基于VC的可視化微觀交通仿真系統(tǒng)

魏麗

武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院 武漢 430223

作者：魏麗，碩士，武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院助教。

經(jīng)濟(jì)和社會的迅速發(fā)展給城市交通帶來嚴(yán)重的阻塞和混亂。利用微觀交通仿真技術(shù)能夠細(xì)致地描述各個交通實體之間的差異，動態(tài)逼真地展現(xiàn)交通流和交通事故等各種交通現(xiàn)象，深入地分析車輛、駕駛員、行人、道路以及交通流的交通特征，有效地進(jìn)行交通規(guī)劃、交通組織與管理、交通能源節(jié)約等研究，因此成為越來越多的城市交通研究者的首選方法。

本文對微觀交通仿真模型的建模進(jìn)行了研究，借助面向?qū)ο箝_發(fā)工具VC++，并結(jié)合可視化三維建模工具M(jìn)ultigen Creator和實時視景仿真軟件Vega，開發(fā)了可視化微觀交通仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崟r動態(tài)地顯示實際路網(wǎng)的微觀交通仿真過程，并對路網(wǎng)的建設(shè)、實施情況進(jìn)行有效的分析與評價。

1 微觀交通流仿真模型

微觀交通仿真模型主要用來描述目標(biāo)車輛與其周圍交通環(huán)境的相互關(guān)系，包括路網(wǎng)描述模型、車輛產(chǎn)生模型、車輛跟馳模型、車輛換道模型、信號燈控制模型等。

1.1 路網(wǎng)描述模型

路網(wǎng)描述模型屬于靜態(tài)模型，根據(jù)實際路網(wǎng)的道路情況建立，通常用節(jié)點、車道、路段等三個結(jié)構(gòu)體來描述道路的幾何關(guān)系[1]。

1.2 車輛產(chǎn)生模型

車輛產(chǎn)生模型是微觀交通仿真的最基本的模型，主要解決交通流的輸入問題。

愛爾朗（Erlang）分布參數(shù)k可以反映暢行車流和擁擠車流之間的各種車流條件。

累計的愛爾朗分布可寫成[2-3]：

愛爾朗分布隨機(jī)數(shù)[3]：

其中： U1, U2...Ui是獨立且相同分布的（0-1）隨機(jī)數(shù)。β為k階愛爾朗隨機(jī)變量的均值。

1.3 車輛跟馳模型

車輛跟馳模型是交通系統(tǒng)仿真中最重要的動態(tài)模型，它研究交通流中非自由行駛狀態(tài)下后隨車跟隨前導(dǎo)車的行駛特性，用以描述交通行為即人—車單元行為。

本文的基于期望車頭時距跟馳模型[4-5]為：

式中：τ為駕駛員的反應(yīng)時間；α為駕駛員對車速和距離的反應(yīng)參數(shù)；β為駕駛員對車頭時距的反應(yīng)參數(shù)；L為車身長度；T為期望車頭時距。

1.4 車輛換道模型

多車道路段，當(dāng)本道車輛車速低于期望車速，將選擇換道。換道分為強(qiáng)制換道和自擇換道。強(qiáng)制換道是當(dāng)目標(biāo)車輛接近出口或入口時，按照出行路線及交通規(guī)則必須進(jìn)行的換道。自擇換道是由于前車的限制，司機(jī)不能達(dá)到期望速度，而鄰道允許目標(biāo)車輛進(jìn)入時的換道?？紤]換道時應(yīng)對目標(biāo)車道上對應(yīng)位置的前后間距進(jìn)行判斷，只有前后車間距離均滿足時，車輛才可以換道至相鄰車道[6]。

圖1 鐵機(jī)路網(wǎng)兩通道三維實時仿真運行

圖2 鐵機(jī)路網(wǎng)重點區(qū)域交通實時監(jiān)控

1.5 路徑選擇模型

一般說來，路徑選擇模型根據(jù)車輛OD信息選擇旅行總時間最短的路線。采用的是動態(tài)最短路徑選擇，決策的標(biāo)準(zhǔn)一是依據(jù)各路段的設(shè)定權(quán)值——由該路段的長度、車道數(shù)、是否有信號燈決定；二是根據(jù)路段當(dāng)前平均車速。運用上述模型設(shè)計思路，還可以為車輛選擇其他最優(yōu)路徑，如最可靠路徑等。

1.6 信號燈控制模型

為使交通仿真更接近實際情況，本文模擬了變周期的感應(yīng)式信號控制，首先設(shè)置初始綠燈/紅燈時間，當(dāng)某相位的信號燈處于紅燈期間，記錄相應(yīng)車道在此紅燈期間的停車長度。將停車長度劃分成若干范圍，不同的范圍對應(yīng)不同的綠燈時長。當(dāng)記錄的停車長度處于某一范圍內(nèi)，則將該相位的信號燈的下一個綠燈時間延長至相應(yīng)的綠燈時長，而相反相位的信號燈的下一個紅燈時長等于該相位信號燈的新綠燈時長，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)變周期的交通信號配時。當(dāng)紅燈期間該車道的停車長度超出最大范圍，相應(yīng)的信號燈的下一綠燈時間就是最大綠燈時長；當(dāng)紅燈期間該車道的停車長度小于最小范圍時，則相應(yīng)的信號燈的下一綠燈時間為最小綠燈時長。

2 可視化交通流仿真系統(tǒng)

2.1 仿真對象的三維創(chuàng)建

根據(jù)實際道路情況的不同，在不同的交通仿真系統(tǒng)中其路網(wǎng)的車道數(shù)目、道路寬度等車道參數(shù)都不一樣。要對不同的路網(wǎng)進(jìn)行交通仿真，就需要對這些車道參數(shù)進(jìn)行修改，用手工創(chuàng)建路網(wǎng)。若修改次數(shù)頻繁，將使工作量大大增加。通過在VC++中調(diào)用API函數(shù)可實現(xiàn)城市路網(wǎng)的自動創(chuàng)建。

由用戶輸入模型參數(shù)（主要包括各路網(wǎng)中心點的坐標(biāo)、每條路段的車道數(shù)、每條車道的轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵信息），然后由VC++調(diào)用這些參數(shù)進(jìn)行計算，確定各路段的長度、各關(guān)鍵點的坐標(biāo)等一些數(shù)據(jù)，最后由OpenFlight API調(diào)用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的創(chuàng)建以及紋理映射。經(jīng)用戶輸入?yún)?shù)自動創(chuàng)建的路網(wǎng)可保存為flt文件運行。

圖3 變周期與定周期信號配時仿真結(jié)果對比

2.2 仿真環(huán)境的創(chuàng)建

為使仿真更加接近真實環(huán)境，需創(chuàng)建車輛、道路旁邊的柵欄、樹木、交通燈等對象的三維模型，這些對象在不同的仿真過程中不需要更改，只在數(shù)量上有變化?？衫萌S建模工具M(jìn)ultiGen Creator手工建立對應(yīng)的對象模型存放于模型庫中，以方便根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)用。另外還可根據(jù)實際環(huán)境創(chuàng)建周圍房屋等設(shè)施，加載到程序中，使仿真過程更有真實感。

2.3 實時視景仿真技術(shù)

Vega是美國Multigen Paradigm公司應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實、實時視景仿真、聲音仿真和其他可視化領(lǐng)域的軟件工具。本文利用Vega軟件的LynX圖形界面加載信號燈模型，并生成ADF文件用于初始化，車輛對象是在Visual C++6.0平臺下，在系統(tǒng)運行中通過調(diào)用Vega的C語言應(yīng)用程序接口API函數(shù)動態(tài)加載到場景中。同時，仿真過程能實現(xiàn)視點控制、場景管理等漫游功能。

路網(wǎng)的交通流仿真能以三維視景方式實時顯示，并且用戶可以在Vega環(huán)境中通過多通道監(jiān)控全局或局部路網(wǎng)的交通流狀況。

3 仿真應(yīng)用

筆者對武漢市友誼大道鐵機(jī)路路口進(jìn)行實地交通調(diào)查后，利用開發(fā)的微觀交通仿真系統(tǒng)進(jìn)行三維實時仿真應(yīng)用，仿真數(shù)據(jù)能以圖形的方式直觀輸出，根據(jù)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和評價，用戶可以通過調(diào)整信號配時方案、改進(jìn)路口設(shè)計、對路口進(jìn)行交通管制等方式改進(jìn)該路網(wǎng)的交通流狀況。

鐵機(jī)路路網(wǎng)三維視景仿真運行效果圖如圖1和圖2所示。

鐵機(jī)路高峰小時典型變周期信號配時方案與定周期信號配時方案比較如圖3所示。由圖3變周期與定周期信號配時仿真結(jié)果對比可看出，采用變周期信號配時后，南北方向的車速得到顯著提高，所有方向的停車延誤和排隊長度均有較大程度的減少，并且路網(wǎng)通行能力也得到提高。

4 結(jié)束語

本文對微觀交通仿真模型進(jìn)行了初步介紹，利用開發(fā)的三維可視化微觀交通仿真系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析和評價，對路網(wǎng)的改建、管理及控制策略有一定的實際參考價值。下一階段將進(jìn)一步深入研究更符合我國混合交通流特點的車輛行為模型及自適應(yīng)信號控制策略。

[1]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(xué)報,2002,14(7):844-848.

[2]王煒,過秀成,等.交通工程學(xué)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2000:89-117.

[3]劉運通,等.交通系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2002:86-93.

[4]周靜,陳森發(fā).微觀交通流中跟車模型的仿真研究[J].東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,34(4):545-548.

[5]喻丹,吳義虎,何霞,郭文蓮.一種基于動態(tài)期望車頭時距的跟馳模型[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,4(4):25-28.

[6]商蕾,高孝洪,蔣漢平.城市微觀交通模型建模及仿真實現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版,2003,27(4):499-502.