寧方棟

(同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

交通系統(tǒng)是一個巨系統(tǒng)，它具有復(fù)雜性、動態(tài)性和隨機性，傳統(tǒng)的交通控制手段難以準(zhǔn)確反映實際的交通狀況并進行有效控制。而交通仿真系統(tǒng)具有經(jīng)濟安全、可重復(fù)操作、易用可控、反饋及時等特點，因此對交通仿真系統(tǒng)的研究與構(gòu)建越來越多［1-2］。目前常見的交通控制仿真系統(tǒng)有 VISSIM、TRANSYT、SCOOT、SCATS等［1］。另外，我國若干研究機構(gòu)和一些企業(yè)集團正在致力于適合中國混合交通特點的、具有一定自主學(xué)習(xí)功能的、與交通誘導(dǎo)等其他子系統(tǒng)有相當(dāng)協(xié)調(diào)能力的信號控制系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。這些系統(tǒng)大部分都有其內(nèi)置的控制算法，而不是針對用戶提供的方案進行仿真模擬，即使有一定的用戶接口，也不夠靈活方便，且沒有針對交叉口群的信號控制接口進行設(shè)計。

針對上述問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個可復(fù)用的、可靈活使用的交通信號仿真平臺，減輕了信號算法研究者在仿真過程中的繁瑣計算配置等工作負(fù)擔(dān)，使得用戶能夠與仿真環(huán)境充分交互，比較全面地考慮了仿真過程中所涉及的因素，滿足交通信號配置算法的仿真需求，在此基礎(chǔ)上對用戶的配時方案進行仿真，并給出一定的方案評估結(jié)果。上述平臺以上海市道路交通地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Visual Studio 2010環(huán)境下使用C#語言開發(fā)，采用插件MapX搭建GIS環(huán)境。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計

本文所提出的仿真系統(tǒng)主要完成以下功能:

(1)為用戶提供基于GIS的系統(tǒng)接口，便捷高效地接收用戶的信號配時方案;

(2)按照用戶給出的配時方案進行模擬仿真;

(3)完成仿真過程后，根據(jù)仿真過程中所采集的數(shù)據(jù)計算得出評估參數(shù)值供用戶參考。

系統(tǒng)主要分為以下幾個模塊:GIS模塊、信號配時仿真過程模塊、參數(shù)評估模塊、用戶接口模塊。如圖1所示。下面簡要介紹各模塊所負(fù)責(zé)完成的功能。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計圖

1.1 GIS 模塊

GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))是在計算機硬、軟件系統(tǒng)及地理學(xué)、計算機科學(xué)以及信息管理學(xué)等多種學(xué)科支持下，對基于地理分布的數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)［3］。GIS在交通仿真系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)采用GIS來完成構(gòu)建交通道路環(huán)境方面所需的功能。

在本系統(tǒng)中，GIS模塊部分為系統(tǒng)的主界面，為整個系統(tǒng)功能的引導(dǎo)層，用于顯示仿真系統(tǒng)的地圖區(qū)域，并為用戶提供對地圖的相關(guān)操作。用戶可以對地圖進行常規(guī)的放大、縮小、拖拽等操作，并且能夠?qū)λ璺抡娴穆房谶M行點擊選擇。該模塊為配時方案提供了一個進行仿真過程的環(huán)境。

1.2 仿真過程模塊

仿真過程模塊主要實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的讀取與處理，將用戶的信號配時方案進行模擬實現(xiàn)，并將此過程呈現(xiàn)給用戶。

1.3 參數(shù)評估模塊

評估參數(shù)模塊主要負(fù)責(zé)對仿真過程中產(chǎn)生的交通參數(shù)進行收集整理，在仿真過程結(jié)束后，在用戶需求的前提下根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計算出評估參數(shù)，用戶可根據(jù)這些參數(shù)來評價自身方案的優(yōu)劣性。

1.4 用戶接口模塊

用戶接口模塊主要負(fù)責(zé)為用戶提供輸入接口，使得用戶的配時方案能夠合理方便地輸入。

2 用戶接口模塊設(shè)計

基于對用戶輸入配時方案的方式考慮，本模塊包括兩部分內(nèi)容:模式選擇與參數(shù)設(shè)置。

(1)模式選擇。

考慮到用戶對配時方案的研究大多數(shù)情況下分為2種，一種為對單個獨立的路口處信號燈組進行時間的分配、相位的分析等研究，另一種為對多個路口處的信號燈群進行分析，并對其所形成的綠波帶進行研究。

基于上述2種情況，本系統(tǒng)對信號方案的仿真分為兩種模式實現(xiàn)——單路口模式和多路口模式。

(2)參數(shù)設(shè)置。

參數(shù)設(shè)置部分為用戶提供輸入信號配時方案各項參數(shù)所需的接口，以窗體的形式呈現(xiàn)給用戶，系統(tǒng)從窗體讀取用戶數(shù)據(jù)，交給仿真過程模塊處理，完成方案模擬實現(xiàn)的過程。

單路口模式時，用戶點擊地圖中想要進行仿真的路口，系統(tǒng)彈出對話框接收用戶輸入。針對每個路口，本系統(tǒng)提供四相位、六相位、八相位十字路口以及三叉口4種類型，每種類型分為相位可調(diào)與不可調(diào)兩種情況。用戶需對各種情況下信號燈的綠燈時間和黃燈時間進行配置。

多路口模式時，用戶需在地圖界面選擇一個區(qū)域內(nèi)的路口群，并且對選中的路口群內(nèi)的每個路口進行相位時間的點擊設(shè)置。同時，各路口生成各自的路口類，路口信息寫入數(shù)據(jù)庫進行適當(dāng)?shù)卮鎯?。之后，如果用戶選擇的路口群是在同一條交通干線上，則進行路口群內(nèi)部關(guān)聯(lián)信息的設(shè)置，否則該部分功能失效。路口群內(nèi)部關(guān)聯(lián)信息包括相序、協(xié)調(diào)相位以及相位差。相位差由用戶操作，其值由系統(tǒng)計算得出，最終由用戶輸入系統(tǒng)。輸入操作在一張二維表中完成:路口i與路口j之間的相位差PFij在單元格(i，j)中被點擊設(shè)置，同時該值存入二維數(shù)組 phaseDif［i，j］中，以方便之后的仿真過程模塊讀取使用。

該部分相位差的設(shè)置目的是為了用戶自主配時以生成一條綠波帶。

另外，本模塊設(shè)有“時段選擇”選項，該部分按照上海市交通流數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的高峰時段為用戶提供高峰期與否的選擇，根據(jù)這個時段選項，系統(tǒng)決定車輛生成的數(shù)量、速率等特征。

3 仿真過程模塊設(shè)計

該模塊主要為仿真系統(tǒng)功能的實現(xiàn)部分，將用戶的配時方案模擬運行，以表格或者圖形的動態(tài)樣式將信號燈的時間、燈色變化呈現(xiàn)給用戶，同時地圖界面也將有車輛行為產(chǎn)生，從而為用戶展現(xiàn)一個基于GIS的完整的信號燈控制車流的模擬實現(xiàn)過程。

本模塊分為信號燈控制與綠波帶生成2個部分。

3.1 信號燈控制

信號燈控制分為前端界面與后臺控制程序兩個部分。前端界面主要負(fù)責(zé)將信號燈配時方案的模擬實現(xiàn)過程顯示給用戶，表現(xiàn)為車輛按照信號燈的指示動作。后臺控制程序則負(fù)責(zé)接收用戶接口模塊輸入的用戶參數(shù)，并按照指定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行處理，從而控制前端界面車輛與信號燈的行為。

在后臺控制程序中，系統(tǒng)讀取用戶接口模塊的數(shù)據(jù)，對各變量進行賦值。在整個方案執(zhí)行過程中，通過計時器對時間的控制來進行信號燈的燈色切換與倒計時等行為。當(dāng)信號燈顏色切換時，系統(tǒng)會根據(jù)車輛所處的車道處燈色向車輛行為控制程序發(fā)出相應(yīng)的命令，據(jù)此控制車輛行為。

本系統(tǒng)所使用的相位時間滿足:

其中，TphR為相位紅燈時間，TphG為相位綠燈時間，TphY為相位黃燈時間，C為周期時間。相位綠燈時間和黃燈時間由用戶輸入，其余參數(shù)由系統(tǒng)按式(1)、(2)計算得出。

系統(tǒng)切換信號燈燈色的時間滿足:

其中，Tcur為當(dāng)前計時時間，C為周期時間，Tcon為燈色切換時間點的條件時間。信號燈控制模塊的時間判斷按照式(3)所列條件完成。

另外，后臺程序還對仿真過程中對前端界面中的車輛行為進行監(jiān)測，將與車流量相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，供參數(shù)評估模塊使用。

3.2 綠波帶生成

本系統(tǒng)為用戶提供一種交通干線雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制方法的仿真接口。完成綠波帶所需提供的相關(guān)參數(shù)為預(yù)置相位、公共周期、路段上行相位差、路段下行相位差、上行協(xié)調(diào)相位啟動時間、下行協(xié)調(diào)相位啟動時間以及各路口處的各相位綠燈時間。對上述參數(shù)有如下幾點說明:

(1)公共周期:選取干線上各路口采用相等的周期長度;

(2)相位差:指沿車輛行駛方向任意相鄰路口的協(xié)調(diào)相位起始時刻的最小時間差，包括上行相位差和下行相位差，即對應(yīng)在車輛上行行駛方向和下行行駛方向的相位差，容易得出，同一路口的上行相位差與下行相位差不相等;

(3)協(xié)調(diào)相位啟動時間:各路口協(xié)調(diào)相位的起始時刻，包括上行和下行。

一條綠波帶的確定關(guān)鍵在于計算相位差以及協(xié)調(diào)相位啟動時間。

3.2.1 相位差

各路段上行相位差和下行相位差根據(jù)路段長度與路段上下行車流平均速度確定，滿足:

在本系統(tǒng)中，計算相位差所需的路段距離由用戶在地圖上點擊測量得到，車輛行駛速度由系統(tǒng)中的車輛行為模塊提供。同時，系統(tǒng)根據(jù)式(4)完成相位差的計算操作，由用戶填入系統(tǒng)對應(yīng)的接口中。

3.2.2 協(xié)調(diào)相位啟動時間

上、下行協(xié)調(diào)相位啟動時間按照車流不停車地通過各路口原則，根據(jù)各路段上下行相位差確定。

上行協(xié)調(diào)相位啟動時間滿足:

在本系統(tǒng)中，第n個路口的下行協(xié)調(diào)相位啟動時間由用戶提供，用戶完成所選交通干線中各路口的相位差輸入后，各路口的協(xié)調(diào)相位啟動時間由系統(tǒng)根據(jù)式(5)～(8)計算完成。

4 參數(shù)評估模塊設(shè)計

通常情況下，用戶對配時方案的研究最終會以對方案進行評估的形式完成。而對方案的評估以諸多交通參數(shù)為參考標(biāo)準(zhǔn)，因此，在仿真系統(tǒng)中加入了評估參數(shù)模塊。

由于對交通流狀態(tài)的評估逐漸發(fā)展為一門學(xué)科，有很多復(fù)雜的不同研究，為了簡化本原型系統(tǒng)，只采用幾個主要的參數(shù)——交通流量、速度、車道占有率［5］。以下對交通流量與車道占有率作簡要說明。

交通流量是指在單位時間內(nèi)道路上行駛的車輛數(shù)量，它反映出車道的密集程度。當(dāng)有車輛進入仿真區(qū)域時，開始檢測跟蹤車輛，當(dāng)車輛剛要出仿真區(qū)域時，車輛數(shù)量增加相應(yīng)的值，這個得到的車輛數(shù)量增加值就是系統(tǒng)所要檢測的交通流量［6］。

常用車道占有率包括空間占有率和時間占有率兩種。在實際觀測中，一般將一定路段上的車輛總長度與路段長度之比的百分?jǐn)?shù)作為空間占有率，可以反映某路段上車隊的長度。而時間占有率是指在道路的任一斷面上，車輛通過時間的累計值與觀測時間的比值［6］。本系統(tǒng)采用的是時間占有率。

本模塊將對仿真過程模塊產(chǎn)生的車流量、車輛通行時間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行讀取并處理，得出相關(guān)的交通流評估參數(shù)值，反饋給用戶供參考。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)設(shè)計為多窗體應(yīng)用程序，采用Visual Studio 2010的WinForm程序框架實現(xiàn)，使用C#語言完成。程序?qū)崿F(xiàn)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。對此架構(gòu)圖的簡單解釋如下。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)實現(xiàn)框架基本分為3層:MapX地圖層、讀入配時方案層、仿真過程顯示層。分別對應(yīng)系統(tǒng)的GIS模塊、用戶接口模塊與仿真過程模塊。系統(tǒng)評估參數(shù)模塊的程序?qū)崿F(xiàn)主要為一些對交通參數(shù)的計算過程以及對數(shù)據(jù)庫SQL Server簡單的讀寫操作，因此沒有在框架中單獨分層。

(1)MapX地圖層使用MapInfo公司提供的Map-Info軟件搭建完成，其功能利用MapX插件使用C#語言對其進行二次開發(fā)實現(xiàn)。MapInfo制作地圖采用層次結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，對地圖的繪制和管理同樣也是分層進行。在對地理圖層數(shù)據(jù)整理設(shè)計后，完成所需的GIS圖。另外，為了完成多路口模式下的各項功能，在GIS中利用圖層的Feature對象實現(xiàn)了區(qū)域選擇以及區(qū)域中的單個對象點擊事件。通過對MapX的深入開發(fā)，逐漸完成系統(tǒng)仿真所需GIS環(huán)境的各項功能，為用戶提供一個直觀明朗的仿真空間。

(2)讀入配時方案層主要完成各用戶接口的設(shè)計。對單路口和多路口2種模式采用2個不同的側(cè)重點進行設(shè)計:單路口模式下，根據(jù)相位類型的選擇有不同的form界面來接收用戶數(shù)據(jù)，將各種相位情況進行封裝，在之后的整個實現(xiàn)過程中多次進行復(fù)用;多路口模式下則著重為系統(tǒng)接收綠波帶生成所需的各參數(shù)考慮。

(3)仿真過程顯示層主要使用了以下2個類:

①myTimer類，是一個在系統(tǒng)Timer類基礎(chǔ)上擴展過的類，它貫穿整個仿真過程始終，控制協(xié)調(diào)仿真步調(diào)。

②Slight類，為信號燈組所建立，其屬性包括各燈色的亮否狀態(tài)、倒計時數(shù)字等特征，其操作包括對燈組中各個信號燈的計時、切換等行為。系統(tǒng)仿真過程的絕大部分都在它的基礎(chǔ)上完成。

同時，使用Invoke語句委托實現(xiàn)跨線程調(diào)用，使得變化的參數(shù)可以在仿真顯示界面實時顯示，并以多種形式呈現(xiàn)，供用戶觀察監(jiān)測是否與預(yù)期一致。

仿真過程的實現(xiàn)大體如下:根據(jù)前端界面接口讀入的數(shù)據(jù)初始化系統(tǒng)，初始化工作完成后，程序在定時器的引導(dǎo)下，按照用戶指定的時間周期開始在指定的時間進行相應(yīng)的函數(shù)動作，實現(xiàn)對信號燈的各項參數(shù)調(diào)整;在讀入多路口群需要生成的綠波帶參數(shù)之后，對其進行計算并仿真，實現(xiàn)綠波帶對車輛的控制。

6 測試實驗結(jié)果及分析

對本系統(tǒng)進行測試，選取十字路口四相位相位不變的情況進行實驗，界面如圖3所示。按照圖3所示的參數(shù)進行仿真，信號燈的倒計時跳轉(zhuǎn)符合預(yù)期。

圖3 四相位設(shè)置界面

綠波帶生成部分選取地圖中4個路口進行仿真實驗，為便于仿真，指定下行協(xié)調(diào)相位初始啟動時間t=100 s，計算結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 綠波帶計算界面

按照圖4所示的綠波帶參數(shù)進行仿真實驗，交叉口群的各信號燈倒計時跳轉(zhuǎn)與預(yù)期相符。在完成所需實驗時間內(nèi)的仿真后，系統(tǒng)會對各個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的公式對各交通參數(shù)進行計算，從而得出相應(yīng)的方案評估報告。

通過實驗測試表明，該系統(tǒng)能夠在一定程度上按照用戶意愿進行較為真實客觀的仿真，尤其是綠波帶的生成與控制，證明了本系統(tǒng)的有效性。

7 結(jié)束語

本文研究并設(shè)計了針對用戶配時方案的多接口交通信號仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了一個基于MapX的仿真控制環(huán)境。它以簡潔易用的方式來接受用戶的配時方案，尤其是對綠波帶的相關(guān)操作，為用戶制定信號配時方案提供了方便的仿真工具。該系統(tǒng)仍存在一些不足，如沒有為用戶留有完全開放的API以便其進行二次開發(fā)、沒有非常直觀地為用戶呈現(xiàn)評價報告等，這是進一步研究需要解決的問題。

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