集成VISSIM、C#和MATLAB 的交通狀態監測平臺設計

王曉龍

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原，030032）

1 交通狀態監測平臺的搭建

1.1 VISSIM 二次開發

圖1 VISSIM 的COM 接口調用層級圖

1.2 交通狀態監測平臺

交通狀態監測平臺通過VISSIM 的COM 接口與VISSIM建立信息交互，控制VISSIM 仿真的運行、暫停，還可以修改VISSIM 中路網的車流量、信號配時等參數。在對路網進行仿真時，交通狀態監測平臺通過COM 接口實時獲取設置在VISSIM 路網中各種檢測器（排隊檢測器、數據采集器、延誤檢測器等）的數據，并在交通狀態監測平臺中實時顯示并繪制折線圖。對其路網的運行狀況將按照密度、平均速度等數據進行分析并實時顯示，運行情況有三種分別為阻塞、擁堵、通暢。當交通狀態監測平臺需要新的配時方案時，交通狀態監測平臺將通過VISSIM 的COM 接口獲取目前VISSIM 信號配時方案及交通數據，隨后平臺再將數據傳入MATLAB，并運行MATLAB 引擎及帶有信號配時算法的函數文件，將計算出的配時方案再通過交通狀態監測平臺傳入VISSIM 之中應用。其整體數據交互圖如圖2 所示。

圖2 數據交互示意圖

交通狀態監測平臺通過建立VISSIM與MATLAB的聯系，使其能在仿真過程中實時顯示路網中的各類參數（例如信號周期，排隊長度，占有率等），進而分析路網的運行狀態。并且將信號配時算法計算出的配時方案傳入到VISSIM 中進行控制，從而建立起閉環的交通仿真平臺。交通狀態監測平臺的交互界面如圖3 所示。

圖3 交通狀態監測平臺

1.3 交通狀態監測平臺運行流程

首先交通狀態監測平臺通過VISSIM 的COM 接口與VISSIM 進行連接，控制VISSIM 的啟動與VISSIM 文件的打開，在平臺內還可以修改VISSIM 路網中車流量、信號周期、仿真評價等。設置完成后平臺將控制VISSIM 啟動仿真，并根據設置的檢測器時間間隔獲取路網數據。當某一個信號燈走完一個周期時，平臺將按照信號配時算法和設置在路網中的檢測器數據計算出下一個周期的信號配時方案，并實時修改其信號配時。在仿真運行的過程中，路網中的檢測器等數據將實時顯示在平臺之中，并根據數據實時繪制折線圖，分析路網的運行情況。交通狀態監測平臺其整體程序流程圖如圖4 所示。

圖4 交通狀態監測平臺運行流程

1.4 交通狀態監測平臺功能

1.4.1 仿真控制模塊

仿真控制模塊的功能是控制VISSIM 的啟動及VISSIM仿真運行（開始、暫停、停止）。“啟動VISSIM”按鈕用于啟動VISSIM，需要選擇好VISSIM 的工程文件。“重新加載VISSIM”按鈕，用于在仿真過程中某些參數變化后，如果需要保持初始狀態重新進行仿真可以點擊此按鈕，VISSIM 將恢復初始打開文件的樣子，即上一次保存的狀態。“重新加載MATLAB”按鈕，用于重新加載MATLAB，一般來說系統中MATLAB 安裝沒有問題的話，無需點擊此按鈕，平臺將自動初始化MATLAB。“開始仿真”“暫停仿真”“停止仿真”，分別用于控制VISSIM 的開始、暫停、停止。其仿真控制模塊如圖5 所示。

圖5 仿真控制模塊

1.4.2 仿真設置模塊

仿真設置模塊是對VISSIM 仿真中的一些參數設置，包括路網中信號燈的設置、車流量的設置、仿真時長的設置、仿真評價的設置、信號配時算法的設置。仿真設置模塊如圖6 所示。

6.對社會需求的長短期影響比較。從匯率政策變動對社會需求的脈沖響應來看，匯率政策變動對社會總需求在長期并沒有很大的影響，但短期內匯率政策變動對社會需求的影響相當顯著。2005年7月和2015年8月兩次大匯改的影響尤甚，對社會需求的影響趨勢也大致相同，在匯改后立刻有一個顯著的正向沖擊，隨后沖擊方向改變，最終漸漸趨平。

圖6 仿真設置模塊

1.4.3 仿真評價數據顯示模塊

仿真數據顯示模塊如圖7 所示，它可以實時顯示設置在VISSIM 路網中各種檢測器的數據。其中獲取數據的時間間隔將根據你設置的時間間隔獲取。在仿真參數設置中必須打開相應檢測器的評價開關才可以獲取數據并顯示。

圖7 仿真評價數據顯示模塊

1.4.4 交通運行狀態監測模塊

交通運行狀態顯示模塊如圖8 所示，在仿真運行期間，平臺將從VISSIM 中獲取道路上的車流量、平均密度、平均速度數據并進行顯示，并根據其車流量、平均速度等數據判斷道路的運行情況（通暢、擁堵、阻塞）。另外，必須設置好路段的評價才會在平臺中顯示。

圖8 交通運行狀態監測模塊

2 交通狀態監測平臺測試

2.1 仿真交叉路口

為了測試交通狀態監測平臺選取了現場作為測試對象，并通過VISSIM 根據實際車道數、車道寬度繪制交叉口，如圖9 所示。

圖9 現場路口

2.2 車流量設置

點擊交通狀態監測平臺中“車流量設置”按鈕，即可進入車流量設置界面，如圖10 所示。雙擊單元格并點擊確定按鈕即可完成車流量的設置。

為了更好地模擬實際交通流量的變化，根據HCM2000手冊計算各個進口道的實際飽和交通流量，計算公式如（1）所示，Cp為實際的道路飽和流量，CB為理想情況下道路的飽和流量（1800veh/h），R1 為道路寬度修正系數取值為0.75，2R為側向凈空修正系數取值為0.8，3R為行車視距修正系數取值為0.8，4R為沿途修正系數取值為0.7。

輸入的車流量按時間進行變化，高峰期取飽和流量的0.8，高峰期以外取飽和流量的0.5，如表1 所示。

表1 交叉口輸入流量

2.3 信號配時設置

點擊交通狀態監測平臺的“信號燈設置”按鈕即可進入信號配時設置界面，如圖11 所示。可以對信號周期、綠燈時長進行修改。

圖11 信號燈設置界面

2.4 仿真參數設置

點擊交通狀態監測平臺的“仿真參數設置”按鈕，即可彈出仿真參數設置界面，其中包括評價和仿真運行的設置，如圖12 所示。評價設置為各類檢測器的檢測開關，當打開“Queue Length”開關并設置好數據采集時間間隔后，平臺將根據時間間隔向VISSIM 獲取檢測器的數據，并實時在界面中顯示。仿真設置包括對仿真的時長、速度、隨機種子的設置。為了更好地演示平臺的功能，本次測試將打開所有的檢測器，并將仿真時長設置為3650，隨機種子設置為1。

圖12 仿真參數設置界面

2.5 配時算法設置

配時算法的設置需要點擊“配時算法設置”按鈕彈出的設置界面如圖13 所示。算法設置分為無算法（固定配時），MATLAB 外置算法。

圖13 配時算法設置界面

為了驗證仿真平臺的可行性，本次測試將采用兩種交通信號控制方案：固定配時和王傳海[1]的基于排隊長度的交叉路口信號燈模糊控制方法。

2.5.1 固定配時

按照實際交叉口信號配時方案進行控制，實際交叉口的信號燈相位及綠燈時長如表2 所示。

表2 信號燈相位及綠燈時長

2.5.2 基于排隊長度的信號燈模糊控制

根據各個相位進口道的排隊長度和平均速度來對信號配時方案進行調整。初始信號配時同樣采用實際交叉口信號配時方案。

為了提高模糊控制的準確性，模糊控制器設置了兩個輸入量和一個輸出量。兩個輸入量為車輛通過交叉口的平均車速（km/h）和平均排隊長度差值 ΔL（m），輸出量為綠燈延長時間Gd（s）。其中平均排隊長度差值為當前排隊長度和歷史排隊長度平均值的差值，如公式2-2 所示。平均速度是車輛在通過路口時的速度。這兩個量可以更好地反映交通的運行情況。模糊控制的輸出量為相位綠燈時長需要的增加或減少的時間。

根據模糊控制器，其兩個輸入量，平均排隊長度差共有7 個模糊子集，平均速度有3 個模糊子集，因此模糊規則一共有21 條。如表3 所示。

表3 模糊控制規則表

模糊控制規則表通過推理去模糊化轉換成數值型的控制規則表，如圖14所示。

圖14 控制規則結果

2.6 數據分析

分別采用定時控制和自適應控制對路網進行仿真，并將導出的數據及圖像進行分析。如圖15 所示為平均排隊長度的圖像，圖16 為平均速度變化曲線圖，圖17 為平均延誤變化曲線圖。

圖15 平均排隊長度圖像

圖16 平均速度變化圖像

圖17 平均延誤變化圖像

通過對比交通狀態監測平臺的圖像，可以看出采用模糊控制的配時方法后，平均排隊長度更加均衡，不會出現單相位平均排隊長度過長的現象。并且提高了平均速度，降低了平均延誤。

3 結語

通過現場對交通狀態監測平臺進行測試，驗證了交通狀態監測平臺各個功能模塊的可行性。通過平臺可以分析在采取不同控制算法時的路網運行情況。