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第６卷
第１期 ２００５年３月
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ
信息工程大学学报 Ｉｎｆｏ瑚ａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙ
Ｖ０１．６ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２００５
基于ＧＰＲＳ的城市交通信号控制系统设计
姚远，赵荣彩
（信息工程大学信息工程学院，河南郑州，４５０００２）
摘要：论文针对设计的基于ＧＰＲＳ技术的交通信号控制系统，介绍了系统的检测子系统、通信 子系统以
及指挥控制中心和路口信号机各部分的设计，着重对系统的实时性和可靠性设计进 行了分析和论述。 关键词：ＧＰＲＳ；交通信号控制系统；实时性；可靠性 中图分类号：ＴＰ３１１：ＴＮ９２
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｒｂａｎ
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１—０６７３（２００５）０１—００９０—０４
ｏｎ
Ｔｒａｍｃ Ｓｉ印ａｌ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ
ＧＰＲＳ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ野
ＹＡＯ Ｙｕａｎ，ＺＨＡＯ Ｒｏｎｇ—ｃａｉ
（Ｉｎｆｏｎｎ８ｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｌｌｓｔｉｔｕｔｅ，Ｉｎｆ０瑚ａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ｔｒｏｄｕｃｅｄ
ａｔ
ｔｈｅ ｕｒｂａｎ ｔｒａｍｃ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｔｍｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ ＧＰＲＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ—
ｃｅｎｔｒｅ
ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ、ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ、ｔｈｅ ｃｏｍｍａｎｄ ａＴｌｄ ｃｏｍｒｏｌ
ａｎｄ ｔｒａｆｆｉｃ ｓ培ｎａｌ ｃｏｎｔｒ０１ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎｄ ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＰＲＳ；ｕｒｂａｎ ｔｍｍｃ ｓｉｇＩｌａｌ ｃｏｎｔｒ０１ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅａｌ ｔｉｍｅ
ｐｅｄ’ｏ珊ａｎｃｅ
ｐｅｒｆｏ珊ａｎｃｅ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
行定点多时段的交通控制策略，同时也可以执行绿
１
引言
城市交通信号的控制与管理是当前任何一个
波控制、自适应控制和感应控制等多种控制方法。 在系统初始时，可以根据不同的交叉路口、交通干 道和交通区域，选择设置不同的控制策略。 本文主要结合以上系统特点，重点介绍了该系 统各组成部分及它们之间的关系，并对系统的实时 性和可靠性作了分析。 ２
现代化城市所需要面对的。在改善道路通行状况、 减轻交通堵塞所造成的损失等方面，城市交通信号 控制系统发挥着不可替代的作用，其控制与管理的 优劣直接影响城市道路交通拥堵或疏通的效果。 针对我国目前城市交通信号控制的实际情况， 我们设计开发了一种交通信号控制系统。该系统 的主要特点是： ①使用ＧＰＲｓ无线网络作为系统通信的主要 手段，完成路口信号机与指挥控制中心计算机的
信 息传输。对于一些中小城市，如果采用光纤进行交 通信号控制系统的通信手段，需要完成专线的架 设，成本较高，施工、维护等的难度也较大。而 ＧＰＲｓ无线通信方式由于价格低廉和能够满足实际 系统的大部分需要而更适合于我国中小城市的交 通网络信号控制。 ②采用多种交通控制策略。系统不仅可以执
系统组成
该交通信号控制系统由指挥中心服务器、路口
信号控制机、检测系统和通信系统组成。指挥中心 和路口信号控制机是系统的主体，检测系统负责对 交通流信息进行实时采集，而通信系统起到了连接 其它组成部分的桥梁纽带作用。它可以快速、准 确、实时地将各路口检测系统采集到的交通流信息 传给指挥中心，使交通管理人员能够准确获得路网 各个路口的交通流数据和路口信号机的运行状态， 同时还可以通过指挥中心将控制命令和控制参数 快速、准确、实时地传给各个路口信号机。下面对
收稿日期：２００４一０９一０２；修回日期：２００４—１２—２０
万  方数据
作者简介：姚远（１９７２一），男，湖北武汉人，信息工程大学讲师，主要研究方向为计算机软件与
理论。
第１期
姚
远等：基于ＧＰＲｓ的城市交通信号控制系统设计
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系统的各个组成部分及它们间的相互关系进行详 细介绍。 ２．１检测部分 当系统按照感应控制和自适应控制等交通控 制策略执行时，需要对交通流量进行检测，因此，对 交通流信息的实时与准确采集成为系统设计的关 键内容之一。 一般来说，交通流信息的采集可以通过固定安 装在路口附近的检测设备来完成。检测设备利用 埋设在车道路面下的环形线圈不问断收集过往车 辆的信息，将这些信息通过串口交给路
口信号机。 路口信号机将车辆信息，包括车辆通过的时间、地 点等经过简单处理后通过网络通信系统发送到指 挥控制中心。指挥中心服务器根据检测到的交通 流信息，按照不同的交通控制策略算法建立不同的 计算模型，自动产生相应的控制命令和控制参数， 并将其发送到各个交叉路口。另外，交通流信息作 为道路交通信息的主要来源，还被存入服务器的交 通信息数据库。 ２．２通信部分 通信部分是
交通信号控制系统的重要组成部 分之一，它可以使交通管理人员准确获得各个路口 的交通流量和路口机的运行状态，为提高路网的控 制效果创造条件。因此，如何能够快速、准确、实时 地将各个路口的交通流数据和路口信号机运行参 数发送给指挥中心，并将指挥中心的控制命令和参 数发送给路口信号机，就成了整个控制系统高效运 行的重要环节。 目前我国现有的交通信号控制系统网络构成 中，数据通信主要采用有线方式。按照数据通信使 用的通信设备和运行软件的不同，主要分为这样几 种。一种是路口的信号控制机与指挥中心之间的 通信是单工模式，只能接收指挥中心发送来的数 据，没有办法向指挥中心上传数据；另一种是路口 的信号控制机与指挥中心之间的通信是半双工模 式的，双方通过ｍｏｄｅｍ连接ＰＳＴＮ公用电话网络， 采用非专线的数据通信方式完成数据通信；较为理 想的一种是路口的信号控制机与指挥中心之间通 过光纤等专线直接进行数据通信。 在上述的３种通信方式中，前两种方式实现简 单，成本较低，但是通信与控制效果不够理想，而第 ３种方式，虽然可以达到较为理想的控制效果，但 是成本较高。因此，在系统设计的过程中考虑到使 用ＧＰＲｓ无线网络作为系统的通信网络。 ＧＰＲＳ是在原有ＧｓＭ网络基础上引入的无线
分组接人技术，利用无线信道资源，用户不需要利 用电路交换模式的网络资源，可以随时接收与发送
数据，享受“永远在线”的数据业务服务。Ｇ腿ｓ的
技术优势主要体现在这样两个方面：一方面，它可 以实现用户数据与无线网络的最佳结合，从而确保
了分组模式数据应用的成本效益和无线网络资源 的有效利用；另一方面，它实现了ＩＰ协议的透明传 送，由于ＧＰＲｓ支持基于标准数据协议，所以它支 持所有基于ＴｃＰ／ＩＰ协议的应用，保证基于ＧＰＲＳ 的应用可以实现与互联网的连接。 在系统的实现中，系统使用ＧＰＲｓ模块来实现 路口信号机与ＧＰＲＳ网络的连接。ＧＰＲＳ模块一般 是指带有ＧＰＲｓ上网功能的ＧＳＭ模块，目前市场上 有很多选择
，比较流行的是西门子公司的Ｔｃ３５系 列。ＧＰＲｓ模块具有连接方便、使用简单、功能强大 的特点，它与路口信号机间通过串口进行连接，使 用的通信协议是符合ＥＩｓＩ制定的ＧｓＭ０７．０７规范 标准的ＡＴ命令集。同时由于ＧＰＲｓ是基于ＩＰ协 议的，所以路口信号机与ＧＰＲｓ网络通信时，要发 送符合ＩＰ协议的数据包。 ２．３路口信号机与指挥中心 路口信号机是系统的核心部分，其硬件采用了 嵌入式工控机。之所以使用嵌入式，是为了保证其 本身的高可靠性。嵌入式工控机使用的处理器是 低功耗ＣＰｕ，无需冷却风扇，减小了系统的不可靠 因素。在嵌入式工控机上运行Ｉｊｎｕｘ系统，可以非 常容易地实现ＴＣＰ／ＩＰ协议。因为ＧＲＰｓ在链路层 采用的是ＰＰＰ协议，在中国移动的接入网关ｃＭ． ＮＥＴ中就是使用ＰＰＰ协议与ＧＰＲｓ进行协商通信 的。而在“ｎｕｘ系统中，ＰＰＰ作为系统提供的一项 服务，能够支持在串行线上的ＴｃＰ／ＩＰ使用，这就使 得用户可以通过串口与ＧＰＲｓ模块通讯，并通过 ＧＰＲｓ网络连入Ｉｎｔｅｍｅｔ中。当然，为了节省成本， 也可以选择单片机代替嵌入式工控机，但是开发难 度较嵌入式工控机大，需要在单片机上实现ＩＰ协
议。 指挥中心部分的程序是典型的基于ＩＰ协议和 互联网的分布式应用程序。由于指挥中心需要实 时和多个路口完成数据通信，在程序的开发中主要 需要考虑并行性和实时性的要求。另外，指挥中心 本身的优化和配置也非常重要。为了达到理想的 交通控制效果，在指挥中心部分还设置有单独的数 据库服务器，专门存放交通阻塞信息、交通数据信 息及实时的和历史的控制数据和状态数据等信息， 并在交通信息数据库的基础上建立了相应的各种
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２００５年
专用数据库。
照一定格式变为纯数字文本。 ②半字节数据压缩。经过预处理，数据信息中 都是按照一定格式存放的纯数字信息，因此完全可 以用半字节方法进行数据压缩，因为数字０～９的
３系统的实时性与可靠性考虑
３．１实时性考虑 该交通信号控制系统的主要控制策略不仅包 括感应控制和自适应控制，还包括绿波控制等。系 统可通过建立市区主干道的绿波带，缩短车辆出行 时间，提高道路通行能力。除此之外，系统还能够 对消防车、救护车、警车、巡逻车等特殊车辆在紧急 时刻开辟绿通道，提高这些车辆在执行任务时的运 行效率。所有这些控制策略，都要求交通信号控制 系统必须满足实时性的要求。而
系统实时性的瓶 颈主要是在系统的通信部分，尤其是无线网络的带 宽。如果系统采用的是光纤通信，其带宽至少可达 到２Ｍｂｐｓ以上，系统的实时性可以较好满足，而当 采用ＧＰＲｓ无线网络作为系统的通信手段时，由于 带宽的限制，为了保证系统的实时性，必须作很多 的优化工作。 对于指挥中心服务器来说，它不需要ＧＰＲｓ模 块，只需通过宽带、ＡＳＤＬ或ＩＳＤＮ接入互联网即可。 为了保证实时性，指挥中心最好使用宽带接入，并 用固定的ＩＰ地址。 对于路口信号机来说，它是通过ＧＰＲｓ直接联 入互联网。ＧＰＲＳ允许用户在端到端分组转移模式 下发送和接收数据，它的理论带宽可达到１７１．２ ｋｂｐｓ，实际应用带宽大约在１０
ｋｂｐｓ～７０
ＡｓｃＩＩ码的高４位都一样，是冗余的，因此每一个数 字完全可以用低４位描述，即每个数字字符的８位 编码可压缩为４位编码，其编码表如表ｌ所示。
表ｌ 半字节数据压缩编码表
在程序中可以规定编号是奇数的字符放在高 ４位，编号为偶数的字符的编码放在低４位，这样 压缩比理论上可达到５０％。 （２）选择适当的网络传输协议 由于ＧＰＲＳ的底层基于ＩＰ协议，ＩＰ层之上可 选的协议主要有面向连接的ＴＣＰ协议和非面向连 接的ｕＤＰ协议。当业务的数据要求高可靠性时， 一般选用ＴｃＰ协议，但ＴｃＰ协议实现起来复杂，而 且由于指挥中心需要与较多的路口信号机进行通 信，系统的负荷会较大。而ｕＤＰ协议没有可靠性 的保证，它对网络的负荷较小，比较适合实时数据 的传输。由于系统可以通过其它方法来保证数据 的可靠性，因此在网络传输协议上，选择使用了 ｕＤＰ协议完成路口信号机与指挥中心的数据传输。 除此之外，在未来的几年内，随着３Ｇ项目的 运营及无线网络的不断升级，ＧＰＲｓ的传输速率将 有望达到２Ｍｂｐｓ左右，届时系统的实时性将得到较 大改善。 ３．２可靠性考虑 对于交通信号控制系统来说，系统的可靠性非 常重要，它是影响整个系统是否可用的一个关键因 素。在系统的硬件设计中，主要考虑的是保证路口 信号机具有在户外恶劣条件下长期连续工作的能 力。在系统的软件设计中，主要需要考虑在各种特 殊条件下系统的纠错和容错能力，并且可以在远程 对设备正在运行的工作状态进行检测。关于系统 硬件方面的可靠性设计，本文不进行深入的讨论， 在这里主要讨论在系统可靠性方面，软件设计所做 的主要工作。
tcpip协议和udp协议的区别ｋｂｐｓ，因此
ＧＰＲＳ较适于间断的、突发性的和频繁的、少量的数

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