王 浩，唐 棠，王 玲，王书玲，吴 兵

（同济大学教育部道路与交通工程重点实验室，上海 201804）

1 交通硬件在环概念

硬件在环仿真是一种采用实际控制器加虚拟仿真对象的仿真方法，从安全性、可行性和合理的成本上考虑，硬件在环仿真测试在很多控制系统，包括交通控制的设计中得到应用，比纯粹的系统仿真具有更好的实用性。对于硬件在环这一概念Gomez曾给出形象的解释：“‘硬件在环’是一个用来‘欺骗’你的嵌入式系统的工具。它能够使你的嵌入式系统以为自己是在真实的环境下进行实时的输入与输出。”

硬件在环由信号机、微观仿真软件和CID三部分构成。

首先，信号机通过CID将灯色信息传入仿真软件，使车流接受信号控制发生排队、加减速等变化。然后，这些仿真车流的变化再由CID传入真实的信号机，使信号机认为获得的是真实的从道路上检测器传来的车辆信息，使得信号机如同在真实的道路上运行一样，并进行相关的仿真研究。交通控制硬件在环运行图如图1所示。

图1 交通控制硬件在环运行图

2 国外交通控制硬件在环研究进展及应用

交通控制硬件在环技术最早应用于1995年，由A&M智能交通研究中心开发的REL-CID信号机接口设备首次实现了仿真模型与NEMA信号机的联合仿真。表1概括了硬件在环仿真技术在现阶段的部分应用情况。

表1 硬件在环仿真应用领域及其功能描述

表1（续）

3 我国交通控制硬件在环研究情况

2009年于泉提出建立硬件在环一体化仿真平台的设计，通过在信号机与仿真软件之间加载控制器接口设备实现硬件与软件的通讯。闫流设计了分布式的区域控制优化硬件在环仿真系统（TSOHS)，该平台使用了AT89S52单片机代替真实信号机，但是交叉口信号机与自主开发的单片机存在着本质上的差异。2010年广东科学中心开发建设ITS硬件在环模拟沙盘，但就研究信号控制算法而言，信号机仍然是模拟的而非真实的，无法再现真实信号机在交叉口的工作状态。

综合我国目前硬件在环的研究情况可以看出，我国的硬件在环主要还处于研究阶段。当然，在我国开展硬件在环的研究还有不少困难，一方面由于技术保密的原因无法对仿真软件进行二次开发，软件不支持外部信号控制等。但另一个方面，也是更重要的方面是由于我国的信号机还没有统一的通信标准，一些信号机只能通过车辆检测器获取车辆信息，硬件在环技术的进一步研究受到了制约。

4 基于VISSIM的硬件在环设计思路

4.1 信号机接口设备（CID）与硬件在环

构成硬件在环的部件CID，在硬件在环仿真中，起着联系仿真软件和信号机的桥梁作用。在非硬件在环仿真时，微观仿真软件既要进行车辆运动的仿真，又要对信号控制进行仿真。而在使用硬件在环技术之后，仿真软件不再模拟信号的控制，而是使用CID获取信号机灯色信号来控制。CID能否将真实信号机的灯色正确反映到仿真软件中来，并将软件中的车辆信息传入信号机是硬件在环技术成败的关键。本文以仿真软件VISSIM为基础，提出建设硬件在环的三种设计思路。

4.2 调用VISSIM软件COM模块

VISSIM为用户提供了一个支持COM功能，能够通过外部编程进行控制，通过执行COM命令，可以实现某些任务在VISSIM中的自动执行。开发者利用VB、VC等常用的程序开发语言通过调用VISSIM软件COM模块开发新的应用程序，该程序主要包含两部分功能。

第一部分，控制VISSIM软件，例如启动VISSIM、控制VISSIM读取路网、调取仿真参数等。该部分功能可以利用VISSIM软件提供的COM接口函数实现。第二部分，与信号机通信，例如调取信号机相位、输入车流信息等。此方法的主体为开发者编制的程序，而将VISSIM与信号机作为开发出程序的一个附属部分，以供开发者的程序调取输入数据。开发者可用VB，VC等开发工具提供的窗体、控件等工具进行开发。

4.3 调用VISSIM软件外部控制模块

VISSIM提供的信号机控制方式可选用外部的（external）方式。它通过调用两个DLL文件来实现信号机的控制逻辑。

两个DLL文件分别在程序、DLL两个框中调用。程序文件栏中DLL文件主要负责执行信号控制算法，受VISSIM的调用。DLL文件一栏中引用的DLL文件中定义了信号机的信号灯组，相位及运行算法所必需的参数，例如黄灯时间、最小绿灯时间等。

这一方法主体是VISSIM，VISSIM运行时通过调用DLL获得信号灯的相位信息，从而改变对仿真中车流、人流的控制。

4.4 调用VISSIM软件VAP模块

VAP模块是VISSIM软件里的感应控制模块。国外一种实现商业化的CID就是以这种方式实现VISSIM与信号机连接。

该方式程序文件调用DLL文件，文件不包含算法。逻辑文件.VAP由PTV公司开发的与VISSIM配套的软件生成。

此种方式可以说是简化的外部的（external）方式。利用感应控制方式实现与VISSIM的连接，省去了编写信号机灯组DLL文件的工作（在利用外部的模块开发时，针对不同信号机的情况需要重新编写），开发者只需编写一个DLL，并且此方式通用性强。但是如何获得VAP模块DLL编写底层代码是一个难题。PTV公司现在并未提供给一般用户这一代码。

5 结语

硬件在环作为智能交通系统应用的高级仿真技术实现了仿真软件与交通硬件的结合，相信随着该技术的完善，它的应用将更加广泛。本文讨论了硬件在环的概念和基本原理，回顾了国内外的发展历程，着重强调了信号机接口设备的重要作用，并结合国产信号机的特性，提出了三条交通控制硬件在环设计途径并分析了技术要点。

[1]Yun I,Byungkyu“Brian”Park,Lee C K,et al.Investigation on the exit phase controls for emergency vehicle preemption[J].KSCE Journal of Civil Engineering,2011,15（8）：1419-1426.