基于組態(tài)軟件的交通信號配時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉廣萍， 周彤梅， 翟潤平

(中國人民公安大學(xué)交通管理工程系，北京 100038)

0 引言

交叉口信號配時(shí)設(shè)計(jì)是交通信號控制的基本內(nèi)容，配時(shí)參數(shù)設(shè)置是否合理直接影響著路口的運(yùn)行狀況，從而對道路交通流的暢通與否起著重要作用。在教學(xué)中，信號配時(shí)是學(xué)生必須掌握的技術(shù)技能。在實(shí)際工作中，信號配時(shí)是交警的基本業(yè)務(wù)之一。因此，信號配時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是值得研究的內(nèi)容。

組態(tài)軟件屬于工業(yè)自動化監(jiān)控軟件，可以和檢測、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)，目前在高端自動化企業(yè)和大型項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用。組態(tài)軟件的最大特點(diǎn)是能夠以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是“編程方式”來進(jìn)行系統(tǒng)集成，提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法［1］。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，依托相關(guān)的計(jì)算機(jī)平臺，借助于硬件和軟件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究熱點(diǎn)。組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，可虛擬出多種控制對象，可用來仿真實(shí)際的被控對象。以往計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)大都基于VC、VB等語言進(jìn)行開發(fā)，或者采用專業(yè)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。目前采用組態(tài)軟件開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還較少，國內(nèi)高校中的交通控制實(shí)驗(yàn)室，基于組態(tài)的交通控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還未見報(bào)道。本文結(jié)合交通信號配時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究組態(tài)軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。介紹基于力控組態(tài)軟件的信號配時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，以兩相位信號配時(shí)為例進(jìn)行研究，首先介紹信號配時(shí)的基本過程，然后介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟，最后用實(shí)例說明系統(tǒng)的操作方法。

1 信號配時(shí)過程描述

交叉口的信號配時(shí)是信號控制參數(shù)的一組取值。信號控制參數(shù)一般指相位數(shù)及相序、信號周期以及各相位的紅綠燈色的時(shí)長。對一個(gè)交叉口進(jìn)行配時(shí)時(shí)，首先要確定關(guān)鍵車道。關(guān)鍵車道是一個(gè)信號相位中交通負(fù)荷最大、需要綠燈時(shí)間最長的車道(或關(guān)鍵車道組)。實(shí)際中，根據(jù)車流通行的特點(diǎn)，交叉口的進(jìn)口道可以分為:直行車道、合用車道(如直行和左轉(zhuǎn)合用、直行和右轉(zhuǎn)合用)和轉(zhuǎn)彎專用車道等。為便于分析，文章根據(jù)不同的車道劃分及其組合情況，將二相位信號交叉口劃分成了三類模型，如圖1所示。如此，交叉口信號配時(shí)的步驟描述如圖 2 所示［2－3］。

2 信號配時(shí)系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要利用了力控的畫面組態(tài)及腳本語言功能［4］，下面對此進(jìn)行簡要說明。

2.1 畫面組態(tài)

動畫功能是圖形對象的事件。圖形對象的事件包括鼠標(biāo)動畫、顏色動畫、數(shù)值動畫等。以“信號配時(shí)圖的動態(tài)顯示”為例說明顏色動畫的實(shí)現(xiàn)方法，如圖3所示。

圖1 交叉口模型

圖2 交叉口信號配時(shí)過程描述

圖3 二相位信號配時(shí)圖

配時(shí)圖是信號配時(shí)參數(shù)的直觀描述。從圖3可以看出，在A相位的綠燈時(shí)段(綠燈與黃燈時(shí)間之和)，B相位的紅燈亮;在B相位的綠燈時(shí)段，A相位的紅燈亮。隨著信號燈色的循環(huán)，信號配時(shí)圖中的不同相位的紅、綠、黃燈色應(yīng)能動態(tài)地亮滅。實(shí)現(xiàn)此功能需要進(jìn)行如下工作:一是需要在界面上組態(tài)出畫面結(jié)構(gòu);二是需要定義變量并編制腳本程序;三是進(jìn)行動畫連接。組態(tài)畫面結(jié)構(gòu)，可以利用力控的工具箱及圖庫來完成，圖3中的畫面結(jié)構(gòu)，利用了力控工具箱的文本及矩形對象。為了驅(qū)動界面上的對象，需要編制腳本程序。假設(shè)定義的變量是g1、a1、r1、g2、a2、r2，其中 g1控制 A 相位綠燈段的顯示;a1控制A相位黃燈段的顯示;r1控制A相位紅燈段的顯示;g2控制B相位綠燈段的顯示;a2控制B相位黃燈段的顯示;r2控制B相位紅燈段的顯示。那么，需要在腳本程序中對上述變量根據(jù)需要進(jìn)行賦值，使其在相應(yīng)的燈色區(qū)間顯示不同的顏色，比如當(dāng)在A相位綠燈區(qū)間內(nèi)，g1的值應(yīng)該為真，并設(shè)置g1為真時(shí)變成綠色，為假時(shí)變回灰色。程序運(yùn)行時(shí)，為了使畫面動起來，需要進(jìn)行動畫連接，使畫面中的每個(gè)對象與相應(yīng)的變量關(guān)聯(lián)起來。圖3中的A相位綠燈段矩形對象關(guān)聯(lián)的是g1;A相位黃燈段矩形對象關(guān)聯(lián)的是a1;A相位紅燈段矩形對象關(guān)聯(lián)的是r1;B相位綠燈段矩形對象關(guān)聯(lián)的是g2;B相位黃燈段矩形對象關(guān)聯(lián)的是a2;B相位紅燈段矩形對象關(guān)聯(lián)的是r2。

完成以上工作后，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，畫面上的對象就會隨著程序的運(yùn)行動起來。借助于信號配時(shí)圖的動態(tài)顯示，路口不同進(jìn)口方向的信號燈色的變化將會清晰地呈現(xiàn)出來。

2.2 腳本程序的編制

力控中動作腳本是一種基于對象和事件的編程語言，每一段腳本都是與某一個(gè)對象或觸發(fā)事件緊密關(guān)聯(lián)的，系統(tǒng)運(yùn)行腳本程序，可以對變量、函數(shù)等進(jìn)行操作，可以完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理和控制，進(jìn)行圖形化監(jiān)控。動作腳本包括有窗口腳本、應(yīng)用程序腳本、鼠標(biāo)左鍵動作腳本等類型。下面以鼠標(biāo)左鍵動作為例說明其使用。

鼠標(biāo)左鍵動作含義是當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)執(zhí)行的動作，是與鼠標(biāo)相關(guān)的觸敏動作?？梢栽O(shè)置當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)顯示的窗口、執(zhí)行的程序以及顯示的信息等。比如，如果希望當(dāng)按下某個(gè)按鈕時(shí)運(yùn)行某個(gè)程序段，即可用鼠標(biāo)左鍵動作來完成。

本系統(tǒng)利用力控的畫面組態(tài)及腳本語言功能，設(shè)計(jì)了二相位信號動態(tài)配時(shí)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要界面如圖4～圖9所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

圖5 系統(tǒng)子界面

3 系統(tǒng)操作實(shí)例

在此舉例說明本系統(tǒng)的操作方法。假設(shè)某預(yù)配時(shí)的路口模型為直、左、右車道合用路口模型。實(shí)際調(diào)查得到的各進(jìn)口的交通流量數(shù)據(jù)如下:東進(jìn)口道的車流到達(dá)率為600 pcu/h;西進(jìn)口道的車流到達(dá)率為612 pcu/h;南進(jìn)口道的車流到達(dá)率為540 pcu/h;北進(jìn)口道的車流到達(dá)率為520 pcu/h;各進(jìn)口道的飽和流率為1440 pcu/h。假設(shè)黃燈時(shí)間取3 s，全紅時(shí)間取0 s，起動停車損失時(shí)間為5 s?，F(xiàn)要求計(jì)算該交叉口的最佳信號配時(shí)參數(shù)，并對其進(jìn)行評價(jià)。系統(tǒng)使用方法:

圖7 信號配時(shí)圖動態(tài)顯示界面

首先，啟動系統(tǒng)，在系統(tǒng)的主界面(圖4)中，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊左邊的路口模型，出現(xiàn)系統(tǒng)的子界面(圖5)，在圖5中選擇配時(shí)要求，若要求路口各進(jìn)口道的飽和度相同，就用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“等飽和度”按鈕，系統(tǒng)將按等飽和度的要求進(jìn)行配時(shí)參數(shù)的計(jì)算;點(diǎn)擊“等飽和度”按鈕，出現(xiàn)圖6所示的系統(tǒng)參數(shù)輸入界面，在其上，輸入交通流數(shù)據(jù)及給定的信號參數(shù)，然后選擇最佳周期的計(jì)算方法，若按“韋伯斯特算法”按鈕，系統(tǒng)就按韋伯斯特算法公式計(jì)算最佳信號周期;若按“近似算法”按鈕，系統(tǒng)就按近似算法公式計(jì)算最佳信號周期;按“韋伯斯特算法”按鈕后，系統(tǒng)自動進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，并將配時(shí)結(jié)果顯示在界面上，如圖6所示。若想觀察信號配時(shí)圖的動態(tài)顯示，則可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊界面中的圖層控制按鍵中的“配時(shí)圖動態(tài)顯示”按鈕即可出現(xiàn)圖7所示的信號配時(shí)圖動態(tài)顯示界面;若點(diǎn)擊“路口動態(tài)顯示”按鈕即可出現(xiàn)圖8所示的路口信號燈動態(tài)顯示界面;若點(diǎn)擊“路口狀況評價(jià)層”按鈕即可出現(xiàn)圖9所示的路口狀況評價(jià)結(jié)果顯示界面。按“返回”按鈕后，則系統(tǒng)逐級返回，直到系統(tǒng)主界面。

圖8 路口信號燈動態(tài)顯示界面

圖9 路口狀況評價(jià)結(jié)果顯示界面

4 結(jié)語

本文采用組態(tài)軟件對交通信號配時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有動態(tài)計(jì)算交叉口信號配時(shí)參數(shù)的功能、信號配時(shí)圖的動態(tài)顯示功能、動態(tài)演示路口信號燈色的循環(huán)及倒計(jì)時(shí)顯示功能，以及交叉口運(yùn)行狀況的評價(jià)功能，表明組態(tài)軟件在交通控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。

［1］北京三維力控科技有限公司．力控ForceControl快速指南［R］．北京，2007．

［2］翟潤平，周彤梅，劉廣萍．道路交通控制原理及應(yīng)用［M］．北京:中國人民公安大學(xué)出版社，2011．

［3］任福田．新編交通工程學(xué)導(dǎo)論［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．

［4］北京三維力控科技有限公司．力控eForceCon圖形界面開發(fā)手冊［M］．北京，2011．