CN102280027A - 交叉口半实物动态微观仿真***及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉口半实物动态微观仿真***，包括交叉口微观仿真模块、LED灯硬件模块、红绿灯硬件模块、信号配时控制模块和交叉口实物演示平台，信号配时控制模块向交叉口仿真模块和红绿灯硬件模块发送配时参数，依据红绿灯硬件模块的反馈信息控制交叉口仿真模块中红绿灯；交叉口微观仿真模块模拟交叉口车辆状况并计算交叉口平均每车延误；红绿灯硬件模块根据配时参数控制交叉口实物演示平台的红绿灯和倒计时数码管；LED硬件模块根据LED灯状态数据控制交叉口实物演示平台上的LED灯状态；交叉口实物演示平台实物形式演示车辆行驶通过交叉口的过程。本发明将交叉口红绿灯控制***和计算机仿真技术相结合，达到了集仿真研究和应用实践为一体的目的。

Description

交叉口半实物动态微观仿真***及其仿真方法

技术领域

    本发明属于交通仿真和计算机技术领域，涉及一种交叉口半实物动态微观仿真***及其仿真方法。

背景技术

仿真，顾名思义是指对真实实物的模仿，也称为“模拟”，它是指为了求解问题而人为地模拟真实***的部分或整个运行过程。而平面交叉口处交通状况复杂，是制约交通发展的瓶颈。交通仿真是研究复杂交通问题的重要工具，其目的就是运用计算机技术再现复杂的交通对象，并对这些现象进行解释、分析，找出问题的症结，最终对所研究的交通***进行优化。交通仿真可以清晰的辅助分析预测交通堵塞的地段和原因，对城市规划、交通工程和交通管理的有关方案进行比较和评价，在问题成为现实以前，尽量避免，或有所准备。在交通量比较大的交叉口，一般均采用信号控制。用仿真方法研究交叉口信号方案，是交通工程的一项重要课题。

目前，针对交叉口信号控制的交通仿真方法主要采用微观仿真方法，它对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟车、超车、车道变换、车辆排队和车辆冲突等行为等微观行为都能得到较真实的反映。对于交通仿真研究，国内外已经推出了几百种交通仿真软件，比较流行的也不下几十种。但是，这些交通仿真软件只仅仅局限于计算机上的研究和演示，并没有涉及到与之相匹配的研究应用硬件的开发。而且，高校研究者在进行交叉口信号控制研究以及教学过程中没有直观演示交通仿真实验的实物演示平台，导致研究者和学生不能够完全了解各种信号控制方案的现实可行性和意义。再者，研究者将计算机的交叉口信号控制仿真***和现实中信号控制***分开，只单纯做计算机上的仿真实验，导致该研究成果的实际应用性不大。这使得交通流的学术研究无法跟实践相结合，对后续研究及学习带来了很大的困扰。目前，城市交通控制***在硬软件的配置上相当完善，但在交叉口信号控制方面的功能却十分匮乏，使得交叉口时空利用率太低，致使车辆延误过大。 

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种交叉口半实物动态微观仿真***及其仿真方法，该***及方法是将交叉口信号控制仿真***与信号控制硬件***相结合，将交叉口红绿灯控制***和计算机交叉口仿真技术相结合,不仅可在计算机上进行仿真实验研究，也能将优化的研究结果同步应用到实际中，同时将计算机上的仿真过程以实物的形式展现出来，达到了集仿真研究模块和应用实践模块为一体的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种交叉口半实物动态微观仿真***，其特征在于，至少包括如下模块：

信号配时控制模块：用以向用户提供人机交互界面；根据目标交叉口4个方向上进口道的实际车流量、饱和车流量计算该交叉口的配时参数；根据交叉口微观仿真模块发送的车流量信息计算新的配时参数；根据红绿灯硬件模块每个仿真间隔发送的下一时序号控制交叉口微观仿真模块中红绿灯的时序转换；

交叉口微观仿真模块：用以向用户提供计算机进行交叉口仿真的人机交互界面；根据信号配时控制模块发送的配时参数模拟目标交叉口的交通情况并在计算机界面显示；实时向LED硬件模块发送仿真实验中路网内的LED灯状态数据；向信号配时控制模块发送车流量信息；计算每次仿真实验的整个交叉口平均每车延误；

LED灯硬件模块：用以根据交叉口微观仿真模块发送的LED灯状态数据实时控制交叉口实物演示平台上的LED灯的状态；

红绿灯硬件模块：用以根据信号配时控制模块发送的配时参数控制交叉口实物演示平台的红绿灯和倒计时数码管，包括控制时序转换和倒计时数码管的减计时；

交叉口实物演示平台：用以根据接收到红绿灯硬件模块和LED灯硬件模块发送的控制信号,以实物的形式展现仿真实验过程中交叉口微观仿真模块界面上车辆通过交叉口的运动过程；

其中，交叉口微观仿真模块与信号配时控制模块、LED灯硬件模块连接，信号配时控制模块与红绿灯硬件模块连接，LED灯硬件模块、红绿灯硬件模块分别与交叉口实物演示平台连接。

所述交叉口实物演示平台为一个基台，该基台上标有交叉口车道，交叉口车道上设置LED灯、车道红绿灯、人行道红绿灯、倒计时数码管和电路接口。

所述LED灯硬件模块包括若干块24点控制电路，交叉口微观仿真模块连接所述每块24点控制电路，每块24点控制电路连接交叉口实物演示平台上的对应组的24个LED灯的电路接口，所述24点控制电路由微处理器、串口通信模块、拨码开关、并行I/O口扩展模块和光电耦合隔离模块组成。

所述红绿灯硬件模块包括1个24点控制电路和1个24V转220V的弱电控制强电模块，所述24点控制电路由微处理器、串口通信模块、拨码开关、并行I/O口扩展模块和光电耦合隔离模块组成。

上述的交叉口半实物动态微观仿真***的仿真方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：用户任意选择一个现实中的目标交叉口；

步骤2：实地调研目标交叉口4个方向上进口道的车流量、饱和车流量；

步骤3：参照图15，连接***各模块，启动***； 

步骤4：用户在交叉口微观仿真模块人机界面上编写路网文件、交通需求文件并存储，用户编写的路网文件的结构与交叉口演示平台上的交叉口结构相一致；

步骤5：用户在信号配时控制模块的人机界面填写调研得到的交叉口4个方向上进口道的车流量和饱和车流量，信号配时控制模块利用韦伯斯特信号配时优化公式计算得到所选择方案下该交叉口的配时参数；或者，用户在信号配时控制模块的人机界面直接填写配时参数；

步骤6：信号配时控制模块询问用户是否想要进行自适应控制，是则提示用户在交叉口微观仿真模块的人机界面上填写交叉口微观仿真模块发送车流量数据的间隔时长（以秒为单位），该间隔时长不小于一个信号周期(一个信号周期为初始配时参数定义的4个时序时长之和)，然后执行步骤7；否则直接执行步骤7；

所述自适应控制是指在同一次仿真实验过程中，***根据用户填写的间隔时长自动进行多个配时参数控制。

步骤7：信号配时控制模块将步骤5中的配时参数同时发送给红绿灯硬件模块、交叉口微观仿真模块，然后执行步骤8，交叉口微观仿真模块接收到配时参数后执行步骤9，同时红绿灯硬件模块接收到配时参数后执行步骤11；

步骤8：信号配时控制模块实时将红绿灯硬件模块发送的下一时序的时序号发送给交叉口微观仿真模块，从而控制交叉口微观仿真模块和红绿灯硬件模块的同步仿真，直至收到交叉口仿真模块的仿真实验结束信号，将仿真实验结束信号发送给红绿灯硬件模块并退出；实时将交叉口微观仿真模块发送的车流量信息计算得到新的配时参数发送给红绿灯硬件模块；

步骤9：交叉口微观仿真模块接收到配时参数后进行仿真实验并在计算机界面显示，实时地将仿真实验中路网内的LED灯的状态数据发送给LED灯硬件模块，根据用户填写间隔时长的情况向信号配时控制模块发送上一间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量以及饱和车流量，直至用户通过交叉口微观仿真模块的人机界面请求结束仿真实验；

步骤10：LED灯硬件模块判断是否接收到LED灯的状态数据，是则根据接收到的数据实时控制交叉口实物演示平台上所有LED灯在每一秒的亮灭，否则重新判断；

步骤11：红绿灯硬件模块将接收到的配时参数转换为时序信息，并根据时序信息控制交叉口实物平台上的红绿灯的灯色和倒计时数码管，在每次时序转换时向信号配时控制模块发送下一时序的序号，直至接收到信号配时控制模块发送的仿真实验结束信息；

步骤12：步骤8、步骤9、步骤10和步骤11同时进行直至仿真实验结束，最终交叉口仿真模块显示当次仿真实验的整个交叉口平均每车延误。

进一步的，上述方法还包括步骤13，用户根据当次仿真实验的交叉口平均每车延误来决定是否需要调整配时参数，是则返回步骤5；否则，用户将红绿灯硬件模块连接到现实的目标交叉口的红绿灯和倒计时器的电路接口，并利用本次实验的配时参数控制目标交叉口红绿灯和倒计时器。

所述配时参数是指东西向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长以及南北向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长4个参数。

所述步骤8具体包括如下步骤：

步骤801：判断是否收到红绿灯硬件模块发送的下一时序的时序号，是则将其转发给交叉口微观仿真模块，然后执行步骤802；否则，执行步骤802；

步骤802：提示用户根据需要填写新的配时参数，然后判断用户是否填写了新的配时参数，是则将用户填写的新的配时参数发送给红绿灯硬件模块，然后执行步骤804；否则，执行步骤803；在仿真实验过程中，用户可根据人机界面的提示多次填写新的配时参数；

步骤803：判断是否收到交叉口微观仿真模块发送的上一间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量和饱和车流量，是则根据该交通流数据利用韦伯斯特信号配时优化公式计算得到新的配时参数，然后将新的配时参数发送给红绿灯硬件模块，接着执行步骤804；否则，执行步骤804；

步骤804：判断是否接收到交叉口仿真模块发送的仿真实验结束信息，是则将仿真实验结束信息发给红绿灯硬件控制模块，并通过人机界面通知用户该次仿真实验结束；否则，转入步骤801；

所述步骤9具体包括如下步骤：

步骤901：统计本次仿真实验已经进行了多少个仿真间隔，并在界面上显示；

步骤902：调用用户编辑的路网文件在人机界面上显示交叉口路网；

步骤903：判断是否接收到信号配时控制模块发送的下一时序的时序号，是则根据新的时序号确定路网上交叉口红绿灯的灯色并显示；否则，按照当前时序的时序号确定路网上交叉口红绿灯的灯色并显示；

步骤904：调用交通需求文件在交叉口路网的车道入口点处产生车辆；

步骤905：根据上一秒路网上每一车辆的车头位置坐标值，计算路网上每一车辆的当前秒的车头位置坐标值，并在该位置处显示该车辆；

步骤906：将路网上的车道分成96个车格，统计每一仿真间隔每个车格的车辆情况，并其转换为相对应4组LED灯的状态数据；每一仿真间隔将每组LED灯的状态数据发送给LED灯硬件模块；

步骤907：统计当前仿真间隔内路网上交叉口4个方向上的进口道的车流量、饱和车流量、车辆平均速度、停车次数、车辆排队长度，将其存储为检测文件；

步骤908：判断用户是否在人机界面上填写了间隔时长，是则执行步骤909；否则，执行步骤910；

步骤909：判断步骤901统计的当前仿真间隔数是否为间隔时长的整数倍，是则将检测文件中上一个间隔时长内检测到的每个仿真间隔内的交叉口4个方向上进口道的车流量累加，并将累加得到上一个间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量以及饱和车流量发送给信号配时控制模块，然后执行步骤910；否则，直接执行步骤910；

步骤910：实时判断用户是否通过人机界面请求结束仿真，是则利用HCM2000延误模型计算本次仿真实验的整个交叉口平均每车延误，并向信号配时控制模块发送本次仿真实验结束信息；否则，转入步骤901。

所述步骤11具体包括如下步骤：

步骤1101：红绿灯硬件模块中的24点控制电路的微处理器将接收到的配时参数对应存储为4个时序的时间长度；

步骤1102：红绿灯硬件模块中的微处理器从时序0开始，按时序顺序循环控制红绿灯，按照每个时序规定的灯色点亮交叉口实物演示平台上的红绿灯，并对当前时序的时间长度进行减计时，计时单位为1秒；每秒更新交叉口倒计时数码管显示的当前时序的剩余时间；如果当前时序的时间长度减计时到0时，按照新的时序减计时，每次时序转换时微处理器向信号配时控制模块发送下一时序的序号；自动切换到时序1，以此类推，直至时序3减计时结束；

步骤1103：判断是否接收到信号配时控制模块发送的新的配时参数，是则转入步骤1101，否则直接执行步骤1104；

步骤1104：判断是否接收到信号配时控制模块发送的本次仿真实验结束信息，是则停止交叉口实物演示平台上倒计时数码管的倒计时并灭掉红绿灯；否则，转入步骤1102。

本发明的交叉口半实物动态微观仿真***及其仿真方法的优点：

1、半实物仿真：突破了交叉***通仿真局限于计算机模拟的传统思路，把相互独立的计算机仿真、硬件控制和实物演示有机的结合起来并同步控制，实现了对于交叉***通流虚拟仿真与实物演示的同步进行，在理论研究和实际应用之间架起桥梁。

2、红绿灯硬件模块预留220v接口，使实验结果可以直接用于现实中交叉口的信号控制，与现实实现过程无缝衔接。

3、实物演示：利用LED灯亮灭模拟现实交叉口的车辆运动，并利用红绿灯、倒计时数码管模拟现实红绿灯和倒计时数码管，实现了直观的实物演示微观交通流。

本发明采用元器件简单，易于安装，成本低廉，使用方便，可以根据需要灵活地控制仿真实验过程，在一次仿真实验中进行多次配时参数的执行，实现计算机界面仿真模拟和实物平台的仿真模拟同步进行，克服了现有仿真技术只局限于理论研究而忽略了实践应用以及实验不能真实的展现的缺陷，导致其实用性不大的缺陷。

附图说明

图1是交叉口实物演示平台的每个车道的LED灯布置示意图。

图2是交叉口实物演示平台的交叉口的LED灯布置图。

图3是交叉口实物演示平台的LED灯总布置图。

图4是交叉口实物演示平台的每组24个LED灯的接线图。

图5是交叉口实物演示平台的车道红绿灯接线图。

图6是交叉口实物演示平台的人行道红绿灯接线图。

图7是交叉口实物演示平台的倒计时数码管接线图。

图8是LED灯硬件模块原理框图。

图9是24点控制电路原理框图。

图10是红绿灯硬件模块原理框图。

图11是本发明的仿真方法的工作流程图。

图12 是信号配时控制模块的工作流程图。

图13是交叉口微观仿真模块的工作流程图。

图14是红绿灯硬件模块的流程图。

图15是本发明的交叉口半实物动态微观仿真***的结构示意图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式  

参见图15，本发明的交叉口半实物动态微观仿真***，包括：交叉口微观仿真模块、信号配时控制模块、LED灯硬件模块、红绿灯硬件模块和交叉口实物演示平台。其中，交叉口微观仿真模块与信号配时控制模块通过双绞线连接，交叉口微观仿真模块通过RS232串口线与LED灯硬件模块连接，信号配时控制模块通过RS232串口线与红绿灯硬件模块连接，LED灯硬件模块、红绿灯硬件模块分别通过导线与交叉口实物演示平台连接。

交叉口实物演示平台：用以根据接收到红绿灯硬件模块和LED灯硬件模块发送的控制信号,以实物的形式展现仿真实验过程中交叉口微观仿真模块界面上车辆通过交叉口的运动过程。

交叉口实物演示平台为一个基台，该基台上标有交叉口车道，该交叉口车道与所选的现实中的目标交叉口的车道等比例，交叉口车道上设置LED灯、车道红绿灯、人行道红绿灯、倒计时数码管和电路接口。其中，LED灯用以根据LED灯硬件模块发送的控制信号模拟交叉口车辆行驶状况；车道红绿灯、人行道红绿灯用以模拟目标交叉口的车道红绿灯、人行道红绿灯的状态；倒计时数码管用以模拟目标交叉口的红绿灯倒计时牌；电路接口用以连接红绿灯硬件模块和LED灯硬件模块。

参见图1，基台上的每条车道上均匀设置20个LED灯，分为5排，每排4个，图中箭头方向为模拟车辆的行驶方向；参见图2，基台上的交叉口上设置16个LED灯，分为4排，每排4个；每个LED灯对应交叉口微观仿真模块中交叉口道路上的一个车格，该车格有车则对应的LED灯亮，否则LED灯灭。参见图3，将96个LED灯顺序编号，并按编号将LED灯均分为4组。参见图4，每组的24个LED灯的阳极并接，阴极分别控制，形成一个标准的26针的电路接口(一个针置空)。4个LED灯的电路接口分别与LED灯硬件模块的输出接口对应连接。参见图5、图6，基台上设置了4个车道红绿灯、4个倒计时数码管和4个人行道红绿灯。车道红绿灯、人行道红绿灯均采用220v高亮度信号指示灯。东西向的2个车道红绿灯线路并接，其灯色保持一致，同理，东西向的2个人行道红绿灯线路并接、南北向的车道红绿灯线路并接、南北向人行道红绿灯线路并接，共形成4个接口。参见图7，东西向的2个倒计时数码管的管脚对应并接为一个10针的接口，南北向的2个倒计时数码管与东西向相同，倒计时数码管共形成2个接口，上述6个接口分别与红绿灯硬件模块的输出接口对应连接。

LED灯硬件模块：用以根据交叉口微观仿真模块发送的LED灯状态数据实时控制交叉口实物演示平台上的LED灯的状态。

参见图8，LED灯硬件模块包括4块24点控制电路，交叉口微观仿真模块连接每块24点控制电路，每块24点控制电路有唯一地址，每块24点控制电路通过26路导线连接交叉口实物演示平台上的对应组的LED灯的电路接口，每组24个LED灯。参见图9，每块24点控制电路由微处理器、串口通信模块、拨码开关、并行I/O口扩展模块和光电耦合隔离模块组成。微处理器用以处理接收到的十六进制数据，微处理器选用At89c51；串口通信模块用以实现计算机和微处理器串口通信；拨码开关用以确定当前24点控制电路的地址；并行I/O口扩展模块用以将微处理器的点位控制能力提高到24个；光电耦合隔离模块用以将并行I/O口扩展模块输出的每个点的5v电压转换为24v控制电压。串口通信模块、拨码开关的输出端分别连接微处理器的输入端，微处理器的输出端连接并行I/O口扩展模块的输入端，并行I/O口扩展模块的输出端连接光电耦合隔离模块的输入端；光电耦合隔离模块的输出端作为LED灯硬件模块的输出接口。

红绿灯硬件模块：用以根据信号配时控制模块发送的配时参数控制交叉口实物演示平台的红绿灯和倒计时数码管，包括控制时序转换（红绿灯的灯色转换）和倒计时数码管减计时。

参见图10，红绿灯硬件模块包括1个24点控制电路和1个24V转220V的弱电控制强电模块。信号配时控制模块连接红绿灯硬件模块的24点控制电路，24点控制电路连接弱电控制强电模块，弱电控制强电模块用以将该24点控制电路输出端中的6个点控的高低电位转换为6个输出为0~220V的点，其中，前3个点形成一个输出接口，用导线连接实物演示平台的东西向车道红绿灯，用以控制东西向车道红灯、黄灯和绿灯；后3个点形成一个输出接口，用导线连接到实物演示平台上南北向车道红绿灯；在上述6个点中，控制东西向车道红灯的点与控制南北向车道红灯的点可形成一个输出接口，用导线连接到演示平台上东西向人行道红绿灯接口；控制东西向车道红灯的点与控制南北向车道红灯的点可形成另一个输出接口，用导线连接到演示平台上南北向人行道红绿灯接口。24点控制电路输出端的其余18个点中，9个点形成的接口连接实物演示平台上东西向数码管接口，另9个点形成的接口连接实物演示平台上南北向数码管接口。

6个点控制车道、人行道所有红绿灯的原理：东西向人行道绿灯和南北向车道红灯同亮同灭；东西向人行道红灯和东西向车道红灯同亮同灭；南北向人行道绿灯和东西向车道红灯同亮同灭；南北向人行道红灯和南北向车道红灯同亮同灭。因此，实物演示平台上的东西向人行道绿灯、南北向人行道红灯和南北向车道红灯可用同一个点控制；实物演示平台上的东西向人行道红灯、南北向人行道绿灯和东西向车道红灯可用同一个点控制；实物演示平台上的东西向车道绿灯和黄灯分别需要一个点控制；实物演示平台上的南北向车道绿灯和黄灯分别需要一个点控制，这样就达到了6个点控制实物演示平台上所有的红绿灯了。由于这6个点都是0~220V输出点，因此红绿灯硬件模块的输出接口可直接控制实际交叉口的红绿灯(0~220V)。

信号配时控制模块：用以向用户提供人机交互界面；根据目标交叉口4个方向上进口道的实际车流量、饱和车流量计算该交叉口的配时参数；根据交叉口微观仿真模块发送的车流量信息计算新的配时参数；根据红绿灯硬件模块每个仿真间隔发送的下一时序号控制交叉口微观仿真模块中红绿灯的时序转换。

在本发明中，交叉口的红绿灯状态采用两相位制，因此配时参数是指东西向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长以及南北向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长等4个参数，且该交叉口的红绿灯有4个时序(信号阶段)，时序的设置见步骤1101。

交叉口微观仿真模块：用以向用户提供计算机进行交叉口仿真的人机交互界面；根据信号配时控制模块发送的配时参数模拟目标交叉口的交通情况并在计算机界面显示；实时向LED硬件模块发送仿真实验中路网内的LED灯状态数据；向信号配时控制模块发送车流量信息；计算每次仿真实验的整个交叉口平均每车延误。

具体功能如下： 

1）根据交叉口路网文件在计算机可视界面显示路网。即根据路网文件，利用fox-1.6.36窗口图像工具在界面上画出交叉口路网 (双向四车道的信号十字交叉口图像)。本发明中，该交叉口路网的图像与目标交叉口比例为1:10000，车道间以白线区分。

2）按照交通需求文件在路网的车道入口点处产生车辆。即根据交通需求文件中的每个OD量(路网某一入口处每小时的车流入量)，采用泊松分布来确定每辆车在其对应的节点进入路网的时间(即第几个仿真间隔产生车辆)，并利用fox-1.6.36窗口图像工具在界面路网图像上对应入口节点处画出该辆车(以长方块形式表示)。

3）按照信号配时控制模块发送的红绿灯时序号确定当前仿真间隔红绿灯的灯色并显示，仿真间隔为1秒。共设置4个时序，时序设置与红绿灯硬件模块中的时序设置相同且时间上同步；按照信号配时控制模块发送的时序号所对应的红绿灯灯色利用fox-1.6.36窗口图像工具，在计算机界面上路网图像中的交叉口与各个流入交叉口路段相接的地方画出该方向对应红绿灯的颜色。

4）在每一仿真间隔计算当前路网上所有车辆的位置(坐标)并将其显示。车辆在一段时间内完成的移动(即车辆的微观运动特性)，可用车辆在路段上的二维坐标的变化来表示。根据车辆运动特性模型，车辆加、减速模型，车辆跟驰模型和车辆可接受间距模型计算车辆在当前仿真间隔的新坐标并利用fox-1.6.36窗口图像工具在界面上路网图像中画出该车辆。

5）用以检测交叉口范围内车辆信息。即统计当前仿真间隔交叉口4个方向上进口道(车辆驶入交叉口的路段)的车流量、饱和车流量、车辆的平均速度、最大车辆排队长度、停车次数；并每隔一段时间(用户填写的间隔时长)将检测到的该段时间内车流量和饱和车流量发送给信号配时控制模块。

6）用以在每一仿真间隔统计并发送交叉口微观仿真模块界面上所有LED灯的状态信息。根据实物演示平台上LED灯的布置，将路网上的车道分成96个车格(车格长为最短车辆长度)，并按照实物演示平台上LED灯编号对车格进行相同编号；在每一仿真间隔按车格的编号顺序扫描每个车格是否有车辆占用，有车的车格对应的数据位为1，无则标记为0，从而统计得到每个车格对应的LED灯状态的二进制数据，译为十六进制字符串，将统计得到的数据按组分别发送LED硬件模块。

7）用以在仿真实验结束时，即根据检测到的交叉口范围内车辆信息，利用HCM2000延误模型计算本次仿真实验的整个交叉口平均每车延误。

参见图11，本发明的交叉口半实物动态微观仿真方法具体包括如下步骤：

步骤1：用户任意选择一个现实中的目标交叉口；

步骤2：实地调研目标交叉口4个方向上进口道的车流量、饱和车流量；

步骤3：参照图15，连接***各模块，启动***； 

步骤4：用户在交叉口微观仿真模块人机交互界面上编写路网文件、交通需求文件并存储，用户编写的路网文件的结构与交叉口演示平台上的交叉口结构相一致；

路网文件是用户利用XML文件形式建立交叉口路网拓扑结构，即用点、线的形式描述交叉口路网。节点与路段是反映路网拓扑关系的两个基本要素。一个节点可代表一个交叉口作为反映道路拓扑关系的基本要素。一个节点也可代表一个车辆产生点或吸引点(OD点),车辆通过这些OD点进入或驶离路网。一条路段代表的是一个节点到另一个节点之间的有向线段。一条连接路段代表的是在交叉口节点内部连接一条流入交叉口的路段(上游路段)和一条流出交叉口路段(下游路段)的有向路段。通过各路段与节点的关系可反映路段与节点的流出流入关系、路段与路段之间的连接关系、车道与其它相关车道之间的连接或者相邻关系。本发明中，用户通过如下步骤建立路网文件：首先，用户在XML文件中定义4个元素代表4个节点，并对每个节点元素建立多个属性，包括节点编码、节点的横坐标值、节点的纵坐标值；定义一个交叉口类型节点元素，包含以下属性：节点编码、交叉口的几何参数(确定交叉口形状的多个坐标值)；定义多个路段元素，每个元素包括以下属性：路段编码、路段起点的节点编码、终点的节点编码、路段长度、路段的几何形状(确定路段形状的多个坐标值)、路段的车道数、路段的宽度、路段的最大限速；接着定义交叉口节点内的连接路段元素，该元素属性包含：连接路段的编码、连接路段的几何形状(确定连接路段形状的多个坐标值)、上游路段的路段编码、下游路段的路段编码、最大限速，最终形成交叉口路网拓扑结构。

交通需求文件是用户利用XML文件形式建立该交叉口的车辆出行OD需求的文件。用户在XML文件中定义多个OD需求元素，每个元素包含以下属性：OD编码、起点编码、终点编码、OD量/veh*h^-1、车长度、车辆最大加速度。

步骤5：用户在信号配时控制模块的人机界面填写调研得到的交叉口4个方向上进口道的车流量和饱和车流量，信号配时控制模块利用韦伯斯特信号配时优化公式计算得到所选择方案下该交叉口的配时参数，配时参数是指东西向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长以及南北向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长4个参数；或者，用户在信号配时控制模块的人机界面直接填写配时参数。

步骤6：信号配时控制模块询问用户是否想要进行自适应控制，是则提示用户在交叉口微观仿真模块的人机界面上填写交叉口微观仿真模块发送车流量数据的间隔时长（以秒为单位），该间隔时长不小于一个信号周期(一个信号周期为初始配时参数定义的4个时序时长之和)，然后执行步骤7；否则直接执行步骤7。

所述的自适应控制是指在同一次仿真实验过程中，***根据用户填写的间隔时长以及仿真实验中的具体情况自动进行多个配时参数控制。

步骤7：信号配时控制模块将步骤5中的配时参数同时发送给红绿灯硬件模块、交叉口微观仿真模块，然后执行步骤8，交叉口微观仿真模块接收到配时参数后执行步骤9，同时红绿灯硬件模块接收到配时参数后执行步骤11。

步骤8：信号配时控制模块实时将红绿灯硬件模块发送的下一时序的时序号发送给交叉口微观仿真模块，从而控制交叉口微观仿真模块和红绿灯硬件模块的同步仿真，直至收到交叉口仿真模块的仿真实验结束信号，将仿真实验结束信号发送给红绿灯硬件模块并退出；实时将交叉口微观仿真模块发送的车流量信息计算得到新的配时参数发送给红绿灯硬件模块；参照图12，具体包括如下步骤：

步骤801：判断是否收到红绿灯硬件模块发送的下一时序的时序号，是则将其转发给交叉口微观仿真模块，然后执行步骤802；否则，执行步骤802。

步骤802：提示用户根据需要填写新的配时参数，然后判断用户是否填写了新的配时参数，是则将用户填写的新的配时参数发送给红绿灯硬件模块，然后执行步骤804；否则，执行步骤803。

在仿真实验过程中，用户可根据人机界面的提示多次填写新的配时参数。

步骤803：判断是否收到交叉口微观仿真模块发送的上一间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量和饱和车流量，是则根据该交通流数据利用韦伯斯特信号配时优化公式计算得到新的配时参数，然后将新的配时参数发送给红绿灯硬件模块，接着执行步骤804；否则，执行步骤804。

步骤804：判断是否接收到交叉口仿真模块发送的仿真实验结束信息，是则将仿真实验结束信息发给红绿灯硬件控制模块，并通过人机界面通知用户该次仿真实验结束；否则，转入步骤801。

步骤9：交叉口微观仿真模块接收到配时参数后进行仿真实验并在计算机界面显示，实时地将仿真实验中路网内的LED灯的状态数据发送给LED灯硬件模块，根据用户填写间隔时长的情况向信号配时控制模块发送上一间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量以及饱和车流量，直至用户通过交叉口微观仿真模块的人机界面请求结束仿真实验；参照图13，具体包括如下步骤：

步骤901：统计本次仿真实验已经进行了多少个仿真间隔(即仿真实验进行到了第几秒，仿真间隔为1s)，并在界面上显示；

步骤902：调用用户编辑的路网文件在人机界面上显示交叉口路网；

步骤903：判断是否接收到信号配时控制模块发送的下一时序的时序号，是则根据新的时序号确定路网上交叉口红绿灯的灯色并显示，然后执行步骤904；否则，继续按照当前时序的时序号确定路网上交叉口红绿灯的灯色并显示。

步骤904：调用交通需求文件在交叉口路网的车道入口点处产生车辆；

步骤905：根据上一秒路网上每一车辆的车头位置坐标值，计算路网上每一车辆的当前秒的车头位置坐标值，并在该位置处显示该车辆；

利用车辆运动特性模型，车辆加、减速模型，车辆跟驰模型和车辆可接受间距模型，流入交叉口车道上的第1个车辆读取交叉口该方向上信号灯的灯色，如果是黄灯或红灯，车辆加、减速模型计算其减速度，确保在停车线处速度为0；如果是绿灯，车辆加、减速模型计算其加速度，保证其加速度不大于现实车辆的最大加速度；车辆运动特性模型根据跟驰状态或者加、减速度计算车辆的速度和经过1S后的位置坐标。对于非车队队首的车，可接受间距模型计算其与前辆车的车头时距；根据车头时距和车辆速度，跟驰模型判断车辆是否进入跟驰状态，否则车辆加、减速模型计算车辆的加或减速度；车辆运动特性模型根据跟驰状态或者加、减速度计算车辆的速度和经过1S后的位置坐标；

步骤906：将路网上的车道分成96个车格，统计每一仿真间隔每个车格的车辆情况，并其转换为相对应4组LED灯的状态数据；每一仿真间隔将每组LED灯的状态数据发送给LED灯硬件模块；

具体是按车格的编号顺序扫描每个车格是否有车辆占用，有车的车格对应的数据位为1，无则标记为0，从而统计得到每个车格对应的LED灯状态的二进制数据，将统计得到的LED灯的状态数据译为十六进制数存储到字符串变量中。

步骤907：统计当前仿真间隔内路网上交叉口4个方向上的进口道的车流量、饱和车流量、车辆平均速度、停车次数、车辆排队长度，将其存储为检测文件；

步骤908：判断用户是否在人机界面上填写了间隔时长，是则执行步骤909；否则，执行步骤910。

步骤909：判断步骤901统计的当前仿真间隔数是否为间隔时长的整数倍，是则将检测文件中上一个间隔时长内检测到的每个仿真间隔内的交叉口4个方向上进口道的车流量累加，并将累加得到上一个间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量以及饱和车流量发送给信号配时控制模块，然后执行步骤910；否则，直接执行步骤910。

步骤910：实时判断用户是否通过人机界面请求结束仿真，是则利用HCM2000延误模型计算本次仿真实验的整个交叉口平均每车延误，并向信号配时控制模块发送本次仿真实验结束信息；否则，转入步骤901。

步骤10：LED灯硬件模块判断是否接收到LED灯的状态数据，是则根据接收到的数据实时控制交叉口实物演示平台上所有LED灯在每一秒的亮灭，否则重新判断。

LED灯硬件模块中的每个24点控制电路的根据自身地址保存对应组的交叉口实物演示平台上的LED灯状态信息的6位十六进制数，再由微处理器将其译为24位二进制数(1为实物演示平台上的LED灯亮，0为灭)，微处理器通过并行I/O口扩展模块输出24点的5V控制电压；光电耦合隔离模块将5v电压提升为24v的输出接口，连接交叉口实物演示平台上对应组的LED灯的电路接口。

步骤11：红绿灯硬件模块将接收到的配时参数转换为时序信息，并根据时序信息控制交叉口实物平台上的红绿灯的灯色和倒计时数码管，在每次时序转换时向信号配时控制模块发送下一时序的序号，直至接收到信号配时控制模块发送的仿真实验结束信息。参照图14，具体包括如下步骤：

步骤1101：红绿灯硬件模块中的24点控制电路的微处理器将接收到的配时参数对应存储为4个时序的时间长度。

所述时序信息是指：红绿灯硬件模块将红绿灯的状态设置4个时序：时序0：东西向车道绿灯亮，人行道红灯亮；南北向车道红灯亮，人行道绿灯亮，时序0的时间长度为东西向车道绿灯时长。时序1：东西向车道黄灯亮，人行道红灯亮；南北向车道红灯亮，人行道绿灯亮，时序1的时间长度为东西向车道黄灯时长。时序2：南北向车道绿灯亮，人行道红灯亮；东西向车道红灯亮，人行道绿灯亮，时序2的时间长度为南北向车道绿灯时长。时序3：南北向车道黄灯亮，人行道红灯亮；东西向车道红灯亮，人行道绿灯亮，时序3的时间长度为南北向车道黄灯时长。

步骤1102：红绿灯硬件模块中的微处理器从时序0开始，按时序顺序循环控制红绿灯，按照每个时序规定的灯色点亮交叉口实物演示平台上的红绿灯，并对当前时序的时间长度进行减计时，计时单位为1秒；每秒更新交叉口倒计时数码管显示的当前时序的剩余时间；如果当前时序的时间长度减计时到0时，按照新的时序减计时，每次时序转换时微处理器向信号配时控制模块发送下一时序的序号；自动切换到时序1，以此类推，直至时序3减计时结束；执行步骤1103。

步骤1103：判断是否接收到信号配时控制模块发送的新的配时参数，是则转入步骤1101，否则直接执行步骤1104；

原理：红绿灯硬件模块中的24点控制电路中串口通讯模块的数据传输采用中断方式，即串口通讯模块在接收到新的配时参数时，向微处理器发送中断请求信息，微处理器响应中断即保护现场，存储接收到的配时参数并置接受标志位(变量)为1，然后恢复现场，中断返回，继续执行刚才未完的工作，直到执行步骤1103时，判断接收标志位是否为1，是则置接收标志位为0，转入步骤1101；否则直接执行步骤1104。

步骤1104：判断是否接收到信号配时控制模块发送的本次仿真实验结束信息，是则停止交叉口实物演示平台上倒计时数码管的倒计时并灭掉红绿灯；否则，转入步骤1102。

步骤12：步骤8、步骤9、步骤10和步骤11同时进行直至仿真实验结束，最终交叉口仿真模块显示的整个交叉口平均每车延误。

步骤13：用户根据当次仿真实验的交叉口平均每车延误来决定是否需要调整配时参数，是则返回步骤5；否则，说明本次仿真实验的配时参数合格，用户将红绿灯硬件模块连接到现实的目标交叉口的红绿灯和倒计时器的电路接口，并利用本次实验的配时参数控制目标交叉口红绿灯和倒计时器。

实际应用时，用户可进行多次仿真实验，得到每个仿真实验的整个交叉口平均每车延误，交叉口平均每车延误最小的仿真实验中的配时参数的方案为最佳交叉口控制方案，通过信号配时控制模块将配时参数发送到红绿灯硬件模块，再将红绿灯硬件模块的220V红绿灯输出接口接到现实中的交叉口红绿灯上，从而实现理论研究的目的，提高现实中的交叉口的时空利用率。

综上，用户利用信号配时控制模块为交叉口仿真模块中虚拟红绿灯和实物模块中的红绿灯提供配时参数，该信号配时控制模块依据红绿灯硬件模块的反馈信息控制仿真模块中红绿灯的运行过程；交叉口微观仿真模块模拟了在所给的不同信号控制方案下车辆行驶通过交叉口的过程并以图像动态描述其过程，可对该方案进行标准的指标评估，使用户可根据评估结果不断调整信号控制方案，以达到最优控制，即整个交叉口平均每车延误最小；红绿灯硬件模块根据信号配时控制模块提供的配时参数控制交叉口实物演示平台红绿灯和倒计时数码管的运行；LED硬件模块根据仿真模块每一秒提供的数据控制交叉口实物演示平台上模拟车辆的LED灯的状态；而交叉口实物演示平台在上述硬件模块控制下以实物形式演示了仿真模块界面上不同信号控制方案下车辆行驶通过交叉口的视觉过程。红绿灯硬件模块可控制实际交叉口的红绿灯，给得到的最优信号控制方案的实际应用提供了相匹配的硬件模块，交叉口实物演示平台首次以模拟车道上均匀布置的LED灯的闪烁来表示车辆的通行。

Claims (10)

1.一种交叉口半实物动态微观仿真***，其特征在于，至少包括如下模块：

信号配时控制模块：用以向用户提供人机交互界面；根据目标交叉口4个方向上进口道的实际车流量、饱和车流量计算该交叉口的配时参数；根据交叉口微观仿真模块发送的车流量信息计算新的配时参数；根据红绿灯硬件模块每个仿真间隔发送的下一时序号控制交叉口微观仿真模块中红绿灯的时序转换；

交叉口微观仿真模块：用以向用户提供计算机进行交叉口仿真的人机交互界面；根据信号配时控制模块发送的配时参数模拟目标交叉口的交通情况并在计算机界面显示；实时向LED硬件模块发送仿真实验中路网内的LED灯状态数据；向信号配时控制模块发送车流量信息；计算每次仿真实验的整个交叉口平均每车延误；

LED灯硬件模块：用以根据交叉口微观仿真模块发送的LED灯状态数据实时控制交叉口实物演示平台上的LED灯的状态；

红绿灯硬件模块：用以根据信号配时控制模块发送的配时参数控制交叉口实物演示平台的红绿灯和倒计时数码管，包括控制时序转换和倒计时数码管减计时；

交叉口实物演示平台：用以根据接收到红绿灯硬件模块和LED灯硬件模块发送的控制信号,以实物的形式展现仿真实验过程中交叉口微观仿真模块界面上车辆通过交叉口的运动过程；

其中，交叉口微观仿真模块与信号配时控制模块、LED灯硬件模块连接，信号配时控制模块与红绿灯硬件模块连接，LED灯硬件模块、红绿灯硬件模块分别与交叉口实物演示平台连接。

2.如权利要求1所述的交叉口半实物动态微观仿真***，其特征在于，所述交叉口实物演示平台为一个基台，该基台上标有交叉口车道，交叉口车道上设置LED灯、车道红绿灯、人行道红绿灯、倒计时数码管和电路接口。

3.如权利要求1所述的交叉口半实物动态微观仿真***，其特征在于，所述LED灯硬件模块包括若干块24点控制电路，交叉口微观仿真模块连接所述每块24点控制电路，每块24点控制电路连接交叉口实物演示平台上的对应组的24个LED灯的电路接口，所述24点控制电路由微处理器、串口通信模块、拨码开关、并行I/O口扩展模块和光电耦合隔离模块组成。

4.如权利要求1所述的交叉口半实物动态微观仿真***，其特征在于，所述红绿灯硬件模块包括1个24点控制电路和1个24V转220V的弱电控制强电模块，所述24点控制电路由微处理器、串口通信模块、拨码开关、并行I/O口扩展模块和光电耦合隔离模块组成。

5.权利要求1所述的交叉口半实物动态微观仿真***的仿真方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：用户任意选择一个现实中的目标交叉口；

步骤2：实地调研目标交叉口4个方向上进口道的车流量、饱和车流量；

步骤3：参照图15，连接***各模块，启动***； 

步骤4：用户在交叉口微观仿真模块人机交互界面上编写路网文件、交通需求文件并存储，用户编写的路网文件的结构与交叉口演示平台上的交叉口结构相一致；

步骤5：用户在信号配时控制模块的人机界面填写调研得到的交叉口4个方向上进口道的车流量和饱和车流量，信号配时控制模块利用韦伯斯特信号配时优化公式计算得到所选择方案下该交叉口的配时参数；或者，用户在信号配时控制模块的人机界面直接填写配时参数；

步骤6：信号配时控制模块询问用户是否想要进行自适应控制，是则提示用户在交叉口微观仿真模块的人机界面上填写交叉口微观仿真模块发送车流量数据的间隔时长（以秒为单位），该间隔时长不小于一个信号周期(一个信号周期为初始配时参数定义的4个时序时长之和)，然后执行步骤7；否则直接执行步骤7；

所述自适应控制是指在同一次仿真实验过程中，***根据用户填写的间隔时长自动进行多个配时参数控制；

步骤7：信号配时控制模块将步骤5中的配时参数同时发送给红绿灯硬件模块、交叉口微观仿真模块，然后执行步骤8，交叉口微观仿真模块接收到配时参数后执行步骤9，同时红绿灯硬件模块接收到配时参数后执行步骤11；

步骤8：信号配时控制模块实时将红绿灯硬件模块发送的下一时序的时序号发送给交叉口微观仿真模块，从而控制交叉口微观仿真模块和红绿灯硬件模块的同步仿真，直至收到交叉口仿真模块的仿真实验结束信号，将仿真实验结束信号发送给红绿灯硬件模块并退出；实时将交叉口微观仿真模块发送的车流量信息计算得到新的配时参数发送给红绿灯硬件模块；

步骤9：交叉口微观仿真模块接收到配时参数后进行仿真实验并在计算机界面显示，实时地将仿真实验中路网内的LED灯的状态数据发送给LED灯硬件模块，根据用户填写间隔时长的情况向信号配时控制模块发送上一间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量以及饱和车流量，直至用户通过交叉口微观仿真模块的人机界面请求结束仿真实验；

步骤10：LED灯硬件模块判断是否接收到LED灯的状态数据，是则根据接收到的数据实时控制交叉口实物演示平台上所有LED灯在每一秒的亮灭，否则重新判断；

步骤11：红绿灯硬件模块将接收到的配时参数转换为时序信息，并根据时序信息控制交叉口实物平台上的红绿灯的灯色和倒计时数码管，在每次时序转换时向信号配时控制模块发送下一时序的序号，直至接收到信号配时控制模块发送的仿真实验结束信息；

步骤12：步骤8、步骤9、步骤10和步骤11同时进行直至仿真实验结束，最终交叉口仿真模块显示当次仿真实验的整个交叉口平均每车延误。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括步骤13：用户根据当次仿真实验的交叉口平均每车延误来决定是否需要调整配时参数，是则返回步骤5；否则，用户将红绿灯硬件模块连接到现实的目标交叉口的红绿灯和倒计时器的电路接口，并利用本次实验的配时参数控制目标交叉口红绿灯和倒计时器。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述配时参数是指东西向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长以及南北向车道绿灯的时长、车道黄灯的时长4个参数。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤8具体包括如下步骤：

步骤801：判断是否收到红绿灯硬件模块发送的下一时序的时序号，是则将其转发给交叉口微观仿真模块，然后执行步骤802；否则，执行步骤802；

步骤802：提示用户根据需要填写新的配时参数，然后判断用户是否填写了新的配时参数，是则将用户填写的新的配时参数发送给红绿灯硬件模块，然后执行步骤804；否则，执行步骤803；在仿真实验过程中，用户可根据人机界面的提示多次填写新的配时参数；

步骤803：判断是否收到交叉口微观仿真模块发送的上一间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量和饱和车流量，是则根据该交通流数据利用韦伯斯特信号配时优化公式计算得到新的配时参数，然后将新的配时参数发送给红绿灯硬件模块，接着执行步骤804；否则，执行步骤804；

步骤804：判断是否接收到交叉口仿真模块发送的仿真实验结束信息，是则将仿真实验结束信息发给红绿灯硬件控制模块，并通过人机界面通知用户该次仿真实验结束；否则，转入步骤801。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤9具体包括如下步骤：

步骤901：统计本次仿真实验已经进行了多少个仿真间隔，并在界面上显示；

步骤902：调用用户编辑的路网文件在人机界面上显示交叉口路网；

步骤903：判断是否接收到信号配时控制模块发送的下一时序的时序号，是则根据新的时序号确定路网上交叉口红绿灯的灯色并显示；否则，按照当前时序的时序号确定路网上交叉口红绿灯的灯色并显示；

步骤904：调用交通需求文件在交叉口路网的车道入口点处产生车辆；

步骤905：根据上一秒路网上每一车辆的车头位置坐标值，计算路网上每一车辆的当前秒的车头位置坐标值，并在该位置处显示该车辆；

步骤906：将路网上的车道分成96个车格，统计每一仿真间隔每个车格的车辆情况，并其转换为相对应4组LED灯的状态数据；每一仿真间隔将每组LED灯的状态数据发送给LED灯硬件模块；

步骤907：统计当前仿真间隔内路网上交叉口4个方向上的进口道的车流量、饱和车流量、车辆平均速度、停车次数、车辆排队长度，将其存储为检测文件；

步骤908：判断用户是否在人机界面上填写了间隔时长，是则执行步骤909；否则，执行步骤910；

步骤909：判断步骤901统计的当前仿真间隔数是否为间隔时长的整数倍，是则将检测文件中上一个间隔时长内检测到的每个仿真间隔内的交叉口4个方向上进口道的车流量累加，并将累加得到上一个间隔时长内交叉口4个方向上进口道的车流量以及饱和车流量发送给信号配时控制模块，然后执行步骤910；否则，直接执行步骤910；

步骤910：实时判断用户是否通过人机界面请求结束仿真，是则利用HCM2000延误模型计算本次仿真实验的整个交叉口平均每车延误，并向信号配时控制模块发送本次仿真实验结束信息；否则，转入步骤901。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤11具体包括如下步骤：

步骤1101：红绿灯硬件模块中的24点控制电路的微处理器将接收到的配时参数对应存储为4个时序的时间长度；

步骤1102：红绿灯硬件模块中的微处理器从时序0开始，按时序顺序循环控制红绿灯，按照每个时序规定的灯色点亮交叉口实物演示平台上的红绿灯，并对当前时序的时间长度进行减计时，计时单位为1秒；每秒更新交叉口倒计时数码管显示的当前时序的剩余时间；如果当前时序的时间长度减计时到0时，按照新的时序减计时，每次时序转换时微处理器向信号配时控制模块发送下一时序的序号；自动切换到时序1，以此类推，直至时序3减计时结束；

步骤1103：判断是否接收到信号配时控制模块发送的新的配时参数，是则转入步骤1101，否则直接执行步骤1104；

步骤1104：判断是否接收到信号配时控制模块发送的本次仿真实验结束信息，是则停止交叉口实物演示平台上倒计时数码管的倒计时并灭掉红绿灯；否则，转入步骤1102。

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