CN102645930B

CN102645930B - 一种用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统

Info

Publication number: CN102645930B
Application number: CN 201210136970
Authority: CN
Inventors: 孙剑; 柳祖鹏; 李克平; 倪颖
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-05-07
Also published as: CN102645930A

Abstract

本发明涉及一种用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，涉及交通信号控制和交通仿真技术领域，旨在克服实际信号控制系统无法事前评价、交通仿真软件无法实时模拟信号控制系统配时方案的不足。该测试系统由交通信号控制系统、信号转换设备和交通仿真模块三部分组成，通过有线/无线连接实现信号转换设备与信号机之间、交通仿真模块与信号转换设备之间的一对一或一对多数据传输。信号转换设备可以是一个独立运行的接口设备，或者是计算机主板上的输入输出卡，或者是信号机、计算机上已装配的通用接口。数据传输以信号转换设备为桥梁，车辆检测信息由交通仿真模块传输给信号机，信号配时信息由交通信号控制机传输给交通仿真模块。

Description

一种用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统

技术领域

本发明属于交通信号控制和交通仿真技术领域，更具体的说，本发明涉及一种用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，应用于信号控制系统控制效果的科学预评估，同时可作为交通工程专业学生实验教学工具。

背景技术

交通信号控制系统是智能交通管理系统的重要子系统，其主要功能是自动协调和控制整个控制区域内各个路口信号控制机的配时方案，均衡路网内交通流运行，使停车次数、延误时间及环境污染减至最小，充分发挥道路系统的交通效益。交通信号控制系统一般由交叉口信息采集设备、控制中心的上位机、路口的信号机和信号灯四部分组成：交叉口信息采集设备通过线圈、视频、红外、微波雷达等设备采集车辆信息，并将此信息上传给控制中心上位机。上位机根据交叉口各个方向车辆信息计算配时方案，并下达给路口信号机，驱动各个信号灯执行，从而形成闭环的信号控制系统的运转。

传统上，若对交通信号控制系统的效益进行评价，通常采用是在交通现场进行实地运行测试的方法进行，这种方法花费巨大且对现有交通流运行造成干扰。同时由于单一的现场无法产生各种复杂交通环境，因此这种评估方法存在低准确性、低效率、高成本、评估指标不全面的缺点。同时信号控制系统新算法的研制及交通仿真软件模拟精度提升均需要开发一种能实时整合交通仿真和信号控制的闭环系统。

基于以上的背景，本发明提出一种新的交通信号控制系统硬件在环仿真测试系统。该测试系统由交通信号控制系统、信号转换设备和交通仿真模块三部分组成，通过有线/无线连接实现信号转换设备与交通信号控制系统中的信号机之间、交通仿真模块与信号转换设备之间的一对一或一对多数据传输。该系统的开发可满足如下需求：

（1）城市交通控制系统预评价的需要

传统的城市交通控制系统的评价方式往往要投入大量的人力物力进行现场试验，不仅费时费力，且难于对不同场景进行快速科学评估。硬件在环仿真系统则可充分利用交通仿真系统可以随时改变路况信息、车流信息等，模拟各种各样的交通状况，为城市交通控制系统提供了一种灵活、高效、低成本的新评估方法

（2）新的控制算法的性能测试的需要

高校和科研机构从未停止过新的控制算法的研究，传统的性能测试方式需要人工进行现场调查对比测试，效率低、准确性差，更重要的是缺少与现有交通控制系统算法相比较的基准平台。通过硬件在环仿真系统，一方面可以将新研究的算法嵌入到程序中来，另一方面引用已有信号控制方案，在相同的路况和车流条件下进行仿真，生成评价信息，从而比较其优劣。硬件在环仿真系统将对交通控制系统的控制算法测试改进有极大的意义。

（3）提高交通仿真模型精度的需要

传统的交通仿真主要依赖预先设定的交通信号配时方案进行仿真。而与真实的自适应的城市交通控制系统实时计算的配时方案存在较大误差。硬件在环系统仿真软件的信号配时方案来源于信号控制机，即仿真环境中的信号相位配时方案与城市交通控制系统实时产生的方案完全相同，因而可以提高城市交通仿真系统的精度。

（4）学生和学习和实验的需要

以往，学生在学习城市交通控制系统时，需要有良好的信号控制软硬件基础知识，而且缺少简单有效的对信号相位评价的实验方法。硬件在环仿真系统的开发为学生的学习和实验提供了一种新的工具，降低了实验的难度，增加了学生对实验的认知和感知能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，以克服实际信号控制系统无法事前评价、交通仿真软件无法实时模拟信号控制系统配时方案的不足，将实际的交通信号控制系统有机地融合到虚拟的交通仿真系统中，实现交通信号控制的硬件在环仿真测试系统，提供一个可重复运行的闭环仿真测试评价系统。

为实现上述目的，本发明提出一种用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，由交通信号控制系统、信号转换设备和交通仿真模块组成；其中，交通信号控制系统设有信号机、信号灯、检测器和上位机，所述信号机的输出端连接信号灯、输入端连接检测器，且信号机连接上位机，信号机实时收集检测器的信息，驱动信号灯，信号机将信息发送给上位机；所述交通仿真模块中构建虚拟仿真路网，虚拟仿真路网上的每个路口均设有虚拟信号灯和虚拟检测器，每个虚拟信号灯的输入端连接信号转换设备，信号转换设备的输入端分别连接虚拟检测器和信号机的输出端，信号转换设备的输出端连接信号机的输入端，各个路口由虚拟信号灯进行交通控制，路网上的虚拟检测器进行实时车辆检测；交通仿真模块中的车辆检测数据经信号转换设备传输给信号机，信号机的信号配时信息经信号转换设备传输回交通仿真模块；其运行步骤如下：

（1）交通仿真模块中的虚拟检测器实时检测仿真测试系统中的车辆到达信息，得到实时的车辆检测信息并发送给信号转换设备；

（2）信号转换设备对接收到的车辆检测信息进行格式或模式的转换，并将转换后的车辆检测信息发送给交通信号控制系统的信号机；

（3）交通信号控制系统根据接收到的车辆检测信息，按自身控制逻辑或算法输出信号机的信号配时信息；

（4）信号转换设备对接收到的信号配时信息按照仿真软件的要求进行格式或模式的转换，并将转换后的信号配时信息发送回交通仿真模块中；

（5）交通仿真模块根据该信号配时信息实时改变仿真软件中信号灯的灯色，控制仿真中的车辆运行；同时，交通仿真模块实时检测车辆信息，并将此信息发送给信号转换设备，即同时运行步骤（1）；

步骤（5）和步骤（1）同时运行，之后依次运行步骤（2）、步骤（3）、步骤（4），运行步骤（5）的同时返回步骤（1），如此重复循环。

本发明中，一个信号转换设备可以连接一到多台信号机。

本发明中，交通仿真模块连接一个以上信号转换设备；交通仿真模块安装在计算机中。

仿真测试系统中的数据传输：车辆检测信息由交通仿真模块经信号转换设备传输给信号机，信号配时信息由信号机经信号转换设备传输给交通仿真模块。

本发明中，信号转换设备包括信号机通信模块、信号转换模块和计算机通信模块，信号机通过信号转换设备的信号机通信模块与信号转换模块进行双向连接，交通仿真模块通过信号转换设备的计算机通信模块与信号转换模块进行双向连接，信号转换设备负责进行实时的信号转换和传输：一方面从交通仿真模块接收车辆检测信息，转换为信号机能识别的数字信号或模拟信号，并发送给信号机；另一方面从信号机接收信号配时信息，转换为交通仿真模块可以识别的数字信号，并发送给计算机中的交通仿真模块。

本发明中，所述信号转换设备可以是一个独立运行的接口设备，或者是安装于计算机主板上的输入输出卡，或者是信号机、计算机上已经装配了的通用接口，例如RS-232C数据终端设备接口或以太网接口，但不局限于这两种。

本发明中，信号转换设备不仅包括硬件接口设备以及相应的连接线，也包括接口设备相应的参数配置模块、信号转换模块、通信模块等。其中参数配置模块用于处理仿真测试系统运行前的准备工作，信号转换模块和通信模块实现仿真测试系统运行时的实时信号转换和传输。

本发明中，所述交通仿真模块包括仿真软件、数据交换子模块和通信子模块组成。仿真软件依次通过数据交换子模块、通信子模块和信号转换设备进行双向连接，其中，仿真软件是指具有二次开发接口的微观交通仿真软件，如提供了COM接口或外部信号控制模块的VISSIM仿真软件，或者具有二次开发接口的CORSIM、Paramics、AIMSUN等仿真软件，但不局限于以上这几种。

本发明中，数据交换子模块和通信子模块是基于交通仿真软件二次开发形成，其中数据交换子模块实现从仿真软件中提取车辆检测信息给信号转换设备、从信号转换设备接收信号配时信息给仿真软件；通信子模块实现仿真软件与信号转换设备间的通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1. 本发明所述的仿真测试系统中，在不改变仿真环境的前提下，通过连接不同的交通信号控制系统，可以实现对交通信号控制系统进行效益评价和对比；另一方面，对于交通信号控制系统，通过改变仿真环境，如输入不同的交通量，可以实现对该交通信号控制系统进行性能测试、参数优化和适用性分析，尤其可实现对新的控制系统或控制策略进行在线的常规测试或极限测试，为实际应用做充分的论证和准备；

2. 本发明所述的仿真测试系统中的交通仿真模块，可以实现对交通信号控制系统进行高精度的实时仿真，借助仿真软件提供的评价指标，可以进行精确的控制效益评价；

3. 本发明所述的信号转换设备，可以实现仿真软件同时与交通信号控制系统多个路口信号机相连接，模拟干线或区域的协调控制；

4. 本发明所述的信号转换设备，可以通过无线网络接口和无线网络进行连接，实现远程异地的硬件在环仿真测试。

附图说明

图1是实际的交通信号控制系统组成示意图。

图2是本发明所述的硬件在环仿真示意图。

图3是本发明所述的硬件在环仿真测试系统组成示意图。

图4是本发明所述的信号转换设备组成示意图。

图5是本发明所述的交通仿真模块组成示意图。

图6是本发明所述的硬件在环仿真测试系统实施例的连接示意图。

图中标号：11为信号机，12为信号灯，13为检测器，14为上位机，21为交通仿真模块，22为虚拟信号灯，23为虚拟检测器，24为信号转换设备，30为交通信号控制系统，41为计算机通信模块，42为信号机通信模块，43为信号转换模块，51为VISSIM仿真软件，52为数据交换子模块，53为通信子模块，61为计算机，62为工控卡输出端口，63为专用连接线，64为信号机车检信号输入端，65为信号机上的串行通信口，66为计算机上的串行通信口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

实施例1：

实际交通信号控制系统的组成如图1所示。在图1中，信号机11驱动信号灯12对路口进行交通控制，同时信号机11实时收集检测器13的车辆到达信息。交叉口信号控制方式采用单点感应或自适应控制时，信号机11根据自身控制算法计算信号配时信息；在干线或区域的协调控制中，各个路口的信号机将车辆检测信息发送给上位机14，上位机14中安装有信号控制优化算法，上位机14按控制算法输出信号配时信息发送给信号机11。交通信号控制系统中的信号机11将检测器13的车辆到达信息作为输入，将信号灯12的信号控制配时信息作为输出，实现对交通流的闭环控制。

为了实现硬件在环仿真，通过信号转换设备将实际的信号控制系统融入到交通仿真模块中，交通仿真模块给实际的信号机提供虚拟车辆检测信息作为输入，同时接收信号机输出的信号配时信息，并根据信号配时信息在交通仿真软件中实现对交通流的实时交通控制，形成包含实际信号机在内的硬件在环仿真，硬件在环仿真如图2所示。在图2中，交通仿真模块21构建了虚拟仿真路网，各个路口由虚拟信号灯22进行交通控制，路网上的虚拟检测器23进行实时车辆检测；交通仿真模块21通过信号转换设备24与实际的信号机11相连，仿真软件中的车辆检测数据经信号转换设备24传输给信号机11，信号机11的信号配时信息经信号转换设备24传输回交通仿真模块21，并在仿真路网中通过虚拟信号灯22实现对仿真中的交通流进行实时控制。

本发明所述的仿真测试系统由三部分组成，如图3所示。在图3中，交通仿真模块21通过信号转换设备24与交通信号控制系统30的控制机11相连接；仿真测试系统中有两种数据传输过程：车辆检测信息由交通仿真模块21实时检测生成，经信号转换设备24的转换，传输给信号机11；

信号配时信息由交通信号控制系统30或信号机11实时决策生成，经信号转换设备24的转换，传输给交通仿真模块21。

本发明所述的信号转换设备24的软件部分由参数配置模块、信号转换模块、通信模块组成，各模块分别负责如下工作：

参数配置模块用于处理仿真测试系统运行前的准备工作，在本实施例中需要配置串口的端口号、波特率、奇偶校验、数据位、停止位参数，以及工控卡的通道号参数；

信号转换模块和通信模块用于实现仿真测试系统运行时的实时信号转换和传输，其关系如图4所示。在图4中，计算机通信模块41实现信号转换设备24与运行交通仿真模块21的计算机之间进行实时、双向的通信；信号机通信模块42实现信号转换设备24与信号机11之间进行实时、双向的通信。信号转换模块43实现不同类型、格式的数字/模拟信号之间的实时转换。

实际使用中的信号控制系统有多种类型，常用的交通仿真模块也有很多种，本发明所述的信号转换设备可以有多种不同的实现方式。

以上海宝康电子控制工程有限公司的交通信号机（II型）GBS2121作为交通信号控制系统的信号机，以德国PTV公司的VISSIM微观仿真软件作为交通仿真模块中的仿真软件，以串口和工控卡以及相应的程序作为信号转换设备，以Visual Basic为编程环境编写相应的程序和模块，介绍本发明所述的硬件在环仿真测试系统。

宝康GBS2121交通信号机是基于微处理器的信号机，其硬件电路和软件结构都采用了模块化结构。在信号机中配备车辆检测器可使其具备自适应控制功能，或者通过配置相应软硬件模块，就可作为协调控制系统的路口级控制器。信号机中“控制箱”的“车检板”可以接收车辆线圈检测信号，“控制箱”的“输入板”可以接收视频检测或红外检测的数据；信号机的“主控板”是核心控制部件，板上装备了串行通信口和网线接口，可用于远程通讯。

德国PTV公司的VISSIM仿真软件是一种微观、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用以建模和分析各种交通条件下城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和信号控制的有效工具。VISSIM由交通仿真器和信号状态产生器两部分组成，它们之间通过接口交换检测器数据和信号状态信息。VISSIM既可以在线生成可视化的交通运行状况，也可以离线输出各种统计数据，如延误或行程时间、排队长度等。

VISSIM中的“COM接口”是一种二次开发的编程工具，仿真模型中的数据和仿真能够通过“COM接口”得到，可以导出或修改仿真模型中各种对象及其方法和特征属性。在Visual Basic或Visual C++等编程环境中，可以通过VISSIM的“COM接口”实现从路网模型中读取车辆检测信息，实现实时修改仿真模型中的信号配时信息。

本实施例在Visual Basic中编写交通仿真模块的程序，包括数据交换子模块和通信子模块，其关系如图5所示。在图5中，VISSIM仿真软件51与数据交换子模块52进行实时、双向的数据交换，数据交换子模块52一方面从VISSIM仿真软件51中提取车辆检测信息：VISSIM的“COM接口”中调用检测器的AttValue("detection")方法得到对应检测器的检测情况，返回值为1表示当前的1秒时间内检测到车辆，返回值为0表示没有检测到车辆；另一方面，数据交换子模块52将信号配时信息传输给VISSIM仿真软件51：VISSIM的“COM接口”中调用信号灯组的AttValue("state")方法设置相应信号灯组的灯色。数据交换子模块52中的车辆检测信息和信号配时信息通过通信子模块53与信号转换设备的通信模块进行实时、双向的通信。

本实施例中信号转换设备的硬件包括：信号机和计算机上已经装配了的串行通信口、相应的通信协议、计算机中安装的PCI-1730U工控卡、相应的专用连接线。本实施例的实物连接示意如图6所示。图中宝康信号机11和运行交通仿真模块的计算机61通过两条独立的链路实现相连：

（1）车辆检测信息链路：车辆检测信息由计算机中的工控卡输出端口62，通过专用连接线63，与信号机11中的“输入板”车检信号输入端64相连。

“输入板”接收到车辆检测信息，作为信号机11的输入；信号机11按其控制策略进行感应控制或自适应控制，得到输出是信号配时信息。

（2）信号配时信息链路：信号配时信息由信号机11上的串行通信口65，通过串口连接线与计算机61上的串行通信口66相连。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明参照上述的实时范例对本发明已经进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，仍然可对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，由交通信号控制系统、信号转换设备和交通仿真模块组成；交通信号控制系统设有信号机、信号灯、检测器和上位机，所述信号机的输出端连接信号灯、输入端连接检测器，且信号机连接上位机，信号机实时收集检测器的信息，驱动信号灯，信号机将信息发送给上位机；所述交通仿真模块中构建虚拟仿真路网，其特征在于：所述虚拟仿真路网上的每个路口均设有虚拟信号灯和虚拟检测器，每个虚拟信号灯的输入端连接信号转换设备，信号转换设备的输入端分别连接虚拟检测器和信号机的输出端，信号转换设备的输出端连接信号机的输入端，各个路口由虚拟信号灯进行交通控制，路网上的虚拟检测器进行实时车辆检测；交通仿真模块中的车辆检测数据经信号转换设备传输给信号机，信号机的信号配时信息经信号转换设备传输回交通仿真模块；其运行步骤如下：

（1）交通仿真模块中的虚拟检测器实时检测仿真测试系统中的车辆到达，得到实时的车辆检测信息并发送给信号转换设备；

2.根据权利要求1所述的用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，其特征在于一个信号转换设备连接一到多台信号机。

3.根据权利要求1所述的用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，其特征在于交通仿真模块连接一个以上信号转换设备；交通仿真模块安装在计算机中。

4.根据权利要求1所述的用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，其特征在于信号转换设备包括信号机通信模块、信号转换模块和计算机通信模块，信号机通过信号转换设备的信号机通信模块与信号转换模块进行双向连接，交通仿真模块通过信号转换设备的计算机通信模块与信号转换模块进行双向连接，信号转换设备负责进行实时的信号转换和传输：一方面从交通仿真模块接收车辆检测信息，转换为信号机能识别的数字信号或模拟信号，并发送给信号机；另一方面从信号机接收信号配时信息，转换为交通仿真模块可以识别的数字信号，并发送给计算机中的交通仿真模块。

5.根据权利要求1所述的用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，其特征在于所述信号转换设备是一个独立运行的接口设备，或者是安装于计算机主板上的输入输出卡，或者是信号机、计算机上已经装配了的通用接口。

6.根据权利要求1所述的用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，其特征在于所述交通仿真模块包括仿真软件、数据交换子模块和通信子模块，仿真软件依次通过数据交换子模块、通信子模块和信号转换设备进行双向连接，仿真软件是指具有二次开发接口的微观交通仿真软件。

7.根据权利要求6所述的用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，其特征在于所述仿真软件为提供了COM接口或外部信号控制模块的VISSIM仿真软件，或者具有二次开发接口的CORSIM、Paramics或AIMSUN仿真软件。

8.根据权利要求1所述的用于交通信号控制系统的硬件在环仿真测试系统，其特征在于数据交换子模块和通信子模块是基于交通仿真软件二次开发形成，其中数据交换子模块实现从仿真软件中提取车辆检测信息给信号转换设备、从信号转换设备接收信号配时信息给仿真软件；通信子模块实现仿真软件与信号转换设备间的通信。