CN105224384A - 一种交通控制算法实时仿真评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交通控制算法实时仿真评价系统，包括交通仿真模块、控制平台、信号机；所述系统以控制平台为控制器，以信号机为执行器，以交通仿真模块为被控对象，构成回路控制。本发明将交通仿真软件融合到交通信号控制系统，形成一套实体信号机和虚拟仿真软件结合的实时仿真评价系统，克服以往利用微观仿真软件评价控制算法而脱离实际的不足，为控制算法和配时方案提供了一种新的评价方法。

Description

一种交通控制算法实时仿真评价系统

技术领域

本发明属于交通信号控制技术领域，具体地说是涉及一种交通控制算法实时仿真评价系统。

背景技术

交通信号控制系统作为智能交通系统的重要组成部分，先进的交通控制策略对于缓解交叉口拥堵、提高道路通行能力、缩短车辆延误具有重要的意义。

目前，交通控制策略的评价方法有以下不足：(1)实地进行：实地测试交控制策略，这种方法成本很大且对现有的交通流运行造成干扰；无法产生复杂交通环境，使交通控制算法的研究受到了很大的限制；(2)离线方法：使用仿真软件(如TRANSYT)评价控制方案，与现实的交通流情况脱节，其评价效果与实际效果不一致。

发明内容

为了克服以往只利用微观仿真软件评价控制算法而脱离实际的缺点，本发明提供了一种交通控制算法实时仿真评价系统，为控制算法和配时方案提供了一种新的评价方法。

一种交通控制算法实时仿真评价系统，所述系统包括交通仿真模块、控制平台、信号机；

所述交通仿真模块包括交通仿真软件、第一通信模块、数据处理模块；

所述控制平台包括数据库模块、第二通信模块、算法实现模块；数据库模块储存历史交通流数据、实时交通流数据、历史交通控制方案；第二通信模块实现控制平台与交通仿真软件、信号机的双向通讯；算法实现模块集成交通控制算法，计算最优交通控制方案；

所述信号机包括驱动模块、第三通信模块、主控模块、人机接口；

所述系统以控制平台为控制器，以信号机为执行器，以交通仿真模块为被控对象，构成回路控制；交通仿真模块内的交通仿真软件构建虚拟交通路网，路网上每个路口设有虚拟检测器和虚拟信号灯，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实时检测路口车辆通行状况，将虚拟的交通流数据通过交通仿真模块的第一通信模块传输给控制平台的数据库模块，更新数据库模块；控制平台的算法实现模块根据数据库模块的交通流数据生成交通控制方案，通过第二通信模块将控制方案下发至信号机；信号机的实时相位数据通过控制平台回传至交通仿真模块；

其具体运行步骤如下：

(1)t时刻，交通仿真模块采集当前虚拟路网的交通仿真数据k_t，对采集到的交通仿真数据进行格式或模式的转换，得到交通流数据v_t；然后对交通流数据进行过滤筛选后上传至控制平台的数据库模块；

(2)控制平台的算法实现模块对储存在数据库模块的交通流数据v_t进行筛选、预处理，生成t+1时刻的交通控制方案g_t+1，并将交通控制方案下发至信号机；

(3)信号机在下一时刻即t+1时刻执行该交通控制方案g_t+1，同时将实时相位数据上传至控制平台；控制平台对接收到的实时相位数据按交通仿真模块的要求进行格式或模式的转换，并将转换后的实时相位数据传送到交通仿真模块；

(4)交通仿真模块根据接收到的实时相位数据更新路网内的虚拟信号灯的灯态，控制仿真路网内的车辆运行；

步骤(1)到步骤(4)依次执行，重复循环。

作为优选，一个控制平台可以连接多台信号机和多个交通仿真模块。

作为优选，所述控制平台作为控制中心和通信桥梁，负责实时的数据传输和交互，一方面接收、储存交通仿真模块的交通流数据，通过算法实现模块得到下一时刻的交通控制方案，并将方案下发至信号机；另一方面从信号机获取实时相位数据，将其按交通仿真模块的要求进行格式或模式的转换后发送给交通仿真模块的通信模块。

作为优选，控制平台运行交通控制算法，产生控制信号；控制平台的算法实现模块集成交通控制算法，交通控制算法包括感应控制、自适应控制、绿波控制、区域协调控制、诱导控制。

作为优选，所述交通仿真模块内的交通仿真软件为提供二次开发接口的虚拟交通仿真软件；所述交通仿真模块内的通信模块和数据处理模块是通过交通仿真软件二次开发而来的，其中通信模块实现交通仿真模块与控制平台的数据交互，数据处理模块实现提取交通流数据、根据实时相位数据切换虚拟信号灯状态。

作为优选，所述交通仿真模块不做任何信号逻辑控制，所有的信号逻辑控制来自于信号机；交通仿真模块只是模拟车辆在虚拟仿真路网的运行情况。

作为优选，所述交通控制算法为自适应控制算法，其运算流程如下：

首先，通过虚拟路网内的线圈或视频检测器，检测得到各个相位绿灯时间内的时间占有率r，计算方法见公式(1)，得到当前配时方案与时间占有率向量TOR₀，见公式(2)、(3)、(4)；

$r=\frac{1}{t_g}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{t}_j---\left(1\right)$

式中，t_g为绿灯时间，t_j为第j辆车通过观测断面的时间，m为一个绿灯时间内通过的车辆数目；

TOR₀＝{TG₀,R₀}(2)

TG₀＝{t_g01,t_g02,t_g03,t_g04}(3)

R₀＝{r₀₁,r₀₂,r₀₃,r₀₄}(4)

式中，TG₀为当前信号周期内各相位的绿灯时间，R₀为当前信号周期内各相位的时间占有率；

其次，通过罗列所有小幅变化的配时方案TG_j，根据如下公式计算得到每种方案的时间占有率R_j，从而得到新配时方案与时间占有率向量TOR_j；

TG_j＝{t_gj1,t_gj2,t_gj3,t_gj4,}(j＝1,2,…n)(5)

$r_{ji}=\frac{r_{0i}\×t_{g0i}}{t_{gji}}---\left(6\right)$

式中，j为第j各罗列配时方案，i为第i各相位。

R_j＝{r_j1,r_j2,r_j3,r_j4}(7)

TOR_j＝{TG_j,R_j}(8)

最后，通过计算所有候选配时方案中R_j的方差和最大值，根据方差最小和最大值最小的准则来选取最优的控制方案。

作为优选，所述交通仿真软件为VISSIM仿真软件，其DLL模块设计具体包括以下步骤：

(1)VISSIM调用SC_DLL_Init()，在该函数中编程实现两个功能：信号机初始化以及配置控制平台的通信信息；

(2)每个仿真步长，VISSIM为每一个信号控制机执行SC_DLL_Calculate()函数，在该函数中编程实现与控制平台的数据交互和数据处理；

(3)仿真运行结束时，VISSIM为每一个信号控制机调用SC_DLL_Cleanup()函数，清除数据并且退出信号控制逻辑。

作为优选，步骤(2)中，执行SC_DLL_Calculate()函数具体包括：

①数据处理，包括获取、量化交通路网的交通流数据以及根据接收的实时相位数据切换虚拟信号灯灯态；

②数据通信，包括交通流数据上传到控制平台、接收来自控制平台的实时相位数据。

本发明将虚拟交通仿真软件融合到交通信号控制系统，形成一套实体信号机和仿真软件结合的实时仿真评价系统，克服以往只利用微观仿真软件评价控制算法而脱离实际的缺点。

本发明具有以下优点：

(1)针对以往离线方法和实地测试这两种评价交通控制策略的方法，本发明将虚拟仿真软件融合进交通信号控制系统，克服以往利用微观仿真软件评价控制算法而脱离实际的缺点，为控制算法提供了事实依据；

(2)可以用于交通工程专业学生的教学实验；

(3)通过有线无线连接，可以远程异地进行仿真测试；

(4)系统可以连接多台信号机，可以模拟多个路口的协调控制。

附图说明

图1是本发明的系统框架图；

图2是本发明的流程图；

图3本发明自适应算法流程图；

图4本发明VISSIM仿真软件的外部接口DLL模块的设计流程图；

图5是本发明四路口干线的VISSIM示意图；

图6是本发明干线自适应控制下的路口绿灯时间图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

参照图1，一种交通控制算法实时仿真评价系统，所述系统包括交通仿真模块、控制平台、信号机；

所述交通仿真模块包括交通仿真软件、第一通信模块、数据处理模块；

所述控制平台包括数据库模块、第二通信模块、算法实现模块；数据库模块储存历史交通流数据、实时交通流数据、历史交通控制方案；第二通信模块实现控制平台与交通仿真软件、信号机的双向通讯；算法实现模块集成交通控制算法，计算最优交通控制方案；

所述信号机包括驱动模块、第三通信模块、主控模块、人机接口；

所述系统以控制平台为控制器，以信号机为执行器，以交通仿真模块为被控对象，构成回路控制；交通仿真模块内的交通仿真软件构建虚拟交通路网，路网上每个路口设有虚拟检测器和虚拟信号灯，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实时检测路口车辆通行状况，将虚拟的交通流数据通过交通仿真模块的第一通信模块传输给控制平台的数据库模块，更新数据库模块；控制平台的算法实现模块根据数据库模块的交通流数据生成交通控制方案，通过第二通信模块将控制方案下发至信号机；信号机的实时相位数据通过控制平台回传至交通仿真模块。

本发明的信息传输链路有两条：①实时相位数据由现实的信号机生成，通过控制平台传送给交通仿真模块；②交通流数据由交通仿真模块生成，传输给控制平台，控制平台处理交通流数据，并将新的控制方案发送给信号机。

本发明中，控制平台作为控制中心和通信桥梁，负责实时的数据传输和交互，一方面接收、储存交通仿真模块的交通流数据，通过算法实现模块得到下一时刻的交通控制方案，并将方案下发至信号机；另一方面从信号机获取实时相位数据，将其按交通仿真模块的要求进行格式或模式的转换后发送给交通仿真模块的通信模块。

参照图2，一种交通控制算法实时仿真评价系统的具体运行步骤如下：

(1)t时刻，交通仿真模块采集当前虚拟路网的交通仿真数据k_t，对采集到的交通仿真数据进行格式或模式的转换，得到交通流数据v_t；然后对交通流数据进行过滤筛选量化后上传至控制平台的数据库模块；

交通流数据包括车检器损坏标示、车辆数、车速、有车时间、无车时间；

其中，车检器损坏标示为0表示车检器正常，为1表示车检器已损坏；车辆数为过去一秒内通过路口车检器的车辆数；有车时间为过去一秒内路口车检器检测到有车辆通过的时间，无车时间为过去一秒内无车通过的时间；

仿真软件发送车检器数据到控制平台的通讯协议设计如表1所示：

表1

表2

(2)控制平台的算法实现模块对储存在数据库模块的交通流数据v_t进行筛选、预处理，生成t+1时刻的交通控制方案g_t+1，并将交通控制方案下发至信号机；

本实例中，算法实现以自适应算法(即小步调寻优算法)为例，参照图3，算法流程如下：

首先，通过虚拟路网内的线圈或视频检测器，检测得到各个相位绿灯时间内的时间占有率r，计算方法见公式(1)，得到当前配时方案与时间占有率向量TOR₀，见公式(2)、(3)、(4)；

$r=\frac{1}{t_g}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{t}_j---\left(1\right)$

式中，t_g为绿灯时间，t_j为第j辆车通过观测断面的时间，m为一个绿灯时间内通过的车辆数目；

TOR₀＝{TG₀,R₀}(2)

TG₀＝{t_g01,t_g02,t_g03,t_g04}(3)

R₀＝{r₀₁,r₀₂,r₀₃,r₀₄}(4)

式中，TG₀为当前信号周期内各相位的绿灯时间，R₀为当前信号周期内各相位的时间占有率；

其次，通过罗列所有小幅变化的配时方案TG_j，根据如下公式计算得到每种方案的时间占有率R_j，从而得到新配时方案与时间占有率向量TOR_j；

TG_j＝{t_gj1,t_gj2,t_gj3,t_gj4,}(j＝1,2,…n)(5)

$r_{ji}=\frac{r_{0i}\×t_{g0i}}{t_{gji}}---\left(6\right)$

式中，j为第j各罗列配时方案，i为第i各相位；

R_j＝{r_j1,r_j2,r_j3,r_j4}(7)

TOR_j＝{TG_j,R_j}(8)

最后通过计算所有候选配时方案中R_j的方差和最大值，根据方差最小和最大值最小的准则来选取最优的控制方案；

(3)信号机在下一时刻即t+1时刻执行该交通控制方案g_t+1，同时将实时相位数据上传至控制平台；控制平台对接收到的实时相位数据按交通仿真模块的要求进行格式或模式的转换，并将转换后的实时相位数据传送到交通仿真模块；

控制平台发送实时相位数据到仿真软件的通讯协议如表3所示：

表3

字节数

2

1

2

2

N

2

域

包头

包类型

包长度

信号机个数

信号机数据

校验数据

解析

0xFF 0xEE

数据见表4

CRC16

表4

字节数	2	1	n
				域	信号机ID	相位个数	各相位状态

(4)交通仿真模块根据接收到的实时相位数据更新路网内的虚拟信号灯的灯态，控制仿真路网内的车辆运行；

步骤(1)到步骤(4)依次执行，重复循环。

本发明所述的一种交通控制算法实时仿真评价系统，以杭州鼎鹏交通科技有限公司的格朗德駿DPTS-C4801型信号机作为信号机，以具有二次开发接口的VISSIM微观仿真软件作为交通仿真软件，并以VISSIM的DLL外部接口开发交通仿真模块的通信子模块和数据子模块。

鼎鹏远程交通信号集中控制系统是由杭州鼎鹏交通科技有限公司独立设计，针对格朗德骏系列交通信号机进行远程管理的远程控制系统。系统设计思路严谨，操作简便易行，支持多客户端连接，并支持最多1000台信号机的接入。系统分为信号机服务器、数据库、中央服务器和客户端，客户端分为内网版(局域网内使用，包含所有功能)和外网版(在外网运行，包含大部分功能)，系统安装和维护方便。

格朗德駿DPTS-C4801型信号机是由杭州鼎鹏交通科技研发生产的行业领先的集中协调式交通信号机，硬件方面采用模块化设计理念，可积木式扩展，多CPU协调控制，能在各种恶劣条件下工作。

VISSIM仿真软件以动态链接库模块(DLL)的形式为用户提供了外部信号控制接口API。它通过两个DLL文件来实现信号机的逻辑控制，用户可根据实际需求来编写外部控制模块DLL。动态链接库DLL是一个包含可由多个程序使用的代码和数据的库，DLL提供了一种方法，可以调用不属于其可执行代码的函数，可以更容易地将更新运用于其他模块中，而不影响程序其他模块的运行。

参照图4，VISSIM仿真软件的DLL模块设计具体包括以下几个步骤：

(1)VISSIM调用SC_DLL_Init()，在该函数中编程实现两个功能：信号机初始化以及配置控制平台的通信信息(包括控制平台IP和端口)；

(2)每个仿真步长，VISSIM为每一个信号控制机执行SC_DLL_Calculate()函数，在该函数中编程实现与控制平台的数据交互和数据处理，具体是：

①数据处理，包括获取、量化交通路网的交通流数据以及根据接收的实时相位数据切换虚拟信号灯灯态；

②数据通信，包括交通流数据上传到控制平台、接收来自控制平台的实时相位数据；

(3)仿真运行结束时，VISSIM为每一个信号控制机调用SC_DLL_Cleanup()函数，清除数据并且退出信号控制逻辑。(若仿真运行未结束，则重复步骤(2))

本实例中，以四路口的干线绿波自适应控制为例，控制平台采用自适应控制算法。VISSIM仿真参见图5，自西向东依次为路口1、路口2、路口3和路口4。本实例中，路口1的西进口流量从1000辆/小时突变到2000辆/小时。干线绿波自适应控制下的各个路口东西直行阶段的绿灯时间参见图,6，纵轴为下一周期的东西直行阶段绿灯时间，横轴为周期数。从图6可以看出，第九个周期之前，各个路口的东西直行阶段的绿灯时间小幅震荡，无明显变化；在第九个周期开始，各个路口的东西直行阶段的绿灯时间明显有增大的趋势。根据自适应算法原理，路口绿灯时间变化符合预期效果，同时也验证了本发明所述的交通控制算法实时仿真评价系统的有效性。

最后，应当说明的是：以上所述仅为本发明的一种较佳实例，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：所述系统包括交通仿真模块、控制平台、信号机；

所述交通仿真模块包括交通仿真软件、第一通信模块、数据处理模块；

所述控制平台包括数据库模块、第二通信模块、算法实现模块；数据库模块储存历史交通流数据、实时交通流数据、历史交通控制方案；第二通信模块实现控制平台与交通仿真软件、信号机的双向通讯；算法实现模块集成交通控制算法，计算最优交通控制方案；

所述信号机包括驱动模块、第三通信模块、主控模块、人机接口；

所述系统以控制平台为控制器，以信号机为执行器，以交通仿真模块为被控对象，构成回路控制；交通仿真模块内的交通仿真软件构建虚拟交通路网，路网上每个路口设有虚拟检测器和虚拟信号灯，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实时检测路口车辆通行状况，将虚拟的交通流数据通过交通仿真模块的第一通信模块传输给控制平台的数据库模块，更新数据库模块；控制平台的算法实现模块根据数据库模块的交通流数据生成交通控制方案，通过第二通信模块将控制方案下发至信号机；信号机的实时相位数据通过控制平台回传至交通仿真模块；

其具体运行步骤如下：

(1)t时刻，交通仿真模块采集当前虚拟路网的交通仿真数据k_t，对采集到的交通仿真数据进行格式或模式的转换，得到交通流数据v_t；然后对交通流数据进行过滤筛选后上传至控制平台的数据库模块；

(2)控制平台的算法实现模块对储存在数据库模块的交通流数据v_t进行筛选、预处理，生成t+1时刻的交通控制方案g_t+1，并将交通控制方案下发至信号机；

(3)信号机在下一时刻即t+1时刻执行该交通控制方案g_t+1，同时将实时相位数据上传至控制平台；控制平台对接收到的实时相位数据按交通仿真模块的要求进行格式或模式的转换，并将转换后的实时相位数据传送到交通仿真模块；

(4)交通仿真模块根据接收到的实时相位数据更新路网内的虚拟信号灯的灯态，控制仿真路网内的车辆运行；

步骤(1)到步骤(4)依次执行，重复循环。

2.根据权利要求1所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：一个控制平台可以连接多台信号机和多个交通仿真模块。

3.根据权利要求1所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：所述控制平台作为控制中心和通信桥梁，负责实时的数据传输和交互，一方面接收、储存交通仿真模块的交通流数据，通过算法实现模块得到下一时刻的交通控制方案，并将方案下发至信号机；另一方面从信号机获取实时相位数据，将其按交通仿真模块的要求进行格式或模式的转换后发送给交通仿真模块的通信模块。

4.根据权利要求1所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：控制平台运行交通控制算法，产生控制信号；控制平台的算法实现模块集成交通控制算法，交通控制算法包括感应控制、自适应控制、绿波控制、区域协调控制、诱导控制。

5.根据权利要求1所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：所述交通仿真模块内的交通仿真软件为提供二次开发接口的虚拟交通仿真软件；所述交通仿真模块内的通信模块和数据处理模块是通过交通仿真软件二次开发而来的，其中通信模块实现交通仿真模块与控制平台的数据交互，数据处理模块实现提取交通流数据、根据实时相位数据切换虚拟信号灯状态。

6.根据权利要求1所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：所述交通仿真模块不做任何信号逻辑控制，所有的信号逻辑控制来自于信号机；交通仿真模块只是模拟车辆在虚拟仿真路网的运行情况。

7.根据权利要求1或4所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：所述交通控制算法为自适应控制算法，其运算流程如下：

首先，通过虚拟路网内的线圈或视频检测器，检测得到各个相位绿灯时间内的时间占有率r，计算方法见公式(1)，得到当前配时方案与时间占有率向量TOR₀，见公式(2)、(3)、(4)；

$r=\frac{1}{t_g}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{t}_j---\left(1\right)$

式中，t_g为绿灯时间，t_j为第j辆车通过观测断面的时间，m为一个绿灯时间内通过的车辆数目；

TOR₀＝{TG₀,R₀}(2)

TG₀＝{t_g01,t_g02,t_g03,t_g04}(3)

R₀＝{r₀₁,r₀₂,r₀₃,r₀₄}(4)

式中，TG₀为当前信号周期内各相位的绿灯时间，R₀为当前信号周期内各相位的时间占有率；

其次，通过罗列所有小幅变化的配时方案TG_j，根据如下公式计算得到每种方案的时间占有率R_j，从而得到新配时方案与时间占有率向量TOR_j；

TG_j＝{t_gj1,t_gj2,t_gj3,t_gj4,}(j＝1,2,…n)(5)

$r_{ji}=\frac{r_{0i}\×t_{g0i}}{t_{gji}}---\left(6\right)$

式中，j为第j各罗列配时方案，i为第i各相位。

R_j＝{r_j1,r_j2,r_j3,r_j4}(7)

TOR_j＝{TG_j,R_j}(8)

最后，通过计算所有候选配时方案中R_j的方差和最大值，根据方差最小和最大值最小的准则来选取最优的控制方案。

8.根据权利要求1或5所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：所述交通仿真软件为VISSIM仿真软件，其DLL模块设计具体包括以下步骤：

(1)VISSIM调用SC_DLL_Init()，在该函数中编程实现两个功能：信号机初始化以及配置控制平台的通信信息；

(2)每个仿真步长，VISSIM为每一个信号控制机执行SC_DLL_Calculate()函数，在该函数中编程实现与控制平台的数据交互和数据处理；

(3)仿真运行结束时，VISSIM为每一个信号控制机调用SC_DLL_Cleanup()函数，清除数据并且退出信号控制逻辑。

9.根据权利要求8所述的交通控制算法实时仿真评价系统，其特征在于：步骤(2)中，执行SC_DLL_Calculate()函数具体包括：

①数据处理，包括获取、量化交通路网的交通流数据以及根据接收的实时相位数据切换虚拟信号灯灯态；

②数据通信，包括交通流数据上传到控制平台、接收来自控制平台的实时相位数据。