（交通运输规划与管理专业论文）城市交通信号控制系统数据交换标准研究.pdf

摘要 摘要 城市交通信号控制系统对缓解城市交通拥堵、保障交通畅通和维持良好的 交通秩序发挥着重要的作用，研究交通信号控制系统的标准化对于交通信号控 制系统的建设走向标准化和规范化以及对于智能交通信号控制系统建设与发 展、节约建设资金都具有十分重大的意义。 目前，在我国引入国外成熟信号控制专用系统实施城市交通信号控制系统 的建设中，因协议壁垒，引进的控制系统必须购买特定的上端设备和下端信号 机，致使建设实施中难以引入竞争机制，而且建立的系统也缺乏“交互性”和 “互换性”。针对这一现实，本论文提出建立我国城市交通信号控制系统数据交 换标准，对问题的解决提供一定的理论基础。 论文首先在回顾国内外研究现状的基础上，对可扩展标记语言( x m l ) 技 术的特点及在交通中的应用进行了研究，提出了基于x m l 的交通标记语言的 设计原则、设计流程和实施框架。 其次，从应用于我国的几个主流国外城市交通信号控制系统的对比分析入 手，总结提出了城市交通信号控制中心与外场信号机、交通信号控制中心与其 它交通中心的数据交换内容、结构和格式，并对x m l 在交通信号控制系统中 的适用性进行了分析。紧接着初步建立了我国交通信号控制系统的数据字典的 基本结构和格式，为后续要建立的数据交换标准中标签的命名和数据类型定义 奠定了基础。 然后，依据前述的数据交换标准需求分析和系统的需求趋势，提出了通用 的数据交换标准交通信号控制标记语言( s i g n a l m l v e r o 1 ) ，并研究制定了 交通信号控制标记语言的设计原则、设计目标和实现过程。同时，也详细完成 了交通信号控制标记语言的总树型框架和子框架的数据结构设计，形成了由基 本信息层、设备信息层、配时方案层、检测参数信息层、远程控制层、交叉口 评价信息和用户管理层构成的数据交换层次结构。最后借助x m l s p y 软件编写了 完整的s i g n a l m ls c h e m a 结构模型文档，为交通信号控制中心与不同生产厂家 的信号机互联、互操作奠定了一定的基础。 最后，为验证所建立的交通信号控制标记语言s i g n a l m l 的有效性，本文 以城市交通信号控制系统的发展趋势为导向，结合w e b s e r v i c e 技术开发了利用 互联网进行信号控制交叉口远程控制与信息查询的原型系统( i o l s ：i n t e r s e c t i o n o n - l i n es y s t e m ) ，并结合开发的通信板对系统的部分功能进行了连接调试，初步 验证了s i g n a l m l 的有效性和台理性。 关键词：交通信号控制系统；x m l ；数据字典；数据交换标准；路口在线访问 系统 n 摘要 a b s t r a c t u r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns o l v i n gt h et r a f f i c j a ma n dg u a r a n t e e i n gt r a f f i cu n b l o c k e d ，a sw e l la si nk e e p i n gg o o d t r a f f i co r d e r l i n e s s r e s e a r c h i n gs t a n d a r d i z a t i o na n ds p e c i f i c a t i o no f t h e t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi sa g o o ds o l u t i o nt os y s t e mc o n s t r u c t i o n ，d e v e l o p m e n ta n ds a v i n gm o n e y i nt h ep r o c e s s o f t h ei n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi m p l e m e n t i n g a tp r e s e n t ，w eh a dc o n s t r u c t e dt h eu r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mt h o u g h i n t r o d u c i n gf o r e i g np r o p r i e t a r ys y s t e m w en e e dt ob u yp r o p r i e t a r yc e n t e rd e v i c ea n d f i e l dc o n t r o l l e r sb e c a u s eo fp r o t o c o lb u l w a r ki nt h ec o u r s eo fs y s t e mc o n s t r u c t i o n ， t h e s ew a yh a sc a u s e ds o m ep r o b l e m s f i r s to fa l l ，w ed o n ti n t r o d u c et h ec o m p e t i t i v e m e c h a n i s mi n t ot h es y s t e mi m p l e m e n t i n g f u r t h e r m o r e ，t h es y s t e ma l s ol a c k s i n t e r o p e r a b i l i t ya n di n t e r c h a n g e a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h et h e s i sp u tf o r w a r de s t a b l i s h i n g ad a t ae x c h a n g es t a n d a r do ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mt os o l v i n ga b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m si no u rc o u n t r y f i r s t l y , t h i st h e s i s r e v i e w e dt h ep r e v i o u ss t u d ya l lo v e rt h ew o r l da n d s u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e t h ep a p e ra l s o d i s c u s s e dt h ex m l a p p l i c a t i o ni nt r a n s p o r t a t i o na n dp u tf o r w a r dt h ed e s i g np r i n c i p l e ， d e s i g nf l o wa n di m p l e m e n t i n gp r o c e s so f t r a f f i cm a r k u pl a n g u a g eb a s e do nx m l s e c o n d l y ，t h ep a p e ra n a l y z e ds e v e r a lf o r e i g nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mu s e d i no u rc o u n t r ya n ds u m m a r i z e dt h ed a t ae x c h a n g ec o n t e n t ，d a t as t r u c t u r ea n dd a t a f o r m a tb e t w e e nt r a f f i cc o n t r o lc e n t e ra n df i e l dc o n t r o l l e r s a sw e l la st r a m cc o n t r o l c e n t e ra n do t h e rt r a f f i cc e n t e r t h ep a p e ra l s oa n a l y z e dt h ea p p l i c a b i l i t yo fx m li n t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m w h a t sm o r e ，t h es t r u c t u r ea n df o r m a to ft r a f f i cs i g n a l c o n t r o ld a t ad i c t i o n a r yw a se s t a b l i s h e d ，i tp r o v i d e st h eb a s i so ft h et a g sn a m ea n d d a t at y p ei nd a t ae x c h a n g es t a n d a r d t h i r d l y , i nt e r m so ft h ea f o r e m e n t i o n e dr e q u i r e m e n t sa n ds y s t e m st r e n do f d a t ae x c h a n g es t a n d a r d ，t h et h e s i se s t a b l i s h e dt h eg e n e r a ld a t ae x c h a n g es t a n d a r d n a m e ds i g n a l m lv e t o 1 ，w h i c hi st r a f f i cs i g n a lc o n t r o lm a r k u pl a n g u a g e ， f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l ea n dg o a lo fd e s i g n i n gs i g n a l m l t h e w h o l et r e e f r a m e w o r ka n dd e t a i l e ds u b f r a m e w o r ko fs i g n a l m l ，w h i c hc o n s i s t e do f b a s i ci n f o r m a t i o n l a y e ld e v i c ei n f o r m a t i o nl a y e r ，t i m i n gp l a nl a y e r , d e t e c t o r p a r a m e t e rl a y e r , t e l n e tc o n t r o ll a y e li n t e r s e c t i o nm o el a y e ra n du s e rm a n a g e m e n t l a y e lw a sd e s i g n e d t h es i g n a l m ls c h e m a ，w h i c hc o d e du s i n gt h ex m l s p ys o f t w a r e ， p r o v i d e dab a s i sf o ri n t e r c o n n e c t i n ga n di n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nt r a f f i cc o n t r o l c e n t e ra n dd i f f e r e n tt y p eo f c o n t r o l l e r i nt h ee n d ，a c c o r d i n gt ot h et r e n do fu r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e ma n d a d o p t i n gw e bs e r v i c et e c h n i q u e ，t h ep a p e rd e v e l o p e dt h ei n t e r s e c t i o no n l i n es y s t e m i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 b a s e do ns i g n a l m l ，t h e nm a d eat e s tt h a tt h es y s t e mc o m m u n i c a t e dw i t ht h e c o m m u n i c a t i o nb o a r di ns o f n ef u n c t i o n s ，t h et e s tr e s u l ts h o w e ds o m ev a l i d i t i e sa n d r a t i o n a l i t i e so fs i g n a l m l k e yw o r d s ：u r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m ；x m l ；d a t a - d i c t i o n a r y ；d a t a e x c h a n g es t a n d a r d ；i n t e r s e c t i o no n - l i n es y s t e m j v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲避嗍趔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 越魄逊g 第l 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 为了提升北京市交通信号控制系统的控制效果，缓解城市交通问题，北京 市科委在“北京市i t s 规划及示范工程研究”项目中设置了“城市道路智能交 通信号控制系统研究与示范”课题，以期建设适合北京乃至我国混合交通特性 的现代智能交通信号控制系统。 课题研究发现，虽然我国城市交通信号控制系统的应用和技术水平得到长 足发展，但由于各方面条件的制约，目前我国应用的各国外交通信号控制系统 及各自对应的专用信号机神类较多，通用性不强，系统扩展时遇到许多实际问 题，尤为突出的是：各系统只能使用自己的专用信号机，而不能使用国内以及 任何第三方的信号机。从而导致城市交管部门在进行系统扩容和信号机选择时， 只能使用原专用信号机而不能给其它信号机厂商参与的机会，形成系统对原有 设备厂商的过分依赖，导致系统扩容、新建、后期维护和设备选型受到多重阻 碍，不利于竞争局面的形成。 因此，本论文立题研究城市交通信号控制系统的通用数据交换标准正是在 这种需求迫切的情况下，为解决这一问题而展开研究的。 1 2 研究背景 随着我国经济建设的快速发展，城市化、机动化进程不断推进，城市交通 问题日趋严重，缓解交通拥堵问题己迫在眉睫。对于城市道路网络体系而言， 平面交叉口作为交通转换的枢纽点发挥着关键的作用，优化控制平面交叉口的 交通运行状态是解决城市交通问题的有效手段，可以说解决了交叉口的问题就 基本解决了城市交通问题。 智能交通信号控制系统作为智能交通系统( i t s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ) 重要的子系统，在城市交通管理现代化建设中倍受关注，它通过对高 新技术和先进交通流控制理论的集成来实现对城市交通的优化控制，在提高城 市道路利用效率，缓解交通拥挤，缩短旅行时间，减少交通事故和降低交通污 染方面发挥着重要的作用。随着“智能交通系统关键技术和示范工程”项目将 在北京、上海、天津等十个智能交通试点示范城市的全面启动，我国城市智能 交通信号控制系统将成为近期1 t s 项目建设的热点。 智能交通信号控制系统的实施，投入十分巨大。而且，因交通条件、受控 北京t 业大学工学硕士学位论文 范围不断的变化，系统的建设必然经历现有系统的改建、扩建和新建。从我国 大城市建设交通信号控制系统的过程来看，目前的建设主流是引入国外成熟的 交通信号控制系统，因为各系统专用协议的壁垒和封闭性，所以在后期的改建、 扩建期就必须采用同一家开发商的软硬件产品，往往导致交通主管部门很被动， 特别是当开发商的新旧产品兼容性不好或某类产品已更新换代不再生产，致使 先前投资可用设备不能接入系统，使系统进行改建和扩建实施非常困难且会造 成巨大的经济损失。 另外，在建立城市交通信号控制系统时，也因受控范围的主管部门不同， 也必然会出现多个区域控制中心间的数据交换。众所周知，如果两个系统采用 相同标准接口的产品，其相互间的数据交换是比较简单的，当然相同的产品间 数据交换会更简单。但如果两个系统采用不同的数据格式或通讯协议，他们问 的数据交换将会十分困难。此时，当系统需要更新和扩充时，由于接口标准不 统一，数据交换格式不规范，用户往往只能采用原开发商提供的产品，而无法 选择性能好、价格低的产品。假如系统建设中存在统一的、标准的、规范的和 开放的数据交换格式，这种情况就不会发生。为了在城市交通信号控制系统的 建设过程中更加有效地利用现有系统和设备，保护已有投资和使系统的未来增 扩容量的实施更加方便，标准和规范的制定己成为城市交通信号控制系统建设 者迫切要解决的问题。在通用标准和规范的基础上，实施交通信号控制系统的 建设，就能方便的实现控制系统中控制区域动态划分和合并以及控制层次的划 分，也便于与其它交通中心实现数据的共享和集成。 在城市交通信号控制系统的外场设备中，信号机是其关键设备，它通过执 行事先设置或实时形成的配时方案来控制转换信号灯的颜色，实现从时间上分 离交通流，使各向交通实体成为非冲突、有序运动的状态，进而使通过路口的 交通变的快捷、安全、高效。以北京市为例，在四环路内，有l o o o 多个平面交 叉路口实施了信号灯控制，2 8 0 多个交叉路口处于不同程度的系统协调控制下， 这些信号控制系统的应用，有效地缓解了日益拥挤的城市交通。但是，这些信 号控制系统分别由四家系统提供商开发，导致了信号机通信协议的封闭性、异 构性和不规范性，严重阻碍了开放式交通信号控制系统的实旋，也使得北京市 交管局通过竞争机制购置交通信号控制设备变得束手无策。目前，北京投入运 营的有三大系统及其相应的信号机设备和正在建设的中关村3 0 0 个路口的新建 系统，另外还有近十家国产信号机分布在许多点控制路口。如图1 - 1 为北京市 交通信号控制实施的现状。 第1 章绪论 高顿公铆的 q u i c n e t 4 系统 绿渡挫制系统 。布鲁顿公司枘 ：嘲螂i 谚 北 直 s c 口酣幕统 澎爱 牲 司的 i t a c a 茱统 图1 - 1 北京市交通信号控制系统概况 f i g u r e l - 1t h ep r o f i l eo fu r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi nb e i j i n g 从上图可以看出，随着北京市智能交通信号控制系统的逐步建立，路口信 号控制将逐步从“点控制”和“线控制”，发展到整个城市区域的“面控制”。 所以，要快速推进城市交通控制的智能化和城市交通信号控制系统运行的高效 化，必须按照一定的接口标准来实现交通控制中心与信号机以及信号机之间交 互操作。由于目前我国还没有一套完善的解决方案，致使北京市以往区域交通 信号控制系统的建设方案采用：系统+ 专用信号机的方式，以及正在建设的中 关村新系统依然如此。因此，提出一套问题的解决方案对于即将实旄城市智能 交通信号控制系统的国内各大、中城市从资金节约、提供公平竞争环境等方面 具有重要的意义。 本论文以城市交通信号控制系统为研究对象，研究城市交通信号控制系统 实旌中的数据交换标准，实现无论是控制中心，还是信号灯控制设备，无论设 备来自哪家制造厂商，使用何种控制软件系统，都能够实现交互和互换的问题， 实现真正意义上的城市交通信号控制系统的开放性。 1 3 研究总技术方案 综合分析现有路口控制设备信号机研发的概况，论文总体上提出了通过依 据本论文提出的交通信号控制标记语言s i g n a l m l 数据交换标准来开发通用通 信板的总体技术方案来解决这一实际中存在的问题。整体技术方案构架如图1 - 2 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 匝巫噩巫画回 百一 式数据十_ 卜一 vi n b e n l e t w a p l 8 0 2 ，1 1b b l u e t e e t l l g p p s ，。( d m a 一一一一一一一、 s i g n a l m l p a r s e ri 玉w e 五bse日rvicej ls 垂v g s 垂g i s 西内嵌囵i 。 图l - 2 总体方案框架 f i g u r e l - 2t h ef r a m e w o r ko ft h ew h o l es o l u t i o n 总体技术方案的工作流程如下：交通信号控制中心用户端通过中心软件或 有权限的管理人员通过w 曲b r o w s e r 以及其它接口借助通讯网络以标准的 s i g n a l m l 数据格式传递控制指令，状态查询等请求给通信板，间接地对不同厂 商的信号机进行远程控制、状态查询、故障监视、性能监测。反过来，信号机 也可把设备自身的运行状况、检测器采集的交通数据通过通信板反向自动向中 心以s i g n a l m l 数据格式发送。 本论文的研究重点是数据交换标准交通信号控制标记语言s i g n a l m l 的制定和验证s i g n a l m l 原型系统的开发，对通信板的开发不做研究。 1 4 研究意义及应用价值 综合研究发现，由于缺乏统一的标准，又因目前引进的国外城市交通信号 控制系统和信号机厂商使用的通信协议都是专用协议，对外不开放。而且，我 国还没有建立一套城市交通信号控制系统通用、统一的数据格式标准，即：缺 乏我国城市交通信号控制系统的通信协议标准。所以，尽快解决交通信号机与 上位系统间的通信协议规范化问题已经是当务之急。 论文在对比分析应用于国内的几个主流城市交通信号控制系统的基础上， 针对系统实施中存在的关键问题和国外的研究趋势与解决方案，以北京市智能 交通信号控制系统建设总体需求研究中发现不同信号机设备与系统的互联性存 在的问题为切入点，综合研究国内外城市交通信号控制系统的中心与信号机数 据交换的总体需求，探索了建立标准化的数据交换格式和通讯协议的理论和方 第1 章绪论 法，根据x m l 在数据交换方面的强大优势，提出建立基于x m l 的通用、标准 的城市交通信号控制系统数据交换标准一一交通信号控制系统标记语言 ( s i g a n l m l ) 来为问题的解决提供理论支持并进行了系统的研究，最后实现了 原型系统的开发。 论文的研究意义如下： ( 1 ) 论文对应用于国内的主流城市交通信号控制系统的比较分析能够为 这些系统更好地适应国内混合交通流的特性以及系统的本土化奠定了一定基 础，同时也为国内即将建设交通信号控制系统的大、中城市提供系统选型和建 设的借鉴。 ( 2 ) 论文提出的我国城市交通信号控制系统数据字典标准的基本结构， 完善了国家i t s 标准体系和为我国在交通信号控制领域标准的建立迈开了关键 的一步。 ( 3 ) 论文把x m l 在数据交换标准方面的优势应用于城市交通信号控制系 统的数据交换，把握了未来交通信号控制系统基于i n t e m e t 的发展趋势，也适应 了信息、通信高速连接对交通控制带来的挑战。 ( 4 ) 论文提出的基于x m l 的交通信号控制标记语言s i g n a l m l ，有力的 推动了交通信号控制系统通讯协议的开放性及标准化进程，关键是为解决城市 交通信号控制系统建设中不同厂商的信号机不能互联共存于同一系统下的难题 提供了方案和理论支持。随着s i g n a l m l 的逐步完善，当标准上升到国家交通信 号控制系统的通讯协议标准时，不仅能够开拓更多的国内市场，而且有助于国 家智能交通的标准化建设。 交通信号控制标记语言也脱离了具体信号机生产厂商对信息交换的狭义 追求，以面向城市交通信号控制本身需要建立了面向控制决策的通信标准体制， 适应竞争、产品过渡以及通信标准和信息融合。 ( 5 ) 论文最后开发的原型系统( i o l s ) 对问题的解决方案提供了验证， 并与开发的通信板进行了调试，充分证明了s i g n a l m l 具有良好的应用价值。 1 5 研究内容与安排 按照章节，主要的研究内容如下： 第一章，绪论，主要明确本论文的研究背景、技术方案、研究内容和研究 的意义。 第二章，国内外相关研究进展，主要介绍美国的通讯协议n t c i p 、我国的 交通信号机与上位机间的数据通信协议草案和x m l 的相关研究。 第三章，x m l 技术及在交通中的应用研究，主要总结了x m l 的特点及在 北京工业大学工学硕士学位论文 数据交换方面的优势，介绍了x m l 在交通中应用的实例，并提出了基于x m l 的交通标记语言的设计原则、设计流程和实旋框架。 第四章，城市交通信号控制系统数据交换需求分析，主要对比分析了应用 于国内的几个主流城市交通信号控制系统，并详细论述了交通信号控制中心与 外场信号机、交通信号控制中心与其它交通中心数据交换的内容、结构和格式， 提出建立我国交通信号控制系统的数据字典标准( t s c d d ) ，并建立了数据字 典的基本结构，为后续建立基于x m l 的数据交换标准的标记命名奠定了基础。 也论证了x m l 在城市交通信号控制系统应用的可行性。 第五章，交通信号控制系统数据交换标准总体要求，在分析现有交通信号 控制系统协议基于参数帧格式来描述的不足，提出了基于x m l 的交通信号控 制系统数据交换标准s i g n a l m l ，研究了s i g n a l m l 的定义、设计原则、设计目 标、设计需求、设计实现以及命名空间，为详细设计s i g n a l m l 结构层次、内容 等细节起到了统一的指导。 第六章，基于x m l 的交通信号控制系统数据交换标准s i g n a l m l 的设计， 主要架构了s i g n a l m l 数据交换标准的总树型结构模型，并且对各子模块做了详 细的描述，最后使用x m l 编辑软件x m l s p y 完成了符合路口信号控制基本需求 的s i g n a l m ls c h e m a 结构模型文档。本章是论文的核心创新部分。 第七章，原型系统的设计，为验证所建立的基于x m l 的交通信号控制系 统数据交换标准s i g n a l m l 的有效性，结合w e b s e r v i c e 技术开发了利用互联网 进行信号控制交叉口远程控制与信息查询的原型系统( i o l s ：i n t e r s e c t i o no i l l i n e s y s t e m ) ，后期并与开发的通信板进行了连接调试，证明了它的有效性和合理性。 最后是结论。 1 6 研究成果 论文通过城市交通信号控制系统数据交换需求分析，对交通信号控制系统 的数据交换标准进行了研究，取得了如下研究成果： l 、研究总结了国内已实施的几个主流城市交通信号控制系统的特点，明 确了系统数据交换内容及格式的总体需求，为科学建立系统数据交换 标准奠定了基础。 2 、系统分析了建立我国城市交通信号控制系统数据字典的必要性，并建 立了交通信号控制系统数据字典的基本结构和元数据格式模板。 3 、对x m l 技术的特点以及在交通中的应用进行了详细研究，提出了基于 x m l 的交通标记语言的设计原则、设计流程和实施框架。并在城市交 通信号控制系统中应用了x m l ，建立了基于x m l 的交通信号控制标 第l 章绪论 记语言s i g n a l m l ，开创了使用x m l 建立交通信号控制系统数据交换 标准的方法，弥补了国内在此项研究上的不足。 4 、结合w e bs e r v i c e 技术开发了利用互联网进行信号控制交叉口远程控制 与信息查询的原型系统( i o l s ：i n t e r s e c t i o no n l i n es y s t e m ) ，并与开发 的通信板进行了连接调试，证明了s i g n a l m l 有效性和合理性，为解决 系统中不同厂商的信号机互联和协调控制提供良好的理论基础。 2 1 引言 第2 章国内外相关研究进展 自1 9 1 8 年信号灯安装到路口以来，随着科学技术的发展，特别是信息、 通讯技术的高速发展，城市交通信号控制取得了巨大的进步。国外已经开发和 实施了先进的城市交通信号控制系统，如：s c o o t 、s c a t s 、i t a c a 、a c t r a 等。在国内，天津大学曾研究开发了城市交通控制系统t i c s ( t r a 街ci n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e m ) ，南京市在同济大学的协助下开发了一套国产智能化交通信号 控制系统n u t c s ，但是由于种种原因这两套系统都没能取得良好的实施效果。 近期由青岛海信网络科技股份有限公司又自主开发了h i c o n 交通信号控制系 统。无论是上述的国外系统，还是国内系统，在开发的时候，由于没有统一的 数据交换标准和为系统开发上的简便性，各系统都采用各自的专用协议进行软、 硬件的研发，使系统新建、后期的扩建和改建中引入竞争机制和系统的集成成 为突出的问题。 在国内各大城市交通信号控制系统的建设过程是：先对有信号控制需求的 路口采用国产信号机实施点控制，等发展到有区域控制需求的时候再引进国外 先进系统来建设。建设中最突出的问题是系统融合和集成，不仅要更换现状的 单点机，也存在系统二次研发，导致交通信号控制系统的建设问题重重。在国 外因交通信号控制现代化的起步早，也出现过同样的这些问题，并且他们对这 些问题解决进行了一些研究。而在国内，我国相关部门才开始着手研究同样的 问题。 2 2 国外研究进展 在国外，城市交通信号控制系统已实施的比较完善，但也出现了系统与设 备之间的互联、互操作的难题。于是，美国国家电器制造商协会n e m a ( n a t i o n a l e l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 于1 9 9 2 年着手开发通用性的交通信号控制 系统通讯协议( n t c i p ：n a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o nc o m m u n i c a t i o n sf o ri t s p r o t o c 0 1 ) 。其初步设计构想源自于交通信号机的应用需求：无论任何一种交通 信号控制系统以及信号机只要遵从n t c i p 协议就可以实现互联、互操作和实时 通信。目前，由i t e 、a a s h t o 与n e m a 共同组成n t c i p 联合委员会来通过 报告、期刊与网站等方式推广n t c i p 技术与应用 1 1 。 目前，n t c p 已上升为针对智能交通系统电子设备间数据传输所制定的标 第2 章国内外相关研究进展 准通讯协议。其主要目标是确保交通控制与i t s 系统组成单元彼此之间的“互 操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ”与“互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) ”。所谓“互操作性”， 是指在n t c i p 通讯网络内不同种类的系统装置之间可以相互引用对方提供的 服务，这些系统装置可以是安装在相同通讯链路的不同种类交通控制终端设施， 或是不同控制中心之间的远程系统在线信息交换。所谓“互换性”，是指软件、 硬件设备具有多个供货商，系统不会受限于供货商而导致软硬件设备置换时与 系统联机的困难。 n t c i p 的应用一般分为两大类：中心到外场( c e n t e r - t o f i e l d ，c 2 f ) 及中 心到中心( c e n t e r - t o c e n t e r ，c 2 c ) 的应用。前者通常包含路侧设施或者是各运 营部门所拥有的车辆与管理中心的计算机之间的信息传输。而后者则主要是管 理中心的计算机或各个子系统之间的数据传输。n t c i p 标准采用了分层的架构， 分别为信息层，应用层，传输层，子网络层和物理层。其架构如图2 1 所示。 图2 - 1n t c i p 的框架结构 f i g u r e 2 1t h ef l a m es t r u c t u r eo f n t c i p 可以看出，n t c i p 是遵照o s i 参考模型的规范，类似i s o 的o s i 七层协 议，提供交通控制中- i i , 与现场设备或与不同控制中心之间通信的标准。对于应 用层、传输层、子网络层、实体层都应用了已有的成熟标准，其关键是制定了 信息层的相关标准。而与交通信号控制系统中相关的n t c i p 标准有：n t c i p 1 2 0 1 、1 2 0 2 等。 北京工业人学工学硕士学位论文 n t c i p 的实旌可以获得如下的利益： ( 1 ) 避免设备过早淘汰 n t c i p 不可能针对早期的设备来制定标准，但是有了统一的标准，大多数 的供货商都会在当前或者未来的产品中提供对n t c i p 的支持。只要运营部门在 采购设备时选择与n t c i p 兼容的产品，就能够确保设备保持长期的可用性和兼 容性，避免设备的过早淘汰，延长设备的使用期限。 ( 2 ) 提供更多的生产商供选择 若使用单位决定其系统采用n t c i p 架构，就可以向不同的供货商购买 n t c i p 兼容的产品、现场设备、软件等。也许只有同一供货商的产品才能够充 分运用其产品的功能，但至少在同一标准下，任何供货商都可以提供基本功能， 交通单位选择厂商的机会将更多样化，可避免单一供货商的垄断。 但是。由于n t c 口协议是刚新推出的标准，在美国及国外还没有进行规 模的实施，也只在一些城市进行了一些原型的示范研究，如美国明尼阿波利斯 ( m i n n e a p o l i s ) 。该标准作为美国的标准通讯协议，在我国使用必需考虑它对国 内混合交通流的适应性和对我国信号机设备发展的促进程度等各个方面。另外， 北京市交管部门为了加速交通信号控制系统的标准化进程，在对n t c i p 协议进 行一定可研的基础上，对中关村区域新信号控制系统采用n t c i p 协议建设实 施，进而为是否引用该标准或标准本土化提供有效的依据。同时也希望通过该 系统的实施能加速我国交通信号控制领域及i t s 的标准化进程。因此，根据我 国城市交通信号控制系统的实际建设需求，仍很有必要对数据交换标准进行研 究。 2 3 国内研究进展 针对北京市交通信号控制系统改扩建中出现的由于引进系统协议的不开 放和专用性，导致系统扩容和信号机选择时，难以制造本地化与上端系统兼容 的信号机以及不能给予其它信号机厂商参与竞争的机会，过分依赖原有设备厂 商的这种困窘的局面，北京市交通管理局科研所也提出了制定交通信号控制机 与上层系统问的通信协议的需求，并组织相关单位初步草拟了交通信号控制 机与上位机间的数据通信协议征求意见稿【2 j 。该协议在编写过程中参考美国 n t c i p 协议和美国加州a b 3 4 1 8 标准的基础上，采用的四层结构。如图2 - 2 所 示i 2 1 。 第2 章国内外相关研究进展 l 应用层消息i 应用层 警甲一 l 以太网协议il 点对多点协议i数据锛路层 图2 - 2 交通信号控制机与上位机间的数据通信协议结构 f i g u r e 2 2t h es t r u c t u r eo f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r a n dc o n t r o lc e n t e r 由于低层的通信标准目前已基本成熟，标准主要对应用层消息进行了定 义，为交通信号控制系统标准制定有了一个良好的开端。但是从标准制定遵从 的实用性、可扩展性、通用性和先进性分析，该标准基于交通信号控制系统中 信号控制机与上位机数据通讯的基本需求编写，能初步解决目前出现的上位机 不能对不同厂商的信号机控制、监测和管理的功能需求。但该标准落脚点低、 可扩展性困难，也不支持自适应控制，不能适应交通信号控制系统基于网络控 制、分布式控制和控制面向算法的发展方向，层次较低。在应用层消息定义中 仍关注的是以参数帧代码为基础的机器会话方式，我们可以理解为是关于信息 包的结构及会话管理的标准，与应用程序的联系较差，没有体现应用层定义的 优势，其将来的可用性还有待进一步的研究。 2 4x m l 相关的交通数据交换标准研究进展 2 4 1 交通模型标记语言 在国外交通工程领域，佛罗里达大学交通研究中心于2 0 0 0 年6 月，发布 了基于x m l 的交通模型标记语言t m m l ( t r a f f i cm o d e lm a r k u pl a n g u a g e ) 3 ， 主要为不同交通模型的仿真软件产品之间进行数据交换提供便利。t m m l 以数 据自描述的格式规定了描述信号交叉口和主干道交通模型中的数据结构层次和 数据元素标记名，提供了不同交通模型之间的数据传输规范。 2 4 2 道路网络标记语言 北京工业大学工学琐士学位论文 道路网络标记语言r w m l ( r o a dw e bm a r k u pl a n g u a g e ) 【4 j 是日本北海道 土木工程院发布用x m l 在i n t e m e t 上来描述道路信息的一种语言规范，它适于 在i n t e m e t i n t r a n e t 的平台上发布道路信息。 2 4 3 基于x m l 的i t s 中c 2 c 数据交换标准 n t c i p 中n t c i p9 0 1 0 ：基于x m l 的i t sc 2 c ( c e n t e rt oc e n t e r ) 数据交 换标准，主要用于使用不同软件平台的中心之间的数据交换和集成，这些中心 通常指交通控制中心、公共交通管理中心、出行者信息提供中心、事故和紧急 事件管理中心等等【5 3 2 4 4 出行者信息标记语言 汽车工程师协会s a k e ( t h es o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s ) a t i s 委员会 正在研究开发基于a t i s 数据字典和信息集标准( j 2 3 5 3 和j 2 3 5 4 ) 的x m l a t i s 词汇规范：出行者信息标记语言t i m l ( t r a v e l e r i n f o r m a t i o n m a r k u p l a n g u a g e ) 1 6 】。 另外，在每年的t r b 年会上己成立了t r bw r o k s h o px m ls t a n d a r d s 工作 组就x m l 在交通运输中的应用展开讨论。 2 5 本章小结 综上所述，对于城市交通信号控制系统建设中出现的控制中心与信号机设 备互联性、互操作性差的问题，国外研究比较早，已形成了n t c i p 协议标准， 而国内在这方面的研究刚刚开始，还没制定一项公认接受的协议标准，只起草 了相关的征求意见稿。另外，在国外交通领域，已建立了相关的基于x m l 的 数据交换标准。论文选择了我国交通信号控制系统通信协议研究的这一空白领 域，详细研究x m l 的在数据交换方面的巨大优势，借鉴国外的研究经验，初 步建立适合我国城市交通信号控制需求的数据交换标准。 第3 章x m l 技术及在交通中的应用研究 第3 章x m l 技术及在交通中的应用研究 3 1x m l 及其产生背景 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 可扩展标记语言，是w 3 c 开发的一 个标记语言标准，于1 9 9 8 年推出了x m l l 0 标准，w 3 c 是x m l 及其相关标准 的主要管理机构。同时，x m l 也是被正在广泛接收、正在发展中的开放式标准。 3 1 1x m l 简介 x m l 是一种标记语言。标记( m a r k u p ) 的精确定义是：就数据本身的信 息对数据进行编码【”。也就是说，标记是为数据添加表明或描述数据