[发明专利]基于Modelica语言的交通信息物理系统的仿真方法

摘要

基于Modelica语言的交通信息物理系统（T‑CPS）的仿真方法，属于T‑CPS与计算机仿真技术领域。该方法针对T‑CPS的建模与系统验证，将物理和信息过程模型化并借助于Modelica语言构建仿真系统平台。该系统平台丰富的组件机制便于构建大规模复杂系统模型；多种接口机制，可以灵活地定义信息部分与物理部分之间的接口及接口属性；Modelica具备的描述离散混合系统的能力，可以处理系统仿真过程中的并发和同步问题。为未来的软硬件验证和系统评价提供技术支撑。

主权项

基于Modelica语言的交通信息物理系统的仿真方法，其特征在于：该方法的实现过程如下1)系统模型整体架构对交通信息物理系统功能进行分析，将系统划分为6个功能层；(1)对象层对象层包括车辆和人在内的交通对象、交通工具、交通基础设施物理单元；(2)检测层系统检测部分是系统通信、计算、控制和服务的基础，包括红外、微波、超声波检测器、RFID、视频和线圈采集设备；这些传感器负责检测交通载运工具、交通参与者及交通基础设施这些交通要素在内的用户感兴趣的物理世界的状态；检测的原始数据经节点汇集融合处理之后传输到信息控制中心，部分原始数据经过初步处理后传输至所需要的单元；(3)计算层系统数据处理部分，根据系统需要对数据做相应的处理；计算曾采用嵌入式技术和计算机技术，同时将数据处理做为一个单独的模块进行分析、建模；(4)控制层从获取的有效信息进行相应决策；(5)执行层执行控制决策，以达到控制被控对象的目的；在交通信息物理系统中，交通参与者接触最多的就是各执行单元，其中包括交通信号灯、可变信息板以及电台广播；执行单元通过一定方式作用于交通参与者，改变其交通行为；(6)通信层通信层由若干通信基站和网络单元组成，分布于整个系统工作流程中，负责各层之间的信息传输；在实际中通信层要同时保证车‑车、车‑路侧单元和路侧单元‑服务器之间的可靠通信，通信方式包括有线宽带、专用短程通信技术、3G/4G和WiFi；鉴于交通信息物理系统需要实时获取并处理大量的外界信息；2)模型库开发及使用利用Modelica语言开发了应用于交通领域的信息物理系统的模块库；整个模型库充分提取对象的通用模型，开发常用的功能模块，在保证模型完备性的同时赋予模型规范的接口，最后将各个子库有序的整合起来形成合理的整体，以便于模型库的管理、使用和扩充；由于数据处理的结果应用于给出控制决策，因此将控制和计算合并在一起，开发了5类组件模块，分别为：对象模块、检测模块、控制模块、执行模块、通信模块，分别对应模型库中道路交通流模型库、检测装置模型库、控制器模型库、执行装置库、路段连接模型库；道路交通流模型库是对实际的路网进行分割，把实际的路段根据已有的宏观交通流模型分解为基本的交通流传递单元；路段连接模型库是描述模型中各个元胞相连接时的车流传输关系，包括多路段融合与分离、交叉口处各方向出入口传输关系；控制器模型库是对系统中控制器计算、控制的建模；检测装置模型库是对各种检测装置的模拟封装；执行装置库是对执行设备信号灯、VMS、电台广播信息的模拟，这里首先考虑起到强制性措施的信号灯的建模；支撑工具库是OpenModelica工具软件自身所带有的模型库，这里所用到的是输入输出模块；实例库存放的是基于已设计好的模块搭建的实际路网模型；2.1)道路交通流模型库基于元胞传输模型及其改进模型，开发相应元胞的组件模块；(1)源元胞源元胞表示车流的起点，路网的边界，给路网提供交通需求；在实际中它往往代表的是小区、停车场，由历史数据可知从源元胞向路网发送的车辆数目等于一个定值，且每天符合一定的规律；根据历史数据拟合发车曲线，并将其离散化处理；(2)中间元胞中间元胞路网的基本单元，车流按规定的方向行驶或停留；既能接收上游元胞传输的车辆，也能向下游元胞传输车辆，且遵循一定的元胞传输模型传输机制；(3)阱元胞阱元胞表示车流的终点，路网的边界，在实际中相当于停车场所；其中，所有的阱元胞都是理想元胞，即可以容纳的车辆是无限大的，所有进来的车辆在阱元胞作累计；2.2)路段连接模型库路段连接是系统物理部分，按照元胞传输模型车流传输机制设计开发了线性连接、汇合连接、分离连接和十字交叉口模块四类连接模块；(1)线性连接相连的两条路段有车辆传输时，上游元胞发送的车辆要同时兼顾下游元胞的承受能力，二者取小得到的是实际传输的车辆；当路段连接处有红绿灯时添加参数e即可，0表示无车流传输，1表示有车流传输；(2)汇合连接采用固定分配比例的最优融合模型，开发两路段汇合成一个路段的模块：(3)分离连接采用带分离因子的先入先出模型，开发一个路段分离成两条路段的模块：(4)交叉口模块不同方向的车流汇合分离，车辆经入口车道进入交叉口时根据实际情况可对整个车流设置分流比例，入口车流与出口车辆状态比较得到实际传输的车辆；当下游元胞不能全部在一个时间周期内接收全部的车辆时，按照一定的约束比例允许各入口特定的车辆进入下游元胞；2.3)控制器模型库接收路段上的车流状态，做出控制决策；介绍定周期控制模块的实现方法与使用，对于此模块使用时预先设定周期C、相位数目n及每个相位所占的绿信比、相位状态，如下是一个应用于十字交叉口的信号灯控制：e是一个四行三列的矩阵，行数代表有四个入口车道，列数代表有三个转向，具体含义如下：e[4,3]=esa,esb,esc;ewa,ewb,ewc;ena,enb,enc;eea,eeb,eec]]>从左至右三列分别为各个方向入口右转、直行、左转车辆控制权值；当矩阵元素为1时表示此方向为绿灯，允许车辆通过；为0表示红灯；控制器的输出y是和e同阶的矩阵，在特定的相位y分别等于e1、e2、e3、e4，e1[4,3]＝[1,0,0；1,1,0；1,0,0；1,1,0]，e2[4,3]＝[1,0,0；1,0,1；1,0,0；1,0,1]，e3[4,3]＝[1,1,0；1,0,0；1,1,0；1,0,0]，e4[4,3]＝[1,0,1；1,0,0；1,0,1；1,0,0]；由此可实现对一个定周期信号灯控制器的模拟抽象；设计了用于匝道的信号灯控制器和交叉口的排空切换算法控制器；2.4)检测装置模型库对实际检测器做一步简化，把需要的车辆信息在路段建模的时候提取出来，传输给控制器以便进行控制决策；将检测器作为一个类，对于路段上的成员a的访问写成Road.a；2.5)执行装置库对信号灯进行抽象建模；每个信号灯控制一个方向的车辆通行，输入端为控制决策的执行结果，输出端为{0，1}阶跃信号，当相应相位在绿灯时间内，两路段间有车辆的传输，其信号为{1}；当在红灯时间内，没有车辆传输时，其信号为{0}；据此，执行模块输入等于输出，只起到一个执行控制决策的作用，控制一个入口车道的左转、直行、右转车流。