公路隧道交通诱导与控制仿真系统的开发设计

陕西省交通建设集团公司 胡俭

公路隧道交通诱导与控制仿真系统的开发设计

陕西省交通建设集团公司 胡俭

随着我国公路建设的飞速发展，公路隧道也在不断增多。其安全运营问题也越来越突出，如何使隧道控制系统安全控制交通已成为隧道运行的一个重要课题。高速公路隧道交通可分为火灾异常、故障阻塞异常、周期性交通拥挤异常及正常运营等4种情况。针对隧道内不同的交通情况，设置何种控制模式与采取怎样的控制策略，决定着隧道的运营管理水平。

为避免隧道交通异常情况的发生，减少交通事故造成的人员伤亡和经济损失，需要优化隧道控制系统的控制策略，但在实际的隧道内做大量的实验，不仅严重影响了隧道正常的交通运行，而且成本代价也太大，实施起来比较困难。而且对现有的隧道安全管理和事故预防我国在这方面所开展的工作还不是很系统，人力物力投入也不是很充裕，部门之间的合作及国际间的合作机制尚需加强和完善。因此设计一个公路隧道交通控制与诱导的仿真系统，并开发出上位机控制软件对于高速公路隧道安全管理，保护人身和财产安全，具有十分重要的研究意义和应用价值。

一、系统总体介绍

1．设计的目的与意义。公路隧道交通控制与诱导仿真系统可以通过上位机软件对隧道模型各子系统设备进行单点控制，也可利用该系统对隧道不同的交通控制策略进行仿真，使隧道模型各设备的状态按照交通控制策略进行优化。因此，针对隧道内不同的交通情况，利用该系统可以优化隧道控制系统对设备单点的控制，同时也可以验证不同控制策略的实际效果，从而确定特定的控制模式和最优的控制策略。

公路隧道交通控制与诱导仿真系统为高速公路隧道运营公司、单位管理人员和交通控制专业的本科生教学提供了一个科研平台及科学先进的交通控制技术。他们可以通过此仿真系统熟悉与学习隧道控制系统、演练交通预案或控制策略，进而形成自己的控制策略。而且该仿真系统能通过网络获得真实隧道设备状态的数据，可以使隧道模型设备的状态与真实隧道设备的状态保持一致。这样在交通事件发生时，便于高速公路运营公司或管理单位的指挥者统筹全局、运筹帷幄。

3．设计的主要研究内容。

（1）研究具体隧道的交通指挥策略与紧急预案。

（2）交通诱导与控制软件的开发，即根据不同工况下的交通诱导与控制模式编写相应的软件代码。上位机软件主要包括交通控制、交通预案、通风控制、照明控制、信息发布和通信等6大功能。如图1所示。

图1 软件功能模块结构

其中主要模块为交通预案模块，分为预案的演示和预案或控制策略的自动生成部分，如图2所示。

图2 交通预案模块结构

（3）隧道模型电气控制系统的开发。电气控制系统主要由控制台、主机控制模块、从机控制模块、电源管理模块构成。

（4）隧道交通控制策略在模型上的仿真实现。

4．设计的创新点。

（1）控制软件部分。控制软件中的隧道交通控制方案与诱导策略基于智能决策支持系统，它事先建立隧道机电设施设备的数据库﹑交通事件控制与诱导策略的知识库和紧急交通预案库,软件能够针对不同的交通事件智能地产生科学有效的控制策略，并根据特定情况调用相应的紧急交通预案。

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软件还可以通过手动的方式对隧道模型中的单个机电设备进行控制，产生特定情况下的控制方式和诱导策略，并将修改过的控制与诱导策略存入交通事件控制策略库里，使软件具备了自动学习的能力。

（2）模型硬件部分。设计方式采用 “集中管理，分布控制”的思想。模块化的设计方案使隧道模型的硬件便于拆卸、添加，可以适用于不同长度的隧道。

控制方式采用多Agent技术。隧道划分为不同的控制区域，每个区域的所有机电设备由一个单片机控制模块来控制，每一个单片机区域控制模块就是一个Agent,控制方式采用多Agent技术来控制隧道机电设备，实现了隧道模型硬件控制的智能化。

二、软件部分介绍

上位机控制软件为仿真系统的控制中心，关键技术主要有：隧道交通控制与诱导的智能决策支持系统的设计与实现，使控制软件能够针对隧道内不同的交通事件，智能地产生科学有效的交通控制策略，针对紧急交通事件调用相应的控制预案，并能通过手动的方式对单个机电设备进行控制，从而产生特定情况下的控制方式和策略。

隧道机电设备在控制软件界面中的形象展示直观。可以做到通过手工方式修改其状态，其状态和隧道模型中机电设备的工作状态保持一致。如图3所示。

图3 仿真软件平面示意

交通控制与诱导策略或紧急预案形象化与动画的展现，可以用以动画方式展示交通控制流的方向与诱导线路。

三、硬件部分介绍

该部分主要由公路隧道机电设备和单片机区域控制模块2部分组成。其关键技术有：

1．硬件模块化设计。根据模块化的思路和分布式控制的设计方案，将隧道划分为不同的控制区域，每个单片机区域控制模块控制一个区域的所有机电设备，其仿真电路图如图4所示。

图4 硬件仿真电路

2．多Agent技术的实现。单片机区域控制模块能够检测该隧道区域内的交通事件，并将其传送给上位机控制软件，同时它能够接收上位机软件传送过来交通控制策略的数据信息进行，对该隧道区域内的机电设备的工作状态进行控制，实现对交通的控制与诱导。

目前国内高速公路隧道模型都是单点控制，只能进行简单的单点交通事故预案仿真，没有区域控制仿真，软件部分没有自动智能生成控制策略的功能。硬件模型部分通常采用PLC技术，缺乏灵活性。

本文，笔者提出了一种先进的智能仿真系统开发思路，控制软件能够针对不同的交通事件智能地产生科学有效的控制策略，并根据特定情况调用相应的紧急交通预案。模型硬件部分控制方式采用多Agent技术，实现了隧道模型硬件控制的智能化。