集成VISSIM、C#和MATLAB 的交通状态监测平台设计

王晓龙

（山西省智慧交通研究院有限公司，山西太原，030032）

1 交通状态监测平台的搭建

1.1 VISSIM 二次开发

图1 VISSIM 的COM 接口调用层级图

1.2 交通状态监测平台

交通状态监测平台通过VISSIM 的COM 接口与VISSIM建立信息交互，控制VISSIM 仿真的运行、暂停，还可以修改VISSIM 中路网的车流量、信号配时等参数。在对路网进行仿真时，交通状态监测平台通过COM 接口实时获取设置在VISSIM 路网中各种检测器（排队检测器、数据采集器、延误检测器等）的数据，并在交通状态监测平台中实时显示并绘制折线图。对其路网的运行状况将按照密度、平均速度等数据进行分析并实时显示，运行情况有三种分别为阻塞、拥堵、通畅。当交通状态监测平台需要新的配时方案时，交通状态监测平台将通过VISSIM 的COM 接口获取目前VISSIM 信号配时方案及交通数据，随后平台再将数据传入MATLAB，并运行MATLAB 引擎及带有信号配时算法的函数文件，将计算出的配时方案再通过交通状态监测平台传入VISSIM 之中应用。其整体数据交互图如图2 所示。

图2 数据交互示意图

交通状态监测平台通过建立VISSIM与MATLAB的联系，使其能在仿真过程中实时显示路网中的各类参数（例如信号周期，排队长度，占有率等），进而分析路网的运行状态。并且将信号配时算法计算出的配时方案传入到VISSIM 中进行控制，从而建立起闭环的交通仿真平台。交通状态监测平台的交互界面如图3 所示。

图3 交通状态监测平台

1.3 交通状态监测平台运行流程

首先交通状态监测平台通过VISSIM 的COM 接口与VISSIM 进行连接，控制VISSIM 的启动与VISSIM 文件的打开，在平台内还可以修改VISSIM 路网中车流量、信号周期、仿真评价等。设置完成后平台将控制VISSIM 启动仿真，并根据设置的检测器时间间隔获取路网数据。当某一个信号灯走完一个周期时，平台将按照信号配时算法和设置在路网中的检测器数据计算出下一个周期的信号配时方案，并实时修改其信号配时。在仿真运行的过程中，路网中的检测器等数据将实时显示在平台之中，并根据数据实时绘制折线图，分析路网的运行情况。交通状态监测平台其整体程序流程图如图4 所示。

图4 交通状态监测平台运行流程

1.4 交通状态监测平台功能

1.4.1 仿真控制模块

仿真控制模块的功能是控制VISSIM 的启动及VISSIM仿真运行（开始、暂停、停止）。“启动VISSIM”按钮用于启动VISSIM，需要选择好VISSIM 的工程文件。“重新加载VISSIM”按钮，用于在仿真过程中某些参数变化后，如果需要保持初始状态重新进行仿真可以点击此按钮，VISSIM 将恢复初始打开文件的样子，即上一次保存的状态。“重新加载MATLAB”按钮，用于重新加载MATLAB，一般来说系统中MATLAB 安装没有问题的话，无需点击此按钮，平台将自动初始化MATLAB。“开始仿真”“暂停仿真”“停止仿真”，分别用于控制VISSIM 的开始、暂停、停止。其仿真控制模块如图5 所示。

图5 仿真控制模块

1.4.2 仿真设置模块

仿真设置模块是对VISSIM 仿真中的一些参数设置，包括路网中信号灯的设置、车流量的设置、仿真时长的设置、仿真评价的设置、信号配时算法的设置。仿真设置模块如图6 所示。

6.对社会需求的长短期影响比较。从汇率政策变动对社会需求的脉冲响应来看，汇率政策变动对社会总需求在长期并没有很大的影响，但短期内汇率政策变动对社会需求的影响相当显著。2005年7月和2015年8月两次大汇改的影响尤甚，对社会需求的影响趋势也大致相同，在汇改后立刻有一个显著的正向冲击，随后冲击方向改变，最终渐渐趋平。

图6 仿真设置模块

1.4.3 仿真评价数据显示模块

仿真数据显示模块如图7 所示，它可以实时显示设置在VISSIM 路网中各种检测器的数据。其中获取数据的时间间隔将根据你设置的时间间隔获取。在仿真参数设置中必须打开相应检测器的评价开关才可以获取数据并显示。

图7 仿真评价数据显示模块

1.4.4 交通运行状态监测模块

交通运行状态显示模块如图8 所示，在仿真运行期间，平台将从VISSIM 中获取道路上的车流量、平均密度、平均速度数据并进行显示，并根据其车流量、平均速度等数据判断道路的运行情况（通畅、拥堵、阻塞）。另外，必须设置好路段的评价才会在平台中显示。

图8 交通运行状态监测模块

2 交通状态监测平台测试

2.1 仿真交叉路口

为了测试交通状态监测平台选取了现场作为测试对象，并通过VISSIM 根据实际车道数、车道宽度绘制交叉口，如图9 所示。

图9 现场路口

2.2 车流量设置

点击交通状态监测平台中“车流量设置”按钮，即可进入车流量设置界面，如图10 所示。双击单元格并点击确定按钮即可完成车流量的设置。

为了更好地模拟实际交通流量的变化，根据HCM2000手册计算各个进口道的实际饱和交通流量，计算公式如（1）所示，Cp为实际的道路饱和流量，CB为理想情况下道路的饱和流量（1800veh/h），R1 为道路宽度修正系数取值为0.75，2R为侧向净空修正系数取值为0.8，3R为行车视距修正系数取值为0.8，4R为沿途修正系数取值为0.7。

输入的车流量按时间进行变化，高峰期取饱和流量的0.8，高峰期以外取饱和流量的0.5，如表1 所示。

表1 交叉口输入流量

2.3 信号配时设置

点击交通状态监测平台的“信号灯设置”按钮即可进入信号配时设置界面，如图11 所示。可以对信号周期、绿灯时长进行修改。

图11 信号灯设置界面

2.4 仿真参数设置

点击交通状态监测平台的“仿真参数设置”按钮，即可弹出仿真参数设置界面，其中包括评价和仿真运行的设置，如图12 所示。评价设置为各类检测器的检测开关，当打开“Queue Length”开关并设置好数据采集时间间隔后，平台将根据时间间隔向VISSIM 获取检测器的数据，并实时在界面中显示。仿真设置包括对仿真的时长、速度、随机种子的设置。为了更好地演示平台的功能，本次测试将打开所有的检测器，并将仿真时长设置为3650，随机种子设置为1。

图12 仿真参数设置界面

2.5 配时算法设置

配时算法的设置需要点击“配时算法设置”按钮弹出的设置界面如图13 所示。算法设置分为无算法（固定配时），MATLAB 外置算法。

图13 配时算法设置界面

为了验证仿真平台的可行性，本次测试将采用两种交通信号控制方案：固定配时和王传海[1]的基于排队长度的交叉路口信号灯模糊控制方法。

2.5.1 固定配时

按照实际交叉口信号配时方案进行控制，实际交叉口的信号灯相位及绿灯时长如表2 所示。

表2 信号灯相位及绿灯时长

2.5.2 基于排队长度的信号灯模糊控制

根据各个相位进口道的排队长度和平均速度来对信号配时方案进行调整。初始信号配时同样采用实际交叉口信号配时方案。

为了提高模糊控制的准确性，模糊控制器设置了两个输入量和一个输出量。两个输入量为车辆通过交叉口的平均车速（km/h）和平均排队长度差值 ΔL（m），输出量为绿灯延长时间Gd（s）。其中平均排队长度差值为当前排队长度和历史排队长度平均值的差值，如公式2-2 所示。平均速度是车辆在通过路口时的速度。这两个量可以更好地反映交通的运行情况。模糊控制的输出量为相位绿灯时长需要的增加或减少的时间。

根据模糊控制器，其两个输入量，平均排队长度差共有7 个模糊子集，平均速度有3 个模糊子集，因此模糊规则一共有21 条。如表3 所示。

表3 模糊控制规则表

模糊控制规则表通过推理去模糊化转换成数值型的控制规则表，如图14所示。

图14 控制规则结果

2.6 数据分析

分别采用定时控制和自适应控制对路网进行仿真，并将导出的数据及图像进行分析。如图15 所示为平均排队长度的图像，图16 为平均速度变化曲线图，图17 为平均延误变化曲线图。

图15 平均排队长度图像

图16 平均速度变化图像

图17 平均延误变化图像

通过对比交通状态监测平台的图像，可以看出采用模糊控制的配时方法后，平均排队长度更加均衡，不会出现单相位平均排队长度过长的现象。并且提高了平均速度，降低了平均延误。

3 结语

通过现场对交通状态监测平台进行测试，验证了交通状态监测平台各个功能模块的可行性。通过平台可以分析在采取不同控制算法时的路网运行情况。