CN107817696B

CN107817696B - 一种微观交通半物理仿真工具

Info

Publication number: CN107817696B
Application number: CN201710954325.7A
Authority: CN
Inventors: 王道斌; 田宗忠; 柳祖鹏; 毛雪松
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: CN107817696A

Abstract

本发明公开了一种微观交通半物理仿真工具，包括：信号机通信模块、信息处理模块和仿真软件通信模块，信号机通信模块用于与交通信号机进行第一通信；信息处理模块包括：信号机状态线程，用于将信号机通信模块获取的信号状态信息发送给仿真软件通信模块；探测器线程，用于将仿真软件通信模块获取的车辆探测器状态信息发送给信号机通信模块；其中，信号机状态线程与探测器线程同步运行；仿真软件通信模块用于与交通流仿真软件进行第二通信。本发明的有益效果是：本技术方案可以为信号机的生产厂家、交管部门、以及科研单位提供一个很好的测试、实验平台。

Description

一种微观交通半物理仿真工具

技术领域

本发明涉及交通仿真技术领域，特别涉及一种微观交通半物理仿真工具。

背景技术

交通信号控制系统是智能交通管理系统的重要组成部分，其主要功能是自动协调和控制整个区域中各个交叉口信号机的配时方案，均衡路网上的交通流运行，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、路口的信号机三部分组成：交叉口信息采集设备通过线圈、视频、微波雷达等设备采集流量数据，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执行，形成闭环的信号控制系统。

对交通信号控制系统进行性能评价时，传统方法通常是在现场进行实地的流量调查，然后对数据进行统计和分析处理，由于交通现场无法产生各种复杂交通流环境，因此这种评价方法存在准确性低、效率低、成本高昂、评估指标不全面等缺点。此外，信号机生产厂家也需要对其生产的信号机产品进行软硬件的测试和检验，需要对信号机中的控制策略进行评估，然而也缺少有效的测试和评价方法。

微观交通仿真技术是在计算机仿真软件中建立静态路网模型，由交通信号控制模块对交叉口的信号灯进行控制，由交通流仿真模块生成车辆按照驾驶行为模型运行并受交通信号控制模块的控制。微观交通仿真技术可以低成本模拟不同的道路、信号配时和交通流量条件下交通流的动态运行情况。

最早期的微观交通仿真中的交通信号控制模块和交通流仿真模块都是由软件模拟实现的，这种方式被称为模拟器在环。但其交通信号控制模块的运行与实际的信号机运行之间的差异比较大，只能模拟一些简化的信号控制逻辑。特别是对一些特殊情况的处理(比如行人过街的逻辑，应急和通勤特殊车辆的处理，以及信号机过渡过程中的控制策略)都很难包括其中，因此这种微观仿真的结果可信度很低。

上个世纪90年代后期研究人员开始采用真实的信号机来替代模拟器在环的交通信号控制模块，采用硬件的方式将真实的信号机和交通流仿真软件连接起来，这种方式被称之为硬件在环，信号机和交通流仿真软件之间的硬件连接件叫做CID。但是CID的成本很高，而且连接一台信号机就需要一台CID，这大大增加了成本，此外CID是通过串口的方式连接，因此通讯过程中容易丢包，经常导致信号机故障或进入过渡状态，造成实验结果会出现比较大的误差。

同时期还有一种微观交通仿真技术被称为软件在环，这种方式是将交通信号控制模块和交通流仿真模块都用软件实现，与模拟器在环的不同之处在于，软件在环是开发专门的虚拟信号机来模拟真实信号机，保证真实信号机与虚拟信号机之间具有完全一致的功能和响应特性。然而不同的信号机厂商的信号机有很大区别，甚至同一厂商不同型号之间的信号机也有很大不同，因此这种方式就需要为每一种信号机设计专门的虚拟信号机，这个开发成本是非常大的。此外，这种方式在多数情况下也是不可能实现的，因为需要厂家公开他们的软件代码。几十年过去了，到目前为止也只有Econolite的NEMA信号机部分试用过，而且每次系统更新都需要索取新的软件包，过程非常繁琐。

发明内容

本发明提供了一种微观交通半物理仿真工具，解决了现有交通仿真领域中仿真成本高昂、仿真结果可靠性差、使用不方便等一系列技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种微观交通半物理仿真工具，包括：信号机通信模块、信息处理模块和仿真软件通信模块，

所述信号机通信模块用于与交通信号机进行第一通信，第一通信内容包括：所述交通信号机的信号状态信息和需要反馈给所述交通信号机的车辆探测器状态信息；

所述信息处理模块包括：

信号机状态线程，用于将所述信号机通信模块获取的所述信号状态信息发送给仿真软件通信模块；

探测器线程，用于将所述仿真软件通信模块获取的所述车辆探测器状态信息发送给所述信号机通信模块；

其中，所述信号机状态线程与所述探测器线程同步运行；

所述仿真软件通信模块用于与交通流仿真软件进行第二通信，第二通信内容包括：所述交通信号机的信号状态信息和从所述交通流仿真软件中获取的所述车辆探测器状态信息。

所述信息处理模块还包括：

看门狗线程，用于监测所述信号机状态线程和所述探测器线程的运行状态；

仿真速度控制模块，用于控制所述交通信号机与所述交通流仿真软件之间的通信速度以及保证所述交通信号机与所述交通流仿真软件之间的时钟同步。

本发明的有益效果是：本技术方案可以为信号机的生产厂家、交管部门、以及科研单位提供一个很好的测试、实验平台。信号机生产厂家可以利用本仿真工具对信号机产品进行高精度的性能测试，如对已有的控制策略或算法进行效果评价，或进行新的控制策略或算法的开发，又或者快捷方便地进行产品性能的演示和介绍。交管部门可以利用本仿真工具模拟实际路网的交通流，对即将投入使用的信号机进行控制参数的预设和优化，对新的信号配时方案进行评价，最大限度地降低对实际交通流的负面影响。科研单位可以利用本仿真工具进行仿真实验，可以消除模拟的交通信号控制模块与实际信号机之间的差异，大幅提高微观交通仿真的精度和真实性，使仿真结果更具说服力，而且不需要支出高昂的成本；同时由于在仿真系统中接入了实际的信号机，也可以使相应的科研成果能够快速地投入实际应用。在实验教学方面，以本仿真工具作为实验平台，可以方便、直观地开展交通信号控制相关实验，可以很好地提高实验教学效果，增强学生对信号控制实验的认识和感知。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

优选地，所述信息处理模块还包括：

优选地，所述看门狗线程具体用于：

如果监测到所述信号机状态线程丢失，则重新启动所述信号机状态线程；

如果监测到所述探测器线程丢失，则重新启动所述探测器线程；

如果监测到所述信息处理模块的停止标志，则关闭所述信号机状态线程和所述探测器线程；

否则，将所述信号机状态线程和所述探测器线程休眠预设时间之后，开始下一个任务。

优选地，所述第一通信内容还包括：所述交通信号机的控制参数。

优选地，还包括：

信号机参数控制模块，用于调整所述交通信号机的控制参数和控制策略。

优选地，还包括：

配置模块，用于对所述交通信号机与所述交通流仿真软件进行配置，配置内容包括：所述交通信号机的通讯端口地址与所述交通流仿真软件中交叉口信号控制器之间的映射，所述交通信号机的信号状态信息与所述交通流仿真软件中信号灯之间的映射，以及所述交通信号机的探测器接口与所述交通流仿真软件的探测器之间的映射。

优选地，所述信号机通信模块通过以太网与所述交通信号机连接。

优选地，所述交通流仿真软件的接口包括：COM外部调用接口和VAP外部调用接口。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种微观交通半物理仿真工具的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的一种微观交通半物理仿真工具的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种微观交通半物理仿真工具的运行流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种微观交通半物理仿真工具，包括：信号机通信模块1、信息处理模块2和仿真软件通信模块3，

信号机通信模块1用于与交通信号机进行第一通信，第一通信内容包括：交通信号机的信号状态信息和需要反馈给交通信号机的车辆探测器状态信息；

信息处理模块2包括：

信号机状态线程21，用于将信号机通信模块1获取的信号状态信息发送给仿真软件通信模块3；

探测器线程22，用于将仿真软件通信模块3获取的车辆探测器状态信息发送给信号机通信模块1；

其中，信号机状态线程21与探测器线程22同步运行；

仿真软件通信模块3用于与交通流仿真软件进行第二通信，第二通信内容包括：交通信号机的信号状态信息和从交通流仿真软件中获取的车辆探测器状态信息。

如图2所示，信息处理模块2还包括：

看门狗线程23，用于监测信号机状态线程21和探测器线程22的运行状态；

仿真速度控制模块24，用于控制交通信号机与交通流仿真软件之间的通信速度以及保证交通信号机与交通流仿真软件之间的时钟同步。

信号机通信模块1是本仿真工具负责和信号机进行通信的模块，该模块由交通设备的网络通信协议NTCIP构成，和信号机之间通过以太网进行连接。通信的内容包含信号机的信号状态、信号机的控制参数以及需要反馈给信号机的车辆探测器状态。

仿真软件通信模块3是本仿真工具负责和交通流仿真软件通信的模块，根据交通流仿真软件的外部访问接口进行设计。本案例中交通流仿真软件是VISSIM，该软件具有两种形式的外部调用接口COM和VAP，本案例采用的是COM接口协议。通信的内容包含信号机的信号状态和从交通流软件中获取的车辆探测器状态。

信息处理模块2是本仿真工具负责信息交互的模块，包含三个线程和一个仿真速度控制模块24。信号机状态线程21把信号机通信模块1获取的信号机的信号状态发送给仿真软件通信模块3，同时探测器线程22把仿真软件通信模块3获取的车辆探测器状态发送给信号机通信模块1。看门狗线程23用于监测信号机状态线程21和探测器线程22的运行情况，如果发现这两个线程意外终止将负责现场的恢复，保证本仿真工具功能的稳定性。仿真速度控制模块24用于控制信号机与仿真软件之间通信过程的时钟同步，由于信号机是按照真实时钟运行的，因此需要仿真速度控制模块24控制仿真软件的仿真速度，使其也按照真实时钟的速度运行。

具体地，看门狗线程23具体用于：

如果监测到信号机状态线程21丢失，则重新启动信号机状态线程21；

如果监测到探测器线程22丢失，则重新启动探测器线程22；

如果监测到信息处理模块2的停止标志，则关闭信号机状态线程21和探测器线程22；

否则，将信号机状态线程21和探测器线程22休眠预设时间之后，开始下一个任务。

具体地，第一通信内容还包括：交通信号机的控制参数。

如图2所示，还包括：

信号机参数控制模块4，用于调整交通信号机的控制参数和控制策略。

信号机参数控制模块4是本仿真工具负责修改信号机控制参数和控制策略的模块，通过信号机通信模块1与信号机进行通信。

如图2所示，还包括：

配置模块5，用于对交通信号机与交通流仿真软件进行配置，配置内容包括：交通信号机的通讯端口地址与交通流仿真软件中交叉口信号控制器之间的映射，交通信号机的信号状态信息与交通流仿真软件中信号灯之间的映射，以及交通信号机的探测器接口与交通流仿真软件的探测器之间的映射。

本仿真工具的运行流程如图3所示，从主函数运行开始，本仿真工具首先检测路网文件和网络连接状况，如果不存在路网文件或者没有网络连接本仿真工具将恢复初始状态，否则开始加载路网文件；接着本仿真工具检查是否有相应的配置文件，若没有则进行手动配置，若有则开启所有的线程，包括信号机状态线程21、探测器线程22和看门狗线程23；接着主函数的任务就完成了。信号机状态线程21和探测器线程22开始后首先会相互的进行同步，保证两个线程是同时开始工作；接着信号机状态线程21和探测器线程22开始进行数据处理，其中信号机状态线程21通过信号机通信模块1获取的信号机的信号状态，然后通过仿真软件通信模块3把信号状态发送给交通流仿真软件，探测器线程22则通过仿真软件通信模块3获取车辆探测器的状态，然后通过信号机通信模块1把探测器状态发送给信号机；然后信号机状态线程21和探测器线程22分别检测处理任务的耗时，如果不大于100ms，线程则进入休眠状态，否则马上检查程序的停止标志，如果程序的停止标志为真，则关掉该线程，否则两个线程开始进行下一个循环处理。看门狗线程23开始后会先检查信号机状态线程21的工作状态，如果信号机状态线程21丢失，看门狗会立即重启信号机状态线程21；接着看门狗会检查探测器线程22的工作状态，如果探测器线程22丢失，看门狗也会立即重启探测器线程22；然后看门狗会检查程序的停止标志，如果程序的停止标志为真，则关掉该线程，否则将休眠1s然后开始下一个循环。

本仿真工具作为运行在电脑上的一个软件，通过以太网实现真实信号机与交通流仿真软件的连接，因此本仿真工具和真实信号机的连接是通过电脑和信号机之间的连接实现的。电脑和信号机之间通过以太网进行连接，既可以是局域网，也可以是因特网。

通过本仿真工具的信号机测试功能界面对信号机进行测试。本仿真工具可以在电脑上直观显示信号机各个相位的信号状态，也可以通过本仿真工具的软件界面向信号机发送虚拟车辆探测器信号对信号机的响应进行测试，此外本仿真工具还可以直接修改信号机控制参数。对于没有直观界面显示的信号机，本仿真工具能大大提高其信号机的功能测试和评价效率。

利用本仿真工具进行微观交通仿真研究，本仿真工具可以同时连接多个信号机对多个路口同时进行仿真分析，而不需要增加任何额外的成本。通过本仿真工具，信号机可以直接控制交通流仿真软件中交叉口处信号灯的状态，同时交通流仿真软件中车辆探测器状态也可以直接反馈给信号机。仿真实验结束后本仿真工具会通过交通流仿真软件导出仿真实验的结果，如车辆的信号时延，交叉口车辆等待队列长度等等信息，这些信息可以用于交通信号配时的评价和优化。通过本仿真工具可以直观的显示信号机的控制策略对交通流的影响，具有很好的演示效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微观交通半物理仿真工具，其特征在于，包括：信号机通信模块、信息处理模块和仿真软件通信模块，

所述信息处理模块包括：

其中，所述信号机状态线程与所述探测器线程同步运行；

所述仿真软件通信模块用于与交通流仿真软件进行第二通信，第二通信内容包括：所述交通信号机的信号状态信息和从所述交通流仿真软件中获取的所述车辆探测器状态信息；

所述信息处理模块还包括：

仿真速度控制模块，用于控制所述交通信号机与所述交通流仿真软件之间的通信速度，以及保证所述交通信号机与所述交通流仿真软件之间的时钟同步。

2.根据权利要求1所述的一种微观交通半物理仿真工具，其特征在于，所述看门狗线程具体用于：

3.根据权利要求1所述的一种微观交通半物理仿真工具，其特征在于，所述第一通信内容还包括：所述交通信号机的控制参数。

4.根据权利要求3所述的一种微观交通半物理仿真工具，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求1所述的一种微观交通半物理仿真工具，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种微观交通半物理仿真工具，其特征在于，所述信号机通信模块通过以太网与所述交通信号机连接。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种微观交通半物理仿真工具，其特征在于，所述交通流仿真软件的接口包括：COM外部调用接口和VAP外部调用接口。