基于VISSIM的交通控制仿真系統(tǒng)的研究

周廣林，孫耀杰，高 騫，才 琳

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

近年來，中國經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)帶動了人民生活水平的進(jìn)步，城市私家車數(shù)量與日俱增，城市交通環(huán)境也變得極為復(fù)雜。提出一種基于VISSIM的交通控制仿真系統(tǒng)的研究分析方案，該方案主要是對連續(xù)幾個交叉口進(jìn)行綜合仿真，從真正意義上來模擬交通的復(fù)雜多變的環(huán)境；同時也提出了對特殊情況的優(yōu)化處理，利用優(yōu)先模型解決了仿真過程中發(fā)生沖突的問題，并進(jìn)行三維動畫的仿真效果輸出，完善了以往單一仿真實現(xiàn)的不足，增強(qiáng)了整個交通路網(wǎng)的動態(tài)分配過程，對交通問題的處理與分析有重要意義。

1 VISSIM模型構(gòu)建原理

1.1 VISSIM簡介

VISSIM是由德國PTV公司開發(fā)的離散的、隨機(jī)的、以0.1 s為時間步長的交通流仿真系統(tǒng)軟件。用以建模和分析各種交通條件下（車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號、公交站點等），城市交通和公共交通的運(yùn)行狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(guī)劃方案的有效工具[1]。軟件系統(tǒng)內(nèi)部由交通仿真器和信號狀態(tài)發(fā)生器兩大程序組成。“交通仿真器”是一個交通流仿真模型，它包括跟車模型和車道變換模型?！靶盘枲顟B(tài)發(fā)生器”是一個信號控制軟件，它以仿真步長為基礎(chǔ)不斷地從交通仿真器中獲取檢測信息，決定下一仿真時刻的信號狀態(tài)并將這信息傳送給交通仿真器，二者之間的關(guān)系如圖1所示。VISSIM可在車道配置、交通組織、交通信號等約束下分析交通流運(yùn)輸情況，因此用作解決基于交通流控制仿真方案的可行性問題，是分析交通問題的有效評估工具之一[2]。

圖1 交通仿真器和信號狀態(tài)產(chǎn)生器之間的交流Fig.1 Traffic simulation and signal communication between the state generator

1.2 系統(tǒng)模型框架

該系統(tǒng)模型框架如圖2所示。

1）路網(wǎng)交通模型 主要對車道、路段等路網(wǎng)元素進(jìn)行描述，可以是大范圍的靜態(tài)掃描地形圖，也可以是衛(wèi)星導(dǎo)航的電子地圖。

圖2 模型框圖Fig.2 Model block diagram

2）信號燈控制模型 設(shè)置三維模式下的信號燈模塊，通過信號控制器完成對信號的定時顯示。

3）車速分布模型 車速分布對于道路的通行能力和行駛車速有很大影響，因此它對任何一種車輛類型而言，都是一個重要的參數(shù)。假設(shè)車輛運(yùn)行不受其他車輛的干擾，駕駛員將會

以其期望車速行駛（具有微小的隨機(jī)變化即擺動）。期望車速不同的車輛越多，車輛排隊越長。如果有可能超車，只要車輛的期望車速高于當(dāng)前的行駛車速，就會選擇機(jī)會（對其他車輛不構(gòu)成危險）進(jìn)行超車[3]。

4）場景元素分布模型 主要是交通路段周圍的建筑、樹、車輛類型以及行人的干擾分布選擇，每種車輛分布應(yīng)有10種以上的選擇模型。

5）跟車模型 主要采用的是Wiedemann 74模型，它的參數(shù)包括：平均停車間距（ax），兩停止車輛的平均停車距離，變化幅度為±1 m。 附加的安全距離（bx_add）和可增加的安全距離（bx_mult）：這兩個參數(shù)影響安全距離的計算，兩車之間的距離d可以用以下公式計算：

這里ax是停車間距；

v是車輛速度[m/s]，z是介于[0,1]之間的數(shù)值，是以 0.5附近的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為0.15。這些是影響通行能力的主要參數(shù)[4]。

6）交叉口信號優(yōu)化模型 在采用Webster模型基礎(chǔ)上，以延誤時間最小為目標(biāo)函數(shù)，基于車輛延誤和停車次數(shù)進(jìn)行信號配時，以車輛總延誤和總停車次數(shù)為效益函數(shù)來構(gòu)造模型[5]，在交叉口飽和度為0.6～1.2的情況下都能得到較好的結(jié)果。

7）動態(tài)分配選擇模型 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(zhuǎn)向行為模型。最優(yōu)路徑選擇模型用以選擇路程總用時最短、路程花費最小或是運(yùn)行中交叉口最少的路線。筆者采用的是動態(tài)最優(yōu)路徑選擇模型，交叉口轉(zhuǎn)向行為模型則根據(jù)路徑選擇模型的計算結(jié)果，確定車輛當(dāng)前行駛方向和下一個路段行駛方向的相對位置關(guān)系，以便車輛在路口執(zhí)行正確的轉(zhuǎn)向操作[6]。

8）車流優(yōu)先模型 在車流進(jìn)行轉(zhuǎn)彎進(jìn)入直線通道時，需檢測直線方向上的車流運(yùn)行情況以及信號燈狀態(tài)，可避免車流沖突問題的發(fā)生[7]。采用軟件優(yōu)先規(guī)則對車流及路段進(jìn)行了設(shè)置，來指定無信號控制沖突車流的通行權(quán)，主要是在不同路段/連接器上的車輛可具有自動檢測所有情況的功能。

2 仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 開發(fā)環(huán)境的選取

本系統(tǒng)主要由Visual C＋＋進(jìn)行程序的開發(fā)，通過Microsoft Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和管理[8]。為了使仿真效果更為貼近于現(xiàn)實，采用交通流仿真工具VISSIM軟件進(jìn)行模擬，系統(tǒng)主框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主框架Fig.3 The main frame of system

2.2 VISSIM中實現(xiàn)流程圖

VISSIM中模擬交通路口實現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖4 VISSIM中模擬交通路口實現(xiàn)流程圖Fig.4 Implementation flow chart of VISSIM simulated traffic intersection

3 仿真設(shè)計的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)設(shè)計過程：

1）創(chuàng)建交通路網(wǎng)：首先選擇要模擬的交通網(wǎng)絡(luò)圖作背景，通過VISSIM選項將Background文件加載到軟件的仿真界面，并將其轉(zhuǎn)換成VISSIM的背景交通圖,并對各個路口進(jìn)行編號[9]，連續(xù)幾個路口的交通路網(wǎng)圖如圖5所示。

2）交通仿真參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)初始化配置，包括車道、車輛種類、信號類型等標(biāo)志構(gòu)成；

3）戶自定義代碼對交通流仿真模型進(jìn)行控制，以及場景元素進(jìn)行三維的動態(tài)效果處理。

圖5 連續(xù)幾個路口的交通路網(wǎng)圖Fig.5 Road network map in several consecutive intersection

4）立車流優(yōu)先模型對數(shù)據(jù)（車道、車輛標(biāo)志等）進(jìn)行優(yōu)化處理。

5）仿真運(yùn)行與數(shù)據(jù)輸出如圖6所示。

圖6 三維仿真效果Fig.6 Three-dimensional simulation results

通過仿真效果可以看出，對交通路段上主要交叉口進(jìn)行車流的優(yōu)化模擬，可以分析出該區(qū)域路段的交通擁堵情況，通過合理的交通燈選擇，使整個交通網(wǎng)仿真系統(tǒng)順暢的運(yùn)行，試驗效果良好。

3.2 仿真數(shù)據(jù)的分析

利用交叉口的各種數(shù)據(jù)，通過VISSIM對交叉口的狀況進(jìn)行計算機(jī)仿真，并選取進(jìn)口排隊長度、通過車輛總數(shù)、車速分布、行車延誤作為評價指標(biāo)[10]。圖7為車流飽和度合理情況下的車輛分布情況，圖8看出，通過仿真模型優(yōu)化處理，使交通車流量有明顯改變，降低了車流擁堵程度。

圖7 一定飽和流度下的車輛分布情況Fig.7 Vehicle distribution under a certain degree of saturation flow

圖8 優(yōu)化后的車輛分布情況Fig.8 Optimized distribution of vehicles

4 結(jié)束語

應(yīng)用VISSIM對連續(xù)幾個路口的交通流情況進(jìn)行仿真，通過車流優(yōu)先分布使交通燈控制問題得到改善，與以往定時仿真系統(tǒng)相比，能很好地解決目前交通存在不足的問題，通過建立對交叉口車流量仿真模型的方法，及時發(fā)現(xiàn)路口延誤問題，給予車輛最佳的滯留與放行時間，改善交通路口的堵塞狀況；并對路口車輛沖突問題及時進(jìn)行檢測和處理，消除交通安全隱患，大大改善仿真效果，從真正意義上提高了城市生活的節(jié)奏。

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