基于组态软件的交通信号配时系统设计

刘广萍， 周彤梅， 翟润平

(中国人民公安大学交通管理工程系，北京 100038)

0 引言

交叉口信号配时设计是交通信号控制的基本内容，配时参数设置是否合理直接影响着路口的运行状况，从而对道路交通流的畅通与否起着重要作用。在教学中，信号配时是学生必须掌握的技术技能。在实际工作中，信号配时是交警的基本业务之一。因此，信号配时系统的设计是值得研究的内容。

组态软件属于工业自动化监控软件，可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统，目前在高端自动化企业和大型项目中得到推广应用。组态软件的最大特点是能够以灵活多样的“组态方式”而不是“编程方式”来进行系统集成，提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法［1］。

随着信息技术的发展，依托相关的计算机平台，借助于硬件和软件实现的计算机仿真实验成为实验教学的研究热点。组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，可虚拟出多种控制对象，可用来仿真实际的被控对象。以往计算机仿真实验大都基于VC、VB等语言进行开发，或者采用专业软件进行实验。目前采用组态软件开发的实验教学系统还较少，国内高校中的交通控制实验室，基于组态的交通控制实验系统还未见报道。本文结合交通信号配时系统的设计，研究组态软件在实验教学中的应用。介绍基于力控组态软件的信号配时系统设计的基本方法，以两相位信号配时为例进行研究，首先介绍信号配时的基本过程，然后介绍系统设计步骤，最后用实例说明系统的操作方法。

1 信号配时过程描述

交叉口的信号配时是信号控制参数的一组取值。信号控制参数一般指相位数及相序、信号周期以及各相位的红绿灯色的时长。对一个交叉口进行配时时，首先要确定关键车道。关键车道是一个信号相位中交通负荷最大、需要绿灯时间最长的车道(或关键车道组)。实际中，根据车流通行的特点，交叉口的进口道可以分为:直行车道、合用车道(如直行和左转合用、直行和右转合用)和转弯专用车道等。为便于分析，文章根据不同的车道划分及其组合情况，将二相位信号交叉口划分成了三类模型，如图1所示。如此，交叉口信号配时的步骤描述如图 2 所示［2－3］。

2 信号配时系统的组态设计

本系统的设计主要利用了力控的画面组态及脚本语言功能［4］，下面对此进行简要说明。

2.1 画面组态

动画功能是图形对象的事件。图形对象的事件包括鼠标动画、颜色动画、数值动画等。以“信号配时图的动态显示”为例说明颜色动画的实现方法，如图3所示。

图1 交叉口模型

图2 交叉口信号配时过程描述

图3 二相位信号配时图

配时图是信号配时参数的直观描述。从图3可以看出，在A相位的绿灯时段(绿灯与黄灯时间之和)，B相位的红灯亮;在B相位的绿灯时段，A相位的红灯亮。随着信号灯色的循环，信号配时图中的不同相位的红、绿、黄灯色应能动态地亮灭。实现此功能需要进行如下工作:一是需要在界面上组态出画面结构;二是需要定义变量并编制脚本程序;三是进行动画连接。组态画面结构，可以利用力控的工具箱及图库来完成，图3中的画面结构，利用了力控工具箱的文本及矩形对象。为了驱动界面上的对象，需要编制脚本程序。假设定义的变量是g1、a1、r1、g2、a2、r2，其中 g1控制 A 相位绿灯段的显示;a1控制A相位黄灯段的显示;r1控制A相位红灯段的显示;g2控制B相位绿灯段的显示;a2控制B相位黄灯段的显示;r2控制B相位红灯段的显示。那么，需要在脚本程序中对上述变量根据需要进行赋值，使其在相应的灯色区间显示不同的颜色，比如当在A相位绿灯区间内，g1的值应该为真，并设置g1为真时变成绿色，为假时变回灰色。程序运行时，为了使画面动起来，需要进行动画连接，使画面中的每个对象与相应的变量关联起来。图3中的A相位绿灯段矩形对象关联的是g1;A相位黄灯段矩形对象关联的是a1;A相位红灯段矩形对象关联的是r1;B相位绿灯段矩形对象关联的是g2;B相位黄灯段矩形对象关联的是a2;B相位红灯段矩形对象关联的是r2。

完成以上工作后，当程序运行时，画面上的对象就会随着程序的运行动起来。借助于信号配时图的动态显示，路口不同进口方向的信号灯色的变化将会清晰地呈现出来。

2.2 脚本程序的编制

力控中动作脚本是一种基于对象和事件的编程语言，每一段脚本都是与某一个对象或触发事件紧密关联的，系统运行脚本程序，可以对变量、函数等进行操作，可以完成对现场数据的处理和控制，进行图形化监控。动作脚本包括有窗口脚本、应用程序脚本、鼠标左键动作脚本等类型。下面以鼠标左键动作为例说明其使用。

鼠标左键动作含义是当点击鼠标左键时执行的动作，是与鼠标相关的触敏动作。可以设置当点击鼠标左键时显示的窗口、执行的程序以及显示的信息等。比如，如果希望当按下某个按钮时运行某个程序段，即可用鼠标左键动作来完成。

本系统利用力控的画面组态及脚本语言功能，设计了二相位信号动态配时系统，系统主要界面如图4～图9所示。

图4 系统主界面

图5 系统子界面

3 系统操作实例

在此举例说明本系统的操作方法。假设某预配时的路口模型为直、左、右车道合用路口模型。实际调查得到的各进口的交通流量数据如下:东进口道的车流到达率为600 pcu/h;西进口道的车流到达率为612 pcu/h;南进口道的车流到达率为540 pcu/h;北进口道的车流到达率为520 pcu/h;各进口道的饱和流率为1440 pcu/h。假设黄灯时间取3 s，全红时间取0 s，起动停车损失时间为5 s。现要求计算该交叉口的最佳信号配时参数，并对其进行评价。系统使用方法:

图7 信号配时图动态显示界面

首先，启动系统，在系统的主界面(图4)中，用鼠标点击左边的路口模型，出现系统的子界面(图5)，在图5中选择配时要求，若要求路口各进口道的饱和度相同，就用鼠标点击“等饱和度”按钮，系统将按等饱和度的要求进行配时参数的计算;点击“等饱和度”按钮，出现图6所示的系统参数输入界面，在其上，输入交通流数据及给定的信号参数，然后选择最佳周期的计算方法，若按“韦伯斯特算法”按钮，系统就按韦伯斯特算法公式计算最佳信号周期;若按“近似算法”按钮，系统就按近似算法公式计算最佳信号周期;按“韦伯斯特算法”按钮后，系统自动进入运行状态，并将配时结果显示在界面上，如图6所示。若想观察信号配时图的动态显示，则可用鼠标点击界面中的图层控制按键中的“配时图动态显示”按钮即可出现图7所示的信号配时图动态显示界面;若点击“路口动态显示”按钮即可出现图8所示的路口信号灯动态显示界面;若点击“路口状况评价层”按钮即可出现图9所示的路口状况评价结果显示界面。按“返回”按钮后，则系统逐级返回，直到系统主界面。

图8 路口信号灯动态显示界面

图9 路口状况评价结果显示界面

4 结语

本文采用组态软件对交通信号配时系统进行了设计。所设计的系统具有动态计算交叉口信号配时参数的功能、信号配时图的动态显示功能、动态演示路口信号灯色的循环及倒计时显示功能，以及交叉口运行状况的评价功能，表明组态软件在交通控制实验教学中具有良好的应用前景。

［1］北京三维力控科技有限公司．力控ForceControl快速指南［R］．北京，2007．

［2］翟润平，周彤梅，刘广萍．道路交通控制原理及应用［M］．北京:中国人民公安大学出版社，2011．

［3］任福田．新编交通工程学导论［M］．北京:中国建筑工业出版社，2011．

［4］北京三维力控科技有限公司．力控eForceCon图形界面开发手册［M］．北京，2011．