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全息数字孪生交通控制系统

来源:本站   发布时间: 2022-12-26 17:17:07

苏州科达科技股份有限公司

蒋松涛、崔中发

一、方案概述

随着城市化水平的不断发展,城市路网承受的交通压力越来越大,如何应用信息化技术赋能交通管理成为亟需解决的难题。全息数字孪生交通控制系统是在城市交通不断向数据标准化、数字化发展的基础上,在感知建模、人工智能等信息技术取得重大突破的背景下,建设在新型智能交通体系下的一条新兴技术路径,是交通智能化、运营可持续化的前沿先进模式,也是吸引高端智力资源共同参与、实现从局部应用到全局优化、持续迭代更新的创新平台。

在实际应用中,全息数字孪生平台基于实时感知数据,建立虚拟空间映射,构建全息模拟空间,并通过实时控制形成再感知的实时闭环控制系统,进而完成了交通控制系统从方案优化向实时优化方向的转型。主要应用在城市路网运行状况的实时分析、城市交通方案的评估优化、城市重点目标车辆的检测管理及协助交警提升执法办案效率等智能交通场景,服务于公安交警指挥中心、科技/秩序科及下属交警大队相关业务部门。

二、建设目标

本方案希望通过全息数字孪生交通控制系统的建设,实现对城市道路交通参量的实时感知、道路实时路况的精准模拟、布控车辆的实时预警以及信号优化策略的实时下发。预计实现目标如下:

(一)防控策略转变

通过建设全息数字孪生交通控制系统,大幅改变指挥中心普遍通过人工巡检大量视频监控的现状,运用AI智能感知技术,实现城市路网交通运行状态由被动监测到主动防控方式转变。

(二)路网管控可视化

利用全息数字孪生技术,实现对城市路网的实时交通运行状态的平行仿真,便于交管人员实时掌握路网交通运行状态,实现高效、直观、可视化的综合管控。

(三)助力城市交通信号优化

通过全息数字孪生交通控制系统分析道路实时交通流和历史交通流数据,对城市道路交通态势进行精准预测,为信号优化、出行规划等提供数据支撑,有效提升道路通行效率。

(四)提升城市道路通行效率

利用大数据信息处理与分析技术,精确分析城市道路通行需求,实时优化路口交通信号灯配时方案,提升道路利用率,缓解城市道路交通拥堵的压力,让城市道路更安全、更有序、更通畅。

三、系统架构

全息数字孪生交通控制系统共分为数据感知层、数据汇聚层、系统支撑层、业务应用层和用户展示层五层架构(整体架构如图1所示)。

系统数据感知层由前端视频监控、信号机、雷达、诱导屏等交通采集设备构成,可实现道路信息的全面获取和动态感知。

数据汇聚层负责将前端数据通过不同网络回传至中心,完成视频监控、信号控制、交通参量分析等诸多功能,用户也可在本层实现与六合一平台、互联网数据等其他应用共享平台的数据对接。

系统支撑层包含实战业务软件支撑服务、交通地理信息系统和系统管理中心,其中硬件支撑包括应用服务器的搭建、大数据服务器集群的搭建等;软件支撑服务包括数据中台、解析中台、媒体中台的构建。

业务应用层在数据深度挖掘处理的基础上,结合全息数字孪生交通控制系统实际业务需求,形成实时交通模拟、车辆追踪、交通态势预测、实时信号相位展示、信号优化等应用模块,最终展现在用户展示层,服务于公安交警部门。


四、系统功能

(一)交通态势感知

基于全息路网建设的多样化前端感知设备,系统可以实时获取道路交通流数据,同时对整个路网及某个路段的车流量进行统计,分析路网拥堵程度、通行效率、饱和度分析等,并基于分析结果,实现对未来一段时间内道路流量趋势、通行能力、拥堵情况的多维度预测。系统示例界面如图2所示。

2 交通态势感知系统界面示例

(二)多点设备联动

基于数据感知层建设的AR高点全景监控设备和多类型低点监控设备,系统可以实现前端相机的“高低联动”、“低低联动”。

一方面,系统支持将低点相机捕捉到的车辆属性信息和位置信息提供给高点AR全景监控相机,由高点相机实时追踪车辆行驶轨迹(车辆追踪效果如图3所示);另一方面,系统支持由低点相机获取车辆属性信息、由雷达采集车辆通行速度和行驶路径,实现基于低点相机与雷达联动的车辆行驶轨迹获取。在系统捕捉到车辆行驶轨迹后,系统会复刻路线、标注车辆号牌信息并以画中画的形式展示实时交通态势,将车辆绝对坐标反馈给全息数字孪生平台。

3  AR高点视频高低联动车辆识别追踪

(三)实时交通仿真

交通实时仿真系统由路网构建系统、实时交通信息系统、仿真控制交互系统、仿真结果评价系统和相关数据存储系统组成。

1.路网构建系统

路网构建工具主要对仿真需求区域路网进行配置以及对其他数据格式路网进行适配转换工作。主要由包括路网编辑、基础信息配置、数据格式适配构成。

2.实时交通信息系统

实时交通信息系统负责接收交通路网中的实时交通态势数据、路口信号配时方案、路网交通事件、卡口电警过车系统、交通诱导信息等,并与仿真控制交通系统进行通信。其组成结构主要包括实时交通态势、路口信号配时方案、交通诱导信息发布、交通事件管理。

3.仿真控制交互系统

仿真控制交互系统在整个系统中起中枢作用。主要包括实时交通信息交互管理、仿真进程控制、仿真计算资源管理、仿真进程展示、模型方案选择。并将仿真结果发送至仿真结果存储系统。

4.交通仿真节点系统

平行交通仿真节点系统根据仿真需求,计算资源需求后进行正式仿真。首先对所要仿真区域的路网进行逻辑结构构建并回馈控制系统,等待仿真控制交互系统的进程推进指令,收到指令之后,根据交通进行实时交通生成工作,即完成交通情况从实际到仿真的转化。同时,根据历史的卡口过车数据,动态输入新生成的交通流输入,使仿真车流的控制能真实世界尽量拟合。

5.仿真结果评价系统

评价指标综合考虑了机动车、行人等各种交通参与者,指标体系架构如图4所示:

4 信号控制效果评价指标体系

在现实世界和平行仿真系统中的合适位置布设交通数据采集点,配置仿真评价功能,获取诸如道路实际通行能力、道路区段平均行程时间和平均车速、交叉口车均延误、进口道车辆排队长度等评价数据,同时考虑行人在现代交通系统中的重要性,设置了行人一次过街率、行人平均等待时间作为评价指标,以上述各种指标作为备选措施和方案比选的主要依据。

(四)交通信息发布

系统支持针对交通管理过程中发生的事故、拥堵、施工占道和突发事件,按照交通管理需要及时将制定的交通管制、线路诱导、到达点调度等策略推送至交通诱导屏和互联网导航软件。通过路况和出行信息的共享,实现交通分流,达到防止交通态势加剧的目的。

此外,在日常交通管理过程中,系统也可发布交通安全相关的宣传警示标语,或对接周边大型停车场停车智能引导系统、城市停车诱导系统,发布停车信息诱导,从而有效疏导交通,促进行车安全。控制信息中心远程控制示例界面如图45所示。

5 控制中心后端可变交通信息板系统界面示例图

(五)道路信控优化

系统支持对交通信号控制机进行方案配置、策略优化、手动控制等功能,实现基于控制运行信息和交通流数据的信控优化方案。

1.路口瓶颈控制

1)路口排队溢出控制

针对交叉口出口道出现的车辆排队溢出导致的路口拥堵现象,系统支持开启饱和控制模式。通过减少上游路口绿灯时长、极限时不放行绿灯以及增加下游路口绿灯时长的做法,达到避免排队上溯而造成更大范围的拥堵的目的。

2)路口溢出拥堵控制

针对道路下游路口遇堵导致车辆排队且溢出至上游路口的现象,系统可通过对上游路口执行全红信号,待排队车辆驶离路口后再行恢复信号周期的操作,达到缓解路口溢出拥堵、疏导道路瓶颈的目的。

2.绿波协调优化

在城市交通中,针对城市干线道路的交通负荷大、通行效率低的问题,系统构建了绿波优化模型算法。基于绿波协调控制的优化思路,可建立上行绿波优化、下行绿波优化、双向绿波优化三种绿波控制模型(绿波构建模型界面如图6所示),进而创建相关协调计划,警务管理人员也可根据实际交通情况进行协调方案的人工调整,优先保证干线方向运行畅通,提高交通信号控制的整体效应。

6 绿波协调优化界面示例

3.区域协调优化

若将重点道路及相关联路口划为同一个路线,当路线和路线之中有连接路口时,相关联的路线会形成一个区域。系统能够根据各路口检测的交通流信息,自动进行交通控制参数的优化并执行优化后的配时方案(区域路线优化示例如图7所示),进而提高区域的整体通行能力,缓解城市交通中存在的区域性道路拥堵问题。

7 区域协调优化示例界面

(六)特勤线路保障

1.特勤预案

系统支持基于KGIS地图进行特勤路线控制。针对各项重大活动、重大事件及特殊警务工作的道路通行需求,系统可为警务人员提供设置多条特勤路线的信号控制预案功能,在配置特勤线路时,可查看和编辑特勤路线中涉及的节点和对应设备,实现空间可视化操作,同时汇集多区域信号机路口,实现跨区域的特勤线路编制及方案控制。

2.特勤任务执行

中心用户可下达执行特勤路线任务指令,其随行车队即可获取系统提供的信号优先服务,保障特勤车辆按预定的路线实现绿波通行;在正常完成信号优先任务或现场用户下达终止信号优先任务指令后,系统将自动解除路口信号机的优先相位锁定状态,使其恢复执行正常的信号控制方案。

系统支持在特勤保障方案制定、执行过程中均采用图形化操作,警务人员可以在模拟的信号环境中进行特勤任务预演。在开展特勤保障任务的过程中,系统支持同时进行多条特勤路线的执行、监视操作,帮助指挥中心实现全局把握、高效协同。

(七)特殊交通控制

1.故障降级控制

系统支持在信号控制管理平台端监视系统内所有设备的运行状况,若系统运行过程中出现绿冲突或信号灯组红灯、绿灯同时点亮等严重冲突的情况,信号机会立即自动切断信号输出通道,转入黄闪或关灯状态,避免带来进一步的道路交通秩序混乱。

2.行人过街控制

交通信号控制机支持接收行人立柱采集的行人等待红绿灯信息、行人按钮信号输入,可在路口和路段响应行人按钮的行人过街请求,实现一次过街和二次过街控制功能。

五、主要前端设备介绍

(一)900W AI超微光智能抓拍单元

IPC695智能抓拍单元作为科达的一款明星产品,在前端视频检测方面发挥着重要的作用。在城市道路沿线安装一定数量的卡口、电警设备,可帮助全息数字孪生交通控制系统实现道路全路段监控的全覆盖、无盲区。高清抓拍摄像机采用一体化设计,承担视频图像分析、车辆图像采集取证、牌照自动识别、压缩存储等功能,可通过跟踪车辆特征信息、分析车辆运行轨迹等多重检测手段判定运动目标运动特征,产品外观图片如图8所示。

8  AI超微光卡口抓拍单元外观图

(二)AR全景监控设备

IPC980作为一款全景特写一体化球型摄像机,充分利用增强现实、3D定位、人工智能等技术,通过AR高点全景摄像机获取监控点全景视频,与视场内低点摄像机联动,从而实现既关注整体又兼顾局部的大范围立体监控与视频联动,能够以画中画展示低点摄像机视频,做到可查询、可搜索、可定位、可描述、可预警、可联动,大大改善监控系统的应用模式,提高实战效率。产品外观如图9所示。

9  IPC980全景特写一体化球机外观图

(三)大场景广域雷达

HT-MTTR-L1大场景广域雷达突破了传统交通测速雷达功能范畴,具备超大场景采集功能,专用于智慧路口场景下的道路交通信息感知,主要用于智慧路口车辆检测,可靠性强,最大探测深度可达250米。产品外观如图10所示。

10 大场景广域雷达外观图

(四)交通信号控制机

交通信号控制机采用嵌入式Linux操作系统,可充分提高设备稳定性和扩展性;硬件结构采用模块化设计,提高设备安装、维护、组装的便捷性;内部集成多源交通数据实时检测功能,既可与指挥中心、区域控制机联网获取执行中心或区域下达的控制指令,也可联合路口数据采集系统作为智慧路口自适应信号控制机独立使用。产品外观如图11所示。

11 交通信号控制机产品外观图片

(五)边缘计算终端

AI BOX-16边缘计算终端具有强悍的计算性能,优秀的算法和完善的应用。主要用于智慧路口边缘计算应用场景,提供交通流数据采集,支持与科达信号机联动实现自适应控制。体积小巧、应用完善,易于二次开发。产品外观图如图12所示。

12边缘计算终端外观图

六、总结

全息数字孪生交通控制系统应用AI智能感知设备对机动车、非机动车、行人等交通要素实现全时空捕获,结合全息数字孪生技术为用户提供数字化平台,将实时交通流呈现在一个可视化的模型中,真正做到全路段全局可见,为交管部门提高路网管理效能提供数据基础和决策支持;同时应用大量的数据分析模型实现对城市道路交通态势实时感知、布控车辆实时预警、信号控制实时优化,实现城市路网精细化管理、交通信号精细化控制,有效提升城市路网通行效率。


 

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