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

1.引言交通信號控制系統(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。由于我國在道路交通信號控制系統(tǒng)的應用和研究工作方面相對國外發(fā)達國家來說起步較晚，因此系統(tǒng)建設走的是引進與自主研發(fā)并行的道路，經(jīng)過20世紀80年代至今這幾十年的發(fā)展和建設，國內交通信號控制系統(tǒng)建設取得了快速發(fā)展，形成了眾多的的交通信號控制系統(tǒng)應用品牌。但是，作為交通信號控制系統(tǒng)建設非常重要一環(huán)的通信標準、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)一接口標準，直接導致了信號控制系統(tǒng)的信息難以為其他交通管理業(yè)務系統(tǒng)服務，大大降低了系統(tǒng)的應用效率。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，為適應不斷增長的交通管理需求，各種交通管理應用系統(tǒng)逐步建成。如何綜合這些系統(tǒng)中種類繁多的交通信息，對其功能進行集成應用，從而及時全面地掌控復雜交通狀況，實時監(jiān)控和調度各類交通資源成為急需解決的問題。公安交通集成指揮平臺由此而誕生，它集成了公安交通管理中各業(yè)務系統(tǒng)的主要功能和信息，實現(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、指揮靈敏、反應及時、響應快速，大大提高了指揮調度效率。而城市道路交通信號控制系統(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如何集成目前種類繁多的交通信號控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換成為急需解決的問題。本文針對我國目前交通信號控制系統(tǒng)和公安交通集成指揮平臺普遍建設中數(shù)據(jù)通信協(xié)議標準缺失的問題，通過分析國內外現(xiàn)有道路交通信號系統(tǒng)的應用及相關通信協(xié)議現(xiàn)狀，歸納整理了公安交通集成指揮平臺對交通信號控制系統(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構架，設計了基于XML組織數(shù)據(jù)內容的通信協(xié)議，為實現(xiàn)公安交通集成指揮平臺對交通信號控制系統(tǒng)的集成提供了一種較為通用的方法。2.國內外現(xiàn)2.1.國內信號系統(tǒng)及交通集成指揮平臺應用情況我國在城市交通信號控制系統(tǒng)的研究和應用工作方面起步較晚，20世紀80年代以來,一方面進行了以改善城市市中心交通為核心的UTSM（城市交通信號管理）技術研究；另一方面采取引進與開發(fā)相結合的方針，引入了部分國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、長春的ITACA系統(tǒng)等）。其后、隨著國內交通信號控制技術的逐步成熟，一批針對我國交通流特點、具有自主知識產(chǎn)權的交通信號控制系統(tǒng)（如華通HT-UTCS，海信HiCon等等）相繼出現(xiàn)。經(jīng)過這幾十年的發(fā)展和建設，我國城市交通信號控制系統(tǒng)的市場品牌總數(shù)達到20多個，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2007年底，全國信號燈控制的路口數(shù)量達到四萬二千個，在道路上運行的信號機達到了四萬二千多臺。2000年全國交警部門開始建設公安交通集成指揮平臺，目前，全國共有590余個城市（包括縣級市）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，其中400余個城市實現(xiàn)了信號區(qū)域控制或主次干道“綠波帶”（線協(xié)調控制）控制。2.2.國內外信號控制系統(tǒng)的通信協(xié)議、標準現(xiàn)狀在國外，城市交通信號控制系統(tǒng)技術已較為成熟，但也出現(xiàn)了系統(tǒng)與設備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互操作的難題。于是，美國國家電器制造商協(xié)會NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）于1992年著手開發(fā)通用性的交通信號控制系統(tǒng)通信協(xié)議（NTCIP：NationalTransportationCommunicationsforITSProtocol）。其初步設計構想源自于交通信號機的應用需求：無論任何一種交通信號控制系統(tǒng)以及信號機只要遵從NTCIP協(xié)議就可以實現(xiàn)互聯(lián)、互操作和實時通信。目前，由ITE、AASHTO與NEMA共同組成的NTCIP聯(lián)合委員會已通過報告、期刊與網(wǎng)站等方式進行NTCIP技術與應用的推廣?，F(xiàn)階段，NTCIP已上升為針對智能交通系統(tǒng)電子設備間數(shù)據(jù)傳輸所制定的標準通信協(xié)議。其主要目標是確保交通控制與ITS系統(tǒng)組成單元彼此之間的“互操作性（Interoperability）”與“互換性（Interchangeability）”。NTCIP的應用一般分為兩大類：中心到外場（C2F）及中心到中心（C2C）的應用。前者通常包含路側設施或者是各運營部門所擁有的車輛與管理中心的計算機之間的信息傳輸。而后者則主要是管理中心的計算機或各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。NTCIP標準采用了分層的架構，分別為信息層，應用層，傳輸層，子網(wǎng)絡層和物理層。其架構如圖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)場設備或與不同控制中心之間通信的標準。對于應用層、傳輸層、子網(wǎng)絡層、實體層都應用了已有的成熟標準，其關鍵是制定了信息層的相關標準。而與交通信號控制系統(tǒng)中相關的NTCIP標準有：NTCIP1201、1202等，與中心到中心通信相關的NTCIP標準有：NTCIP2500、2501、2502等。國內交通信號控制系統(tǒng)通信協(xié)議、標準現(xiàn)狀1993年公安部制訂了我國信號機的行業(yè)標準GA/T47-93《交通信號機技術要求與測試方法》，該標準按基本功能對交通信號機作了分類，規(guī)定了交通信號機的技術要求和測試方法，是我國首個信號機標準。2002年公安部對該標準進行了修訂，并改為強制性標準GA47-2002《道路交通信號控制機》。新標準對集中協(xié)調式道路交通信號機的物理通信接口、基本通信內容進行了規(guī)定，但具體通信協(xié)議、格式等內容未包含在標準中。2004年，公安部頒布了行業(yè)標準GA/T509《城市交通信號控制系統(tǒng)術語》規(guī)定了城市交通信號控制系統(tǒng)中的專用術語。2005年，頒布了GA/T527《城市道路交通信號控制方式適用規(guī)范》規(guī)定了城市道路交通信號控制方式。以上標準都未涉及通信協(xié)議方面的內容。

2008年我國正式出臺國家標準GB/T20999-2007《交通信號控制機與上位機間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議》，該標準規(guī)定了信號機與上位機間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議的結構及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層的要求，協(xié)議在參考美國NTCIP協(xié)議和美國加州AB3418標準的基礎上，采用了四層結構，見圖2。適用于交通信號控制系統(tǒng)信號機與上位機間的通信，此項標準的發(fā)布，對我國信號控制系統(tǒng)來說無疑是一大進步。2010年頒布了《道路交通信號控制機與車輛檢測器間的通信協(xié)議》規(guī)定了道路交通信號控制機與車輛檢測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.

國內外信號系統(tǒng)及協(xié)議比較分析

以下選擇了當前在我國使用的最具代表性及實效性的國外系統(tǒng)和部分我國自主研發(fā)的交通信號控制系統(tǒng)進行系統(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部協(xié)議數(shù)據(jù)交換協(xié)議結構SCOOT英國交通與道路研究所方案形成式自適應控制系統(tǒng)私有協(xié)議無集中式控制SCATS澳大利亞新南威爾士州道路交通局方案選擇式自適應控制系統(tǒng)私有協(xié)議自定義ITS接口協(xié)議三級分布式控制ACTRA美國西門子公司方案形成式＋專家系統(tǒng)的自適應控制系統(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研究所方案形成＋專家系統(tǒng)式自適應控制系統(tǒng)私有協(xié)議自定義接口協(xié)議三級分布式控制海信HiCon青島海信網(wǎng)絡科技股份有限公司感應式協(xié)調、方案選擇NTCIP自定義接口協(xié)議三級分布式控制萊思信號系統(tǒng)南京萊斯信息技術有限公司自適應控制私有協(xié)議自定義接口協(xié)議二級分布式

表格1國內外城市道路交通信號控制系統(tǒng)分析表

以上系統(tǒng)都有各自的特點，但在系統(tǒng)內、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)內部數(shù)據(jù)交換方面：國外系統(tǒng)中心與信號機都按照系統(tǒng)各自專用的協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，只能使用自己的專用信號機，對國產(chǎn)信號機都無兼容性；國內系統(tǒng)同樣如此，系統(tǒng)與系統(tǒng)，系統(tǒng)與信號機之間相互不兼容。當前，我國信號機與上位之間通信協(xié)議的國家標準GB20999雖然已經(jīng)制定并頒布，但其正式應用尚未展開，從目前情況來看，國外系統(tǒng)使用GB20999的可能性極小，國內系統(tǒng)使用該標準的也極少，包括這個標準的制定單位青島海信網(wǎng)絡科技股份有限公司自身的信號控制系統(tǒng)尚未應用該標準，而是使用了NTCIP。在系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)交換方面：各個系統(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)議來進行數(shù)據(jù)交換。

綜上所述，對于城市交通信號控制系統(tǒng)通信協(xié)議標準，國外研究比較早，已形成了NTCIP協(xié)議標準，而國內由于在ITS系統(tǒng)建設及其相關技術研究方面起步較晚，目前通信協(xié)議相關標準仍在制定過程中。在交通信號控制系統(tǒng)通信協(xié)議標準方面，目前僅有《GBT20999交通信號機與上位機通信信協(xié)議》與《GAT920-2010信號機與檢測器間的通信協(xié)議》這2個標準，標準層次較低，在應用層消息定義中仍關注的是以參數(shù)幀代碼為基礎的機器會話方式，與應用程序的聯(lián)系較差，沒有體現(xiàn)應用層定義的優(yōu)勢。交通信號控制系統(tǒng)系統(tǒng)與其他ITS系統(tǒng)之間系統(tǒng)層面的通信標準、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的深化應用和發(fā)展，對各類交通信息的采集分析、集成應用的要求越來越高，交通信號控制系統(tǒng)作為公安集成指揮平臺重要的子系統(tǒng)，在城市交通管理現(xiàn)代化建設中倍受關注，如何與交通信號控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換成為急需解決的問題。3.

需求分析3.1.

應用范圍與定位

通信協(xié)議用于交通信號控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮平臺之間的數(shù)據(jù)交換，是一個中心對中心（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對交通信號控制系統(tǒng)信息的集中、共享、顯示、監(jiān)管這4各方面。1）

集中：指對所有現(xiàn)場交通信號機及交通信號控制系統(tǒng)的各項信息集中管理；

2）

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

3）

顯示：可以不通過交通信號控制系統(tǒng)的功能界面直接在指揮平臺中顯示信號控制系統(tǒng)和現(xiàn)場信號機的動、靜態(tài)數(shù)據(jù)；

4）

管：包括2個方面，一是對整個交通信號控制系統(tǒng)及其控制的現(xiàn)場交通信號機的實時狀態(tài)、故障、運行效果的監(jiān)測；二是對系統(tǒng)及其控制的現(xiàn)場信號機的日志及采集的交通流數(shù)據(jù)進行查詢統(tǒng)計，用于后期的評價、評估及故障、狀態(tài)回溯。通過公安集成指揮平臺對交通信號控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換內容和格式的總結分析，得出數(shù)據(jù)交換的基本需求：n

通用、開放、可擴展的數(shù)據(jù)格式標準；n

數(shù)據(jù)交換內容是結構化和層次化的；n

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

功能需求通過調研與項目實施經(jīng)驗的總結，總結并整理出接入公安集成指揮平臺的交通信號控制系統(tǒng)必須具備的功能要求：1)

能夠與所有系統(tǒng)控制路口信號機進行實時通信；2)

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

具備實時控制接口，能夠對路口信號機進行簡單的實時控制。支持單點多時段定時控制方式、單點感應控制方式、上位機控制、線協(xié)調控制方式、區(qū)域協(xié)調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)

具備路口信號機的故障檢測及自動報警功能；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，供應商，系統(tǒng)包含的區(qū)域號列表；區(qū)域配置信息：包括區(qū)域的編號，名稱，每個區(qū)域的子區(qū)號列表，路口號列表；子區(qū)配置信息：子區(qū)的編號，名稱，子區(qū)中包含的路口號列表?？梢圆辉O子區(qū)；路口配置信息：路口的編號，名稱，特征，檢測器、車道、相位、階段配時及配時方案等信息。2）

系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)：包括系統(tǒng)時間、系統(tǒng)運行狀態(tài)、各區(qū)域、各路口運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)；故障報警數(shù)據(jù)：路口通信斷開，信號機、信號燈、檢測器等故障報警；路口的實時控制數(shù)據(jù)：包括當前配時方案號，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控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮平臺之間不間斷的穩(wěn)定數(shù)據(jù)交換通信需要。2）

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

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

可擴展性建立在開放、通用的標準之上，能夠適應需求的變化，在不影響現(xiàn)有應用的前提下，靈活的擴展通信信息內容。4.

通信協(xié)議結構及內容實現(xiàn)4.1.

設計原則及目標通過需求分析，依據(jù)交通信號控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的內容和特點，充分考慮可擴展性和可實施性，制定的設計原則如下：n

遵守現(xiàn)有的相關標準交通信號控制系統(tǒng)涉及交通、計算機、通信等眾多的領域，數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議必須與相關的標準相兼容和協(xié)調。協(xié)議交換的數(shù)據(jù)應遵循交通信號控制機及通信現(xiàn)有國家標準與行業(yè)標準。n

開放性建立在開放、通用的標準之上。兼容國內外交通信號控制系統(tǒng)，支持中英文。n

可實施性數(shù)據(jù)交換的格式?jīng)Q定系統(tǒng)運行的效率以及對通信的依賴程度，要滿足系統(tǒng)的“交互性”，數(shù)據(jù)的格式應當是一種能夠容易上升為標準的格式，也能被系統(tǒng)開發(fā)者便于接受和廣泛使用的格式。協(xié)議應立足交通信號控制系統(tǒng)的客觀需求，著眼于我國交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，以標準化系統(tǒng)的應用開發(fā)以及統(tǒng)一化數(shù)據(jù)交換格式為目標。就目前來說，該數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議力求建立一個符合我國城市交通信號控制系統(tǒng)中心與公安交通集成指揮平臺數(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、開放和可擴充的交通信號控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換規(guī)范語言，并充分考慮了城市交通信號控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮平臺的接口及接入方式的可行性及實施代價。4.2.

協(xié)議結構1）

OSI模型OSI模型是一個由國際標準化組織（ISO）提出的開放系統(tǒng)互連參考模型，有7層結構，每層都可以有幾個子層。OSI的7層從上到下分別是：7應用層->6表示層->5會話層->4傳輸層->3網(wǎng)絡層->2數(shù)據(jù)鏈路層->1物理層。其中高層，既7、6、5、4層定義了應用程序的功能，下面3層，既3、2、1層主要面向通過網(wǎng)絡的端到端的數(shù)據(jù)流。OSI模型通過七個層次化的結構模型使不同的系統(tǒng)不同的網(wǎng)絡之間實現(xiàn)可靠的通訊，最主要的功能使就是幫助不同類型的主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。2）

NTCIP使用的5層模型結構OSI7層模型是現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡應用的基礎，目前廣泛應用的各類計算機通信協(xié)議都是基于它設計建立的，例如著名的Internet通訊基礎協(xié)議TCP/IP?，F(xiàn)有交通控制自動化技術都是以計算機信息技術為基礎建立起來的，因此交通控制相關通信協(xié)議的設計都參考和借鑒了計算機通信的協(xié)議、規(guī)范。NTCIP協(xié)議的設計同樣參考了OSI分層模型，但是簡化為了5層。通常，兩個計算機或其他的電子設備之間的數(shù)據(jù)通信能夠包括以下的主要層：叫做NTCIP“層”，用來和OSI模型定義的層相區(qū)分。

NTCIP信息層－信息標準定義了數(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)絡信息）。NTCIP應用層－應用標準定義了數(shù)據(jù)交換信息的規(guī)則和程序。NTCIP傳輸層－傳輸標準定義了交換網(wǎng)絡上兩點之間的應用數(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)絡管理功能。NTCIP子網(wǎng)絡層－子網(wǎng)絡標準定義了某些通信媒體上兩個“相臨”設備間的數(shù)據(jù)交換的規(guī)則和程序。NTCIP實體層－實體層包括使用NTCIP通信標準并將對用于挑選出的通信基礎設施上適當?shù)淖泳W(wǎng)絡層的選擇有直接影響的通信設施。3）

本通信協(xié)議的結構設計本協(xié)議結構的設計在借鑒上述模型的同時也考慮了目前國內的實際情況。我國交通信號控制機以及其控制系統(tǒng)主要由企業(yè)設計制造，目前市場上已有國內外的多家信號機生產(chǎn)廠商開發(fā)的信號控制系統(tǒng)實際應用，在目前先有系統(tǒng)后設計通信協(xié)議的實際情況下要充分考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的實際應用情況，各個信號系統(tǒng)廠商的接受程度以及實施代價，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控制系統(tǒng)接口來看，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（參見圖1）中的實現(xiàn)都具備多條選擇路徑，每一層都基于現(xiàn)有的通信協(xié)議可選擇多種實現(xiàn)，各廠商根據(jù)自身的技術儲備及應用要求在從應用層到實體層的實現(xiàn)各不相同。當前如果在設計通信協(xié)議中對每一層的具體實現(xiàn)技術、協(xié)議再做出唯一的規(guī)定顯然不切合實際情況，也不可能為廣大信號系統(tǒng)廠商接受。因此，基于“信息層”來定義確定交通信號控制系統(tǒng)與集成指揮平臺交換數(shù)據(jù)的范圍，定義數(shù)據(jù)和信息的意義，對于應用層、傳輸層、子網(wǎng)絡層及實體層不做強制要求，由各個廠商選擇最適合應用場景的技術來實現(xiàn)，是符合當前實際情況的最佳選擇。參考NTCIP協(xié)議的分層結構，結合交通信號控制系統(tǒng)與公安交通集成指揮系統(tǒng)的具體通信需求，以及目前我國市場上使用的各種國內外交通信號控制系統(tǒng)的實際情況，設計了基于“信息層”的數(shù)據(jù)交換通信協(xié)議，見圖6。

4.3.

基于XML的協(xié)議內容組織XML作為一種元標記語言，它提供了一個標準，利用這個標準，應用系統(tǒng)可以根據(jù)需要制定自身領域的新標記語言和配套標簽。XML這一能夠以統(tǒng)一的格式描述信息的文本化語言，將不同系統(tǒng)來源的信息按照統(tǒng)一的格式描述和相互轉換，已經(jīng)成為了信息標準化進程和數(shù)據(jù)交換的有力工具。XML最突出的應用就在于作為信息交換的數(shù)據(jù)格式技術標準，它本身具有自描述性、可擴展性、可移植性和結構性的特點，所以基于XML的數(shù)據(jù)描述格式的擴展性和靈活性允許它描述不同種類應用軟件中的數(shù)據(jù)。XML不依賴于平臺、廠商和特定應用程序的特性，因此可以被應用于異構平臺和不同應用程序間的數(shù)據(jù)交換和集成，允許異構數(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)特定的應用定義自己的標簽來描述數(shù)據(jù)是其最重要的功能，而且XML的最終目標是提供異構與系統(tǒng)、廠商無關的統(tǒng)一解決方案。交通信號控制系統(tǒng)中存在中心到中心數(shù)據(jù)交換和共享的需求，通過分析發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)有系統(tǒng)是由不同的軟件開發(fā)商采用各自喜好的數(shù)據(jù)格式來開發(fā)實施，存在數(shù)據(jù)格式的差異性，導致了系統(tǒng)集成和系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的難度、甚至不能進行數(shù)據(jù)交換。要使交通信號系統(tǒng)能被有效的集成到智能交通系統(tǒng)體系中，大家已經(jīng)公認只有通過采用統(tǒng)一、標準化的數(shù)據(jù)格式或采用達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放的、通用的數(shù)據(jù)描述標準，在定義數(shù)據(jù)結構的同時可以突出對結構的描述，從而體現(xiàn)出數(shù)據(jù)之間的關系。而且，基于XML的數(shù)據(jù)格式標準不依賴于操作系統(tǒng)、編程模式或編程語言，以及目前大量XML開發(fā)工具在各種軟硬件平臺上都具備豐富應用的實際情況，為交通信號控制系統(tǒng)的集成提供了一種簡單、性價比好的解決方案。4.4.

通信封包通信雙方設計以互發(fā)數(shù)據(jù)包的模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)包也稱為消息以XML序言加上根元素標記開頭，UTCSPkg>標記結尾的一組字符串數(shù)據(jù)。采用XML語言封裝，XML版本1.0，使用GB18030字符集，UTF-8編碼。參考GB-20999標準中消息類型的定義，我們設計了類似的消息類型以及對應消息類型的處理流程，通過如下圖7的通信包結構來封裝所有通訊數(shù)據(jù)。

具體定義如下：UTF-8"?>

版本號Ver>令牌

源地址Src>

目的地址Dest>

消息類型序列號Seq>

”順序編號”name=”操作說明”>

……

UTCSPkg>n

版本號:Ver>標記之間的內容為消息的版本號。n

令牌:標記之間的內容為消息的令牌，用于驗證數(shù)據(jù)通信雙方的會話是否經(jīng)過認證。n

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

目的地址:Dest>標記之間的內容為消息的目的地址，它表示了消息的接收方。n

消息類型:標記之間的內容為消息的類型，分為以下4種類型:請求消息（Req），應答消息（Resp），主動推出消息（Push），錯誤消息（Err）。n

序列號:Seq>標記之間的內容為消息的序列號，用于應答消息和發(fā)送消息之間的一一或者多對一的對應。n

消息體:標記之間的內容為消息體，它包含了消息的具體內容。消息體中可以包含一個或多個操作命令。n

操作命令:標記之間的內容為操作命令，它包含了消息的具體內容。操作命令包含了兩個屬性:No表示操作命令的順序編號，從1開始。name表示操作命令的說明。單個操作命令可以包含一個或多個操作對象。n

操作對象:標記之間的內容為操作對象，包含對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標識了對象的具體類型，其取值參見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)類型分為以下幾個大類。1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典2）信號系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，其組織結構如下圖所示：

注：可以不設子區(qū)，路口與子區(qū)并列直屬區(qū)域4）

系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

5）

系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)協(xié)議中每一個對象的具體內容不在此詳細列出，僅以路口參數(shù)對象CrossParam為例：

RegionNo>CrossNo>CrossName>

DetNo>DetNoList>

LaneNo>LaneNoList>…………

取值說明見下表格2序號元素名說明1RegionNo區(qū)域號（從1開始）2CrossNo路口號（從1開始）3CrossName名稱4Feature特征5DetNoList檢測器號列表6DetNo檢測器號（從1開始，在單個路口中唯一）7LaneNoList車道號列表8LaneNo車道號（從1開始，在單個路口中唯一）9PhaseNoList相位號列表10PhaseNo相位號（從1開始，在單個路口中唯一）11StageNoList階段號列表12StageNo階段號（從1開始，在單個路口中唯一）13PlanNoList配時方案號列表14PlanNo配時方案號（從1開始，在單個路口中唯一）

表格2路口參數(shù)對象取值說明5.交通信號控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換接口軟件1.

軟件簡介交通信號控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換接口軟件基于上述通信協(xié)議開發(fā)，使用計算機網(wǎng)絡通訊技術，實現(xiàn)了交通信號控制系統(tǒng)和公安交通集成指揮平臺的數(shù)據(jù)通信。結合作者實際工作項目需求，選擇公安部交通管理科學研究所開發(fā)的城市交通信號控制系統(tǒng)(HT-UTCS)與北京易華錄信息技術股份有限公司開發(fā)的集成指揮平臺(EHLATMS)作為軟件的通信雙方主體。接口軟件實現(xiàn)了以下功能：（1）交通信號控制系統(tǒng)和路口交通信號控制機配置信息的獲??；（2）對信號系統(tǒng)狀態(tài)、路口控制方式、信號燈顯示狀態(tài)等運行狀態(tài)以及設備故障狀態(tài)的實時監(jiān)視，當路口狀態(tài)發(fā)生變化時及時自動反饋；（3）可查看路口配時方案的執(zhí)行狀態(tài)和下達簡單控制命令到信號機進行人工干預和控制；（4）實時交通流數(shù)據(jù)的自動上報和歷史交通流數(shù)據(jù)的查詢。軟件使用跨平臺的Java語言開發(fā)，在使應用層和傳輸層使用基于TCP/IP協(xié)議Socket網(wǎng)絡通訊，在子網(wǎng)絡層使用以太網(wǎng)接口，在實體層不做要求。軟件兼容目前主流的各種操作系統(tǒng)及硬件平臺，適用于目前主流的各類公安交通指揮中心的應用場景。2.

技術構架系統(tǒng)采用C/S結構，使用TCP/IP網(wǎng)絡通訊協(xié)議，基于Socket通訊。在雙方通信開始前接口軟件作為客戶端(Client)主動連接作為服務端(Server)的集成指揮平臺，通信連接建立后不再區(qū)分客戶端和服務端，雙方對等通訊見圖10。考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實時性，接口軟件采用Socket網(wǎng)絡實時通訊與通用數(shù)據(jù)庫訪問接口相結合的方式同交通信號系統(tǒng)進行通信。對于實時性要求高，數(shù)據(jù)量小的控制命令，控制狀態(tài)、實時交通信息等數(shù)據(jù)采用高效可靠基于TCP/IP協(xié)議的Socket通訊；對于實時性要求低、數(shù)據(jù)量大的信號控制系統(tǒng)基礎信息、配置信息、歷史交通數(shù)據(jù)等采用通用數(shù)據(jù)庫訪問實現(xiàn)，結構見圖11。

在開發(fā)技術方面，系統(tǒng)采用跨平臺的JAVA語言開發(fā)，使用Apache開源網(wǎng)絡通訊組件MINA實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊的封裝，JDBC來訪問信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，SAX解析器解析XML文檔。借助MINA的插件式網(wǎng)絡協(xié)議編解碼構架見圖12中的ProtocolCodecFactory部分，開發(fā)了XMLCodecFactory,XMLEncoder,XMLDecoder對象封裝了基于XML的通信協(xié)議的編解碼，實現(xiàn)接口軟件與集成指揮平臺的高效實時通信；開發(fā)了UTCSCodecFactory,UTCSEncoder,UTCSDecoder對象封裝了HT-UTCS信號系統(tǒng)基于字節(jié)流的內部通信協(xié)議，實現(xiàn)接口軟件與信號系統(tǒng)的實時通信