随着社会和经济的发展，城市道路交通快速发展，交通安全已经成为城市发展和构建和谐社会的关注点。目前，我国在交叉口发生的交通事故占较高的比例，交叉口信号控制在保障交通安全方面起着至关重要的作用，信号机作为交通信号控制设施，通过实现对信号灯的控制，对交叉口时间资源的分配，将不同方向冲突的交通流进行空间上的隔离，避免交通流冲突，保证交叉口安全有序的放行。目前，我国道路交通信号机的设计方面有GB25280-2010《道路交通信号控制机》国家标准，规定了信号机的结构形式、功能、电气、环境、防护等要求。各个企业在硬件方面有通过PC/104、ARM、ASM-51、68000和工控机的实现，在软件系统方面有Linux、uCLinux、DOS、OS9等操作系统，编程语言有C、ASM51汇编等，但在性能、功能和结构上又各有特点。我国目前大规模应用的信号机，多集中在单交叉口控制，能实现多交叉口控制的信号极少，即使在信号灯显示效果上能够实现，也只是将多个交叉口作为一个交叉口控制来实现的，不是真正意义上的多交叉口控制，信号控制系统无法进行交叉口区分。多交叉口控制信号机在应对交叉口距离较近、交叉口组成复杂等情况十分有效，下面通过具体的设计，详细介绍一款基于PC/104嵌入式模块和Linux系统的可以同时控制多个交叉口信号机的设计，将着重分析多交叉口信号机功能分析、应用特点、硬件结构组成、软件设计、应用等。
1、多交叉口信号机功能
多交叉口控制信号机首先要实现信号机的基本功能，具有集中协调控制（上级控制机控制）、无电缆协调控制、感应控制、多时段定时控制、手动控制、黄闪、关灯等多种工作方式，可接入环形线圈检测器，同时，具备信号灯故障检测、判断和保护功能。其次在现有硬件资源的基础上通过软件实现多交叉口控制，每个交叉口可以运行于单独的工作方式，支持相互间的同步、协调运行。另外，在与上位机进行通信时，相互独立，对于信号控制系统来讲是多个完整独立的信号机，可以单独交互信息，执行远程控制指令等。
2、系统组成
信号机系统由主控单元、机动车线圈检测器单元、多模式交通流数据转换单元、灯驱动单元、黄闪保安单元、电源单元、手控机构、AC220V控制单元、接线组合单元等组成。如图1所示。
图1信号机系统组成图
机动车检测器单元、多模式交通流数据转换单元、灯驱动单元、行人请求按钮、手控装置的数据信息汇总到主控单元，主控单元根据这些信息确定信号机的工作方式、灯驱动输出数据，通过灯驱动单元控制相应信号灯的亮、灭状态。如有绿冲突、红灯不亮等影响交叉口通行安全的故障发生时，主控单元发出控制信号，使信号机进入保安黄闪状态（硬件黄闪或软件黄闪）。利用手持终端可以获取、设置信号机的运行参数，通讯端口为RS232串口。温控设备由通风控制和加热控制两部分组成。主控单元通过RS232或网络与上位机进行通讯，实现联网控制，数据交换。
3、软件设计
在系统程序结构设计方面，考虑到Linux的特点、系统的效率和控制的实时性等因素，系统采用模块化设计，将系统分为两部分：内核驱动模块、用户调用模块。
1）内核驱动模块
内核驱动模块主要进行硬件端口的操作、灯色计算、数据定时输入输出、故障判断等实时性要求较高的工作。信号灯需要定时输出灯色转换数据，在用户程序下的定时由于受到内核和其它程序的影响，有较明显的延时现象，于是采用内核定时器提高定时精度。考虑到灯色数据输出的同步问题，将信号机灯色计算、输出、灯故障判断部分放到驱动模块中进行，避免因用户程序与驱动模块数据交换上的延误
，引起数据的不同步和灯色转换的延误。图2为内核驱动模块款图：
图2内核驱动模块框图
内核模块与用户程序的数据交换和调用分别通过如下方法：
传递参数：mod_ioctl；打开设备：mod_open；释放资源：mod_release；关闭设备：mod_exit。
3）用户调用模块
用户调用模块主要进行设备、系统参数的初始化、数据通讯、特征参数管理、参数变更处理、流量数据、故障数据处理记录、查询等工作。设备、系统参数的初始化进行驱动模块的打开，将信号机运行的初始参数传到驱动模块中，启动相关功能，例如：启动、关闭硬件黄闪器等。数据通信部分进行信号机与外部设备的数据交换通讯，其中外设主要有上位控制机，通信方式有网络形式和RS232串口通讯形式两种，进行参数指令的接收，参数、状态数据的上发。
4）多交叉口控制设计
在多交口控制程序设计上，通过多线程方式应该是Linux的较理想的应用方式，但是在多线程的调用执行时，也会存在一定的延误，根据交通信号实时、协调控制的要求，这个延误的不断累积会带来多交叉口控制上的同步问题，造成一定的失步，需要设计额外的功能进行同步调整，因此程序在设计上采用内核定时器的每次中断，按照严格的时间序列进行任务执行，确保程序执行的时间同步，如图3所示，通过定时器将时间严格的划分为若干段（250毫秒/段），每段中执行特定的任务。
图3时间段功能划分图图略
为了保证信号机控制的每个交叉口，能够运行于各自的工作方式，系统设计时采用最多4套独立的运行参数，每个参数对应一个交叉口，这样每个交叉口可以独自运行，相互不会产生干扰。另外由于采用内核定时器，在同一个时间片段，每个交叉口的控制灯色计算、故障检测、检测器数据统计等被重新计算，所以即实现了每个交叉口的控制又确保4个交叉口间的数据同步，方便交叉口的协调控制。
4、应用案例
图4震川西路-新城南路多交叉口控制划分图图略
图4为昆山市震川西路（G312）与新城南路（跨河）交叉口，由于有跨塘桥的存在，使得交叉口十分复杂，简单的可以划分为4个独立的交叉口，交叉口1、2、3、4如上图，具体实施时，通过交通组织优化，在交叉口4实行禁左，将交叉口4的信号控制取消，这样就只剩下交叉口1、2、3，通过用多交叉口信号机方便的进行多交叉口控制，通过交通协调控制参数的配置，实现交叉口间的"绿波"控制，确保大部分车辆一次通过3个交叉口，降低机动车在交叉口的停车延误，使震川西路上的机动车通行更加顺畅。
5、结束语
多交叉口控制信号机较好的解决了交叉口距离较近、交叉口组成复杂等情况下的交通信号协调控制，为小范围的协调控制提供了新的方法，在满足交通管理需求的同时，降低了对交通控制设施的投入。另外，基于Linux的应用设计，提高了信号机的稳定性、兼容性和扩展性。目前成果获得国家发明专利"一种多交叉口交通信号控制机"ZL201010212091.7。
参考文献：
1．道路交通工程手册；
2．GA509-2004《城市交通信号控制系统术语》；
3．GA25280-2010《道路交通信号控制机》；
作者简介：
何广进：公安部交通管理科学研究所副研究员，同济大学软件工程学院
胡家彬：公安部交通管理科学研究所助理研究员
方学新：公安部交通管理科学研究所副研究员
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