陜西省交通建設(shè)集團公司 胡儉

公路隧道交通誘導(dǎo)與控制仿真系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計

陜西省交通建設(shè)集團公司 胡儉

隨著我國公路建設(shè)的飛速發(fā)展，公路隧道也在不斷增多。其安全運營問題也越來越突出，如何使隧道控制系統(tǒng)安全控制交通已成為隧道運行的一個重要課題。高速公路隧道交通可分為火災(zāi)異常、故障阻塞異常、周期性交通擁擠異常及正常運營等4種情況。針對隧道內(nèi)不同的交通情況，設(shè)置何種控制模式與采取怎樣的控制策略，決定著隧道的運營管理水平。

為避免隧道交通異常情況的發(fā)生，減少交通事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失，需要優(yōu)化隧道控制系統(tǒng)的控制策略，但在實際的隧道內(nèi)做大量的實驗，不僅嚴(yán)重影響了隧道正常的交通運行，而且成本代價也太大，實施起來比較困難。而且對現(xiàn)有的隧道安全管理和事故預(yù)防我國在這方面所開展的工作還不是很系統(tǒng)，人力物力投入也不是很充裕，部門之間的合作及國際間的合作機制尚需加強和完善。因此設(shè)計一個公路隧道交通控制與誘導(dǎo)的仿真系統(tǒng)，并開發(fā)出上位機控制軟件對于高速公路隧道安全管理，保護人身和財產(chǎn)安全，具有十分重要的研究意義和應(yīng)用價值。

一、系統(tǒng)總體介紹

1．設(shè)計的目的與意義。公路隧道交通控制與誘導(dǎo)仿真系統(tǒng)可以通過上位機軟件對隧道模型各子系統(tǒng)設(shè)備進行單點控制，也可利用該系統(tǒng)對隧道不同的交通控制策略進行仿真，使隧道模型各設(shè)備的狀態(tài)按照交通控制策略進行優(yōu)化。因此，針對隧道內(nèi)不同的交通情況，利用該系統(tǒng)可以優(yōu)化隧道控制系統(tǒng)對設(shè)備單點的控制，同時也可以驗證不同控制策略的實際效果，從而確定特定的控制模式和最優(yōu)的控制策略。

公路隧道交通控制與誘導(dǎo)仿真系統(tǒng)為高速公路隧道運營公司、單位管理人員和交通控制專業(yè)的本科生教學(xué)提供了一個科研平臺及科學(xué)先進的交通控制技術(shù)。他們可以通過此仿真系統(tǒng)熟悉與學(xué)習(xí)隧道控制系統(tǒng)、演練交通預(yù)案或控制策略，進而形成自己的控制策略。而且該仿真系統(tǒng)能通過網(wǎng)絡(luò)獲得真實隧道設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可以使隧道模型設(shè)備的狀態(tài)與真實隧道設(shè)備的狀態(tài)保持一致。這樣在交通事件發(fā)生時，便于高速公路運營公司或管理單位的指揮者統(tǒng)籌全局、運籌帷幄。

3．設(shè)計的主要研究內(nèi)容。

（1）研究具體隧道的交通指揮策略與緊急預(yù)案。

（2）交通誘導(dǎo)與控制軟件的開發(fā)，即根據(jù)不同工況下的交通誘導(dǎo)與控制模式編寫相應(yīng)的軟件代碼。上位機軟件主要包括交通控制、交通預(yù)案、通風(fēng)控制、照明控制、信息發(fā)布和通信等6大功能。如圖1所示。

圖1 軟件功能模塊結(jié)構(gòu)

其中主要模塊為交通預(yù)案模塊，分為預(yù)案的演示和預(yù)案或控制策略的自動生成部分，如圖2所示。

圖2 交通預(yù)案模塊結(jié)構(gòu)

（3）隧道模型電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)。電氣控制系統(tǒng)主要由控制臺、主機控制模塊、從機控制模塊、電源管理模塊構(gòu)成。

（4）隧道交通控制策略在模型上的仿真實現(xiàn)。

4．設(shè)計的創(chuàng)新點。

（1）控制軟件部分?？刂栖浖械乃淼澜煌刂品桨概c誘導(dǎo)策略基于智能決策支持系統(tǒng)，它事先建立隧道機電設(shè)施設(shè)備的數(shù)據(jù)庫﹑交通事件控制與誘導(dǎo)策略的知識庫和緊急交通預(yù)案庫,軟件能夠針對不同的交通事件智能地產(chǎn)生科學(xué)有效的控制策略，并根據(jù)特定情況調(diào)用相應(yīng)的緊急交通預(yù)案。

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軟件還可以通過手動的方式對隧道模型中的單個機電設(shè)備進行控制，產(chǎn)生特定情況下的控制方式和誘導(dǎo)策略，并將修改過的控制與誘導(dǎo)策略存入交通事件控制策略庫里，使軟件具備了自動學(xué)習(xí)的能力。

（2）模型硬件部分。設(shè)計方式采用 “集中管理，分布控制”的思想。模塊化的設(shè)計方案使隧道模型的硬件便于拆卸、添加，可以適用于不同長度的隧道。

控制方式采用多Agent技術(shù)。隧道劃分為不同的控制區(qū)域，每個區(qū)域的所有機電設(shè)備由一個單片機控制模塊來控制，每一個單片機區(qū)域控制模塊就是一個Agent,控制方式采用多Agent技術(shù)來控制隧道機電設(shè)備，實現(xiàn)了隧道模型硬件控制的智能化。

二、軟件部分介紹

上位機控制軟件為仿真系統(tǒng)的控制中心，關(guān)鍵技術(shù)主要有：隧道交通控制與誘導(dǎo)的智能決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，使控制軟件能夠針對隧道內(nèi)不同的交通事件，智能地產(chǎn)生科學(xué)有效的交通控制策略，針對緊急交通事件調(diào)用相應(yīng)的控制預(yù)案，并能通過手動的方式對單個機電設(shè)備進行控制，從而產(chǎn)生特定情況下的控制方式和策略。

隧道機電設(shè)備在控制軟件界面中的形象展示直觀。可以做到通過手工方式修改其狀態(tài)，其狀態(tài)和隧道模型中機電設(shè)備的工作狀態(tài)保持一致。如圖3所示。

圖3 仿真軟件平面示意

交通控制與誘導(dǎo)策略或緊急預(yù)案形象化與動畫的展現(xiàn)，可以用以動畫方式展示交通控制流的方向與誘導(dǎo)線路。

三、硬件部分介紹

該部分主要由公路隧道機電設(shè)備和單片機區(qū)域控制模塊2部分組成。其關(guān)鍵技術(shù)有：

1．硬件模塊化設(shè)計。根據(jù)模塊化的思路和分布式控制的設(shè)計方案，將隧道劃分為不同的控制區(qū)域，每個單片機區(qū)域控制模塊控制一個區(qū)域的所有機電設(shè)備，其仿真電路圖如圖4所示。

圖4 硬件仿真電路

2．多Agent技術(shù)的實現(xiàn)。單片機區(qū)域控制模塊能夠檢測該隧道區(qū)域內(nèi)的交通事件，并將其傳送給上位機控制軟件，同時它能夠接收上位機軟件傳送過來交通控制策略的數(shù)據(jù)信息進行，對該隧道區(qū)域內(nèi)的機電設(shè)備的工作狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)對交通的控制與誘導(dǎo)。

目前國內(nèi)高速公路隧道模型都是單點控制，只能進行簡單的單點交通事故預(yù)案仿真，沒有區(qū)域控制仿真，軟件部分沒有自動智能生成控制策略的功能。硬件模型部分通常采用PLC技術(shù)，缺乏靈活性。

本文，筆者提出了一種先進的智能仿真系統(tǒng)開發(fā)思路，控制軟件能夠針對不同的交通事件智能地產(chǎn)生科學(xué)有效的控制策略，并根據(jù)特定情況調(diào)用相應(yīng)的緊急交通預(yù)案。模型硬件部分控制方式采用多Agent技術(shù)，實現(xiàn)了隧道模型硬件控制的智能化。