基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统及方法

摘要

本发明公开了基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统及方法，包括数据采集单元和硬件在环仿真单元；数据采集单元包括用于获取车辆信息的RFID数据采集模块和用于获取车辆到达信息及经过时间的环形线圈数据采集模块；硬件在环仿真单元包括仿真控制模块；仿真控制模块分别与RFID数据采集模块、环形线圈数据采集模块相连，用于对车辆信息、车辆到达信息及经过时间进行处理，得到仿真参数；并将仿真参数传输给硬件在环仿真单元的仿真软件中；仿真软件根据仿真参数对交通信号控制策略进行仿真，输出评价结果。本发明实现了仿真参数的实时获取，降低了人为干预对仿真结果的影响，提高了交通仿真的精确度。

说明书

技术领域

本发明涉及交通仿真技术领域，尤其涉及基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统及方法。

背景技术

随着人口的增长、车辆的增加，人、车、路的矛盾愈发突出，城市交叉口作为城市道路交通的关键节点，交叉口处交通控制策略成为众多学者研究的热点。为了更为有效的对交通控制策略进行测试，已有学者提出了应用于交通控制机的硬件在环仿真系统。此系统以信号转换设备为桥梁，解决了交通控制机与仿真软件各自独立工作的模式，实现了专业交通仿真软件实时模拟交通控制机配时方案；然而，基于传统硬件在环仿真系统的仿真参数，诸如车辆类别、车流量、车速都是以人工计算的方式输入到仿真软件的，仿真结果人为影响较大，因此精确度低。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供一种基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统，包括数据采集单元和硬件在环仿真单元；

所述数据采集单元包括RFID数据采集模块和环形线圈数据采集模块，所述RFID数据采集模块用于获取车辆信息，所述车辆信息包括车辆编号以及该车辆编号所对应的车辆类别；所述环形线圈数据采集模块用于获取车辆到达信息及经过时间；

所述硬件在环仿真单元包括仿真控制模块；所述仿真控制模块分别与所述RFID数据采集模块、环形线圈数据采集模块相连，用于对车辆信息、车辆到达信息及经过时间进行处理，得到仿真参数，并将所述仿真参数传输给硬件在环仿真单元的仿真软件中；仿真软件根据仿真参数对交通信号控制策略进行仿真，输出评价结果；所述仿真参数包括车辆类别、车流量和车速。

作为本发明的进一步改进，所述RFID数据采集模块包括车辆标签、阅读器、主控板和第一串口服务器；

所述车辆标签内记录有车辆信息；

所述阅读器分别与所述车辆标签、主控板相连，用于读取车辆标签内的车辆信息，并将车辆信息传输给所述主控板；

所述主控板通过第一串口服务器与所述仿真控制模块相连，用于将获取的车辆信息传输给仿真控制模块。

作为本发明的进一步改进，所述环形线圈数据采集模块包括环形线圈、环形线圈车辆检测器和第二串口服务器；

所述环形线圈在车辆经过时会发生频率变化；

所述环形线圈车辆检测器与所述环形线圈相连，通过检测环形线圈的频率变化来获取车辆到达信息及经过时间，所述经过时间包括车辆进入环形线圈的时间及车辆离开环形线圈的时间；

所述环形线圈车辆检测器通过第二串口服务器与所述仿真控制模块相连，用于将获取的车辆到达信息及经过时间传输给仿真控制模块。

作为本发明的进一步改进，所述硬件在环仿真单元还包括交通信号控制机、信号转换设备和带有仿真软件的仿真模块；

所述交通信号控制机用于设定交通信号控制策略；

所述仿真控制模块分别与所述交通信号控制机、仿真模块相连，用于将交通信号控制策略及得到的仿真参数传输至仿真模块；

所述仿真模块中的仿真软件根据仿真参数对交通信号控制策略进行仿真，并输出评价结果；

所述仿真模块通过信号转换设备与所述交通信号控制机相连，仿真模块通过信号转换设备将车辆到达信息传递到交通信号控制机。

作为本发明的进一步改进，所述车辆类别包括大车、中车、小车和公交车。

本发明还提供一种基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真方法，包括：

步骤1、仿真控制模块接收RFID数据采集模块获取的车辆信息，所述车辆信息包括车辆编号以及该车辆编号所对应的车辆类别；

步骤2、仿真控制模块接收环形线圈数据采集模块获取的车辆到达信息及经过时间；

步骤3、仿真控制模块对车辆信息、车辆到达信息及经过时间进行处理，得到仿真参数，所述仿真参数包括车辆类别、车流量和车速；

步骤4、硬件在环仿真单元的仿真软件根据仿真参数对交通信号控制策略进行仿真，输出评价结果。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1包括：

步骤1-1、阅读器读取车辆标签内的车辆信息，并将车辆信息发送到主控板；

步骤1-2、主控板将接收的所有车辆信息发送到第一串口服务器；

步骤1-3、第一串口服务器将所有车辆信息发送到硬件在环仿真单元中的仿真控制模块中。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2包括：

步骤2-1、环形线圈车辆检测器检测环形线圈的频率变化来获取车辆到达信息及经过时间，所述经过时间为车辆离开环形线圈的时间与车辆进入环形线圈的时间的差值；

步骤2-2、环形线圈车辆检测器将获取的车辆到达信息及经过时间发送到第二串口服务器；

步骤2-3、第二串口服务器将车辆到达信息及经过时间发送到硬件在环仿真单元中的仿真控制模块中。

作为本发明的进一步改进，所述仿真参数中车流量为不同车辆类别的车流量，其计算公式为：

$q=\frac{N}{T}$

式中：q为车流量，veh/h；N为在时间周期T内检测某车辆类别下的车辆经过的数目。

作为本发明的进一步改进，所述仿真参数中车速为不同车辆类别下所有车辆的平均速度，其计算方法为：

先求得某一车辆类别下每一车辆的瞬时速度：

$v_i=\frac{l}{t_1-t_0}$

式中：v_i为瞬时车速，m/s；l为环形线圈与车辆的长度和，m；t₁为车辆离开环形线圈的时间，s；t₀为车辆进入环形线圈的时间，s；

然后求取该车辆类别下所有车辆的平均速度即为仿真参数中的车速：

$v=\frac{1}{q}\underset{i=1}{\overset{q}{\Sigma }}{v}_i$

式中：v为车速，m/s；q为车流量，veh/h。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开的基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统及方法，利用RFID数据采集模块和环形线圈数据采集模块具有实时获取数据的特点，实现了仿真参数的实时获取，降低了人为干预对仿真结果的影响，提高了交通仿真的精确度，仿真系统的稳定好。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统的框架图；

图2为图1中RFID数据采集模块的框架图；

图3为图1中环形线圈数据采集模块的框架图；

图4为图1中硬件在环仿真单元的框架图。

图中：

1、数据采集单元；2、硬件在环仿真单元；3、RFID数据采集模块；3-1、车辆标签；3-2、阅读器；3-3、主控板；3-4、第一串口服务器；4、环形线圈数据采集模块；4-1、环形线圈；4-2、环形线圈车辆检测器；4-3、第二串口服务器；5、仿真控制模块；6、交通信号控制机；7、仿真模块；8、信号转换设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

为了克服仿真参数的人为干预，仿真结果精确度低等问题，本发明将RFID、环形线圈检测技术应用到硬件在环仿真系统中，实时采集车辆类别、车流量、车速数据，并通过串口服务器将数据发送到上位机，上位机即为硬件在环仿真单元，最后在上位机进行统计处理，作为仿真参数以COM接口的形式传递到仿真软件。

实施例1：如图1-4所示，本发明提供一种基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统，是由数据采集单元1和硬件在环仿真单元2共同组成，其中，数据采集单元1包括基于RFID定位技术的RFID数据采集模块3和基于环形线圈检测技术的环形线圈数据采集模块4，RFID数据采集模块3用于获取车辆信息，车辆信息包括车辆编号以及该车辆编号所对应的车辆类别；环形线圈数据采集模块4用于获取车辆到达信息及经过时间；硬件在环仿真单元2包括仿真控制模块5，仿真控制模块5分别与RFID数据采集模块3、环形线圈数据采集模块4相连，用于对车辆信息、车辆到达信息及经过时间进行处理，得到仿真参数；并将仿真参数传输给硬件在环仿真单元2的仿真软件中，仿真软件根据仿真参数对交通信号控制策略进行仿真，输出评价结果；仿真参数包括车辆类别、车流量和车速。

如图2所示，本发明的RFID数据采集模块3集成了车辆标签3-1、阅读器3-2、主控板3-3、第一串口服务器3-4；其中：

车辆标签3-1是一种能记载车辆信息的设备，车辆标签3-1内记录了车辆编号，通过车辆编号可以唯一确定车辆类别以及车辆的其他身份信息，通过车辆编号判断该车辆属于大车、中车、小车和公交车中的哪一种车辆类别；该车辆标签贴在车辆的底盘上，每一辆车对应一个车辆标签；

阅读器3-2与车辆标签3-1相连，阅读器3-2的作用是获取车辆标签3-1内容，即车辆信息；阅读器3-2采用TTL232串口通信协议，阅读器3-2放置在车辆运行平台下面(若一条运行平台具有两条环路，则在内外两侧环路的进出口均设有阅读器)，每当贴有车辆标签3-1的车辆经过阅读器3-2时，阅读器3-2会读取车辆标签里面的车辆编号，根据车辆编号获取该车辆的车辆类别；

主控板3-3与阅读器3-2相连，主控板3-3可以同时与多个阅读器3-2相连，主控板3-3最多可以接受十个阅读器3-2传输的信息，通常情况下主控板3-3连接四个阅读器3-2，其通讯接口为RS232。主控板3-3的作用是接收阅读器3-2传输的车辆信息，车辆信息包括车辆编号以及该车辆标号所对应的车辆类别；同时主控板3-3还能对传输的车辆信息进行数据处理，自动识别位置信息，使同一个车辆标签传输的数据经过不同的主控板处理后出来的数据不同，这样就能区分车辆的位置信息，实时监测车辆的位置。

当只需要传输车辆类别时，第一串口服务器3-4分别与主控板3-3、仿真控制模块5相连；第一串口服务器3-4提供串口转网口的功能，主控板3-3接收到车辆信息后，会把车辆信息以串口形式(RS232协议)传输给第一串口服务器3-4，第一串口服务器3-4把RS232串口转换为TCP网络接口，最后以网口形式传输给硬件在环仿真单元2(上位机)的仿真控制模块5。

当同时需要传输车辆类别及实时监测车辆的位置时，第一串口服务器3-4分别与控制器、仿真控制模块5相连，控制器与主控板3-3相连。其中，控制器可同时接收最多十个主控板3-3的数据，所有的主控板3-3首先把车辆信息传输给控制器，其中考虑到传输距离较远，所以采用RS485协议，保证主控板3-3到控制器的稳定传输。第一串口服务器3-4提供串口转网口的功能，控制器接收到车辆信息后，会把车辆信息以串口形式(RS232协议)传输给第一串口服务器3-4，第一串口服务器3-4把RS232串口转换为TCP网络接口，最后以网口形式传输给硬件在环仿真单元2(上位机)的仿真控制模块5。

进一步，本发明的RFID数据采集模块3采用RFID定位技术获取车辆类别信息。其中车辆标签采用为半径1.5cm的不干胶圆形标签，工作频率为13.56MHZ，协议为14443A，传输数据为16进制；阅读器为大小4cm*6cm(宽度×长度)，接口为3.3V供电，TTL 232串口通信，可接受ISO14443A标准非接触类车辆标签的信息；主控板上通讯口为RS232，9针通讯口；控制器设置上有十个凹槽用于连接接收10个主控板上的数据，工作电压为5V；第一串口服务器的串口类型为RS-232，以太网口为10/100M自适应，极性自动识别(MDI/MDI-X)。

如图3所示，本发明的环形线圈数据采集模块4集成了环形线圈4-1、环形线圈车辆检测器4-2、第二串口服务器4-3；其中：

环形线圈4-1是由几匝金属线烧制而成的电感元件，埋设在车辆运行平台下作为环形线圈车辆检测器4-2的传感器，利用电感耦合原理，当车辆经过时环形线圈4-1会发生频率变化；通过LC振荡电路检测频率进而达到车辆检测的目的；

环形线圈车辆检测器4-2与环形线圈4-1相连，通过检测环形线圈4-1的频率变化来获取车辆到达信息及经过时间，车辆达到信息是统计车辆穿过环形线圈的次数，用于后续车流量的计算；经过时间包括车辆进入环形线圈的时间t₀及车辆离开环形线圈的时间t₁，经过时间为t₁与t₀的差值。其中，环形线圈车辆检测器4-2是一种基于电磁感应原理的检测器，它通过对内部震荡电路频率的测量，可检测到金属经过环形线圈时所产生的频率变化，进而用于道路车辆检测。车辆进入环形线圈4-1时，环形线圈车辆检测器4-2输出高电平，车辆离开环形线圈4-1时，环形线圈车辆检测器4-2输出低电平，其通讯协议采用RS232。

第二串口服务器4-3与环形线圈车辆检测器4-2相连，第二串口服务器4-3提供串口转网口的功能，环形线圈车辆检测器4-2会把数据(车辆到达信息、车辆进入环形线圈的时间t₀及车辆离开环形线圈的时间t₁)以串口形式(RS232协议)传输给第二串口服务器4-3，第二串口服务器4-3把RS232串口转换为TCP网络接口，最后以网口形式传输给硬件在环仿真单元2(上位机)的仿真控制模块5。

进一步，本发明的环形线圈数据采集模块4采用环形线圈检测技术获取计算车流量、车速所需的数据。其中环形线圈车辆检测器为双通道测速车辆检测器，其灵敏度为0.02％-1.04％，频率范围为：30KHz-160KHz，响应时间为16ms±1ms。

如图4所示，本发明的硬件在环仿真单元2包括仿真控制模块5、交通信号控制机6、仿真模块7和信号转换设备8；其中：

交通信号控制机6用于设定交通信号控制策略，不同交通信号控制机6具有各自不同的通信协议，用于与带有仿真软件的仿真模块7进行通信，因此可以利用通信协议实现交通信号控制机6与仿真软件之间的控制策略传递。

仿真控制模块5分别与交通信号控制机6、仿真模块7相连；仿真控制模块5是指运行在硬件在环仿真单元2(上位机)上的数据通信和数据处理系统。负责交通信号控制机6设定的交通信号控制策略的上传下载以及处理来自RFID数据采集模块3和环形线圈数据采集模块4采集的数据，计算仿真参数，仿真参数包括车辆类别、车流量、车速。

仿真模块中的仿真软件根据仿真参数对交通信号控制策略进行仿真，并输出评价结果；仿真模块7内的仿真软件主要用于提供模拟道路及车流、提供评价效果的功能，本身不提供任何的交通控制逻辑功能，其用于信号控制的信号灯状态是通过COM接口编程，从交通信号控制机端实时获取，从而实现硬件在环的实时仿真。

仿真模块7通过信号转换设备与8交通信号控制机6相连，仿真模块通过信号转换设备将车辆到达信息传递到交通信号控制机。其中，信号转换设备8用于实现虚拟信号与电平信号之间的转换，是连接交通信号控制机6和仿真软件的关键设备。仿真软件中虚拟检测器产生的检测信号通过信号转换设备8传递至交通信号控制机6中，实现交通信号控制策略的调整。

进一步，本发明的硬件在环仿真单元2运行在windows7平台上仿真软件采用VISSIM5，VISSIM仿真软件是一种基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，可以建立道路环境及交通环境，并在仿真结束后输出相多种评价结果，VISSIM软件可进行COM编程，能够为交通信号控制机的控制策略输入提供接口。

实施例2：本发明提供一种基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真方法，包括：

步骤1、设置运行周期T(min)；进行模拟车辆运行，将模拟小车安放在实训平台的道路上进行车辆行驶。

步骤2、仿真控制模块接收RFID定位数据采集模块获取的车辆信息，车辆信息包含车辆编号、车辆编号所对应的车辆类别和/或位置信息，从而识别出车辆类别；具体包括：

步骤2-1、阅读器读取车辆标签内的车辆信息，并将车辆信息发送到主控板；

步骤2-2、主控板将接收的所有车辆信息发送到第一串口服务器；

步骤2-3、第一串口服务器将所有车辆信息发送到硬件在环仿真单元中的仿真控制模块中。

步骤3、仿真控制模块接收环形线圈检测数据采集模块获取的车辆的到达信息及车辆经过传感器运行的时间；具体包括：

步骤3-1、环形线圈车辆检测器检测环形线圈的频率变化来获取车辆到达信息及经过时间，经过时间为车辆离开环形线圈的时间与车辆进入环形线圈的时间的差值；

步骤3-2、环形线圈车辆检测器将获取的车辆到达信息及经过时间发送到第二串口服务器；

步骤3-3、第二串口服务器将车辆到达信息及经过时间发送到硬件在环仿真单元中的仿真控制模块中。

步骤4、根据车辆经过时间计算瞬时车速：瞬时车速是指车辆经过环形线圈的速度，瞬时车速计算公式如下：

$\left(\begin{array}{cc}{v}_i=\frac{l}{t_1-t_0}& (m/s)\end{array}\right)$

其中v_i为瞬时车速，单位为m/s；l为环形线圈与车辆的长度和，单位为m；t₁为车辆离开环形线圈的时间，单位为s；t₀为车辆进入环形线圈的时间，单位为s。

步骤5、比较车辆的运行时间t与设置的运行周期T，当t＜T，则返回步骤2继续循环；当t≥T，则跳至步骤6。

步骤6、计算不同车辆类别的车流量：仿真参数中的车流量是指每小时的车流量，本系统的实验平台在统计车流量时假设时间周期T(min)内检测到某车辆类别下有N量车经过，可通过下式计算车流量q：

$\begin{array}{cc}q=\frac{N}{T}\times 60& (veh/h)\end{array}.$

步骤7、计算不同车辆类别的车速：仿真参数的车速是指某一车辆类别下所有车辆的平均车速，平均车速v计算公式如下：

$\left(\begin{array}{cc}v=\frac{1}{q}\underset{i=1}{\overset{q}{\Sigma }}{v}_i& (m/s).\end{array}\right)$

步骤8、将计算的仿真参数以接口编程的方式传递到仿真软件，仿真软件根据仿真参数对交通信号控制策略进行仿真；车辆类别、车流量、车速参数的传递是通过VISSIM提供的COM接口完成的，其中VISSIM COM接口中TrafficComposition对象的set_AttValue()方法设置车辆类别；VehicleInput对象的set_AttValue()方法设置车流量；DesiredSpeedDecision对象的set_AttValue()方法设置车速。

步骤9、输出评价结果。

本发明公开的基于多传感器的交通控制策略硬件在环仿真系统及方法，利用基于RFID定位技术的RFID数据采集模块和基于环形线圈检测技术的环形线圈数据采集模块具有实时获取数据的特点，实现了仿真参数的实时获取，降低了人为干预对仿真结果的影响，提高了交通仿真的精确度，仿真系统的稳定好。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。