基于sumo实现交通灯控制算法的模板

在windows安装
run hello world
- network
- routes
- viewsettings & configuration
- simulation
交通灯控制系统
- 介绍
- 文件生成器类（FileGenerator）
- 道路网络（Network）
- 辅助函数
- 生成道路网络（GenerateNetwork）
- 生成路径（route）
- 生成车辆（vehicle）
- 生成交通信号灯（tlLogic）
- 生成探测器（detector）
- py程序接口（TraCI）
附录
- node
- edge
- connection
- route
- vehicle
- tlLogic
- TraCI
- Detector
- simulation
- 参考资料
- 有关文件

原文地址：https://www.wolai.com/7SsvyQLdZQr5TPikSDG9rR

代码在附录中

在windows安装

SUMO 软件包中的大多数应用程序都是命令行工具，目前只有sumo-gui和netedit不是。

SUMO 应用程序是普通的可执行文件。你只需在命令行中输入其名称即可启动它们；例如，netgenerate的调用方式是

netgenerate.exe

这只是启动应用程序（本例中为netgenerate）。由于没有给出参数，应用程序不知道要做什么，只能打印有关自身的信息：

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SUMO 中有两个gui程序：

netedit：生成network、routes等
sumo-gui：执行simulation

这两个程序均可通过命令行启动：

启动netedit：

netedit

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启动sumo-gui：

sumo-gui

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run hello world

通过GUI创建和仿真的详细操作参考此处：https://sumo.dlr.de/docs/Tutorials/Hello_World.html

我们接下来要讨论的是通过文件创建和仿真，这将用到如下文件：

*.nod.xml：记录节点信息
*.edg.xml：记录边信息
*.net.xml：记录网络信息，通过 netconvert 生成
*.rou.xml：记录车辆信息
*.settings.xml：记录仿真界面的配置信息
*.sumocfg：记录仿真信息，sumo通过此文件执行仿真

network

所有节点都有一个位置（x 坐标和 y 坐标，描述到原点的距离，以米为单位）和一个 ID，以供将来参考。因此，我们的简单节点文件如下：

<nodes><node id="1" x="-250.0" y="0.0" /><node id="2" x="+250.0" y="0.0" /><node id="3" x="+251.0" y="0.0" />
</nodes>

您可以使用自己选择的文本编辑器编辑文件，并将其保存为hello.nod.xml，其中.nod.xml是 Sumo 节点文件的默认后缀。

现在我们用边来连接节点。这听起来很简单。我们有一个源节点 ID、一个目标节点 ID 和一个边 ID，以备将来参考。边是有方向的，因此每辆车在这条边上行驶时，都会from给出的源节点开始，在给出的to节点结束。

<edges><edge from="1" id="1to2" to="2" /><edge from="2" id="out" to="3" />
</edges>

将这些数据保存到名为hello.edg.xml 的文件中。

现在我们有了节点和边，就可以调用第一个 SUMO 工具来创建网络了。确保netconvert位于PATH中的某个位置，然后调用

netconvert --node-files=hello.nod.xml --edge-files=hello.edg.xml --output-file=hello.net.xml

这将生成名为hello.net.xml 的网络。

启动netedit并查看文件：

netedit hello.net.xml

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routes

更多信息请参阅"车辆、车辆类型和路线的定义"

定义如下几个字段：

vType ：车辆类型的信息
route ：路径的信息
vehicle ：车辆的信息

如下所示的hello.rou.xml文件：

<routes><vType id="typeCar" accel="0.8" decel="4.5" sigma="0.5" length="5" minGap="2.5" maxSpeed="16.67" guiShape="passenger"/><route id="route0" edges="1to2 out"/><vehicle depart="1" id="veh0" route="route0" type="typeCar" /><vehicle depart="20" id="veh1" route="route0" type="typeCar" />
</routes>

注意：定义多辆车时，应该按照depart属性排序

viewsettings & configuration

使用图形用户界面进行模拟时，添加一个 gui-settings 文件非常有用，这样就不必在启动程序后更改设置。为此，创建一个viewsettings文件：

<viewsettings><viewport y="0" x="250" zoom="100"/><delay value="100"/>
</viewsettings>

将其保存为配置文件中包含的名称，在本例中就是hello.settings.xml。

在这里，我们使用视口（viewport）来设置摄像机的位置，并使用延迟（delay）来设置模拟的每一步之间的延迟（毫秒）。

现在，我们将所有内容粘合到一个配置文件中：

<configuration><input><net-file value="hello.net.xml"/><route-files value="hello.rou.xml"/><gui-settings-file value="hello.settings.xml"/></input><time><begin value="0"/><end value="10000"/></time>
</configuration>

将其保存到hello.sumocfg中

simulation

Using the Command Line Applications - SUMO Documentation (dlr.de)

我们就可以开始模拟了，方法如下：

sumo-gui -c hello.sumocfg

交通灯控制系统

看不懂的参数请看附录

介绍

Quick Start (old style) - SUMO Documentation (dlr.de)

我们的目的是生成如下类型的道路网络：

十字路口的规模是可自定义的
十字路口的道路是有专用转向车道的

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道路网络network：

节点node
边edge
道路lane：每条边对应多条道路
连接connection：边与边之间的连接关系

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我们的项目按照如下流程进行：

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文件生成器类（FileGenerator）

import os
import subprocess
from sample.NetworkFileGenerator import NetworkFileGenerator
from sample.SumoFileGenerator import SumoFileGeneratorclass FileGenerator:def __init__(self):self._networkGenerator = NetworkFileGenerator()self._sumoGenerator = SumoFileGenerator()self.network = Nonepassdef GenerateAllFile(self, netconvert: str = "netconvert", cwd: str = "", name: str = "sample",height: int = 1, width: int = 1, unity: int = 100,avgCarAmount: int = 5, timePeriod: int = 100):if cwd == "":cwd = os.getcwd() + "/data"  # 输出目录# 生成所需文件self._networkGenerator.GenerateAllFile(cwd, name, width, height, unity)self._sumoGenerator.GenerateAllFile(cwd, name, self._networkGenerator.network, avgCarAmount, timePeriod)p = subprocess.Popen([netconvert,"-c", "%s.netccfg" % (name),"--no-turnarounds.tls", "true"],stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE,cwd=cwd)p.wait()self.network = self._networkGenerator.networkpasspass

负责根据参数生成绝大多数有关文件
支持输出目录的自定义
支持输出文件名的自定义
外界通过调用GenerateAllFile以使用该类

道路网络（Network）

道路网络的数据结构：

from collections import defaultdictclass Network:def __init__(self):"""Node: (int, int)Edge: (Node, Node)Connection: (Node, Node, Node, lane: int)"""self.width = 1  # 水平方向的交通灯数量self.height = 1  # 竖直方向的交通灯数量self.nodes = []  # 节点self.edges = []  # 边self.connections = []  # 连接self.tlNodes = []  # 交通灯节点self.boundaryNodes = []  # 边界节点self.inEdges = defaultdict(list)  # 入边表，Node -> [Edge]self.outEdges = defaultdict(list)  # 出边表，Node -> [Edge]passpass

节点使用二维坐标来描述
边使用两个节点来描述
连接使用三个节点来描述
width、height是交通灯的数量信息

辅助函数

def GetNodeId(i: int, j: int) -> str:return "%01d%01d" % (i, j)def GetEdgeId(i: int, j: int, u: int, v: int) -> str:# from (i, j) to (u, v)return "%sto%s" % (GetNodeId(i, j), GetNodeId(u, v))def GetRouteId(i: int, j: int, u: int, v: int, additional: int) -> str:# from (i, j) to (u, v)return "%s_%08d" % (GetEdgeId(i, j, u, v), additional)def GetLaneId(i: int, j: int, u: int, v: int, lane: int) -> str:# from (i, j) to (u, v)return "%s_%1d" % (GetEdgeId(i, j, u, v), lane)def GetDetectorId(i: int, j: int, u: int, v: int, lane: int) -> str:# from (i, j) to (u, v)return "det_%s" % (GetLaneId(i, j, u, v, lane))def IsTrafficLightNode(width: int, height: int, i: int, j: int) -> bool:# [1, width] * [1, height] 范围内是交通灯节点return 1 <= i and i <= width and 1 <= j and j <= heightdef IsBoundaryNode(width: int, height: int, i: int, j: int) -> bool:# [1, width] * [1, height] 范围外的一圈是边界return i == 0 or i == width + 1 or j == 0 or j == height + 1def IsIllegalNode(width: int, height: int, i: int, j: int) -> bool:# [0, width + 1] * [0, height + 1] 范围外是非法的return i < 0 or i > width + 1 or j < 0 or j > height + 1def IsCornerNode(width: int, height: int, i: int, j: int) -> bool:# (0, 0) (width + 1, 0) (0, height + 1) (width + 1, height + 1) 是角落return i == 0 and j == 0 or \i == width + 1 and j == 0 or \i == 0 and j == height + 1 or \i == width + 1 and j == height + 1def GetEdgesOfRoute(path: list) -> str:# 从节点列表，以字符串形式，给出途经的边ret = ""for i in range(1, len(path)):ret += GetEdgeId(*path[i - 1], *path[i]) + " "return retdef ToXMLElement(name: str, *arg: str):import xml.domdoc = xml.dom.minidom.Document()# doc = xml.dom.minidom.Document()element = doc.createElement(name)for i in range(1, len(arg), 2):element.setAttribute(arg[i - 1], arg[i])return elementpass

[1, width] * [1, height]是交通灯的坐标
[1, width] * [1, height] 范围外的一圈是边界
[0, width + 1] * [0, height + 1] 范围外是非法的
(0, 0) (width + 1, 0) (0, height + 1) (width + 1, height + 1) 是角落

生成道路网络（GenerateNetwork）

规定方向编号：参考极坐标系，角度与方向编号有线性关系
- 0：x轴正向
- 1：y轴正向
- 2：x轴负向
- 3：y轴负向
规定转向编号：即方向编号的差分量
- -1：右转
- 0：直行
- 1：左转

这样规定转向编号的原因是，转向编号与sumo的车道编号相对应。sumo的车道编号是从右到左的。

代码如下：

class NetworkFileGenerator:def __init__(self):self.cwd = None  # 输出目录self.name = None  # 文件名self.network = None  # 道路网络self._unity = None  # 单位长passdef GenerateNetwork(self, width: int, height: int) -> Network:self.network = Network()self.network.width = widthself.network.height = heightdx = [1, 0, -1, 0]dy = [0, 1, 0, -1]turn = [-1, 0, 1]  # 车道编号 -> 转向编号，分别对应：右转，直行，左转for i in range(width + 2):for j in range(height + 2):# 生成节点 (i, j)# 角落不需要生成if Utils.IsCornerNode(width, height, i, j):continuenode1 = (i, j)self.network.nodes.append(node1)if Utils.IsTrafficLightNode(self.network.width, self.network.height, i, j):self.network.tlNodes.append(node1)else:self.network.boundaryNodes.append(node1)passfor dir in range(len(dx)):u = i + dx[dir]v = j + dy[dir]# 生成边 (i, j)->(u, v)# 排除非法节点if Utils.IsIllegalNode(width, height, u, v):continue# 角落不需要生成if Utils.IsCornerNode(width, height, u, v):continue# 边界节点与边界节点互不相连，排除if Utils.IsBoundaryNode(width, height, i, j) and Utils.IsBoundaryNode(width, height, u, v):continue# 生成边node2 = (u, v)edge = (node1, node2)self.network.edges.append(edge)self.network.outEdges[node1].append(edge)self.network.inEdges[node2].append(edge)passfor lane in range(len(turn)):dir2 = (dir + turn[lane] + len(dx)) % len(dx)x = u + dx[dir2]y = v + dy[dir2]# (i, j)->(u,v)->(x,y)# 排除非法的if Utils.IsIllegalNode(width, height, x, y):continue# 角落不需要生成if Utils.IsCornerNode(width, height, x, y):continue# 边界节点与边界节点互不相连if Utils.IsBoundaryNode(width, height, u, v) and Utils.IsBoundaryNode(width, height, x, y):continue# 生成连接node3 = (x, y)connection = (node1, node2, node3, lane)self.network.connections.append(connection)passpasspasspassreturn self.network

生成路径（route）

SUMO Road Networks - SUMO Documentation (dlr.de)

我们使用回溯算法生成所有可能的路径。

由于该算法的时间开销较大，如果地图大小超过4*4，那么建议导入路径而不是生成

import xml.dom
import numpy as np
import Utils
from Network import Network
from collections import defaultdictfrom sample.Utils import _GetEdgesOfRouteclass SumoFileGenerator:def __init__(self):self.cwd = None  # 输出目录self.name = None  # 文件名self.network = None  # 道路网络# for dfsself._visit = Noneself._path = Noneself._ans = Nonepassdef _dfsrc(self, nodeP: tuple or None, nodeU: tuple):# 深度优先搜索递归核心 Depth First Search Recursive Coreif nodeU in self.network.boundaryNodes and nodeP is not None:self._ans.append([x for x in self._path])returnfor _, nodeV in self.network.outEdges[nodeU]:if self._visit[nodeV] is True:continueself._visit[nodeV] = Trueself._path.append(nodeV)self._dfsrc(nodeU, nodeV)self._path.pop()self._visit[nodeV] = Falsepassdef _GetRoutes(self, nodeU: tuple) -> list:# 生成所有以 nodeU 为起点的路径self._visit = defaultdict(bool)self._path = []self._ans = []self._visit[nodeU] = Trueself._path.append(nodeU)self._dfsrc(None, nodeU)return self._anspassdef _GenerateRouteFile(self, avgCarAmount, timePeriod)://...pass

生成车辆（vehicle）

用分布来模拟车辆到达，实际上是在采样。因为各个样本点独立同分布

设随机变量X是车辆到达的数量，P{X=k}是有k辆车到达的概率。

我们采取timePeriod个样本，各个样本就对应了各个时刻车辆的到达情况。

    def _GenerateRouteFile(self, avgCarAmount, timePeriod):// ...# 创建车辆arrivals = np.random.poisson(avgCarAmount, timePeriod)vehicleId = 0for time in range(len(arrivals)):for i in range(arrivals[time]):rootElement.appendChild(Utils.ToXMLElement("vehicle","id", "%08d" % (vehicleId),"type", "typeCar","route", routeIds[np.random.randint(0, len(routeIds))],"depart", "%d" % (time),))vehicleId += 1pass// ...pass

生成交通信号灯（tlLogic）

直接遍历network中的交通灯节点，然后生成对应的XML元素，其中：

id是节点id
programID是随便填的
相位暂时使用默认相位，以进行测试

    def _GenerateDefaultPhases(self) -> list:ret = []phase = "ggggrrgrrgrr"for i in range(4):ret.append(("17", phase))ret.append(("3", phase.replace("g", "y")))phase = phase[3:] + phase[:3]return retpassdef _GenerateTrafficLightFile(self):# *.add.xml,# 创建一个XML文档对象doc = xml.dom.minidom.Document()rootElement = doc.createElement("additional")  # 根节点doc.appendChild(rootElement)defaultPhases = self._GenerateDefaultPhases()  # 使用默认相位进行测试# attribute = ["id", "type", "programID", "offset"]for node in self.network.tlNodes:# 遍历交通灯节点TLElement = doc.createElement("tlLogic")rootElement.appendChild(TLElement)TLElement.setAttribute("id", Utils.GetNodeId(*node))TLElement.setAttribute("type", "static")TLElement.setAttribute("programID", "runner")TLElement.setAttribute("offset", "0")# 交通灯的相位for duration, state in defaultPhases:phaseElement = doc.createElement("phase")phaseElement.setAttribute("duration", duration)phaseElement.setAttribute("state", state)TLElement.appendChild(phaseElement)with open("%s/%s.add.xml" % (self.cwd, self.name), "w") as fileOut:fileOut.write(doc.toprettyxml())pass

生成探测器（detector）

为了使探测器能覆盖整条道路，我们只填入pos属性，而不填入endPos或length属性。

    def _GenerateDetectorFile(self):# *.det.xml,# 创建一个XML文档对象doc = xml.dom.minidom.Document()rootElement = doc.createElement("additional")  # 根节点doc.appendChild(rootElement)# attribute = ["id", "lane", "pos", "file", "friendlyPos"]for (i, j), (u, v) in self.network.edges:for lane in range(3):rootElement.appendChild(Utils.ToXMLElement("laneAreaDetector","id", Utils.GetDetectorId(i, j, u, v, lane),"lane", Utils.GetLaneId(i, j, u, v, lane),"pos", "0",# "endPos", "100",# "length", "%d" % (72.80),"file", "%s/%s.out.xml" % (self.cwd, self.name),"friendlyPos", "true", ))with open("%s/%s.det.xml" % (self.cwd, self.name), "w") as fileOut:fileOut.write(doc.toprettyxml())pass

py程序接口（TraCI）

TraCI 采用基于 TCP 的客户端/服务器架构来访问sumo。因此，使用附加命令行选项启动时，sumo将充当服务器：–remote-port <INT>，其中是sumo用于监听传入连接的端口。

当使用 –remote-port<INT>选项启动时，sumo只准备模拟，等待所有外部应用程序连接并接管控制权。请注意，当sumo作为 TraCI 服务器运行时，–end <TIME>选项将被忽略。

使用sumo-gui作为服务器时，在处理 TraCI 命令之前，必须通过使用播放按钮或设置选项 –start来启动模拟。

import os
import sys
from FileGenerator import FileGenerator
from Network import Networktry:sys.path.append(os.path.join(os.path.dirname(__file__), '..', '..', '..', '..', "tools"))  # tutorial in testssys.path.append(os.path.join(os.environ.get("SUMO_HOME", os.path.join(os.path.dirname(__file__), "..", "..", "..")), "tools"))  # tutorial in docssys.path.append("/usr/local/Cellar/sumo/1.2.0/share/sumo/tools")from sumolib import checkBinary  # noqa
except ImportError:sys.exit("please declare environment variable 'SUMO_HOME' as the root directory of your sumo installation""(it should contain folders 'bin', 'tools' and 'docs')")import traci# ====================================================================================================# adapted from SUMO tutorials
def run(network: Network):"""execute the TraCI control loop"""# step = 0# amber = 0# waits = []# phase = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]# for i in range(0, NUM_JUNCTIONS):#     waits.append([0] * len(PHASES))cnt = 0while traci.simulation.getMinExpectedNumber() > 0:  # step <= 900:traci.simulationStep()traci.trafficlight.setPhase("11", cnt % 2)traci.trafficlight.setPhase("22", cnt % 2)cnt = cnt + 1# if step % PHASE_LENGTH == 0:#     for i in range(0, NUM_JUNCTIONS):#         if MAX_WAIT in waits[i]:#             phase[i] = waits[i].index(MAX_WAIT)#         else:#             if noPhaseChange(phase[i], i) != True:#                 phase[i] = backPressure(i)#                 amber = amber + 1#         traci.trafficlight.setPhase("0" + getNodeId(i), phase[i])#         for j in range(0, len(PHASES), 2):#             if j == phase[i]:#                 waits[i][j] = 0#             else:#                 if waits[i][j] < MAX_WAIT:#                     waits[i][j] += 1# step += 1# logging.warning(amber)traci.close()sys.stdout.flush()if __name__ == '__main__':# constCWD = os.getcwd() + "/data"NAME = "sample"OUTPUTDIR = os.getcwd() + "/output"NETCONVERT = checkBinary('netconvert')SUMO = checkBinary('sumo-gui')# maingenerator = FileGenerator()generator.GenerateAllFile(NETCONVERT, CWD, NAME,2, 2, 100,2, 10)  # 生成文件print("GenerateAll finish")traci.start([SUMO,"-c", "%s/%s.sumocfg" % (CWD, NAME),"--tripinfo-output", "%s/%s.tripinfo.xml" % (OUTPUTDIR, NAME),"--summary", "%s/%s.sum.xml" % (OUTPUTDIR, NAME)])run(generator.network)

附录

node

PlainXML - SUMO Documentation (dlr.de)

nod的属性：

属性名称	类型	说明
id	id (string)	节点名称
x	float	节点在平面上的 x 位置，以米为单位
y	float	节点在平面上的 y 轴位置，以米为单位
z	float	节点在平面上的 Z 位置，以米为单位
type	enum ( “priority”, “traffic_light”……)	节点的可选类型

edge

PlainXML - SUMO Documentation (dlr.de)

edge的属性：

属性名称	类型	说明
id	id (string)	边的 ID（必须唯一）
from	referenced node id	The name of a node within the nodes-file the edge shall start at
to	referenced node id	The name of a node within the nodes-file the edge shall end at
type	referenced type id	The name of a type within the SUMO edge type file

connection

PlainXML - SUMO Documentation (dlr.de)

SUMO Road Networks - SUMO Documentation (dlr.de)

connection的属性：

名称	类型	说明
from	edge id (string)	开始连接的输入边 ID
to	edge id (string)	连接结束时出线边的 ID
fromLane	index (unsigned int)	开始连接的输入边的车道
toLane	index (unsigned int)	连接结束时出线边缘的车道

route

Definition of Vehicles, Vehicle Types, and Routes - SUMO Documentation (dlr.de)

route 的属性：

属性名称	价值类型	说明
id	id (string)	路线名称
edges	id list	车辆应行驶的路线，以 ID 表示，用空格隔开

vehicle

Definition of Vehicles, Vehicle Types, and Routes - SUMO Documentation (dlr.de)

vType 的属性：

属性名称	价值类型	默认值	说明
id	id (string)	-	车辆类型名称
accel	float	2.6	此类车辆的加速能力（单位：m/s^2）
decel	float	4.5	此类车辆的减速能力（单位：m/s^2）
sigma	float	0.5	汽车跟随模型参数，见下文
length	float	5.0	车辆长度（米）
minGap	float	2.5	最小车距（米）
maxSpeed	float	55.55（200 km/h），	车辆的最大速度（米/秒）
guiShape	shape (enum)	“unknown”	绘制车辆形状。默认情况下，绘制的是标准客车车身。

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vehicle 的属性：

属性名称	价值类型	说明
id	string	车辆名称
type	string	该车辆使用的车辆类型 ID
route	string	车辆行驶路线的 ID
depart	float(s)	车辆进入网络的时间步长

tlLogic

Traffic Lights - SUMO Documentation (dlr.de)

tlLogic 的属性：

属性名称	价值类型	说明
id	id (string)	交通信号灯的 id。必须是 .net.xml 文件中已有的交通信号灯 id。交通信号灯的 id 通常与路口 id 相同。名称可通过右键单击受控路口前的红/绿条获得。
type	enum (static, actuated, delay_based)	交通信号灯的类型（固定相位持续时间、基于车辆间时间间隔的相位延长（驱动式）或基于排队车辆累积时间损失的相位延长（基于延迟式） )
programID	id (string)	交通灯程序的 id；必须是交通灯 id 的新程序名称。请注意，"off "为保留名，见下文。
offset	int	程序的初始时间偏移

phase 的属性：

属性名称	价值类型	说明
duration	time (int)	阶段的持续时间
state	list of signal states	该阶段的红绿灯状态如下

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对于控制单个交叉路口的交通信号灯，由 netconvert 生成的默认指数以顺时针方式编号，从 12 点钟方向的 0 开始，右转顺序在直行和左转之前。人行横道总是被分配在最后，也是按顺时针方向。

如果将交通信号灯连接起来，由一个程序控制多个交叉路口，则每个交叉路口的排序保持不变，但指数会根据输入文件中受控路口的顺序增加。

例如：ggrgrrrggrrg对应：

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TraCI

TraCI - SUMO Documentation (dlr.de)

Detector

Detector - SUMO Documentation (dlr.de)

Lanearea Detectors (E2) - SUMO Documentation (dlr.de)

Attribute Name	Value Type	Description
id	id (string)	A string holding the id of the detector
lane	referenced lane id	The id of the lane the detector shall be laid on. The lane must be a part of the network used. This argument excludes the argument lanes.
pos	float	The position on the first lane covered by the detector. See information about the same attribute within the detector loop description for further information. Per default, the start position is placed at the first lane’s begin.
endPos	float	The end position on the last lane covered by the detector. Per default the end position is placed at the last lane’s end.
length	float	The length of the detector in meters. If the detector reaches over the lane’s end, it is extended to preceding / consecutive lanes.
file	filename	The path to the output file. The path may be relative.
friendlyPos	bool	If set, no error will be reported if the detector is placed behind the lane. Instead, the detector will be placed 0.1 meters from the lane’s end or at position 0.1, if the position was negative and larger than the lane’s length after multiplication with -1; default: false.