基于硬件在环仿真的交通信号控制实验设计

柳祖鹏, 何雅琴, 杜胜品

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院, 湖北 武汉 430081)

基于硬件在环仿真的交通信号控制实验设计

柳祖鹏, 何雅琴, 杜胜品

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院, 湖北 武汉 430081)

为使学生能够直观体验交通信号控制实验的效果,设计了由计算机(运行微观交通仿真软件)、信号控制机和信号机接口设备组成的硬件在环仿真实验平台。通过该仿真实验平台,学生可以设置信号机参数、运行仿真实验、观察信号机对交通流的控制效果并进行离线评价、比较不同交通条件下信号控制方案的优劣。通过该实验,可以提高信号控制实验的教学效果和学生解决实际交通问题的综合能力。

交通控制； 信号控制实验； 硬件在环仿真； VISSIM仿真

交通信号控制实验是交通工程专业课程的重要实验之一[1]。为了提高学生对交通信号控制理论的理解,要求学生学习如何设置信号机的控制参数,并对各种信号控制模型和控制策略进行评价和优化实验[2-3]。传统的实验教学方法是以交通管理与控制等课程为基础,让学生自行设计交通相位、计算信号周期,通过实验得到最佳的信号控制配时方案[4]。在交通信号控制实验中,学生可以将配时方案输入实际的信号机中,观察信号机的运行状况。

由于在实际的交通系统中,不允许随意更改信号控制方案或参数,也不能更改道路交叉口的交通组织设计等,这使得学生无法在实际的交通系统中进行交通信号控制实验[5]。虽然实验室的信号机可以按照学生的配时方案运行,但是无法观测配时方案的控制效果,也无法进行参数优化等创新型实验。

微观交通仿真软件Synchro、VISSIM推出以来,在信号控制实验中得到了比较广泛的应用,它们在仿真实际道路交叉口运行环境、进行信号控制实验方面,弥补了学生难以在实际道路的交叉路口现场实验的不足。然而,微观仿真软件的信号控制模块与实际的信号机有较大的差异,学生无法进行设置信号控制参数等内容的实验。

本文结合交通信号控制的硬件在环仿真技术,提出基于硬件在环仿真的交通信号控制实验。通过该实验的学习和操作,学生既可以动手操作实际的信号机、设置信号控制参数,又可以在微观仿真软件中观察虚拟交通流的运行状况、评价信号机的控制效果,弥补了传统信号控制实验的不足。

1 硬件在环仿真系统

硬件在环仿真是一种采用实际信号控制机加虚拟仿真对象的仿真方法,具有安全性、可行性、合理的成本和更好的实用性,因而在交通信号控制系统等很多控制系统中得到广泛应用[6-7]。

国外自20世纪80年代开始研究硬件在环仿真技术,并研发了信号机测试工具箱[8]。但是,由于国内外信号机接口和通信协议不同,国外的设备和技术无法直接应用到国内实际使用的信号机中。近几年,国内学者开始对交通信号控制的硬件在环仿真进行了研究,也构建了一些实用的硬件在环仿真系统[9-12]。

交通信号控制的硬件在环仿真是将实际的信号机融入虚拟的微观交通仿真软件中,实现包含实际信号机硬件的在环仿真[12]。硬件在环仿真系统主要由计算机(运行微观交通仿真软件)、信号控制机和信号机接口设备等3个模块构成(见图1)。

图1 硬件在环仿真系统的组成示意图

在本实验中,在计算机上运行的微观仿真软件是德国PTV公司的VISSIM仿真软件；信号控制机选用天津通翔智能交通系统有限公司的MTC-2000信号机。根据计算机和信号机的物理接口特性,设计和开发了信号机接口设备,用于连接计算机和信号机,并负责数字信号和模拟信号之间的转换和传输[12]。

硬件在环仿真的数据传输包括车辆检测信息和信号控制状态。车辆检测信息由VISSIM仿真软件中的虚拟车辆检测器实时检测得到,经由计算机和接口设备实时发送给信号机。信号控制状态是从信号机的信号灯接口输出,经由接口设备和计算机,经数据转换后发送给仿真软件。

2 实验前的准备工作

为进行交通信号控制的硬件在环仿真实验教学,实验教师需要先完成以下几项实验准备工作。

(1) 实验数据的调查工作。以实际信号控制的道路交叉口或主干道为研究对象,实地调查道路条件、交通条件、信号控制方案等。道路条件包括车道数、车道宽度、车道功能划分等；交通条件包括车辆组成、流量和流向、速度分布等。

(2) 构建路网仿真模型。根据调查数据,用VISSIM仿真软件构建仿真路网的基础模型。在基础模型中,构建完整的道路条件,输入相应的流量和路径决策,设置评价数据采集点,但是不涉及信号控制和检测器设置。

(3) 构建硬件在环仿真实验平台。通过接口设备连接计算机和信号机,在计算机上运行微观仿真软件,完成硬件在环仿真系统的实验调试工作。

3 信号控制实验设计

以硬件在环仿真实验平台为基础,可在仿真软件中构建不同的实验场景,开展多项交通信号控制实验。

3.1 道路交叉口信号控制实验

3.1.1 实验目的

通过交叉口信号控制实验,使学生了解硬件在环仿真系统的原理,熟悉信号控制的操作流程,掌握信号控制参数的设置方法,巩固VISSIM软件的基本操作。

实验完成后,通过汇总组内成员的实验数据,可以对定时控制和感应控制的效益进行对比分析,使学生对不同的信号控制方式有更深入的理解。

3.1.2 实验预习要求

在开始做实验之前,要求学生完成以下的预习内容:

(1) 按照给定的道路条件、交通条件和信号控制方式,计算道路交叉口的信号控制参数。先根据交通调查数据,将参与实验的学生分成若干小组,相同道路条件的划分为一个小组；再按照不同的交通条件和信号控制方式进行交叉组合。交通条件包括高峰、平峰、低峰时间的交通流量和流向；信号控制方式包括定时控制、半感应控制(主路优先、次路优先)和全感应控制。要让每位学生使用不同的流量数据和不同的信号控制方式。

(2) 预习VISSIM仿真软件的基本操作,尤其是信号控制设置、检测器设置以及各种离线评价方法的预习。

(3) 预习《信号机操作手册》,了解信号机的基本操作规范和参数设置方法。

3.2 实验内容与步骤

道路交叉口的定时控制和感应控制在参数设置上存在差异,但实验内容和步骤基本类似。

(1) 在信号机中设置信号控制参数。按照实验预习要求,学生应通过计算得到感应控制的参数,比如最小绿灯时间、最大绿灯时间、绿灯单位延长时间等。

根据《信号机操作手册》,在信号机的操作界面设置相应的感应控制参数(见图2)。感应控制涉及多个车辆检测器,在信号机中的“设定检测器组态”操作界面,设置不同相位(灯组)的检测器参数,完成道路交叉口示意图(见图3)。

图2 感应控制参数设置界面截图

图3 完成检测器设置的主界面截图

(2) 在VISSIM软件中设置信号灯和检测器。在VISSIM软件中打开仿真路网的基础模型,根据交通信号控制方案,在道路交叉口进口道的停车线上布设信号灯,在进口道上游布设车辆检测器,设置完成的仿真模型如图4所示。图中进口道上游车道内的小矩形就是虚拟车辆检测器。

图4 VISSIM软件中的仿真模型截图

(3) 运行硬件在环仿真实验。在VISSIM软件中,完成信号灯组和检测器的设置之后,即可运行硬件在环仿真实验。仿真实验运行时,要求学生仔细观察交通流的状况,同步观察仿真软件和信号机,对比各个车辆检测器的车辆到达检测是否一致、各个相位的绿灯时间变化是否一致。根据各个相位的绿灯时间长短来判断信号机是否处于感应控制方式。如果仿真实验运行过程未见异常,则需进一步设置离线评价参数,为后续的评价结果输出做准备。

(4) 保存离线评价结果。重新运行仿真实验,记录并保存离线评价结果,如记录延误时间的vlz文件等,作为撰写实验报告的依据。

3.3 实验报告要求

要求学生独立整理实验数据,按要求撰写实验报告。同一实验小组的学生之间还需进行以下两种对比分析:

(1) 交通条件相同,对比不同信号控制方案的延误数据,定量分析定时控制、各种感应控制方式的优劣；

(2) 信号控制方式相同,对比不同流量条件下的信号控制效果,分析信号控制方式与交通流量之间的内在联系,理解感应控制的适用性。

4 创新型信号控制实验

基于硬件在环仿真的交通信号控制实验平台,还可以设计其他创新型信号控制实验,例如:

(1) 信号控制参数优化实验。在给定的道路条件、交通条件和信号控制方式条件下,仅改变其中的某一项信号控制参数,运行硬件在环仿真实验并输出评价结果。通过对比评价结果,可以获得信号控制参数与延误时间之间的相关性,由此实现对信号控制参数的优化。

(2) 公交优先信号控制实验。常用的信号控制机都具有公交优先信号控制模块,在VISSIM软件中设置公交站、公交线等内容,可实现公共交通系统的仿真。基于硬件在环仿真实验平台,借助VISSIM软件的精确评价功能,可以测试信号机中公交优先控制模块的控制效果。如果有条件,还可以对比不同信号机的公交优先控制效果。

5 结语

硬件在环仿真实验平台可以提供与现实交通系统类似的虚拟仿真运行环境,可以实现信号机在不同交通场景中的信号控制实验,借助仿真软件的评价功能可以对不同交通场景的信号控制效果进行对比分析。基于硬件在环仿真的信号控制实验可以使学生直观地体验信号控制的操作流程,锻炼学生的动手操作能力、分析判断能力,可以有效地提高信号控制实验教学质量；针对特定交通问题设计创新型实验,可以让学生寻找最佳的解决方案,切实提高学生解决实际交通问题的综合能力。

References)

[1] 胡明伟,崔海鹏.交通工程专业实验教学体系的设计[J].实验技术与管理,2011,28(7):28-31.

[2] 沈雅婕.VISSIM仿真系统在交通信号控制教学中的使用[J].实验技术与管理,2014,31(2):89-92.

[3] 赵晓华,边杨,翁剑成,等.《交通信号控制》实验教学的改革与创新[J].教育教学论坛,2013(35):23-24.

[4] 丁恒,郑小燕,黄文娟,等.交通信号网络控制实验平台的开发[J].实验技术与管理,2009,26(5):66-68.

[5] 胡明伟.微观仿真软件在交通工程专业课实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2010,29(8):257-260.

[6] 王浩,唐棠,王玲,等.交通控制硬件在环仿真综述[J].交通标准化,2013(1):89-91.

[7] 邹智军.新一代交通仿真技术综述[J].系统仿真学报,2010(9):2037-2042.

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

[9] 郑媛元.城市交通控制在线仿真技术[D].北京:北方工业大学,2008.

[10] 于泉,荣建.交通控制硬件在环实时仿真平台设计[J].重庆工学院学报(自然科学版),2009,23(10):57-60.

[11] 余贵珍,任毅龙,王云鹏,等.多路口交通信号控制硬件在环仿真系统[J].公路交通科技,2013(1):110-114.

[12] 柳祖鹏,刘守阳,李思君,等.交通控制硬件在环仿真平台的开发与实现[J].交通信息与安全,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

国家自然科学基金项目(61403286)；武汉科技大学教学研究项目(2014Z043)

柳祖鹏(1979—),男,浙江兰溪,博士,工程师,主要研究方向为交通管理与控制、微观交通仿真、公交信号优先.

E-mail：liuzupeng@wust.edu.cn

G642.423; U491.5

A

1002-4956(2017)2-0116-03