[논문]Development of Message Broker-Based Real-Time Control Method for Road Traffic Safety Facilities Equipment and Devices Integrated Management System

JeongHo Kho; Eum Han

doi:10.9708/jksci.2024.29.01.195

Development of Message Broker-Based Real-Time Control Method for Road Traffic Safety Facilities Equipment and Devices Integrated Management System 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.29 no.1, 2024년, pp.195 - 209

JeongHo Kho (Dept. of Transportation Operation, Korea Road Traffic Authority) , Eum Han (Dept. of Transportation Operation, Korea Road Traffic Authority)

초록
AI-Helper

1990년대 개발되어 현재의 모습을 갖춘 교통신호제어기는 최근 도로 이용자의 교통안전 향상 및 자율협력주행 등을 목적으로 설치되는 다양한 장치들에 대한 전원공급 문제와 다양한 통신방식, 계층화된 블랙박스 구조 등으로 인해 유연성과 확장성에 한계를 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 이더넷전원장치(PoE : Power over Ethernet) 기술을 통해 직류(DC) 전원 사용과 전원공급 문제를 해결하고, 메시지 브로커(Message Broker) 기술을 통해 중앙화된 데이터 기반 제어를 함으로써 빠르게 변화하는 미래 교통환경에 대응이 가능한 교통안전시설 통합관제시스템을 설계하였다. 또한 시계열 데이터를 기반으로 동작하는 교통안전시설 장치를 위한 데이터 기반 실시간 제어 방안을 구현하고 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The current road traffic signal controller developed in the 1990s has limitations in flexibility and scalability due to power supply problems, various communication methods, and hierarchical black box structures for various equipment and devices installed to improve traffic safety for road users and autonomous cooperative driving. In this paper, we designed a road traffic safety facilities equipment and devices integrated management system that can cope with the rapidly changing future traffic environment by solving the using direct current(DC) and power supply problem through the power over ethernet(PoE) technology and centralized data-driven control through message broker technology. In addition, a data-driven real-time control method for road traffic safety facilities equipment and devices operating based on time series data was implemented and verified.

주제어

표/그림 (28)

표 Table 1. Standards/Guidelines
그림 Fig. 1. A-TSC System Block Diagram
그림 Fig. 2. A-TSC Communications
그림 Fig. 3. A-TSC Cabling Problem
그림 Fig. 4. D-TSC Configuration
그림 Fig. 5. D-TSC System Block Diagram
표 Table 2. Classification by Power
그림 Fig. 6. Example of Equipment and Devices Problem
표 Table 3. Classification by Communication
표 Table 4. Comparison of PoE parameters
그림 Fig. 7. System Configuration Diagram
그림 Fig. 8. Box Configuration Diagram
그림 Fig. 9. i-GW Block Diagram
표 Table 5. Box Items
그림 Fig. 10. Message publish process of i-GW
표 Table 6. Comparison of Control Reference Value
그림 Fig. 11. Operation Mode Change Flow of i-GW
그림 Fig. 12. Heartbeat process between EnD and i-GW
그림 Fig. 13. Operation Mode Change Flow of Edge Device
표 Table 7. i-GW Environment
그림 Fig. 14. Broker Configuration
그림 Fig. 15. dead-letter-exchange and message-ttl of Queue
그림 Fig. 16. Properties of Deadletter Message
그림 Fig. 17. Test Result – Publish message to Exchange
그림 Fig. 18. Test Result – Normal Operation Mode
그림 Fig. 19. Test Result – Fail-safe Operation Mode
표 Table 8. Comparison A-TSC, D-TSC, IMS
표 Table 9. Comparison A-TSC, D-TSC, IMS from Equipment and Devices

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

메시지 브로커의 발행/구독 모델은 AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)와 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 프로토콜이 대표적으로, 메시지를 발행할 때 메시지 만료 시간인 TTL(Time To Live)을 밀리초(Milli Second) 단위로 설정할 수 있고, 메시지 브로커의 발행/구독 모델이 비동기적 특성을 가짐에도 본 논문에서는 메시지 만료(Message Expiration) 처리를 통해 시계열 특성을 가진 교통안전시설 장치의 실시간 제어를 위한 핵심 요소가 될 수 있음을 증명하고자 한다.
본 논문에서는 보편적으로 사용하는 ICT 기술 중 하나인 이더넷전원장치(PoE : Power over Ethernet) 기술을 통해 직류(DC) 전원 사용과 전원공급 방안을 수립하고, 메시지 브로커(Message Broker) 기술을 통해 통신방식, 데이터 프로토콜을 정규화함으로써 미래 교통환경에 대응할 수 있도록 교통안전시설 장치를 통합 관제하고자 한다.
본 논문에서는 시계열 특성이 있는 교통신호정보를 처리해야 하는 교통안전시설 장치 통합관제 시스템의 핵심 요소인 통합게이트웨이(i-GW)의 실시간 제어 방안을 검증하고자 한다.
이에 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 경찰청 규격 또는 지침으로 제정된 장치들의 전원공급과 통신방식을 물리적, 논리적으로 정규화하고, 자율협력주행 등 빠르게 변화하는 미래 교통환경에 대응해 출시될 장치를 통합 관제하기 위한 시스템을 설계하고, 메시지 브로커를 사용해 시계열의 특성을 가진 교통신호정보를 기반으로 교통안전시설 장치를 실시간으로 제어하는 방안을 연구하고 구현하였다.

제안 방법

교통신호와 연계가 필요한 자율협력주행(Cooperative Automated Driving) 또는 도로 이용자의 안전을 향상하기 위한 장치를 개발 또는 연구하기 위해서는 관련 규격 또는 지침을 반드시 준수해야 하기에, 본 논문에서는 [Table 1]과 같이 영문 명칭과 제정일(Establish Date), 최신 개정일(Revision Date)을 정리하였다.
통합게이트웨이(i-GW) 또는 네트워크 장비에서 장애 발생 시 종단 장치(Edge Device)는 메시지를 수신하지 못하거나 지연 수신하는 상황이 발생할 수 있고, 시계열 특성의 교통신호정보를 기반으로 하는 종단 장치는 이에 대비해야 할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 종단 장치에서 네트워크 지연시간을 측정하고, 이와 함께 통합게이트웨이로부터 메시지 발행 시간을 포함하는 제어 메시지 수신 시 계산된 지연시간을 반영하여 전체적인 메시지 지연 시간을 계산한다.
메시지 프로토콜은 AMQP로 선정하였고, 구현 환경은 [Table 7]와 같이 개발 언어는 파이썬(Python), 메시지 브로커는 AMQP 구현체인 RabbitMQ 3.9.13를 사용하였고, 통합게이트웨이(i-GW)는 저 사양의 미니PC, 종단 장치는 개인용 컴퓨터를 사용해 실험을 진행하였다.
본 논문에서 제안하는 ‘교통안전시설 장치 통합관제 시스템(Road Traffic Safety Facilities Equipment and Devices Integrated Management System)’은 경찰청에서 규격·지침으로 제정한 교통안전시설 장치를 통합관제하고, 미래 교통환경에 대응하기 위해 분산형 데이터 기반 제어(Distributed Data-driven Control)를 핵심으로 하며, 메시지 만료(Message Expiration) 처리를 통해 교통안전시설 장치를 실시간으로 제어한다.

성능/효과

3ms가 소요되었다. 메시지 만료 시간인 50ms를 제외하면 평균 3.3ms 정도가 소요되었기에 현 규격과 지침에서 요구하는 가장 낮은 기준인 75ms 이내에서 통합관제시스템을 통한 데이터 기반 실시간 제어가 가능함을 확인할 수 있다.
메시지를 1,000개 발행하고 200개 중 하나의 메시지 큐의 구독을 끊어 데드레터 큐로 이동한 만료 메시지를 수신하여 ‘장애 안전 운영 상태(Fail-safe Operation Mode)’를 판단하는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 최신 ICT 기술 동향을 연구하여 물리적, 논리적으로 파편화된 현 교통안전시설의 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 교통안전시설 장치 통합관제시스템을 설계하고, 시계열의 특성을 가지는 교통안전시설의 실시간 제어 방안을 메시지 브로커를 통해 구현하여 데이터 기반실시간 제어가 가능함을 확인하였다.
표준화된 이더넷 케이블과 RJ45 커넥터를 사용하고 있기에 물리적 인터페이스의 정규화에 적합하며, 바닥형 보행신호등의 경우 횡단보도 한쪽 표출부 20개를 기준으로 70W 이하로 소비하고, 그 외 장치들은 20W 이하로 동작하는 것으로 파악하고 있기에 PoE 스위치 허브를 추가하는 형태로 Type 1부터 4까지 다양한 조합으로 교통안전시설 장치에 충분한 전원공급이 가능하다.

후속연구

따라서 통합관제시스템은 유지보수 비용 절감, 직류(DC) 전원화를 통한 에너지 비용 절감, 태양광 같은 친환경 에너지 사용의 도입으로 기후 위기에 대응하며, 빠른 통신 속도와 데이터를 기반으로 더욱 다양한 신규 서비스 개발이 가능한 토대를 마련함으로써 미래 교통환경에 대응하고 대국민 교통안전 향상에 이바지할 것으로 기대된다.
향후 다양한 통신방식을 지원하지만 통신방식별로 데이터 프로토콜이 모두 다른 디지털 교통신호제어기와의 연계까지는 많은 난관이 예상된다.

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
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Min-Sung Kim, Kwang-Yong Ko, Choul-Ki Lee, Jun-Ha Jeong,？Nak-Won Heo "Development of a Communication Protocol for？a Digital Traffic Signal Controller", The Journal of The Korea？Institute of Intelligent Transport Systems, Vol. 12 No. 3, p. 8,？June 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.12815/kits.2013.12.3.001

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Migelle, PoE vs PoE+ vs PoE++ Switch: How to Choose?,？https://community.fs.com/article/poe-switch-types.html
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Korean National Police Agency, "LED Traffic Traffic Lights？Guidline", pp. 10, April 2022
Korean National Police Agency, "Floor-Type Pedestrian Signal？Guideline", pp. 19, July 2022

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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