智能交通软硬件生态系统构建方法与流程

本发明涉及一种智能交通软硬件生态系统构建方法，涵盖智能交通信号控制系统硬件设计、通信关联机制、软件开发模式设计，能够取代现有交通信号机，减少设备投入、降低运维成本、提升通行效率，应用在智慧城市规划设计领域；应用在城市道路智慧交通领域；应用在智能信号机设计领域；应用在智慧交通控制算法及应用软件开发模式领域。

背景技术：

现有交通信号机或工控机硬件采用x86架构计算机方式，或采用单片机及内部集成电路控制系统方式，其功耗高、发热量大且体积庞大，应用机制为每个路口部署配置一台信号机，其独立负责单个路口的信号灯控制，只能基于单个路口变换控制信号灯的方式，不具备多路口信号机关联机制；现有信号机的控制算法软件与信号机硬件系统为一体，即不同厂商不同型号的软硬件互不兼容，信号机软件系统的供应及升级依赖于硬件厂商，缺乏统一的行业软件开发生态系统。

技术实现要素：

为解决现有交通信号机设计思路老旧、多个路口交通信号机不关联、信号机应用软件互不兼容的问题，本发明设计了一种智能交通软硬件生态系统构建方法。

智能交通软硬件生态系统构建方法分为软硬件系统构建方式、通信关联机制、软件开发共享机制。

一、软硬件系统构建方式

软硬件生态系统由远程服务器端软硬件系统、移动端软硬件系统组成，服务器端软硬件系统采用x86架构，移动端软硬件系统采用arm架构。

移动端软硬件系统以智能信号机形式部署在路口灯杆区域，集成5g通信、图像处理、数据分析、信号灯控制功能，移动端软硬件系统由软件、硬件组成，硬件主要包括5g芯片、卫星定位芯片、cpu、gpu、mpu、mcu、内存、机箱、主板、ups电池、天线、接口、电源、固态硬盘，软件主要包括移动端操作系统、图像分析应用软件、卫星定位数据分析应用软件、5g数据分析应用软件、信号灯智能控制算法应用软件、通信关联机制应用软件。

服务器端软硬件系统以服务器形式部署在远程数据中心，其硬件为大型计算机或服务器集群；其软件分为操作系统、移动端软硬件系统管理软件、数据库管理系统、应用软件、网络应用服务系统。

1、移动端软硬件系统--硬件

1)5g芯片：负责移动端软硬件系统与移动端软硬件系统、移动端软硬件系统与远程服务器端软硬件系统的通信，并以5g信号方式实现通信关联。

2)卫星定位芯片：获取所在路口区域附近的卫星定位数据，计算路口区域附近设定距离范围内的道路车流量，同时负责卫星定位芯片自身坐标即移动端软硬件系统本身的坐标位置计算。当车辆导航端开启卫星导航系统时，卫星导航系统自动发送加密后的自身卫星定位数据，车辆周围设定距离范围内的移动端软硬件系统的卫星定位芯片将接收车辆发来的卫星定位数据，卫星定位芯片基于道路坐标、(车辆发来的)卫星定位数据、时间筛选计算道路上(设定距离范围内)总的车流量数据即车辆数量、车辆速度、车辆密度，以及计算道路上具体相位的车流量数据即车辆数量、车辆速度、车辆密度。括号内设定距离是指卫星定位芯片自身坐标即所在的路口坐标到设定的道路最远坐标的两点距离，基于两点坐标距离公式计算所得。

3)cpu：中央处理器，负责移动端软硬件系统工作任务的最终执行，是计算和控制的核心单元。

4)gpu：图形处理器，负责处理从视频系统获取的图像、图形数据，识别车辆和行人，计算道路设定距离范围内的车辆数量、密度、速度、位置。

5)mpu：微处理器，是移动端软硬件系统的计算、判断或控制中心，控制移动端软硬件系统工作，产生控制信号对信号灯进行控制。

6)mcu：微控制单元，负责移动端软硬件系统的接口控制管理，包括移动端软硬件系统与视频系统的接口控制管理，视频系统是指安装在路口区域灯杆上的摄像机系统。

7)机箱：移动端软硬件系统的硬件都集成在机箱内，机箱外壳由金属材料做成，内部有导热铜片及液态金属导热材料，导热铜片连接机箱外壳并将热量传导给机箱外壳；导热铜片通过液态金属导热材料与cpu、gpu、5g芯片连接，cpu、gpu、5g芯片的热量通过液态金属材料传导给导热铜片，最后通过机箱外壳散热。

8)主板：承载固定并连接5g芯片、卫星定位芯片、cpu、gpu、mpu、mcu、内存、接口，实现移动端软硬件系统硬件的各个芯片及附属部件的电路连接通讯。

9)电源：即外接电源，从机箱引出电源线连接电源，电源具有交直流转换及变压恒流功能。

10)ups电池：由锂电池组及电源管理控制电路组成，当电源供电意外中断时，则启用ups电池，为移动端软硬件系统提供电能。

11)天线：接收及发射5g无线信号，实现移动端软硬件系统与移动端软硬件系统、移动端软硬件系统与远程服务器端软硬件系统的通信。

12)接口：多个接口，分别实现移动端软硬件系统与视频系统(摄像机)的连接通信，实现移动端软硬件系统与信号灯系统的连接通信，实现移动端软硬件系统与外界其它系统的连接通信。

13)内存：分为ram和rom，ram即移动端软硬件系统运行时使用的内存，临时存储数据，与cpu交换高速缓存数据；rom即长期存取系统开机程序等数据。

14)固态硬盘：长期存取数据，兼具黑匣子功能，长久存取操作系统、应用软件、系统运行数据、信号灯状态(时间、信号颜色、路口相位)数据。

2、移动端软硬件系统--软件

1)移动端操作系统：管理移动端软硬件系统的硬件与软件资源的程序，包括管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制采集视频系统数据、控制gps及5g信号数据、控制输出信号灯指令数据、控制与远程服务器端软硬件系统的通信、管理文件及数据系统任务。

2)图像分析应用软件：对读取到的视频系统图像数据做二次处理，基于车辆外形、颜色指标识别不同或同一车辆，并计算车辆数量、密度，进一步基于时间指标分析同一车辆的位置，并计算单一车辆的车速以及某一路段或相位区域的平均车速。

3)卫星定位数据分析应用软件：分析从第三方数据库采集到的卫星定位数据，基于道路坐标筛选道路上的车辆坐标，进一步基于时间指标计算某一路段或相位区域的车辆数量、密度、车速；结合自身的卫星定位芯片功能，分析计算车辆数量、密度、车速。

4)5g数据分析应用软件：分析从第三方数据库采集到的5g定位数据，基于道路坐标筛选道路上的车辆坐标，进一步基于时间指标计算某一路段或相位区域的车辆数量、密度、车速。

5)信号灯智能控制算法应用软件：基于时间以及不同相位路段车辆的数量、密度、速度、位置指标，设计的提升交通网络通行效率的算法，以软件形式运行并最终通过硬件控制信号灯的轮换。

6)通信关联机制应用软件：移动端软硬件系统与移动端软硬件系统、移动端软硬件系统与远程服务器端软硬件系统的通信机制算法，以软件形式运行。

3、服务器端软硬件系统--硬件

是一种计算机，在网络中为移动端软硬件系统提供部分计算及应用服务，与多组移动端软硬件系统通信。

4、服务器端软硬件系统--软件

1)移动端软硬件系统管理软件：配置管理移动端软硬件系统，包括移动端软硬件系统的软件安装、卸载、升级、配置；移动端软硬件系统的硬件监测。

2)操作系统：部署安装在大型计算机或服务器集群上的操作系统，控制计算机软硬件资源。

3)应用软件：控制某个交通网络的多组移动端软硬件系统组合算法的软件管理系统；其它应用软件。

4)网络应用服务系统：所有移动端软硬件系统及服务器全部部署在公安网内，网络应用服务系统负责管理局域网内的移动端软硬件系统应用及网络服务。

二、通信关联机制

每个路口部署一组移动端软硬件系统，一组移动端软硬件系统由一个或多个移动端软硬件系统组成，同一组中的每个移动端软硬件系统是一个独立单元即支持单个单元独立工作；支持多个单元协同工作，每个独立单元之间相互关联分别处理不同的任务，或者在一个单元出现故障时，其余单元作为灾备系统替补故障单元继续工作。

相邻两个路口区域的移动端软硬件系统相互关联通信，即相邻两组移动端软硬件系统相互关联实现多组移动端软硬件系统环环相扣。

除了上述(一、软硬件系统构建方式)中阐述的卫星定位芯片定位功能外，同时有另一种获取卫星定位数据的方式，即通过访问第三方卫星定位信号数据库的方式获取卫星定位数据。移动端软硬件系统访问5g和卫星定位信号数据库，采集读取所在路口区域附近设定距离范围内的道路车流量5g和卫星定位信号数据，或5g和卫星定位信号数据库向移动端软硬件系统发送对应路口区域附近设定距离范围内的道路车流量5g和卫星定位信号数据。

路口区域附近设定距离范围内的道路车流量图像视频数据由所在路口的移动端软硬件系统负责计算；

1、移动端软硬件系统与服务器端软硬件系统相互关联步骤：

路口区域附近设定距离范围内的道路车流量5g和卫星定位信号数据的筛选计算有两种方式：1)服务器端软硬件系统负责筛选计算；2)移动端软硬件系统负责筛选计算。

若服务器端软硬件系统负责筛选计算道路车流量5g和卫星定位信号数据，则服务器端软硬件系统将对应路口区域附近设定距离范围内的道路车流量5g和卫星定位数据发送给对应路口的移动端软硬件系统。若移动端软硬件系统负责筛选计算道路车流量5g和卫星定位信号数据，则移动端软硬件系统同时将所在路口区域附近设定距离范围内的道路车流量5g和卫星定位信号数据发送给服务器端软硬件系统。

移动端软硬件系统负责将所在路口区域附近设定距离范围内的道路车流量图像视频数据发送给服务器端软硬件系统。

2、相邻路口的移动端软硬件系统相互关联步骤：

a路口的移动端软硬件系统将所在路口设定距离范围内的道路车辆图像视频数据、车辆卫星定位数据、车辆5g定位数据传输给b路口的移动端软硬件系统；b路口的移动端软硬件系统将所在路口设定距离范围内的道路车辆图像视频数据、车辆卫星定位数据、车辆5g定位数据传输给a路口的移动端软硬件系统。a路口和b路口是两个相邻的路口。路口设定距离范围内的道路车辆图像视频数据、车辆卫星定位数据、车辆5g定位数据按路段、驶向该路口、驶出该路口指标分类。

三、软件开发共享机制

移动端软硬件系统采用统一封闭操作系统，第三方软件开发机构(公司或研究所)基于接口与权限在操作系统授权平台开发应用软件，应用软件涵盖信号灯控制算法、车流量采集分析算法。

附图说明

图1是智能交通软硬件生态系统架构，其中虚线框代表地理位置区域，不同的虚线框代表其框内的软硬件系统部署在距离较远的不同区域，虚线框内的阿拉伯数字标识方框分别代表不同的软硬件系统，箭头及连接线代表不同软硬件系统之间的通信关联机制，具体标识释义如下：

a虚线框，即地理区域a；

b虚线框，即地理区域b；

c1虚线框，即c1路口；

c2虚线框，即c2路口；

c3虚线框，即c3路口；

5数据库，即5g定位数据库；

6数据库，即卫星定位数据库，如gps、北斗信号数据库；

7服务器端软硬件系统；

10视频系统，即c1路口的摄像机系统；

11视频系统，即c2路口的摄像机系统；

12视频系统，即c3路口的摄像机系统；

20移动端软硬件系统，即c1路口的移动端软硬件系统；

21移动端软硬件系统，即c2路口的移动端软硬件系统；

22移动端软硬件系统，即c3路口的移动端软硬件系统。

图2是道路交通网络图，实线代表道路边缘，两实线之间为道路，两实线中间的平行虚线即长虚线是车辆行驶方向分割线；圆圈内阿拉伯数字所在区域是路口，靠近路口的短虚线是车辆行驶红灯信号停止线即驶入路口标记线；箭头及连接线代表道路车辆行驶方向，箭头指向路口释义为驶入路口，箭头背向路口释义为驶出路口。符号具体释义如下：

①路口a的移动端软硬件系统；

②路口b的移动端软硬件系统；

③路口c的移动端软硬件系统；

④路口d的移动端软硬件系统；

5路段ra1驶入路口a的车流量，包括车辆数、车速、密度；

6路段rc1驶出路口a、驶入路口c的车流量，包括车辆数、车速、密度；

7路段re1驶出路口c的车流量，包括车辆数、车速、密度；

8路段ra2驶入路口a的车流量，包括车辆数、车速、密度；

9路段rb1驶出路口a、驶入路口b的车流量，包括车辆数、车速、密度；

10路段rf1驶出路口b的车流量，包括车辆数、车速、密度；

11路段rb2驶入路口b的车流量，包括车辆数、车速、密度；

12路段ra3驶出路口b、驶入路口a的车流量，包括车辆数、车速、密度；

13路段rg1驶出路口a的车流量，包括车辆数、车速、密度；

14路段rc2驶入路口c的车流量，包括车辆数、车速、密度；

15路段ra4驶出路口c、驶入路口a的车流量，包括车辆数、车速、密度；

16路段rh1驶出路口a的车流量，包括车辆数、车速、密度；

17路段rd1驶入路口d的车流量，包括车辆数、车速、密度；

18路段rb3驶出路口d、驶入路口b的车流量，包括车辆数、车速、密度；

19路段ri1驶出路口b的车流量，包括车辆数、车速、密度；

20路段rb4驶入路口b的车流量，包括车辆数、车速、密度；

21路段rd2驶出路口b、驶入路口d的车流量，包括车辆数、车速、密度；

22路段rj1驶出路口d的车流量，包括车辆数、车速、密度；

23路段rc3驶入路口c的车流量，包括车辆数、车速、密度；

24路段rd3驶出路口c、驶入路口d的车流量，包括车辆数、车速、密度；

25路段rk1驶出路口d的车流量，包括车辆数、车速、密度；

26路段rd4驶入路口d的车流量，包括车辆数、车速、密度；

27路段rc4驶出路口d、驶入路口c的车流量，包括车辆数、车速、密度；

28路段rl1驶出路口c的车流量，包括车辆数、车速、密度。

具体实施方式

基于arm硬件架构，将5g芯片、卫星定位芯片、cpu、gpu、mpu、mcu、内存、机箱、主板、ups电池、天线、接口、电源、固态硬盘、附属芯片电路连接集成，作为移动端软硬件系统。移动端软硬件系统以移动智能信号机形式部署在路口灯杆区域，每个路口部署两台移动智能信号机，其中一台作为灾备系统备用，相邻路口信号机相互通信关联，每个移动智能信号机与远程的服务器端软硬件系统通信关联。

设计统一的移动端软硬件系统操作系统即移动智能信号机操作系统，简称tos系统，tos系统为封闭系统，对行业内具有资质的研究机构、高校、研究院所、企业开放权限，授权单位在支持tos系统软件开发环境工具平台上均可参与信号灯控制算法应用软件开发，得到试验验证的软件在授权发布后可部署安装在授权区域的移动智能信号机中。

如图1所示，c1路口的移动端软硬件系统20采集来自视频系统10的图像图形数据、5g数据库5的5g信号车辆定位数据、卫星定位数据库6的gps或北斗车辆定位数据，服务器端软硬件系统7与5g数据库5、卫星定位数据库6关联通信，服务器端软硬件系统7管理5g数据库5、卫星定位数据库6与移动端软硬件系统20的数据传输；移动端软硬件系统20向服务器端软硬件系统7发送视频数据、信号灯状态数据、路口区域车流量数据；c2、c3路口区域与c1路口区域原理相同；c1、c2路口的移动端软硬件系统20、21相互关联通信，c2、c3路口的移动端软硬件系统21、22相互关联通信。

如图2所示，①路口a的移动端软硬件系统向②路口b的移动端软硬件系统、③路口c的移动端软硬件系统发送5路段ra1驶入路口a的车流量、6路段rc1驶出路口a且驶入路口c的车流量、8路段ra2驶入路口a的车流量、9路段rb1驶出路口a且驶入路口b的车流量、12路段ra3驶出路口b且驶入路口a的车流量、13路段rg1驶出路口a的车流量、15路段ra4驶出路口c且驶入路口a的车流量、16路段rh1驶出路口a的车流量；同样原理，②路口b的移动端软硬件系统向①路口a的移动端软硬件系统、④路口d的移动端软硬件系统发送车辆驶入及驶出数据，其余路口的移动端软硬件系统同样原理向相邻路口的移动端软硬件系统发送数据。