胡 輝

(1.華東交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江西南昌330013;2.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044)

作為數(shù)據(jù)、圖形處理的一種有力工具，OriginPro在教學(xué)科研、工程技術(shù)中的應(yīng)用日益受到青睞[1-4]。除了利用軟件的菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖形繪制外，其內(nèi)嵌的Origin C語言使得應(yīng)用者能靈活地根據(jù)自己的需求開發(fā)出相應(yīng)的程序以解決自己的問題，如軟件中自帶的元胞自動(dòng)機(jī)模型和圖形的邊緣檢測處理等程序。

在交通流系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，1992年提出的NaSch模型一直被認(rèn)為是基于元胞自動(dòng)機(jī)的交通流建模的經(jīng)典模型，后續(xù)的各種改進(jìn)模型大多以此為基礎(chǔ)來分析解釋實(shí)際中的各種交通現(xiàn)象。該模型的實(shí)現(xiàn)方法有很多(如用Visual C++把模擬數(shù)據(jù)存儲在文件中)，但模型仿真的兩個(gè)主要輸出結(jié)果圖:流量密度圖和時(shí)空相位圖在不少研究[5-7]中是通過OriginPro導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件來完成實(shí)現(xiàn)的。因此為充分利用OriginPro(以下介紹的OriginPro均為7.5版本)內(nèi)在的強(qiáng)大功能，一次性地完成建模仿真的任務(wù)，我們在分析OriginPro軟件體系的基礎(chǔ)上，充分挖掘了軟件潛在的強(qiáng)大功能，以NaSch模型為例首次應(yīng)用軟件中內(nèi)嵌的Origin C語言和相關(guān)開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了模型的仿真輸出。

1 Origin C及Origin Pro輔助開發(fā)工具

OriginPro的二次開發(fā)有兩種方法:一是使用腳本語言Lab Talk，二是應(yīng)用Origin C。在實(shí)際應(yīng)用中，由于腳本語言本質(zhì)上是一種解釋性語言，程序執(zhí)行速度慢，所以一般從性能角度會(huì)選擇編譯性的Origin C。除了支持幾乎完全的ANSIC語言語法及C++和C#的特征子集外，在OriginPro中Origin C包含兩方面的內(nèi)容:

(1)全局函數(shù)。涉及到數(shù)據(jù)分析Analysis、基本輸入/輸出Basic I/O、字符/字符串處理、COM對象、繪圖Plot等26個(gè)方面，用戶在程序中可直接調(diào)用這些函數(shù)。

(2)類。包含應(yīng)用程序通信類Application Communication(目前僅支持Matlab)、復(fù)合數(shù)據(jù)類(如Curve，Matrix，Dataset，Vector等)、內(nèi)部Origin類(如Project，Worksheet，Datasheet，Column等)、系統(tǒng)類(如file，Registry等)、用戶接口控制類(如DeviceContext，progressBox，waitCursor，Window等)。

圖1是內(nèi)部Origin類的關(guān)系表示，絕大多數(shù)類的基類是OriginObject。

除利用Origin C提供的函數(shù)和類外，OriginPro還提供了一些工具幫助用戶進(jìn)行二次開發(fā)，主要有以下5類輔助開發(fā)工具。

圖1 O rigin內(nèi)部類結(jié)構(gòu)圖

(1)COM組件客戶端編程。與其他的應(yīng)用程序如Excel，Word進(jìn)行交互，從數(shù)據(jù)庫Access，SQL Server等讀入數(shù)據(jù)等。

(2)自動(dòng)化服務(wù)器編程。在支持COM編程的應(yīng)用程序如Excel中作為服務(wù)器進(jìn)行交互。

(3)對話框構(gòu)造器Dialog Builder。在標(biāo)準(zhǔn)控件(如Edit，Button)的基礎(chǔ)上支持各種復(fù)雜的人機(jī)界面，適應(yīng)用戶的特定需求。

(4)ActiveX控件。在對話框構(gòu)造器中可插入ActiveX控件，使得應(yīng)用程序的適應(yīng)性更強(qiáng)。

(5)應(yīng)用程序加密保護(hù)。為了保證開發(fā)者的知識產(chǎn)權(quán)，可對應(yīng)用程序的源代碼加密。使用者可運(yùn)行程序，但無法看到源程序。

2 基于OriginPro的NaSch模型的設(shè)計(jì)

2.1 NaSch元胞自動(dòng)機(jī)模型

作為對184號元胞自動(dòng)機(jī)模型的推廣，1992年Nagel和Schreckenberg提出了著名的NaSch模型。在這一模型中，時(shí)間、空間、速度都被整數(shù)離散化。道路被劃分為離散的元胞，每個(gè)元胞或者是空的，或者是被一輛車占據(jù)，每輛車可取0，1，2，…，vmax，vmax為最大速度。相對于184號規(guī)則，NaSch模型的主要改進(jìn)之處是引入了慢化概率和最大車速不再是1。在t→t+1的過程中，模型按如下規(guī)則并行演化:

(1)加速:vn→min(vn+1，vmax)，對應(yīng)于現(xiàn)實(shí)中司機(jī)期望以最大速度行駛的特性。

(2)減速:vn→min(vn，dn)，駕駛員為了避免和前車發(fā)生碰撞而采取減速的措施。

(3)隨機(jī)慢化:以概率p，vn→max(vn-1，0)，由各種不確定因素造成的車輛減速。

(4)運(yùn)動(dòng):xn→xn+v，車輛按調(diào)整后的速度向前行駛。

xn，v分別表示n車的位置和速度;dn=xn+1-xn-l表示n車和前車n+1之間空的元胞數(shù);l表示車輛長度。

2.2 NaSch模型的分析設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)模型的仿真，從以下3個(gè)方面對模型進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

(1)核心類Lane。從面向?qū)ο蟮慕嵌瓤?，Lane類包括的屬性有車道長度、車長、最大速度、慢化概率、車流密度、車流量、平均速度、車道狀態(tài)等，包括的方法有更新、車流量與平均速度及車道速度的獲得等。其中，基于上述規(guī)則的更新方法是類的關(guān)鍵，以下代碼說明了如何實(shí)現(xiàn)周期條件下的更新規(guī)則。

(2)界面輸入。為便于控制相關(guān)的參數(shù)，如車道長度、車長、慢化概率、車流密度等參數(shù)，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的話框獲得用戶的輸入。此外，考慮到程序運(yùn)行的時(shí)間較長，加入OriginPro中的Progresss Box和Wait Cursor控件提示用戶程序的運(yùn)行情況。

(3)結(jié)果輸出。為一次性得到仿真的輸出，設(shè)計(jì)兩個(gè)函數(shù)獲得輸出結(jié)果。其一是流量密度關(guān)系圖，主要是利用OriginPro的內(nèi)嵌類Worksheet、Graphlayer、Curve等獲得仿真的模擬數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)通過調(diào)用相關(guān)類的方法實(shí)現(xiàn)圖形的輸出。其二是時(shí)空相位圖，主要是利用Matrix等內(nèi)嵌類獲得不同時(shí)間空間的車道數(shù)據(jù)，然后以圖形方式展現(xiàn)。

3 NaSch模型的仿真實(shí)現(xiàn)

通過以上的分析設(shè)計(jì)，借助Origin C及OriginPro的輔助可開發(fā)工具，從分析設(shè)計(jì)的3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了模型的仿真。

3.1 核心類Lane的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)入OriginPro的Code Builder窗口，建立一個(gè)新的c或cpp文件，用關(guān)鍵詞class定義Lane，并實(shí)現(xiàn)其中的方法，具體過程與一般的C++類似。

3.2 界面輸入的實(shí)現(xiàn)

雖然OriginPro提供了簡單對話框，但對于復(fù)雜的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，需要利用前面介紹的Dialog Builder。應(yīng)用Dialog Builder的前提是Visual C++應(yīng)用程序向?qū)е杏小癘rigin Dialog AppWizard”，一般只要安裝完OriginPro，Visual C++的應(yīng)用程序向?qū)е袝?huì)有此項(xiàng)，否則需要手工導(dǎo)入軟件中自帶的ODialog.awx文件。圖2是計(jì)算流量密度關(guān)系圖的界面輸入結(jié)果，通過輸入相關(guān)參數(shù)，對模型的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.3 輸出結(jié)果及其意義

NaSch模型的仿真結(jié)果主要有兩個(gè)即流量密度圖和時(shí)空相位圖。為此，定義兩個(gè)函數(shù)NaSch-DensityFlux()和NaSh-TimeSpace()實(shí)現(xiàn)模型仿真結(jié)果的輸出，圖3是程序執(zhí)行NaSch-DensityFlux運(yùn)行過程中的情況。圖4是分別執(zhí)行這兩個(gè)程序后的輸出結(jié)果，左邊是流量密度圖，右邊是時(shí)空相位圖，模型參數(shù)與設(shè)置界面中一樣，時(shí)空相位圖的時(shí)間步為50000到50500。其中，流量-密度圖表明路段密度與路段流量的關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系:開始沒有車輛時(shí)，路段密度為0，流量也為0;而隨著路段密度的增大，路段流量也逐漸增大，但當(dāng)路段密度大約為0.22輛/單位長度時(shí)，路段流量達(dá)到最大約為0.45輛/單位時(shí)間，此后隨之遞減，當(dāng)路段密度為1(也即路段上全充滿車輛時(shí))，流量為0，意味著路段完全擁堵，車輛無法前行，這在一定程度上反映了實(shí)際中的流量-密度關(guān)系。而時(shí)空相位圖中顏色較深的則反映了隨著時(shí)間的遞進(jìn)，路段上出現(xiàn)了擁擠現(xiàn)象，而且擁擠在往后傳播，這也與實(shí)際中通過航拍發(fā)現(xiàn)路段的擁擠現(xiàn)象類似[5]，說明采用的模型能模擬出現(xiàn)實(shí)交通中擁堵的形成。

圖2 NaSch模型參數(shù)設(shè)置界面

圖3 NaSch模型運(yùn)行過程

圖4 NaSch模型運(yùn)行仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

深度挖掘OriginPro功能自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)交通流中的元胞自動(dòng)機(jī)建模是一次新的嘗試，相信他的應(yīng)用對于類似系統(tǒng)的仿真研究(如其他的元胞自動(dòng)機(jī)模型)有一定參考價(jià)值。從實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來看，雖然達(dá)到了要求，但程序運(yùn)行的時(shí)間相對于用Visual C++編寫的程序時(shí)間長了不少。因此，可以改進(jìn)的方向應(yīng)是如何在Visual C++類似的環(huán)境中調(diào)用OriginPro的對象方法來實(shí)現(xiàn)結(jié)果輸出，或封裝成獨(dú)立的模塊供其他應(yīng)用程序(如一些專業(yè)的交通規(guī)劃與管理軟件)調(diào)用。

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