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競(jìng)賽小組：交通信息工程及控制

基于多場(chǎng)景控制需求的路口信號(hào)控制邏輯開(kāi)放式編譯平臺(tái)作者：王瑞鵬，鄧冉，牛怡然，單艾琳，王順指導(dǎo)老師：梁子君，肖赟

（合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院 合肥230601）摘要：針對(duì)現(xiàn)有交通信號(hào)控制邏輯固化在信號(hào)機(jī)內(nèi)無(wú)法迭代更新的問(wèn)題，本作品構(gòu)建了基于多場(chǎng)景控制需求的路口信號(hào)控制邏輯開(kāi)放式編譯平臺(tái)。作品主要完成三個(gè)方面的工作：一是完成路口信號(hào)控制邏輯編輯工具開(kāi)發(fā)，生成的信號(hào)控制邏輯文件可以傳輸?shù)浇煌ㄐ盘?hào)機(jī)執(zhí)行；二是完成信號(hào)控制邏輯硬件在環(huán)仿真平臺(tái)搭建，以VISSIMCOM為接口采用 Python 程序開(kāi)發(fā)完成通訊和配置程序開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制邏輯的功能實(shí)現(xiàn)和可靠性測(cè)試；三是根據(jù)路口復(fù)雜控制需求，完成不同場(chǎng)景的信號(hào)控制邏輯設(shè)計(jì)和編譯，為路口實(shí)際應(yīng)用形成信號(hào)控制邏輯庫(kù)。首先利用路口信號(hào)控制邏輯編輯工具根據(jù)路口實(shí)際通行需求自主設(shè)計(jì)個(gè)性化、可動(dòng)態(tài)調(diào)整的信號(hào)控制算法；然后利用硬件在環(huán)仿真平臺(tái)構(gòu)建交通仿真場(chǎng)景，利用 Python 二次開(kāi)發(fā)的通訊和配置程序通過(guò)VissimCOM接口實(shí)現(xiàn)仿真環(huán)境構(gòu)建和仿真信號(hào)控制，全面驗(yàn)證設(shè)計(jì)邏輯的控制效果，確保在不同交通情況下的可靠性。最后將測(cè)試后的信號(hào)控制邏輯導(dǎo)入信號(hào)機(jī)執(zhí)行，并根據(jù)路口傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)綠燈，完成對(duì)交通的閉環(huán)控制。該平臺(tái)有利于滿足路口復(fù)雜控制需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)機(jī)的智能化迭代升級(jí)。

關(guān)鍵字：信號(hào)控制邏輯編輯工具；硬件在環(huán)仿真平臺(tái)；信號(hào)控制邏輯庫(kù)；迭代升級(jí)1.研究背景

在當(dāng)今城市化進(jìn)程中,交通管控系統(tǒng)面臨著交通擁堵和效率低下等挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的交通信號(hào)控制系統(tǒng)通常將信號(hào)控制邏輯硬固化在信號(hào)機(jī)內(nèi)，難以適應(yīng)不同的路況和交通需求。這些系統(tǒng)通常缺乏動(dòng)態(tài)性和智能性，難以快速響應(yīng)交通狀況的變化。這種剛性控制策略的局限性導(dǎo)致在交通高峰期和交通事件發(fā)生時(shí)無(wú)法進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，加劇了交通擁堵的狀態(tài)。固定的配時(shí)和相位設(shè)置導(dǎo)致車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間排隊(duì)等待，引發(fā)路口溢出和交通堵塞，不僅影響市民的出行體驗(yàn)，還增加了城市的能源消耗和環(huán)境污染。傳統(tǒng)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)不同路況和交通需求方面存在一定的局限性?，F(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)路口實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用需求靈活動(dòng)態(tài)調(diào)整路口信號(hào)控制邏輯，缺乏響應(yīng)迅速、精準(zhǔn)的特點(diǎn)。此外，由于城市道路網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)張和變化，固化的信號(hào)控制邏輯往往難以適應(yīng)不同路口的復(fù)雜控制需求，導(dǎo)致一些交叉口的交通流分配不合理，進(jìn)一步加劇了擁堵問(wèn)題。因此，構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放式的信號(hào)控制邏輯編譯平臺(tái),實(shí)現(xiàn)針對(duì)路口多場(chǎng)景控制需求進(jìn)行定制化編譯信號(hào)控制邏輯,將助力交通信號(hào)控制向更智能化方向發(fā)展。

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2.設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

1、開(kāi)發(fā)路口信號(hào)控制邏輯可視化編輯工具

本設(shè)計(jì)使用Qt Creator 開(kāi)發(fā)圖形化邏輯編輯器，該編輯器集成了可拖拽的功能模塊，如定時(shí)優(yōu)化、相位邏輯、交通優(yōu)先級(jí)等。通過(guò)簡(jiǎn)單拖拽組合這些模塊，靈活地生成完整的信號(hào)控制邏輯流程圖。一個(gè)突出的創(chuàng)新是該編輯器可以一鍵將流程圖導(dǎo)出為標(biāo)準(zhǔn)的JSON 文件或 LUA 腳本文件格式，JSON 文件可以導(dǎo)入編輯器中還原和修改信號(hào)控制邏輯，LUA 腳本文件可以被信號(hào)機(jī)直接調(diào)用來(lái)執(zhí)行控制邏輯。通過(guò)此可視化編輯器的應(yīng)用，用戶(hù)無(wú)需編碼就可以快速設(shè)計(jì)出定制的信號(hào)控制邏輯，并能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)格式文件來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯的可視化還原、仿真測(cè)試和最終應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化并增強(qiáng)了信號(hào)控制邏輯的生成、驗(yàn)證和執(zhí)行過(guò)程。

圖 1 信號(hào)邏輯配置工具及導(dǎo)出的 LUA 腳本2、搭建信號(hào)控制邏輯的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

針對(duì)信號(hào)控制邏輯的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)搭建，采用 VISSIM的COM接口技術(shù)，使用 Python 完成通訊服務(wù)和配置程序開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn) VISSIM 與實(shí)際信號(hào)控制機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，用于信號(hào)控制邏輯的可靠性測(cè)試。Python 腳本實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真場(chǎng)景和交通流的構(gòu)建生成，仿真平臺(tái)可以加載實(shí)際的信號(hào)控制邏輯文件進(jìn)行執(zhí)行。硬件在環(huán)仿真平臺(tái)通過(guò) COM 接口，實(shí)時(shí)獲取仿真環(huán)境中的交通流數(shù)據(jù)，反饋給連接的信號(hào)控制機(jī)，信號(hào)控制機(jī)接收到反饋后，根據(jù)信號(hào)控制邏輯實(shí)時(shí)調(diào)整輸出的信號(hào)燈狀態(tài)，與仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)閉環(huán)互動(dòng)。

圖 2 信號(hào)控制邏輯的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)3、針對(duì)路口多變需求設(shè)計(jì)編譯各類(lèi)信號(hào)控制邏輯

為滿足路口復(fù)雜多變的控制需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)不同交通場(chǎng)景(如單點(diǎn)控制、定時(shí)控制、

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環(huán)控等)的通用信號(hào)控制邏輯框架。根據(jù)實(shí)際路口的交通流特征、道路條件、控制目標(biāo)等，調(diào)用邏輯框架中的通用模塊及算法，通過(guò)可視化編輯工具快速定制生成路口的自定義信號(hào)控制邏輯。并使用編譯技術(shù)，將生成的信號(hào)控制邏輯轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)UA腳本格式，以方便導(dǎo)入信號(hào)機(jī)控制器?；诖罅繉?shí)際路口的定制邏輯，進(jìn)一步優(yōu)化完善邏輯框架與模塊庫(kù)，形成可直接應(yīng)用于不同場(chǎng)景路口的通用信號(hào)控制邏輯資源庫(kù)。目前已經(jīng)完成了常規(guī)感應(yīng)控制、路口長(zhǎng)排隊(duì)控制、路口溢出死鎖控制等 13 套控制邏輯。通過(guò)信號(hào)控制邏輯的可視化編輯和自動(dòng)編譯，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)路口復(fù)雜多變的控制需求。4、實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制邏輯與信號(hào)機(jī)、仿真軟件的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)研究信號(hào)機(jī)通信協(xié)議，通過(guò) 485 串口通訊實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制邏輯與信號(hào)機(jī)的串口數(shù)據(jù)交互。編輯完成的信號(hào)控制邏輯文件可以通過(guò) 485 通訊協(xié)議導(dǎo)入信號(hào)機(jī)控制器加載執(zhí)行。同時(shí)，信號(hào)機(jī)可以通過(guò) 485 通訊反饋實(shí)時(shí)檢測(cè)器數(shù)據(jù)等信息給硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。平臺(tái)獲取信號(hào)機(jī)反饋的數(shù)據(jù)后，結(jié)合仿真評(píng)估結(jié)果，進(jìn)行信號(hào)控制邏輯參數(shù)的優(yōu)化迭代。通過(guò)串口通訊與信號(hào)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸與交互，形成閉環(huán)的信號(hào)控制邏輯配置流程、仿真驗(yàn)證流程和信號(hào)機(jī)加載應(yīng)用流程。既可以快速針對(duì)路口實(shí)際狀況調(diào)整優(yōu)化信號(hào)控制邏輯參數(shù)，也可以驗(yàn)證信號(hào)控制邏輯方案的科學(xué)性，全面提升路口信號(hào)控制的智能化水平。圖 3 信號(hào)控制邏輯與信號(hào)機(jī)及仿真軟件的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)2.2 研究方法

1、信號(hào)控制邏輯配置算法的研究

為實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制邏輯的自動(dòng)生成與優(yōu)化，研究采用傳遞閉包算法自動(dòng)搜尋最優(yōu)信號(hào)配時(shí)方案。該算法通過(guò)預(yù)先建立路口相位序關(guān)系圖，采用深度優(yōu)先搜索的方式遍歷所有可行的信號(hào)配時(shí)方案組合。在搜索過(guò)程中，實(shí)時(shí)調(diào)用微觀交通仿真軟件，獲取每個(gè)信號(hào)配時(shí)方案對(duì)應(yīng)的路口交通延誤等效益指標(biāo)。最后從大量方案組合中找出綜合效益最優(yōu)的信號(hào)配時(shí)方案，作為信號(hào)控制邏輯的輸出。相較于手工設(shè)計(jì),該方法可以高效自動(dòng)生成路口信號(hào)配時(shí)方案，并保證搜索到全局最優(yōu)解，避免陷入局部最優(yōu)。傳遞閉包算法的應(yīng)用,可有效提升信號(hào)控制邏輯的智能化水平，增強(qiáng)自動(dòng)生成與優(yōu)化能力。

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2、硬件在環(huán)仿真平臺(tái)建模技術(shù)的應(yīng)用

借助 VISSIM 的 COM 接口開(kāi)發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)具有高度可擴(kuò)展性的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)允許用戶(hù)將生成的交通流模型與各種信號(hào)控制邏輯相結(jié)合，進(jìn)一步提高了仿真的逼真度和實(shí)用性。通過(guò)這一綜合方法，我們能夠更精確地模擬不同交通流場(chǎng)景，評(píng)估不同信號(hào)控制邏輯在實(shí)際交通環(huán)境中的表現(xiàn)，從而為交通管理決策提供更可靠的依據(jù)。這一方法有望提升交通信號(hào)控制的效率和適應(yīng)性，以滿足不同路口的多變需求。圖 4 仿真平臺(tái)的軟件操作效果及代碼實(shí)現(xiàn)3、不同場(chǎng)景信號(hào)控制邏輯的設(shè)計(jì)與編譯

針對(duì)不同交通場(chǎng)景(如單點(diǎn)自適應(yīng)控制、感應(yīng)控制、燈組控制場(chǎng)景等)的特點(diǎn)，采用前向推理的方法設(shè)計(jì)出場(chǎng)景適應(yīng)的信號(hào)控制邏輯框架。在框架中預(yù)置通用的控制模塊，如車(chē)檢調(diào)用模塊、相位配時(shí)模塊、燈光控制模塊等。根據(jù)具體場(chǎng)景的實(shí)際交通流特征、交通流量大小、道路情況等，調(diào)用不同的控制模塊及設(shè)置不同參數(shù)，組裝形成場(chǎng)景定制化的信號(hào)控制邏輯。

4、閉環(huán)控制理論的應(yīng)用

在研究中，我們應(yīng)用閉環(huán)控制理論，具體是 PID（比例-積分-微分）控制理論，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制邏輯的閉環(huán)測(cè)試和優(yōu)化。此方法基于信號(hào)機(jī)的反饋數(shù)據(jù)，如交通流密度和車(chē)輛等待時(shí)間，來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)控制邏輯的配置參數(shù)。這一過(guò)程使系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際交通情況進(jìn)行反饋和參數(shù)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)控制效果。通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù)和參數(shù)調(diào)整，我們確保信號(hào)控制邏輯在不同交通場(chǎng)景下都能夠表現(xiàn)出最佳性能，從而更好地滿足路口的多變需求。

3.創(chuàng)新特色

1、信號(hào)控制邏輯可視化編輯工具

自主研發(fā)的信號(hào)控制邏輯可視化編輯工具,實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)控制邏輯的快速直觀配置。該工具提供了多個(gè)基礎(chǔ)功能模塊,如車(chē)輛檢測(cè)模塊、相位控制模塊、燈光控制模塊等。用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽、鏈接的方式,選擇不同的模塊進(jìn)行組合,形成完整的信號(hào)控制邏輯。同時(shí)工具自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)格式的腳本文件,可以直接導(dǎo)入信號(hào)機(jī)控制器,無(wú)需二次開(kāi)發(fā)。相較于手寫(xiě)代碼,該可視化工具降低了信號(hào)控制邏輯設(shè)計(jì)的門(mén)檻,用戶(hù)無(wú)需掌握編程知識(shí)就可以完成配置。同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)效率,所見(jiàn)即所得的方式可以快速迭代調(diào)試邏輯方案。該工具的應(yīng)用可以減輕技術(shù)人員工作壓力,也使非專(zhuān)業(yè)人員更容易設(shè)計(jì)出

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科學(xué)的信號(hào)控制邏輯。

2、基于 Vissim 的信號(hào)控制邏輯仿真平臺(tái)

通過(guò)自主研發(fā)的 VISSIM 二次開(kāi)發(fā)技術(shù),構(gòu)建了信號(hào)控制邏輯的仿真平臺(tái)。通過(guò)自主研發(fā)的 Vissim 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，構(gòu)建了信號(hào)控制邏輯的仿真平臺(tái)。該平臺(tái)通過(guò)Python開(kāi)發(fā) Vissim 的 COM 接口，實(shí)現(xiàn)了 Vissim 仿真場(chǎng)景與實(shí)際信號(hào)機(jī)的連接互動(dòng)。平臺(tái)可以加載設(shè)計(jì)完成的信號(hào)控制邏輯，在虛擬仿真場(chǎng)景中執(zhí)行,自動(dòng)生成車(chē)流,并通過(guò)仿真動(dòng)態(tài)反饋各檢測(cè)器的狀態(tài)信息。信號(hào)機(jī)可以根據(jù)反饋在線調(diào)整輸出的控制邏輯，優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案。最終形成仿真場(chǎng)景與信號(hào)機(jī)的閉環(huán)控制。該平臺(tái)支持快速驗(yàn)證信號(hào)控制邏輯的科學(xué)性,找出潛在問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)虛擬仿真調(diào)試，也避免了直接在實(shí)際路口驗(yàn)證可能帶來(lái)的交通混亂。

3、多場(chǎng)景信號(hào)控制邏輯生成方法

針對(duì)路口復(fù)雜的控制需求,設(shè)計(jì)并形成適用于不同場(chǎng)景的信號(hào)控制邏輯庫(kù)。方法是:

首先分析單點(diǎn)自適應(yīng)控制、感應(yīng)控制、燈組控制等不同場(chǎng)景的通用需求,設(shè)計(jì)出可配置、可擴(kuò)展的信號(hào)控制邏輯框架。在框架基礎(chǔ)上,采用前向推理方法根據(jù)路口實(shí)際交通流特征、交通流量大小等情況，調(diào)用框架中的通用模塊,生成路口場(chǎng)景定制化的信號(hào)控制邏輯。針對(duì)大量實(shí)際路口案例形成的定制邏輯，不斷豐富和優(yōu)化框架內(nèi)容，最終創(chuàng)建一個(gè)包含不同場(chǎng)景下可直接調(diào)用的信號(hào)控制邏輯組件庫(kù)。該方法實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)路口復(fù)雜多變需求的信號(hào)控制邏輯生成與應(yīng)用目標(biāo)。

4.應(yīng)用前景

作品在與安徽超遠(yuǎn)信息技術(shù)有限公司的合作下，成功應(yīng)用了路口信號(hào)控制邏輯開(kāi)放式編譯平臺(tái)，并在馬鞍山市當(dāng)涂縣姑孰路與太白路交叉口率先開(kāi)展應(yīng)用測(cè)試。姑蘇路與太白路交叉口是當(dāng)涂縣主要干道交叉口，東西方向（太白路）雙向6車(chē)道，南北向（姑孰路）雙向 4 車(chē)道進(jìn)口拓寬為 3 車(chē)道，采用定周期信號(hào)控制。路口西側(cè)和北側(cè)是當(dāng)涂縣工業(yè)園區(qū)所在地，高峰期間通勤交通流量較大，南側(cè)距離下游路口較近，早高峰期間路口排隊(duì)極易蔓延至下游路口如圖 6 所示，控制邏輯從溢出管控（部分通道管制）、長(zhǎng)排隊(duì)管控（二次放行），2 種場(chǎng)景下開(kāi)展路口信號(hào)調(diào)控，控制邏輯如圖8所示,在路口沒(méi)有特殊交通管控需求的情況下執(zhí)行常規(guī)感應(yīng)信號(hào)控制。圖 5 南進(jìn)口發(fā)生長(zhǎng)排隊(duì) 圖 6 南出口存在溢出風(fēng)險(xiǎn)

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圖 7 路口排隊(duì)溢出及長(zhǎng)排隊(duì)管控流程

信號(hào)控制邏輯率先在硬件在環(huán)仿真平臺(tái)中開(kāi)展了測(cè)試，并在測(cè)試路口開(kāi)展了實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。

圖 8 優(yōu)化后交叉口排隊(duì)得以及時(shí)消散 圖 9 優(yōu)化前后路口平均延誤時(shí)間經(jīng)實(shí)際測(cè)試,路口應(yīng)用上述信號(hào)控制邏輯后,該路口整體延誤下降了26.27%,通行效率提升了 22.38%。該測(cè)試案例驗(yàn)證了本項(xiàng)目可以針對(duì)路口特殊信號(hào)控制需求設(shè)計(jì)出創(chuàng)新型、與傳統(tǒng)感應(yīng)控制不同的信號(hào)邏輯方案，以更好地解決交通問(wèn)題。

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