基于Proteus的城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)

孫均友 王兵 王文哲 田濤 楊成材 孫代源

摘 要：先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)（ATMS）是城市智能交通系統(tǒng)（UITS）的核心子系統(tǒng)，但作為ATMS交通管理中心關(guān)鍵設(shè)備的大屏幕在顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)時(shí)存在非實(shí)時(shí)連續(xù)性的制約，會(huì)對(duì)交通管理工作造成不利影響。文章針對(duì)該問題研制了一套能獨(dú)立使用的城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過Proteus仿真平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)計(jì)系統(tǒng)各模塊電路，通過程序?qū)β肪W(wǎng)各路段的交通狀態(tài)閾值進(jìn)行判斷，控制紅、黃、綠三種燈色實(shí)時(shí)顯示路網(wǎng)的交通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路網(wǎng)狀態(tài)的模擬仿真。

關(guān)鍵詞：城市路網(wǎng) 交通狀態(tài) Proteus 系統(tǒng)構(gòu)建 虛擬仿真

中圖分類號(hào)：TH3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（a）-0003-02

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

在城市交通管理中，對(duì)一個(gè)城市交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并將城市道路網(wǎng)交通狀態(tài)實(shí)時(shí)直觀的反映出來，有助于交管部門全面掌握路網(wǎng)的整體運(yùn)行情況。ATMS作為UITS的核心子系統(tǒng)，也是當(dāng)前我國各先進(jìn)城市普遍采用的主要交通管理形式。作為ATMS關(guān)鍵設(shè)備的大屏幕，可用于顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)、各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)監(jiān)控視頻等信息，但大屏幕在進(jìn)行其他操作的顯示時(shí)無法連續(xù)實(shí)時(shí)的顯示交通狀態(tài)，會(huì)對(duì)交管工作造成不利影響，故需要一套獨(dú)立使用的城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行顯示。本研究系統(tǒng)經(jīng)Proteus構(gòu)建，通過對(duì)路網(wǎng)各路段交通狀態(tài)閾值判斷，控制紅、黃、綠三種燈色實(shí)時(shí)顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)。

2 交通狀態(tài)判斷方法

交通狀態(tài)判斷方法是指通過定性或定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)某區(qū)域內(nèi)的交通擁堵狀況進(jìn)行判斷，其主要作用是對(duì)比分析時(shí)空范圍內(nèi)的擁堵水平，從而確定擁堵治理政策和措施的可行性、有效性，為進(jìn)一步治理擁堵提供重要的參考依據(jù)。道路飽和度即V/C，是反應(yīng)道路服務(wù)水平常用的重要指標(biāo)之一。其中，V為最大交通流量，C為最大通行能力。道路的最大通行能力受多方面的因素影響，難以精確計(jì)算，并且該方法無法分流向統(tǒng)計(jì)通行能力，不能滿足研究的需要，因此采用一個(gè)新的閥值（Z）來確定當(dāng)前道路的擁擠程度，其計(jì)算公式為：Z=q/Q。其中，Z為飽和度閥值，q為當(dāng)前交通流量，Q為當(dāng)前飽和流量。飽和流量Q是一個(gè)動(dòng)態(tài)矢量，其本身會(huì)隨著交通流量q的變化而變化，可分流向精確計(jì)算。因此，可以避開計(jì)算道路最大通行能力出現(xiàn)的較大誤差，進(jìn)而更加準(zhǔn)確的反應(yīng)出當(dāng)前道路的擁擠狀況。

通過對(duì)城市交通狀況的調(diào)研，確定閥值Z與道路擁擠程度的關(guān)系為：當(dāng)0≤Z<0.55時(shí)，道路擁擠狀態(tài)為暢通，對(duì)應(yīng)顯示的狀態(tài)顏色為綠色；當(dāng)0.55≤Z≤0.62，道路擁擠狀態(tài)為擁擠，對(duì)應(yīng)顯示的狀態(tài)顏色為黃色；當(dāng)0.62

3 Proteus系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 技術(shù)思路

城市路網(wǎng)交通狀態(tài)仿真系統(tǒng)主要由主控模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、交通狀態(tài)顯示模塊和串口通信模塊等組成。本研究對(duì)如圖1構(gòu)型的路網(wǎng)進(jìn)行交通狀態(tài)仿真。

首先，將該路網(wǎng)的流量統(tǒng)計(jì)時(shí)段分為早高峰、午高峰、晚高峰、平峰及夜間五個(gè)時(shí)段，通過交通流檢測(cè)器獲取路網(wǎng)各路段各時(shí)段交通流信息，存儲(chǔ)于交通流數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)上文中閾值計(jì)算公式自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)路段各個(gè)時(shí)段的交通擁堵閾值，將該閾值存儲(chǔ)于交通流數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)路段下對(duì)應(yīng)時(shí)間段的交通狀態(tài)存儲(chǔ)單元中，該數(shù)據(jù)按時(shí)間節(jié)點(diǎn)通過串口通信的方式發(fā)送給下位機(jī)主控模塊。主控模塊通過串口通信模塊接收狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)從實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊獲取時(shí)間信息，判斷當(dāng)前時(shí)間處于哪一時(shí)段，進(jìn)而判斷該路段當(dāng)前時(shí)段交通狀態(tài)。然后將狀態(tài)信息通過I/O口發(fā)送給交通狀態(tài)顯示模塊，交通狀態(tài)顯示模塊根據(jù)指令以不同燈色展現(xiàn)交通擁擠狀況。該系統(tǒng)控制程序采用uVision集成環(huán)境開發(fā)下的Keil軟件編寫C語言程序進(jìn)行編譯并調(diào)試，最終生成HEX文件加載入系統(tǒng)中進(jìn)行仿真運(yùn)行。

3.2 虛擬電路設(shè)計(jì)

電路仿真軟件Proteus可通過搜索元件添加到設(shè)計(jì)界面中進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在電路設(shè)計(jì)完成后可加載程序進(jìn)行仿真。

（1）主控電路設(shè)計(jì)。

根據(jù)資源需求及運(yùn)行速率考慮，主控電路的主控芯片選用STC12C5A60S2單片機(jī)，其內(nèi)嵌60KB Flash存儲(chǔ)器和1280B的RAM用于存放源程序，具有豐富的I/O端口資源，可滿足交通狀態(tài)顯示模塊的控制需求，且具有超強(qiáng)抗干擾能力，功耗低，速度快等特點(diǎn)。

（2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS1302時(shí)鐘芯片該芯片是一種高性能、自帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.0V～5.5V。DS1302通過CE，SCLK和I/O與單片機(jī)連接，實(shí)時(shí)通信，讀取時(shí)間數(shù)據(jù)。

（3）交通狀態(tài)顯示模塊。

交通狀態(tài)顯示模塊采用Proteus元件庫中自帶的紅、黃、綠三種顏色LED進(jìn)行排列，并將LED的兩極分別并聯(lián)，最終連接形成燈帶，將燈帶按照如圖1所示的圖網(wǎng)構(gòu)型進(jìn)行排列，構(gòu)建模擬路網(wǎng)。交通狀態(tài)顯示模塊由主控芯片的P1口和P2口進(jìn)行控制。

（4）串口通信模塊。

串口通信模塊采用Proteus中的COMPIM組件實(shí)現(xiàn)串口通信。將COMPIM與上位機(jī)的RXD和TXD對(duì)應(yīng)相連，并將通信速率與通信格式與上位機(jī)設(shè)置相同即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)運(yùn)行

在Proteus設(shè)計(jì)界面上構(gòu)建城市路網(wǎng)交通狀態(tài)虛擬仿真系統(tǒng)后，將Hex文件加載到主控模塊STC12C5A60S2單片機(jī)中，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真，仿真效果如圖1所示。

根據(jù)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)前主干路的交通狀態(tài)為擁堵狀態(tài)，次干路1的交通狀態(tài)為暢通狀態(tài)，次干路2的交通狀態(tài)為擁擠狀態(tài)，兩條支路交通狀態(tài)為擁擠狀態(tài)。運(yùn)行后觀察到各路段交通狀態(tài)為主干路顯示為紅色，次干路1顯示為綠色，次干路2顯示為黃色，兩條支路顯示為黃色，與數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)交通狀態(tài)相符。

5 結(jié)語

文章采用交通狀態(tài)閾值法確定城市道路交通擁堵閾值；在Proteus中構(gòu)建城市路網(wǎng)交通狀態(tài)仿真系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)主要模塊的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出軟件設(shè)計(jì)流程，結(jié)合擁堵閾值，以紅、黃、綠三種燈色分別表示城市道路交通擁堵狀態(tài)，對(duì)路網(wǎng)狀態(tài)的虛擬仿真，可獨(dú)立顯示實(shí)時(shí)路網(wǎng)交通狀態(tài)，能夠解決ATMS中心大屏幕顯示路網(wǎng)交通狀態(tài)存在的非實(shí)時(shí)性問題。

參考文獻(xiàn)

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