摘要：LED可变情报板是高速公路机电系统的关键设备之一，长期以来大多还停留在人工编辑发送文字信息状态，内容来源单一，编辑繁琐，信息安全存在漏洞等问题，导致很多可变情报板处于“闲置”状态。本文提出的LED可变情报板数字化端到端综合解决方案，以期能帮助行业解决LED可变情报板“信息孤岛”问题，“信息安全”问题，赋能交通出行。
现状分析
截止2022年底，中国高速公路通车里程达177,000公里，连接了中国各地城市和地区，成为中国交通运输的重要组成部分。而LED可变情报板作为高速公路最重要的发布交通流信息的终端设备之一，承载着交通管理部门与每一个交通参与者之间信息传递的重要任务。深化交通安全、管制交通流信息都离不开LED可变情报板。车辆的数量也紧跟着高速公路伴随式增长，从而导致交通管理复杂程度的提升，而LED可变情报板发布和播放的节目内容仅仅局限于一些传统的提示性标语等简单信息显然不能满足交通流管理的需求。 海量的实时路况数据、实时交通流诱导数据、前方天气预报信息、周边旅游资讯等有效节目内容信息往往游离在公网下，因网络安全问题还未能广泛引进内网为交通管理部门所用。而内网内容单一、滞后不能满足快速应急反应需求，不能有效地给驾乘人员带来实时便捷的出行服务，情报板大多呈现“信息孤岛”现象，导致资产“闲置”。 情报板的信息安全问题也一直受到交通管理部门的高度重视，传统情报板受限于主控器性能低下，在确保协议解析与显示这两项基础功能后，CPU没有更多余量进行加解密工作。而随着行业协议的逐步公开，情报板的通信数据而变得不再安全。因此情报板信息加密成为当下该行业一项亟待解决重要问题，而情报板专用加密服务器与安全网关秉承信息安全的初衷，在完成加解密基础功能之外，进一步承担信息内容的一致性检测与敏感信息筛查过滤等附加功能，将情报板的安全等级提升一个台阶。
设计原则
在整个城市道路、高速公路智能交通系统的建设总体框架下，进行交通诱导系统的规划、设计和建设，并考虑与其他系统的协调和集成。 先进性 方案的设计充分考虑了各接入设备的性能和智能化程度的匹配，最大限度发挥情报板数字化链路中各个单元模块智能化效能和信息安全，全方位解决LED可变情报板的节目源和信息安全。 可实用性 数字化解决方案的适用性重点突出情报板播放内容的数字化，解决内容来源的多样性，除了来自内网人工录入外，进一步考虑适用性更大的外网数据、内网感知设备，如路况诱导展示，同时最大限度解决内容高频更新与人工低效操作之间的矛盾，降低操作复杂程度，以便更加简捷、高效的操作运行。 安全性 该解决方案既要考虑各设备侧的通信安全，也要在平台侧过滤人为因素带来的敏感词问题。为了保证综合解决方案的信息安全，在方案的设计中采用双向认证的机制，保证连接访问的合法性，同时对内容进行监督与审核，保障数据生命周期的安全。
业务需求分析
安全获取实时交通路网数据 因互联网在车辆中大规模应用，各类地图厂商数据不断推陈出新，产生了大量的行车数据，这些数据给人们的出行带来了极大的方便。LED可变情报数字化综合解决方案以大量车辆出行数据为基础，通过实时分析道路周边的路况态势、天气信息、景点流量等数据，并对其进行算法处理，最终自动生成LED可变情报数据，并与之自动适配，打通了情报板数据来源通道。 内外网数据交换安全可控 并且随着信息通讯技术的深入发展，网络信息共享需求日益频繁。LED可变情报板综合解决方案通过增加网络边界设备，提高内外网数据交换的安全等级。 信息发布智能化 LED可变情报板数字化综合解决方案通过采用素材编辑排版自动化、信息发布批量化、 数据帧率最大化、多信息编码一体化、发布主体可溯化、信息维护可视化、信息发布审核标准化等技术与策略，保障LED可变情报板信息的智能化发布与管理。 内网数据传输双重安全保障 LED可变情报板数字化综合解决方案在智能化发布平台上采用AES128对称加密算法，实现平台与情报板设备之间通信数据内容的软件加密，为防止黑客的攻击构筑上一道新的防线。同时为了避免秘钥的泄漏，通过增加硬件加密设施，为情报板数据传输提供了双重安全保障。 终端播放节目多样化 LED可变情报板数字化综合解决方案在支持播放传统文字、图片、视频的情况下加入了自动获取路网交通流实时动态图、GB5768的SVG矢量图，给驾乘人员提供了极大的出行便利。
建设方案
数字化解决方案拓扑图
实时路网交通数据服务器 实时路网交通数据专用服务器作为数字方案中海量交通流数据处理模块，通过对附近道路的经纬度、拥堵状态、到达时间、突发路况等主要交通行为数据进行分析、计算、处理，同时主动获取现有设备显示参数，并根据参数动态生成LED可变情报板所需要的播放内容，包含该设备路段附近的路网交通态势、天气、景点资讯等。系统通过网络边界设备，将实时路网交通数据专用服务器生成的节目内容分门别类地主动推送到与之对应的LED可变情报板上，打通了LED可变情报板丰富的交通流数据源，为交通参与者提供更多、更丰富的出行引导信息和资讯。 对于实时地图路况计算模型中采集到的数据，为了确保其准确性和一致性，通常需要对其进行预处理。下面列举一些常用的数据预处理的方法： 1、去重：移除重复的数据，避免对后续分析造成影响。该模块采用基于相似度的去重方法可以更准确地判断重复记录，但需要选择合适的相似度计算方法和阈值，同时计算相似度的复杂度较高。对于相似的数据记录，可以通过计算它们之间的相似度，判断是否存在重复记录。常用的相似度计算方法包括余弦相似度、欧氏距离等。具体方法如下： 对每条记录计算特征向量，将其表示为向量x_i，其中i=1,2,...,m。使用相似度计算方法，计算每对记录之间的相似度，可以得到相似度矩阵S，其中S_{i,j}表示第i条记录和第j条记录之间的相似度。设置阈值T，当S_{i,j}>T时，判定记录i和记录j为相似记录，删除其中一个记录。 2、缺失值处理：对于缺失的数据，可以选择删除或者填充。如果数据量较小，可以直接删除，如果数据量较大，则需要使用插值等技术填充缺失值。 3、异常值处理：对于异常值(比如明显偏离正常分布的数据点)，可以通过删除、插值、平均值等方法进行融合处理。 4、数据类型转换：将数据转换为合适的数据类型，将字符串类型转换为数字类型等。 5、数据筛选：筛选出需要的数据，去除不需要的数据。 6、数据格式转换：将数据按照规定的格式进行转换。LED可变信息标志的交通路况信息的内容格式可以根据实际需要进行设计，以下是一些常见的交通路况信息的展示方式： 颜色提示：使用不同的颜色来表示不同的路况信息，如绿色表示畅通，黄色表示缓行，红色表示拥堵，白色表示道路封闭等。 文字提示：使用文字提示来描述路况信息，如“拥堵”，“缓行”，“道路封闭”等。 图标提示：使用图标来表示不同的路况信息，如车辆图标、路障图标、施工图标等。 组合提示：将颜色、文字、图标等信息组合起来，来更直观地展示路况信息。
边界网络 边界网络(Boundary Network)是指网络中连接不同网络域的设备和技术，其中包含防火墙、网闸、服务器、交换机等系列设备。
LED可变情报板专用智能发布平台 LED可变情报板信息发布专用平台集成了高清GIS地图，可实时获取LED可变情报板的安装位置、大小、点间距等参数，并对情报板进行实时状态监控与播放内容的预览。在素材编辑模块通过采用实时获取情报板显示参数并动态调整字体大小的方法，实现了文字自动排版功能，用户只需要输入文字即可，而传统的通过鼠标拽动文字移动的方法无法控制位置精度，出现平台与设备显示不一致的问题。该模块还提供了关键词过滤的功能，对敏感词进行过滤，过滤效果则以星号的形式展现，因此即使出现错误，该平台可将影响范围和程度最小化。 传统的信息发布过程会涉及到显示素材文件的反复打开与重复编码，增加了发布的时间，而专用智能平台在信息编码中，采用一次打开、统一编码、多次复用的规则，降低反复编码和文件打开的操作，同时通过增加发送缓存的大小、进一步提高批量信息发布效率。 而该平台除了能接收来自边界网络的交通路网大数据，还具备同时将现场交通流感知设备所采集到的数据进行融合能力，使得LED可变情报板设备更加准确表述周边及前后路段的交通行为， 为驾乘人员提供更加精确的诱导，保障交通出行安全。 该平台由用户管理模块、素材编辑模块、信息发布模块、设备控制模块、智能监测模块、日志记录模块等组成： 1、用户管理模块 用户管理主要针对平台的使用人进行管理，包括用户信息(账号、密码、用户名等几个个人信息)、用户组织设置和归属、角色设定、用户模块资源授权和具体权限分配。而用户管理主要功能由新增用户、编辑用户、删除用户、修改密码、设置角色、单独授权、组织调动等。 2、素材编辑模块 LED可变情报板数字化综合解决方案中，素材编辑属于重要功能模块，该模块使用便捷程度直接关系到情报板综合使用效率。因此情报板的素材编辑应具有数据量小、自动排版、动态适应不同分辨率的特性。而该方案通过采用实时获取情报板显示参数并动态调整字体大小的方法，实现了文字自动排版功能，用户只需要输入文字即可，当文字输入到当前情报板点间距支持的最小显示尺寸后，该模块会自动换行，用户也可在需要换行处主动回车，素材编辑模块会自动实现居中显示，不仅在每一行上实现居中，还能在整页上平均分配行间距的同时实现页居中。传统居中方案里，整页居中现象便是将所有文字都居中，不能有效地将行间距动态调整到合适的位置，而高速公路车速快，远距离观察时会出现显示内容重叠、模糊，若要调整行间距，只能手动拖拽移动，该方法精度和效率都比较低。在平台编辑模块，较多厂商更愿意将文字显示内容转换为图片，以便进行不同分辨率的适配，因为图片的缩放对于开发人员来说更为简单，但为LED可变情报板数据传输与存储带了一定的挑战，同时也给批量化发布降低了发布效率。而素材编辑模块则采用相应的算法，使得文字模块无需转换为图片，便能实现根据分辨率大小，动态调整字体大小，实现上下、左右居中排版。 3、信息发布模块 以往信息发布过程会涉及到显示素材文件的反复打开与重复编码，增加了发布的时间。而通过该信息发布模块，在信息编码中，采用一次打开、统一编码、多次复用的规则，将多条素材信息打包合并，包括图片文件在内的所有文件，实现一次加密和编码，多次传输利用，中途不再根据不同IP地址变化进行二次加密和编码，直至批量选中的情报板数据传输完毕再释放。以此降低反复编码和文件打开的操作，同时通过增加发送缓存的大小、采用了多线程的发布方式，进一步提高批量信息发布效率，降低服务器CPU负荷与处理时间，为情报板信息发布效率的提升增加了更多选项; 4、设备控制模块 设备控制模块包含常规的基础控制，如开关机、时间设置、亮度控制，同时还包含对路网感知设备所采集的交通流数据与外网海量交通流数据进行融合处理，融合后的数据用于主动交通流管理(Active Traffic Management, ATM)，通过路网控制和信息管理技术来优化交通流，主动交通管理的方法如下： 1) 可变速限制(Variable Speed Limits, VSL) 可变速限制是一种根据交通状况实时调整道路限速的控制方法，以改变交通流的行驶速度，避免交通拥堵和事故的发生。通过在高峰期或者特定区域内动态调整限速，可以使车辆间的间距更为均匀，从而减少交通阻塞和延误。 2)可变车道指示(Dynamic Lane Assignment, DLA) 可变车道指示是通过动态调整车道标识，将车辆导向不同的车道，以优化交通流。在高峰期或拥堵情况下，可以将某些车道用于行驶流量较大的方向，以提高车道利用率，缓解拥堵。 3)紧急车道的开放(Hard Shoulder Running, HSR) 紧急车道的开放是在特定情况下，将紧急车道开放为行车车道的措施。在高峰期或拥堵情况下，紧急车道的开放可以增加道路的通行能力，缓解交通拥堵。 4) 入口控制(Ramp Metering) 入口控制是通过在进入高速公路的匝道处设置信号灯，对车流进行限制和调控。在高峰期或者拥堵情况下，可以通过适当限制匝道上的车流量，从而减少高速公路的流量，提高通行速度和安全性。 总之，主动交通管理(ATM)可以通过实时调整路网控制和信息管理技术来优化交通流，减少拥堵，提高交通安全性和效率。 5、智能监测模块 软件平台实现了情报板显示内容实时回传预览，屏体状态查询，包含温湿度、电压、通信状态、门开关状态、环境光照状态、防雷状态、通道状态、像素状态的实时回传展示。 通过该平台可实时查看情报板每一颗LED的具体状态及位置，同时自动定位坏点LED所处模组的具体位置，为情报板使用过程中的维护提高效率。而传统的LED像素点检测，不能更好的定位到坏点模组的位置，只能定位到像素点的位置，维修难度较大。而软件平台除了支持传统的像素点定位外，还能自动识别模组类型，以及定位坏点模组的位置。 6、日志记录模块 该模块实现了发布记录、控制记录、登录日志、操作日志等功能，更进一步确保情报板的使用安全，使LED可变情报板信息发布与控制的操作可追溯。 信息传输硬加密
针对LED可变情报板分散部署的特点，该数字化综合解决方案通过部署相应的信息传输硬件加密系统，构建LED可变情报板信息数据真实和完整的安全体系。该系统包含了一台可变情报板专用加密服务器和多个安全终端，终端的数量和LED可变情报板的数量一致。情报板专用加密服务器部署在监控分中心，与各个安全终端建立安全连接，实现情报板安全接入，提供双向身份认证，而安全终端则与平台侧的情报板专用加密服务器之间建立基于SSL的安全连接，保障LED可变情报板信息的真实性和完整性，解决了LED可变情报板信息发布平台与终端显示双向身份认证和数据生命周期的安全问题。 LED可变情报板专用信息发布平台将信息发布后，经过加密服务器将信息进行加密后送至交换机至现场每一块情报板控制器，实现对LED可变情报板与信息发布平台之间的通信数据进行加密，同时中心进行设备登录认证，防止信息被监听截取泄密。 情报板智能化显示与控制 情报板智能显示与控制离不开控制系统的支撑，显科自主研发的LED密钥控制系统作为数字情报板的重要主控单元，由密钥控制器和单元接收卡组成，适配任一厂家的情报板。密钥控制器按照高速公路LED可变信息标志新国标(GB/T23828-2023)技术要求开发，采用无线和U盾技术实现智能开锁，杜绝人为打开控制系统对设备进行任意操作。LED可变情报板由LED显示屏、密钥控制系统组成，采用多种传感器技术，如温湿度传感器、光强度传感器、烟雾传感器、门开关状态传感器等，用于实施监测周围的环境参数，实现对LED可变情报板的智能控制。 密钥控制器采用车规级ARM处理器，集成高带宽内存和大容量闪存，具有丰富的外设扩展接口，软件上采用Android操作系统，具有功能丰富，开发便捷，稳定性高等特点，使其更能更好、更快支持智能化扩展开发，保障数据接入的快捷与方便;发送卡采用FPGA(现场可编程门阵列)芯片与SDRAM存储芯片，为图像和控制信息的并行处理提供硬件基础;接收卡同样采用FPGA芯片、SDRAM存储芯片、千兆以太网芯片，同时加入多路信号放大芯片，为图像的传输与显示提供支撑。 LED可变情报板智能化控制中，智能亮度控制模块的引入给情报板提供了真实的亮度还原，因现有情报板大多采用光传感器感知环境光强度，而传感器往往受干扰情况较多，比如车灯、路灯等。该控制模块通过操作系统提供的日期、时间、经纬度，计算出太阳升起降落的时间，同时对比光照传感器数据，经过对多类型数据进行综合分析处理，得出相对准确的环境亮度，并动态实时调整LED可变情报板的当前显示亮度。 LED可变情报板智能化显示则体现在各种GIF动画、GB5768的SVG矢量图、矢量字库等引入，这对于集成有高性能处理的Android系统有巨大优势，同时也能保证稳定性。
结束语
本文阐述的LED可变情报板数字化综合解决方案，充分考虑了可变情报板从海量实时路网交通数据获取、分析处理，内外网信息安全融合，智能化发布管理，内网平台与终端的信息安全传输，到终端智能化显示与防非法篡改，完整信息链路上每个节点之间的关系， 让每个通讯单元模块都充分发挥其智能化效能，从而使LED可变情报板真正成为智能交通监控系统中节目源丰富、数据安全的数字终端，增强交通参与者的即视感与获得感，从而给交通出行带来更加便捷和安全的服务。
版权提示：本论文版权为深圳市显科科技有限公司所有，并已发表于《中国交通信息化》2023年06刊
