交通控制硬件在環仿真綜述

王 浩，唐 棠，王 玲，王書玲，吳 兵

（同濟大學教育部道路與交通工程重點實驗室，上海 201804）

1 交通硬件在環概念

硬件在環仿真是一種采用實際控制器加虛擬仿真對象的仿真方法，從安全性、可行性和合理的成本上考慮，硬件在環仿真測試在很多控制系統，包括交通控制的設計中得到應用，比純粹的系統仿真具有更好的實用性。對于硬件在環這一概念Gomez曾給出形象的解釋：“‘硬件在環’是一個用來‘欺騙’你的嵌入式系統的工具。它能夠使你的嵌入式系統以為自己是在真實的環境下進行實時的輸入與輸出。”

硬件在環由信號機、微觀仿真軟件和CID三部分構成。

首先，信號機通過CID將燈色信息傳入仿真軟件，使車流接受信號控制發生排隊、加減速等變化。然后，這些仿真車流的變化再由CID傳入真實的信號機，使信號機認為獲得的是真實的從道路上檢測器傳來的車輛信息，使得信號機如同在真實的道路上運行一樣，并進行相關的仿真研究。交通控制硬件在環運行圖如圖1所示。

圖1 交通控制硬件在環運行圖

2 國外交通控制硬件在環研究進展及應用

交通控制硬件在環技術最早應用于1995年，由A&M智能交通研究中心開發的REL-CID信號機接口設備首次實現了仿真模型與NEMA信號機的聯合仿真。表1概括了硬件在環仿真技術在現階段的部分應用情況。

表1 硬件在環仿真應用領域及其功能描述

表1（續）

3 我國交通控制硬件在環研究情況

2009年于泉提出建立硬件在環一體化仿真平臺的設計，通過在信號機與仿真軟件之間加載控制器接口設備實現硬件與軟件的通訊。閆流設計了分布式的區域控制優化硬件在環仿真系統（TSOHS)，該平臺使用了AT89S52單片機代替真實信號機，但是交叉口信號機與自主開發的單片機存在著本質上的差異。2010年廣東科學中心開發建設ITS硬件在環模擬沙盤，但就研究信號控制算法而言，信號機仍然是模擬的而非真實的，無法再現真實信號機在交叉口的工作狀態。

綜合我國目前硬件在環的研究情況可以看出，我國的硬件在環主要還處于研究階段。當然，在我國開展硬件在環的研究還有不少困難，一方面由于技術保密的原因無法對仿真軟件進行二次開發，軟件不支持外部信號控制等。但另一個方面，也是更重要的方面是由于我國的信號機還沒有統一的通信標準，一些信號機只能通過車輛檢測器獲取車輛信息，硬件在環技術的進一步研究受到了制約。

4 基于VISSIM的硬件在環設計思路

4.1 信號機接口設備（CID）與硬件在環

構成硬件在環的部件CID，在硬件在環仿真中，起著聯系仿真軟件和信號機的橋梁作用。在非硬件在環仿真時，微觀仿真軟件既要進行車輛運動的仿真，又要對信號控制進行仿真。而在使用硬件在環技術之后，仿真軟件不再模擬信號的控制，而是使用CID獲取信號機燈色信號來控制。CID能否將真實信號機的燈色正確反映到仿真軟件中來，并將軟件中的車輛信息傳入信號機是硬件在環技術成敗的關鍵。本文以仿真軟件VISSIM為基礎，提出建設硬件在環的三種設計思路。

4.2 調用VISSIM軟件COM模塊

VISSIM為用戶提供了一個支持COM功能，能夠通過外部編程進行控制，通過執行COM命令，可以實現某些任務在VISSIM中的自動執行。開發者利用VB、VC等常用的程序開發語言通過調用VISSIM軟件COM模塊開發新的應用程序，該程序主要包含兩部分功能。

第一部分，控制VISSIM軟件，例如啟動VISSIM、控制VISSIM讀取路網、調取仿真參數等。該部分功能可以利用VISSIM軟件提供的COM接口函數實現。第二部分，與信號機通信，例如調取信號機相位、輸入車流信息等。此方法的主體為開發者編制的程序，而將VISSIM與信號機作為開發出程序的一個附屬部分，以供開發者的程序調取輸入數據。開發者可用VB，VC等開發工具提供的窗體、控件等工具進行開發。

4.3 調用VISSIM軟件外部控制模塊

VISSIM提供的信號機控制方式可選用外部的（external）方式。它通過調用兩個DLL文件來實現信號機的控制邏輯。

兩個DLL文件分別在程序、DLL兩個框中調用。程序文件欄中DLL文件主要負責執行信號控制算法，受VISSIM的調用。DLL文件一欄中引用的DLL文件中定義了信號機的信號燈組，相位及運行算法所必需的參數，例如黃燈時間、最小綠燈時間等。

這一方法主體是VISSIM，VISSIM運行時通過調用DLL獲得信號燈的相位信息，從而改變對仿真中車流、人流的控制。

4.4 調用VISSIM軟件VAP模塊

VAP模塊是VISSIM軟件里的感應控制模塊。國外一種實現商業化的CID就是以這種方式實現VISSIM與信號機連接。

該方式程序文件調用DLL文件，文件不包含算法。邏輯文件.VAP由PTV公司開發的與VISSIM配套的軟件生成。

此種方式可以說是簡化的外部的（external）方式。利用感應控制方式實現與VISSIM的連接，省去了編寫信號機燈組DLL文件的工作（在利用外部的模塊開發時，針對不同信號機的情況需要重新編寫），開發者只需編寫一個DLL，并且此方式通用性強。但是如何獲得VAP模塊DLL編寫底層代碼是一個難題。PTV公司現在并未提供給一般用戶這一代碼。

5 結語

硬件在環作為智能交通系統應用的高級仿真技術實現了仿真軟件與交通硬件的結合，相信隨著該技術的完善，它的應用將更加廣泛。本文討論了硬件在環的概念和基本原理，回顧了國內外的發展歷程，著重強調了信號機接口設備的重要作用，并結合國產信號機的特性，提出了三條交通控制硬件在環設計途徑并分析了技術要點。

[1]Yun I,Byungkyu“Brian”Park,Lee C K,et al.Investigation on the exit phase controls for emergency vehicle preemption[J].KSCE Journal of Civil Engineering,2011,15（8）：1419-1426.