性，導(dǎo)致了系統(tǒng)集成和系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的難度、甚至不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。要使交通信號(hào)系統(tǒng)能被有效的集成到智能交通系統(tǒng)體系中，大家已經(jīng)公認(rèn)只有通過(guò)采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式或采用達(dá)成一致的中間件才能的得到有效的解決。XML正是能滿足這些需求的一種開(kāi)放的、通用的數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)，在定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)可以突出對(duì)結(jié)構(gòu)的描述，從而體現(xiàn)出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。而且，基于XML的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)不依賴于操作系統(tǒng)、編程模式或編程語(yǔ)言，以及目前大量XML開(kāi)發(fā)工具在各種軟硬件平臺(tái)上都具備豐富應(yīng)用的實(shí)際情況，為交通信號(hào)控制系統(tǒng)的集成提供了一種簡(jiǎn)單、性價(jià)比好的解決方案。4.4.

通信封包通信雙方設(shè)計(jì)以互發(fā)數(shù)據(jù)包的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)包也稱為消息以XML序言加上根元素標(biāo)記開(kāi)頭，UTCSPkg>標(biāo)記結(jié)尾的一組字符串?dāng)?shù)據(jù)。采用XML語(yǔ)言封裝，XML版本1.0，使用GB18030字符集，UTF-8編碼。參考GB-20999標(biāo)準(zhǔn)中消息類型的定義，我們?cè)O(shè)計(jì)了類似的消息類型以及對(duì)應(yīng)消息類型的處理流程，通過(guò)如下圖7的通信包結(jié)構(gòu)來(lái)封裝所有通訊數(shù)據(jù)。

具體定義如下：UTF-8"?>

版本號(hào)Ver>令牌

源地址Src>

目的地址Dest>

消息類型序列號(hào)Seq>

”順序編號(hào)”name=”操作說(shuō)明”>

……

UTCSPkg>n

版本號(hào):Ver>標(biāo)記之間的內(nèi)容為消息的版本號(hào)。n

令牌:標(biāo)記之間的內(nèi)容為消息的令牌，用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)通信雙方的會(huì)話是否經(jīng)過(guò)認(rèn)證。n

源地址:Src>標(biāo)記之間的內(nèi)容為消息的源地址，它表示了消息的發(fā)送方（交通信號(hào)控制系統(tǒng)或公安交通集成指揮平臺(tái)）。n

目的地址:Dest>標(biāo)記之間的內(nèi)容為消息的目的地址，它表示了消息的接收方。n

消息類型:標(biāo)記之間的內(nèi)容為消息的類型，分為以下4種類型:請(qǐng)求消息（Req），應(yīng)答消息（Resp），主動(dòng)推出消息（Push），錯(cuò)誤消息（Err）。n

序列號(hào):Seq>標(biāo)記之間的內(nèi)容為消息的序列號(hào)，用于應(yīng)答消息和發(fā)送消息之間的一一或者多對(duì)一的對(duì)應(yīng)。n

消息體:標(biāo)記之間的內(nèi)容為消息體，它包含了消息的具體內(nèi)容。消息體中可以包含一個(gè)或多個(gè)操作命令。n

操作命令:標(biāo)記之間的內(nèi)容為操作命令，它包含了消息的具體內(nèi)容。操作命令包含了兩個(gè)屬性:No表示操作命令的順序編號(hào)，從1開(kāi)始。name表示操作命令的說(shuō)明。單個(gè)操作命令可以包含一個(gè)或多個(gè)操作對(duì)象。n

操作對(duì)象:標(biāo)記之間的內(nèi)容為操作對(duì)象，包含對(duì)象的具體屬性信息子元素。這里的Object是代指，其具體的元素id標(biāo)識(shí)了對(duì)象的具體類型，其取值參見(jiàn)4.5。4.5.

通信協(xié)議數(shù)據(jù)通信協(xié)議數(shù)據(jù)即通信封包中操作對(duì)象Object的具體定義。根據(jù)前期確定的數(shù)據(jù)需求，可以把數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為以下幾個(gè)大類。1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典2）信號(hào)系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，其組織結(jié)構(gòu)如下圖所示：

注：可以不設(shè)子區(qū)，路口與子區(qū)并列直屬區(qū)域4）

系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

5）

系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)協(xié)議中每一個(gè)對(duì)象的具體內(nèi)容不在此詳細(xì)列出，僅以路口參數(shù)對(duì)象CrossParam為例：

RegionNo>CrossNo>CrossName>

DetNo>DetNoList>

LaneNo>LaneNoList>…………

取值說(shuō)明見(jiàn)下表格2序號(hào)元素名說(shuō)明1RegionNo區(qū)域號(hào)（從1開(kāi)始）2CrossNo路口號(hào)（從1開(kāi)始）3CrossName名稱4Feature特征5DetNoList檢測(cè)器號(hào)列表6DetNo檢測(cè)器號(hào)（從1開(kāi)始，在單個(gè)路口中唯一）7LaneNoList車道號(hào)列表8LaneNo車道號(hào)（從1開(kāi)始，在單個(gè)路口中唯一）9PhaseNoList相位號(hào)列表10PhaseNo相位號(hào)（從1開(kāi)始，在單個(gè)路口中唯一）11StageNoList階段號(hào)列表12StageNo階段號(hào)（從1開(kāi)始，在單個(gè)路口中唯一）13PlanNoList配時(shí)方案號(hào)列表14PlanNo配時(shí)方案號(hào)（從1開(kāi)始，在單個(gè)路口中唯一）

表格2路口參數(shù)對(duì)象取值說(shuō)明5.交通信號(hào)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換接口軟件1.

軟件簡(jiǎn)介交通信號(hào)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換接口軟件基于上述通信協(xié)議開(kāi)發(fā)，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)控制系統(tǒng)和公安交通集成指揮平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信。結(jié)合作者實(shí)際工作項(xiàng)目需求，選擇公安部交通管理科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)(HT-UTCS)與北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司開(kāi)發(fā)的集成指揮平臺(tái)(EHLATMS)作為軟件的通信雙方主體。接口軟件實(shí)現(xiàn)了以下功能：（1）交通信號(hào)控制系統(tǒng)和路口交通信號(hào)控制機(jī)配置信息的獲取；（2）對(duì)信號(hào)系統(tǒng)狀態(tài)、路口控制方式、信號(hào)燈顯示狀態(tài)等運(yùn)行狀態(tài)以及設(shè)備故障狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)路口狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)及時(shí)自動(dòng)反饋；（3）可查看路口配時(shí)方案的執(zhí)行狀態(tài)和下達(dá)簡(jiǎn)單控制命令到信號(hào)機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)和控制；（4）實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)的自動(dòng)上報(bào)和歷史交通流數(shù)據(jù)的查詢。軟件使用跨平臺(tái)的Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，在使應(yīng)用層和傳輸層使用基于TCP/IP協(xié)議Socket網(wǎng)絡(luò)通訊，在子網(wǎng)絡(luò)層使用以太網(wǎng)接口，在實(shí)體層不做要求。軟件兼容目前主流的各種操作系統(tǒng)及硬件平臺(tái)，適用于目前主流的各類公安交通指揮中心的應(yīng)用場(chǎng)景。2.

技術(shù)構(gòu)架系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，基于Socket通訊。在雙方通信開(kāi)始前接口軟件作為客戶端(Client)主動(dòng)連接作為服務(wù)端(Server)的集成指揮平臺(tái)，通信連接建立后不再區(qū)分客戶端和服務(wù)端，雙方對(duì)等通訊見(jiàn)圖10?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，接口軟件采用Socket網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通訊與通用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口相結(jié)合的方式同交通信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行通信。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高，數(shù)據(jù)量小的控制命令，控制狀態(tài)、實(shí)時(shí)交通信息等數(shù)據(jù)采用高效可靠基于TCP/IP協(xié)議的Socket通訊；對(duì)于實(shí)時(shí)性要求低、數(shù)據(jù)量大的信號(hào)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)信息、配置信息、歷史交通數(shù)據(jù)等采用通用數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

在開(kāi)發(fā)技術(shù)方面，系統(tǒng)采用跨平臺(tái)的JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，使用Apache開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)通訊組件MINA實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的封裝，JDBC來(lái)訪問(wèn)信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，SAX解析器解析XML文檔。借助MINA的插件式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議編解碼構(gòu)架見(jiàn)圖12中的ProtocolCodecFactory部分，開(kāi)發(fā)了XMLCodecFactory,XMLEncoder,XMLDecoder對(duì)象封裝了基于XML的通信協(xié)議的編解碼，實(shí)現(xiàn)接口軟件與集成指揮平臺(tái)的高效實(shí)時(shí)通信；開(kāi)發(fā)了UTCSCodecFactory,UTCSEncoder,UTCSDecoder對(duì)象封裝了HT-UTCS信號(hào)系統(tǒng)基于字節(jié)流的內(nèi)部通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)接口軟件與信號(hào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信