219336220_基于自适应精度法的硬件在环仿真技术研究

第23卷第3期2023年
6月交　通　工　程
Vol.23No.3
Jun.2023
DOI:10.13986/ki.jote.2023.03.006
基于自适应精度法的硬件在环仿真技术研究
曾琪婷1,王　超1,鲍日湧1,连培昆1,陈　宁2,黄勤钲3
(1.福建农林大学交通与土木工程学院,福州　350002;
2.北京工业大学北京市交通工程重点实验室,北京　100124;
3.福建省建筑科学研究院有限责任公司,福州　350108)摘　要:针对硬件在环仿真技术寻求更短的仿真时间步长与保证仿真实时同步性需求上的矛盾,提出自适应精度法来解决硬件在环仿真的实时同步问题.首先,依托硬件在环仿真系统架构,分析系统运行过程中的软硬件通信延迟;其次,依据仿真时间步长与单步仿真运算时间相匹配原则,提出自适应精度的算法流程;最后,以实际交叉口为例,应用基于自适应精度法的公交优先硬件在环仿真进行实例验证.实验结果表明,所提出的自适应精度法能最大限度地使仿真软件虚拟检测器的工作频率接近现实信号机检测器的工作频率,提高仿真软件与现实信号机的通信频率,减少硬件通信延迟,有利于硬件在环仿真技术的推广与应用.关键词:硬件在环仿真;自适应精度法;仿真精度;仿真步长;交通工程中图分类号:TP 391.9;U 491.17
文献标志码:A
文章编号:2096⁃3432(2023)03⁃035⁃009
收稿日期:2022⁃03⁃04.
作者简介:曾琪婷(1998 ),女,硕士研究生,研究方向为智能交通㊁交通控制.E⁃mail:qiting_zeng@.通讯作者:连培昆(1985 ),男,博士,讲师,研究方向为智能交通㊁交通控制.E⁃mail:peikun_lian@.
Research on Hardware⁃in⁃the⁃loop Simulation Technology Based on Adaptive Resolution Method
ZENG Qiting 1,WANG Chao 1,BAO Riyong 1,LIAN Peikun 1,CHEN Ning 2,HUANG Qinzheng 3
(1.College of Transportation and Civil Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China;
2.Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;
3.Fujian Academy of Building Research Co.Ltd.,Fuzhou 350108,China)
Abstract :Aiming at the contradiction between seeking a shorter simulation time step and ensuring the real⁃time synchronization of simulation in hardware⁃in⁃the⁃loop simulation technology,an adaptive resolution method is proposed to solve the real⁃time synchronization problem of hardware⁃in⁃the⁃loop simulation.First,relying on the hardware⁃in⁃the⁃loop simulation system architecture,the software and
hardware communication delays during system operation are analyzed.Secondly,according to the principle of matching the simulation time step with the single⁃step simulation operation time,the algorithm flow of adaptive resolution is proposed.Finally,taking the intersection as an example,the hardware⁃in⁃the⁃loop simulation of bus priority based on the adaptive resolution method is applied to validate the method.The experimental results show that the proposed adaptive resolution method can make the working frequency of the virtual detector of the simulation software approach the working frequency of the real signal detector to the greatest extent,improve the communication frequency between the simulation software and the real signal,and reduce the hardware communication delay.It is beneficial
to the popularization and application of hardware⁃in⁃the⁃loop simulation technology.
交　通　工　程2023年Key words:hardware⁃in⁃the⁃loop simulation;adaptive resolution method;simulation resolution;
simulation time step;traffic engineering
0　引言
硬件在环仿真近几年被广泛地应用在交通控制领域上[1-4],研究人员利用硬件在环仿真可在实验室环境里安全及便利地测试信号配时方案,它利用现实信号机的控制逻辑来替代仿真软件的虚拟信号控制逻辑[5-6].因此,对于硬件在环仿真,保持仿真软件与现实信号机的实时同步运行将决定着硬件在环仿真系统的准确性与可行性[7].
硬件在环仿真的实时同步性要求是指每一个硬件在环单步仿真运算必须在对应的真实时钟时间间隔内完成,影响其实时同步性主要有2个运行过程:一是现实信号机与主机计算机的硬件通信延迟;二是主机里的软件通信延迟,前者往往难以避免,但对输出结果影响较小;而后者则存在较大的不确定性,易对系统运行产生较大干扰.如果主机计算机的某个单步仿真的运算时间超过固定时间步长所能提供的运算时间,这意味着主机无法在固定的仿真时间步长内完成所有规定的仿真任务,将导致随后既定的时间步长所能提供的运算时间被挤占压缩,单步仿真无法在规定时间内完成,软件延迟将会迅速增加,评价指标输出误差将会快速累积,由此直接导致硬件在环仿真运行崩溃与失败.目前已有许多研究尝试减少硬件在环仿真系统的软件延迟,Wells 等[8]指出一台专用的㊁性能优越的主机能保证软件仿真运行比真实时钟时间快;Sanvido等[9]指出1个合适的信号机通信频率能有效地减少仿真软件与现实信号机通信延迟;Johnson等[10]指出可通过预测仿真软件单步仿真运算时间来选择1个合适的时间步长,以确保单步仿真任务能在规定的时间步长内完成;Roe等[11]指出可减少仿真模型里所有车辆的评价指标输出频率,从而使软件仿真运算时间快于真实时钟时间;Engelbrecht等[12]指出在硬件在环仿真运行期间,主机关闭其他软件的运行能使硬件在环仿真运行得更加平稳.
随着硬件在环仿真技术的发展,寻求更短的仿真时间步长与保证仿真的实时同步性存在需求上的矛盾.越来越复杂的仿真项目将会导致软件仿真的运算时间急剧增长,如果采用1个较小的仿真时间步长进行硬件在环仿真,即使在1台性能优越的主机里,也难以保证单步仿真的运算时间能满足实时运算要求.此外,每个单步仿真的运
算时间均不相同,因此难以选择一个合适的时间
步长进行硬件在环仿真.鉴于此,本文提出自适应
精度法来解决硬件在环仿真的实时同步问题,该
方法通过自适应调整仿真精度值来匹配不同单步
仿真的运算时间,如果单步仿真的运算时间与此
刻的仿真精度所对应的时间步长的差值大于某个
设定的阈值,主机控制软件将会主动降低仿真精
度值,以加大仿真时间步长;如果单步仿真的运算
时间与此刻的仿真精度所对应的时间步长的差值
小于某个设定的阈值,主机控制软件将会主动提
高仿真精度值,以缩短仿真时间步长,以此保证硬
件在环仿真的准确性与实时性需求.
1　自适应精度法设计
为了保证硬件通信的准确性,硬件在环仿真的
仿真时间步长应足够短,同时需要匹配单步仿真的
运算时间.本文所设计的自适应精度法本质上为通
过主动调整仿真精度值来控制仿真时间步长,从而
使得仿真软件的虚拟检测器能最大限度地接近真实
信号机检测器的工作频率.该方法所使用的硬件在
环仿真系统采用VISSIM仿真软件与集线器架构进
行组织构建[13],(图1)VISSIM仿真软件允许开发人员自由地选择仿真精度值来运行仿真项目,这使
得不同仿真精度值的测试成为可能[14];而在集线器架构中,现实交通信号机按照步骤1 2 3 4 5接收VISSIM仿真软件的虚拟检测器信息,而VISSIM仿真软件则按照步骤6 7 8 9 10更新现实交通信号机的灯态信息[15].
1.1　基本要求
1)硬件在环仿真必须保证实时同步运行,用以保证VISSIM仿真软件与现实信号机的同步性. 2)硬件在环仿真应以相等间隔的仿真时间步长运行.
3)VISSIM仿真软件的单步仿真时间必须比真实时钟运行得快,从而保证接口软件完成余下任务的时间充足,能提前等待真实时钟的运行时间重新回到下1个仿真时间步长的起点.
4)仿真时间步长要足够短,确保现实信号机接收仿真软件虚拟检测器数据的频率最大限度地接近现实检测器的接收频率.
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基于自适应精度法的硬件在环仿真技术研究图1　硬件在环仿真系统的数据流程
自适应精度法在合适的时间点改变仿真精度值,使得单步仿真在每1s 内保持相等间隔的仿真时间步长,这将使硬件在环仿真最大限度地满足基本要求;自适应精度法通过降低仿真精度值来避免仿真软件的超负荷运行,这将使硬件在环仿真能运行得比真实时钟快来满足基本要求;同时,在单步仿真运算时间较短的情况下,自适应精度法可通过提高仿真精度值来缩短仿真时间步长,这将使硬件在环仿真满足基本要求;自适应精度法的上述设置通过在合适的时间点改变仿真精度值,以此来适应不同单步仿真的运算时间波动
.
图2　自适应精度法变精度点的选择设置
1.2　变精度点选择自适应精度法变精度点的选择设置见图2所示,如果硬件在环仿真需要改变精度值,变精度点将出现在每1s 内的最后一个仿真时间步长里.该设置使得仿真时间步长在每1s 内的总长保持一致,因而信号灯态更新㊁仿真结果输出等仿真任务会在整数秒末完成,硬件在环仿真能避免由于变精度而产生的仿真错误,同时有足够的时间去恢复正常的硬件在环仿真状态,这将有利于仿真过程控制.
1.3　算法流程
自适应精度法有4个关键参数:
1)降低仿真精度值的阈值T de (已运行的仿真
时间与已消耗的真实时间的差值);
2)提升仿真精度值的阈值T in (已运行的仿真时间与已消耗的真实时间的差值);
3)降低精度值的过程中,仿真精度值的降低量ΔR de ;4)提升精度值的过程中,仿真精度值的提高量ΔR in .
自适应精度法的工作流程参见图3,适配器接
口软件依据已运行的仿真时间与已消耗的真实时间的差值ΔT 来改变仿真精度值.ΔT >0意味着部分单步仿真运算时间超过运算时间期限;ΔT <0意味着单步仿真提前完成所有任务.
对于ΔT >0,如果ΔT 的数值大于降精度阈值T de ,仿真精度值将会被降低.对于ΔT <0,如果ΔT 的绝对值大于升精度阈值T in ,仿真精度值将会被提升.
由上述可知,阈值组合T de 和T in 将会影响仿真精度的平均值与硬件在环仿真的通信准确性;在降低精度值的过程中,仿真精度值的降低量ΔR de 同样会影响仿真精度的平均值与硬件在环仿真的通信准
确性.
此外,在提升精度值的过程中,仿真精度值的提升量ΔR in 设置为常量,其数值为1.该设置可防止仿真精度值的过快提升,使硬件在环仿真在下一个仿真精度值里更有可能满足运算时间的期限要求.
2　案例仿真设计
2.1　仿真项目
项目选取北京市朝阳路 高碑店北路交叉口为
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图3　自适应精度法的工作流程
研究对象,信号控制采用西门子信号机 绿灯延长及红灯早断”的公交优先策略,信号配时第1相位为东西直行相位,第2相位为东西左转相位,第3相位为南进口道直左相位,第4相位为北进口道直左相位,其中第1相位为优先相位,其余相位皆为非优先相位.仿真项目持续时间设置为3794s(现场信号周期长度为193s),仿真速度值为1仿真s/真实s,评价指标的输出时间区间为从193~3794s.同时,为进行自适应精度法的仿真验证,项目设置了4个虚拟检测器组,用于感应公交车辆的到达,参见图4所示.
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基于自适应精度法的硬件在环仿真技术研究图4　朝阳路-高碑店北路交叉口信息设置
2.2　实验设计
1)实验环境
对于仿真软件,影响单步仿真运算时间的主
要因素有计算机性能优劣㊁仿真项目复杂程度与仿真运行设置情况[10].为验证自适应精度法在硬件在环仿真实验中的有效性与可靠性,实验环境应搭建在拥有较长的单步仿真运算时间条件下.实验计算机采用处理器为Intel Core i5⁃3210(双核,@2.50GHz),内存为4.00GB,显卡为Intel(R)HD Graphics 4000的笔记本电脑;仿真项目流量选择在项目交叉口晚高峰17:00 19:00时段的高流量状况;仿真界面采用二维视图运行,仿真精度值的变化范围为(1~10)时间步长/仿真s,初始精度值为10时间步长/仿真s [16].
2)实验计划针对自适应精度法,设计了3个实验组来测试
不同参数组合的应用效果.
1)实验组1
实验组1用来测试不同的阈值组合T de 和T in 对
硬件在环仿真的影响,共设置16个子实验,子实验编号为1~16,具体参见表1所示.此外,实验中有
2个特殊的阈值设置,具体介绍见表1. a)降低仿真精度值的阈值:
RD i =1/resoluion i (i =10,9, ,2)
表1　自适应精度法参数组合设置
实验组编号
参数组合编号阈值
T de /s 阈值
T in /s 仿真精度值降低量ΔR de 仿真精度值提升量ΔR in 10.000.001120.050.001130.100.00114RD i
0.001150.000.051160.050.05117
0.100.05111
8RD i 0.05119
0.000.1011100.050.1011110.100.101112RD i 0.1011130.00RI i 11140.05RI i 11150.10RI i 1116RD i RI i 1
117
0.000.00[1,2,3]12
180.000.05[1,2,3]1190.000.10[1,2,3]1200.00RI i
[1,2,3]
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对于降精度阈值RD i,仿真精度值的变化区间从10时间步长/仿真s逐步递减至2时间步长/仿真s,则降精度阈值RD i的变化区间从0.1s逐步递增至0.5s.当降精度阈值RD i接近0.1s㊁数值较小时,降精度过程较易发生;当降精度阈值RD i接近0.5s㊁数值较大时,降精度过程相对较难发生.
阈值RD i试着在降低运算超时率与维持1个相对较高的仿真精度值之间寻求动态平衡.如果单步仿真的运算时间较长,则仿真精度值较容易被快速地降低,这样有利于降低运算超时率;如果仿真精度值相对较小,则阈值RD i的值相对较大,仿真精度值较难被快速地降低,利于仿真精度值维持在1个较高的数值.
b)提升仿真精度值的阈值:
RI i=1/(resoluion i+1)　(i=1,2, ,9)对于升精度阈值RI i,仿真精度值的变化区间从1时间步长/仿真s逐步递增至9时间步长/仿真s,则升精度阈值RI i的变化区间从0.5s逐步递减至0.1s.当升精度阈值RI i接近0.5s㊁数值较大时,升精度值的过程较难发生;当升精度阈值RI i接近0.1s㊁数值较小时,升精度值的过程相对较易发生.
阈值RI i试着防止仿真精度值的快速提升,使得硬件在环仿真在下1个仿真精度值里,能满足运算时间期限要求.如果单步仿真的运算时间较长,则仿真精度值较难被快速地提升,这样有利于防止仿真精度值的快速提升,保证硬件在环仿真的稳定运行;如果单步仿真的运算时间相对较短,仿真精度值较易被快速地提升,这样利于仿真精度值维持在1个较高的数值.
2)实验组2
实验组2用来测试降精度值的过程中,不同的仿真精度值的降低量ΔR de对硬件在环仿真的影响,共设置4个子实验,子实验编号为17~20,具体参见表1所示.
在实验组2,设定ΔR de的变化范围为(1~3)时间步长/仿真s,该设定利于高流量状况下硬件在环仿真的稳定运行.若ΔT>ΔT1(ΔT为已运行的仿真时间与已消耗的真实时间的差值),这意味着降低量ΔR de的数值等于1,无法保证硬件在环仿真在下1个仿真精度值里,能满足运算时间期限要求,因而降低量ΔR de的数值等于2将被优先考虑;若ΔT>ΔT2,这意味着降低量ΔR de的数值等于2,无法保证硬件在环仿真在下1个仿真精度值里能满足运算时间期限要求,因而降低量ΔR de的数值等于3将被优先考虑.3　结果分析
3.1　全局指标分析
在实验组1中,对比仿真精度的最小值,硬件在环仿真采用自适应精度法能得到1个较高的仿真精度平均值.仿真精度平均值取决于升精度阈值T in, T in的数值越小,仿真精度的平均值越大;T in的数值
不变时,运算超时率取决于降精度阈值T de;此时, T de的数值越小,运算超时率越低.在实验组2中,对比仿真精度值的降低量ΔR de=1的情形,使用动态的仿真精度降低量能得到更低的运算超时率.
因此,从表2的仿真运行过程评价指标的实验结果来看,如果选择维持1个较低的运算超时率进行硬件在环仿真,可选择参数组合13或20;如果选择维持1个较高的仿真精度平均值且同时维持1个较低的运算超时率进行硬件在环仿真,可选择参数组合5或18.
3.2　单步仿真运算时间分析
图5显示自适应精度法的单步仿真运算时间与仿真精度值的对照图,该图的数据来自表1中的参数组合18的实验结果.由图可看出,当仿真精度值为4时间步长/仿真s时,其单步仿真运算时间期限为250ms;同时,当单步仿真运算时间超过250s时,仿真精度值最终会从4时间步长/仿真s下降到3时间步长/仿真s,自适应精度法通过仿真精度值的变化能适应单步仿真运算时间的上下波动.
值得注意的是,当单步仿真运算时间超过250ms 时(参见图5的上半图),部分仿真精度值并未降低到3时间步长/仿真s,这是因为单步仿真并未到达仿真精度值的改变点.同样值得注意的是,当仿真精度值为3时间步长/仿真s时(参见图5的下半图),部分单步仿真的运算时间低于250ms,这是因为在降精度值的过程中,仿真精度值的降低量大于1的结果.
3.3　公交车辆检测时间分析
在普通硬件在环仿真与自适应精度法下的硬件在环仿真实验条件下,分析公交车辆检测时间的小数部分,参见图6所示.在普通硬件在环仿真条件下,设定仿真精度值为常量,其数值为2时间步长/仿真s.从图6(a)可知,公交车辆检测只发生在0.5s整数倍时间,这将导致VISSIM仿真软件的虚拟检测器的工作频率远低于现实检测器的工作频率,最终将影响硬件在环仿真的准确性.
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曾琪婷,等:基于自适应精度法的硬件在环仿真技术研究
表2摇仿真运行过程评价指标
参数组合编号降仿真精度升仿真精度仿真精度单步仿真运算超时仿真精度值降低量
运算时间次数次数最小值平均值次数平均值/ms
次数比例/%平均值/ms 平均值/ms
11834183037.1425575451095942.85113221316131247.4626902591711163.601133384984437.5027213732045375.161134464063847.5427405892153978.601134540139636.69245223621338.70
1129616616246.912533134347913.731130710610446.842524149477218.9111328898746.892527473461418.2611319
403645.8321323212891.36112910332945.7821276388924.19113211252145.832149146844
3.93112912343045.90216258215026.95113113713
4.271471019440.301142146044.8617100631160.681135156044.7416706363882.321140166
45.0718193614282.351
134171364229136.802417038778232.201.681311834246836.70242583816706.881.3812719374135.6820930212291.091.2212920723
4.27
14331
35
530.371.29143
注:运算超时率为单步仿真的运算时间超过仿真时间步长的次数与单步仿真总次数的商
.
图5　自适应精度法的单步仿真运算时间与仿真精度值的对照图(参数组合18)
在普通硬件在环仿真条件下,设定仿真精度值为常量,其数值为10时间步长/仿真s.从图6(b)可知,公交车辆检测发生在0.1s 整数倍时间,使得VISSIM 仿真软件的虚拟检测器与现实检测器拥有
相近的工作频率,这将不会影响硬件在环仿真的准确性.然而,在1个相对复杂的仿真环境里,仿真精度值为10时间步长/仿真s 难以保证硬件在环仿真的实时同步运行;在该状况下,单步仿真的运算时间
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图6　公交车辆检测时间的小数部分
较容易超过运算时间期限.
在自适应精度法的硬件在环仿真条件下(实验组2参数组合18),设定仿真精度值为变量且其初始数值为10时间步长/仿真s.从图6(c)可知,公交车辆检测的发生时间的小数部分在0.1~1s间变化,相比于图6(b),自适应精度法检测到的发生时间小数部分更加精确,这将使VISSIM仿真软件的虚拟检测器的工作频率最大限度地接近现实检测器的工作频率,使得单步仿真在满足运算时间期限要求的同时,尽可能地提高硬件在环仿真的同步准确性.
4摇结束语
针对硬件在环仿真技术的实时同步问题,提出了1种通过自适应调整仿真精度值来匹配不同单步仿真运算时间的方法.该方法根据单步仿真的运算时间与此刻仿真精度所对应时间步长的差值,选择在合适的时间点改变仿真精度值,以满足硬件在环仿真的实时性与准确性问题.通过仿真运行过程全局指标分析㊁单步仿真运算时间分析㊁与公交车辆检测时间分析表明:
1)自适应精度法能以更短的仿真时间步长运行,能最大限度地使仿真软件虚拟检测器的工作频率接近现实信号机检测器的工作频率,以保证硬件在环仿真系统在运算时间截止期限前完成工作. 2)自适应精度法能适应单步仿真运算时间的上下波动,当仿真项目较为复杂且主机性能不佳时,交通工程人员无需过于担心单步仿真无法满足实时同步要求.
3)对于自适应精度法的参数组合,如果选择维持1个较低的运算超时率进行硬件在环仿真,可选择参数组合13或20;如果选择维持1个较高的仿真精度平均值且同时维持1个相对较低的运算超时率进行硬件在环仿真,可选择参数组合5或18.
待技术条件成熟,下一步工作可考虑研究自适应精度法对仿真软件驾驶行为的影响.
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