專利名稱：一種交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交通、控制、仿真、通信等技術(shù)，尤其涉及一種交通仿真半實(shí) 物電子沙盤系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字地球技術(shù)的日益成熟，電子沙盤技術(shù) 作為多媒體等高新技術(shù)的產(chǎn)物，以其快速、簡便、精確、動態(tài)演示和便于參數(shù) 修正、演示效果豐富等特點(diǎn)，在軍事指揮、教學(xué)科研、博物館所、園林規(guī)劃等 領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。
半實(shí)物仿真是在可能的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，以使其中相 應(yīng)的模塊實(shí)物化，這樣更接近實(shí)際情況，可得到更確切的信息。半實(shí)物仿真同 其它類型的仿真方法相比具有實(shí)現(xiàn)更高真實(shí)度的可能性，是仿真技術(shù)中置信度 最高的一種仿真方法。半實(shí)物仿真已經(jīng)滲透到武器裝備、航空航天、工業(yè)自動 化涉及、石油化工、汽車制造和電力電子等領(lǐng)域。
交通作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，無法用簡單抽象的數(shù)學(xué)模型描述，仿真即成為了 研究交通問題的重要工具。隨著交通仿真系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對仿真系統(tǒng)的 真實(shí)程度和展示環(huán)境提出了越來越高的要求。將電子沙盤技術(shù)和半實(shí)物仿真技 術(shù)應(yīng)用于交通仿真，在國內(nèi)外還是鮮見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種交通仿真半實(shí)物電子沙盤 系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 一種交通仿真半實(shí)物電子沙 盤系統(tǒng)，它包括交通檢測器、交通控制柜、模擬信號燈、上位機(jī)和大屏幕投影 電子沙盤。其中，所述交通檢測器和交通控制柜有線連接，所述交通控制柜和 模擬信號燈分別與上位機(jī)無線連接，所述大屏幕投影電子沙盤和上位機(jī)有線連接。
進(jìn)一步地，所述交通控制柜包括一發(fā)送模塊，所述上位機(jī)包括一接收模塊 和一發(fā)送模塊，所述模擬信號燈包括一接收模塊。所述交通檢測器通過交通控 制柜利用無線通訊將采集到的交通信息傳送上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將 交通數(shù)據(jù)用于實(shí)時仿真，在大屏幕投影電子沙盤上動態(tài)顯示交通仿真場景，結(jié) 合模擬信號燈實(shí)物實(shí)現(xiàn)交通場景的半實(shí)物展示。
進(jìn)一步地，所述交通檢測器為視頻檢測器、線圈檢測器、微波傳感器或地
磁傳感器；所述大屏幕投影電子沙盤由水平放置的四個DLP顯示屏組成，配
以水平和豎直的兩用支架。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明綜合應(yīng)用了無線實(shí)時傳輸、電子沙盤、半實(shí) 物仿真等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了交通場景實(shí)時仿真和半實(shí)物展示，亦可用于驗(yàn)證信號配 時方案的有效性，直觀準(zhǔn)確，可靠性高。


圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2是本發(fā)明的仿真軟件操作流程圖3是本發(fā)明的信號配時自適應(yīng)協(xié)同進(jìn)化遺傳算法流程圖4是本發(fā)明的Zigbee無線通訊發(fā)送模塊母板原理圖； 圖5是本發(fā)明的Zigbee無線通訊接收模塊母板原理圖； 圖6是本發(fā)明的電子沙盤效果圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)，主要包括交通檢測器、模擬信號 燈、上位機(jī)和大屏幕投影電子沙盤。其中，所述的交通檢測器通過交通控制柜 利用無線通訊將采集到的交通信息傳送上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將交通 數(shù)據(jù)用于實(shí)時仿真，在大屏幕投影電子沙盤上動態(tài)顯示交通仿真場景，結(jié)合模 擬信號燈實(shí)物實(shí)現(xiàn)交通場景的半實(shí)物展示。
本發(fā)明所述的上位機(jī)可利用任何合適的算法進(jìn)行信號配時優(yōu)化，本發(fā)明示 例采用的是浙江大學(xué)智能交通研究中心開發(fā)的自適應(yīng)協(xié)同進(jìn)化遺傳算法，優(yōu)化 后的配時方案通過無線通訊技術(shù)傳送給模擬信號燈，模擬信號燈的配時方案可 在當(dāng)前真實(shí)配時方案和優(yōu)化方案之間進(jìn)行手動切換，上位機(jī)可對兩種配時方案 下的交通狀況進(jìn)行評價和比較，從而驗(yàn)證優(yōu)化后配時方案的有效性。本發(fā)明所述的大屏幕投影電子沙盤是由水平放置的一個或若干個DLP顯 示屏組成，配以水平和豎直的兩用支架，構(gòu)成投影顯示部分，具有演示直觀、 視角良好、接縫小、具有一定的承重力和移動方便等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所述的上位機(jī)通過大屏幕投影電子沙盤顯示交通仿真動態(tài)，模擬信 號燈顯示當(dāng)前或優(yōu)化交通控制信息，以半實(shí)物半虛擬的形式展示交通狀況。
為使本發(fā)明之目的、技術(shù)方案、優(yōu)點(diǎn)更加明確、清楚，以下結(jié)合附圖對本 發(fā)明之技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1所示為本發(fā)明交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)主要 包括交通檢測器、模擬信號燈、上位機(jī)、大屏幕投影電子沙盤。交通檢測器通 過控制柜以及發(fā)送模塊將實(shí)時交通信息無線傳送給上位機(jī)，上位機(jī)通過接收模 塊接收到實(shí)時交通信息，上位機(jī)通過發(fā)送模塊，將信號配時信息無線傳送給模 擬信號燈。電子沙盤直接與上位機(jī)相連。圖1中的實(shí)線表示設(shè)備的有線連接， 虛線表示設(shè)備的無線連接。
本發(fā)明的交通檢測器可為各類交通傳感器，包括視頻檢測器、線圈檢測器、
微波傳感器以及地磁傳感器，本發(fā)明示例使用的是遠(yuǎn)程交通微波傳感器(RTMS) X3/K3和Autoscope Solo Pro兩種類型，采集到的交通信息通過任何合適的無 線方式傳送到上位機(jī)。在本發(fā)明示例中，考慮到對交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、安 全性以及傳輸距離和投資成本的要求，采用數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸電臺。無線通 信模塊可選用美國MDS公司生產(chǎn)的EL7052型無線數(shù)字電臺，其最大發(fā)射功率 為2W，有效收發(fā)射距離為2-5km，電臺設(shè)有RS-232接口，可和控制中心或交 通檢測設(shè)備的RS-232接口相連?？刂浦行南蚪煌z測設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制 中心電臺接受控制中心從串口傳來的數(shù)字信號，電臺的發(fā)信機(jī)將信號調(diào)制成 228MHz的調(diào)頻信號從全向天線發(fā)射出去，交通檢測設(shè)備電臺收到調(diào)頻信號，解 調(diào)成數(shù)字信號后從串口傳給交通檢測設(shè)備。交通檢測設(shè)備向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù) 時，交通檢測設(shè)備電臺接受交通檢測設(shè)備從串口傳來的數(shù)字信號，電臺的發(fā)信 機(jī)將信號調(diào)制成228MHz的調(diào)頻信號從八目定向天線發(fā)射出去，控制中心電臺 的收信機(jī)接收到調(diào)頻信號，解調(diào)成數(shù)字信號后從串口傳給主機(jī)。電臺以點(diǎn)對點(diǎn) 同頻單工輪巡方式工作，控制中心的無線電臺為主機(jī)，交通檢測設(shè)備的無線電 臺為從機(jī)，通信速率為9600比特每秒，收發(fā)轉(zhuǎn)換時間約為10ms。
系統(tǒng)中上位機(jī)基于交通流的宏觀仿真、車輛行為的微觀仿真以及信號燈配 時理論，適用于城市道路規(guī)劃設(shè)計(jì)、模擬城市交通車流通行狀況和信號燈相位 設(shè)置等領(lǐng)域的交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析。上位機(jī)具有如下功能模塊新建仿真文件 模塊、打開己有仿真文件模塊、仿真結(jié)果比較分析模塊、繪制路段模塊、添加道路連接點(diǎn)模塊、添加車輛源模塊、繪制信號燈模塊、添加探測器模塊、繪制 多邊形模塊、繪制橫道線模塊、設(shè)置仿真參數(shù)模塊、設(shè)置信號配時屬性參數(shù)模 塊、車輛微觀狀態(tài)觀測器模塊、設(shè)置統(tǒng)計(jì)指標(biāo)參數(shù)模塊、仿真控制模塊、3D 顯示模塊、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)保存模塊、車輛及駕駛員參數(shù)模塊、仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù) 據(jù)顯示模塊、信號燈配時方案設(shè)計(jì)模塊、信號配時模塊、數(shù)字處理模塊和數(shù)據(jù) 統(tǒng)計(jì)等二十三大功能模塊，由這些模塊可組合成各種操作流程。
上位機(jī)在本發(fā)明中的操作流程圖如圖2所示，上位機(jī)導(dǎo)入來自交通檢測器
的交通數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、插值等預(yù)處理，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定仿真 需要的參數(shù)(如車流密度、平均速度、交叉口轉(zhuǎn)向比例等)。信號燈相位可設(shè) 定為當(dāng)前真實(shí)信號配時方案，也可采用信號燈配時優(yōu)化模塊的優(yōu)化結(jié)果，采用 手動切換的方式進(jìn)行方案的切換。路網(wǎng)參數(shù)(如限速、飽和流量等)根據(jù)實(shí)際 情況做相應(yīng)的設(shè)置。上位機(jī)繼而進(jìn)行微觀層面的仿真，仿真過程中可對特定位 置設(shè)置微觀狀態(tài)觀測器，檢測交通狀態(tài)(速度、加速度、車頭時距等)，可根 據(jù)檢測數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果(平均速度、平均密度、平均車頭時距等)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和
比較分析。仿真還可在2D模式和3D模式之間手動切換。
上位機(jī)還可利用自適應(yīng)協(xié)同進(jìn)化遺傳算法進(jìn)行信號配時優(yōu)化，算法流程如 圖3所示，首先初始化產(chǎn)生種群，由于各車流只有放行與禁止兩種狀態(tài)，因此采 用二進(jìn)制編碼；種群分割時，每個相位為一個種群；然后每個種群獨(dú)立進(jìn)化， 僅在適應(yīng)度評估時進(jìn)行信息的交換，采用比例選擇算子進(jìn)行選擇操作，采用自 適應(yīng)單點(diǎn)交叉算子進(jìn)行交叉操作，采用自適應(yīng)位變異算子進(jìn)行變異操作；引進(jìn) 檢測算子進(jìn)行檢測操作，判斷每個個體是否為合法個體，檢測步驟為①檢測 每個周期是否所有的交通流均放行了一次，②檢測每個相位是否含有不允許出 現(xiàn)的沖突；接著引入修正算子進(jìn)行修正操作，修正步驟為①若非法相位存在 交通流一個周期里沒有放行一次的情況，首先把該交通流放到某一相位中，若 不引起沖突，則對含有不允許出現(xiàn)的沖突的個體進(jìn)行修正，否則，將該交通流 放在放行交通流最少的相位里，②對含有不允許出現(xiàn)的沖突的個體進(jìn)行修正； 然后以Webster配時計(jì)算公式為基礎(chǔ)，計(jì)算每一個相位序列(個體)的周期和綠 信比；接著對種群中每個個體進(jìn)行適應(yīng)度評估，自適應(yīng)協(xié)同進(jìn)化遺傳算法中個 體適應(yīng)度值越大，被選中并遺傳到下一代群體中的概率越大，因此取適應(yīng)度函 數(shù)f^000-車輛平均延誤時間；以最大進(jìn)化代數(shù)為停止準(zhǔn)則，若未達(dá)到最大進(jìn) 化代數(shù)，繼續(xù)進(jìn)行種群獨(dú)立進(jìn)化，否則結(jié)束。
上位機(jī)可通過任何合適的無線通訊技術(shù)將配時方案傳送給模擬信號燈，本 發(fā)明示例采用Zigbee通訊協(xié)議。單片機(jī)可采用微芯(Microchip)公司生產(chǎn)的PIC18F4620單片機(jī)，它采用精簡指令集(RISC)、哈佛總線(Harvard)結(jié)構(gòu)、 二級流水線取指令方式，具有實(shí)用、低價、指令集小、低功耗、高速度、體積 小和功能強(qiáng)等特點(diǎn)。單片機(jī)將大量的資源集成在芯片內(nèi)部，包括1/0、存儲器、 通信接口等，使系統(tǒng)的電路大大化簡，對高頻通信可能產(chǎn)生的干擾噪聲大大減 少?？刹捎肅hipcon公司的CC2420芯片實(shí)現(xiàn)無線通訊，它是一款符合 IEEE802. 15. 4規(guī)范的2. 4GHz射頻芯片。對于每一個CC2420芯片，都會配備一 個PIC單片機(jī)支持相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作。 一個最簡單的系統(tǒng)包括兩塊電 路控制板， 一塊和上位機(jī)聯(lián)系作為發(fā)送模塊(如圖4所示)，另一塊和信號燈 連接作為接收模塊(如圖5所示)，發(fā)送模塊板和接收模塊均配有一塊包含有 CC2420芯片的，由Chipcon公司生產(chǎn)。電路板采用蓄電池供電，9V的電壓經(jīng) 過HT7533芯片轉(zhuǎn)為3.3V穩(wěn)壓，供單片機(jī)和無線芯片使用。工作狀態(tài)下，可采 用德州儀器(TI)提供的MAX3221芯片驅(qū)動PIC單片機(jī)的SCI接口與標(biāo)準(zhǔn)的 RS232電平接口。將MAX3221的T1IN (引腳11)和R10UT (引腳9)分別與單 片機(jī)的TX (引腳25)和RX (引腳26)連接，MAX3221的T10UT (引腳13)和 R1IN(引腳8)和串行通訊端口連接，接受上位機(jī)信息，使上位機(jī)的配時方案 傳送到發(fā)送模塊的PIC單片機(jī)。單片機(jī)用RB0 RB3以及RC0 RC5共10個端 口，通過CC2420芯片的串行外設(shè)接口 (SPI接口)引腳，控制它進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù) 狀態(tài)并將數(shù)據(jù)讀入緩存器。CC2420芯片的IEEE802. 15.4數(shù)字高頻調(diào)制使用 2.4GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，將二進(jìn)制的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過比特-符號轉(zhuǎn)換、 符號-碼片轉(zhuǎn)換、Q-QPSK轉(zhuǎn)化，調(diào)制到載波信號上發(fā)送。接收模塊的電源配置 和CC2420芯片控制和發(fā)射板相同，在另一個PIC單片機(jī)的控制下，接收相關(guān) 信息，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制信號;所不同的是需要將單片機(jī)的RA0 RA5以及RD0 RD7 共14個端口預(yù)留出來，用于控制信號燈的變換。
大屏幕投影電子沙盤由投影顯示部分、多屏控制部分組成。投影顯示部分 可由一個或若干個投影單元組成，本發(fā)明示例由4個50"投影單元組成，采用 2X2方式組合顯示屏。每個投影單元包括DLP投影系統(tǒng)和背投影屏幕。多屏控 制部分可采用多屏控制器或任何其他控制方法，本發(fā)明示例采用兩塊麗臺 WinfastA340PCI顯卡完成，該顯卡具有工業(yè)級多顯示器輸出功能，顯卡采用 PCI接口，通過兩個內(nèi)置的350 MHz RAMDACs提供高達(dá)2 X 2048 X 1536 @ 75 Hz分辨率，通過UDA體系進(jìn)行統(tǒng)一驅(qū)動，具有較強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性。電子 沙盤能夠動態(tài)顯示仿真場景，并結(jié)合模擬信號燈實(shí)現(xiàn)半實(shí)物交通仿真。具有直 觀、視角良好、接縫小、具有一定的承重力和移動方便等優(yōu)點(diǎn)。
由于大屏幕拼接墻是作為電子沙盤使用，因此DLP是水平放置，這一應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首例，因此并沒有相應(yīng)的支架，圖6為DLP專門設(shè)計(jì)的一個水
平和豎直兩用支架的效果圖。
雖然以上已經(jīng)根據(jù)各特定實(shí)施范例描述了本發(fā)明，但是，本發(fā)明不準(zhǔn)備被 約束或限制在這里公開的實(shí)施范例中。本發(fā)明要覆蓋后附的權(quán)利要求書的精神 和范圍內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)和修改。
權(quán)利要求
1. 一種交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)，其特征在于，它包括交通檢測器、交通控制柜、模擬信號燈、上位機(jī)和大屏幕投影電子沙盤。其中，所述交通檢測器和交通控制柜有線連接，所述交通控制柜和模擬信號燈分別與上位機(jī)無線連接，所述大屏幕投影電子沙盤和上位機(jī)有線連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)，其特征在于，所 述交通控制柜包括一發(fā)送模塊，所述上位機(jī)包括一接收模塊和一發(fā)送模塊，所 述模擬信號燈包括一接收模塊。所述交通檢測器通過交通控制柜利用無線通訊 將采集到的交通信息傳送上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將交通數(shù)據(jù)用于實(shí)時 仿真，在大屏幕投影電子沙盤上動態(tài)顯示交通仿真場景，結(jié)合模擬信號燈實(shí)物 實(shí)現(xiàn)交通場景的半實(shí)物展示。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)，其特征在于，所 述交通檢測器為視頻檢測器、線圈檢測器、微波傳感器或地磁傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)，其特征在 于，所述大屏幕投影電子沙盤由水平放置的四個DLP顯示屏組成，配以水平和 豎直的兩用支架。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種交通仿真半實(shí)物電子沙盤系統(tǒng)，它包括交通檢測器、交通控制柜、模擬信號燈、上位機(jī)和大屏幕投影電子沙盤。交通檢測器通過無線傳感技術(shù)將采集到的交通信息傳送給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)接收到的交通信息對交通狀態(tài)進(jìn)行仿真，使仿真結(jié)果再現(xiàn)當(dāng)前交通狀態(tài)，并在大屏幕投影電子沙盤上動態(tài)顯示交通仿真場景，結(jié)合模擬信號燈實(shí)物實(shí)現(xiàn)交通場景的半實(shí)物展示。本發(fā)明以實(shí)時通訊、半實(shí)物仿真、電子沙盤展示為特點(diǎn)，能準(zhǔn)確、直觀地仿真城市交通狀況及驗(yàn)證信號配時的有效性。
文檔編號G09B23/00GK101414417SQ200810162519
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者泓 劉, 吳鐵軍, 孫偉力, 平 李, 珍 楊, 欣 武, 慧 王, 羅莉華, 育 聞 申請人:浙江大學(xué)