摘要：针对信号控制器智能化程度不足的问题，本文提出了一种基于工业自动化控制设计思路的新型信控设备。使用CAN总线实现信号机内部模块间的高效通讯，采用冗余硬件架构保障设备的可靠运行，通过总线拓展了多个工业自动化应用模块以全面提升信号机的性能，研究结果为新型交通基础设施的设计提供了基础支撑和研究思路。
关键字：工业自动化；信号控制；冗余；事件顺序记录；总线
1. 概述
城市道路交通的常规管理手段是信号控制系统，目前信控领域的智能化方向为采用人工智能、大数据等技术解决交通状态识别、交通流预测、车牌识别等问题[1]；信号控制硬件设备的智能化进程则相对滞后，传统的信号机体系已经沿用多年。虽然稳定性和可靠性得到了验证，但传统设计的基点是经典交通信号控制理论，目标定位于执行终端[2]。
近几年学术界和产业界对信号机的研究成果较有限。北方工业大学提出了一种人工智能信号机的架构，利用边缘计算等技术重构了信号机软硬件结构[1]。还有学者完善了现有信号机的通讯体系，提出基于RS-485总线通信的控制系统[3]。城市交通管理集成与优化技术公安部重点实验室通过设计双层通信架构实现了大容量信息的高效传输及车路信息的实时交互[4]。
2. 工业自动化控制应用
信号机作为一种工控产品，具备工业自动化产品的一些基本特点，近些年也有学者应用通用控制器PLC取代主控单元进行信号控制[5]。由于信控设备有一些特定的行业标准和通讯协议等，基于PLC的开发将存在很大的难度，但通用工控产品对于信号机的研发仍有重要的借鉴价值，如工业自动化控制系统的模块更完善，功能也更强大。以下几种类型模块可以给信控系统的设计提供主要借鉴意义。
（1）冗余模块：模块化冗余是指采用复式模块化结构，当一部件出现故障时可自动或人工进行硬件重构，由另一部件替代故障部件工作。可冗余的模块包含了CPU、I/O、电源等。
（2）事件顺序记录模块：在自动化控制系统中用于异常情况的记录。该模块模块记录被监视设备开关量事件的发生时间、首发和连锁发生事件的间隔顺序，通常时间分辨率不大于1毫秒。
（3）现场总线模块：现场总线是一种双向串行的数字通信，避免了传统的点对点模拟通信和开关量信号单向并行传输带来的传输低效和接线繁琐等问题。
3. 新型信号控制设备的总体设计
借助工业自动化控制应用的思路，新型信号控制设备采用CAN总线实现信号机内部模块间的高效通讯，采用冗余硬件架构保障设备的可靠运行，采用多模块设计满足客户的多样需求。如图所示，信号控制系统包括主控模块、灯驱模块、事件顺序记录模块、物联网模块、车路协同模块、机柜监控模块、车辆检测模块、总线通讯模块等多个组成部件。以主控模块为核心，各组件模块连接到2路独立的通信总线上。
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图1 信号机硬件架构
4. 新型信号控制设备主控模块的实现
主控板的功能是控制信号灯输出，是信号机的基本模块，主控板核心处理器可以选择德州仪器公司的AM335x系列处理器。AM335x系列采用高性能32位工业级Cortex-A8处理器，主频可高达1GHz，兼容eMMC和NAND FLASH，支持Linux操作系统，拥有多种工业接口资源。嵌入式系统采用Linux，程序采用多线程工作方式，线程之间的数据传送通过命名管道实现、数据的保存通过SQLite数据库实现、数据并发操作通过信号量实现。根据信号机功能需求及硬件模块设计，主板嵌入式系统需要处理的任务主要是与交管平台的通讯、与人机交互界面的消息传递、相位控制方案的读取、分析和执行等。
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图2 系统数据流图
5. 结束语
本文借鉴工业自动化控制产品的应用思路，以传统交通信号控制设备为研究对象，结合行业特点，设计了一种新型智能交通信号控制机，并提出了硬件的总体架构。新架构使用CAN总线实现信号机内部模块间的高效通讯，采用冗余硬件架构保障设备的可靠运行，通过总线拓展了多个工业自动化应用模块以全面提升信号机的性能，研究结果为新型交通基础设施的设计提供了基础支撑和研究思路。
参考文献
[1] 张立立，王力. 新一代人工智能交通信号控制器架构研究[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版）, 2019, 38(11): 6-13.
[2] 施康.交通信号控制机中备用控制方案的设计与实现[J].科技资讯,2015,13(25):31-32.
[3] 韩党群.基于RS-485总线通信的交通信号控制系统[J].西安航空学院学报,2015,(5):54-58.
[4] 杨志华, 张博, 岳彩林,等. 基于高效通信和双重管控的智能信号机设计与实现[J]. 工业技术创新, 2016(6).
[5] 王言明.PLC在交通信号控制系统中的应用[J].电子测试,2020(03):100-101.