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竞赛小组：交通信息工程及控制

基于多场景控制需求的路口信号控制逻辑开放式编译平台作者：王瑞鹏，邓冉，牛怡然，单艾琳，王顺指导老师：梁子君，肖赟

（合肥学院 城市建设与交通学院 合肥230601）摘要：针对现有交通信号控制逻辑固化在信号机内无法迭代更新的问题，本作品构建了基于多场景控制需求的路口信号控制逻辑开放式编译平台。作品主要完成三个方面的工作：一是完成路口信号控制逻辑编辑工具开发，生成的信号控制逻辑文件可以传输到交通信号机执行；二是完成信号控制逻辑硬件在环仿真平台搭建，以VISSIMCOM为接口采用 Python 程序开发完成通讯和配置程序开发，实现信号控制逻辑的功能实现和可靠性测试；三是根据路口复杂控制需求，完成不同场景的信号控制逻辑设计和编译，为路口实际应用形成信号控制逻辑库。首先利用路口信号控制逻辑编辑工具根据路口实际通行需求自主设计个性化、可动态调整的信号控制算法；然后利用硬件在环仿真平台构建交通仿真场景，利用 Python 二次开发的通讯和配置程序通过VissimCOM接口实现仿真环境构建和仿真信号控制，全面验证设计逻辑的控制效果，确保在不同交通情况下的可靠性。最后将测试后的信号控制逻辑导入信号机执行，并根据路口传感数据实时调整信号绿灯，完成对交通的闭环控制。该平台有利于满足路口复杂控制需求的同时实现交通信号机的智能化迭代升级。

关键字：信号控制逻辑编辑工具；硬件在环仿真平台；信号控制逻辑库；迭代升级1.研究背景

在当今城市化进程中,交通管控系统面临着交通拥堵和效率低下等挑战。现有的交通信号控制系统通常将信号控制逻辑硬固化在信号机内，难以适应不同的路况和交通需求。这些系统通常缺乏动态性和智能性，难以快速响应交通状况的变化。这种刚性控制策略的局限性导致在交通高峰期和交通事件发生时无法进行及时响应，加剧了交通拥堵的状态。固定的配时和相位设置导致车辆长时间排队等待，引发路口溢出和交通堵塞，不仅影响市民的出行体验，还增加了城市的能源消耗和环境污染。传统的交通信号控制系统在应对不同路况和交通需求方面存在一定的局限性。现有系统无法根据路口实际场景应用需求灵活动态调整路口信号控制逻辑，缺乏响应迅速、精准的特点。此外，由于城市道路网络的不断扩张和变化，固化的信号控制逻辑往往难以适应不同路口的复杂控制需求，导致一些交叉口的交通流分配不合理，进一步加剧了拥堵问题。因此，构建一个开放式的信号控制逻辑编译平台,实现针对路口多场景控制需求进行定制化编译信号控制逻辑,将助力交通信号控制向更智能化方向发展。

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2.设计原理

2.1 设计思路

1、开发路口信号控制逻辑可视化编辑工具

本设计使用Qt Creator 开发图形化逻辑编辑器，该编辑器集成了可拖拽的功能模块，如定时优化、相位逻辑、交通优先级等。通过简单拖拽组合这些模块，灵活地生成完整的信号控制逻辑流程图。一个突出的创新是该编辑器可以一键将流程图导出为标准的JSON 文件或 LUA 脚本文件格式，JSON 文件可以导入编辑器中还原和修改信号控制逻辑，LUA 脚本文件可以被信号机直接调用来执行控制逻辑。通过此可视化编辑器的应用，用户无需编码就可以快速设计出定制的信号控制逻辑，并能够通过标准格式文件来实现逻辑的可视化还原、仿真测试和最终应用，大大简化并增强了信号控制逻辑的生成、验证和执行过程。

图 1 信号逻辑配置工具及导出的 LUA 脚本2、搭建信号控制逻辑的硬件在环仿真平台

针对信号控制逻辑的硬件在环仿真平台搭建，采用 VISSIM的COM接口技术，使用 Python 完成通讯服务和配置程序开发，实现 VISSIM 与实际信号控制机联动运行的硬件在环仿真平台，用于信号控制逻辑的可靠性测试。Python 脚本实现对仿真场景和交通流的构建生成，仿真平台可以加载实际的信号控制逻辑文件进行执行。硬件在环仿真平台通过 COM 接口，实时获取仿真环境中的交通流数据，反馈给连接的信号控制机，信号控制机接收到反馈后，根据信号控制逻辑实时调整输出的信号灯状态，与仿真环境实现闭环互动。

图 2 信号控制逻辑的硬件在环仿真平台3、针对路口多变需求设计编译各类信号控制逻辑

为满足路口复杂多变的控制需求，设计开发不同交通场景(如单点控制、定时控制、

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环控等)的通用信号控制逻辑框架。根据实际路口的交通流特征、道路条件、控制目标等，调用逻辑框架中的通用模块及算法，通过可视化编辑工具快速定制生成路口的自定义信号控制逻辑。并使用编译技术，将生成的信号控制逻辑转换为LUA脚本格式，以方便导入信号机控制器。基于大量实际路口的定制逻辑，进一步优化完善逻辑框架与模块库，形成可直接应用于不同场景路口的通用信号控制逻辑资源库。目前已经完成了常规感应控制、路口长排队控制、路口溢出死锁控制等 13 套控制逻辑。通过信号控制逻辑的可视化编辑和自动编译，实现快速响应路口复杂多变的控制需求。4、实现信号控制逻辑与信号机、仿真软件的闭环联动研究信号机通信协议，通过 485 串口通讯实现信号控制逻辑与信号机的串口数据交互。编辑完成的信号控制逻辑文件可以通过 485 通讯协议导入信号机控制器加载执行。同时，信号机可以通过 485 通讯反馈实时检测器数据等信息给硬件在环仿真平台。平台获取信号机反馈的数据后，结合仿真评估结果，进行信号控制逻辑参数的优化迭代。通过串口通讯与信号机实现双向数据传输与交互，形成闭环的信号控制逻辑配置流程、仿真验证流程和信号机加载应用流程。既可以快速针对路口实际状况调整优化信号控制逻辑参数，也可以验证信号控制逻辑方案的科学性，全面提升路口信号控制的智能化水平。图 3 信号控制逻辑与信号机及仿真软件的闭环联动2.2 研究方法

1、信号控制逻辑配置算法的研究

为实现信号控制逻辑的自动生成与优化，研究采用传递闭包算法自动搜寻最优信号配时方案。该算法通过预先建立路口相位序关系图，采用深度优先搜索的方式遍历所有可行的信号配时方案组合。在搜索过程中，实时调用微观交通仿真软件，获取每个信号配时方案对应的路口交通延误等效益指标。最后从大量方案组合中找出综合效益最优的信号配时方案，作为信号控制逻辑的输出。相较于手工设计,该方法可以高效自动生成路口信号配时方案，并保证搜索到全局最优解，避免陷入局部最优。传递闭包算法的应用,可有效提升信号控制逻辑的智能化水平，增强自动生成与优化能力。

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2、硬件在环仿真平台建模技术的应用

借助 VISSIM 的 COM 接口开发技术，构建了一个具有高度可扩展性的硬件在环仿真平台。该平台允许用户将生成的交通流模型与各种信号控制逻辑相结合，进一步提高了仿真的逼真度和实用性。通过这一综合方法，我们能够更精确地模拟不同交通流场景，评估不同信号控制逻辑在实际交通环境中的表现，从而为交通管理决策提供更可靠的依据。这一方法有望提升交通信号控制的效率和适应性，以满足不同路口的多变需求。图 4 仿真平台的软件操作效果及代码实现3、不同场景信号控制逻辑的设计与编译

针对不同交通场景(如单点自适应控制、感应控制、灯组控制场景等)的特点，采用前向推理的方法设计出场景适应的信号控制逻辑框架。在框架中预置通用的控制模块，如车检调用模块、相位配时模块、灯光控制模块等。根据具体场景的实际交通流特征、交通流量大小、道路情况等，调用不同的控制模块及设置不同参数，组装形成场景定制化的信号控制逻辑。

4、闭环控制理论的应用

在研究中，我们应用闭环控制理论，具体是 PID（比例-积分-微分）控制理论，以实现信号控制逻辑的闭环测试和优化。此方法基于信号机的反馈数据，如交通流密度和车辆等待时间，来调节信号控制逻辑的配置参数。这一过程使系统能够根据实际交通情况进行反馈和参数调整，以实现最佳的信号控制效果。通过不断监测反馈数据和参数调整，我们确保信号控制逻辑在不同交通场景下都能够表现出最佳性能，从而更好地满足路口的多变需求。

3.创新特色

1、信号控制逻辑可视化编辑工具

自主研发的信号控制逻辑可视化编辑工具,实现了交通信号控制逻辑的快速直观配置。该工具提供了多个基础功能模块,如车辆检测模块、相位控制模块、灯光控制模块等。用户可以通过简单的拖拽、链接的方式,选择不同的模块进行组合,形成完整的信号控制逻辑。同时工具自动生成标准格式的脚本文件,可以直接导入信号机控制器,无需二次开发。相较于手写代码,该可视化工具降低了信号控制逻辑设计的门槛,用户无需掌握编程知识就可以完成配置。同时也提高了设计效率,所见即所得的方式可以快速迭代调试逻辑方案。该工具的应用可以减轻技术人员工作压力,也使非专业人员更容易设计出

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科学的信号控制逻辑。

2、基于 Vissim 的信号控制逻辑仿真平台

通过自主研发的 VISSIM 二次开发技术,构建了信号控制逻辑的仿真平台。通过自主研发的 Vissim 二次开发技术，构建了信号控制逻辑的仿真平台。该平台通过Python开发 Vissim 的 COM 接口，实现了 Vissim 仿真场景与实际信号机的连接互动。平台可以加载设计完成的信号控制逻辑，在虚拟仿真场景中执行,自动生成车流,并通过仿真动态反馈各检测器的状态信息。信号机可以根据反馈在线调整输出的控制逻辑，优化信号配时方案。最终形成仿真场景与信号机的闭环控制。该平台支持快速验证信号控制逻辑的科学性,找出潜在问题。同时通过虚拟仿真调试，也避免了直接在实际路口验证可能带来的交通混乱。

3、多场景信号控制逻辑生成方法

针对路口复杂的控制需求,设计并形成适用于不同场景的信号控制逻辑库。方法是:

首先分析单点自适应控制、感应控制、灯组控制等不同场景的通用需求,设计出可配置、可扩展的信号控制逻辑框架。在框架基础上,采用前向推理方法根据路口实际交通流特征、交通流量大小等情况，调用框架中的通用模块,生成路口场景定制化的信号控制逻辑。针对大量实际路口案例形成的定制逻辑，不断丰富和优化框架内容，最终创建一个包含不同场景下可直接调用的信号控制逻辑组件库。该方法实现了快速响应路口复杂多变需求的信号控制逻辑生成与应用目标。

4.应用前景

作品在与安徽超远信息技术有限公司的合作下，成功应用了路口信号控制逻辑开放式编译平台，并在马鞍山市当涂县姑孰路与太白路交叉口率先开展应用测试。姑苏路与太白路交叉口是当涂县主要干道交叉口，东西方向（太白路）双向6车道，南北向（姑孰路）双向 4 车道进口拓宽为 3 车道，采用定周期信号控制。路口西侧和北侧是当涂县工业园区所在地，高峰期间通勤交通流量较大，南侧距离下游路口较近，早高峰期间路口排队极易蔓延至下游路口如图 6 所示，控制逻辑从溢出管控（部分通道管制）、长排队管控（二次放行），2 种场景下开展路口信号调控，控制逻辑如图8所示,在路口没有特殊交通管控需求的情况下执行常规感应信号控制。图 5 南进口发生长排队 图 6 南出口存在溢出风险

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图 7 路口排队溢出及长排队管控流程

信号控制逻辑率先在硬件在环仿真平台中开展了测试，并在测试路口开展了实际测试验证。

图 8 优化后交叉口排队得以及时消散 图 9 优化前后路口平均延误时间经实际测试,路口应用上述信号控制逻辑后,该路口整体延误下降了26.27%,通行效率提升了 22.38%。该测试案例验证了本项目可以针对路口特殊信号控制需求设计出创新型、与传统感应控制不同的信号逻辑方案，以更好地解决交通问题。

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