（计算机应用技术专业论文）开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践.pdf

摘要智能交通信号控制系统为城市交通管理提供了一种有效的方法，其广泛的应用前景和惊人的商业价值已经引起了国内外学术界和企业界的极大关注。目前国内外已经有了各种商业化的智能交通信号控制系统，标准化和智能化是智能交通信号控制系统发展迫切需要解决的问题。本文围绕标准化和智能化这两个核心问题，对开放体系智能交通信号控制系统的设计展开了比较深入地研究。本文的主要工作及贡献主要包括以下几点：1 智能交通信号控制系统的开放体系研究。在借鉴国外在智能交通信号控制系统丌放体系方面的规范的基础上，初步提出了适合中国国情的智能交通信号控制系统开放体系标准。使开放体系支持n t c i p ，对n t c i p 所用控制模型与中国现在常见的控制模型进行了比较，并提出了二者相互转化的条件及转化方法。2 智能交通流检测算法。详细分析了背景获取与更新的条件与相关算法。应用基于色差信号的阴影检测，提出了区域阈值车辆检测算法。从整体效果看，基本上满足了车流量检测系统的实时性、准确性和鲁棒性的要求。3 信号控制机设计实践。这是一个符合开放体系标准的设计，并使其支持n t c i p ，提供了灯色状态检测及控制的a p i ，系统具有良好的扩展性和可替换性。使用视频检测器和信号机组成闭环控制系统，运行自适应控制算法，提高了系统的智能化水平，取得了良好的控制效果。关键词：交通信号控制机：智能交通系统；开放体系结构a b s t r a c ti 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 mo f f e r sap o t e n t i a l l ye f f e c t i v es e t t l e m e n tf o rc i t yt r a f f i cm a n a g e m e n t i nt h ep a s td e c a d e ，i th a sb e e nap o p u l a ri s s u ei ni n t e l l i g e n tt r a f f cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mw i t hi n c r e a s i n gc o n c e mf o ri t sl a r g e s c a l ea p p l i c a t i o na n dp o t e n t i a lb u s i n e s sb e n e f i t s c u r r e n tt h e r ea r eav a r i e t yo f c o m m e r c i a li 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 m ，t h e r ei sa nu r g e n tn e e dt oa d d r e s st h ei s s u e so f s t a n d a r d i z a t i o na n di n t e l l i g e n ti nt h ed e v e l o p m e n to f i t c i nt h et h e s i s ，w ef o c u so nt w oc o r ei s s u e so fs t a n d a r d i z a t i o na n di n t e l l i g e n t ，r e s e a r c ho ns o m ea s p e c t so fo p e na r c h i t e c t u r eb a s e di t c ，o u rw o r kc o n t r i b u t e st ot h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：1 o p e na r c h i t e c t u r eb a s e di t cr e s e a r c h i nr e f e r r i n gt os o m ef o r e i g no p e ns y s t e ms t a n d a r d sa b o u ti t c ，r a i s es u i t e dt oc h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n so p e na r c h i t e c t u r eb a s e di t cs t a n d a r d s i ts u p p o r t st h en t c i ps t a n d a r d m u l t i p l e - p h a s e sm o d ei st h ec o n t r o lm o d ec o m m o n l yu s e di nc h i n a r i n g b a r r i e rm o d ei su s e di nn t c i rt h ed i f f e r e n c ea n dt h ec o n v e r s i o nb e t w e e nm u l t i p l e - p h a s e sm o d ea n dr i n g b a r r i e rm o d ea r ed i s c u s s e d 2 c a rf l o wd e t e c t i o na l g o r i t h m t h eu p d a t i n gc o n d i t i o no fb a c k g r o u n di sa n a l y z e di nd e t a i l s d e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nc o l o rd i f f e r e n c e si sd i s c u s s e d c a rf l o wd e t e c t i o nb a s e do na r e at h r e s h o l di sp r e s e n t e d a f t e rt h ee x p e r i m e n t ，w ef i n dt h a ti ti sf a s t ，a c c u r a t ea n dr o b u s t +3 d e s i g na no p e na r c h i t e c t u r eb a s e di t c t h es y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht h ei d e ao fo p e na r c h i t e c t u r e ，s u p p o r tt h en t c i ps t a n d a r d ，p r o v i d ed e t e c t i o na n dc o n t r o la p io ft r a f f i cs i g n a ll i g h t , s y s t e mc a nb ee a s i l ye x p a n d e da n di n t e g r a t e d c a rf l o wd e t e c t o r sa r ei n t e g r a t e dw i t hi 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 l l e rt of o r mac l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m ，r u n n i n gt h es e l f - a d a p t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，i n c r e a s ei n t e l l i g e n tt ot h es y s t e m ，a c h i e v eg o o dc o n t r o lr e s u l t sk e y w o r d s ：i 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 l l e r ；i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e mo p e na r c h i t e c t u r e厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。声明人( 签名) ：村荔孵口砧年yh 弓t 日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。2 、不保密屯( 请在以上相应括号内打“4 ”)作者签名导师签名日期：肋扩年，月；日日期：别年多月 日第一章绪论1 1 选题背景及研究意义1 1 1 问题提出第一章绪论智能交通信号控制系统是是将先进的信息技术、通信技术、自动控制技术以及计算机技术等先进技术有效集成构造的地面运输管理系统。它能大幅度地增加道路网络的通行能力，提高运输的机动性、安全性和运输效率，避免拥挤和堵塞，减少能源消耗和环境污染。智能交通信号控制系统的基本组成是交通流检测器、路口交通信号控制机( 文中简称为信号机、路口机) 。其中交通流检测器实时检测路口实际交通流参数，并发送给路口交通信号控制机，路口交通信号控制机通过智能控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，优化交通状况。目前国内外己有许多商业化的交通信号控制系统，它们不同程度地发挥着重要的交通控制功能。但是，由于这些信号控制系统的硬件和软件是由不同厂家生产的，软件接口、硬件接口、通信协议没有统一的标准，往往只能和本厂家的产品兼容。交通管理部门要想对不同厂家的交通信号控制系统进行信息集中、统一指挥和集成应用等功能操作，需要付出极大的人力和财力。交通信号控制系统面临的另外一个问题是不够智能化，许多信号控制系统都是开环控制系统，对交通状况感知不灵敏，信号控制机选取的信号配比控制方案对路口交通状况来说并不是最优的，控制效果也没有得到良好的反馈。标准化、智能化是智能交通信号控制系统发展迫切需要解决的问题。i i 2 研究现状综述1 标准化为了实现对信号控制系统中的不同硬件集成、软件的开发应用和信号控制系统与其它i t s 系统的信息交流，信号控制系统中的硬件体系结构、软件体系结构和通信协议等进行研究，并制定相应的标准。开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践美国在这方面走在了世界的前列。在2 0 世纪8 0 年代，为了解决各种控制器之间的不兼容问题，许多厂商一起起草了一个标准规范n d u l 一t s l ，这个规范定义了在a ，b ，c 连接器上的操作和电气针脚数量标准，以便能够为控制器提供单独的感应控制 1 。n e m a t s l 标准是基于为控制器提供一套基本特点和标准的连接器，制造商们可以依据提供的信号控制器硬件和软件标准来竞争。这个标准对单点的交叉口感应控制是成功的，对更复杂的功能则缺乏详细的规定，例如协调感应控制和预先清空等。为了适应不断发展的形势，2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，n e m a - t s l 更新为n e m a - - t s 2 ，从而为信号协调感应控制、预先清空信号和一种可选择的串行通信提供标准的连接方式。与此同时，美国加州交通部和纽约交通部联合提出的一种用来提供标准连接器和便携式软件的标准。这种标准有别于n e m a 标准之处在于，它为普通的交通信号控制微处理器提供了一种精确的规范。这个规范定义了微处理器、内存、输人输出地址、串行接口和电子连接。从理论上讲，任何人通过m o t o r o l a6 8 0 0 的程序，把程序烧录进一个e p r o m 中，然后插到一个m o d e l1 7 0 控制器上，就可以运行软件。这可以让信号控制软件和m o d e l1 7 0 的控制器硬件分离。在m o d e l1 7 0 基础上发展而来的m o d e l2 0 7 0 控制器是一种开放式结构的控制器，它能够很容易的安装到n e m a 控制机柜、i t s 等控制机柜上。最新的a t c ( a d v a n c e dt r a n s p o r t a t i o nc o n t r o l l e r ) 标准 2 可以兼容了m o d e l2 0 7 0 3 、n e m at s 一1 、n e m at s 一2 的接口，增强了系统的灵活性。在通信方面，美国制定了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 r i t sp r o t o c 0 1 ) 。1 9 9 2 年美国国家电器制造商协会n e m a ( n a t i o n a le l e c t r i c a m a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 开始讨论与开发共通性的交通信号控制系统通信协议。1 9 9 5 年1 2 月，n e m a 完成第一版n t c i p 通信协议，但仅限于低传输速率的交通信号控制器使用。1 9 9 6 年1 2 月，f h w a 提供五百万美金的经费开始制定n t c i p标准，并选择了交通工程师学会i t e 、美国州公路及运输官员协会a a s h t o( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n dt r a n s p o r t a t i o no f f i c i a s )与n e m a 代表f h w a 执行相关工作。i t e 、a a s h t o 与n e m a 共同组成的n t c i p 联合委员会也取代了n t c i p 指导小组，成为目前美国n t c i p 推动工作的正式官方组织。n t c i p 目前负责标准发展的工作小组有1 5 个，其中a c t u a t e ds i g n a lc o n t r o l( a s c ) 就是负责交通信号控制系统的通信协议的小组。第一章绪论2 智能化及时、准确地获取各种交通参数是实现交通信号控制智能化的前提条件。通过对于路面车辆的实时检测和追踪，可以得到许多有价值的交通流参数，例如：车流量、车型、车速、车流密度等等：而对于岔口的车辆检测和追踪，可以得到诸如排队长度、占有率等参数：同时还可以检测事故或者故障等突发状况。检测到的数据通过通信系统传送到本地控制器或是直接上传至监控中心计算机，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的重要依据。所以，交通检测系统性能优劣直接影响到道路交通系统的整体运行和管理水平。随着传感器技术、微电子技术和信息处理技术等的发展，交通检测技术也得到了较大发展。目前，交通流参数检测器的种类有很多，主要有 4 环形线圈检测器、超声波检测器、磁感应式检测器、光辐射式检测器、雷达检测器、视频检测器等目前应用较多的是环形线圈检测器、超声波检测器和视频检测器，以下针对这几种检测器优缺点进行比较。环形线圈检测器是最古老的一种交通检测器，其应用历史最为悠久，已有几十年的历史，应用范围也最为广泛，尤其在欧美等国家，其主要优点是：检测准确高；技术成熟，易于理解。其主要缺点是 5 ：环形线圈需要坚固的路面，否则检测点易遭到破坏；检测较小的车辆( 如摩托车) 比较困难；安装和维护时需封闭车道；降低道路的使用寿命。超声波检测器应用历史也比较悠久，主要在日本应用比较广泛。其主要有点是体积小；易于安装。其主要缺点是：温度波动，气流波动，易造成性能恶化；只能测量单车道；人和物通过检测区也会产生反射波，造成误检。视频检测器提供可视图像，具有事故管理的潜在能力；单一摄像机和处理器可检测多车道，成本教低；一般采用嵌入式系统来实现，不但可以获得更为丰富的数据和实时图像，还可以通过以太网通信、4 8 5 通信或无线通信等方式进行实时的现场反馈和控制 6 ；可移动，安装调试不影响交通。其缺点是：机动车之间相互遮挡；阴影、湿的人行道反射、雨雾天气等都易造成检测失误。由于环形线圈检测器和超声波检测器缺点不容易克服，随着计算机技术、图像处理、人工智能、模式识别等技术的不断发展，视频检测器在交通流检测中获得越来越广泛的应用，也成为未来最有前途的交通检测器。它不仅可以做为交通开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践流参数检测的传感器，而且还是控制效果反馈的一个重要手段，使交通信号控制系统成为一个闭环控制系统，不断地优化、修正，因此对交通信号控制系统的智能化具有重要的意义。1 1 3 研究目标和主要思路目前我国尚未对交通信号控制系统的软硬件设计建立开放的体系架构，没有对交通信号控制系统通信协议制定相应的标准，这在一定程度上阻碍了我国交通信号控制系统的建设和i t s 的发展，所以迫切需要针对我国国情对智能交通信号控制系统进行相应标准的研究及制定。国际和国外先进标准一般都反映了世界上较先进的技术水平，采用国际标准和国外先进标准，从某种意义上来说是一种既经济又实用的技术引进方法 7 ，当然还要针对我国国情进行不同程度的转化。本文将在借鉴国外的交通信号控制系统对交通信号控制机、交通信号控制软件和交通信号控制系统所使用的通信协议的基础上，结合国内交通信号控制系统的现状，提出适合我国国情的硬件开放体系、软件开放体系，使开放体系兼容n t c i p 通信协议，并设计基于视频的交通流智能检测算法，提高系统的智能化水平。最后对信号机进行研制，验证开放体系的可行性，并设计使用视频检测器和信号机组成的运行自适应控制算法的闭环控制系统，提高系统的智能化水平。1 2 论文概述1 2 1 论文主要工作及成果本文围绕标准化和智能化这两个核心问题，对开放体系智能交通信号控制系统的设计展开了比较深入地研究。本文的主要工作及贡献主要包括以下几点：1 智能交通信号控制系统的开放体系研究。在借鉴国外在智能交通信号控制系统开放体系方面的规范的基础上，初步提出了适合中国国情的智能交通信号控制系统开放体系标准。使开放体系支持n t c i p ，对n t c i p 所用控制模型与中国现在常见的控制模型进行了比较，并提出了二者相互转化的条件及转化方法。第一章绪论2 智能交通流检测算法。详细分析了背景获取与更新的条件与相关算法。应用基于色差信号的阴影检测，提出了区域闽值车辆检测算法。从整体效果看，基本上满足了车流量检测系统的实时性、准确性和鲁棒性的要求。3 信号控制机设计实践。这是一个符合开放体系标准的设计，并使其支持n t c i p ，提供了灯色状态检测及控制的a p i ，系统具有良好的扩展性和可替换性。使用视频检测器和信号机组成闭环控制系统，运行自适应控制算法，提高了系统的智能化水平，取得了良好的控制效果。1 2 2 论文组织结构论文的各个章节的内容安排如下：第一章绪论部分，首先简单介绍了智能交通信号控制系统，分析了其对现代城市建设的重要意义，阐述了交通信号控制系统发展遇到的问题并对国内外的发展进行了综述，说明了我国开展智能交通信号控制系统标准化研究、智能化研究的重要性和紧迫性。最后对本文的主要工作和组织结构进行简要介绍。第二章智能交通信号控制系统的开放体系研究，在借鉴国外在智能交通信号控制系统开放体系方面的规范的基础上，初步提出了适合中国国情的智能交通信号控制系统开放体系标准。使开放体系支持n t c i p ，对n t c i p 所用控制模型与中国现在常见的控制模型进行了比较，并提出了二者相互转化的条件及转化方法。第三章基于视频的交通流智能检测技术，首先对常用运动检测算法做了综述。分别介绍了背景更新算法、基于色差信号的阴影检测算法、运动物体区域阈值检测算法，最后给出了实验结果与分析。第四章开放体系智能交通信号控制机的研制。应用开放体系的思想进行系统设计，并使其支持n t c i p ，提供灯色状态检测及控制的a p i 。设计中采用了嵌入式l i n u x 操作系统，硬件系统由5 6 8 处理器和单片机共同作为控制单元。介绍了使用视频检测器和信号机组成的运行自适应控制算法的闭环控制系统。第五章总结和展望，对本文工作进行了回顾，并针对本文系统存在的不足给出了下一阶段工作的展望。开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践第二章智能交通信号控制系统的开放体系研究2 1 引言目前国内外己有的不少商业化的交通信号控制系统，它们不同程度地发挥着荤要的交通控制功能。但是，由于这些信号控制系统的硬件和软件是由不同厂家生产的，软件接口、硬件接口、通信协议没有统一的标准，往往只能和本厂家的产品兼容。为了实现对不同信号控制系统之间的硬件集成、软件集成开发应用和信号控制系统与其它i t s 系统的信息交流，需对信号控制系统中的硬件体系结构、软件接口和通信协议等进行研究，并进行标准化。本章将借鉴国外在智能交通信号控制系统开放体系方面的标准规范，提出适合中国国情的智能交通信号控制系统开放体系标准。2 2 智能交通信号控制系统的硬件开放体系2 2 1 硬件开放体系的概念及效益“硬件开放体系”指的是通过硬件接口的标准化，使硬件和软件分离的概念。这使得软件开发可以独立于硬件进行。硬件开放体系主要的效益如下：1 避免设备过早淘汰硬件开放体系有助于保护交通管理者的投资。有了统一的标准，大多数的供货商都会在当前或者是未来的商品中根据标准进行生产制造。只要运营部门在采购设备时选择开放体系兼容的产品，就能够确保设备保持长期的可用性和兼容性，避免设备由于制造商停止生产一个特殊系列的产品或者制造商破产而过早淘汰，延长设备的使用期限。这些设备包括计算机软件、任何类型的交通控制或检测设备的控制器。2 降低成本对于交通信号控制系统的生产厂家，他们可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现协作式开发，大大缩短了的开发周期，降低了成本，增强了产品竞争第二章智能交通信导控制系统的开放体系研究力。对了交通管理部门，硬件开放系统会加剧设备采购的竞争，减少采购成本。部署、集成和维护的费用也会相应地降低，因为不同厂商之问产品的一致性和可互换性，还能减少多余的库存和技术培训成本。3 满足特定的需求信号机需要满足客户i 临时的需求或特别定制的应用。有时这个需求或特殊应用规模太小，吸引不了制造商的兴趣，没有制造商愿意把它开发成产品。但是，在科学研究或其它特殊的情况下，都可能需要信号机提供一些独特的功能。有了开放体系，可以在没有硬件厂商的特殊技术支持或许可的情况下，就可以编写软件满足这些特殊的需求。2 2 2 硬件开放体系信号机的主要部件信号机的硬件结构如下图所示：图2 1 信号机的硬件结构主板是信号机的核心部件。以下列出一些主板的板上资源：1 c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t )主板由c p u 和相关电路组成，要求在2 5 。c 环境下，由d h r y s t o n e 基准测试程序测出的计算能力不低于6 0 m i p s 。7开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践2 存储器( 1 ) f l a s t t 存储器主板需要提供存储系统软件及用户程序的f l a s h 存储空间。至少需要为应用程序保留6 m b 的f l a s h 空间。要求f l a s h 器件使用段结构，并允许对一个段进行独立的擦除和读写操作。内存的操作时间( 包含等待状态) 不能超过l o o n s ，数据总线宽度不低于1 6 位。( 2 ) 内存( s d r a m )为了程序和操作系统的正常运行，主板必须包含至少1 6 m b 的内存。首选的内存组织形式是与c p u 字长一致。内存总线宽度至少为1 6 位。3 实时时钟主板需要提供一个软件可设置的，硬件结构的实时时钟。时钟至少要包含年，月，日，小时，分钟和秒。实时时钟必须提供一秒的准确性和0 1 秒的分辨率。这个准确性和分辨率可以由实时时钟的硬件来保证或者也可以由b s p 驱动软件来实现。通信接口方面，r s 2 3 2 、r s 4 8 5 是当前最常见的电气接口规范：还有以太网接口，可以满足路口机网络通信的需求，是必不可少的。单模多模光纤，红外接口等，可以作为可选的接口单元。用户接口方面，建议有最小用户需求和可选的用户需求。建议最小用户接口：r s 2 3 2 ( e i a 一5 7 4 ，9 针d 型口)以太网接口u s b 接口( 为了可移动存储设备准备的)建议可选用户接口：选择1 ：键盘，l c d 显示屏选择2 ：红外接口( 可以用于p d a 或笔记本电脑)主板和外部传感器可以选用通信接口进行通信，也可以设计内部总线传输传感器信息。随着计算机技术、图像处理、人工智能、模式识别等技术的不断发展，视频检测器在交通流检测中获得越来越广泛的应用。建议采用视频检测器做为信号控制机的传感器。环形线圈检测器和超声波检测器做为候选的传感器。第二章智能交通信号控制系统的开放体系研究主板和灯色输出单元建议采用内部总线，保证信号传递实时性和可靠性。2 3 智能交通信号控制系统的软件开放体系2 3 1 软件开放体系的提出在有了硬件开放体系后，一家厂商所写的应用软件并不能在另外一家厂商的设备商运行。在美国有了n e m a 和1 7 0 等标准之后，发现这种情况不仅发生在1 7 0和n e m a 这两类控制器之间，甚至连都是n e m a 型的不同厂商生产的信号机也是这样 8 。尽管1 7 0 和2 0 7 0 型信号机软件具有可移植性，但是它们的硬件规范是它们无法采用最新的硬件和软件技术 9 ，它们也无法为未来的应用提供广泛的支持。软件开放体系与硬件开放体系相结合，可以形成一个开放的平台，它可以作为应用程序和路口机控制器之间的一个通用接口。这里的开放平台指的是功能定义和相关的源代码任何人都可以使用。这就包括了控制器硬件、b s p 和a p i 库。控制器硬件包括c p u 、内部和外部接口和所有其他相关硬件。也就是说，a p i 库可以把应用软件抽象为不与任何厂商的硬件相关联，而是可以让程序运行在任何符合硬件开放体系标准的信号机上 1 0 。在原来的控制器体系中，一个厂商的源代码要在另一个厂商的平台下运行，往往需要大量的修改，某些情况下，甚至需要全部重写所有的代码。有了信号机软件开放体系和硬件开放体系，就可以使可移植性变得容易，只需要开发者进行不多的修改，例如，为特定的处理器重新编译链接源代码。见图2 2 。厂商图2 2 使用软件开放体系带来了软件的可移植性提供开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践2 3 2 软件开放体系的主要内容1 统一操作系统，并规范板级支持包。操作系统确定为l i n u x 内核版本2 6 9 。歼放软件体系架构的组织和层次如图2 。3 所示。“l i n u x 操作系统和设备驱动”包含在信号机的板级支持包( b s p ) 中。这层包含计算机系统中所需的典型功能，如文件i o ，串行i o ，进程通信和进程凋度。这层还包含了l i1 3 u x 系统控制信号机硬件所需的设备驱动。厂商提供的b s p 要对信号机提供操作系统级的支持。其中要注意系统启动步骤：系统启动时，b s p 要执行许多步骤来配置好所有的底层硬件，文件系统，并为定时器等加载系统级驱动。引导程序如下：初始化微处理器内部寄存器。傲底层存储子系统和外围设备的初始化。如果l i n u x 内核是压缩包则解压缩，并把它从f l a s h 存储器移动到s d r a m 中。有需要的话，创建一个初始化r a m 盘( i n i t r d ) 。启动内核。内核启动后：如果有内核命令行，则进行解析判断处理器m i p s 速度判断可用的内存和其它器件加载编译链接好的b s p 驱动通过f l a s h 存储器的镜像文件创建r a m 盘释放初始化r a m 盘所使用的内存开始执行启动脚本启动脚本，会在在终端上显示出提示前被执行。它应包含以下内容：安装任何额外的实时性要求高的b s p 驱动模块。启动实时性要求高的用户应用程序启动i p 协议栈模块启动其它驱动模块第二章智能交通信号控制系统的开放体系研究启动其它应用程序e t c i n i t t a b 这个文件是调用启动脚本的主要位置。2 开放应用软件接口( a p i )“a p i 软件”代表了所需开发的软件接口。如图2 3 所示，用户和应用程序都可以通过a p i 和信号机控制单元打交道。a p i 标准必需定义所需开发的a p i 的行为和用户与应用程序如何调用它。信号机软件分成多层可以确保信号机体系结构软件环境的兼容性，而且也为未来的信号机提供了一个移植的途径。硬件层和信号机的b s p 层之问的关系很大程度上是由厂商来维护的。信号机的b s p 层和a p i 软件层之间的关系可以由交通管理部门进行维护。a p i 软件层的函数要用c 编程语言进行编写，并提供给交通产业中的软件开发者，让他们免费使用。如果应用层的程序只通过a p i 软件层和b s p 层调用了信号机单元，那么开发者只需要针对目标信号机的处理器进行重新编译，就可以使他们的程序运行于任何符合开放体系标准的信号机上。开发人员 应用程序oa p i 软件 一一一一 一-l i n u x 内核l l n u x 设备驱动其它设备驱动用户层应用层a p i 软件层信号机b s p 层硬件层图2 3 开放软件体系层次结构图图2 3 中可以看到典型的a p i 用户。开发人员( u s e rd e v e l o p e r ) 是设计和开发控制器程序的软件开发人员。他们通常有软件、计算机或者电子工程的背景。如图2 4 所示，a p i 软件层和信号机的b s p 层可以进一步分成了5 个功能区。开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践这些功能区要对应用软件提供与之相关的接口，而且要为应用软件的操作使用提供用户接口。l i n u x 内核功能区提供普通的操作系统功能。这包括计算机系统中所需的典型功能，如文件1 0 ，串行i o ，进程通信和进程调度。它还包括运行如控制台命令行和s h e l l 脚本等程序所必须的l i n u x 函数。l i n u x 设备驱动功能区是指，通常由i 。i n u x 团体免费提供的底层软件，有了它们操作系统就可以控制相应的硬件单元。信号机设备驱动功能区是指，不包含在标准l i n u x 中，l i n u x 环境要操作信号机的特殊设备所需的底层软件。a p i 管理器功能区指的是，专门用来管理信号机硬件接口的操作所需的函数。a p i 工具功能区指的是，由信号机用户调用，用来配置管理器的函数。l开发人员l一一一一千一一一。l一应用程序l，一一一一号一一一一一一 一一一一一、l i n u x 内核毒l i n u x 设备驱动il信号机设备驱动 一图2 4 开放软件体系a p i 功能区用户层应用层, 1 2 1 软件层信号机b s p 层硬件层图2 4 中的箭头代表了功能区之间的逻辑接口。开发人员需要通过a p 和应用程序打交道来把任务分配给控制器单元。为了适当地配置a p i 管理器，工具函数是必需的。应用程序直接与l i n u x 内核打交道，调用系统函数。应用程序可以通过a p i 管理器或l i n u x 内核来获得信号机特殊硬件的控制权。a p t 管理器和a p i用户工具的函数可以通过l i n u x 内核来获得信号机硬件的控制权。信号机特殊设2第二章智能交通信号控制系统的开放体系研究备驱动应该由厂商针对硬件的体系结构进行开发。a p i 管理器程序和a p i 用户工具集必须根据a p i 标准来进行开发。l i n u x 和通用驱动并不是专门为信号机控制器所设计的，它们不能对所有的资源进行合理的管理。a p i 管理器程序就是针对这个特殊的应用，针对l i n u x 和通用驱动的不足，对信号机的共享资源提供接口并进行管理。主要有以下2 个单元：前面板的管理单元。这个函数集提供了用户接口，可以让信号机上并发执行的程序通过主板的专用接口来和前面板通信。外场i o 管理单元。这个函数集可以让信号机上并发执行的程序通过主板的外场i o 端口与接口外场设备通信。a p i 工具功能区的函数集，给开发人员提供了各种工具，用来配置和维护信号机安装的a p i 软件。大多数函数都是基于管理器的详细设计，所以需要让开发人员能够获得a p 软件的版本并能配置相关信息。2 3 3 一个 p i 函数例子下面给出一个功能为“打开串行通信端口”的a p i 范例。语法# i n c l u d e “s c p d e v h ”i n ts c p d e v _ o p e n ( t s e p d c v 印h s c p d e v , c h a r + d e v n a m e ，u _ i n t 3 2r e a db u f s i z e , u _ i n t 3 2w r i t eb u f s z i e ) ；描述通过串口设备驱动打开一个串口，给调用的进程返回一个句柄。变量p h s c p d e v 是串口设备驱动分配给旬柄的一个指针。d e v n a m e 是一个字符指针，它指向空的中止的串口设备描述符。r e a d _ b 咖i z e 是串口设备驱动分配给串口接收缓冲区的缓冲区大小。w r i t e 一6 咖拓8 是串口设备驱动分配给串口传送缓冲区的缓冲区大小。返回值成功，则返回0 ；否则返回一个错误代码：开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践错误代码：es c p d e vi n v a l i dd e v n a m e c l e v n a m 不正确es c p d e vb u f f e rt o ol a r g e 一要求的缓冲区大小超过了驱动提供的最大缓冲区。es c p d e vo se r r o r 一发生系统错误es c p d e vn u l lp o i n t e r 一传入了一个空指针库s c p d e v 1 i b参阅s c p d e v _ c l o s e o ；例子表2 1s e p d e v o p e na p i 示例2 4 智能交通信号控制系统通信协议我国还没有对信号控制系统的通信协议制定相应的标准，先在开放体系设计中支持n t c i p 这个通信协议，并在2 4 2 节中对如何使现有控制系统支持n t c i p这个问题进行论述。2 4 1n t c i p 的主要内容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 sp r o t o c 0 1 ) 是美国针对智能运输系统( i t s ) 的电子设备之间数据传输所制定的标准通信协议 1 1 。n t c i p 定义了一系列通用的通信协议以及专用于交通的数据字典和信息集来支持大多数运输管理用途的计算机系统和外场设备。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，这些计算机可处于同一房间内，也可以是位于相邻机构运营的管理中心内或是跨国的。城市交通控制系统是n t c i p 主要的研究对象。交通信号控制器、车流量检1 4第二章智能交通信号控制系统的开放体系研究测器都是n t c i p 的c e n t e r - t o f i e l d 的应用。1 n t c i p 的通信模块及分层起初的n t c i p 遵照0 8 i 参考模型的规范，对于控制中心与现场设备或控制中心之间连接的标准，分别定义c l a s sb 、c 1 a s sa 、c l a s sc 及c l a s se 四种分级配置。新版的n t c i p 标准己不再使用c l a s s 来分级，而采用模块及分层方式来传输，类似i s o 的0 8 17 层。一般而言，两台计算机或其它电子设施间的数据传输和下面这几层有关，为了区别于1 s o 和i n t e r n e t 所定出的l a y e r ，n t c i p 以l e v e l来分层。i n f o r m a t i o nl e v e l ( 信息层) 一这一层主要提供应用程序处理的数据元素、对象、信息等的传输标准，像是t c i p 、t s 3 5 、m s e t m c c 等。a p p l i c a t i o nl e v e l ( 应用层) 一这一层主要提供信息包的结构及会话管理的标准，像是s n m p 、s t m p 、d a t e x 、c o r b a 、f t p 等，属于o s i 中a p p l i c a t i o n 、p r e s e n t a t i o n 、s e s s i o n 等l a y e r 。t r a n s p o r tl e v e l ( 传输层)一本层主要提供信息打包、分割、组合及路由等方面的标准，诸如t c p ，u d p ，i p 等，属于0 8 1 中n e t w o r k 、t r a n s p o r t等l a y e r 。s u b n e t w o r kl e v e l ( 子网络层) 一此层提供实体接口的标准，像是调制解调器、网络卡、c s u d s u 等以及封包传送，如h d l c 、p b l p p 、p p p 、e t h e r n e t 、a t m 等，属于o s i 中数据链路层( d a t a l i n kl a y e r ) 。p l a n tl e v e l ( 实体层) 一实体层包含了实体的通信传输介质，例如铜导线、铜轴电缆、光纤、无线通信等。属于0 8 i 中p h y s i c a ll a y e r 。纵观上述的通信分层分级结构，除了i n f o r m a t i o nl e v e l 具有交通运输产业的独有特性外，其它各层的标准及功能则都与现有计算机工业界标准几乎相同。由于i t s 涉及在许多不同领域、不同功能的实体之间传送的标准对象、信息等，像是交通、运输、出行者信息、紧急管理，故i n f o r m a t i o nl e v e l 与现存_ t 业标准之间有着较大的差异。对于子网络层及传输层而言，这些部分可使用既有电信及计算机产业中已经发展成熟的标准。除了在应用层，n t c i p 自行制订了s t m p ，在子网络层，n t c i p开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践自行制订了p m p p 之外，n t c i p 并不打算在这个领域发展新的标准，只是选择i t s中要采用那些标准以及这些标准与其它标准问的配合情形。n t c i p 在这几层中特别着重于应用层。虽然这部分已存在某些标准，且这些标准亦能满足部分n t c i p的需求，但考虑到i t s 的特别需要，该层是在现存标准的基础上继续延伸或是发展出全新的通信协议( 如s t m p ) 以符合i t s 的要求。这些i t s 的特殊通信需求包括了：连续的、自动化的、安全且实时的大量数据信息在各单元间的网络传输。在路侧的嵌入式处理器及车上设备之间传送的连续、大量的实对数据，这部分信息须共享低速的通信信道及要求很低的延滞时间。由于不同层之间可以采用不同的业界现有通信标准或是专为i t s 的特别需求而开发出来的全新标准，因此n t c i p 所提供的一系列通信协议可以满足大多数的i t s 需求。2 n t c i p 的架构在不同层之间，可以采用不同的标准来传送信息，而且这些标准之间都是兼容的。一条信息在n t c i p 架构中的每层至多使用一个标准来传输。这种利用一连串标准来递送信息称为标准的堆栈“s t a c ko fs t a n d a r d s ”，或是通信协议堆栈“p r o t o c o ls t a c k ”。不同的设备在交换信息时，有可能部分信息采用某一组标准来传输，其它信息则采用另一组标准来传输。图2 5 说明了n t c i p 的架构，显示出在每层都可以选择不同的标准来传递资料。第二章智能交通信号控制系统的开放体系研究11淼itsd e t a = m o d 。e 斟l 兰罢 甲l d a t ao b j e c 苣t s i a v o ilf i o sl 一r 。衙e n c em o d e lhr r s m e 5 锄g es 札so t _ _ jo y n 8 删c o b j e c 峙l m o m m nl n il m m “_ 曲司卜乒帚- 却 可111111。ii i 。，1号ilivlll i 宁幸。t h n l ”n1t r n t p 口n h lll 臣鱼id 口匝b 单毕自占ls o 篚- ll1 幸叵扫。s u b 。l v i = lf = uli l o l l ic o m b l l l l l o n l h h _ t h s u n l r k n dp l l l h l i i ) v 1 1 1 5 h b k图2 5n t c i p 标准架构下面以一个简单的n t c i p 中心到外场( c e n t e r t o f i e l d ) 的标准堆栈的例子来说明。一个堆栈可以视为全部n t c i p 标准架构中的子集，在不同的层中传递信息。有些堆栈在某些层中会包括两个以上的标准，这代表了通信协议能够使用其中的任意一个标准。图2 6 显示了中心将信息通过s n m p 、p m p p 、f s km o d e m 、双绞线传递给外场设备。开放体系智能交通信号控制系统的设计与实践h 洲b l n 蹦o n b h h n 口- s