任务 3.5：信号灯消息处理（SPAT）-学生手册

任务3.5信号灯消息处理（SPAT）项目三：云平台测试与数据处理任务3.5：信号灯消息处理（SPAT）【任务导入】大部分驾驶员都会遇到这样的情况：在行驶车辆过程，自动驾驶车辆容易受到环境影响（遮挡、逆光）或自身感知能力下降（感知失效）的情况下，不能准确识别路口交通信号灯信息，导致出现闯红灯或者交通事故，降低交通效率，于是，你的领导安排你在云服务器上完成信号灯消息（SPAT）的实时处理与监控，然后发送给车辆，车辆上的中控屏实时可视化交通信号灯的状态倒计时信息，帮助驾驶员做出及时的决策和调整。你应该如何完成任务呢？同学们思考一下，云服务器处理和监控SPAT消息包括哪些工作任务？【学习目标】素质目标培养学生以人民为中心的服务理念；引导学生树立正确的社会主义核心价值观；培养学生的创新精神和探索精神。知识目标能说出通行允许相位与通行保护相位的区别[K47]；能说出Python基础语法的使用方法[K48]；能说出Canvas组件的使用方法[K49]。能力目标能完成SPAT消息的处理功能开发[A29]；能完成SPAT消息的实时监控功能开发[A30]。【知识准备】通行允许相位与通行保护相位通行允许相位（Permissive-GreenPhase）和通行保护相位（Protected-GreenPhase）是交通信号控制中的两种不同类型的交通信号灯相位，它们各自有不同的定义和作用。通行允许相位这是一种非强制性的绿灯相位，在这种相位下，车辆被允许进入交叉路口，但必须在进入之前确保安全。换句话说，车辆需要在进入交叉路口前自行判断是否有足够的时间安全通过。通行允许相位通常用于交通量较低的路口，或者作为交通信号灯配时的一部分，以减少等待时间和提高交通流的灵活性。在这种相位下，其他方向的交通可能已经获得绿灯，因此进入交叉路口的车辆需要谨慎行驶，避免与对向车辆发生冲突。通行保护相位这是一种强制性的绿灯相位，在这种相位下，车辆在进入交叉路口时拥有通行权，并且其他方向的交通信号灯显示为红灯，确保不会与交叉的车辆发生冲突。通行保护相位提供了明确的通行权，车辆可以在绿灯期间安全地通过交叉路口，而不需要担心对向车辆的干扰。这种相位通常用于交通量较高的主要道路，以确保交通流的连续性和安全性。Python语法下面介绍进行本节开发任务会涉及的相关的Python语法。信号灯消息的可视化功能依然是基于Python第三方库Tkinter实现，下面也会介绍Tkinter库的相关方法。局部变量与全局变量在Python中，变量可以按照作用域分为局部变量和全局变量：局部变量局部变量是在函数内部定义的变量，它们的作用域仅限于函数内部。当函数执行时，局部变量被创建，函数执行完成后，这些变量被销毁。局部变量只能在其定义的函数内部被访问。局部变量的使用示例：defmy_function():local_var="Iamlocal"#这是一个局部变量print(local_var)my_function()#输出:Iamlocalprint(local_var)#报错:NameError:name'local_var'isnotdefined全局变量全局变量是在函数外部定义的变量，它们的作用域是全局的，可以在程序的任何地方被访问和修改。即使在函数内部，全局变量也可以被访问，但如果想在函数内部修改全局变量的值，需要使用global关键字来声明。全局变量的使用示例：#这是一个全局变量global_var="Iamaglobalvariable"defprint_global_var():#直接访问全局变量print(global_var)defmodify_global_var():#使用global关键字声明我们要修改的是全局变量globalglobal_varglobal_var="Ihavebeenmodified!"#调用函数打印全局变量的值print_global_var()#输出:Iamaglobalvariable#修改全局变量的值modify_global_var()#再次调用函数打印全局变量的值print_global_var()#输出:Ihavebeenmodified!#在函数外部也可以访问和修改全局变量print(global_var)#输出:Ihavebeenmodified!global_var="Iammodifiedagain!"print(global_var)#输出:Iammodifiedagain!局部变量与全局变量的区别作用域：局部变量的作用域限于函数内部，而全局变量的作用域是整个程序。生命周期：局部变量在函数调用结束后会被销毁，全局变量则持续存在直到程序结束。访问权限：局部变量只能在其定义的函数内部访问，全局变量可以在任何地方访问，但修改需要使用global关键字。命名冲突：如果局部变量和全局变量同名，在函数内部访问的是局部变量，全局变量将被局部变量遮蔽。类型转换——int()在Python中，类型转换通常指的是将一个数据类型转换为另一个数据类型。Python提供了许多内置函数来进行类型转换，包括int(),float(),str(),list(),tuple(),dict(),set(),bool()等。本节任务主要讲解int()。int()用于将一个数字或数字表示的字符串转换为一个整数（int）对象。这个函数还可以用于进行数字类型转换，比如将浮点数向下取整为整数，或者将布尔值转换为整数（True转换为1，False转换为0）。将字符串转换为整数s="123"num=int(s)print(num)#输出:123print(type(num))#输出:<class'int'>注意：如果传递给int()的字符串不能被解析为一个整数，Python将抛出一个ValueError异常。将浮点数转换为整数（向下取整）f=123.456num=int(f)print(num)#输出:123print(type(num))#输出:<class'int'>将布尔值转换为整数b=Truenum=int(b)print(num)#输出:1b=Falsenum=int(b)print(num)#输出:0continue与break在Python中，continue和break是两个用于控制循环流程的关键字，但它们的行为和功能有所不同。continue在Python中，continue是一个关键字，用于跳过当前循环迭代中的剩余代码，并立即开始下一次迭代。这通常用于在循环内部基于某个条件跳过某些迭代。以下是一个简单的示例，说明如何在Python中使用continue语句：foriinrange(1,11):#从1到10的循环ifi%2==0:#如果i是偶数continue#跳过当前迭代，不执行下面的print语句print(i)#打印奇数#输出结果#1#3#5#7#9在上面的示例中，有一个从1到10的循环。对于每个循环迭代，会检查当前的数字i是否是偶数。如果是偶数（即i%2==0），则continue语句被执行，这会跳过当前的迭代并立即开始下一次迭代，因此不会执行print(i)语句。如果i是奇数，则print(i)语句会被执行，因此只打印出奇数。需要注意的是，continue语句只能用在循环内部（如for循环或while循环），并且它不会终止整个循环，而只是跳过当前迭代的剩余部分。如果你想要在满足某个条件时终止整个循环，你应该使用break语句。break在Python中，break语句用于立即终止当前循环（无论是for循环还是while循环）。当程序执行到break语句时，它会跳出循环，不再执行循环体中的剩余代码，也不会再检查循环条件是否满足，而是直接跳转到循环后面的代码。以下是一个简单的示例，说明如何在Python中使用break语句：foriinrange(1,11):ifi==5:#如果i等于5break#终止循环print(i)#打印小于5的数#输出结果#1#2#3#4在这个例子中，break语句被用于在i等于5时终止循环，因此只打印了小于5的数。Canvas组件Tkinter的Canvas组件是一个强大的工具，用于在GUI应用程序中绘制图形、文本和图像。以下是Canvas组件的使用方法：创建Canvas首先，需要创建一个Canvas实例，并将其添加到Tkinter窗口中：importtkinterastkroot=tk.Tk()canvas=tk.Canvas(root,width=500,height=400)canvas.place(x=50,y=50)#将Canvas放置在窗口的固定位置1）Canvas()方法说明root是Canvas的父窗口width和height分别是Canvas的宽度和高度2）place()方法说明x和y是Canvas左上角相对于父窗口的位置绘制矩形在Python的Tkinter库中，canvas.create_rectangle()方法用于在Canvas上绘制一个矩形。以下是这个方法的详细用法说明：canvas.create_rectangle(x1,y1,x2,y2,**options)1）参数说明①x1：矩形左上角的x坐标②y1：矩形左上角的y坐标③x2：矩形右下角的x坐标④y2：矩形右下角的y坐标⑤**options：可选的关键字参数，用于设置矩形的样式和属性，以下是一些常用的选项参数：fill：设置矩形的填充颜色。例如："red"、"blue"或"#FF0000"（红色）。outline：设置矩形边框的颜色width：设置矩形边框的宽度tag：设置此矩形的标签，可以分配一个或多个标签（tags），以便后续可以通过标签来引用或修改它state：设置矩形的状态，如"normal"或"disabled"⑥返回值：此方法返回一个整数，该整数是此矩形的唯一标识符（通常被称为“项ID”或“itemID”），可以用于后续修改或删除此矩形。2）示例importtkinterastkroot=tk.Tk()root.title("CanvasRectangleExample")canvas=tk.Canvas(root,width=400,height=300)canvas.place(x=50,y=50)#创建一个填充颜色为红色，边框颜色为黑色，边框宽度为2的矩形rect_id=canvas.create_rectangle(50,50,150,150,fill="red",outline="black",width=2)#可以通过itemconfig()或itemconfigure()方法来修改矩形（例如，改变填充颜色）,注意这两个方法实际上是相同的，只是命名上的简写和完整写法之分。canvas.itemconfig(rect_id,fill="blue")root.mainloop()在上面的示例中，首先创建了一个Tkinter窗口和一个Canvas画布。然后，使用create_rectangle()方法在Canvas上绘制了一个矩形，并设置了其填充颜色、边框颜色和边框宽度。还获取了矩形的项ID，并使用itemconfig()方法通过项ID来修改了矩形的填充颜色。最后，启动Tkinter的事件循环来显示窗口和Canvas。绘制椭圆/圆形在Python的Tkinter库中，canvas.create_oval()方法用于在Canvas上绘制一个椭圆或者圆（当椭圆的宽度和高度相等时）。以下是对create_oval()方法的详细用法说明：canvas.create_oval(x1,y1,x2,y2,**options)1）参数说明①x1,y1：椭圆边界框的左上角的x和y坐标②x2,y2：椭圆边界框的右下角的x和y坐标。如果x1==x2且y1==y2，则绘制一个圆③**options：可选的关键字参数，用于设置椭圆的样式和属性，以下是一些常用的选项参数：fill：椭圆的填充颜色。默认为空字符串，表示不填充outline（或bordercolor）：椭圆边框的颜色。默认为黑色width：椭圆边框的宽度。默认为1个像素tag：给椭圆分配一个或多个标签，以便后续引用或修改state：设置椭圆的状态。例如"normal"（默认值）或"hidden"dash：定义一个虚线样式来绘制椭圆的边框stipple：定义一个位图用于在椭圆的边框上创建一个图案效果④返回值：此方法返回一个整数，即椭圆的唯一标识符（也称为“项ID”或“itemID”），该标识符可以用于后续修改或删除此椭圆2）示例importtkinterastkroot=tk.Tk()root.title("CanvasOvalExample")canvas=tk.Canvas(root,width=400,height=300)canvas.place(x=50,y=50)#创建一个蓝色的椭圆，填充颜色为浅蓝色，边框颜色为深蓝色oval_id=canvas.create_oval(50,50,150,150,fill="lightblue",outline="darkblue",width=2,tags="lightblueOval")#创建一个红色的圆，没有边框circle_id=canvas.create_oval(200,100,250,150,fill="red",tags="redCircle")#可以通过itemconfig()或itemconfigure()方法来修改椭圆或圆的属性canvas.itemconfig(oval_id,fill="green")#将椭圆的填充颜色改为绿色#隐藏圆canvas.itemconfig(circle_id,state="hidden")root.mainloop()在上面的示例中，创建了一个Tkinter窗口和一个Canvas，并使用create_oval()方法在Canvas上绘制了一个椭圆和一个圆。还通过itemconfig()方法修改了椭圆的填充颜色，并通过设置状态来隐藏了圆。最后，启动了Tkinter的事件循环来显示窗口和Canvas。绘制文本在Python的Tkinter库中，canvas.create_text()方法用于在Canvas上绘制文本。这个方法可以指定文本的位置、内容、字体、颜色等属性。以下是该方法的详细用法说明：canvas.create_text(x,y,text=string,**options)1）参数说明①x：文本起点的x坐标②y：文本起点的y坐标③text=string（可选）：要绘制的文本内容，默认为空字符串④**options（可选）：用于设置文本样式和属性的关键字参数，以下是一些常用的选项参数：anchor：文本相对于(x,y)点的对齐方式。例如，"nw"表示文本的西北角（左上角）位于(x,y)点，默认是"center"。fill或color：文本的颜色font：文本字体。你可以使用Tkinter的字体规范字符串，例如"Arial16bold"；或者使用元组，例如("Arial",20)justify：文本的多行对齐方式，可以是"left","center"或"right"tag：给文本分配一个或多个标签（tags），以便后续通过Canvas的find_withtag()、itemconfig()、delete()等方法来引用、修改或删除文本项state：设置文本的状态，如"normal"或"hidden"width：文本区域的宽度，用于文本换行。注意，这不会改变字体大小或文本内容的实际大小⑤返回值：此方法返回一个整数，该整数是此文本的唯一标识符（通常被称为“项ID”或“itemID”），可以用于后续修改或删除此文本2）示例importtkinterastkroot=tk.Tk()root.title("CanvasTextExample")canvas=tk.Canvas(root,width=400,height=200)canvas.place(x=50,y=50)#在Canvas上创建一个文本项text_id=canvas.create_text(200,100,text="Hello,World!",fill="blue",font="Arial20bold",tags="blueText")#可以通过itemconfig()或itemconfigure()方法来修改文本（例如，改变文本内容或颜色）canvas.itemconfig(text_id,text="Hello,Tkinter!",fill="red",state="normal")root.mainloop()在上面的示例中，首先创建了一个Tkinter窗口和一个Canvas。然后，使用create_text()方法在Canvas上绘制了一个文本项，并设置了其位置、内容、颜色和字体。另外，还获取了文本的项ID，并使用itemconfig()方法通过项ID来修改了文本的内容、颜色和状态。最后，启动了Tkinter的事件循环来显示窗口和Canvas。图形闪烁效果的实现要实现一个闪烁效果，比如交通信号灯中的绿灯闪烁，你可以使用Python的Tkinter库和threading模块来创建一个独立的线程，该线程控制Canvas上的一个图形（在下面例子中是圆形或椭圆形，代表绿灯）在两种颜色之间切换，从而产生闪烁效果。首先，需要定义全局变量greenFlickerStatus，它将控制闪烁线程的启动和停止。然后，定义green_flicker函数，它将在一个无限循环中运行，根据greenFlickerStatus的值来决定是否改变图形的颜色。importtkinterastkimporttimeimportthreading#定义控制闪烁的全局变量greenFlickerStatus=Truedefgreen_flicker(canvas,light):globalgreenFlickerStatuswhileTrue:ifgreenFlickerStatus:#当greenFlickerStatus为True时，开始闪烁canvas.itemconfigure(light,fill="green")#设置为绿色time.sleep(0.5)#等待0.5秒canvas.itemconfigure(light,fill="white")#设置为白色time.sleep(0.5)#等待0.5秒else:break#如果greenFlickerStatus为False，则退出循环#创建Tkinter主窗口root=tk.Tk()root.title("GreenLightFlashing")#创建Canvascanvas=tk.Canvas(root,width=200,height=200)canvas.place(x=50,y=50)#在Canvas上创建一个圆形作为绿灯green_light=canvas.create_oval(70,70,130,130,fill="white")#创建闪烁线程green_flicker_thread=threading.Thread(target=green_flicker,args=(canvas,green_light))#启动闪烁线程green_flicker_thread.start()#Tkinter事件循环root.mainloop()在这个示例中，首先导入了必要的模块，定义了全局变量greenFlickerStatus，然后创建了green_flicker函数。该函数在一个无限循环中检查greenFlickerStatus的值，并相应地改变green_light的颜色。创建了一个Tkinter窗口，一个Canvas，以及一个圆形代表绿灯。然后，创建了一个线程green_flicker_thread来运行green_flicker函数，并在主线程中启动了Tkinter的事件循环。另外创建线程实例，是通过调用threading.Thread构造函数来实现，Thread类有两个关键字参数：1）target=green_flicker：它指定了当线程启动时应该调用的函数或方法。在这个例子中，green_flicker是一个函数名，它应该定义在某个地方，并准备好在线程中执行。2）args=(canvas,green_light)：它接受一个元组，该元组中的元素作为位置参数传递给target指定的函数。在这个例子中，canvas是TkinterCanvas对象的引用，green_light是Canvas上的一个项（一个椭圆形），它们的值将被传递给green_flicker函数。【任务实施】实施准备设备工具准备设备清单表3-4-SEQ表3-4-\*ARABIC1工具设备清单分类名称数量图例规格要求实训设备路杆设备1套/笔记本电脑（含鼠标和充电线）1套Windows7以上系统防护用品工作服1套/安全帽1个/工作手套1双/辅助材料无纺布1张/场地准备（1）锁止路杆设备（2）设置隔离栏（3）放置安全警示牌（4）启动路杆设备SPAT消息处理项目开发确认配时方案在进行SPAT消息处理项目开发前，需确认交通信号灯的配时方案，交通信号灯的配时方案在前面的任务已经配置完成，在信号机上可查看配置的参数，如REF_Ref170378343\h图3-5-1所示。图3-5-SEQ图3-5-\*ARABIC1交通信号灯的配时方案以此配置方案为例，该交叉路口在一个信号周期内，包含两个不同的信号相位。两个信号相位的配时方案相同，绿灯时长（绿灯常亮）为25s，黄灯时长为3s，绿闪时长为3s，信号绿灯采用的是通行保护相位，因此红灯时长为31s（25+3+3），信号配时图如REF_Ref170378349\h图3-5-2所示。图3-5-SEQ图3-5-\*ARABIC2信号配时图确认开发内容注意：此次任务基于Python脚本语言处理SPAT消息，并使用Python的图形用户界面（GUI）库Tkinter来实时显示交通信号灯相位状态。项目内容包括以下几点：（1）云服务器通过MQTT通信接收SPAT消息。（2）云服务器处理SPAT消息。（3）通过Tkinter窗口实时显示交通信号灯相位状态（包括灯色、运行状态和倒计时信息）。REF_Ref170378359\h图3-5-3和REF_Ref170378364\h图3-5-4为简略版Python脚本伪代码（包含全部模块），详细的伪代码请查看gxx_spat