一種交通仿真半實物電子沙盤系統的製作方法

2023-06-09 17:44:41

專利名稱：一種交通仿真半實物電子沙盤系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及交通、控制、仿真、通信等技術，尤其涉及一種交通仿真半實 物電子沙盤系統。
背景技術：
隨著計算機軟硬體技術的發展和數字地球技術的日益成熟，電子沙盤技術 作為多媒體等高新技術的產物，以其快速、簡便、精確、動態演示和便於參數 修正、演示效果豐富等特點，在軍事指揮、教學科研、博物館所、園林規劃等 領域得到了極為廣泛的應用。
半實物仿真是在可能的情況下儘可能在仿真系統中接入實物，以使其中相 應的模塊實物化，這樣更接近實際情況，可得到更確切的信息。半實物仿真同 其它類型的仿真方法相比具有實現更高真實度的可能性，是仿真技術中置信度 最高的一種仿真方法。半實物仿真已經滲透到武器裝備、航空航天、工業自動 化涉及、石油化工、汽車製造和電力電子等領域。
交通作為一個複雜系統，無法用簡單抽象的數學模型描述，仿真即成為了 研究交通問題的重要工具。隨著交通仿真系統的不斷發展，人們對仿真系統的 真實程度和展示環境提出了越來越高的要求。將電子沙盤技術和半實物仿真技 術應用於交通仿真，在國內外還是鮮見報導。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種交通仿真半實物電子沙盤 系統。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 一種交通仿真半實物電子沙 盤系統，它包括交通檢測器、交通控制櫃、模擬信號燈、上位機和大屏幕投影 電子沙盤。其中，所述交通檢測器和交通控制櫃有線連接，所述交通控制櫃和 模擬信號燈分別與上位機無線連接，所述大屏幕投影電子沙盤和上位機有線連接。
進一步地，所述交通控制櫃包括一發送模塊，所述上位機包括一接收模塊 和一發送模塊，所述模擬信號燈包括一接收模塊。所述交通檢測器通過交通控 制櫃利用無線通訊將採集到的交通信息傳送上位機，上位機經過數據處理後將 交通數據用於實時仿真，在大屏幕投影電子沙盤上動態顯示交通仿真場景，結 合模擬信號燈實物實現交通場景的半實物展示。
進一步地，所述交通檢測器為視頻檢測器、線圈檢測器、微波傳感器或地
磁傳感器；所述大屏幕投影電子沙盤由水平放置的四個DLP顯示屏組成，配
以水平和豎直的兩用支架。
本發明的有益效果是本發明綜合應用了無線實時傳輸、電子沙盤、半實 物仿真等技術，實現了交通場景實時仿真和半實物展示，亦可用於驗證信號配 時方案的有效性，直觀準確，可靠性高。


圖l是本發明的系統結構框圖2是本發明的仿真軟體操作流程圖3是本發明的信號配時自適應協同進化遺傳算法流程圖4是本發明的Zigbee無線通訊發送模塊母板原理圖； 圖5是本發明的Zigbee無線通訊接收模塊母板原理圖； 圖6是本發明的電子沙盤效果圖。
具體實施例方式
本發明的交通仿真半實物電子沙盤系統，主要包括交通檢測器、模擬信號 燈、上位機和大屏幕投影電子沙盤。其中，所述的交通檢測器通過交通控制櫃 利用無線通訊將採集到的交通信息傳送上位機，上位機經過數據處理後將交通 數據用於實時仿真，在大屏幕投影電子沙盤上動態顯示交通仿真場景，結合模 擬信號燈實物實現交通場景的半實物展示。
本發明所述的上位機可利用任何合適的算法進行信號配時優化，本發明示 例採用的是浙江大學智能交通研究中心開發的自適應協同進化遺傳算法，優化 後的配時方案通過無線通訊技術傳送給模擬信號燈，模擬信號燈的配時方案可 在當前真實配時方案和優化方案之間進行手動切換，上位機可對兩種配時方案 下的交通狀況進行評價和比較，從而驗證優化後配時方案的有效性。本發明所述的大屏幕投影電子沙盤是由水平放置的一個或若干個DLP顯 示屏組成，配以水平和豎直的兩用支架，構成投影顯示部分，具有演示直觀、 視角良好、接縫小、具有一定的承重力和移動方便等優點。
本發明所述的上位機通過大屏幕投影電子沙盤顯示交通仿真動態，模擬信 號燈顯示當前或優化交通控制信息，以半實物半虛擬的形式展示交通狀況。
為使本發明之目的、技術方案、優點更加明確、清楚，以下結合附圖對本 發明之技術方案做進一步詳細的說明。
圖1所示為本發明交通仿真半實物電子沙盤系統的結構框圖。該系統主要 包括交通檢測器、模擬信號燈、上位機、大屏幕投影電子沙盤。交通檢測器通 過控制櫃以及發送模塊將實時交通信息無線傳送給上位機，上位機通過接收模 塊接收到實時交通信息，上位機通過發送模塊，將信號配時信息無線傳送給模 擬信號燈。電子沙盤直接與上位機相連。圖1中的實線表示設備的有線連接， 虛線表示設備的無線連接。
本發明的交通檢測器可為各類交通傳感器，包括視頻檢測器、線圈檢測器、
微波傳感器以及地磁傳感器，本發明示例使用的是遠程交通微波傳感器(RTMS) X3/K3和Autoscope Solo Pro兩種類型，採集到的交通信息通過任何合適的無 線方式傳送到上位機。在本發明示例中，考慮到對交通數據傳輸的實時性、安 全性以及傳輸距離和投資成本的要求，採用數字式無線數據傳輸電臺。無線通 信模塊可選用美國MDS公司生產的EL7052型無線數字電臺，其最大發射功率 為2W，有效收發射距離為2-5km，電臺設有RS-232接口，可和控制中心或交 通檢測設備的RS-232接口相連。控制中心向交通檢測設備發送數據時，控制 中心電臺接受控制中心從串口傳來的數位訊號，電臺的發信機將信號調製成 228MHz的調頻信號從全向天線發射出去，交通檢測設備電臺收到調頻信號，解 調成數位訊號後從串口傳給交通檢測設備。交通檢測設備向控制中心發送數據 時，交通檢測設備電臺接受交通檢測設備從串口傳來的數位訊號，電臺的發信 機將信號調製成228MHz的調頻信號從八目定向天線發射出去，控制中心電臺 的收信機接收到調頻信號，解調成數位訊號後從串口傳給主機。電臺以點對點 同頻單工輪巡方式工作，控制中心的無線電臺為主機，交通檢測設備的無線電 臺為從機，通信速率為9600比特每秒，收發轉換時間約為10ms。
系統中上位機基於交通流的宏觀仿真、車輛行為的微觀仿真以及信號燈配 時理論，適用於城市道路規劃設計、模擬城市交通車流通行狀況和信號燈相位 設置等領域的交通系統設計和分析。上位機具有如下功能模塊新建仿真文件 模塊、打開己有仿真文件模塊、仿真結果比較分析模塊、繪製路段模塊、添加道路連接點模塊、添加車輛源模塊、繪製信號燈模塊、添加探測器模塊、繪製 多邊形模塊、繪製橫道線模塊、設置仿真參數模塊、設置信號配時屬性參數模 塊、車輛微觀狀態觀測器模塊、設置統計指標參數模塊、仿真控制模塊、3D 顯示模塊、仿真結果數據保存模塊、車輛及駕駛員參數模塊、仿真結果統計數 據顯示模塊、信號燈配時方案設計模塊、信號配時模塊、數字處理模塊和數據 統計等二十三大功能模塊，由這些模塊可組合成各種操作流程。
上位機在本發明中的操作流程圖如圖2所示，上位機導入來自交通檢測器
的交通數據後，對數據進行濾波、插值等預處理，進而通過數據統計確定仿真 需要的參數(如車流密度、平均速度、交叉口轉向比例等)。信號燈相位可設 定為當前真實信號配時方案，也可採用信號燈配時優化模塊的優化結果，採用 手動切換的方式進行方案的切換。路網參數(如限速、飽和流量等)根據實際 情況做相應的設置。上位機繼而進行微觀層面的仿真，仿真過程中可對特定位 置設置微觀狀態觀測器，檢測交通狀態(速度、加速度、車頭時距等)，可根 據檢測數據對仿真結果(平均速度、平均密度、平均車頭時距等)進行統計和
比較分析。仿真還可在2D模式和3D模式之間手動切換。
上位機還可利用自適應協同進化遺傳算法進行信號配時優化，算法流程如 圖3所示，首先初始化產生種群，由於各車流只有放行與禁止兩種狀態，因此採 用二進位編碼；種群分割時，每個相位為一個種群；然後每個種群獨立進化， 僅在適應度評估時進行信息的交換，採用比例選擇算子進行選擇操作，採用自 適應單點交叉算子進行交叉操作，採用自適應位變異算子進行變異操作；引進 檢測算子進行檢測操作，判斷每個個體是否為合法個體，檢測步驟為①檢測 每個周期是否所有的交通流均放行了一次，②檢測每個相位是否含有不允許出 現的衝突；接著引入修正算子進行修正操作，修正步驟為①若非法相位存在 交通流一個周期裡沒有放行一次的情況，首先把該交通流放到某一相位中，若 不引起衝突，則對含有不允許出現的衝突的個體進行修正，否則，將該交通流 放在放行交通流最少的相位裡，②對含有不允許出現的衝突的個體進行修正； 然後以Webster配時計算公式為基礎，計算每一個相位序列(個體)的周期和綠 信比；接著對種群中每個個體進行適應度評估，自適應協同進化遺傳算法中個 體適應度值越大，被選中並遺傳到下一代群體中的概率越大，因此取適應度函 數f^000-車輛平均延誤時間；以最大進化代數為停止準則，若未達到最大進 化代數，繼續進行種群獨立進化，否則結束。
上位機可通過任何合適的無線通訊技術將配時方案傳送給模擬信號燈，本 發明示例採用Zigbee通訊協議。單片機可採用微芯(Microchip)公司生產的PIC18F4620單片機，它採用精簡指令集(RISC)、哈佛總線(Harvard)結構、 二級流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、低功耗、高速度、體積 小和功能強等特點。單片機將大量的資源集成在晶片內部，包括1/0、存儲器、 通信接口等，使系統的電路大大化簡，對高頻通信可能產生的幹擾噪聲大大減 少。可採用Chipcon公司的CC2420晶片實現無線通訊，它是一款符合 IEEE802. 15. 4規範的2. 4GHz射頻晶片。對於每一個CC2420晶片，都會配備一 個PIC單片機支持相關數據的發送和接收工作。 一個最簡單的系統包括兩塊電 路控制板， 一塊和上位機聯繫作為發送模塊(如圖4所示)，另一塊和信號燈 連接作為接收模塊(如圖5所示)，發送模塊板和接收模塊均配有一塊包含有 CC2420晶片的，由Chipcon公司生產。電路板採用蓄電池供電，9V的電壓經 過HT7533晶片轉為3.3V穩壓，供單片機和無線晶片使用。工作狀態下，可採 用德州儀器(TI)提供的MAX3221晶片驅動PIC單片機的SCI接口與標準的 RS232電平接口。將MAX3221的T1IN (引腳11)和R10UT (引腳9)分別與單 片機的TX (引腳25)和RX (引腳26)連接，MAX3221的T10UT (引腳13)和 R1IN(引腳8)和串行通訊埠連接，接受上位機信息，使上位機的配時方案 傳送到發送模塊的PIC單片機。單片機用RB0 RB3以及RC0 RC5共10個端 口，通過CC2420晶片的串行外設接口 (SPI接口)引腳，控制它進入發送數據 狀態並將數據讀入緩存器。CC2420晶片的IEEE802. 15.4數字高頻調製使用 2.4GHz直接序列擴頻(DSSS)技術，將二進位的數據信號經過比特-符號轉換、 符號-碼片轉換、Q-QPSK轉化，調製到載波信號上發送。接收模塊的電源配置 和CC2420晶片控制和發射板相同，在另一個PIC單片機的控制下，接收相關 信息，轉化為二進位信號;所不同的是需要將單片機的RA0 RA5以及RD0 RD7 共14個埠預留出來，用於控制信號燈的變換。
大屏幕投影電子沙盤由投影顯示部分、多屏控制部分組成。投影顯示部分 可由一個或若干個投影單元組成，本發明示例由4個50"投影單元組成，採用 2X2方式組合顯示屏。每個投影單元包括DLP投影系統和背投影屏幕。多屏控 制部分可採用多屏控制器或任何其他控制方法，本發明示例採用兩塊麗臺 WinfastA340PCI顯卡完成，該顯卡具有工業級多顯示器輸出功能，顯卡採用 PCI接口，通過兩個內置的350 MHz RAMDACs提供高達2 X 2048 X 1536 @ 75 Hz解析度，通過UDA體系進行統一驅動，具有較強的兼容性和可擴展性。電子 沙盤能夠動態顯示仿真場景，並結合模擬信號燈實現半實物交通仿真。具有直 觀、視角良好、接縫小、具有一定的承重力和移動方便等優點。
由於大屏幕拼接牆是作為電子沙盤使用，因此DLP是水平放置，這一應用在國內尚屬首例，因此並沒有相應的支架，圖6為DLP專門設計的一個水
平和豎直兩用支架的效果圖。
雖然以上已經根據各特定實施範例描述了本發明，但是，本發明不準備被 約束或限制在這裡公開的實施範例中。本發明要覆蓋後附的權利要求書的精神 和範圍內的各種結構和修改。
權利要求
1. 一種交通仿真半實物電子沙盤系統，其特徵在於，它包括交通檢測器、交通控制櫃、模擬信號燈、上位機和大屏幕投影電子沙盤。其中，所述交通檢測器和交通控制櫃有線連接，所述交通控制櫃和模擬信號燈分別與上位機無線連接，所述大屏幕投影電子沙盤和上位機有線連接。
2. 根據權利要求1所述的交通仿真半實物電子沙盤系統，其特徵在於，所 述交通控制櫃包括一發送模塊，所述上位機包括一接收模塊和一發送模塊，所 述模擬信號燈包括一接收模塊。所述交通檢測器通過交通控制櫃利用無線通訊 將採集到的交通信息傳送上位機，上位機經過數據處理後將交通數據用於實時 仿真，在大屏幕投影電子沙盤上動態顯示交通仿真場景，結合模擬信號燈實物 實現交通場景的半實物展示。
3. 根據權利要求1所述的交通仿真半實物電子沙盤系統，其特徵在於，所 述交通檢測器為視頻檢測器、線圈檢測器、微波傳感器或地磁傳感器。
4. 根據權利要求l所述的一種交通仿真半實物電子沙盤系統，其特徵在 於，所述大屏幕投影電子沙盤由水平放置的四個DLP顯示屏組成，配以水平和 豎直的兩用支架。
全文摘要
本發明公開了一種交通仿真半實物電子沙盤系統，它包括交通檢測器、交通控制櫃、模擬信號燈、上位機和大屏幕投影電子沙盤。交通檢測器通過無線傳感技術將採集到的交通信息傳送給上位機，上位機根據接收到的交通信息對交通狀態進行仿真，使仿真結果再現當前交通狀態，並在大屏幕投影電子沙盤上動態顯示交通仿真場景，結合模擬信號燈實物實現交通場景的半實物展示。本發明以實時通訊、半實物仿真、電子沙盤展示為特點，能準確、直觀地仿真城市交通狀況及驗證信號配時的有效性。
文檔編號G09B23/00GK101414417SQ200810162519
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者泓 劉, 吳鐵軍, 孫偉力, 平 李, 珍 楊, 欣 武, 慧 王, 羅莉華, 育 聞 申請人:浙江大學