交通控制硬件在環(huán)仿真綜述

王 浩，唐 棠，王 玲，王書玲，吳 兵

（同濟大學教育部道路與交通工程重點實驗室，上海 201804）

1 交通硬件在環(huán)概念

硬件在環(huán)仿真是一種采用實際控制器加虛擬仿真對象的仿真方法，從安全性、可行性和合理的成本上考慮，硬件在環(huán)仿真測試在很多控制系統(tǒng)，包括交通控制的設(shè)計中得到應用，比純粹的系統(tǒng)仿真具有更好的實用性。對于硬件在環(huán)這一概念Gomez曾給出形象的解釋：“‘硬件在環(huán)’是一個用來‘欺騙’你的嵌入式系統(tǒng)的工具。它能夠使你的嵌入式系統(tǒng)以為自己是在真實的環(huán)境下進行實時的輸入與輸出?！?/p>

硬件在環(huán)由信號機、微觀仿真軟件和CID三部分構(gòu)成。

首先，信號機通過CID將燈色信息傳入仿真軟件，使車流接受信號控制發(fā)生排隊、加減速等變化。然后，這些仿真車流的變化再由CID傳入真實的信號機，使信號機認為獲得的是真實的從道路上檢測器傳來的車輛信息，使得信號機如同在真實的道路上運行一樣，并進行相關(guān)的仿真研究。交通控制硬件在環(huán)運行圖如圖1所示。

圖1 交通控制硬件在環(huán)運行圖

2 國外交通控制硬件在環(huán)研究進展及應用

交通控制硬件在環(huán)技術(shù)最早應用于1995年，由A&M智能交通研究中心開發(fā)的REL-CID信號機接口設(shè)備首次實現(xiàn)了仿真模型與NEMA信號機的聯(lián)合仿真。表1概括了硬件在環(huán)仿真技術(shù)在現(xiàn)階段的部分應用情況。

表1 硬件在環(huán)仿真應用領(lǐng)域及其功能描述

表1（續(xù)）

3 我國交通控制硬件在環(huán)研究情況

2009年于泉提出建立硬件在環(huán)一體化仿真平臺的設(shè)計，通過在信號機與仿真軟件之間加載控制器接口設(shè)備實現(xiàn)硬件與軟件的通訊。閆流設(shè)計了分布式的區(qū)域控制優(yōu)化硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)（TSOHS)，該平臺使用了AT89S52單片機代替真實信號機，但是交叉口信號機與自主開發(fā)的單片機存在著本質(zhì)上的差異。2010年廣東科學中心開發(fā)建設(shè)ITS硬件在環(huán)模擬沙盤，但就研究信號控制算法而言，信號機仍然是模擬的而非真實的，無法再現(xiàn)真實信號機在交叉口的工作狀態(tài)。

綜合我國目前硬件在環(huán)的研究情況可以看出，我國的硬件在環(huán)主要還處于研究階段。當然，在我國開展硬件在環(huán)的研究還有不少困難，一方面由于技術(shù)保密的原因無法對仿真軟件進行二次開發(fā)，軟件不支持外部信號控制等。但另一個方面，也是更重要的方面是由于我國的信號機還沒有統(tǒng)一的通信標準，一些信號機只能通過車輛檢測器獲取車輛信息，硬件在環(huán)技術(shù)的進一步研究受到了制約。

4 基于VISSIM的硬件在環(huán)設(shè)計思路

4.1 信號機接口設(shè)備（CID）與硬件在環(huán)

構(gòu)成硬件在環(huán)的部件CID，在硬件在環(huán)仿真中，起著聯(lián)系仿真軟件和信號機的橋梁作用。在非硬件在環(huán)仿真時，微觀仿真軟件既要進行車輛運動的仿真，又要對信號控制進行仿真。而在使用硬件在環(huán)技術(shù)之后，仿真軟件不再模擬信號的控制，而是使用CID獲取信號機燈色信號來控制。CID能否將真實信號機的燈色正確反映到仿真軟件中來，并將軟件中的車輛信息傳入信號機是硬件在環(huán)技術(shù)成敗的關(guān)鍵。本文以仿真軟件VISSIM為基礎(chǔ)，提出建設(shè)硬件在環(huán)的三種設(shè)計思路。

4.2 調(diào)用VISSIM軟件COM模塊

VISSIM為用戶提供了一個支持COM功能，能夠通過外部編程進行控制，通過執(zhí)行COM命令，可以實現(xiàn)某些任務(wù)在VISSIM中的自動執(zhí)行。開發(fā)者利用VB、VC等常用的程序開發(fā)語言通過調(diào)用VISSIM軟件COM模塊開發(fā)新的應用程序，該程序主要包含兩部分功能。

第一部分，控制VISSIM軟件，例如啟動VISSIM、控制VISSIM讀取路網(wǎng)、調(diào)取仿真參數(shù)等。該部分功能可以利用VISSIM軟件提供的COM接口函數(shù)實現(xiàn)。第二部分，與信號機通信，例如調(diào)取信號機相位、輸入車流信息等。此方法的主體為開發(fā)者編制的程序，而將VISSIM與信號機作為開發(fā)出程序的一個附屬部分，以供開發(fā)者的程序調(diào)取輸入數(shù)據(jù)。開發(fā)者可用VB，VC等開發(fā)工具提供的窗體、控件等工具進行開發(fā)。

4.3 調(diào)用VISSIM軟件外部控制模塊

VISSIM提供的信號機控制方式可選用外部的（external）方式。它通過調(diào)用兩個DLL文件來實現(xiàn)信號機的控制邏輯。

兩個DLL文件分別在程序、DLL兩個框中調(diào)用。程序文件欄中DLL文件主要負責執(zhí)行信號控制算法，受VISSIM的調(diào)用。DLL文件一欄中引用的DLL文件中定義了信號機的信號燈組，相位及運行算法所必需的參數(shù)，例如黃燈時間、最小綠燈時間等。

這一方法主體是VISSIM，VISSIM運行時通過調(diào)用DLL獲得信號燈的相位信息，從而改變對仿真中車流、人流的控制。

4.4 調(diào)用VISSIM軟件VAP模塊

VAP模塊是VISSIM軟件里的感應控制模塊。國外一種實現(xiàn)商業(yè)化的CID就是以這種方式實現(xiàn)VISSIM與信號機連接。

該方式程序文件調(diào)用DLL文件，文件不包含算法。邏輯文件.VAP由PTV公司開發(fā)的與VISSIM配套的軟件生成。

此種方式可以說是簡化的外部的（external）方式。利用感應控制方式實現(xiàn)與VISSIM的連接，省去了編寫信號機燈組DLL文件的工作（在利用外部的模塊開發(fā)時，針對不同信號機的情況需要重新編寫），開發(fā)者只需編寫一個DLL，并且此方式通用性強。但是如何獲得VAP模塊DLL編寫底層代碼是一個難題。PTV公司現(xiàn)在并未提供給一般用戶這一代碼。

5 結(jié)語

硬件在環(huán)作為智能交通系統(tǒng)應用的高級仿真技術(shù)實現(xiàn)了仿真軟件與交通硬件的結(jié)合，相信隨著該技術(shù)的完善，它的應用將更加廣泛。本文討論了硬件在環(huán)的概念和基本原理，回顧了國內(nèi)外的發(fā)展歷程，著重強調(diào)了信號機接口設(shè)備的重要作用，并結(jié)合國產(chǎn)信號機的特性，提出了三條交通控制硬件在環(huán)設(shè)計途徑并分析了技術(shù)要點。

[1]Yun I,Byungkyu“Brian”Park,Lee C K,et al.Investigation on the exit phase controls for emergency vehicle preemption[J].KSCE Journal of Civil Engineering,2011,15（8）：1419-1426.