基于Modelica語言的交通信息物理系統(tǒng)的仿真方法
【專利摘要】基于Modelica語言的交通信息物理系統(tǒng)（T-CPS）的仿真方法，屬于T-CPS與計算機仿真【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法針對T-CPS的建模與系統(tǒng)驗證，將物理和信息過程模型化并借助于Modelica語言構(gòu)建仿真系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)平臺豐富的組件機制便于構(gòu)建大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)模型；多種接口機制，可以靈活地定義信息部分與物理部分之間的接口及接口屬性；Modelica具備的描述離散混合系統(tǒng)的能力，可以處理系統(tǒng)仿真過程中的并發(fā)和同步問題。為未來的軟硬件驗證和系統(tǒng)評價提供技術(shù)支撐。
【專利說明】 基于Model ica語言的交通信息物理系統(tǒng)的仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于交通信息物理系統(tǒng)(也稱為交通控制物聯(lián)網(wǎng))與計算機仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用Modelica語言對交通領(lǐng)域信息物理系統(tǒng)進行建模并對其仿真驗證的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]交通信息化與智能化已成為國際上交通系統(tǒng)現(xiàn)代化的主要發(fā)展方向，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿領(lǐng)域。交通系統(tǒng)本質(zhì)上是非線性、強耦合、泛時空復(fù)雜系統(tǒng)，近年來信息物理系統(tǒng)(CyberPhysicalSystems, CPS,也稱為控制物聯(lián)網(wǎng))理論與技術(shù)的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)交通系統(tǒng)中感知、計算、通信和控制等過程之間由于缺乏互聯(lián)互通互操作而導(dǎo)致的系統(tǒng)不能實現(xiàn)充分的協(xié)調(diào)與優(yōu)化的問題提供了新的解決途徑。目前關(guān)于CPS的理論研究還處于探索階段，而對于交通領(lǐng)域的CPS更是近幾年才得到關(guān)注，很多學(xué)者對其研究也僅僅是在結(jié)合自己的研究工作的基礎(chǔ)上提出了一些概念層面的設(shè)想，基于CPS概念并結(jié)合交通系統(tǒng)的特點提出了交通信息物理系統(tǒng)的基本架構(gòu)，包含感知、通信、計算、控制和服務(wù)五個層次。但是，這些研究也只是停留在詮釋相應(yīng)模塊的功能及涉及到的若干關(guān)鍵技術(shù)上，雖然為下一代智能交通系統(tǒng)的發(fā)展提供了理論層面的支撐，但是卻沒有在計算機仿真實現(xiàn)方面對交通信息物理系統(tǒng)進行深入的研究，而面向CPS的系統(tǒng)建模與仿真卻是研究CPS的基礎(chǔ)技術(shù)之一。目前相關(guān)研究集中于系統(tǒng)建模與系統(tǒng)驗證等方面，其中，如何將一個物理過程借助于數(shù)學(xué)框架抽象為能夠用于計算機仿真的數(shù)學(xué)模型是研究CPS所必須面臨的挑戰(zhàn)。基于方程的建模語言Modelica由于其所固有的特性使得在構(gòu)建CPS系統(tǒng)模型方面具有極大的潛力與優(yōu)勢，比如:l)ModeliCa接口和組件機制便于構(gòu)建大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)模型；2)基于Modelica中豐富的接口機制，能夠靈活方便的定義信息部分與物理部分之間的接口及接口屬性；3) Modelica同步數(shù)據(jù)流原則和單賦值原則是其具備描述離散混合系統(tǒng)的能力，并在仿真過程中處理系統(tǒng)中的并發(fā)和同步問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出了一種基于Modelica語言的交通信息物理系統(tǒng)的仿真方法，該方法針對面向CPS的系統(tǒng)建模與仿真，且相關(guān)研究集中于系統(tǒng)建模與系統(tǒng)驗證方面，將一個物理過程借助于數(shù)學(xué)框架抽象為能夠用于計算機仿真的數(shù)學(xué)模型研究。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于Modelica語言的交通信息物理系統(tǒng)的仿真方法，該方法的實現(xiàn)過程如下，
[0005]1、系統(tǒng)模型整體架構(gòu)
[0006]對交通信息物理系統(tǒng)功能進行分析，將系統(tǒng)劃分為6個功能層。提出系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示，從中可清晰的看出交通信息物理系統(tǒng)的物理部分和信息部分的分離與融
口 O
[0007](I)對象層
[0008]對象層包括車輛和人在內(nèi)的交通對象、交通工具、交通基礎(chǔ)設(shè)施物理單元，其中有些直接參與交通系統(tǒng)而影響系統(tǒng)狀態(tài)，有些由于影響交通狀態(tài)而包含在系統(tǒng)中。
[0009](2)檢測層
[0010]系統(tǒng)檢測部分是系統(tǒng)通信、計算、控制和服務(wù)的基礎(chǔ)，包括大量的檢測設(shè)備，如紅夕卜、微波、超聲波檢測器、RFID、視頻和線圈采集設(shè)備。這些傳感器負(fù)責(zé)檢測用戶感興趣的物理世界的狀態(tài)，例如:對交通載運工具、交通參與者及交通基礎(chǔ)設(shè)施等交通要素在內(nèi)的信息檢測。檢測的原始數(shù)據(jù)經(jīng)節(jié)點匯集融合處理之后傳輸?shù)叫畔⒖刂浦行?，而隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，部分原始數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理后傳輸至所需要的單元。
[0011](3)計算層
[0012]系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分，根據(jù)系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理。嵌入式技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)處理的速度和量度有了較大的進步。交通信息物理系統(tǒng)包含海量數(shù)據(jù)，并隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)已不能滿足未來的需要，因此，越來越多的先進技術(shù)和理論都將應(yīng)用于交通信息物理系統(tǒng)，使其獲得了更加強勁的發(fā)展。這里數(shù)據(jù)處理也將做為一個單獨的模塊進行分析、建模。
[0013](4)控制層
[0014]從獲取的有效信息進行相應(yīng)決策，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的控制作用。目前交通領(lǐng)域內(nèi)的控制方式相對簡單且固定、控制靈活性差，有時會出現(xiàn)難以實現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的最優(yōu)控制而不得不犧牲系統(tǒng)的整體運行效率。在交通控制信息物理系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)設(shè)計科學(xué)適宜的控制算法，使交通信息物理達到我們預(yù)先設(shè)定的控制目標(biāo)。
[0015](5)執(zhí)行層
[0016]執(zhí)行控制決策，以達到控制被控對象的目的。在交通信息物理系統(tǒng)中，交通參與者接觸最多的就是各執(zhí)行單元，其中包括交通信號燈、可變信息板以及電臺廣播。執(zhí)行單元通過一定方式作用于交通參與者，改變其交通行為，從而實現(xiàn)相應(yīng)的控制目標(biāo)。
[0017](6)通信層
[0018]通行層由若干通信基站和網(wǎng)絡(luò)單元組成，分布于整個系統(tǒng)工作流程中，負(fù)責(zé)各層之間的信息傳輸。在實際中通信層要同時保證車-車、車-路側(cè)單元和路側(cè)單元-服務(wù)器之間的可靠通信，如:有線寬帶、專用短程通信技術(shù)(DSRC)、3G/4G、WiFi通信方式。鑒于交通信息物理系統(tǒng)需要實時獲取并處理大量的外界信息，因此，信息傳遞過程的可靠性與有效性是系統(tǒng)能夠正常運行的保障。
[0019]2、模型庫開發(fā)及使用
[0020]為了實現(xiàn)系統(tǒng)仿真模型的快速建立，利用Modelica語言開發(fā)了應(yīng)用于交通領(lǐng)域的信息物理系統(tǒng)的模塊庫，如圖2所示是在分析系統(tǒng)功能之后將各個物理實體抽象并做簡單化處理之后所設(shè)計的模型庫架構(gòu)。整個模型庫充分提取對象的通用模型，開發(fā)常用的功能模塊，在保證模型完備性的同時賦予模型規(guī)范的接口，最后將各個子庫有序的整合起來形成合理的整體，以便于模型庫的管理、使用和擴充。由于數(shù)據(jù)處理的結(jié)果主要應(yīng)用于給出控制決策，因此將控制和計算合并在一起，開發(fā)了 5類組件模塊，分別為:對象模塊、檢測模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊、通信模塊，分別對應(yīng)模型庫中不同的子庫。
[0021]對于整個系統(tǒng)而言，如何把系統(tǒng)中的各個部件轉(zhuǎn)化為能夠用計算機語言描述的模型是實現(xiàn)整個模型庫搭建的關(guān)鍵。道路交通流模型庫主要是對實際的路網(wǎng)進行分割，把實際的路段根據(jù)已有的宏觀交通流模型(如:元胞傳輸模型)分解為基本的交通流傳遞單元。路段連接模型庫是描述模型中各個元胞相連接時的車流傳輸關(guān)系，主要包括:多路段融合與分離、交叉口處各方向出入口傳輸關(guān)系?？刂破髂Ｐ蛶焓菍ο到y(tǒng)中控制器計算、控制的建模。檢測裝置模型庫是對各種檢測裝置的模擬封裝。執(zhí)行裝置庫是對執(zhí)行設(shè)備，如:信號燈、VMS、電臺廣播信息的模擬，這里首先考慮可以起到強制性措施的信號燈的建模。支撐工具庫主要是OpenModelica工具軟件自身所帶有的模型庫，這里所用到的主要是輸入輸出模塊。實例庫存放的是基于已設(shè)計好的模塊搭建的實際路網(wǎng)模型。圖3是模型庫各個功能模塊的展開圖。
[0022]2.1道路交通流模型庫
[0023]基于元胞傳輸模型及其改進模型，開發(fā)相應(yīng)元胞的組件模塊。如圖4所示。(I)源元胞
[0024]源元胞表示車流的起點，路網(wǎng)的邊界，給路網(wǎng)提供交通需求。在實際中它往往代表的是小區(qū)、停車場，由歷史數(shù)據(jù)可知從源元胞向路網(wǎng)發(fā)送的車輛數(shù)目大致等于一個定值，且每天大致符合一定的規(guī)律。本發(fā)明根據(jù)歷史數(shù)據(jù)擬合發(fā)車曲線，并將其離散化處理，核心代碼如下:
[0025]......[0026]equation
[0027]S = floor (m*LaneNum*T) 〃單個時間間隔發(fā)送的最大車輛數(shù)目〃；
[0028]y = floor (abs (5*sin (0.2*time))) "floor (x)結(jié)果是取不大于 x 的最大整數(shù)〃；
[0029]if sample (O, T) then
[0030]if y < S then
[0031]s = y;
[0032]else
[0033]s = S;
[0034]end if;
[0035]else
[0036]s=0;
[0037]end if;
[0038]s = -port_al.v;
[0039]q = port_al.p;
[0040]......[0041](2)中間元胞
[0042]中間元胞路網(wǎng)的基本單元，車流按規(guī)定的方向行駛或停留。既能接收上游元胞傳輸?shù)能囕v，也可以向下游元胞傳輸車輛，且遵循一定的元胞傳輸模型傳輸機制。核心代碼如下:
[0043]
【權(quán)利要求】
1.基于Modelica語言的交通信息物理系統(tǒng)的仿真方法，其特征在于:該方法的實現(xiàn)過程如下 . 1)系統(tǒng)模型整體架構(gòu) 對交通信息物理系統(tǒng)功能進行分析，將系統(tǒng)劃分為6個功能層； (1)對象層 對象層包括車輛和人在內(nèi)的交通對象、交通工具、交通基礎(chǔ)設(shè)施物理單元； (2)檢測層 系統(tǒng)檢測部分是系統(tǒng)通信、計算、控制和服務(wù)的基礎(chǔ)，包括大量的檢測設(shè)備，如紅外、微波、超聲波檢測器、RFID、視頻和線圈采集設(shè)備；這些傳感器負(fù)責(zé)檢測用戶感興趣的物理世界的狀態(tài)，例如，對交通載運工具、交通參與者及交通基礎(chǔ)設(shè)施等交通要素在內(nèi)的信息檢測；檢測的原始數(shù)據(jù)經(jīng)節(jié)點匯集融合處理之后傳輸?shù)叫畔⒖刂浦行?，而隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，部分原始數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理后傳輸至所需要的單元； (3)計算層 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分，根據(jù)系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理；計算曾采用嵌入式技術(shù)和計算機技術(shù)，同時將數(shù)據(jù)處理做為一個單獨的模塊進行分析、建模； (4)控制層 從獲取的有效信息進行相應(yīng)決策，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的控制作用； (5)執(zhí)行層 執(zhí)行控制決策，以達到控制被控對象的目的；在交通信息物理系統(tǒng)中，交通參與者接觸最多的就是各執(zhí)行單元，其中包括交通信號燈、可變信息板以及電臺廣播；執(zhí)行單元通過一定方式作用于交通參與者，改變其交通行為，從而實現(xiàn)相應(yīng)的控制目標(biāo)； (6)通信層 通行層由若干通信基站和網(wǎng)絡(luò)單元組成，分布于整個系統(tǒng)工作流程中，負(fù)責(zé)各層之間的信息傳輸；在實際中通信層要同時保證車-車、車-路側(cè)單元和路側(cè)單元-服務(wù)器之間的可靠通信，如有線寬帶、專用短程通信技術(shù)、3G/4G、WiFi通信方式；鑒于交通信息物理系統(tǒng)需要實時獲取并處理大量的外界信息；. 2)模型庫開發(fā)及使用 為了實現(xiàn)系統(tǒng)仿真模型的快速建立，利用Modelica語言開發(fā)了應(yīng)用于交通領(lǐng)域的信息物理系統(tǒng)的模塊庫；整個模型庫充分提取對象的通用模型，開發(fā)常用的功能模塊，在保證模型完備性的同時賦予模型規(guī)范的接口，最后將各個子庫有序的整合起來形成合理的整體，以便于模型庫的管理、使用和擴充；由于數(shù)據(jù)處理的結(jié)果應(yīng)用于給出控制決策，因此將控制和計算合并在一起，開發(fā)了 5類組件模塊，分別為:對象模塊、檢測模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊、通信模塊，分別對應(yīng)模型庫中不同的子庫； 對于整個系統(tǒng)而言，如何把系統(tǒng)中的各個部件轉(zhuǎn)化為能夠用計算機語言描述的模型是實現(xiàn)整個模型庫搭建的關(guān)鍵；道路交通流模型庫是對實際的路網(wǎng)進行分割，把實際的路段根據(jù)已有的宏觀交通流模型分解為基本的交通流傳遞單元；路段連接模型庫是描述模型中各個兀胞相連接時的車流傳輸關(guān)系，包括多路段融合與分離、交叉口處各方向出入口傳輸關(guān)系；控制器模型庫是對系統(tǒng)中控制器計算、控制的建模；檢測裝置模型庫是對各種檢測裝置的模擬封裝；執(zhí)行裝置庫是對執(zhí)行設(shè)備，如信號燈、VMS、電臺廣播信息的模擬，這里首先考慮可以起到強制性措施的信號燈的建模；支撐工具庫是OpenModelica工具軟件自身所帶有的模型庫，這里所用到的是輸入輸出模塊；實例庫存放的是基于已設(shè)計好的模塊搭建的實際路網(wǎng)模型； `2.1)道路交通流模型庫 基于元胞傳輸模型及其改進模型，開發(fā)相應(yīng)元胞的組件模塊； (O源元胞 源元胞表示車流的起點，路網(wǎng)的邊界，給路網(wǎng)提供交通需求；在實際中它往往代表的是小區(qū)、停車場，由歷史數(shù)據(jù)可知從源元胞向路網(wǎng)發(fā)送的車輛數(shù)目大致等于一個定值，且每天大致符合一定的規(guī)律；本發(fā)明根據(jù)歷史數(shù)據(jù)擬合發(fā)車曲線，并將其離散化處理，核心代碼如下:
equation S = floor (m*LaneNum*T) 〃單個時間間隔發(fā)送的最大車輛數(shù)目〃； y = floor (abs (5*sin (0.2*time))) "floor (x)結(jié)果是取不大于 x 的最大整數(shù)〃;
if sample (O, T) then
if y < S then
s = y;
else
s = S;
end if;
else
s = 0;
end if;
s = -port—al.v;
q = port_al.p; `(2)中間元胞 中間元胞路網(wǎng)的基本單元，車流按規(guī)定的方向行駛或停留；既能接收上游元胞傳輸?shù)能囕v，也可以向下游元胞傳輸車輛，且遵循一定的元胞傳輸模型傳輸機制；核心代碼如下:
【文檔編號】G06F17/50GK103970936SQ201410146969
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】陳陽舟, 張二青, 羅江, 李偉, 石建軍, 代桂平 申請人:北京工業(yè)大學(xué)