CN103970936B - 基于Modelica语言的交通信息物理系统的仿真方法 - Google Patents

Abstract

基于Modelica语言的交通信息物理系统（T‑CPS）的仿真方法，属于T‑CPS与计算机仿真技术领域。该方法针对T‑CPS的建模与系统验证，将物理和信息过程模型化并借助于Modelica语言构建仿真系统平台。该系统平台丰富的组件机制便于构建大规模复杂系统模型；多种接口机制，可以灵活地定义信息部分与物理部分之间的接口及接口属性；Modelica具备的描述离散混合系统的能力，可以处理系统仿真过程中的并发和同步问题。为未来的软硬件验证和系统评价提供技术支撑。

Description

基于Modelica语言的交通信息物理系统的仿真方法

技术领域

本发明属于交通信息物理系统(也称为交通控制物联网)与计算机仿真技术领域，具体涉及用Modelica语言对交通领域信息物理系统进行建模并对其仿真验证的方法。

背景技术

交通信息化与智能化已成为国际上交通系统现代化的主要发展方向，是当代科学技术的前沿领域。交通系统本质上是非线性、强耦合、泛时空复杂系统，近年来信息物理系统（CyberPhysicalSystems，CPS，也称为控制物联网）理论与技术的出现，为传统交通系统中感知、计算、通信和控制等过程之间由于缺乏互联互通互操作而导致的系统不能实现充分的协调与优化的问题提供了新的解决途径。目前关于CPS的理论研究还处于探索阶段，而对于交通领域的CPS更是近几年才得到关注，很多学者对其研究也仅仅是在结合自己的研究工作的基础上提出了一些概念层面的设想，基于CPS概念并结合交通系统的特点提出了交通信息物理系统的基本架构，包含感知、通信、计算、控制和服务五个层次。但是，这些研究也只是停留在诠释相应模块的功能及涉及到的若干关键技术上，虽然为下一代智能交通系统的发展提供了理论层面的支撑，但是却没有在计算机仿真实现方面对交通信息物理系统进行深入的研究，而面向CPS的系统建模与仿真却是研究CPS的基础技术之一。目前相关研究集中于系统建模与系统验证等方面，其中，如何将一个物理过程借助于数学框架抽象为能够用于计算机仿真的数学模型是研究CPS所必须面临的挑战。基于方程的建模语言Modelica由于其所固有的特性使得在构建CPS系统模型方面具有极大的潜力与优势，比如：1）Modelica接口和组件机制便于构建大规模复杂系统模型；2）基于Modelica中丰富的接口机制，能够灵活方便的定义信息部分与物理部分之间的接口及接口属性；3）Modelica同步数据流原则和单赋值原则是其具备描述离散混合系统的能力，并在仿真过程中处理系统中的并发和同步问题。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于Modelica语言的交通信息物理系统的仿真方法，该方法针对面向CPS的系统建模与仿真，且相关研究集中于系统建模与系统验证方面，将一个物理过程借助于数学框架抽象为能够用于计算机仿真的数学模型研究。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于Modelica语言的交通信息物理系统的仿真方法，该方法的实现过程如下，

1、系统模型整体架构

对交通信息物理系统功能进行分析，将系统划分为6个功能层。提出系统的基本架构如图1所示，从中可清晰的看出交通信息物理系统的物理部分和信息部分的分离与融合。

（1）对象层

对象层包括车辆和人在内的交通对象、交通工具、交通基础设施物理单元，其中有些直接参与交通系统而影响系统状态，有些由于影响交通状态而包含在系统中。

（2）检测层

系统检测部分是系统通信、计算、控制和服务的基础，包括大量的检测设备，如红外、微波、超声波检测器、RFID、视频和线圈采集设备。这些传感器负责检测用户感兴趣的物理世界的状态，例如：对交通载运工具、交通参与者及交通基础设施等交通要素在内的信息检测。检测的原始数据经节点汇集融合处理之后传输到信息控制中心，而随着嵌入式技术的发展，部分原始数据经过初步处理后传输至所需要的单元。

（3）计算层

系统数据处理部分，根据系统需要对数据做相应的处理。嵌入式技术和计算机技术的发展，使得数据处理的速度和量度有了较大的进步。交通信息物理系统包含海量数据，并随着大数据时代的来临，传统的数据处理技术已不能满足未来的需要，因此，越来越多的先进技术和理论都将应用于交通信息物理系统，使其获得了更加强劲的发展。这里数据处理也将做为一个单独的模块进行分析、建模。

（4）控制层

从获取的有效信息进行相应决策，从而实现对目标的控制作用。目前交通领域内的控制方式相对简单且固定、控制灵活性差，有时会出现难以实现系统范围内的最优控制而不得不牺牲系统的整体运行效率。在交通控制信息物理系统中应当设计科学适宜的控制算法，使交通信息物理达到我们预先设定的控制目标。

（5）执行层

执行控制决策，以达到控制被控对象的目的。在交通信息物理系统中，交通参与者接触最多的就是各执行单元，其中包括交通信号灯、可变信息板以及电台广播。执行单元通过一定方式作用于交通参与者，改变其交通行为，从而实现相应的控制目标。

（6）通信层

通行层由若干通信基站和网络单元组成，分布于整个系统工作流程中，负责各层之间的信息传输。在实际中通信层要同时保证车-车、车-路侧单元和路侧单元-服务器之间的可靠通信，如：有线宽带、专用短程通信技术（DSRC）、3G/4G、WiFi通信方式。鉴于交通信息物理系统需要实时获取并处理大量的外界信息，因此，信息传递过程的可靠性与有效性是系统能够正常运行的保障。

2、模型库开发及使用

为了实现系统仿真模型的快速建立，利用Modelica语言开发了应用于交通领域的信息物理系统的模块库，如图2所示是在分析系统功能之后将各个物理实体抽象并做简单化处理之后所设计的模型库架构。整个模型库充分提取对象的通用模型，开发常用的功能模块，在保证模型完备性的同时赋予模型规范的接口，最后将各个子库有序的整合起来形成合理的整体，以便于模型库的管理、使用和扩充。由于数据处理的结果主要应用于给出控制决策，因此将控制和计算合并在一起，开发了5类组件模块，分别为：对象模块、检测模块、控制模块、执行模块、通信模块，分别对应模型库中不同的子库。

对于整个系统而言，如何把系统中的各个部件转化为能够用计算机语言描述的模型是实现整个模型库搭建的关键。道路交通流模型库主要是对实际的路网进行分割，把实际的路段根据已有的宏观交通流模型（如：元胞传输模型）分解为基本的交通流传递单元。路段连接模型库是描述模型中各个元胞相连接时的车流传输关系，主要包括：多路段融合与分离、交叉口处各方向出入口传输关系。控制器模型库是对系统中控制器计算、控制的建模。检测装置模型库是对各种检测装置的模拟封装。执行装置库是对执行设备，如：信号灯、VMS、电台广播信息的模拟，这里首先考虑可以起到强制性措施的信号灯的建模。支撑工具库主要是OpenModelica工具软件自身所带有的模型库，这里所用到的主要是输入输出模块。实例库存放的是基于已设计好的模块搭建的实际路网模型。图3是模型库各个功能模块的展开图。

2.1道路交通流模型库

基于元胞传输模型及其改进模型，开发相应元胞的组件模块。如图4所示。（1）源元胞

源元胞表示车流的起点，路网的边界，给路网提供交通需求。在实际中它往往代表的是小区、停车场，由历史数据可知从源元胞向路网发送的车辆数目大致等于一个定值，且每天大致符合一定的规律。本发明根据历史数据拟合发车曲线，并将其离散化处理，核心代码如下：

equation

S＝floor(m*LaneNum*T)"单个时间间隔发送的最大车辆数目";

y＝floor(abs(5*sin(0.2*time)))"floor(x)结果是取不大于x的最大整数";

if sample(0,T)then

if y＜S then

s＝y;

else

s＝S;

end if;

else

s＝0;

end if;

s＝-port_a1.v;

q＝port_a1.p;

（2）中间元胞

中间元胞路网的基本单元，车流按规定的方向行驶或停留。既能接收上游元胞传输的车辆，也可以向下游元胞传输车辆，且遵循一定的元胞传输模型传输机制。核心代码如下：

（3）阱元胞

阱元胞表示车流的终点，路网的边界，在实际中相当于停车场所；其中，所有的阱元胞都是理想元胞，即可以容纳的车辆是无限大的，所有进来的车辆在阱元胞作累计。

2.2路段连接模型库

路段连接是系统物理部分，按照元胞传输模型车流传输机制设计开发了线性连接、汇合连接、分离连接和十字交叉口模块四类连接模块。如图5所示

（1）线性连接

相连的两条路段有车辆传输时，上游元胞发送的车辆要同时兼顾下游元胞的承受能力，二者取小得到的是实际传输的车辆。当路段连接处有红绿灯时添加参数e即可，0表示无车流传输，1表示有车流传输。

Real q"路段之间实际传输的车辆";

Real s"T时间间隔内，能发送达车辆";

Real r"T时间间隔内，能够接受的车辆";

Modelica.Blocks.Interfaces.IntegerInput e

TCPSSimLib1.Interface.port_b port_b1;//输入

TCPSSimLib1.Interface.port_a port_a1;//输出

equation

s＝port_b1.v;//接受上游元胞的s值

r＝port_a1.v;//接受下游元胞的r值

q＝min(port_a1.v,port_b1.v);//取小值得到实际传输的车辆数目

port_a1.p＝e*q;

port_b1.p＝e*q;

（2）汇合连接

采用固定分配比例的最优融合模型，开发两路段汇合成一个路段的模块：

Real si,sj,rk"各路段能够发送和接收的车辆";

Real qi,qj,qk"各路段实际发送和接收的车辆";

TCPSSimLib1.Interface.port_b port_b1

TCPSSimLib1.Interface.port_b port_b2

TCPSSimLib1.Interface.port_a port_a1

protected Real a2＝1-a1;

equation//将数据传递过来

si＝port_b1.v;

sj＝port_b2.v;

rk＝port_a1.v;//运行规则

（3）分离连接

采用带分离因子的先入先出模型，开发一个路段分离成两条路段的模块：

（4）交叉口模块

不同方向的车流汇合分离，车辆经入口车道进入交叉口时根据实际情况可对整个车流设置分流比例，入口车流与出口车辆状态比较得到实际传输的车辆。当下游元胞不能全部在一个时间周期内不能接收全部的车辆时，按照一定得约束比例允许各入口特定的车辆进入下游元胞。核心代码为：

parameter Real sa＝0.3"南进右转比例";

parameter Real sb＝0.6"南进直行比例";

Real sc＝1-sa-sb"南进左转比例";

//北入口方向

nsa＝u[3,1]*na*ns;

nsb＝u[3,2]*nb*ns;

nsc＝u[3,3]*nc*ns;

//南出口方向

if qss＜sr then

qs＝qss;

else

qs＝sr;

end if;

2.3控制器模型库

接收路段上的车流状态，做出控制决策，如图6所示。介绍定周期控制模块的实现方法与使用，对于此模块使用时可以预先设定周期C、相位数目n及每个相位所占的绿信比、相位状态，如下是一个应用于十字交叉口的信号灯控制：

parameter Modelica.SIunits.Time C(final min＝Modelica.Constants.small,start＝20)

"周期长度，单位s";

parameter Real onewidth(final min＝Modelica.Constants.small,final max＝100)＝35

"第一相位所占的周期百分比";

parameter Real secwidth(final min＝Modelica.Constants.small,final max＝100)＝15

"第二相位所占的周期百分比";

parameter Real thiwidth(final min＝Modelica.Constants.small,final max＝100)＝35

"第三相位所占的周期百分比,其余为第四相位的比例";

e是一个四行三列的矩阵，行数代表有四个入口车道，列数代表有三个转向，具体含义如下：

从左至右三列分别为各个方向入口右转、直行、左转车辆控制权值。当矩阵元素为1时表示此方向为绿灯，允许车辆通过；为0表示红灯。以下是一个四相位的红绿灯组合。

parameter Integer e1[4,3]＝[1,0,0;1,1,0;1,0,0;1,1,0];

parameter Integer e2[4,3]＝[1,0,0;1,0,1;1,0,0;1,0,1];

parameter Integer e3[4,3]＝[1,1,0;1,0,0;1,1,0;1,0,0];

parameter Integer e4[4,3]＝[1,0,1;1,0,0;1,0,1;1,0,0];

Modelica.Blocks.Interfaces.IntegerOutput y[4,3];

控制器的输出y是和e同阶的矩阵，在特定的相位y分别等于e1、e2、e3、e4，控制算法为：

由此可实现对一个定周期信号灯控制器的模拟抽象。本发明设计了用于匝道的信号灯控制器和交叉口的排空切换算法控制器，实现方式和上面类似不再赘述。

2.4检测装置模型库

对实际检测器做一步简化，把需要的车辆信息在路段建模的时候把这些参数提取出来，传输给控制器以便进行控制决策。将检测器作为一个类，对于某路段（Road）上的成员a的访问可以写成Road.a。如图7为检测器的模块实现。

2.5执行装置库

对信号灯进行抽象建模，如图8所示。每个信号灯控制一个方向的车辆通行，输入端为控制决策的执行结果，输出端为{0，1}阶跃信号，当相应相位在绿灯时间内，两路段间有车辆的传输，其信号为{1}；当在红灯时间内，没有车辆传输时，其信号为{0}。参数部分为：

Modelica.Blocks.Interfaces.IntegerInput u[1,3];

Modelica.Blocks.Interfaces.IntegerOutput y[1,3];

算法部分为：

equation

y＝u;

据此可看出执行模块输入等于输出，只起到一个执行控制决策的作用，控制一个入口车道的左转、直行、右转车流。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、Modelica接口和组件机制便于构建大规模复杂系统模型；

2、基于Modelica中丰富的接口机制，能够灵活方便的定义信息部分与物理部分之间的接口及接口属性；

3、Modelica同步数据流原则和单赋值原则是其具备描述离散混合系统的能力，并在仿真过程中处理系统中的并发和同步问题。

附图说明

图1交通信息物理系统的物理部分和信息部分

图2交通信息物理系统模型库架构

图3模型库展开图

图4道路交通流模型库，图中（a）模型库展开图；（b）源元胞；（c）中间元胞；（d）阱元胞

图5路段连接模型库，图中（a）模型库展开图；（b）线性连接；（c）汇合连接；（d）分离连接；（e）交叉口

图6控制器模型库，图中（a）模型库展开图；（b）定周期控制器；（c）匝道控制；（d）排空切换控制器

图7控检测装置模型库，图中（a）模型库展开图；（b）检测器

图8执行装置库

图9试验区域

图10试验区域的模型

图11交叉口仿真结果（a）南入口路段车辆数变化；（b）西入口路段车辆数变化；（c）北入口路段车辆数变化；（d）东入口路段车辆数变化。

具体实施方式

本发明选取选取863课题《大城市区域协同联动控制关键技术》验证区域内的一小部分作为试验区，如图9所示，首先根据实际的路网，根据本发明设计的组件库对其建模仿真。

（1）对路网系统分析:4个十字交叉口，8个入口车道对应8个源元胞，8个出口车道对应8个阱元胞，共24个中间元胞，16个红绿灯，4个信号灯控制器，设置8个车辆检测器。

（2）按照第一步的系统分析对应于模型库中组件，新建模型（model），在组件视图上提取相关组件到模型中，设置初始参数，连线。模型如图10所示。

（3）设置仿真终止时间为300s，输出文件格式为mat，其余默认，点击Simulate，仿真结束在需要的变量前画勾，既可以看出该变量随时间变化的关系。仿真结果如图11所示为右下角定周期控制的交叉口4个入口车道的车辆变化情况。

Claims (1)

1.基于Modelica语言的交通信息物理系统的仿真方法，其特征在于：该方法的实现过程如下

1)系统模型整体架构

对交通信息物理系统功能进行分析，将系统划分为6个功能层；

(1)对象层

对象层包括车辆和人在内的交通对象、交通工具、交通基础设施物理单元；

(2)检测层

系统检测部分是系统通信、计算、控制和服务的基础，包括红外、微波、超声波检测器、RFID、视频和线圈采集设备；这些传感器负责检测交通载运工具、交通参与者及交通基础设施这些交通要素在内的用户感兴趣的物理世界的状态；检测的原始数据经节点汇集融合处理之后传输到信息控制中心，部分原始数据经过初步处理后传输至所需要的单元；

(3)计算层

系统数据处理部分，根据系统需要对数据做相应的处理；计算曾采用嵌入式技术和计算机技术，同时将数据处理做为一个单独的模块进行分析、建模；

(4)控制层

从获取的有效信息进行相应决策；

(5)执行层

执行控制决策，以达到控制被控对象的目的；在交通信息物理系统中，交通参与者接触最多的就是各执行单元，其中包括交通信号灯、可变信息板以及电台广播；执行单元通过一定方式作用于交通参与者，改变其交通行为；

(6)通信层

通信层由若干通信基站和网络单元组成，分布于整个系统工作流程中，负责各层之间的信息传输；在实际中通信层要同时保证车-车、车-路侧单元和路侧单元-服务器之间的可靠通信，通信方式包括有线宽带、专用短程通信技术、3G/4G和WiFi；鉴于交通信息物理系统需要实时获取并处理大量的外界信息；

2)模型库开发及使用

利用Modelica语言开发了应用于交通领域的信息物理系统的模块库；整个模型库充分提取对象的通用模型，开发常用的功能模块，在保证模型完备性的同时赋予模型规范的接口，最后将各个子库有序的整合起来形成合理的整体，以便于模型库的管理、使用和扩充；由于数据处理的结果应用于给出控制决策，因此将控制和计算合并在一起，开发了5类组件模块，分别为：对象模块、检测模块、控制模块、执行模块、通信模块，分别对应模型库中道路交通流模型库、检测装置模型库、控制器模型库、执行装置库、路段连接模型库；

道路交通流模型库是对实际的路网进行分割，把实际的路段根据已有的宏观交通流模型分解为基本的交通流传递单元；路段连接模型库是描述模型中各个元胞相连接时的车流传输关系，包括多路段融合与分离、交叉口处各方向出入口传输关系；控制器模型库是对系统中控制器计算、控制的建模；检测装置模型库是对各种检测装置的模拟封装；执行装置库是对执行设备信号灯、VMS、电台广播信息的模拟，这里首先考虑起到强制性措施的信号灯的建模；支撑工具库是OpenModelica工具软件自身所带有的模型库，这里所用到的是输入输出模块；实例库存放的是基于已设计好的模块搭建的实际路网模型；

2.1)道路交通流模型库

基于元胞传输模型及其改进模型，开发相应元胞的组件模块；

(1)源元胞

源元胞表示车流的起点，路网的边界，给路网提供交通需求；在实际中它往往代表的是小区、停车场，由历史数据可知从源元胞向路网发送的车辆数目等于一个定值，且每天符合一定的规律；根据历史数据拟合发车曲线，并将其离散化处理；

(2)中间元胞

中间元胞路网的基本单元，车流按规定的方向行驶或停留；既能接收上游元胞传输的车辆，也能向下游元胞传输车辆，且遵循一定的元胞传输模型传输机制；

(3)阱元胞

阱元胞表示车流的终点，路网的边界，在实际中相当于停车场所；其中，所有的阱元胞都是理想元胞，即可以容纳的车辆是无限大的，所有进来的车辆在阱元胞作累计；

2.2)路段连接模型库

路段连接是系统物理部分，按照元胞传输模型车流传输机制设计开发了线性连接、汇合连接、分离连接和十字交叉口模块四类连接模块；

(1)线性连接

相连的两条路段有车辆传输时，上游元胞发送的车辆要同时兼顾下游元胞的承受能力，二者取小得到的是实际传输的车辆；当路段连接处有红绿灯时添加参数e即可，0表示无车流传输，1表示有车流传输；

(2)汇合连接

采用固定分配比例的最优融合模型，开发两路段汇合成一个路段的模块：

(3)分离连接

采用带分离因子的先入先出模型，开发一个路段分离成两条路段的模块：

(4)交叉口模块

不同方向的车流汇合分离，车辆经入口车道进入交叉口时根据实际情况可对整个车流设置分流比例，入口车流与出口车辆状态比较得到实际传输的车辆；当下游元胞不能全部在一个时间周期内接收全部的车辆时，按照一定的约束比例允许各入口特定的车辆进入下游元胞；

2.3)控制器模型库

接收路段上的车流状态，做出控制决策；介绍定周期控制模块的实现方法与使用，对于此模块使用时预先设定周期C、相位数目n及每个相位所占的绿信比、相位状态，如下是一个应用于十字交叉口的信号灯控制：

e是一个四行三列的矩阵，行数代表有四个入口车道，列数代表有三个转向，具体含义如下：

$e\[4,3\]=\left[\begin{array}{ccc}esa,& esb,& esc;\\ ewa,& ewb,& ewc;\\ ena,& enb,& enc;\\ eea,& eeb,& eec\end{array}\right]$

从左至右三列分别为各个方向入口右转、直行、左转车辆控制权值；当矩阵元素为1时表示此方向为绿灯，允许车辆通过；为0表示红灯；

控制器的输出y是和e同阶的矩阵，在特定的相位y分别等于e1、e2、e3、e4，e1[4,3]＝[1,0,0；1,1,0；1,0,0；1,1,0]，e2[4,3]＝[1,0,0；1,0,1；1,0,0；1,0,1]，e3[4,3]＝[1,1,0；1,0,0；1,1,0；1,0,0]，e4[4,3]＝[1,0,1；1,0,0；1,0,1；1,0,0]；

由此可实现对一个定周期信号灯控制器的模拟抽象；设计了用于匝道的信号灯控制器和交叉口的排空切换算法控制器；

2.4)检测装置模型库

对实际检测器做一步简化，把需要的车辆信息在路段建模的时候提取出来，传输给控制器以便进行控制决策；将检测器作为一个类，对于路段上的成员a的访问写成Road.a；

2.5)执行装置库

对信号灯进行抽象建模；每个信号灯控制一个方向的车辆通行，输入端为控制决策的执行结果，输出端为{0，1}阶跃信号，当相应相位在绿灯时间内，两路段间有车辆的传输，其信号为{1}；当在红灯时间内，没有车辆传输时，其信号为{0}；

据此，执行模块输入等于输出，只起到一个执行控制决策的作用，控制一个入口车道的左转、直行、右转车流。