城市道路交通流仿真系統(tǒng)研究*

商 蕾

(武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063)

隨著計算機科學的飛速發(fā)展,交通仿真被越來越多地應用于交通系統(tǒng)分析研究和決策支持中.交通仿真可分為宏觀仿真、中觀仿真和微觀仿真三類[1].其中,微觀交通仿真系統(tǒng)能在單車級上模擬“人-車-路-環(huán)境”的相互作用關系,反映交通基礎設施、交通管理手段、交通流控制策略等對交通流的影響.因此,微觀交通仿真建模和系統(tǒng)開發(fā)成為國內(nèi)外的研究熱點.

本文在對微觀交通仿真模型建模研究的基礎上,利用面向?qū)ο箝_發(fā)工具和視景仿真環(huán)境,搭建一個微觀交通仿真系統(tǒng).該系統(tǒng)能為城市重點城區(qū)道路網(wǎng)的擴建改建、交通管理、交通控制方案的制定、交通事故研究提供仿真分析與評價的平臺.

1 交通流仿真模型框架

與國外發(fā)達國家不同,我國的城市交通環(huán)境和駕駛員行為特性有其特殊性.目前,國內(nèi)外尚無成熟的模型和工具來深入分析、研究我國的交通問題.因此,必須建立符合我國交通流特點的交通仿真模型[2-3].

在此筆者提出如圖1所示的微觀交通仿真模型框架.其中:

圖1 微觀交通仿真模型構成框架

1)路網(wǎng)描述模型和交通規(guī)則模型屬于靜態(tài)模型,在進入仿真運算后,模型各參數(shù)不再發(fā)生變化.路網(wǎng)描述模型通過定義合理的結構體,從點、線、面3個層次來反映路網(wǎng)拓撲關系,幾何特征等.而交通規(guī)則由于往往落實到車道的使用特性上,因此可以通過增加路網(wǎng)描述模型中相應的屬性變量來反映.

2)車輛行為模型是整個仿真模型的核心,其有效性直接決定交通流仿真的精度.傳統(tǒng)的車輛行為模型主要由跟馳模型和換道模型構成.在單車道或是在不允許超車行為的多車道上,位于后面位置的車輛受到跟馳作用的約束,只能跟著前車行駛.本文采用基于期望車頭時距的非線性跟馳模型.在該模型中,后車的加速度不僅與前后兩車的相對速度有關,還與兩車間距以及駕駛員反應延時有關.跟馳模型為

式中:τ為駕駛員的反應延遲;a為駕駛員對車速和距離的反應參數(shù);b為駕駛員對車頭時距的反應參數(shù);L為前車車身長度;T為期望車頭時距.

考慮到我國城市混合交通以及駕駛員行為特點,在開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的微觀交通仿真模型時應補充機動車側向干擾模型、非機動車干擾模型和行人干擾模型.

3)動態(tài)路徑選擇模型可分為最優(yōu)路徑選擇模型和交叉口轉向行為模型.其中,最優(yōu)路徑選擇模型用以選擇旅行總時間最短、旅行花費最小或是旅途中交叉口最少的路線.為了便于評估交通誘導措施對機動車駕駛員行為的影響,本文采用的是動態(tài)最優(yōu)路徑選擇模型.交叉口轉向行為模型則根據(jù)路徑選擇模型的計算結果,確定車輛當前行駛方向和下一個路段行駛方向的相對位置關系,以便車輛在路口執(zhí)行正確的轉向操作.

4)機動車排放模型選取IVE模型,并對IVE模型本地化進行相關調(diào)查研究,主要包括:環(huán)境影響因素、I/M 制度、燃油使用情況、車輛技術分布情況等.

2 基于實時視景仿真的城市道路交通流仿真系統(tǒng)設計

2.1 開發(fā)環(huán)境選擇

軟件主框架和人機交互界面用Visual C++開發(fā)[4-5].對于交通仿真數(shù)據(jù)的存儲和管理,則選用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進行.同時,為了使交通流仿真軟件能夠逼真地再現(xiàn)的三維道路交通流狀況,軟件的可視化部分由三維建模工具Creator和視景仿真環(huán)境Vega來實現(xiàn)(見圖2).

2.2 城市道路交通流仿真系統(tǒng)框架設計

本文開發(fā)的城市道路交通流仿真系統(tǒng)體系框架如圖3所示.

圖2 不同開發(fā)工具間的數(shù)據(jù)交互關系圖

圖3 城市道路交通流仿真系統(tǒng)基本框架

可以看到,該原型系統(tǒng)能夠提供較豐富的仿真結果輸出,包括:車道(路段)平均車速、最大排隊長度、停車延誤、機動車排放(主要是CO排放量和NOx排放量).因此,基于自主研發(fā)的微觀交通流仿真模型,本文開發(fā)的城市道路交通流仿真原型系統(tǒng)軟件主要可應用于小路網(wǎng)交通管理方案分析與評價,信號控制策略分析,道路基礎設施改擴建實施效果評估.以信號控制策略分析為例,其基本仿真流程如圖4所示.

圖4 交通信號控制策略仿真基本流程圖

2.3 實時視景仿真技術的應用

結合虛擬現(xiàn)實技術、圖像處理等技術,將視景仿真引入道路交通流仿真系統(tǒng)中.在以文本、圖像、圖表等二維方式輸出仿真運算結果的同時,將路網(wǎng)內(nèi)每個靜態(tài)、動態(tài)對象的實時狀態(tài)以三維視景方式進行顯示,用戶可從直觀觀測交通流運行狀態(tài).通過在Vega環(huán)境中設置多窗口、多通道的方法,還能使用戶同時監(jiān)控多個重點區(qū)域的交通狀況.

本文選擇實時仿真環(huán)境Vega作為三維可視化平臺,仿真模型與視景的交互主要由Vega API函數(shù)完成的,基本步驟如下.

步驟1 檢測應用定義文件,即ADF文件.ADF文件包含了在三維交通場景中需要顯示的所有對象及環(huán)境特性.

步驟2 初始化系統(tǒng),包括視景系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、特效系統(tǒng)等.

步驟3 定義視景系統(tǒng).

步驟4 配置視景系統(tǒng).

步驟5 用戶自定義代碼,根據(jù)交通流仿真模型運算結果,動態(tài)刷新三維場景內(nèi)交通信號燈顯示狀態(tài)、路網(wǎng)內(nèi)行駛的機動車、非機動車位置.

3 應用研究

在實地交通調(diào)查基礎上,運用開發(fā)的城市道路交通流仿真系統(tǒng)對北京市清華大學東門路口進行了仿真應用研究,取得了較好的仿真效果.

該路口的車流量情況見圖5,信號控制方案見圖6,仿真運行效果圖見圖7,車速及排隊長度實時變化曲線見圖8.

圖5 清華大學東門路口車流量

下面通過調(diào)整信號配時,增加交通流量以及改變路口設計分別再次進行仿真,以北進口內(nèi)側車道為例,可得到如圖9和圖10的仿真對比結果.

圖中:方案1為現(xiàn)狀仿真;方案2為增加北進口左轉方向車流量后進行的仿真;方案3為調(diào)整信號控制配時后進行的仿真(增加南北進口左轉綠燈時長至35 s);方案4為調(diào)整北進口道數(shù)目(左轉方向增加1條車道,其他條件不變)進行的仿真.

圖6 路口信號控制方案

圖7 兩通道三維仿真運行圖(俯視圖和側視圖)

圖8 車速及排隊長度實時變化曲線

圖9 不同方案下的平均車速

圖10 不同方案下的排隊長度

由上圖可以看出,增加車流量會導致行車速度降低,以及排隊長度的增加;而增加綠燈時長和增加車道數(shù),則可以緩解該方向車輛排隊情況,提高行車速度.

4 結 束 語

本文基于我國城市道路交通流特點,對城市道路微觀交通流仿真的基礎模型進行了重點研究.借助計算機開發(fā)環(huán)境和視景仿真工具,開發(fā)了一個基于三維視景的城市道路微觀交通流仿真系統(tǒng)軟件.該模型仿真系統(tǒng)采用開放式框架體系和模塊化的設計思路,具有良好的可移植性和可擴展性.仿真案例研究表明,其仿真效果較好.下一階段,在基于混合交通流的車輛行為模型以及增強仿真系統(tǒng)的適應性和穩(wěn)定性方面還有待作更深入的研究.

[1]Serge P H,Piet H L Bovy.State-of-the-art of vehicular traffic flow modeling[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part I:Journal of Systems and Control Engineering,2001,215(4):283-303.

[2]陸化普,李瑞敏,朱 茵.智能交能系統(tǒng)概論[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3]陳先橋,嚴新平,初秀明.分布式交通仿真中網(wǎng)絡控制模型研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2006,30(3):292-294.

[4]鄒智軍,楊東援.城市交通仿真實驗系統(tǒng)的面向?qū)ο箝_發(fā)[J].系統(tǒng)仿真學報,2002(7):844-848.

[5]裴玉龍,張亞平.道路交通系統(tǒng)仿真[M].北京:人民交通出版社,2004.