基于Proteus的城市路網交通狀態虛擬仿真系統

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（ATMS）是城市智能交通系統（UITS）的核心子系統，但作為ATMS交通管理中心關鍵設備的大屏幕在顯示路網交通狀態時存在非實時連續性的制約，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交通狀態虛擬仿真系統。系統通過Proteus仿真平臺進行構建，設計系統各模塊電路，通過程序對路網各路段的交通狀態閾值進行判斷，控制紅、黃、綠三種燈色實時顯示路網的交通狀態，實現了對路網狀態的模擬仿真。

關鍵詞：城市路網 交通狀態 Proteus 系統構建 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 系統開發背景

在城市交通管理中，對一個城市交通運行狀態進行綜合評價，并將城市道路網交通狀態實時直觀的反映出來，有助于交管部門全面掌握路網的整體運行情況。ATMS作為UITS的核心子系統，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關鍵設備的大屏幕，可用于顯示路網交通狀態、各關鍵節點監控視頻等信息，但大屏幕在進行其他操作的顯示時無法連續實時的顯示交通狀態，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交通狀態虛擬仿真系統對交通狀態進行顯示。本研究系統經Proteus構建，通過對路網各路段交通狀態閾值判斷，控制紅、黃、綠三種燈色實時顯示路網交通狀態。

2 交通狀態判斷方法

交通狀態判斷方法是指通過定性或定量的評價指標對某區域內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。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研，確定閥值Z與道路擁擠程度的關系為：當0≤Z<0.55時，道路擁擠狀態為暢通，對應顯示的狀態顏色為綠色；當0.55≤Z≤0.62，道路擁擠狀態為擁擠，對應顯示的狀態顏色為黃色；當0.62

3 Proteus系統構建

3.1 技術思路

城市路網交通狀態仿真系統主要由主控模塊、實時時鐘模塊、交通狀態顯示模塊和串口通信模塊等組成。本研究對如圖1構型的路網進行交通狀態仿真。

首先，將該路網的流量統計時段分為早高峰、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各路段各時段交通流信息，存儲于交通流數據庫中，并根據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據庫中對應路段下對應時間段的交通狀態存儲單元中，該數據按時間節點通過串口通信的方式發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數據，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。然后將狀態信息通過I/O口發送給交通狀態顯示模塊，交通狀態顯示模塊根據指令以不同燈色展現交通擁擠狀況。該系統控制程序采用uVision集成環境開發下的Keil軟件編寫C語言程序進行編譯并調試，最終生成HEX文件加載入系統中進行仿真運行。

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，讀取時間數據。

（3）交通狀態顯示模塊。

交通狀態顯示模塊采用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，最終連接形成燈帶，將燈帶按照如圖1所示的圖網構型進行排列，構建模擬路網。交通狀態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數據傳輸。

4 系統運行

在Proteus設計界面上構建城市路網交通狀態虛擬仿真系統后，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。

根據上位機數據庫中數據可知，當前主干路的交通狀態為擁堵狀態，次干路1的交通狀態為暢通狀態，次干路2的交通狀態為擁擠狀態，兩條支路交通狀態為擁擠狀態。運行后觀察到各路段交通狀態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，與數據庫中對應交通狀態相符。

5 結語

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

參考文獻

[1] 王兵.西部邊遠城市交通改善設計案例[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2] 王兵.郭杜杜.交通信息技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3] 楊成材.微型實景模型與大屏幕同步式交通狀態顯示系統開發[D].新疆大學，2017.