基于硬件在環仿真的交通信號控制實驗設計

柳祖鵬, 何雅琴, 杜勝品

(武漢科技大學 汽車與交通工程學院, 湖北 武漢 430081)

基于硬件在環仿真的交通信號控制實驗設計

柳祖鵬, 何雅琴, 杜勝品

(武漢科技大學 汽車與交通工程學院, 湖北 武漢 430081)

為使學生能夠直觀體驗交通信號控制實驗的效果,設計了由計算機(運行微觀交通仿真軟件)、信號控制機和信號機接口設備組成的硬件在環仿真實驗平臺。通過該仿真實驗平臺,學生可以設置信號機參數、運行仿真實驗、觀察信號機對交通流的控制效果并進行離線評價、比較不同交通條件下信號控制方案的優劣。通過該實驗,可以提高信號控制實驗的教學效果和學生解決實際交通問題的綜合能力。

交通控制； 信號控制實驗； 硬件在環仿真； VISSIM仿真

交通信號控制實驗是交通工程專業課程的重要實驗之一[1]。為了提高學生對交通信號控制理論的理解,要求學生學習如何設置信號機的控制參數,并對各種信號控制模型和控制策略進行評價和優化實驗[2-3]。傳統的實驗教學方法是以交通管理與控制等課程為基礎,讓學生自行設計交通相位、計算信號周期,通過實驗得到最佳的信號控制配時方案[4]。在交通信號控制實驗中,學生可以將配時方案輸入實際的信號機中,觀察信號機的運行狀況。

由于在實際的交通系統中,不允許隨意更改信號控制方案或參數,也不能更改道路交叉口的交通組織設計等,這使得學生無法在實際的交通系統中進行交通信號控制實驗[5]。雖然實驗室的信號機可以按照學生的配時方案運行,但是無法觀測配時方案的控制效果,也無法進行參數優化等創新型實驗。

微觀交通仿真軟件Synchro、VISSIM推出以來,在信號控制實驗中得到了比較廣泛的應用,它們在仿真實際道路交叉口運行環境、進行信號控制實驗方面,彌補了學生難以在實際道路的交叉路口現場實驗的不足。然而,微觀仿真軟件的信號控制模塊與實際的信號機有較大的差異,學生無法進行設置信號控制參數等內容的實驗。

本文結合交通信號控制的硬件在環仿真技術,提出基于硬件在環仿真的交通信號控制實驗。通過該實驗的學習和操作,學生既可以動手操作實際的信號機、設置信號控制參數,又可以在微觀仿真軟件中觀察虛擬交通流的運行狀況、評價信號機的控制效果,彌補了傳統信號控制實驗的不足。

1 硬件在環仿真系統

硬件在環仿真是一種采用實際信號控制機加虛擬仿真對象的仿真方法,具有安全性、可行性、合理的成本和更好的實用性,因而在交通信號控制系統等很多控制系統中得到廣泛應用[6-7]。

國外自20世紀80年代開始研究硬件在環仿真技術,并研發了信號機測試工具箱[8]。但是,由于國內外信號機接口和通信協議不同,國外的設備和技術無法直接應用到國內實際使用的信號機中。近幾年,國內學者開始對交通信號控制的硬件在環仿真進行了研究,也構建了一些實用的硬件在環仿真系統[9-12]。

交通信號控制的硬件在環仿真是將實際的信號機融入虛擬的微觀交通仿真軟件中,實現包含實際信號機硬件的在環仿真[12]。硬件在環仿真系統主要由計算機(運行微觀交通仿真軟件)、信號控制機和信號機接口設備等3個模塊構成(見圖1)。

圖1 硬件在環仿真系統的組成示意圖

在本實驗中,在計算機上運行的微觀仿真軟件是德國PTV公司的VISSIM仿真軟件；信號控制機選用天津通翔智能交通系統有限公司的MTC-2000信號機。根據計算機和信號機的物理接口特性,設計和開發了信號機接口設備,用于連接計算機和信號機,并負責數字信號和模擬信號之間的轉換和傳輸[12]。

硬件在環仿真的數據傳輸包括車輛檢測信息和信號控制狀態。車輛檢測信息由VISSIM仿真軟件中的虛擬車輛檢測器實時檢測得到,經由計算機和接口設備實時發送給信號機。信號控制狀態是從信號機的信號燈接口輸出,經由接口設備和計算機,經數據轉換后發送給仿真軟件。

2 實驗前的準備工作

為進行交通信號控制的硬件在環仿真實驗教學,實驗教師需要先完成以下幾項實驗準備工作。

(1) 實驗數據的調查工作。以實際信號控制的道路交叉口或主干道為研究對象,實地調查道路條件、交通條件、信號控制方案等。道路條件包括車道數、車道寬度、車道功能劃分等；交通條件包括車輛組成、流量和流向、速度分布等。

(2) 構建路網仿真模型。根據調查數據,用VISSIM仿真軟件構建仿真路網的基礎模型。在基礎模型中,構建完整的道路條件,輸入相應的流量和路徑決策,設置評價數據采集點,但是不涉及信號控制和檢測器設置。

(3) 構建硬件在環仿真實驗平臺。通過接口設備連接計算機和信號機,在計算機上運行微觀仿真軟件,完成硬件在環仿真系統的實驗調試工作。

3 信號控制實驗設計

以硬件在環仿真實驗平臺為基礎,可在仿真軟件中構建不同的實驗場景,開展多項交通信號控制實驗。

3.1 道路交叉口信號控制實驗

3.1.1 實驗目的

通過交叉口信號控制實驗,使學生了解硬件在環仿真系統的原理,熟悉信號控制的操作流程,掌握信號控制參數的設置方法,鞏固VISSIM軟件的基本操作。

實驗完成后,通過匯總組內成員的實驗數據,可以對定時控制和感應控制的效益進行對比分析,使學生對不同的信號控制方式有更深入的理解。

3.1.2 實驗預習要求

在開始做實驗之前,要求學生完成以下的預習內容:

(1) 按照給定的道路條件、交通條件和信號控制方式,計算道路交叉口的信號控制參數。先根據交通調查數據,將參與實驗的學生分成若干小組,相同道路條件的劃分為一個小組；再按照不同的交通條件和信號控制方式進行交叉組合。交通條件包括高峰、平峰、低峰時間的交通流量和流向；信號控制方式包括定時控制、半感應控制(主路優先、次路優先)和全感應控制。要讓每位學生使用不同的流量數據和不同的信號控制方式。

(2) 預習VISSIM仿真軟件的基本操作,尤其是信號控制設置、檢測器設置以及各種離線評價方法的預習。

(3) 預習《信號機操作手冊》,了解信號機的基本操作規范和參數設置方法。

3.2 實驗內容與步驟

道路交叉口的定時控制和感應控制在參數設置上存在差異,但實驗內容和步驟基本類似。

(1) 在信號機中設置信號控制參數。按照實驗預習要求,學生應通過計算得到感應控制的參數,比如最小綠燈時間、最大綠燈時間、綠燈單位延長時間等。

根據《信號機操作手冊》,在信號機的操作界面設置相應的感應控制參數(見圖2)。感應控制涉及多個車輛檢測器,在信號機中的“設定檢測器組態”操作界面,設置不同相位(燈組)的檢測器參數,完成道路交叉口示意圖(見圖3)。

圖2 感應控制參數設置界面截圖

圖3 完成檢測器設置的主界面截圖

(2) 在VISSIM軟件中設置信號燈和檢測器。在VISSIM軟件中打開仿真路網的基礎模型,根據交通信號控制方案,在道路交叉口進口道的停車線上布設信號燈,在進口道上游布設車輛檢測器,設置完成的仿真模型如圖4所示。圖中進口道上游車道內的小矩形就是虛擬車輛檢測器。

圖4 VISSIM軟件中的仿真模型截圖

(3) 運行硬件在環仿真實驗。在VISSIM軟件中,完成信號燈組和檢測器的設置之后,即可運行硬件在環仿真實驗。仿真實驗運行時,要求學生仔細觀察交通流的狀況,同步觀察仿真軟件和信號機,對比各個車輛檢測器的車輛到達檢測是否一致、各個相位的綠燈時間變化是否一致。根據各個相位的綠燈時間長短來判斷信號機是否處于感應控制方式。如果仿真實驗運行過程未見異常,則需進一步設置離線評價參數,為后續的評價結果輸出做準備。

(4) 保存離線評價結果。重新運行仿真實驗,記錄并保存離線評價結果,如記錄延誤時間的vlz文件等,作為撰寫實驗報告的依據。

3.3 實驗報告要求

要求學生獨立整理實驗數據,按要求撰寫實驗報告。同一實驗小組的學生之間還需進行以下兩種對比分析:

(1) 交通條件相同,對比不同信號控制方案的延誤數據,定量分析定時控制、各種感應控制方式的優劣；

(2) 信號控制方式相同,對比不同流量條件下的信號控制效果,分析信號控制方式與交通流量之間的內在聯系,理解感應控制的適用性。

4 創新型信號控制實驗

基于硬件在環仿真的交通信號控制實驗平臺,還可以設計其他創新型信號控制實驗,例如:

(1) 信號控制參數優化實驗。在給定的道路條件、交通條件和信號控制方式條件下,僅改變其中的某一項信號控制參數,運行硬件在環仿真實驗并輸出評價結果。通過對比評價結果,可以獲得信號控制參數與延誤時間之間的相關性,由此實現對信號控制參數的優化。

(2) 公交優先信號控制實驗。常用的信號控制機都具有公交優先信號控制模塊,在VISSIM軟件中設置公交站、公交線等內容,可實現公共交通系統的仿真。基于硬件在環仿真實驗平臺,借助VISSIM軟件的精確評價功能,可以測試信號機中公交優先控制模塊的控制效果。如果有條件,還可以對比不同信號機的公交優先控制效果。

5 結語

硬件在環仿真實驗平臺可以提供與現實交通系統類似的虛擬仿真運行環境,可以實現信號機在不同交通場景中的信號控制實驗,借助仿真軟件的評價功能可以對不同交通場景的信號控制效果進行對比分析。基于硬件在環仿真的信號控制實驗可以使學生直觀地體驗信號控制的操作流程,鍛煉學生的動手操作能力、分析判斷能力,可以有效地提高信號控制實驗教學質量；針對特定交通問題設計創新型實驗,可以讓學生尋找最佳的解決方案,切實提高學生解決實際交通問題的綜合能力。

References)

[1] 胡明偉,崔海鵬.交通工程專業實驗教學體系的設計[J].實驗技術與管理,2011,28(7):28-31.

[2] 沈雅婕.VISSIM仿真系統在交通信號控制教學中的使用[J].實驗技術與管理,2014,31(2):89-92.

[3] 趙曉華,邊楊,翁劍成,等.《交通信號控制》實驗教學的改革與創新[J].教育教學論壇,2013(35):23-24.

[4] 丁恒,鄭小燕,黃文娟,等.交通信號網絡控制實驗平臺的開發[J].實驗技術與管理,2009,26(5):66-68.

[5] 胡明偉.微觀仿真軟件在交通工程專業課實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索,2010,29(8):257-260.

[6] 王浩,唐棠,王玲,等.交通控制硬件在環仿真綜述[J].交通標準化,2013(1):89-91.

[7] 鄒智軍.新一代交通仿真技術綜述[J].系統仿真學報,2010(9):2037-2042.

[8] Courage K, Lee S. Hardware in the loop Simulation[R].Gainesville, FL: University of Florida,2005.

[9] 鄭媛元.城市交通控制在線仿真技術[D].北京:北方工業大學,2008.

[10] 于泉,榮建.交通控制硬件在環實時仿真平臺設計[J].重慶工學院學報(自然科學版),2009,23(10):57-60.

[11] 余貴珍,任毅龍,王云鵬,等.多路口交通信號控制硬件在環仿真系統[J].公路交通科技,2013(1):110-114.

[12] 柳祖鵬,劉守陽,李思君,等.交通控制硬件在環仿真平臺的開發與實現[J].交通信息與安全,2013(3):126-130.

Design of traffic signal control experiment based on hardware-in-the-loop simulation

Liu Zupeng, He Yaqin, Du Shengpin

(School of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

In order to enable students to experience the effect of traffic signal control experiment, the hardware-in-the-loop simulation platform which is composed of a computer(running microscopic traffic simulation software), a signal controller and a controller interface device is designed. On the simulation experiment platform, students can set the signal control parameters, run simulation experiment, observe the control effect of the controller on traffic flow, get off-line evaluation, and compare the effect of different traffic conditions and signal control schemes. Through this experiment, the teaching effect of signal control experiment and the comprehensive ability of the students to solve practical traffic problems can be improved.

traffic control; signal control experiment; hardware-in-the-loop simulation; VISSIM simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.030

2016-09-19

國家自然科學基金項目(61403286)；武漢科技大學教學研究項目(2014Z043)

柳祖鵬(1979—),男,浙江蘭溪,博士,工程師,主要研究方向為交通管理與控制、微觀交通仿真、公交信號優先.

E-mail：liuzupeng@wust.edu.cn

G642.423; U491.5

A

1002-4956(2017)2-0116-03