交警道路交通信号控制系统.docx
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交警道路交通信号控制系统
交警道路交通信号控制系统
解决方案
第1章概述1
1.1应用背景1
1.2行业现况及问题1
第2章设计原则、依据2
2.1设计原则2
2.2设计依据3
第3章系统设计4
3.1系统结构4
3.2系统组成4
3.3功能设计5
3.3.1视频车检器车流量及排队长度检测功能5
3.3.2交通参数在信号控制本周期应用6
3.3.3信号控制配置功能6
3.3.4视频交通参数采集设备接入功能9
3.3.5多时段控制9
3.3.6感应控制10
3.3.7无缆线协调控制（绿波控制）14
3.3.8特勤路线15
3.3.9公交优先控制15
节假日不同季节控制16
行人过街按钮控制16
降级协调控制16
全红控制16
闪光控制17
手动控制17
设备故障检测、处理功能18
信号机状态监视功能19
校时功能22
信号机特征参数导入/导出22
视频监控功能22
扩展功能23
第4章前端子系统设计24
4.1系统架构设计24
4.2信号灯布设原则24
4.2.1基本原则24
4.2.2安装数量25
4.2.3机动车信号灯安装位置26
4.2.4非机动车信号灯安装位置28
4.2.5人行横道信号灯安装位置29
第5章网络传输子系统设计30
第6章后端管理子系统31
6.1信号控制联网系统概述31
6.2信号控制联网系统运行环境要求32
6.2.1CS客户端32
6.2.2服务端33
6.3信号控制联网系统功能设计33
6.3.1系统管理33
6.3.2路口监控34
6.3.3地图监控36
6.3.4绿波监控36
6.3.5特勤路线37
6.3.6运行监控37
6.3.7查询统计38
第7章核心设备介绍40
7.1交通信号控制机（DS-TSC300）40
7.2交通信号控制机（DS-TSC500）41
7.3视频车检器（iDS-TCD215）43
7.4视频车检器（iDS-TCD225）44
第8章系统特点47
8.1灵活适应的控制方案47
8.2设备快速维护及修复47
8.3独立、稳定的故障检测处理47
8.4开放式NTCIP协议47
第1章概述
1.1应用背景
随着我国汽车拥有量的持续增加和城镇化水平的日益提高，道路交通量的增长速度和人口向城市的聚集速度也在不断加快，由此进一步加剧了城市的交通问题。
为了解决城市交通问题，我们的国家、各级政府和研究机构一直在致力于寻求解决的方案和各种措施。
然而，进入21世纪以来，我们普遍看到的情况却是，我国的城市交通问题不但没有得到根本性的解决，而且愈演愈烈。
这样的城市路况背景下，引入一套先进的交通信号控制系统显得尤为重要。
科学的交通信号灯控制系统能在有限的道路空间上，合理地分时、分路、分车种、分流向使用道路，使路网交通压力均分，实现道路交通的有序、高效运行。
1.2行业现况及问题
目前我国各城市都加大力度进行基础设施建设和城市改造建设，交通信号控制系统作为ITS的一个子系统，各个城市都建设了许多。
信号控制系统普遍采用多时段定时信号机、感应式信号机和集中协调式信号机。
但各地普遍存在重建设、轻应用的问题，且系统建成后，如何更好的使用，如何更好地发挥其效果，各地都比较欠缺。
绝大多数城市，各路口信号控制建立时间前后相差较远，各路口信号控制机类型并不统一。
城市管理者逐渐发现设备类型的繁多、相互之间的不兼容给交通信号控制系统进一步扩充、发展带来了一系列的问题，主要表现在：
Ø技术力量和专业人员配备不够；
Ø系统建设后期管理和维护问题；
Ø设备的兼容性和稳定性差；
Ø控制策略不够优化；
Ø单个系统覆盖范围小。
第2章设计原则、依据
2.1设计原则
以上文分析结果为出发点，在总体原则上，我们按照“技术上的先进性，使用上的稳定性，产品的集成化，升级上的可拓展性，操作上的友好性”进行系统设计。
Ø先进性
系统的设计应该具有技术先进性，所采用的理念、技术应当是业内领先的，并能代表未来的发展方向。
在系统设计过程中，充分借鉴、利用国内外的先进技术和成功经验，在系统结构上和设备选型上精益求精，将这些代表行业发展趋势的先进技术有机结合在一起，设计出一套性能优异的交通信号控制系统。
整个设计具有一定的超前意识而不局限于目前的使用条件和规模。
Ø稳定性
交通信号控制系统是一个系统牵涉面广、运行环境恶劣、不间断使用的复杂系统。
系统设计时要统筹考虑所用设备和控制系统，符合当前技术和交通管理部门管理工作的发展方向，同时系统选用成熟的技术，减少系统的技术风险。
Ø集成化
前端信号机应高度集成信号输入模块、数据处理与存储模块、主控优化模块、信号输出模块。
其中信号输入模块支持多种不同格式的信号输入，无需配备其他转接、辅助设备；信号输出模块支持多种驱动信号输出，支持有线、无线数据传输方式。
高度集成化的信号机可实现路口不同交通设备的集成控制和信息共享，包括交通信号控制设备、交通诱导屏、电子警察、视频监控，使交通信号控制机具有较强的实时控制、协调能力，以适应智能交通系统发展的要求。
Ø可拓展性
不同客户的诉求是不同的，这就要求我们的核心架构具有足够的灵活性，具有良好的分层、模块化设计。
针对不同的应用场景可以实现灵活、快速的定制，及时响应客户需求。
系统应采用灵活、开放的模块化设计，赋予结构上极大的灵活性，为系统扩展、升级及可预见的管理模式的改变留有余地。
采用开放性和通用性好的系统软、硬件技术，提供与其它交通管理系统联接的接口，以适应交通管理业务不断发展的需要，最大限度地保护系统的长期投资。
Ø易用性与易维护性
系统主要使用人员为交警和有关领导，从满足交警实战需要出发，系统采用简洁、友好的人机界面，具有多媒体化操作设计，在出现系统故障时，能够简便快捷的进行处理。
前端设备支持远程升级和远程故障排除功能，维护便捷，降低系统运维管理成本。
同时可自动检测系统中设备的运行状态，并给出详细参数，以辅佐管理人员及时准确地判断和解决问题。
使用稳定易用的硬件和软件，完全不需借助任何专用维护工具，既降低了对管理人员进行专业知识的培训费用，也节省了日常频繁地维护费用。
2.2设计依据
Ø《道路交通信号控制机》（GA/47-2002）
Ø《道路交通信号控制机安装规范》（GA/T489-2004）
Ø《道路交通信号倒计时显示器》（GA/T508－2004）
Ø《城市交通信号控制系统术语》（GA/T509-2004）
Ø《城市道路交通信号控制方式适用规范》（GA/T527-2005）
Ø《人行横道信号灯控制设置规范》（GA/T851—2009）
Ø《道路交通信号控制机与车辆检测器间的通信协议》（GA/T920-2010）
Ø《交通信号控制机与上位机间的数据通信协议》（GB/T20999-2007）
Ø《道路交通信号灯设置与安装规范》（GB/14886-2006）
Ø《道路交通信号灯》（GB/14887-2011）
Ø《道路交通信号控制机》（GB/25280-2010）
其他国家相关的政策法令、法规文件。
第3章系统设计
3.1系统结构
图1.系统结构示意图
3.2系统组成
交通信号控制系统由前端子系统、网络传输子系统以及后端管理子系统三大部分组成，实现对路口交通信号配时方案的自动控制、优化，同时系统还兼具交通参数采集功能，能够实时采集、统计交通流信息，供配时优化软件使用。
Ø前端子系统
以信号机为主体，可根据信号机本身或中心下发的指令改变道路交通信号灯状态，调节配时并控制道路交通信号灯运行。
同时兼具交通参数采集功能，支持采集、处理、存储流量、占有率、排队长度等交通参数，以供交通信号配时优化软件使用，同时供交通疏道和交通组织与规划使用。
Ø网络传输子系统
负责数据的传输与交换。
中心网络主要由接入层交换机以及核心交换机组成。
Ø后端管理子系统
由区域计算机和中心管理平台组成。
区域计算机主动对前端交通流数据进行分析，自适应的选择合适的信号配时方案，并实时下发到各个路口对应的信号机。
中心管理平台负责实现对辖区内相关数据的汇聚、处理、存储、应用、管理与共享。
3.3功能设计
3.3.1视频车检器车流量及排队长度检测功能
视频车检器是一种基于视频图像分析和计算机视觉技术对路面车辆运行情况进行检测分析的集成系统。
视频车检器利用图像处理与机器视觉的方法，实时监测各个方向的图像，并去除各种环境造成的影响，通过图像分析处理获得所需的交通数据，检测线和检测区域可在图像画面上自由设置。
视频车检器可实现控制区域内车流量及排队长度的检测，同时也支持控制区域内占有率、车速等交通参数的采集、处理和存储。
交通信号控制系统可根据前端独立的车辆信息来直接调整对应相位信号灯的绿灯放行时间，也可根据区域整体的车流状况对信号灯配时方案进行针对性的区域协调。
同时这部分交通参数信息也可提供到其他相关联的交通管理系统使用。
可根据交通流现状，在各路口的每个方向配置视频车检器，进行车流量及排队长度检测，为实现每个路口的全感应控制提供基础。
图2.交通参数统计功能示意图
3.3.2交通参数在信号控制本周期应用
在所有进口道设置视频车检器，视频车检器检测的交通参数通过网络直接传输给信号机。
在一个周期内，感应式信号机内部设置“最小绿灯时间”、“最大绿灯时间”，进入绿灯相位，信号机将开始执行这个“最小绿灯时间”，如果在“最小绿灯时间”用完之前，在一个预先设置的时间间隔内（如4~6秒）没有接收到来自视频车检器的车辆到达请求，则信号机将切断绿灯变换为红灯；如果信号机接收到来自视频车检器的车辆到达请求，则增加一个延长绿的绿灯相位时间，直到完全用完“最大绿灯时间”，以保证车辆能顺利通过该路口。
3.3.3信号控制配置功能
3.3.3.1相位配时
1、两相位信号配时图
2、三相位信号配时图
3、四相位信号配时图
3.3.3.2信号周期长度配置
信号周期是指信号灯灯色任何一个完整的循环。
周期长度是指信号灯运行一个循环所需要的时间，等于绿灯、黄灯、红灯时间之和。
信号周期长度常用计算方法：
不论在什么样的交叉口，能使车辆延误时间最少的最佳信号周期C0可按下式计算：
其中：
L—各相位总的延误时间；
Y—各相位总的流量比。
1、相位总的延误时间可按下式计算
I—车辆启动损失时间，一般为3秒；
l—绿灯间隔时间，即黄灯时间加全红灯清空路口时间，一般黄灯为3秒，全红灯为2-4秒；
f—黄灯时间；
n—所设相位数；
2、各相位总的流量比可按下式计算：
y
—第i个相位的最大流量比，即
y
=q
/s
q
—第i个相位实际到达流量（实际调查）
s
—第i个相位流量的饱和流量（实际调查）
3.3.3.3最大绿时间、最小绿时间设置原则
最小绿时间根据过街行人确定。
行人需要有足够的绿灯时间通过交叉口，或行至最远车道的中间带，所以绿灯时间应根据交叉口宽度和行人步速计算，行人步速通常取1.2米/秒。
另外研究表明当每周期行人流量小于10ped/cycle，行人绿灯间隔时间为4秒即可满足要求，当行人流量为10~20ped/cycle，绿灯间隔时间需要7秒。
由此最小绿时间应为：
G=（4~7）+w/1.2-Y
其中：
W—交叉口宽度，即该相位中最长的人行横道长度（m）；
1.2—行人平均过街步速（m/s）；
Y—总的转换时间（黄灯加全红）（s）。
最大绿时间根据历史交通量或者现场调查交通量的情况进行设置。
3.3.3.4绿信比设置原则
一个周期时间内有效绿灯时间与信号周期的比值，周期相同，各相位的绿信比不一定相等。
绿信比根据各交叉口各向交通量的流量比确定。
λ=Ge/C
其中：
λ—绿信比；
C—周期时长；
Ge—有效绿灯时长；
有效绿灯时间＝实际绿灯时间＋黄灯时间－损失时间。
3.3.4视频交通参数采集设备接入功能
前端信号机具备和视频车检器互联功能，信号机通过网络接收视频车检器的交通参数，根据视频车检器的交通参数进行感应控制。
信号机接收前端设置的4个方向的视频车检器，根据视频车检器采集的车流量及排队长度等交通参数，实现对路口的全感应控制，实现道路交通的有序、高效运行。
3.3.5多时段控制
多时段控制，根据交通需求变化情况，把一天的时间分成若干个控制时段，随时间的推移，按预置的方案自动运行。
各个方案运行期间信号周期、绿信比、相序不随道路状况的变化而变化，是根据典型状况的历史交通数据实现确定的。
在事先确定的方案中，绿灯时间的长短、信号周期长度以及每个相位上的绿灯起止时间都是相对固定的，即在某一个时间段上，上述配时参数保持不变。
多时段控制特别适合于交通量相对规律的交叉口，根据一天中交通量的波动情况，划分若干时间区段，对应于每个时间区段的平均交通量制定相应的配时方案。
图3.多时段控制方案图
3.3.6感应控制
感应控制，信号机依据进口车道上设置的视频车辆检测器测得的交通流数据来调节信号配时的一种控制方式。
感应控制的前提是建立视频车检器与相位的对应关系。
在交通量变化大而不规则、难于用定时控制处置的交叉口，以及在必须降低对主要干道干扰的交叉口上，用感应控制效益更大。
感应控制可分为半感应控制和全感应控制两种控制策略：
3.3.6.1半感应控制
只在部分进口道上设置检测器的感应控制。
●适用场合：
主次道路相交且交通量变化较大的交叉口
●视频车检器设在次路：
次路优先
●视频车检器设在主路：
主路优先，有车就为绿灯
Ø主路上的感应控制
在主路上设置视频车检器，相位在感应时间窗口内接收到来自检测器的请求，则增加一个延长绿的绿灯相位时间，以保证车辆能顺利通过该路口。
感应控制下默认运行最小绿灯时间，根据车辆检测信号递进增加绿灯时间，直到没有通行请求或增大到最大绿灯时间。
图4.感应控制示意图
图5.感应控制时间轴变化
图6.主路检测半感应控制流程图
Ø支路上的感应控制
这种系统，在每个交叉口的支路上安装检测器，支路检测有车时，仅允许支路不影响主街连续通行的前提下，可得到基本配时方案内的部分绿灯时间，并根据交通检测的结果，支路的绿灯一有可能就尽快结束，初始原则按照最小绿灯时间给予放行；支路上没有车辆时，绿灯将一直分配给主干线，保证主干线的通畅运行。
同样的设置下，也可支持相反逻辑的设置，即当支路上一检测到车辆信号就立即进入转换程序，给支路跳转绿灯，确保支路上车辆的通行。
这样的应用在一些特殊部门的出入口较适宜，如消防队的出口道路。
这样的控制方式适用于不同方向车流差异非常大的路口。
图7.支路检测半感应控制流程图
3.3.6.2全感应控制
全感应控制适用于道路等级相当，交通量相仿且变化较大的交叉口。
全感应控制所依据的主要控制参数为信号机所设定的“最小绿时间、最长绿时间、单位延长时间”，所有感应信号相位均设有最小绿时间、单位延长时间、最大绿时间等信号控制参数。
在所有进口道设置视频车检器，感应信号相位在感应时间窗口内接收到来自检测器的请求，则增加一个延长绿的绿灯相位时间，以保证车辆能顺利通过该路口。
感应控制下默认运行最小绿灯时间，根据车辆检测信号递进增加绿灯时间，直到没有通行请求或增大到最大绿灯时间。
其控制流程如图：
图8.全感应控制流程图
3.3.7无缆线协调控制（绿波控制）
无缆线协调控制是线协调控制的一种，各信号机之间不进行通信，要求信号时钟完全同步——一般采用GPS卫星校时。
无缆线协调控制方式，通过设定相位差来实现道路上不同交叉口之间交通信号的协调。
与定周期配置不同在于，无缆控制必须配置绿信比表中的协调相位以及相位差，且进行无缆线协调控制的各路口运行方案的周期长必须相同。
无缆线控的相位差是指进行无缆线协调控制的各路口运行方案之间，周期开始的时间差。
如下图，以相位1为协调相位，路口1的相位差为0，路口2的相位差为15秒，路口3的相位差为25秒。
图9.无缆线协调相位差
图10.无缆线协调示意图
3.3.8特勤路线
信号机支持特勤路线控制，在发生突发事件或有重要车辆需要通行时，可为这些车辆安排专门的线路供其快速通行，保证如消防车辆、救护车辆的快速通行。
3.3.9公交优先控制
系统具有多种科学合理、灵活实用的公交优先控制算法并能执行相应的优先控制，以满足一般公交优先、双向高频度公交优先或多方向公交优先的需求。
通过在公交车辆安装特殊发射装置或在公交专用车道上设置普通车辆检测器采集公交车辆的交通需求。
当公交车接近交叉口时，向检测器发出信号，检测器即把信号传给控制机，控制机指令信号灯由红灯改为绿灯，或继续延长绿灯时间。
公交停靠站设在交叉口上游一方时，可把检测器设在停靠站附近，当公交车离站时就可通知信号灯放绿灯，以免在交叉口前再次停车。
图11.公交优先控制示意图
3.3.10节假日不同季节控制
信号机支持根据节假日及不同季节的不同交通流量分布情况进行不同周期控制，实现道路交通的有序、高效运行。
3.3.11行人过街按钮控制
信号机支持行人按钮信号输入，可在路口和路段响应来自行人按钮的行人过街请求。
在没有行人过街请求时，有自动跳步控制功能，可最大限度的保证车辆通行效率。
3.3.12降级协调控制
在系统网络或者上位机控制出现故障时，系统可以降级到单点感应控制方式，进一步降级为单点定周期方式、黄闪控制。
3.3.13全红控制
在全红控制方式下，各信号源对应的通道输出红灯信号。
一般在交通管制的场景下应用。
3.3.14闪光控制
在闪光控制方式下，各信号源对应的通道按照预先设定的闪光模式和一定的频率进行闪光。
一般用在夜间车流量较少的叉路口，如一些经济开发区的路口，夜间启用该模式提醒司机通过路口时注意左右了望、小心通过，减少不必要的等待时间。
交通信号控制机有软件黄闪和硬件黄闪两种配置，系统采用独立的黄闪控制模块，黄闪控制更为可靠和节能，进入黄闪控制的途径主要包括：
硬件故障黄闪：
当信号机主控板、灯控板等硬件发生故障时，可以通过电源板的黄闪控制进入硬件故障黄闪；
时段黄闪：
通过参数设定，在指定时段进入黄闪工作模式；
手动黄闪：
可通过中心控制或机箱两旁的手动按钮使信号机进入手动黄闪工作模式。
图12.信号灯黄闪示意图
3.3.15手动控制
手动控制，交通管理人员可根据现场车流情况人为控制路口放行状态。
在由于节假日或交通事故导致路口严重拥堵，需人工疏导交通时，可帮助现场交通管理人员方便的改变信号灯工作状态。
手动控制支持2种模式，一种是机箱按键模式，一种是遥控器模式。
手动控制主要包括三项功能：
1）黄闪；
2）全红；
3）步进。
步进，信号灯按照相序执行下一个绿灯相位，按下步进后，信号灯会进入切换状态，当前绿灯相位进入绿闪，再跳转红灯。
即原先设定的相位过渡机制保留不变的前提下，提前执行下一个相序动作。
图13.手动控制按键板
3.3.16设备故障检测、处理功能
信号控制系统任何轻微的故障在信号灯上反馈出来都是不能接受的大问题，所以故障检测机制的引入必不可少。
信号机配备了独立的故障检测模块，可以对内、外设备进行故障监测、自诊断和记录，当发现故障后进行故障降级来确保交通安全，并发出故障警示信号。
信号机故障类型分为严重故障和一般故障，其中严重故障包括：
绿冲突故障、同一灯组红绿冲突故障、一组相位对应红灯信号均故障。
一般故障包括：
通信故障、检测器故障、电源故障等。
3.3.16.1严重故障
当发生严重故障时，交通信号控制机立即改为黄闪控制。
严重故障包括以下几种情况：
Ø绿冲突故障
预先设定的冲突相位（不应同时点亮绿灯的相位）在实际运行中发生同时点亮绿灯的情况，绿冲突可能导致严重的交通事故。
Ø同一灯组红绿冲突故障
信号灯线发生搭线或其他短路现象时，可能会导致同一灯组的红绿信号同时点亮，这种情况的发生将使驾驶员无所适从。
Ø一组相位对应红灯信号均故障
某一路输出所有信号灯的红灯均不能点亮，将导致该相位的机动车没有停止信号。
3.3.16.2一般故障
一般故障表现为不影响道路交通安全的其他一般故障，发现故障后能自动降级到更可靠的控制方式，保证信号机继续正常工作。
Ø通信故障
信号机与中心之间的通讯故障，这种情况下，基于区域控制的方案会自动降级到单点/线协调的控制方式。
Ø车辆检测故障
信号机通过设定的故障检测机制，判断线圈检测器是断路还是短路。
这种情况下，基于感应控制的方案会自动降级到多时段周期控制。
Ø电源故障
信号机电源电压超出正常使用范围时，信号机能自动检测，并生成故障报警信息。
3.3.16.3故障存储与发送
交通信号控制机能对所有在运行期间采集的故障信息进行存储记录，并向中心上传故障信息，所存储的信息也可通过手提电脑安装的工具软件显示、查阅。
3.3.17信号机状态监视功能
信号机支持用客户端软件登陆信号机，通过图形、图标的形式展示各关键参数的状态。
3.3.17.1版本信息
查看所用设备硬件型号和软件型号，在设备维护时可以第一时间反馈到所需的版本信息。
图14.版本信息示意图
3.3.17.2通道状态
通道状态：
实时显示当前路口各通道红黄绿端子的输出状态，每5秒自动刷新一次。
图15.通道状态示意图
3.3.17.3检测器脉冲
实时显示对应检测器通道的触发情况，可在检测器故障查询中起到故障位置定位的作用。
3.3.17.4协调状态
实时显示当前运行的控制方式、方案、周期长、当前周期和同步时间，每5秒自动刷新一次。
图16.协调状态示意图
3.3.17.5交通数据
查看过去三天以内的某个采集周期检测器统计流量、占有率，检测器流量采集周期通过单元参数可以设置。
图17.交通数据示意图
3.3.17.6信号机事件
查看所示的信号机事件信息，包括控制器、通信和检测器三类事件信息。
图18.信号机事件示意图
3.3.18校时功能
信号控制系统大部分功能都是基于时间的精确控制，没有同步时钟的前提，任何信号控制都难以达到预期的效果。
本系统支持两种校时模式，一种是接收来自控制中心的校时，一种是主动获取GPS信息来对系统进行校时。
采用GPS校时时，信号机直接从GPS卫星处获取标准时间，保证整个系统时间的同步。
在偏远路口的应用中，可节省线缆、施工的成本。
图19.GPS天线图
3.3.19信号机特征参数导入/导出
支持通过客户端软件进行信号机特征参数的导入、导出操作，可方便问题排查、技术人员远程协助。
3.3.20视频监控功能
视频车检器除了具备交通参数采集功能外，还可实现视频监控功能，采用200万高清CMOS低照度摄像机，且画面场景与一般监控摄像机差异不大，可完全满足常规道路监控的要求。
图20.视频监控功能示意图
3.3.21扩展功能
信号机在硬件接口和软件能力上都做了足够的预留，可针对项目实现客户个性化的定制需求。
●开关门报警
可通过信号机IO接口实现机箱开关门信息的记录、上传和报警，可以对前端信号机起到一定防盗、防破坏的功能。
●无线传输功能
信号机支持无线传输功能，可通过内置USB口扩展Wifi或3G模块，实现数据的无线传输。
无线传输功能使得信号机的前端布局更加灵活，场景适应性更强，同时在线缆、施工的成本上也有较大的节省。
●遥控器控制功能
信号
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