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        3. 張福生
          作者很懶,什么都沒留下

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          需求并起,路線林立 ,聊聊智慧交通領域大熱的信控通信協議

          張福生
          2019-11-22 · 10:00
          [ 億歐導讀 ] 信控通信協議絕不僅是數據傳輸格式定義,它是交通信號控制技術發展與標準化程度的集中表現。
          地鐵,智慧城市,智慧交通,交通信號

          文章來源于:張福生,圖片來自“Unsplash”

          交通信號統一聯網聯控這一議題亟需各方深化討論,本文用通俗的語言梳理了相關研究,并指出,信控通信協議絕不僅是數據傳輸格式定義,它是交通信號控制技術發展與標準化程度的集中表現。

          本文轉載自賽文交通網,作者張福生,原標題《需求并起的信號統一聯網聯控 | 張福生:說說信控通信協議》。億歐智慧城市對文章進行二次編輯,供讀者參考。

          盡管這不是新問題,但過去一年多時間以來,城市交通信號控制的一城多系統統一平臺成為熱點。

          北京、???、合肥、深圳等多個城市已經或者正在計劃著將城市中多個信號廠商的信號系統統一到同一個控制平臺之下。

          2019年10月,北京市招標建設開發全市交通信號控制管理平臺,信號平臺采用主中心-分中心-路口的系統架構,主中心軟件部署在市交管局,其中主中心主要功能包括

          (1)負責監控整個系統的運行、負責進行全域戰略控制、協調區域分中心控制級的運行;

          (2)具備區域分中心控制級的所有功能。而北京全市主要有海信網絡科技、西門子等多個信號廠商信號機。

          2019年11月,蘇州雁陣式智慧交通信號優化系統招標。蘇州市主要的信號控制系統以SCATS為主,其他有代表性的信號控制系統主要有SCOOT交通信號控制系統,另外還有許多單點交通信號控制機。招標提出這種多個控制層次需求并存、多種控制方式并存的情況,迫切需要一個結構合理的交通信號控制系統來進行集散式的管理控制和指揮調度工作,從而使這些控制系統不但能夠獨立完成本系統的交通信號控制工作,而且也能夠接受統一的控制命令。

          一城多信號廠商統一平臺的相關技術研發工作,傳統的交通信號控制企業在做,高校在做,互聯網公司也在做,技術路線也各不相同。

          當技術路線林立,當各城市根據自身需求和理解主導著投資研發方向,當互聯網企業,傳統交通信號控制機企業根據自身訴求研發產品,并不斷引導和影響用戶選擇,統一信號控制平臺,異構的多信號廠商通訊協議互聯的問題解決已經到了刻不容緩的關節。

          賽文交通網了解,作為行業管理者代表的公安部交通管理科學研究所正在組織交通信號統一聯網聯控的調研和討論工作,在各地方需求并起,技術路線呈現各異趨勢的背景下,信號統一聯網聯控工作要開展,在“準強制“技術路線還未確定之時,行業需要更多討論。

          近段時間,交通信號控制領域熱詞應該是 統一信號控制平臺,其目標是實現多種控制系統、多種信號控制器的統一接入、統一管理、統一控制、統一運維。

          于是,如何實現多協議異構系統互聯再次引起行業的關注熱點,“信號控制器與上位系統的通信協議“又一次成為關注的話題。

          協議是什么?協議應該起到什么作用?怎樣理解不同協議之間的差異?怎樣才是一個好的協議?怎樣實現不同協議間的轉換與互聯?回答這些問題涉及網絡通信、數據編碼、交通信號控制基本概念、基本方法等很多層面的非常復雜的技術細節。

          所以,幾年來我多次嘗試著用最通俗易懂的方式來進行解釋,但每每寫不下去;今天重拾這個話題,希望能用最通俗易懂的語言和輕松的方式來把過去的一些研究理解梳理出來,供同行們參考。

          將近二十年前,剛開始進入交通控制這個領域,我做的第一件事情就是做協議相關的開發工作。那個年代交通信號控制系統中能夠聯網運行的基本是國外引進的系統,包括西門子的SCOOT系統、澳大利亞的SCATS系統。

          聯網的方式基本上采用電話專線通信,以西門子SCOOT系統為例,中心控制系統采用通信前置機(TC12)驅動調制解調器陣列,并通過電話專線實現與路口信號控制器的OTU之間的通信,通信速率1200波特率。

          也就是說路網上每一個路口的信號機都通過一條電話線直連到中心的TC12接入服務器上,對于大中型城市一個信號控制系統的接入單元要占用幾個機柜,里面連接著數百上千條電話線。

          但是,隨著城市規模的擴大,電話專線有限的傳輸距離限制,造成很多遠距離路口無法接入系統(這也是scoot、scats系統采用了主控、分控的方式進行就近接入,但仍然不能滿足要求),同時,電信行業“銅改光”的影響下電話專線業務逐漸被取消。

          本世紀初,隨著數字通信網絡的普及,我們開始嘗試對原有信號控制系統進行升級,采用基于IP網絡取代傳統的電話專線通信。

          第一個嘗試在大連的SCOOT系統上進行,為分析SCOOT系統與TC12前置機、TC12與路口信號機、路口信號機通信單元與控制機之間通信協議,我們專門開發了網絡監聽軟件、同步通信監聽設備、并行總線數據旁聽裝置,用于旁路分析通信各個環節的數據。

          同時,對照分析中心系統、信號控制器端控制響應狀態,掌握了數據通信格式、時序,并專門設計了基于IP通信的中心通信單元(ICU)、信號機端通信單元(OCU),分別用于取代中心系統的TC12以及信號控制器端的OTU通信板卡,實驗運行取得了良好的運行效果,系統和設備開發過程中得到了時任大連交警支隊姜廷順副支隊長和西門子公司的大力支持,相關的產品后來成為西門子公司的標準產品,成功適配了于多種西門子信號控制器(ST800\ST700\ST400),先后應用于大連、承德、北京、成都、武漢等很多城市,至今累計運行路口已經達到數千個。

          回顧上述產品的開發過程,表面看是對原有通信協議進行解析、重新封裝,并完成由裸協議向基于IP的網絡協議的遷移,但其中最重要的工作是對原系統信號控制理念、概念和方法的理解,并將其對應到通信協議的表達上。

          也正是通過這個過程,我們開展了對以scoot系統為代表的英國交通信號控制通信協議,并以協議分析為開端,從最底層的一個字節一個比特開始深入研究了英國交通信號控制體系、相關標準、控制方法、控制理念。

          在此之后,又進一步研究了美國的NTCIP、英國的UTMC、德國的OCIT等多個國家交通協議,后來也參與了國內“交通信號控制機與上位機間通信協議”(GBT20999-2017)的編寫,其中很多體會、很多故事、很多細節內容,以后有機會另作專題分享。

          通信協議是什么

          要清晰理解通信協議,繞不開一些晦澀難懂的概念,以下引號中內容來自百度:“通信協議是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定?!?/strong>

          通過通信信道和設備互連起來的多個不同地理位置的數據通信系統,要使其能協同工作實現信息交換和資源共享,它們之間必須具有共同的語言。交流什么、怎樣交流及何時交流,都必須遵循某種互相都能接受的規則。這個規則就是通信協議?!?/p>

          為實現通信協議的標準化,國際標準化組織ISO 于1981年正式發布了網絡系統結構--七層參考模型,也被稱為開放系統互連模型(Open System Interconnection,OSI)。

          模型中定義了“物理層(PH)、數據鏈路層(DL)、網絡層(N)、傳輸層(T)、會話層(S)、表示層(P)、應用層(A)“,這個標準模型的建立,為各應用領域的協議標準化提供了參考,大大推動了網絡通信在各行各業中的應用于發展。

          通俗形象解釋一下這幾個協議分層,以我們最常見的電話會議為例:電話線路是物理層(PH)保障信號傳輸、聲波到電信號的轉換以及在線路上傳遞是數據鏈路層(DL)、電話撥號尋址建立的兩端連接機制是網絡層(N)保障我們找到對方、人類的嘴巴和耳朵實現發聲和聽音是傳輸層(T)保障我們發出和感知聲音、會議雙方都說同一種語言(中文或英文)是會話層(S)讓我們建立最基本的溝通方法、雙方討論同一領域的專業問題并用到的那些默認互相理解的專業術語是表示層(P)、最終通過通信要達到的會議目標是應用層(A)。

          現在,我們看看交通控制領域里,通信協議主要目標是實現交通信號配置參數上下載、信號運行狀態上報、交通數據上傳、控制命令下發、故障信息上傳功能。

          對照OSI七層協議的規范,這些功能基本上是在表示層(P)和應用層(A)上來完成。因此我們在制定法相關協議標準的時候就應該將注意力專注于表示層和應用層,其中最關鍵的就是對基本語義的定義,以下是關于信控通信協議的幾點想法。

           通信協議只是數據定義,應用與業務才是核心

          任何通信協議都只是對一種應用領域目標屬性以及傳輸方式的定義。通信協議的背后是應用領域基本概念的定義、以及應用場景、應用模式的歸納與總結。

          交通控制領域也同樣,在沒有完整而清晰定義最基本概念、最基本方法,沒有明確規范控制模式、描繪應用場景的情況下,通訊協議的規范就無從討論。

          這些基本概念、基本方法既要來自行業應用經驗的積累、更要進行抽象、概括和總結;簡單地將各種需求收集到一個大籮筐里,試圖包羅萬象,只能使通信協議越來越臃腫龐大,即無法實現異構系統設備之間的互聯互通,也不利于行業創新發展。

          以美國NTCIP協議為例,NTCIP協議嚴格遵守了OSI七層協議的規范,采用MIB表的方式對所有最基本語義進行了定義,如NTCIP1201對交通領域里的基本目標屬性進行了定義(如時間計劃表、日志、事件、基本操作等),NTCIP1202對交通信號控制器的基本目標屬性進行了定義(如相位、燈組、配時方案、交通檢測器等)。

          這些定義規范了目標的屬性、值域范圍,并沒有描述這些目標屬性在交通控制上的意義、控制的應用流程與方法。

          一個例子是,即使通讀了NTCIP1202全文,仍然理解不了環結構的控制要義,仍然搞不懂為什么NTCIP中沒有定義相位沖突關系,為什么沒有綠間隔定義,以及感應控制、協調控制的基本方法,尤其不知道這些數據到底怎樣傳輸,數據傳輸的時序、完整性怎樣保證。

          原因在于,我們看到的NTCIP協議文本只定義了數據目標屬性的基本描述,而沒有看到支撐NTCIP協議背后的美國交通控制領域一系列標準規范組成的完整體系,沒有看到支撐NTCIP協議的一系列數據編碼、傳輸、互操作的基礎通信協議。

          正因如此,很多人看NTCIP往往是一頭霧水,很多國內的信號控制器號稱兼容NTCIP協議也只能是照貓畫虎,只有參數讀寫,沒有實現真正意義上功能兼容。

          要想在應用層上理解美國交通信號控制的要義,還需要通過其他標準進行定義,需要參考NEMA相關的系列標準(很龐大的體系,不再本文討論范圍內,以后再說)。

          另一方面,我們看到NTCIP協議文本中并沒有定義數據報文封裝格式,也沒有描述所謂的“報文頭尾“、”長度“、”校驗“、”轉義碼“等等內容(這些內容在OSI模型的底層架構中已經充分保證,無需應用層關心),而是非常好的借助于網絡通信領域成熟的技術框架,進行了更加專注于應用的協議定義。

          NTCIP基于SNMP網管協議,底層是UDP協議、IP協議,嚴格準守了OSI七層協議規范。因此在產品開發和實現協議互聯上可以充分利用IT領域成熟的工具、方法以及大量開源的代碼實現高水平的協議層開發,讓開發人員直接面向業務進行產品研發。

          同時,由于采用了標準化的基礎協議、數據標記定義方法,也為未來協議擴展、升級、傳輸安全保障等奠定了良好的基礎。

          與NTCIP類似,英國最新公布UTMC協議也是基于OSI模型,采用SNMP協議為基本框架,以MIB表定義“基于Phase in Stage“的實時控制中各類命令字、返回字的傳輸控制方法。

          國內信控通信協議的現狀

          國內最早公布的第一個信控通信協議是《交通信號控制機與上位機間的數據通信協議》(GBT20999-2007),該協議定義了信號控制機基本參數配置、控制、狀態、交通數據的傳輸規范。

          但是尷尬之處在于,這個協議既想引入美國的環結構、又要保留我們傳統的相位-階段結構,因此在很多基本概念、基本方法的定義出現嚴重歧義,在實踐過程中陷入各種困境。

          繼GBT20999-2007之后發布的GB20999-2017,雖然對一些容易引起歧義的概念、屬性進行了一定的澄清,但仍然受單一標準的局限性限制,無法對目標屬性以及在交通控制中的含義進行精準定義,因而在應用過程中依然困難重重,造成很多廠商需要進行大量私有協議擴充,才能完成產品目標。

          過多的協議擴充造成的結果是表面同一標準,但兼容性極低的現象。

          行業內,另一個準強制的協議是來自《道路交通信號控制機》(GB25280-2016)附錄A“指令和消息格式“,這部分協議定義了一個基本數據包裝框架,對交通信號控制的內涵目標與屬性沒有進行任何定義,本質上無法應用于異構系統間的互聯。

          更為嚴重的問題是,這幾個版本協議都是從最基本的數據封裝開始進行底層定義,嚴重背離了OSI標準模型,成為完全孤立于現代網絡通信主流技術之外的特殊存在。

          這種結構設計對協議的推廣應用、產品兼容開發帶來極大困擾,每一個版本協議的推出都讓開發人員陷入對基本格式框架的糾結,而無法專注于核心信控技術的研究。

          與信號控制機通信協議相對應的是交通信號控制系統間互聯的協議,目前比較成功并具備一定應用規模的是GA1049-2013《公安交通集成指揮平臺通信協議》,其中的GA1049.1-2013《第1部分:總則》規定了基本的數據交互操作方法,GA1049.2-2013《第2部分:交通信號控制系統》以XML超文本語言定義了系統間交通控制狀態、數據、命令的互操作目標及屬性。

          但是,該協議同樣存在數據目標屬性與操作混雜、部分基本概念定義含糊、關鍵業務流程不夠清晰的問題;同時由于XML數據定義本身存在的冗余問題,導致面對大數據量互傳需求的實時性無法保障等問題,因此,僅適合非實時的管理、監視場景,面向實時控制的需求時性能問題成為該協議的短板。

          另一方面,這些分層架構不清晰的通信協議,也為安全保障帶來了極大困擾,一些標準化的數據傳輸加密方法、數據認證方法無法應用于交通信號控制領域。

          怎樣定義一個好的信控通信協議

          一個好的通信協議應該具備以下基本要素:

          1. 與行業領域其他標準契合

          通信協議一定不是孤立存在的,它承載的是一個應用領域各類標準規范所定義的基本行業共識,在交通控制領域,通信協議的基礎是交通控制最基本概念、目標、屬性的清晰定義,并通過標準進行規范。

          2. 符合最基本常規技術框架

          交通控制協議只是通信應用中的一個具體場景,要以OSI協議默寫為基礎,充分利用成熟的網絡通信技術,選擇合適的協議框架是必由之路。尤其是隨著5G、物聯網技術、車路協同、網聯汽車領域技術的飛速發展,通信領域基礎通信框架與方法不斷迭代更新,如果不能利用這些成熟技術與方法,信控協議必然游離于主流之外。

          3. 專注于應用目標,適合信控需求

          針對信號控制領域對數據傳輸實時性、關鍵數據完整性的需求,結合具體目標、屬性的特點對數據互操作模式進行定義。

          4. 具備擴展性

          為未來協議擴展以及企業自定義擴展預留協議空間。

          5. 原生安全性

          應支持開放的標準化的安全體系,實現基于設備身份認真、傳輸安全保證的安全體系。只有支持標準OSI框架的建立在標準協議基礎之上的協議才能真正做到可驗證的原生的安全保證。

          關于信號控制協議標準的幾點建議

          1. 參考世界各國相關領域標準

          他山之石可以攻玉,必須承認在交通控制領域標準化程度方面,我們與歐美主要國家之間存在巨大的差距,閉門造車永遠無法實現追趕與超越。

          在制定我們的協議標準與規范之前,需要認真研究學習他人的成熟經驗,學習他們的標準體系,學習他們的協議架構,這方面我們的了解和研究還差的很多很多,能夠講清楚各國交通信號控制標準、通信協議內涵的人少之又少。

          2. 處理好產品兼容與標準一致

          制定信控通信協議現實的難點在于既要兼容存量系統設備,又要實現未來的標準統一。

          這就需要認真研究交通控制的本質要素與核心需求,從最基本概念、方法、屬性入手補基礎課。簡單網羅現有產品、系統特性,試圖靠擴大協議外延實現兼容各類產品的目標,外延越大內涵越少,最終只能是一鍋“亂燉“。

          3. 充分借力網絡技術的發展成果

          認真參考OSI模型,借鑒網絡通信領域的成熟可靠的成果,采用符合國際通識、國家標準的專業化的形式語言標記方法來定義與描述信控領域的數據目標、定義通信協議(如參考OSI框架的ASN.1抽象語言標記標準等),一個合理的方式是行業專家定義需求、通信領域專家定框架。

          4. 充分借力IT技術的最新發展

          參考借鑒互聯網、物聯網領域的最新技術,如MQTT技術、大規模消息服務技術等成熟方法,充分享用專業領域發展成果,站在巨人肩膀上做研究才能站得高看得遠。

          結束語

          信控通信協議絕不僅是數據傳輸格式定義,它是交通信號控制技術發展與標準化程度的集中表現。

          編輯:李薇

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