集成VISSIM、C#和MATLAB 的交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王曉龍

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原，030032）

1 交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的搭建

1.1 VISSIM 二次開(kāi)發(fā)

圖1 VISSIM 的COM 接口調(diào)用層級(jí)圖

1.2 交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)VISSIM 的COM 接口與VISSIM建立信息交互，控制VISSIM 仿真的運(yùn)行、暫停，還可以修改VISSIM 中路網(wǎng)的車(chē)流量、信號(hào)配時(shí)等參數(shù)。在對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行仿真時(shí)，交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)COM 接口實(shí)時(shí)獲取設(shè)置在VISSIM 路網(wǎng)中各種檢測(cè)器（排隊(duì)檢測(cè)器、數(shù)據(jù)采集器、延誤檢測(cè)器等）的數(shù)據(jù)，并在交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中實(shí)時(shí)顯示并繪制折線(xiàn)圖。對(duì)其路網(wǎng)的運(yùn)行狀況將按照密度、平均速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并實(shí)時(shí)顯示，運(yùn)行情況有三種分別為阻塞、擁堵、通暢。當(dāng)交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)需要新的配時(shí)方案時(shí)，交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)將通過(guò)VISSIM 的COM 接口獲取目前VISSIM 信號(hào)配時(shí)方案及交通數(shù)據(jù)，隨后平臺(tái)再將數(shù)據(jù)傳入MATLAB，并運(yùn)行MATLAB 引擎及帶有信號(hào)配時(shí)算法的函數(shù)文件，將計(jì)算出的配時(shí)方案再通過(guò)交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)傳入VISSIM 之中應(yīng)用。其整體數(shù)據(jù)交互圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)交互示意圖

交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)建立VISSIM與MATLAB的聯(lián)系，使其能在仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示路網(wǎng)中的各類(lèi)參數(shù)（例如信號(hào)周期，排隊(duì)長(zhǎng)度，占有率等），進(jìn)而分析路網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。并且將信號(hào)配時(shí)算法計(jì)算出的配時(shí)方案?jìng)魅氲絍ISSIM 中進(jìn)行控制，從而建立起閉環(huán)的交通仿真平臺(tái)。交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的交互界面如圖3 所示。

圖3 交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

1.3 交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)運(yùn)行流程

首先交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)VISSIM 的COM 接口與VISSIM 進(jìn)行連接，控制VISSIM 的啟動(dòng)與VISSIM 文件的打開(kāi)，在平臺(tái)內(nèi)還可以修改VISSIM 路網(wǎng)中車(chē)流量、信號(hào)周期、仿真評(píng)價(jià)等。設(shè)置完成后平臺(tái)將控制VISSIM 啟動(dòng)仿真，并根據(jù)設(shè)置的檢測(cè)器時(shí)間間隔獲取路網(wǎng)數(shù)據(jù)。當(dāng)某一個(gè)信號(hào)燈走完一個(gè)周期時(shí)，平臺(tái)將按照信號(hào)配時(shí)算法和設(shè)置在路網(wǎng)中的檢測(cè)器數(shù)據(jù)計(jì)算出下一個(gè)周期的信號(hào)配時(shí)方案，并實(shí)時(shí)修改其信號(hào)配時(shí)。在仿真運(yùn)行的過(guò)程中，路網(wǎng)中的檢測(cè)器等數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)顯示在平臺(tái)之中，并根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制折線(xiàn)圖，分析路網(wǎng)的運(yùn)行情況。交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)其整體程序流程圖如圖4 所示。

圖4 交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)運(yùn)行流程

1.4 交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)功能

1.4.1 仿真控制模塊

仿真控制模塊的功能是控制VISSIM 的啟動(dòng)及VISSIM仿真運(yùn)行（開(kāi)始、暫停、停止）。“啟動(dòng)VISSIM”按鈕用于啟動(dòng)VISSIM，需要選擇好VISSIM 的工程文件。“重新加載VISSIM”按鈕，用于在仿真過(guò)程中某些參數(shù)變化后，如果需要保持初始狀態(tài)重新進(jìn)行仿真可以點(diǎn)擊此按鈕，VISSIM 將恢復(fù)初始打開(kāi)文件的樣子，即上一次保存的狀態(tài)。“重新加載MATLAB”按鈕，用于重新加載MATLAB，一般來(lái)說(shuō)系統(tǒng)中MATLAB 安裝沒(méi)有問(wèn)題的話(huà)，無(wú)需點(diǎn)擊此按鈕，平臺(tái)將自動(dòng)初始化MATLAB。“開(kāi)始仿真”“暫停仿真”“停止仿真”，分別用于控制VISSIM 的開(kāi)始、暫停、停止。其仿真控制模塊如圖5 所示。

圖5 仿真控制模塊

1.4.2 仿真設(shè)置模塊

仿真設(shè)置模塊是對(duì)VISSIM 仿真中的一些參數(shù)設(shè)置，包括路網(wǎng)中信號(hào)燈的設(shè)置、車(chē)流量的設(shè)置、仿真時(shí)長(zhǎng)的設(shè)置、仿真評(píng)價(jià)的設(shè)置、信號(hào)配時(shí)算法的設(shè)置。仿真設(shè)置模塊如圖6 所示。

6.對(duì)社會(huì)需求的長(zhǎng)短期影響比較。從匯率政策變動(dòng)對(duì)社會(huì)需求的脈沖響應(yīng)來(lái)看，匯率政策變動(dòng)對(duì)社會(huì)總需求在長(zhǎng)期并沒(méi)有很大的影響，但短期內(nèi)匯率政策變動(dòng)對(duì)社會(huì)需求的影響相當(dāng)顯著。2005年7月和2015年8月兩次大匯改的影響尤甚，對(duì)社會(huì)需求的影響趨勢(shì)也大致相同，在匯改后立刻有一個(gè)顯著的正向沖擊，隨后沖擊方向改變，最終漸漸趨平。

圖6 仿真設(shè)置模塊

1.4.3 仿真評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)顯示模塊

仿真數(shù)據(jù)顯示模塊如圖7 所示，它可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)置在VISSIM 路網(wǎng)中各種檢測(cè)器的數(shù)據(jù)。其中獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔將根據(jù)你設(shè)置的時(shí)間間隔獲取。在仿真參數(shù)設(shè)置中必須打開(kāi)相應(yīng)檢測(cè)器的評(píng)價(jià)開(kāi)關(guān)才可以獲取數(shù)據(jù)并顯示。

圖7 仿真評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)顯示模塊

1.4.4 交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

交通運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊如圖8 所示，在仿真運(yùn)行期間，平臺(tái)將從VISSIM 中獲取道路上的車(chē)流量、平均密度、平均速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，并根據(jù)其車(chē)流量、平均速度等數(shù)據(jù)判斷道路的運(yùn)行情況（通暢、擁堵、阻塞）。另外，必須設(shè)置好路段的評(píng)價(jià)才會(huì)在平臺(tái)中顯示。

圖8 交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

2 交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)測(cè)試

2.1 仿真交叉路口

為了測(cè)試交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)選取了現(xiàn)場(chǎng)作為測(cè)試對(duì)象，并通過(guò)VISSIM 根據(jù)實(shí)際車(chē)道數(shù)、車(chē)道寬度繪制交叉口，如圖9 所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)路口

2.2 車(chē)流量設(shè)置

點(diǎn)擊交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)中“車(chē)流量設(shè)置”按鈕，即可進(jìn)入車(chē)流量設(shè)置界面，如圖10 所示。雙擊單元格并點(diǎn)擊確定按鈕即可完成車(chē)流量的設(shè)置。

為了更好地模擬實(shí)際交通流量的變化，根據(jù)HCM2000手冊(cè)計(jì)算各個(gè)進(jìn)口道的實(shí)際飽和交通流量，計(jì)算公式如（1）所示，Cp為實(shí)際的道路飽和流量，CB為理想情況下道路的飽和流量（1800veh/h），R1 為道路寬度修正系數(shù)取值為0.75，2R為側(cè)向凈空修正系數(shù)取值為0.8，3R為行車(chē)視距修正系數(shù)取值為0.8，4R為沿途修正系數(shù)取值為0.7。

輸入的車(chē)流量按時(shí)間進(jìn)行變化，高峰期取飽和流量的0.8，高峰期以外取飽和流量的0.5，如表1 所示。

表1 交叉口輸入流量

2.3 信號(hào)配時(shí)設(shè)置

點(diǎn)擊交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的“信號(hào)燈設(shè)置”按鈕即可進(jìn)入信號(hào)配時(shí)設(shè)置界面，如圖11 所示。可以對(duì)信號(hào)周期、綠燈時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行修改。

圖11 信號(hào)燈設(shè)置界面

2.4 仿真參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的“仿真參數(shù)設(shè)置”按鈕，即可彈出仿真參數(shù)設(shè)置界面，其中包括評(píng)價(jià)和仿真運(yùn)行的設(shè)置，如圖12 所示。評(píng)價(jià)設(shè)置為各類(lèi)檢測(cè)器的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)打開(kāi)“Queue Length”開(kāi)關(guān)并設(shè)置好數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔后，平臺(tái)將根據(jù)時(shí)間間隔向VISSIM 獲取檢測(cè)器的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)在界面中顯示。仿真設(shè)置包括對(duì)仿真的時(shí)長(zhǎng)、速度、隨機(jī)種子的設(shè)置。為了更好地演示平臺(tái)的功能，本次測(cè)試將打開(kāi)所有的檢測(cè)器，并將仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為3650，隨機(jī)種子設(shè)置為1。

圖12 仿真參數(shù)設(shè)置界面

2.5 配時(shí)算法設(shè)置

配時(shí)算法的設(shè)置需要點(diǎn)擊“配時(shí)算法設(shè)置”按鈕彈出的設(shè)置界面如圖13 所示。算法設(shè)置分為無(wú)算法（固定配時(shí)），MATLAB 外置算法。

圖13 配時(shí)算法設(shè)置界面

為了驗(yàn)證仿真平臺(tái)的可行性，本次測(cè)試將采用兩種交通信號(hào)控制方案：固定配時(shí)和王傳海[1]的基于排隊(duì)長(zhǎng)度的交叉路口信號(hào)燈模糊控制方法。

2.5.1 固定配時(shí)

按照實(shí)際交叉口信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行控制，實(shí)際交叉口的信號(hào)燈相位及綠燈時(shí)長(zhǎng)如表2 所示。

表2 信號(hào)燈相位及綠燈時(shí)長(zhǎng)

2.5.2 基于排隊(duì)長(zhǎng)度的信號(hào)燈模糊控制

根據(jù)各個(gè)相位進(jìn)口道的排隊(duì)長(zhǎng)度和平均速度來(lái)對(duì)信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行調(diào)整。初始信號(hào)配時(shí)同樣采用實(shí)際交叉口信號(hào)配時(shí)方案。

為了提高模糊控制的準(zhǔn)確性，模糊控制器設(shè)置了兩個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量。兩個(gè)輸入量為車(chē)輛通過(guò)交叉口的平均車(chē)速（km/h）和平均排隊(duì)長(zhǎng)度差值 ΔL（m），輸出量為綠燈延長(zhǎng)時(shí)間Gd（s）。其中平均排隊(duì)長(zhǎng)度差值為當(dāng)前排隊(duì)長(zhǎng)度和歷史排隊(duì)長(zhǎng)度平均值的差值，如公式2-2 所示。平均速度是車(chē)輛在通過(guò)路口時(shí)的速度。這兩個(gè)量可以更好地反映交通的運(yùn)行情況。模糊控制的輸出量為相位綠燈時(shí)長(zhǎng)需要的增加或減少的時(shí)間。

根據(jù)模糊控制器，其兩個(gè)輸入量，平均排隊(duì)長(zhǎng)度差共有7 個(gè)模糊子集，平均速度有3 個(gè)模糊子集，因此模糊規(guī)則一共有21 條。如表3 所示。

表3 模糊控制規(guī)則表

模糊控制規(guī)則表通過(guò)推理去模糊化轉(zhuǎn)換成數(shù)值型的控制規(guī)則表，如圖14所示。

圖14 控制規(guī)則結(jié)果

2.6 數(shù)據(jù)分析

分別采用定時(shí)控制和自適應(yīng)控制對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行仿真，并將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行分析。如圖15 所示為平均排隊(duì)長(zhǎng)度的圖像，圖16 為平均速度變化曲線(xiàn)圖，圖17 為平均延誤變化曲線(xiàn)圖。

圖15 平均排隊(duì)長(zhǎng)度圖像

圖16 平均速度變化圖像

圖17 平均延誤變化圖像

通過(guò)對(duì)比交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的圖像，可以看出采用模糊控制的配時(shí)方法后，平均排隊(duì)長(zhǎng)度更加均衡，不會(huì)出現(xiàn)單相位平均排隊(duì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象。并且提高了平均速度，降低了平均延誤。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了交通狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)各個(gè)功能模塊的可行性。通過(guò)平臺(tái)可以分析在采取不同控制算法時(shí)的路網(wǎng)運(yùn)行情況。