基于硬件在環仿真的城市路網交通控制平臺

唐少虎, 劉小明, 朱 偉, 鄭建春, 鄭國榮

(1. 北京市科學技術研究院 北京城市系統工程研究中心，北京 100035；2. 北方工業大學 城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100144)

0 引 言

針對城市道路交通擁堵問題，采用合理有效的交通信號控制方法可緩解交通擁堵，并防止擁堵的進一步加劇。但對實際交通控制效果進行評價時，需進行大量的交通調查和統計，存在費時、費力等問題。硬件在環仿真將實際應用的硬件設備融合在虛擬仿真軟件中，虛實結合的方式建立貼近現實的互動環境，從而形成更加逼真的軟硬件聯動的閉環仿真。而交通信號控制硬件在環仿真可將現場應用的交通信號控制系統融入到交通仿真軟件中，通過仿真軟件的評價功能實現對信號控制效果的精確評價。相比于傳統仿真系統，硬件在環仿真具備接入實際信號控制系統、通過數據交互建立虛擬運行場景與實際控制設備之間的緊密聯系并對真實系統的控制效果進行準確評價等特點。

為此，國內外學者針對交通信號控制的硬件在環仿真開展了一些研究工作。路易斯安那大學T. URBANIK等[1]最早對硬件在環仿真方法進行了研究；P. J. K. KOONCE等[2]基于硬件在環系統，結合特定道路交叉口仿真，使用成對統計方法對交通控制策略效果進行了評價；D. BULLOCK等[3]結合信號控制器、交通仿真軟件設計了用于評估SCOOT、SCATS等閉環控制系統的硬件在環方法；張欣等[4]將硬件在環仿真技術應用于HEV動力總成控制單元的設計開發和功能測試；王建強等[5]開發了安全車距保持技術的硬件在環仿真試驗系統，可檢驗控制器及執行器的性能、設計控制算法等；I. YUN等[6]應用硬件在環仿真對單交叉口的信號自適應控制系統進行了仿真評價，結果表明優于傳統的感應控制系統；進一步，M. HUNTER等[7]將硬件在環仿真用于多交叉口自適應控制評價，通過實際測試表明，在高峰時段自適應控制系統控制效果好于多時段定時控制；于泉等[8]提出設計一種交通控制硬件在環實時一體化仿真平臺，從而建立符合交通控制實際情況的實時一體化仿真環境；余貴珍等[9]采用硬件在環的方法，建立了基于交通微觀仿真軟件的多路口交通信號控制硬件在環仿真系統，對多路口的交通信號控制系統的控制效果進行評估；苗挺[10]設計了基于VISSIM的交通控制硬件在環仿真系統，實現了對交通信號機控制策略的評價比較。

交通信號控制硬件在環仿真研究已取得較為豐富的研究成果，但是還存在兩個方面的問題：一方面，大部分研究主要針對單交叉口，多路口一般也是干線的幾個路口，并未對路網包含較多路口的區域進行在環仿真研究；另一方面，針對一種特定的交通控制系統，沒有建立統一的平臺中心系統，不適用于不同的交通控制系統，兼容擴展性不足。

因此，筆者設計并實現了一種基于硬件在環仿真的城市路網交通控制平臺，融合交通控制器和交通仿真軟件，基于平臺中心系統，實現對單交叉口、干線協調以及區域協同控制進行硬件在環仿真，并準確評價交通控制效果。

1 城市路網交通控制平臺設計

1.1 硬件在環仿真機制

硬件在環仿真系統一般由交通信號控制器、交通仿真軟件以及控制器接口設備構成，如圖1。硬件在環仿真系統可將交通信號控制器與交通仿真軟件連接起來，實現融合交通信號控制器硬件的在環仿真，并利用交通仿真軟件對相關指標的評價實現對信號控制效果的精確評價。

圖1 硬件在環仿真系統構成Fig. 1 Hardware-in-the-loop simulation system

在平臺中，交通仿真軟件不實現控制功能，只對實際的城市路網建立路網交通模型，接收實際交通控制器的控制信號，其控制模塊同步執行該控制信號，并輸出交通流數據和仿真評價結果。交通控制器接收并執行平臺中心系統的控制指令，并將信號控制執行信息實時反饋給交通仿真軟件，實現控制仿真軟件中的交通流對象?？刂破鹘涌谠O備不具備任何控制指令生成、交通流數據產生等功能，其存在是起到由平臺系統下發的控制指令、交通仿真軟件的仿真數據以及交通控制器的控制狀態等數據信息的中轉和傳遞作用。

1.2 平臺邏輯框架設計

城市路網交通控制平臺具備單點特殊控制(定時控制、感應控制、自適應控制)、干線綠波帶控制、路網分布式協同控制等算法的加載及仿真效果分析功能。

城市路網交通控制平臺基本邏輯和運行機制如下：平臺中心系統通過控制器接口設備實時接收仿真軟件交通流檢測數據。交通數據經后臺控制算法計算分析，得出符合當前交通狀態的最佳信號控制方案，再通過控制器接口設備向實際信號機下發控制指令。交通仿真軟件中的信號控制模塊實時接收實際信號機的燈色狀態并同步執行控制方案，實時對仿真交通進行信號控制。全部過程實現了硬件在環控制和軟件仿真，從而形成完整的閉環反饋控制。

平臺的邏輯框架及數據流傳遞示意如圖2。

圖2 城市路網交通控制平臺邏輯框架示意Fig. 2 Logical framework of traffic control platform for urban network

1.3 平臺架構設計

根據上述邏輯框架設計內容，控制平臺主要功能包括實現單點信號控制、干線協調控制、區域協同控制以及仿真評價功能，分別對應單點控制模塊、干線協調模塊、區域協同模塊以及仿真評價模塊。平臺后臺集成了針對不同控制方式和控制目標的配時方案庫、仿真參數庫、仿真評價庫以及控制算法庫等，并通過控制器接口設備與交通控制器和交通仿真軟件進行兩兩數據交互，實現平臺控制方案和仿真參數分別下發交通控制器和交通仿真軟件、交通仿真軟件檢測數據上傳控制平臺以及交通仿真軟件控制方案和交通控制器控制方案的實時同步。

結合控制平臺的設計功能和核心模塊，考慮控制器接口設備基本作用和中轉地位以及交通仿真軟件與交通控制器實時運行和同步交互的在環仿真功能，設計城市路網交通控制平臺架構，如圖3。由圖3可以看出：城市路網交通控制平臺結構上主要分為3層，即位于底層的交通仿真軟件與交通控制器、位于中間連接層的控制器接口設備、以及位于上層的城市路網交通控制平臺中心系統。

圖3 城市路網交通控制平臺架構Fig. 3 Architecture of traffic control platform for urban network

單點控制模塊不僅具備定時控制、感應控制、多時段控制、自適應控制等控制方式，還實現了包括黃閃控制、全紅控制和人工校時等特殊控制方式。該模塊可實時顯示檢測器占有率、排隊長度、平均流量和平均延誤等實時交通流檢測數據，可實時監控單點信號控制運行狀態。

干線協調模塊具備多時段干線協調、自適應干線協調等功能，實現了干線協調參數的自動調整并計算正反向濾波帶寬，可根據各路口飽和流量、非飽和流量、周期、綠信比等計算紅燈排隊消散時間，可實時監控干線協調運行狀態。

區域協同模塊具備區域自適應控制、路網子區協同控制等控制方式。該模塊具備了控制子區設置、控制方案選擇并監測路網內部平均排隊長度、路網延誤等運行指標等功能，通過平臺接口可對路網交通控制算法進行二次開發，實現不同控制目標，并可實時監控路網交通信號協同控制運行狀態。

仿真評價模塊具備對當前控制方式的效果評估功能，從延誤時間、停車次數、排隊長度等仿真結果指標評價控制方案的有效性和可行性。

2 城市路網交通控制平臺實現

2.1 平臺中心系統

平臺中心系統具備與交通仿真軟件和控制器接口設備進行數據交互的功能，能夠下發交通信號控制指令，能夠接收流量、占有率、排隊長度等交通檢測數據并進行分析、驗證、顯示，可完成路口、干線、路網多種交通信號控制策略的仿真驗證。為實現上述功能，利用VB.NET、SQL Server進行相應模塊的開發。

2.1.1 單點信號控制

城市路網交通控制平臺能夠實現交通信號單點固定配時方案、手動控制方案、本地感應控制方案、本地多時段控制方案以及自適應控制方案下發到交通信號控制器的功能，并實時接收交通仿真軟件上傳的交通仿真指標信息，包括交通流量數據、占有率、平均延誤以及排隊長度等，如圖4、圖5。

單點信號控制借鑒文獻[11]的目標函數，考慮到不同的交通流量，其延誤和停車次數對交叉口綜合效益的影響程度不同，將延誤與停車次數綜合考慮作為目標函數，尋找函數的最小值。優化模型如：

(1)

式中：f(x)為交叉口綜合效益值；di為第i相位的平均延誤；qi為第i相位實際到達的當量交通量，pcu/h；hi為第i相位車輛平均停車次數；β為考慮延誤和停車次數對交叉口交通效益影響的加權系數。

圖4 平臺中心系統Fig. 4 Platform center system

圖5 單點定時控制及仿真效果分析界面Fig. 5 Analysis interface of single intersection timing control and simulation results

2.1.2 干線協調控制

城市路網交通控制平臺具備干線交通綠波帶控制配時功能，平臺的干線綠波協調模塊根據輸入的路口信息以及設置的正反向綠波帶速等數據，后臺干線協調算法自動計算分析符合當前條件的綠波配時方案，并將該干線綠波協調控制參數下發至干線相關的交通信號控制器，如圖6。

圖6 平臺干線綠波協調控制Fig. 6 Platform artery green wave coordinated control

采用文獻[12]中的協調算法，即考慮路口協調相位不同方向交通放行的重要程度，為使綠波帶寬時間內通過車輛最多，建立協調模型如：

(2)

2.1.3 區域協同控制

區域協同控制模塊根據交通仿真軟件上傳到交通流的數據，經算法計算分析得到符合當前交通狀況的最佳區域協同控制方案，并通過控制器接口設備將協同控制方案下發實際交通信號控制器，通過交通信號控制器與交通仿真軟件信號控制模塊的同步執行，使得協同控制方案作用于交通仿真軟件中的交通流。最后，交通仿真軟件將區域控制效果數據指標上傳平臺，通過對相關運行指標的數據分析，可對協同控制方案的效果進行評估并迭代改進，該模塊中心系統如圖7。

圖7 平臺區域協同控制模塊Fig. 7 Platform region cooperative control module

利用文獻中[13]的區域過飽和交通信號優化控制算法，通過過飽和區域邊界需求控制，對進入過飽和區域的交通需求和通行壓力進行總體控制并最大化區域的輸出通行能力，數學模型如：

(3)

通過區域內部均衡控制，均衡區域路段空間占有率，平衡區域內部的交通需求以緩解區域內交通通行壓力，數學模型如：

(4)

2.2 控制器接口

控制器接口設備采用單片機技術，一方面能將平臺中心系統下發的控制指令數字信號轉換為信號機控制信號；另一方面，將信號機燈態信號轉換為計算機能夠識別的數字信號，從而實現控制交通仿真軟件中信號控制模塊的信號狀態。

控制器接口設備主要包括信號機連接板、光耦隔離板以及信號處理CPU板。其中，信號機連接板的主要功能是接入實際交通信號控制器的燈色信號，實現對信號控制器的信號燈色狀態進行信息感知，如圖8。

圖8 信號機連接板Fig. 8 Signal controller connecting plate

光耦隔離板的主要功能是防止信號處理CPU板與信號機連接板的直接連接而引起的強電干擾，使被隔離的信號機連接板與信號處理CPU板之間沒有電的直接連接，實現輸入CPU板單片機的信號由電壓信號改變為TTL電平信號的功能。信號處理CPU板的主要功能是對經過光耦隔離處理后的控制信號進行編碼、打包等一系列處理，再通過串口或網口等接口發送處理后的控制信號，按照通信協議完成對實際信號控制器控制信號的輸出，如圖9。

圖9 信號處理CPU板Fig. 9 CPU plate for signal processing

2.3 平臺通訊測試

平臺通信測試是指平臺的中心系統與交通信號控制器以及交通仿真軟件與交通控制器之間傳輸數據信息的可靠性和準確性測試，通過測試確保平臺軟硬件之間的數據通信能夠保持較好的實時性，保證信息傳遞的正確完整。

2.3.1 交通信號控制器

城市路網交通控制平臺中交通信號控制器選擇的型號為北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室研發的TOPPS-TSC交通信號控制器，其采用模塊化設計，由主控模塊、電源模塊、相位驅動模塊等組成。TOPPS-TSC智能道路交通信號控制機具有邏輯信號輸入和輸出端口，其中，輸出端口為分組獨立設置，如圖10。

2.3.2 軟硬件通信測試

為了保證控制參數等數據能夠不丟包的準確傳送，采用基于面向連接的數據傳輸方式進行信息傳遞。通過建立基于TCP/IP的網絡通信協議實現平臺中心系統軟件與交通信號控制器以及交通仿真軟件與交通控制器之間的信息通信目的。建立基于TCP/IP協議的服務器端客戶端模式，如果保證通信正常運行，須滿足下面條件：

1)服務器端保持在運行狀態。

2)給客戶端提供服務器端的監聽端口號碼和服務器端的IP地址。

圖10 TOPPS-TSC交通信號控制器Fig. 10 TOPPS-TSC traffic signal controller

客戶端與服務器端建立連接后的信息傳輸主要包括兩個過程：第一，平臺中心系統發送控制指令數據到信號控制器，實現控制方案的下發，如圖11；第二，信號控制器發送信號狀態數據到交通仿真軟件，實現實際信號控制器與仿真信號控制器的信號同步，如圖12。

圖11 平臺中心系統(客戶端)與信號控制器(服務器端)之間信息傳輸過程Fig. 11 Process of information transmission between platform centersystem (client) and signal controller (server)

圖12 信號控制器(客戶端)與仿真軟件(服務器端)之間信息傳輸過程Fig. 12 Process of information transmission between signalcontroller (client) and simulation software (server)

根據上述信息傳輸基本過程，利用TCP/IP協議建立客戶端(平臺中心系統)與服務器端(TOPPS-TSC信號機)之間的連接，設計了基于TCP/IP的通信握手過程[14]，如圖13。

圖13 基于TCP/IP的通信握手過程Fig. 13 Handshaking process based on TCP/IP

當客戶端與信號機建立連接以后，客戶端以1 000 ms/次的速度向信號機發送控制參數指令：F0 88 00 B5 00 B7 00 8C 00 F5 00 BE 00 BA 00 F8 00，同時避免信號機連接后30 s內接收不到指令而自動斷開連接的情況的發生。當信號機接收到指令后，將返回按照接收的客戶端控制指令執行的控制方案。根據控制參數指令得到返回的43個字節數據并以十六進制的形式顯示在控件中，如圖14。

圖14 控制參數指令數據Fig. 14 Control parameter instruction data

按照控制機與平臺中心系統間的數據通信協議對信號機返回的數據信息進行解析，如信號機返回的數據信息為F4 88 00 57 45 D1 E8 B5 00 00 B7 00 00 8C 00 01 F5 00 02 BE 00 10 10 10 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 BA 00 03 F8 00 01，則解析結果如表1。

表1 數據通信解析結果 Table 1 Data communication resolution results

3 路網實例分析

3.1 路網搭建

為了驗證城市路網交通控制平臺的可靠性以及控制效果的有效性，選取北京望京地區作為研究實例，根據實地調查確定區域內各交叉口渠化設置、交通組織方式、信號配時方案以及交通流量數據等。在此基礎上，應用交通仿真軟件VISSIM建立望京地區路網仿真模型，該路網主要包含23個信號控制交叉口，面積約13 km2。經實地調查、數據整理、路網搭建、配時輸入、流量設置、檢測器配置、參數標定等一系列基礎工作后，最后形成望京地區路網仿真模型，如圖15。

圖15 北京望京仿真路網模型Fig. 15 Road netork model simulation of Wangjing in Beijing

為驗證仿真路網的準確性[15]，經參數標定后，建立與實際路網(工作日)的指標對比，見表2。由表2可以看出：仿真路網能夠較為準確反映實際路網交通狀態。

表2 指標對比 Table 2 Comparison of indices

3.2 分析評價

分別選用低峰(6:00—7:00)、平峰(11:00—12:00)和晚高峰(18:00—19:00)車流量數據，每種交通狀態分別采用工作日(周一)和周末(周六)兩種車流量數據，針對不同的交通流量，分別選用固定信號配時、干道協調控制、區域協同控制等3種不同的信號控制方式進行在環仿真。選取車輛平均延誤時間Tdla和平均行駛速度Vavg作為評價指標，對3種控制方式下的仿真控制效果進行分析和評價。

每種情況分別用不同的隨機種子仿真10次，每次仿真時間為4 500 s，其中，仿真開始的900 s為預熱時間，此段時間的所有指標數據不計入統計數據，統計的評價指標數據均為10次仿真結果的算術平均值。圖16、圖17為車輛平均延誤時間、平均速度在低峰、平峰以及高峰等不同交通狀態下3種控制方式效果的對比分析。

圖16 工作日和周末不同交通狀態下3種控制方式的延誤時間對比Fig. 16 Comparison of the delay time of three control methods in different traffic conditions on weekdays and weekends

圖16為工作日和周末不同交通狀態下3種控制方式的延誤時間對比。由圖16可以發現：固定配時下的車輛平均延誤時間不論在工作日還是周末的不同交通狀態中數值是最大的，區域協同控制的延誤時間數值是最小的，干線協調控制介于上兩者之間。其中，工作日和周末低峰情況下的干線協調以及區域協同控制延誤差別不大，當交通狀態變為高峰時，區域協同控制延誤改善效果明顯好于干線協調，反映了干線協調在大交通流量下的能力局限性，相反，通過路網協同控制，降低了車輛平均延誤時間，有助于緩解了交通擁堵現象。

圖17 工作日和周末不同交通狀態下3種控制方式的平均速度對比Fig. 17 Comparison of the average velocity of three control methods in different traffic conditions on weekdays and weekends

圖17為工作日和周末不同交通狀態下3種控制方式的平均速度對比。由圖17可以發現：區域協同控制的車輛平均速度最大，固定配時控制車輛平均速度最小，干線協調控制的車輛平均速度介于上兩者之間。其中，區域協同的平均速度折線從工作日低峰一直到周末晚高峰都保持在較為平穩的狀態，固定配時的速度波動變化最大，其晚高峰平均速度下降明顯，而通過區域協同控制的路網平均速度得到明顯的提升，說明通過區域主動分布式協同控制，使路網交通保持了較高的通行能力。

4 結 語

筆者提出了一種基于硬件在環仿真的城市路網交通控制平臺，給出了平臺的邏輯框架以及架構設計，并通過對平臺中心系統、控制器接口的開發和平臺通訊測試實現了平臺中心系統的控制功能。通過路網實例在環仿真分析，結果表明平臺能夠實現包含單點控制、干線協調以及區域協同的控制功能，并對控制效果進行了準確評價，實現了路網交通控制的硬件在環仿真和控制效果評價的目標。平臺將仿真軟件與實際控制系統連接起來，搭建了數據互通的虛實互動場景，形成接近真實應用的操作環境，有利于準確評估系統控制效果。此外，平臺不僅可以接入單一控制系統，還可接入多類控制系統，對于當前較多城市存在多種信號控制系統并存的現象，有助于從城市全路網層面統一集中管理和優化交通信號，從而提升全路網交通運行效率。