基于Proteus的城市路网交通状态虚拟仿真系统

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DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.16.003
基于Proteus的城市路网交通状态虚拟仿真系统
①
孙均友 王兵 王文哲 田涛 杨成材 孙代源
(新疆大学 新疆乌鲁木齐 830047)
摘 要：先进的交通管理系统（ATMS ）是城市智能交通系统（UITS ）的核心子系统，但作为ATMS交通管理中心关键设备的大屏幕在显示路网交通状态时存在非实时连续性的制约，会对交通管理工作造成不利影响。

文章针对该问题研制了一套能独立使用的城市路网交通状态虚拟仿真系统。

系统通过Proteus仿真平台进行构建，设计系统各模块电路，通过程序对路网各路段的交通状态阈值进行判断，控制红、黄、绿三种灯色实时显示路网的交通状态，实现了对路网状态的模拟仿真。

关键词：城市路网 交通状态 Proteus 系统构建 虚拟仿真
中图分类号：TH3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2018)06(a)-0003-02
①基金项目：2018年新疆自治区自然科学基金资助(项目编号：2018DOIC054)。

1 系统开发背景
在城市交通管理中，对一个城市交通运行状态进行综合评价，并将城市道路网交通状态实时直观的反映出来，有助于交管部门全面掌握路网的整体运行情况。

ATMS作为UITS的核心子系统，也是当前我国各先进城市普遍采用的主要交通管理形式。

作为ATMS关键设备的大屏幕，可用于显示路网交通状态、各关键节点监控视频等信息，但大屏幕在进行其他操作的显示时无法连续实时的显示交通状态，会对交管工作造成不利影响，故需要一套独立使用的城市路网交通状态虚拟仿真系统对交通状态进行显示。

本研究系统经Proteus构建，通过对路网各路段交通状态阈值判断，控制红、黄、绿三种灯色实时显示路网交通状态。

2 交通状态判断方法
交通状态判断方法是指通过定性或定量的评价指标
对某区域内的交通拥堵状况进行判断,其主要作用是对比分析时空范围内的拥堵水平，从而确定拥堵治理政策和措施的可行性、有效性，为进一步治理拥堵提供重要的参考依据。

道路饱和度即V/C，是反应道路服务水平常用的重要指标之一。

其中，V为最大交通流量，C为最大通行能力。

道路的最大通行能力受多方面的因素影响，难以精确计算，并且该方法无法分流向统计通行能力，不能满足研究的需要，因此采用一个新的阀值(Z)来确定当前道路的拥挤程度，其计算公式为：Z=q/Q。

其中，Z为饱和度阀值，q为当前交通流量，Q为当前饱和流量。

饱和流量Q是一个动态矢量，其本身会随着交通流量q的变化而变化，可分流向精确计算。

因此，可以避开计算道路最大通行能力出现的较大误差，进而更加准确的反应出当前道路的拥挤状况。

通过对城市交通状况的调研，确定阀值Z与道路拥挤程度的关系为：当0≤Z＜0.55时，道路拥挤状态为畅通，对应显示的状态颜色为绿色；当0.55≤Z≤0.62，道路拥挤状态为拥挤，对应显示的状态颜色为黄色；当0.62＜Z≤1.00时，道路拥挤状态为拥堵，对应显示的状态颜色为红色。

3 Proteus系统构建
3.1 技术思路
城市路网交通状态仿真系统主要由主控模块、实时时钟模块、交通状态显示模块和串口通信模块等组成。

本研究对如图1构型的路网进行交通状态仿真。

首先，将该路网的流量统计时段分为早高峰、午高峰、晚高峰、平峰及夜间五个时段，通过交通流检测器获取路网各路段各时段交通流信息，存储于交通流数据库中，并根据上文中阈值计算公式自动计算出每个路段各个时段的交通拥堵阈值，将该阈值存储于交通流数据库中对应路段下对应时间段的交通状态存储单元中，该数据按时间节点通过串口通信的方式发送给下位机主控模块。

主控模块通过串口通信模块接收状态数据，同时从实时时钟模块获取时间信息，判断当前时间处于哪一时段，进而判断该路段当前时段交通状态。

然后将状态信息通过I/O口发送给交通状态显示模块，交通状态显示模块根据指令以不同灯色展现交通拥挤状况。

该系统控制程序采用uVision集成环境开发下的Keil软件编写C语言程序进行编译并调试，最终生成HEX文件加载入系统中进行仿真运行。

3.2 虚拟电路设计
电路仿真软件Proteus可通过搜索元件添加到设计界面中进行电路设计，在电路设计完成后可加载程序进行仿真。

（1）主控电路设计。

根据资源需求及运行速率考虑，主控电路的主控芯片选用STC12C5A60S2单片机，其内嵌60KB Flash存储器和1280B的RAM用于存放源程序，具有丰富的I/O端口资源，可满足交通状态显示模块的控制需求，且具有超强抗干扰能力，功耗低，速度快等特点。

（2）实时时钟模块。

实时时钟采用DS1302时钟芯片该芯片是一种高性能、自带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V ～5.5V。

DS1302通过CE，SCLK和I/O与单片机连接，
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实时通信，读取时间数据。

（3）交通状态显示模块。

交通状态显示模块采用Proteus元件库中自带的红、黄、绿三种颜色LED进行排列，并将LED的两极分别并联，最终连接形成灯带，将灯带按照如图1所示的图网构型进行排列，构建模拟路网。

交通状态显示模块由主控芯片的P1口和P2口进行控制。

（4）串口通信模块。

串口通信模块采用Proteus中的COMPIM组件实现串口通信。

将COMPIM与上位机的RXD和TXD对应相连，并将通信速率与通信格式与上位机设置相同即可实现数据传输。

4 系统运行
在Proteus设计界面上构建城市路网交通状态虚拟仿
真系统后，将Hex文件加载到主控模块STC12C5A60S2单片机中，点击运行按钮进行仿真，仿真效果如图1所示。

根据上位机数据库中数据可知，当前主干路的交通状态为拥堵状态，次干路1的交通状态为畅通状态，次干路2的交通状态为拥挤状态，两条支路交通状态为拥挤状态。

运行后观察到各路段交通状态为主干路显示为红色，次干路1显示为绿色，次干路2显示为黄色，两条支路显示为黄色，与数据库中对应交通状态相符。

5 结语
文章采用交通状态阈值法确定城市道路交通拥堵阈值；在Proteus中构建城市路网交通状态仿真系统，并对系统主要模块的硬件电路进行了设计，给出软件设计流程，结合拥堵阈值，以红、黄、绿三种灯色分别表示城市道路交通拥堵状态，对路网状态的虚拟仿真，可独立显示实时路网交通状态，能够解决ATMS中心大屏幕显示路网交通状态存在的非实时性问题。

参考文献
[1] 王兵.西部边远城市交通改善设计案例[M].北京:人民交通出版社,2016.
[2] 王兵.郭杜杜.交通信息技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2016.
[3] 杨成材.微型实景模型与大屏幕同步式交通状态显示系统开发[D].新疆大学,2017.
串口通信模块实时时钟模块主控模块
交通状态显示模块
显示黄色
显示红色
显示绿色
支路1
主干路
支路2
次干路1
次干路2
图1 城市路网交通状态虚拟仿真系统运行效果图
准对比，如表1。

根据咨询通告AC-91-FS-2014-03R2《使用平视显示器的运行评估与批准程序》，在使用HUD实施特殊II类精密进近运行前必须满足“使用HUD实施特殊II类运行”中的要求，主要包括对航空器运营人、机场评估的要求、运行标准的批准与公布等。

本文对机场评估部分的主要内容进行研究。

3.1 灯光系统及辅助设备评估
根据咨询通告AC-91-FS-2014-03R2，使用HUD实施低能见度起飞时，机场灯光系统及辅助设备需满足一定的要求，见表2。

3.2 ILS评估
使用HUD实施特殊II类精密进近运行，需要对仪表着陆系统的临界区、敏感区，航向台信号等进行评估，以保证对导航信号的影响降到最低，且能通过II类信号性能标准进行飞行校验，具体评估内容，见表3。

3.3 HUD运行障碍物与地面运行程序评估
除了满足灯光系统及仪表着陆系统相关要求以外，还要按照“使用HUD实施特殊批准II类运行”对机场净空、仪表飞行程序、地面运行程序的评估要求对运行障碍物
进行评估，具体评估内容，见表4。

4 结语
文章介绍了HUD的工作原理及使用优势，主要研究了
使用HUD实施降低标准的运行时，需要对机场净空、飞行程序、灯光等相关设施进行必要评估的评估内容。

随着HUD在空中交通管制和飞行运行各领域的深入应用，可以持续提升飞行安全，改善飞行品质。

特别是对于大多数正处于航班量急速增长的机场，HUD的使用是降低运行标准，提高机场运行保障能力的有效举措。

参考文献
[1] 中国民航局飞行标准司.使用平视显示器实施II 类或低于标准I 类运行的评估和批准程序[Z].
[2] 中国民用航空局.平视显示器应用发展路线图[Z].
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[4] 向小军,赵赶超.HUD——提升飞行品质的一把利器[J].科技与创新,2016(16):21-22.
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