基于組態軟件的交通信號控制實驗教學系統設計

[摘 要] 服務于專業主干課程“道路交通控制”的教學，解決教學過程中存在的內容抽象、學生理解困難的實際問題，基于系統工程思想，采用組態軟件設計了交通信號控制實驗教學系統。首先對系統設計過程進行了闡述；其次，通過梳理課程內容，對系統的功能模塊進行了分析；然后，采用組態軟件對系統進行了實現，并對系統的操作方法進行了說明。該系統已應用于實際教學過程，有很好的教學效果。

[關鍵詞] 交通控制；系統設計；組態軟件；實驗教學

[中圖分類號] U491 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2013）02-0077-04

0 引言

組態軟件屬于工業自動化監控軟件，可以和檢測、控制設備構成任意復雜的監控系統，目前在高端自動化企業和大型項目中得到推廣應用。組態軟件的最大特點是能夠以靈活多樣的“組態方式”而不是“編程方式”來進行系統集成，提供了良好的用戶開發界面和簡捷的工程實現方法。

道路交通控制課程是交通工程專業本科生的專業課，交通信號控制是課程的主要內容。因此，這部分內容的掌握對整門課程的學習有重要作用。設計一個可視化的動態演示系統用于教學具有實際意義。

系統工程以系統為研究對象，要求全面、綜合地考慮問題，并提供了解決問題的思路和方法，是指導實際工作的方法論[1]。本文基于系統工程，采用系統方法對系統進行設計，并采用組態軟件實現系統功能。

1 系統設計過程

本文系統的設計過程如圖1所示。

1.1 需求分析

對需求進行分析是為了明確設計目的，弄清楚“為什么而設計”。設計該系統的目的首先是為課程“道路交通控制”教學服務，有助于學生課堂知識的理解和鞏固。為此，需要對課程知識有整體的把握，梳理課程知識，明確系統要展示的內容。

1.2 系統的模塊化

在需求分析的基礎上對系統進行規劃，基于功能，將系統模塊化，即可得到系統的頂層架構。每一個模塊皆看作系統的一個子系統，每一個子系統都有其要實現的功能。對每一個子系統進行分析時，又可將其模塊化，這樣就得到了系統的層次結構，如圖2所示。

1.3 系統的設計與綜合

設計是一系列不斷精細化的步驟。系統采用“從上到下”（Top-down）層次分級的系統設計方法對每個模塊進行設計。系統的綜合是將系統的各個子系統結合成一個整體。在設計與綜合的過程中，要注意各子系統之間、子系統與系統之間的關系，即要注意其間的接口設計。

1.4 系統整體調試

系統的整體調試是試驗運行綜合后的系統，以發現其中存在的問題，進而根據發現的問題對前述各環節進行校正和協調，使系統作為一個整體具有希望的功能。圖1中虛線箭頭示意系統各環節之間的信息反饋。

2 系統模塊的功能分析

系統功能與課程內容緊密相關。通過對課程知識的梳理與歸納，規劃出五個功能模塊，如圖 2所示。下面對它們進行分析與說明。

2.1 信號相位動態演示模塊

信號相位和信號配時圖的理解是交通信號配時的基礎，它們屬于重難點內容，學生往往因對其理解的不透徹，而影響到了后續內容的理解，同時在讀文獻的配時圖 時感到有困難。為此，設置了信號相位動態演示模塊和信號配時圖動態演示模塊。

信號相位是車流通行權的體現，在一個信號周期內，處在不同信號相位的車流輪流通過交叉口。實際交通信號控制時，以二相位、三相位、四相位較為常見，其信號相位控制示意圖如圖3所示。

以兩相位信號控制為例，相位1時，東西方向的綠燈亮，南北方向的紅燈亮，此時東和西進口的車輛獲得通行權，通過交叉口，而南和北進口的車輛沒有通行權，不能通行，在停止線前停車排隊，等候綠燈；相位2時，南北方向的綠燈亮，東西方向的紅燈亮，此時南和北進口的車輛獲得通行權，通過交叉口，而東和西進口的車輛沒有通行權，不能通行，在停止線前停車排隊，等候綠燈。依此循環通過交叉口。那么，信號相位動態演示模塊的功能就是要演示出這一動態循環過程。

2.2 信號配時圖動態演示模塊

信號配時圖通常用來表示一個信號周期內不同信號相位的燈色及時長的對應關系。圖4是二相位信號控制時的信號配時圖。

圖4表示的含義是：從燈色的對應關系看，相位1的綠燈時間段和黃燈時間段與相位2的紅燈時間段相對應；而相位2的綠燈時間段和黃燈時間段與相位1的紅燈時間段相對應。這就意味著當相位1的綠燈亮時，相位2的紅燈同時亮起，相位1綠燈結束后，黃燈接著亮起，這時相位2保持紅燈亮；當相位2的綠燈亮時，相位1的紅燈同時亮起，相位2綠燈結束后，黃燈接著亮起，這時相位1保持紅燈亮。信號配時圖動態演示模塊的功能就是要演示出這一燈色的動態對應關系。

從信號相位配時圖很容易看出不同相位信號參數之間的關系，比如圖4中，相位2的紅燈時長等于相位1的綠燈時長與黃燈時長之和；相位1的紅燈時長等于相位2的綠燈時長與黃燈時長之和；信號周期等于不同相位的綠燈時長和黃燈時長之和。即有：=

2.3 信號交叉口交通狀況判斷模塊

信號交叉口進口道車流的運行狀況一般有三種情況——欠飽和、臨界飽和、過飽和。進口道處車流的運行狀況，一方面與進口道的車流到達率及其飽和流率有關，另一個方面又與交叉口的信號配時參數有關。交叉口各進口道車流的交通運行狀況直接反映了交叉口的交通運行狀況。

對信號交叉口進口道車流的運行狀況進行判斷的目的是為了選擇信號的配時方法，根據進口道的交通運行狀況，選取相應的公式計算信號配時參數。本模塊的功能就是根據給定的交通運行參數，判斷出信號交叉口進口道的交通狀況。判斷過程是基于文獻[2]中的方法。

2.4 信號協調控制演示模塊

信號協調是指將若干個交叉口交通信號的運行統一考慮，以期達到期望的信號協調效果。信號協調分為干線信號協調和區域信號協調。干線信號協調的期望效果是使干線上的信號形成綠波，以使行駛在干線上的車輛能“一路綠燈”地通過干線；區域信號協調的期望效果是使一個區域內的車輛能夠“一路綠燈”的通行，因為區域信號協調難以實現，為明了其原理，文獻[2]以一個基本單元來闡明區域信號協調的原理。本文基于文獻[2]的理論進行信號協調的演示[2]。

2.5 信號動態配時模塊

信號動態配時模塊的設計是對課程知識的綜合應用。在文獻[3]中對交通信號配時過程有簡要地描述，在此只給出配時流程及所用交叉口模型，如圖5和圖6所示。

3 基于組態軟件的系統實現

采用組態軟件來實現系統的功能，下面首先介紹系統運行時的部分界面，然后介紹系統的組態實現方法。

3.1 系統運行時的部分界面

圖7是系統主界面、信號相位和信號配時圖動態演示模塊，以及交叉口交通狀況判斷模塊的部分運行界面。

3.2 模塊功能的實現

本系統的設計主要利用了力控eForceCon的畫面組態及腳本語言功能。需要注意的是，在進行畫面組態或編制腳本程序時，首先要進行統一規劃，包括系統界面的統一規劃、系統使用變量的統一規劃等。這樣可保證系統界面風格的一致性，以及腳本程序的可讀性和可維護性。在文獻[3]中，對畫面組態的方法進行了介紹和應用，在此不再贅述。下面僅對該系統的交叉口交通狀況判斷模塊的功能實現進行簡要說明。

在圖7中，子圖（a）是系統的主界面，子圖（e）是交叉口交通狀況判斷模塊的運行界面。在系統主界面中，用鼠標點擊“交叉口交通狀況判斷”即可進入“交叉口交通狀況判斷子系統”界面。此界面畫面組態的實現主要利用了工具箱中的基本圖元，構建出了所設計的界面；然后利用動畫連接“觸敏動作”中的“左鍵動作”，實現了交叉口交通狀況的判斷，這樣只需將判斷算法編寫成程序段，放到“左鍵動作”的“按下鼠標”的腳本中即可實現。

4 結束語

當前提倡培養學生的綜合應用能力，鼓勵學生進行創新活動，充滿熱情地參與科研項目。每一個項目都可以作為一個系統來研究。如何對系統進行研究，如何對系統進行設計，系統工程提供了方法論。本文采用系統設計方法，對交通信號控制實驗系統進行設計，希望為學生提供一個系統設計的參考。本文采用組態軟件設計了交通信號控制實驗教學系統，所設計的系統具有信號相位、信號配時圖、信號協調控制的動態演示功能，具有對信號交叉口的交通狀況進行判斷的功能，以及交通信號動態配時及配時參數的評價功能。交通控制內容豐富，系統僅是展現了其中的部分主要內容。力控組態軟件功能多樣，筆者僅僅利用了其中的部分功能，設計了一個交通信號控制實驗教學系統，以期提供一些有用的信息。

參考文獻

[1]孫東川，朱桂龍.系統工程基本教程[M].北京：科學出版社，2010.

[2]翟潤平，周彤梅，劉廣萍.道路交通控制原理及應用[M].北京：中國人民公安大學出版社，2011.

[3]劉廣萍，周彤梅，翟潤平.基于組態軟件的交通信號動態配時系統設計[J].中國人民公安大學學報（自然科學版），2012，（3）：33-37.