專利名稱：交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)及其仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交通仿真和計算機技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)及其仿真方法。
背景技術(shù)：
仿真，顧名思義是指對真實實物的模仿，也稱為“模擬”，它是指為了求解問題而人為地模擬真實系統(tǒng)的部分或整個運行過程。而平面交叉口處交通狀況復(fù)雜，是制約交通發(fā)展的瓶頸。交通仿真是研究復(fù)雜交通問題的重要工具，其目的就是運用計算機技術(shù)再現(xiàn)復(fù)雜的交通對象，并對這些現(xiàn)象進行解釋、分析，找出問題的癥結(jié)，最終對所研究的交通系統(tǒng)進行優(yōu)化。交通仿真可以清晰的輔助分析預(yù)測交通堵塞的地段和原因，對城市規(guī)劃、交通工程和交通管理的有關(guān)方案進行比較和評價，在問題成為現(xiàn)實以前，盡量避免，或有所準備。 在交通量比較大的交叉口，一般均采用信號控制。用仿真方法研究交叉口信號方案，是交通工程的一項重要課題。目前，針對交叉口信號控制的交通仿真方法主要采用微觀仿真方法，它對交通流的描述是以單個車輛為基本單元的，車輛在道路上的跟車、超車、車道變換、車輛排隊和車輛沖突等行為等微觀行為都能得到較真實的反映。對于交通仿真研究，國內(nèi)外已經(jīng)推出了幾百種交通仿真軟件，比較流行的也不下幾十種。但是，這些交通仿真軟件只僅僅局限于計算機上的研究和演示，并沒有涉及到與之相匹配的研究應(yīng)用硬件的開發(fā)。而且，高校研究者在進行交叉口信號控制研究以及教學過程中沒有直觀演示交通仿真實驗的實物演示平臺， 導致研究者和學生不能夠完全了解各種信號控制方案的現(xiàn)實可行性和意義。再者，研究者將計算機的交叉口信號控制仿真系統(tǒng)和現(xiàn)實中信號控制系統(tǒng)分開，只單純做計算機上的仿真實驗，導致該研究成果的實際應(yīng)用性不大。這使得交通流的學術(shù)研究無法跟實踐相結(jié)合， 對后續(xù)研究及學習帶來了很大的困擾。目前，城市交通控制系統(tǒng)在硬軟件的配置上相當完善，但在交叉口信號控制方面的功能卻十分匱乏，使得交叉口時空利用率太低，致使車輛延誤過大。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)及其仿真方法，該系統(tǒng)及方法是將交叉口信號控制仿真系統(tǒng)與信號控制硬件系統(tǒng)相結(jié)合，將交叉口紅綠燈控制系統(tǒng)和計算機交叉口仿真技術(shù)相結(jié)合，不僅可在計算機上進行仿真實驗研究，也能將優(yōu)化的研究結(jié)果同步應(yīng)用到實際中，同時將計算機上的仿真過程以實物的形式展現(xiàn)出來，達到了集仿真研究模塊和應(yīng)用實踐模塊為一體的目的。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)解決方案
一種交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)，其特征在于，至少包括如下模塊
信號配時控制模塊用以向用戶提供人機交互界面；根據(jù)目標交叉口 4個方向上進口道的實際車流量、飽和車流量計算該交叉口的配時參數(shù)；根據(jù)交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的車流量信息計算新的配時參數(shù)；根據(jù)紅綠燈硬件模塊每個仿真間隔發(fā)送的下一時序號控制交叉口微觀仿真模塊中紅綠燈的時序轉(zhuǎn)換；
交叉口微觀仿真模塊用以向用戶提供計算機進行交叉口仿真的人機交互界面；根據(jù)信號配時控制模塊發(fā)送的配時參數(shù)模擬目標交叉口的交通情況并在計算機界面顯示；實時向LED硬件模塊發(fā)送仿真實驗中路網(wǎng)內(nèi)的LED燈狀態(tài)數(shù)據(jù)；向信號配時控制模塊發(fā)送車流量信息；計算每次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤；
LED燈硬件模塊用以根據(jù)交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的LED燈狀態(tài)數(shù)據(jù)實時控制交叉口實物演示平臺上的LED燈的狀態(tài)；
紅綠燈硬件模塊用以根據(jù)信號配時控制模塊發(fā)送的配時參數(shù)控制交叉口實物演示平臺的紅綠燈和倒計時數(shù)碼管，包括控制時序轉(zhuǎn)換和倒計時數(shù)碼管的減計時；
交叉口實物演示平臺用以根據(jù)接收到紅綠燈硬件模塊和LED燈硬件模塊發(fā)送的控制信號，以實物的形式展現(xiàn)仿真實驗過程中交叉口微觀仿真模塊界面上車輛通過交叉口的運動過程；
其中，交叉口微觀仿真模塊與信號配時控制模塊、LED燈硬件模塊連接，信號配時控制模塊與紅綠燈硬件模塊連接，LED燈硬件模塊、紅綠燈硬件模塊分別與交叉口實物演示平臺連接。所述交叉口實物演示平臺為一個基臺，該基臺上標有交叉口車道，交叉口車道上設(shè)置LED燈、車道紅綠燈、人行道紅綠燈、倒計時數(shù)碼管和電路接口。所述LED燈硬件模塊包括若干塊M點控制電路，交叉口微觀仿真模塊連接所述每塊M點控制電路，每塊M點控制電路連接交叉口實物演示平臺上的對應(yīng)組的M個LED燈的電路接口，所述M點控制電路由微處理器、串口通信模塊、撥碼開關(guān)、并行I/O 口擴展模塊和光電耦合隔離模塊組成。所述紅綠燈硬件模塊包括1個M點控制電路和1個24V轉(zhuǎn)220V的弱電控制強電模塊，所述M點控制電路由微處理器、串口通信模塊、撥碼開關(guān)、并行I/O 口擴展模塊和光電耦合隔離模塊組成。上述的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)的仿真方法，其特征在于，具體包括如下步驟
步驟1 用戶任意選擇一個現(xiàn)實中的目標交叉口 ；
步驟2 實地調(diào)研目標交叉口 4個方向上進口道的車流量、飽和車流量；
步驟3 參照圖15，連接系統(tǒng)各模塊，啟動系統(tǒng)；
步驟4:用戶在交叉口微觀仿真模塊人機界面上編寫路網(wǎng)文件、交通需求文件并存儲， 用戶編寫的路網(wǎng)文件的結(jié)構(gòu)與交叉口演示平臺上的交叉口結(jié)構(gòu)相一致；
步驟5 用戶在信號配時控制模塊的人機界面填寫調(diào)研得到的交叉口 4個方向上進口道的車流量和飽和車流量，信號配時控制模塊利用韋伯斯特信號配時優(yōu)化公式計算得到所選擇方案下該交叉口的配時參數(shù)；或者，用戶在信號配時控制模塊的人機界面直接填寫配時參數(shù)；
步驟6 信號配時控制模塊詢問用戶是否想要進行自適應(yīng)控制，是則提示用戶在交叉口微觀仿真模塊的人機界面上填寫交叉口微觀仿真模塊發(fā)送車流量數(shù)據(jù)的間隔時長(以秒為單位)，該間隔時長不小于一個信號周期(一個信號周期為初始配時參數(shù)定義的4個時序時長之和)，然后執(zhí)行步驟7 ；否則直接執(zhí)行步驟7 ；
所述自適應(yīng)控制是指在同一次仿真實驗過程中，系統(tǒng)根據(jù)用戶填寫的間隔時長自動進行多個配時參數(shù)控制。步驟7 信號配時控制模塊將步驟5中的配時參數(shù)同時發(fā)送給紅綠燈硬件模塊、交叉口微觀仿真模塊，然后執(zhí)行步驟8，交叉口微觀仿真模塊接收到配時參數(shù)后執(zhí)行步驟9， 同時紅綠燈硬件模塊接收到配時參數(shù)后執(zhí)行步驟11 ；
步驟8 信號配時控制模塊實時將紅綠燈硬件模塊發(fā)送的下一時序的時序號發(fā)送給交叉口微觀仿真模塊，從而控制交叉口微觀仿真模塊和紅綠燈硬件模塊的同步仿真，直至收到交叉口仿真模塊的仿真實驗結(jié)束信號，將仿真實驗結(jié)束信號發(fā)送給紅綠燈硬件模塊并退出；實時將交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的車流量信息計算得到新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊；
步驟9 交叉口微觀仿真模塊接收到配時參數(shù)后進行仿真實驗并在計算機界面顯示， 實時地將仿真實驗中路網(wǎng)內(nèi)的LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給LED燈硬件模塊，根據(jù)用戶填寫間隔時長的情況向信號配時控制模塊發(fā)送上一間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量以及飽和車流量，直至用戶通過交叉口微觀仿真模塊的人機界面請求結(jié)束仿真實驗；
步驟10 :LED燈硬件模塊判斷是否接收到LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)，是則根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)實時控制交叉口實物演示平臺上所有LED燈在每一秒的亮滅，否則重新判斷；
步驟11 紅綠燈硬件模塊將接收到的配時參數(shù)轉(zhuǎn)換為時序信息，并根據(jù)時序信息控制交叉口實物平臺上的紅綠燈的燈色和倒計時數(shù)碼管，在每次時序轉(zhuǎn)換時向信號配時控制模塊發(fā)送下一時序的序號，直至接收到信號配時控制模塊發(fā)送的仿真實驗結(jié)束信息；
步驟12 步驟8、步驟9、步驟10和步驟11同時進行直至仿真實驗結(jié)束，最終交叉口仿真模塊顯示當次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤。進一步的，上述方法還包括步驟13，用戶根據(jù)當次仿真實驗的交叉口平均每車延誤來決定是否需要調(diào)整配時參數(shù)，是則返回步驟5 ；否則，用戶將紅綠燈硬件模塊連接到現(xiàn)實的目標交叉口的紅綠燈和倒計時器的電路接口，并利用本次實驗的配時參數(shù)控制目標交叉口紅綠燈和倒計時器。所述配時參數(shù)是指東西向車道綠燈的時長、車道黃燈的時長以及南北向車道綠燈的時長、車道黃燈的時長4個參數(shù)。所述步驟8具體包括如下步驟
步驟801 判斷是否收到紅綠燈硬件模塊發(fā)送的下一時序的時序號，是則將其轉(zhuǎn)發(fā)給交叉口微觀仿真模塊，然后執(zhí)行步驟802 ；否則，執(zhí)行步驟802 ；
步驟802 提示用戶根據(jù)需要填寫新的配時參數(shù)，然后判斷用戶是否填寫了新的配時參數(shù)，是則將用戶填寫的新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊，然后執(zhí)行步驟804;否則， 執(zhí)行步驟803 ；在仿真實驗過程中，用戶可根據(jù)人機界面的提示多次填寫新的配時參數(shù)；
步驟803 判斷是否收到交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的上一間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量和飽和車流量，是則根據(jù)該交通流數(shù)據(jù)利用韋伯斯特信號配時優(yōu)化公式計算得到新的配時參數(shù)，然后將新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊，接著執(zhí)行步驟804 ； 否則，執(zhí)行步驟804;步驟804:判斷是否接收到交叉口仿真模塊發(fā)送的仿真實驗結(jié)束信息，是則將仿真實驗結(jié)束信息發(fā)給紅綠燈硬件控制模塊，并通過人機界面通知用戶該次仿真實驗結(jié)束；否則， 轉(zhuǎn)入步驟801 ；
所述步驟9具體包括如下步驟
步驟901 統(tǒng)計本次仿真實驗已經(jīng)進行了多少個仿真間隔，并在界面上顯示； 步驟902 調(diào)用用戶編輯的路網(wǎng)文件在人機界面上顯示交叉口路網(wǎng)； 步驟903 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的下一時序的時序號，是則根據(jù)新的時序號確定路網(wǎng)上交叉口紅綠燈的燈色并顯示；否則，按照當前時序的時序號確定路網(wǎng)上交叉口紅綠燈的燈色并顯示；
步驟904 調(diào)用交通需求文件在交叉口路網(wǎng)的車道入口點處產(chǎn)生車輛； 步驟905 根據(jù)上一秒路網(wǎng)上每一車輛的車頭位置坐標值，計算路網(wǎng)上每一車輛的當前秒的車頭位置坐標值，并在該位置處顯示該車輛；
步驟906 將路網(wǎng)上的車道分成96個車格，統(tǒng)計每一仿真間隔每個車格的車輛情況，并其轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)4組LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)；每一仿真間隔將每組LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給LED 燈硬件模塊；
步驟907 統(tǒng)計當前仿真間隔內(nèi)路網(wǎng)上交叉口 4個方向上的進口道的車流量、飽和車流量、車輛平均速度、停車次數(shù)、車輛排隊長度，將其存儲為檢測文件；
步驟908 判斷用戶是否在人機界面上填寫了間隔時長，是則執(zhí)行步驟909 ；否則，執(zhí)行步驟910 ；
步驟909 判斷步驟901統(tǒng)計的當前仿真間隔數(shù)是否為間隔時長的整數(shù)倍，是則將檢測文件中上一個間隔時長內(nèi)檢測到的每個仿真間隔內(nèi)的交叉口 4個方向上進口道的車流量累加，并將累加得到上一個間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量以及飽和車流量發(fā)送給信號配時控制模塊，然后執(zhí)行步驟910 ；否則，直接執(zhí)行步驟910 ；
步驟910:實時判斷用戶是否通過人機界面請求結(jié)束仿真，是則利用HCM2000延誤模型計算本次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤，并向信號配時控制模塊發(fā)送本次仿真實驗結(jié)束信息；否則，轉(zhuǎn)入步驟901。
所述步驟11具體包括如下步驟
步驟1101 紅綠燈硬件模塊中的M點控制電路的微處理器將接收到的配時參數(shù)對應(yīng)存儲為4個時序的時間長度；
步驟1102 紅綠燈硬件模塊中的微處理器從時序0開始，按時序順序循環(huán)控制紅綠燈， 按照每個時序規(guī)定的燈色點亮交叉口實物演示平臺上的紅綠燈，并對當前時序的時間長度進行減計時，計時單位為1秒；每秒更新交叉口倒計時數(shù)碼管顯示的當前時序的剩余時間； 如果當前時序的時間長度減計時到0時，按照新的時序減計時，每次時序轉(zhuǎn)換時微處理器向信號配時控制模塊發(fā)送下一時序的序號；自動切換到時序1，以此類推，直至時序3減計時結(jié)束；
步驟1103 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的新的配時參數(shù)，是則轉(zhuǎn)入步驟 1101，否則直接執(zhí)行步驟1104;
步驟1104 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的本次仿真實驗結(jié)束信息，是則停止交叉口實物演示平臺上倒計時數(shù)碼管的倒計時并滅掉紅綠燈；否則，轉(zhuǎn)入步驟1102。
本發(fā)明的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)及其仿真方法的優(yōu)點
1、半實物仿真突破了交叉口交通仿真局限于計算機模擬的傳統(tǒng)思路，把相互獨立的計算機仿真、硬件控制和實物演示有機的結(jié)合起來并同步控制，實現(xiàn)了對于交叉口交通流虛擬仿真與實物演示的同步進行，在理論研究和實際應(yīng)用之間架起橋梁。2、紅綠燈硬件模塊預(yù)留220v接口，使實驗結(jié)果可以直接用于現(xiàn)實中交叉口的信號控制，與現(xiàn)實實現(xiàn)過程無縫銜接。3、實物演示利用LED燈亮滅模擬現(xiàn)實交叉口的車輛運動，并利用紅綠燈、倒計時數(shù)碼管模擬現(xiàn)實紅綠燈和倒計時數(shù)碼管，實現(xiàn)了直觀的實物演示微觀交通流。本發(fā)明采用元器件簡單，易于安裝，成本低廉，使用方便，可以根據(jù)需要靈活地控制仿真實驗過程，在一次仿真實驗中進行多次配時參數(shù)的執(zhí)行，實現(xiàn)計算機界面仿真模擬和實物平臺的仿真模擬同步進行，克服了現(xiàn)有仿真技術(shù)只局限于理論研究而忽略了實踐應(yīng)用以及實驗不能真實的展現(xiàn)的缺陷，導致其實用性不大的缺陷。


圖1是交叉口實物演示平臺的每個車道的LED燈布置示意圖。
圖2是交叉口實物演示平臺的交叉口的LED燈布置圖。
圖3是交叉口實物演示平臺的LED燈總布置圖。
圖4是交叉口實物演示平臺的每組24個LED燈的接線圖。
圖5是交叉口實物演示平臺的車道紅綠燈接線圖。
圖6是交叉口實物演示平臺的人行道紅綠燈接線圖。
圖7是交叉口實物演示平臺的倒計時數(shù)碼管接線圖。
圖8是LED燈硬件模塊原理框圖。
圖9是M點控制電路原理框圖。
圖10是紅綠燈硬件模塊原理框圖。
圖11是本發(fā)明的仿真方法的工作流程圖。
圖12是信號配時控制模塊的工作流程圖。
圖13是交叉口微觀仿真模塊的工作流程圖。
圖14是紅綠燈硬件模塊的流程圖。
圖15是本發(fā)明的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細說明。
具體實施例方式
參見圖15，本發(fā)明的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)，包括交叉口微觀仿真模塊、信號配時控制模塊、LED燈硬件模塊、紅綠燈硬件模塊和交叉口實物演示平臺。其中，交叉口微觀仿真模塊與信號配時控制模塊通過雙絞線連接，交叉口微觀仿真模塊通過RS232串口線與LED燈硬件模塊連接，信號配時控制模塊通過RS232串口線與紅綠燈硬件模塊連接，LED 燈硬件模塊、紅綠燈硬件模塊分別通過導線與交叉口實物演示平臺連接。
交叉口實物演示平臺用以根據(jù)接收到紅綠燈硬件模塊和LED燈硬件模塊發(fā)送的控制信號，以實物的形式展現(xiàn)仿真實驗過程中交叉口微觀仿真模塊界面上車輛通過交叉口的運動過程。
交叉口實物演示平臺為一個基臺，該基臺上標有交叉口車道，該交叉口車道與所選的現(xiàn)實中的目標交叉口的車道等比例，交叉口車道上設(shè)置LED燈、車道紅綠燈、人行道紅綠燈、倒計時數(shù)碼管和電路接口。其中，LED燈用以根據(jù)LED燈硬件模塊發(fā)送的控制信號模擬交叉口車輛行駛狀況；車道紅綠燈、人行道紅綠燈用以模擬目標交叉口的車道紅綠燈、人行道紅綠燈的狀態(tài)；倒計時數(shù)碼管用以模擬目標交叉口的紅綠燈倒計時牌；電路接口用以連接紅綠燈硬件模塊和LED燈硬件模塊。參見圖1，基臺上的每條車道上均勻設(shè)置20個LED燈，分為5排，每排4個，圖中箭頭方向為模擬車輛的行駛方向；參見圖2，基臺上的交叉口上設(shè)置16個LED燈，分為4排， 每排4個；每個LED燈對應(yīng)交叉口微觀仿真模塊中交叉口道路上的一個車格，該車格有車則對應(yīng)的LED燈亮，否則LED燈滅。參見圖3，將96個LED燈順序編號，并按編號將LED燈均分為4組。參見圖4，每組的M個LED燈的陽極并接，陰極分別控制，形成一個標準的沈針的電路接口(一個針置空)。4個LED燈的電路接口分別與LED燈硬件模塊的輸出接口對應(yīng)連接。參見圖5、圖6，基臺上設(shè)置了 4個車道紅綠燈、4個倒計時數(shù)碼管和4個人行道紅綠燈。車道紅綠燈、人行道紅綠燈均采用220v高亮度信號指示燈。東西向的2個車道紅綠燈線路并接，其燈色保持一致，同理，東西向的2個人行道紅綠燈線路并接、南北向的車道紅綠燈線路并接、南北向人行道紅綠燈線路并接，共形成4個接口。參見圖7，東西向的2個倒計時數(shù)碼管的管腳對應(yīng)并接為一個10針的接口，南北向的2個倒計時數(shù)碼管與東西向相同，倒計時數(shù)碼管共形成2個接口，上述6個接口分別與紅綠燈硬件模塊的輸出接口對應(yīng)連接。LED燈硬件模塊用以根據(jù)交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的LED燈狀態(tài)數(shù)據(jù)實時控制交叉口實物演示平臺上的LED燈的狀態(tài)。參見圖8，LED燈硬件模塊包括4塊M點控制電路，交叉口微觀仿真模塊連接每塊 24點控制電路，每塊M點控制電路有唯一地址，每塊M點控制電路通過沈路導線連接交叉口實物演示平臺上的對應(yīng)組的LED燈的電路接口，每組M個LED燈。參見圖9，每塊M 點控制電路由微處理器、串口通信模塊、撥碼開關(guān)、并行I/O 口擴展模塊和光電耦合隔離模塊組成。微處理器用以處理接收到的十六進制數(shù)據(jù)，微處理器選用At89c51 ；串口通信模塊用以實現(xiàn)計算機和微處理器串口通信；撥碼開關(guān)用以確定當前M點控制電路的地址；并行 I/O 口擴展模塊用以將微處理器的點位控制能力提高到M個；光電耦合隔離模塊用以將并行I/O 口擴展模塊輸出的每個點的5v電壓轉(zhuǎn)換為24v控制電壓。串口通信模塊、撥碼開關(guān)的輸出端分別連接微處理器的輸入端，微處理器的輸出端連接并行I/O 口擴展模塊的輸入端，并行I/O 口擴展模塊的輸出端連接光電耦合隔離模塊的輸入端；光電耦合隔離模塊的輸出端作為LED燈硬件模塊的輸出接口。紅綠燈硬件模塊用以根據(jù)信號配時控制模塊發(fā)送的配時參數(shù)控制交叉口實物演示平臺的紅綠燈和倒計時數(shù)碼管，包括控制時序轉(zhuǎn)換(紅綠燈的燈色轉(zhuǎn)換)和倒計時數(shù)碼管減計時。參見圖10，紅綠燈硬件模塊包括1個M點控制電路和1個24V轉(zhuǎn)220V的弱電控制強電模塊。信號配時控制模塊連接紅綠燈硬件模塊的M點控制電路，24點控制電路連接弱電控制強電模塊，弱電控制強電模塊用以將該M點控制電路輸出端中的6個點控的高低電位轉(zhuǎn)換為6個輸出為(T220V的點，其中，前3個點形成一個輸出接口，用導線連接實物演示平臺的東西向車道紅綠燈，用以控制東西向車道紅燈、黃燈和綠燈；后3個點形成一個輸出接口，用導線連接到實物演示平臺上南北向車道紅綠燈；在上述6個點中，控制東西向車道紅燈的點與控制南北向車道紅燈的點可形成一個輸出接口，用導線連接到演示平臺上東西向人行道紅綠燈接口 ；控制東西向車道紅燈的點與控制南北向車道紅燈的點可形成另一個輸出接口，用導線連接到演示平臺上南北向人行道紅綠燈接口。M點控制電路輸出端的其余18個點中，9個點形成的接口連接實物演示平臺上東西向數(shù)碼管接口，另9個點形成的接口連接實物演示平臺上南北向數(shù)碼管接口。6個點控制車道、人行道所有紅綠燈的原理東西向人行道綠燈和南北向車道紅燈同亮同滅；東西向人行道紅燈和東西向車道紅燈同亮同滅；南北向人行道綠燈和東西向車道紅燈同亮同滅；南北向人行道紅燈和南北向車道紅燈同亮同滅。因此，實物演示平臺上的東西向人行道綠燈、南北向人行道紅燈和南北向車道紅燈可用同一個點控制；實物演示平臺上的東西向人行道紅燈、南北向人行道綠燈和東西向車道紅燈可用同一個點控制；實物演示平臺上的東西向車道綠燈和黃燈分別需要一個點控制；實物演示平臺上的南北向車道綠燈和黃燈分別需要一個點控制，這樣就達到了 6個點控制實物演示平臺上所有的紅綠燈了。由于這6個點都是(T220V輸出點，因此紅綠燈硬件模塊的輸出接口可直接控制實際交叉口的紅綠燈((T220V)。信號配時控制模塊用以向用戶提供人機交互界面；根據(jù)目標交叉口 4個方向上進口道的實際車流量、飽和車流量計算該交叉口的配時參數(shù)；根據(jù)交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的車流量信息計算新的配時參數(shù)；根據(jù)紅綠燈硬件模塊每個仿真間隔發(fā)送的下一時序號控制交叉口微觀仿真模塊中紅綠燈的時序轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明中，交叉口的紅綠燈狀態(tài)采用兩相位制，因此配時參數(shù)是指東西向車道綠燈的時長、車道黃燈的時長以及南北向車道綠燈的時長、車道黃燈的時長等4個參數(shù)，且該交叉口的紅綠燈有4個時序(信號階段)，時序的設(shè)置見步驟1101。交叉口微觀仿真模塊用以向用戶提供計算機進行交叉口仿真的人機交互界面； 根據(jù)信號配時控制模塊發(fā)送的配時參數(shù)模擬目標交叉口的交通情況并在計算機界面顯示； 實時向LED硬件模塊發(fā)送仿真實驗中路網(wǎng)內(nèi)的LED燈狀態(tài)數(shù)據(jù)；向信號配時控制模塊發(fā)送車流量信息；計算每次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤。具體功能如下
1)根據(jù)交叉口路網(wǎng)文件在計算機可視界面顯示路網(wǎng)。即根據(jù)路網(wǎng)文件，利用 fox-1. 6. 36窗口圖像工具在界面上畫出交叉口路網(wǎng)(雙向四車道的信號十字交叉口圖像)。本發(fā)明中，該交叉口路網(wǎng)的圖像與目標交叉口比例為1:10000，車道間以白線區(qū)分。2)按照交通需求文件在路網(wǎng)的車道入口點處產(chǎn)生車輛。即根據(jù)交通需求文件中的每個OD量(路網(wǎng)某一入口處每小時的車流入量)，采用泊松分布來確定每輛車在其對應(yīng)的節(jié)點進入路網(wǎng)的時間(即第幾個仿真間隔產(chǎn)生車輛)，并利用fox-1. 6. 36窗口圖像工具在界面路網(wǎng)圖像上對應(yīng)入口節(jié)點處畫出該輛車(以長方塊形式表示)。3)按照信號配時控制模塊發(fā)送的紅綠燈時序號確定當前仿真間隔紅綠燈的燈色并顯示，仿真間隔為1秒。共設(shè)置4個時序，時序設(shè)置與紅綠燈硬件模塊中的時序設(shè)置相同且時間上同步；按照信號配時控制模塊發(fā)送的時序號所對應(yīng)的紅綠燈燈色利用 fox-1. 6. 36窗口圖像工具，在計算機界面上路網(wǎng)圖像中的交叉口與各個流入交叉口路段相接的地方畫出該方向?qū)?yīng)紅綠燈的顏色。4)在每一仿真間隔計算當前路網(wǎng)上所有車輛的位置(坐標)并將其顯示。車輛在一段時間內(nèi)完成的移動(即車輛的微觀運動特性)，可用車輛在路段上的二維坐標的變化來表示。根據(jù)車輛運動特性模型，車輛加、減速模型，車輛跟馳模型和車輛可接受間距模型計算車輛在當前仿真間隔的新坐標并利用fox-1. 6. 36窗口圖像工具在界面上路網(wǎng)圖像中畫出該車輛。5)用以檢測交叉口范圍內(nèi)車輛信息。即統(tǒng)計當前仿真間隔交叉口 4個方向上進口道(車輛駛?cè)虢徊婵诘穆范?的車流量、飽和車流量、車輛的平均速度、最大車輛排隊長度、 停車次數(shù)；并每隔一段時間(用戶填寫的間隔時長)將檢測到的該段時間內(nèi)車流量和飽和車流量發(fā)送給信號配時控制模塊。6)用以在每一仿真間隔統(tǒng)計并發(fā)送交叉口微觀仿真模塊界面上所有LED燈的狀態(tài)信息。根據(jù)實物演示平臺上LED燈的布置，將路網(wǎng)上的車道分成96個車格(車格長為最短車輛長度)，并按照實物演示平臺上LED燈編號對車格進行相同編號；在每一仿真間隔按車格的編號順序掃描每個車格是否有車輛占用，有車的車格對應(yīng)的數(shù)據(jù)位為1，無則標記為 0，從而統(tǒng)計得到每個車格對應(yīng)的LED燈狀態(tài)的二進制數(shù)據(jù)，譯為十六進制字符串，將統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)按組分別發(fā)送LED硬件模塊。7)用以在仿真實驗結(jié)束時，即根據(jù)檢測到的交叉口范圍內(nèi)車輛信息，利用HCM2000 延誤模型計算本次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤。參見圖11，本發(fā)明的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真方法具體包括如下步驟 步驟1 用戶任意選擇一個現(xiàn)實中的目標交叉口 ；
步驟2 實地調(diào)研目標交叉口 4個方向上進口道的車流量、飽和車流量； 步驟3:參照圖15，連接系統(tǒng)各模塊，啟動系統(tǒng)；
步驟4:用戶在交叉口微觀仿真模塊人機交互界面上編寫路網(wǎng)文件、交通需求文件并存儲，用戶編寫的路網(wǎng)文件的結(jié)構(gòu)與交叉口演示平臺上的交叉口結(jié)構(gòu)相一致；
路網(wǎng)文件是用戶利用XML文件形式建立交叉口路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，即用點、線的形式描述交叉口路網(wǎng)。節(jié)點與路段是反映路網(wǎng)拓撲關(guān)系的兩個基本要素。一個節(jié)點可代表一個交叉口作為反映道路拓撲關(guān)系的基本要素。一個節(jié)點也可代表一個車輛產(chǎn)生點或吸引點(0D 點)，車輛通過這些OD點進入或駛離路網(wǎng)。一條路段代表的是一個節(jié)點到另一個節(jié)點之間的有向線段。一條連接路段代表的是在交叉口節(jié)點內(nèi)部連接一條流入交叉口的路段(上游路段)和一條流出交叉口路段(下游路段)的有向路段。通過各路段與節(jié)點的關(guān)系可反映路段與節(jié)點的流出流入關(guān)系、路段與路段之間的連接關(guān)系、車道與其它相關(guān)車道之間的連接或者相鄰關(guān)系。本發(fā)明中，用戶通過如下步驟建立路網(wǎng)文件首先，用戶在XML文件中定義4個元素代表4個節(jié)點，并對每個節(jié)點元素建立多個屬性，包括節(jié)點編碼、節(jié)點的橫坐標值、節(jié)點的縱坐標值；定義一個交叉口類型節(jié)點元素，包含以下屬性節(jié)點編碼、交叉口的幾何參數(shù)(確定交叉口形狀的多個坐標值)；定義多個路段元素，每個元素包括以下屬性 路段編碼、路段起點的節(jié)點編碼、終點的節(jié)點編碼、路段長度、路段的幾何形狀(確定路段形狀的多個坐標值)、路段的車道數(shù)、路段的寬度、路段的最大限速；接著定義交叉口節(jié)點內(nèi)的連接路段元素，該元素屬性包含連接路段的編碼、連接路段的幾何形狀(確定連接路段形狀的多個坐標值)、上游路段的路段編碼、下游路段的路段編碼、最大限速，最終形成交叉口路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。交通需求文件是用戶利用XML文件形式建立該交叉口的車輛出行OD需求的文件。 用戶在XML文件中定義多個OD需求元素，每個元素包含以下屬性0D編碼、起點編碼、終點編碼、OD量/veh^T1、車長度、車輛最大加速度。步驟5 用戶在信號配時控制模塊的人機界面填寫調(diào)研得到的交叉口 4個方向上進口道的車流量和飽和車流量，信號配時控制模塊利用韋伯斯特信號配時優(yōu)化公式計算得到所選擇方案下該交叉口的配時參數(shù)，配時參數(shù)是指東西向車道綠燈的時長、車道黃燈的時長以及南北向車道綠燈的時長、車道黃燈的時長4個參數(shù)；或者，用戶在信號配時控制模塊的人機界面直接填寫配時參數(shù)。步驟6 信號配時控制模塊詢問用戶是否想要進行自適應(yīng)控制，是則提示用戶在交叉口微觀仿真模塊的人機界面上填寫交叉口微觀仿真模塊發(fā)送車流量數(shù)據(jù)的間隔時長 (以秒為單位)，該間隔時長不小于一個信號周期(一個信號周期為初始配時參數(shù)定義的4 個時序時長之和)，然后執(zhí)行步驟7 ；否則直接執(zhí)行步驟7。所述的自適應(yīng)控制是指在同一次仿真實驗過程中，系統(tǒng)根據(jù)用戶填寫的間隔時長以及仿真實驗中的具體情況自動進行多個配時參數(shù)控制。步驟7 信號配時控制模塊將步驟5中的配時參數(shù)同時發(fā)送給紅綠燈硬件模塊、交叉口微觀仿真模塊，然后執(zhí)行步驟8，交叉口微觀仿真模塊接收到配時參數(shù)后執(zhí)行步驟9， 同時紅綠燈硬件模塊接收到配時參數(shù)后執(zhí)行步驟11。步驟8 信號配時控制模塊實時將紅綠燈硬件模塊發(fā)送的下一時序的時序號發(fā)送給交叉口微觀仿真模塊，從而控制交叉口微觀仿真模塊和紅綠燈硬件模塊的同步仿真，直至收到交叉口仿真模塊的仿真實驗結(jié)束信號，將仿真實驗結(jié)束信號發(fā)送給紅綠燈硬件模塊并退出；實時將交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的車流量信息計算得到新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊；參照圖12，具體包括如下步驟
步驟801 判斷是否收到紅綠燈硬件模塊發(fā)送的下一時序的時序號，是則將其轉(zhuǎn)發(fā)給交叉口微觀仿真模塊，然后執(zhí)行步驟802 ；否則，執(zhí)行步驟802。步驟802 提示用戶根據(jù)需要填寫新的配時參數(shù)，然后判斷用戶是否填寫了新的配時參數(shù)，是則將用戶填寫的新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊，然后執(zhí)行步驟804;否則，執(zhí)行步驟803。在仿真實驗過程中，用戶可根據(jù)人機界面的提示多次填寫新的配時參數(shù)。步驟803 判斷是否收到交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的上一間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量和飽和車流量，是則根據(jù)該交通流數(shù)據(jù)利用韋伯斯特信號配時優(yōu)化公式計算得到新的配時參數(shù)，然后將新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊，接著執(zhí)行步驟 804 ；否則，執(zhí)行步驟804。步驟804:判斷是否接收到交叉口仿真模塊發(fā)送的仿真實驗結(jié)束信息，是則將仿真實驗結(jié)束信息發(fā)給紅綠燈硬件控制模塊，并通過人機界面通知用戶該次仿真實驗結(jié)束； 否則，轉(zhuǎn)入步驟801。步驟9 交叉口微觀仿真模塊接收到配時參數(shù)后進行仿真實驗并在計算機界面顯示，實時地將仿真實驗中路網(wǎng)內(nèi)的LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給LED燈硬件模塊，根據(jù)用戶填寫間隔時長的情況向信號配時控制模塊發(fā)送上一間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量以及飽和車流量，直至用戶通過交叉口微觀仿真模塊的人機界面請求結(jié)束仿真實驗； 參照圖13，具體包括如下步驟
步驟901 統(tǒng)計本次仿真實驗已經(jīng)進行了多少個仿真間隔(即仿真實驗進行到了第幾秒，仿真間隔為Is)，并在界面上顯示；
步驟902 調(diào)用用戶編輯的路網(wǎng)文件在人機界面上顯示交叉口路網(wǎng)； 步驟903 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的下一時序的時序號，是則根據(jù)新的時序號確定路網(wǎng)上交叉口紅綠燈的燈色并顯示，然后執(zhí)行步驟904;否則，繼續(xù)按照當前時序的時序號確定路網(wǎng)上交叉口紅綠燈的燈色并顯示。步驟904 調(diào)用交通需求文件在交叉口路網(wǎng)的車道入口點處產(chǎn)生車輛；
步驟905 根據(jù)上一秒路網(wǎng)上每一車輛的車頭位置坐標值，計算路網(wǎng)上每一車輛的當前秒的車頭位置坐標值，并在該位置處顯示該車輛；
利用車輛運動特性模型，車輛加、減速模型，車輛跟馳模型和車輛可接受間距模型，流入交叉口車道上的第1個車輛讀取交叉口該方向上信號燈的燈色，如果是黃燈或紅燈，車輛加、減速模型計算其減速度，確保在停車線處速度為0 ；如果是綠燈，車輛加、減速模型計算其加速度，保證其加速度不大于現(xiàn)實車輛的最大加速度；車輛運動特性模型根據(jù)跟馳狀態(tài)或者加、減速度計算車輛的速度和經(jīng)過IS后的位置坐標。對于非車隊隊首的車，可接受間距模型計算其與前輛車的車頭時距；根據(jù)車頭時距和車輛速度，跟馳模型判斷車輛是否進入跟馳狀態(tài)，否則車輛加、減速模型計算車輛的加或減速度；車輛運動特性模型根據(jù)跟馳狀態(tài)或者加、減速度計算車輛的速度和經(jīng)過IS后的位置坐標；
步驟906 將路網(wǎng)上的車道分成96個車格，統(tǒng)計每一仿真間隔每個車格的車輛情況，并其轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)4組LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)；每一仿真間隔將每組LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給LED 燈硬件模塊；
具體是按車格的編號順序掃描每個車格是否有車輛占用，有車的車格對應(yīng)的數(shù)據(jù)位為 1，無則標記為0，從而統(tǒng)計得到每個車格對應(yīng)的LED燈狀態(tài)的二進制數(shù)據(jù)，將統(tǒng)計得到的 LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)譯為十六進制數(shù)存儲到字符串變量中。步驟907 統(tǒng)計當前仿真間隔內(nèi)路網(wǎng)上交叉口 4個方向上的進口道的車流量、飽和車流量、車輛平均速度、停車次數(shù)、車輛排隊長度，將其存儲為檢測文件；
步驟908 判斷用戶是否在人機界面上填寫了間隔時長，是則執(zhí)行步驟909 ；否則，執(zhí)行步驟910。步驟909 判斷步驟901統(tǒng)計的當前仿真間隔數(shù)是否為間隔時長的整數(shù)倍，是則將檢測文件中上一個間隔時長內(nèi)檢測到的每個仿真間隔內(nèi)的交叉口 4個方向上進口道的車流量累加，并將累加得到上一個間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量以及飽和車流量發(fā)送給信號配時控制模塊，然后執(zhí)行步驟910 ；否則，直接執(zhí)行步驟910。步驟910 實時判斷用戶是否通過人機界面請求結(jié)束仿真，是則利用HCM2000延誤模型計算本次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤，并向信號配時控制模塊發(fā)送本次仿真實驗結(jié)束信息；否則，轉(zhuǎn)入步驟901。步驟10 :LED燈硬件模塊判斷是否接收到LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)，是則根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)實時控制交叉口實物演示平臺上所有LED燈在每一秒的亮滅，否則重新判斷。LED燈硬件模塊中的每個M點控制電路的根據(jù)自身地址保存對應(yīng)組的交叉口實物演示平臺上的LED燈狀態(tài)信息的6位十六進制數(shù)，再由微處理器將其譯為M位二進制數(shù) (1為實物演示平臺上的LED燈亮，0為滅)，微處理器通過并行I/O 口擴展模塊輸出M點的 5V控制電壓；光電耦合隔離模塊將5v電壓提升為24v的輸出接口，連接交叉口實物演示平臺上對應(yīng)組的LED燈的電路接口。步驟11 紅綠燈硬件模塊將接收到的配時參數(shù)轉(zhuǎn)換為時序信息，并根據(jù)時序信息控制交叉口實物平臺上的紅綠燈的燈色和倒計時數(shù)碼管，在每次時序轉(zhuǎn)換時向信號配時控制模塊發(fā)送下一時序的序號，直至接收到信號配時控制模塊發(fā)送的仿真實驗結(jié)束信息。參照圖14，具體包括如下步驟
步驟1101 紅綠燈硬件模塊中的M點控制電路的微處理器將接收到的配時參數(shù)對應(yīng)存儲為4個時序的時間長度。所述時序信息是指紅綠燈硬件模塊將紅綠燈的狀態(tài)設(shè)置4個時序時序0 東西向車道綠燈亮，人行道紅燈亮；南北向車道紅燈亮，人行道綠燈亮，時序0的時間長度為東西向車道綠燈時長。時序1 東西向車道黃燈亮，人行道紅燈亮；南北向車道紅燈亮，人行道綠燈亮，時序1的時間長度為東西向車道黃燈時長。時序2:南北向車道綠燈亮，人行道紅燈亮；東西向車道紅燈亮，人行道綠燈亮，時序2的時間長度為南北向車道綠燈時長。時序 3 南北向車道黃燈亮，人行道紅燈亮；東西向車道紅燈亮，人行道綠燈亮，時序3的時間長度為南北向車道黃燈時長。步驟1102 紅綠燈硬件模塊中的微處理器從時序0開始，按時序順序循環(huán)控制紅綠燈，按照每個時序規(guī)定的燈色點亮交叉口實物演示平臺上的紅綠燈，對當前時序的時間長度進行減計時，計時單位為1秒；每秒更新交叉口倒計時數(shù)碼管顯示的當前時序的剩余時間；如果當前時序的時間長度減計時到0時，按照新的時序減計時，每次時序轉(zhuǎn)換時微處理器向信號配時控制模塊發(fā)送下一時序的序號；自動切換到時序1，以此類推，直至時序 3減計時結(jié)束；執(zhí)行步驟1103。步驟1103 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的新的配時參數(shù)，是則轉(zhuǎn)入步驟1101，否則直接執(zhí)行步驟1104 ；
原理紅綠燈硬件模塊中的M點控制電路中串口通訊模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用中斷方式， 即串口通訊模塊在接收到新的配時參數(shù)時，向微處理器發(fā)送中斷請求信息，微處理器響應(yīng)中斷即保護現(xiàn)場，存儲接收到的配時參數(shù)并置接受標志位(變量)為1，然后恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回，繼續(xù)執(zhí)行剛才未完的工作，直到執(zhí)行步驟1103時，判斷接收標志位是否為1，是則置接收標志位為0，轉(zhuǎn)入步驟1101 ；否則直接執(zhí)行步驟1104。步驟1104 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的本次仿真實驗結(jié)束信息， 是則停止交叉口實物演示平臺上倒計時數(shù)碼管的倒計時并滅掉紅綠燈；否則，轉(zhuǎn)入步驟 1102。步驟12 步驟8、步驟9、步驟10和步驟11同時進行直至仿真實驗結(jié)束，最終交叉口仿真模塊顯示的整個交叉口平均每車延誤。步驟13 用戶根據(jù)當次仿真實驗的交叉口平均每車延誤來決定是否需要調(diào)整配時參數(shù)，是則返回步驟5 ；否則，說明本次仿真實驗的配時參數(shù)合格，用戶將紅綠燈硬件模塊連接到現(xiàn)實的目標交叉口的紅綠燈和倒計時器的電路接口，并利用本次實驗的配時參數(shù)控制目標交叉口紅綠燈和倒計時器。
實際應(yīng)用時，用戶可進行多次仿真實驗，得到每個仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤，交叉口平均每車延誤最小的仿真實驗中的配時參數(shù)的方案為最佳交叉口控制方案，通過信號配時控制模塊將配時參數(shù)發(fā)送到紅綠燈硬件模塊，再將紅綠燈硬件模塊的 220V紅綠燈輸出接口接到現(xiàn)實中的交叉口紅綠燈上，從而實現(xiàn)理論研究的目的，提高現(xiàn)實中的交叉口的時空利用率。綜上，用戶利用信號配時控制模塊為交叉口仿真模塊中虛擬紅綠燈和實物模塊中的紅綠燈提供配時參數(shù)，該信號配時控制模塊依據(jù)紅綠燈硬件模塊的反饋信息控制仿真模塊中紅綠燈的運行過程；交叉口微觀仿真模塊模擬了在所給的不同信號控制方案下車輛行駛通過交叉口的過程并以圖像動態(tài)描述其過程，可對該方案進行標準的指標評估，使用戶可根據(jù)評估結(jié)果不斷調(diào)整信號控制方案，以達到最優(yōu)控制，即整個交叉口平均每車延誤最??；紅綠燈硬件模塊根據(jù)信號配時控制模塊提供的配時參數(shù)控制交叉口實物演示平臺紅綠燈和倒計時數(shù)碼管的運行；LED硬件模塊根據(jù)仿真模塊每一秒提供的數(shù)據(jù)控制交叉口實物演示平臺上模擬車輛的LED燈的狀態(tài)；而交叉口實物演示平臺在上述硬件模塊控制下以實物形式演示了仿真模塊界面上不同信號控制方案下車輛行駛通過交叉口的視覺過程。紅綠燈硬件模塊可控制實際交叉口的紅綠燈，給得到的最優(yōu)信號控制方案的實際應(yīng)用提供了相匹配的硬件模塊，交叉口實物演示平臺首次以模擬車道上均勻布置的LED燈的閃爍來表示車輛的通行。
權(quán)利要求
1.一種交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)，其特征在于，至少包括如下模塊信號配時控制模塊用以向用戶提供人機交互界面；根據(jù)目標交叉口 4個方向上進口道的實際車流量、飽和車流量計算該交叉口的配時參數(shù)；根據(jù)交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的車流量信息計算新的配時參數(shù)；根據(jù)紅綠燈硬件模塊每個仿真間隔發(fā)送的下一時序號控制交叉口微觀仿真模塊中紅綠燈的時序轉(zhuǎn)換；交叉口微觀仿真模塊用以向用戶提供計算機進行交叉口仿真的人機交互界面；根據(jù)信號配時控制模塊發(fā)送的配時參數(shù)模擬目標交叉口的交通情況并在計算機界面顯示；實時向LED硬件模塊發(fā)送仿真實驗中路網(wǎng)內(nèi)的LED燈狀態(tài)數(shù)據(jù)；向信號配時控制模塊發(fā)送車流量信息；計算每次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤；LED燈硬件模塊用以根據(jù)交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的LED燈狀態(tài)數(shù)據(jù)實時控制交叉口實物演示平臺上的LED燈的狀態(tài)；紅綠燈硬件模塊用以根據(jù)信號配時控制模塊發(fā)送的配時參數(shù)控制交叉口實物演示平臺的紅綠燈和倒計時數(shù)碼管，包括控制時序轉(zhuǎn)換和倒計時數(shù)碼管減計時；交叉口實物演示平臺用以根據(jù)接收到紅綠燈硬件模塊和LED燈硬件模塊發(fā)送的控制信號，以實物的形式展現(xiàn)仿真實驗過程中交叉口微觀仿真模塊界面上車輛通過交叉口的運動過程；其中，交叉口微觀仿真模塊與信號配時控制模塊、LED燈硬件模塊連接，信號配時控制模塊與紅綠燈硬件模塊連接，LED燈硬件模塊、紅綠燈硬件模塊分別與交叉口實物演示平臺連接。
2.如權(quán)利要求1所述的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述交叉口實物演示平臺為一個基臺，該基臺上標有交叉口車道，交叉口車道上設(shè)置LED燈、車道紅綠燈、人行道紅綠燈、倒計時數(shù)碼管和電路接口。
3.如權(quán)利要求1所述的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述LED燈硬件模塊包括若干塊M點控制電路，交叉口微觀仿真模塊連接所述每塊M點控制電路，每塊 24點控制電路連接交叉口實物演示平臺上的對應(yīng)組的M個LED燈的電路接口，所述M點控制電路由微處理器、串口通信模塊、撥碼開關(guān)、并行I/O 口擴展模塊和光電耦合隔離模塊組成。
4.如權(quán)利要求1所述的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述紅綠燈硬件模塊包括1個M點控制電路和1個24V轉(zhuǎn)220V的弱電控制強電模塊，所述M點控制電路由微處理器、串口通信模塊、撥碼開關(guān)、并行I/O 口擴展模塊和光電耦合隔離模塊組成。
5.權(quán)利要求1所述的交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)的仿真方法，其特征在于，具體包括如下步驟步驟1 用戶任意選擇一個現(xiàn)實中的目標交叉口 ；步驟2 實地調(diào)研目標交叉口 4個方向上進口道的車流量、飽和車流量；步驟3:參照圖15，連接系統(tǒng)各模塊，啟動系統(tǒng)；步驟4:用戶在交叉口微觀仿真模塊人機交互界面上編寫路網(wǎng)文件、交通需求文件并存儲，用戶編寫的路網(wǎng)文件的結(jié)構(gòu)與交叉口演示平臺上的交叉口結(jié)構(gòu)相一致；步驟5 用戶在信號配時控制模塊的人機界面填寫調(diào)研得到的交叉口 4個方向上進口道的車流量和飽和車流量，信號配時控制模塊利用韋伯斯特信號配時優(yōu)化公式計算得到所選擇方案下該交叉口的配時參數(shù)；或者，用戶在信號配時控制模塊的人機界面直接填寫配時參數(shù)；步驟6 信號配時控制模塊詢問用戶是否想要進行自適應(yīng)控制，是則提示用戶在交叉口微觀仿真模塊的人機界面上填寫交叉口微觀仿真模塊發(fā)送車流量數(shù)據(jù)的間隔時長(以秒為單位)，該間隔時長不小于一個信號周期(一個信號周期為初始配時參數(shù)定義的4個時序時長之和)，然后執(zhí)行步驟7 ；否則直接執(zhí)行步驟7 ；所述自適應(yīng)控制是指在同一次仿真實驗過程中，系統(tǒng)根據(jù)用戶填寫的間隔時長自動進行多個配時參數(shù)控制；步驟7 信號配時控制模塊將步驟5中的配時參數(shù)同時發(fā)送給紅綠燈硬件模塊、交叉口微觀仿真模塊，然后執(zhí)行步驟8，交叉口微觀仿真模塊接收到配時參數(shù)后執(zhí)行步驟9，同時紅綠燈硬件模塊接收到配時參數(shù)后執(zhí)行步驟U；步驟8 信號配時控制模塊實時將紅綠燈硬件模塊發(fā)送的下一時序的時序號發(fā)送給交叉口微觀仿真模塊，從而控制交叉口微觀仿真模塊和紅綠燈硬件模塊的同步仿真，直至收到交叉口仿真模塊的仿真實驗結(jié)束信號，將仿真實驗結(jié)束信號發(fā)送給紅綠燈硬件模塊并退出；實時將交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的車流量信息計算得到新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊；步驟9 交叉口微觀仿真模塊接收到配時參數(shù)后進行仿真實驗并在計算機界面顯示， 實時地將仿真實驗中路網(wǎng)內(nèi)的LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給LED燈硬件模塊，根據(jù)用戶填寫間隔時長的情況向信號配時控制模塊發(fā)送上一間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量以及飽和車流量，直至用戶通過交叉口微觀仿真模塊的人機界面請求結(jié)束仿真實驗；步驟10 :LED燈硬件模塊判斷是否接收到LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)，是則根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)實時控制交叉口實物演示平臺上所有LED燈在每一秒的亮滅，否則重新判斷；步驟11 紅綠燈硬件模塊將接收到的配時參數(shù)轉(zhuǎn)換為時序信息，并根據(jù)時序信息控制交叉口實物平臺上的紅綠燈的燈色和倒計時數(shù)碼管，在每次時序轉(zhuǎn)換時向信號配時控制模塊發(fā)送下一時序的序號，直至接收到信號配時控制模塊發(fā)送的仿真實驗結(jié)束信息；步驟12 步驟8、步驟9、步驟10和步驟11同時進行直至仿真實驗結(jié)束，最終交叉口仿真模塊顯示當次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括步驟13用戶根據(jù)當次仿真實驗的交叉口平均每車延誤來決定是否需要調(diào)整配時參數(shù)，是則返回步驟5;否則，用戶將紅綠燈硬件模塊連接到現(xiàn)實的目標交叉口的紅綠燈和倒計時器的電路接口，并利用本次實驗的配時參數(shù)控制目標交叉口紅綠燈和倒計時器。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述配時參數(shù)是指東西向車道綠燈的時長、 車道黃燈的時長以及南北向車道綠燈的時長、車道黃燈的時長4個參數(shù)。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟8具體包括如下步驟步驟801 判斷是否收到紅綠燈硬件模塊發(fā)送的下一時序的時序號，是則將其轉(zhuǎn)發(fā)給交叉口微觀仿真模塊，然后執(zhí)行步驟802 ；否則，執(zhí)行步驟802 ；步驟802 提示用戶根據(jù)需要填寫新的配時參數(shù)，然后判斷用戶是否填寫了新的配時參數(shù)，是則將用戶填寫的新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊，然后執(zhí)行步驟804 ；否則， 執(zhí)行步驟803 ；在仿真實驗過程中，用戶可根據(jù)人機界面的提示多次填寫新的配時參數(shù)；步驟803 判斷是否收到交叉口微觀仿真模塊發(fā)送的上一間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量和飽和車流量，是則根據(jù)該交通流數(shù)據(jù)利用韋伯斯特信號配時優(yōu)化公式計算得到新的配時參數(shù)，然后將新的配時參數(shù)發(fā)送給紅綠燈硬件模塊，接著執(zhí)行步驟804 ； 否則，執(zhí)行步驟804;步驟804:判斷是否接收到交叉口仿真模塊發(fā)送的仿真實驗結(jié)束信息，是則將仿真實驗結(jié)束信息發(fā)給紅綠燈硬件控制模塊，并通過人機界面通知用戶該次仿真實驗結(jié)束；否則， 轉(zhuǎn)入步驟801。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟9具體包括如下步驟 步驟901 統(tǒng)計本次仿真實驗已經(jīng)進行了多少個仿真間隔，并在界面上顯示； 步驟902 調(diào)用用戶編輯的路網(wǎng)文件在人機界面上顯示交叉口路網(wǎng)；步驟903 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的下一時序的時序號，是則根據(jù)新的時序號確定路網(wǎng)上交叉口紅綠燈的燈色并顯示；否則，按照當前時序的時序號確定路網(wǎng)上交叉口紅綠燈的燈色并顯示；步驟904 調(diào)用交通需求文件在交叉口路網(wǎng)的車道入口點處產(chǎn)生車輛； 步驟905 根據(jù)上一秒路網(wǎng)上每一車輛的車頭位置坐標值，計算路網(wǎng)上每一車輛的當前秒的車頭位置坐標值，并在該位置處顯示該車輛；步驟906 將路網(wǎng)上的車道分成96個車格，統(tǒng)計每一仿真間隔每個車格的車輛情況，并其轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)4組LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)；每一仿真間隔將每組LED燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給LED 燈硬件模塊；步驟907 統(tǒng)計當前仿真間隔內(nèi)路網(wǎng)上交叉口 4個方向上的進口道的車流量、飽和車流量、車輛平均速度、停車次數(shù)、車輛排隊長度，將其存儲為檢測文件；步驟908 判斷用戶是否在人機界面上填寫了間隔時長，是則執(zhí)行步驟909 ；否則，執(zhí)行步驟910 ；步驟909 判斷步驟901統(tǒng)計的當前仿真間隔數(shù)是否為間隔時長的整數(shù)倍，是則將檢測文件中上一個間隔時長內(nèi)檢測到的每個仿真間隔內(nèi)的交叉口 4個方向上進口道的車流量累加，并將累加得到上一個間隔時長內(nèi)交叉口 4個方向上進口道的車流量以及飽和車流量發(fā)送給信號配時控制模塊，然后執(zhí)行步驟910 ；否則，直接執(zhí)行步驟910 ；步驟910:實時判斷用戶是否通過人機界面請求結(jié)束仿真，是則利用HCM2000延誤模型計算本次仿真實驗的整個交叉口平均每車延誤，并向信號配時控制模塊發(fā)送本次仿真實驗結(jié)束信息；否則，轉(zhuǎn)入步驟901。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟11具體包括如下步驟步驟1101 紅綠燈硬件模塊中的M點控制電路的微處理器將接收到的配時參數(shù)對應(yīng)存儲為4個時序的時間長度；步驟1102 紅綠燈硬件模塊中的微處理器從時序0開始，按時序順序循環(huán)控制紅綠燈， 按照每個時序規(guī)定的燈色點亮交叉口實物演示平臺上的紅綠燈，并對當前時序的時間長度進行減計時，計時單位為1秒；每秒更新交叉口倒計時數(shù)碼管顯示的當前時序的剩余時間； 如果當前時序的時間長度減計時到0時，按照新的時序減計時，每次時序轉(zhuǎn)換時微處理器向信號配時控制模塊發(fā)送下一時序的序號；自動切換到時序1，以此類推，直至時序3減計時結(jié)束；步驟1103 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的新的配時參數(shù)，是則轉(zhuǎn)入步驟 1101，否則直接執(zhí)行步驟1104;步驟1104 判斷是否接收到信號配時控制模塊發(fā)送的本次仿真實驗結(jié)束信息，是則停止交叉口實物演示平臺上倒計時數(shù)碼管的倒計時并滅掉紅綠燈；否則，轉(zhuǎn)入步驟1102。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種交叉口半實物動態(tài)微觀仿真系統(tǒng)，包括交叉口微觀仿真模塊、LED燈硬件模塊、紅綠燈硬件模塊、信號配時控制模塊和交叉口實物演示平臺，信號配時控制模塊向交叉口仿真模塊和紅綠燈硬件模塊發(fā)送配時參數(shù)，依據(jù)紅綠燈硬件模塊的反饋信息控制交叉口仿真模塊中紅綠燈；交叉口微觀仿真模塊模擬交叉口車輛狀況并計算交叉口平均每車延誤；紅綠燈硬件模塊根據(jù)配時參數(shù)控制交叉口實物演示平臺的紅綠燈和倒計時數(shù)碼管；LED硬件模塊根據(jù)LED燈狀態(tài)數(shù)據(jù)控制交叉口實物演示平臺上的LED燈狀態(tài)；交叉口實物演示平臺實物形式演示車輛行駛通過交叉口的過程。本發(fā)明將交叉口紅綠燈控制系統(tǒng)和計算機仿真技術(shù)相結(jié)合，達到了集仿真研究和應(yīng)用實踐為一體的目的。
文檔編號G08G1/00GK102280027SQ20111021555
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者丁曉明, 余洪凱, 張敬茹, 李曙光, 楊康康 申請人:長安大學