基于Proteus的城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)

孫均友 王兵 王文哲 田濤 楊成材 孫代源

摘 要：先進的交通管理系統(tǒng)（ATMS）是城市智能交通系統(tǒng)（UITS）的核心子系統(tǒng)，但作為ATMS交通管理中心關(guān)鍵設備的大屏幕在顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)時存在非實時連續(xù)性的制約，會對交通管理工作造成不利影響。文章針對該問題研制了一套能獨立使用的城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過Proteus仿真平臺進行構(gòu)建，設計系統(tǒng)各模塊電路，通過程序?qū)β肪W(wǎng)各路段的交通狀態(tài)閾值進行判斷，控制紅、黃、綠三種燈色實時顯示路網(wǎng)的交通狀態(tài)，實現(xiàn)了對路網(wǎng)狀態(tài)的模擬仿真。

關(guān)鍵詞：城市路網(wǎng) 交通狀態(tài) Proteus 系統(tǒng)構(gòu)建 虛擬仿真

中圖分類號：TH3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0003-02

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

在城市交通管理中，對一個城市交通運行狀態(tài)進行綜合評價，并將城市道路網(wǎng)交通狀態(tài)實時直觀的反映出來，有助于交管部門全面掌握路網(wǎng)的整體運行情況。ATMS作為UITS的核心子系統(tǒng)，也是當前我國各先進城市普遍采用的主要交通管理形式。作為ATMS關(guān)鍵設備的大屏幕，可用于顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)、各關(guān)鍵節(jié)點監(jiān)控視頻等信息，但大屏幕在進行其他操作的顯示時無法連續(xù)實時的顯示交通狀態(tài)，會對交管工作造成不利影響，故需要一套獨立使用的城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)對交通狀態(tài)進行顯示。本研究系統(tǒng)經(jīng)Proteus構(gòu)建，通過對路網(wǎng)各路段交通狀態(tài)閾值判斷，控制紅、黃、綠三種燈色實時顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)。

2 交通狀態(tài)判斷方法

交通狀態(tài)判斷方法是指通過定性或定量的評價指標對某區(qū)域內(nèi)的交通擁堵狀況進行判斷，其主要作用是對比分析時空范圍內(nèi)的擁堵水平，從而確定擁堵治理政策和措施的可行性、有效性，為進一步治理擁堵提供重要的參考依據(jù)。道路飽和度即V/C，是反應道路服務水平常用的重要指標之一。其中，V為最大交通流量，C為最大通行能力。道路的最大通行能力受多方面的因素影響，難以精確計算，并且該方法無法分流向統(tǒng)計通行能力，不能滿足研究的需要，因此采用一個新的閥值（Z）來確定當前道路的擁擠程度，其計算公式為：Z=q/Q。其中，Z為飽和度閥值，q為當前交通流量，Q為當前飽和流量。飽和流量Q是一個動態(tài)矢量，其本身會隨著交通流量q的變化而變化，可分流向精確計算。因此，可以避開計算道路最大通行能力出現(xiàn)的較大誤差，進而更加準確的反應出當前道路的擁擠狀況。

通過對城市交通狀況的調(diào)研，確定閥值Z與道路擁擠程度的關(guān)系為：當0≤Z<0.55時，道路擁擠狀態(tài)為暢通，對應顯示的狀態(tài)顏色為綠色；當0.55≤Z≤0.62，道路擁擠狀態(tài)為擁擠，對應顯示的狀態(tài)顏色為黃色；當0.62

3 Proteus系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 技術(shù)思路

城市路網(wǎng)交通狀態(tài)仿真系統(tǒng)主要由主控模塊、實時時鐘模塊、交通狀態(tài)顯示模塊和串口通信模塊等組成。本研究對如圖1構(gòu)型的路網(wǎng)進行交通狀態(tài)仿真。

首先，將該路網(wǎng)的流量統(tǒng)計時段分為早高峰、午高峰、晚高峰、平峰及夜間五個時段，通過交通流檢測器獲取路網(wǎng)各路段各時段交通流信息，存儲于交通流數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)上文中閾值計算公式自動計算出每個路段各個時段的交通擁堵閾值，將該閾值存儲于交通流數(shù)據(jù)庫中對應路段下對應時間段的交通狀態(tài)存儲單元中，該數(shù)據(jù)按時間節(jié)點通過串口通信的方式發(fā)送給下位機主控模塊。主控模塊通過串口通信模塊接收狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時從實時時鐘模塊獲取時間信息，判斷當前時間處于哪一時段，進而判斷該路段當前時段交通狀態(tài)。然后將狀態(tài)信息通過I/O口發(fā)送給交通狀態(tài)顯示模塊，交通狀態(tài)顯示模塊根據(jù)指令以不同燈色展現(xiàn)交通擁擠狀況。該系統(tǒng)控制程序采用uVision集成環(huán)境開發(fā)下的Keil軟件編寫C語言程序進行編譯并調(diào)試，最終生成HEX文件加載入系統(tǒng)中進行仿真運行。

3.2 虛擬電路設計

電路仿真軟件Proteus可通過搜索元件添加到設計界面中進行電路設計，在電路設計完成后可加載程序進行仿真。

（1）主控電路設計。

根據(jù)資源需求及運行速率考慮，主控電路的主控芯片選用STC12C5A60S2單片機，其內(nèi)嵌60KB Flash存儲器和1280B的RAM用于存放源程序，具有豐富的I/O端口資源，可滿足交通狀態(tài)顯示模塊的控制需求，且具有超強抗干擾能力，功耗低，速度快等特點。

（2）實時時鐘模塊。

實時時鐘采用DS1302時鐘芯片該芯片是一種高性能、自帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.0V～5.5V。DS1302通過CE，SCLK和I/O與單片機連接，實時通信，讀取時間數(shù)據(jù)。

（3）交通狀態(tài)顯示模塊。

交通狀態(tài)顯示模塊采用Proteus元件庫中自帶的紅、黃、綠三種顏色LED進行排列，并將LED的兩極分別并聯(lián)，最終連接形成燈帶，將燈帶按照如圖1所示的圖網(wǎng)構(gòu)型進行排列，構(gòu)建模擬路網(wǎng)。交通狀態(tài)顯示模塊由主控芯片的P1口和P2口進行控制。

（4）串口通信模塊。

串口通信模塊采用Proteus中的COMPIM組件實現(xiàn)串口通信。將COMPIM與上位機的RXD和TXD對應相連，并將通信速率與通信格式與上位機設置相同即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)運行

在Proteus設計界面上構(gòu)建城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)后，將Hex文件加載到主控模塊STC12C5A60S2單片機中，點擊運行按鈕進行仿真，仿真效果如圖1所示。

根據(jù)上位機數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)可知，當前主干路的交通狀態(tài)為擁堵狀態(tài)，次干路1的交通狀態(tài)為暢通狀態(tài)，次干路2的交通狀態(tài)為擁擠狀態(tài)，兩條支路交通狀態(tài)為擁擠狀態(tài)。運行后觀察到各路段交通狀態(tài)為主干路顯示為紅色，次干路1顯示為綠色，次干路2顯示為黃色，兩條支路顯示為黃色，與數(shù)據(jù)庫中對應交通狀態(tài)相符。

5 結(jié)語

文章采用交通狀態(tài)閾值法確定城市道路交通擁堵閾值；在Proteus中構(gòu)建城市路網(wǎng)交通狀態(tài)仿真系統(tǒng)，并對系統(tǒng)主要模塊的硬件電路進行了設計，給出軟件設計流程，結(jié)合擁堵閾值，以紅、黃、綠三種燈色分別表示城市道路交通擁堵狀態(tài)，對路網(wǎng)狀態(tài)的虛擬仿真，可獨立顯示實時路網(wǎng)交通狀態(tài)，能夠解決ATMS中心大屏幕顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)存在的非實時性問題。

參考文獻

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