简析组态基于组态软件交通信号制约实验教学系统设计学位

[摘 要] 服务于专业主干课程“道路交通控制”的教学，解决教学过程中存在的内容抽象、学生理解困难的实际问题，基于系统工程思想，采用组态软件设计了交通信号控制实验教学系统。首先对系统设计过程进行了阐述；其次，通过梳理课程内容，对系统的功能模块进行了分析；然后，采用组态软件对系统进行了实现，并对系统的操作方法进行了说明。该系统已应用于实际教学过程，有很好的教学效果。
[关键词] 交通控制；系统设计；组态软件；实验教学
[] A [文章编号] 1005-4634（2013）02-0077-04
0 引言
组态软件属于工业自动化监控软件，可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统，目前在高端自动化企业和大型项目中得到推广应用。组态软件的最大特点是能够以灵活多样的“组态方式”而不是“编程方式”来进行系统集成，提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法。
道路交通控制课程是交通工程专业本科生的专业课，交通信号控制是课程的主要内容。因此，这部分内容的掌握对整门课程的学习有重要作用。设计一个可视化的动态演示系统用于教学具有实际意义。
系统工程以系统为研究对象，要求全面、综合地考虑问题，并提供了解决问题的思路和方法，是指导实际工作的方法论。本文基于系统工程，采用系统方法对系统进行设计，并采用组态软件实现系统功能。
1 系统设计过程
本文系统的设计过程如图1所示。

1.1 需求分析

对需求进行分析是为了明确设计目的，弄清楚“为什么而设计”。设计该系统的目的首先是为课程“道路交通控制”教学服务，有助于学生课堂知识的理解和巩固。为此，需要对课程知识有整体的把握，梳理课程知识，明确系统要展示的内容。

1.2 系统的模块化

在需求分析的基础上对系统进行规划，基于功能，将系统模块化，即可得到系统的顶层架构。每一个模块皆看作系统的一个子系统，每一个子系统都有其要实现的功能。对每一个子系统进行分析时，又可将其模块化，这样就得到了系统的层次结构，如图2所示。

1.3 系统的设计与综合

设计是一系列不断精细化的步骤。系统采用“从上到下”（Top-down）层次分级的系统设计方法对每个模块进行设计。系统的综合是将系统的各个子系统结合成一个整体。在设计与综合的过程中，要注意各子系统之间、子系统与系统之间的关系，即要注意其间的接口设计。

1.4 系统整体调试

系统的整体调试是试验运行综合后的系统，以发现其中存在的问题，进而根据发现的问题对前述各环节进行校正和协调，使系统作为一个整体具有希望的功能。图1中虚线箭头示意系统各环节之间的信息反馈。
2 系统模块的功能分析
系统功能与课程内容紧密相关。通过对课程知识的梳理与归纳，规划出五个功能模块，如图 2所示。下面对它们进行分析与说明。

2.1 信号相位动态演示模块

信号相位和信号配时图的理解是交通信号配时的基础，它们属于重难点内容，学生往往因对其理解的不透彻，而影响到了后续内容的理解，同时在读文献的配时图 时感到有困难。为此，设置了信号相位动态演示模块和信号配时图动态演示模块。
信号相位是车流通行权的体现，在一个信号周期内，处在不同信号相位的车流轮流通过交叉口。实际交通信号控制时，以二相位、三相位、四相位较为常见，其信号相位控制示意图如图3所示。
以两相位信号控制为例，相位1时，东西方向的绿灯亮，南北方向的红灯亮，此时东和西进口的车辆获得通行权，通过交叉口，而南和北进口的车辆没有通行权，不能通行，在停止线前停车排队，等候绿灯；相位2时，南北方向的绿灯亮，东西方向的红灯亮，此时南和北进口的车辆获得通行权，通过交叉口，而东和西进口的车辆没有通行权，不能通行，在停止线前停车排队，等候绿灯。依此循环通过交叉口。那么，信号相位动态演示模块的功能就是要演示出这一动态循环过程。

2.2 信号配时图动态演示模块

信号配时图通常用来表示一个信号周期内不同信号相位的灯色及时长的对应关系。图4是二相位信号控制时的信号配时图。
图4表示的含义是：从灯色的对应关系看，相位1的绿灯时间段和黄灯时间段与相位2的红灯时间段相对应；而相位2的绿灯时间段和黄灯时间段与相位1的红灯时间段相对应。这就意味着当相位1的绿灯亮时，相位2的红灯同时亮起，相位1绿灯结束后，黄灯接着亮起，这时原创论文www.618jyw.com
相位2保持红灯亮；当相位2的绿灯亮时，相位1的红灯同时亮起，相位2绿灯结束后，黄灯接着亮起，这时相位1保持红灯亮。信号配时图动态演示模块的功能就是要演示出这一灯色的动态对应关系。
从信号相位配时图很容易看出不同相位信号参数之间的关系，比如图4中，相位2的红灯时长等于相位1的绿灯时长与黄灯时长之和；相位1的红灯时长等于相位2的绿灯时长与黄灯时长之和；信号周期等于不同相位的绿灯时长和黄灯时长之和。即有：=

2.3 信号交叉口交通状况判断模块

信号交叉口进口道车流的运行状况一般有三种情况——欠饱和、临界饱和、过饱和。进口道处车流的运行状况，一方面与进口道的车流到达率及其饱和流率有关，另一个方面又与交叉口的信号配时参数有关。交叉口各进口道车流的交通运行状况直接反映了交叉口的交通运行状况。
对信号交叉口进口道车流的运行状况进行判断的目的是为了选择信号的配时方法，根据进口道的交通运行状况，选取相应的公式计算信号配时参数。本模块的功能就是根据给定的交通运行参数，判断出信号交叉口进口道的交通状况。判断过程是基于文献中的方法。

2.4 信号协调控制演示模块源于：论文www.618jyw.com