交叉口3D交通環(huán)境構(gòu)建與交通仿真評(píng)價(jià)研究

高麗梅，程 超

(1．天津市市政工程研究院，天津 300074;2．長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010)

0 引言

在道路交通規(guī)劃和交通管理控制應(yīng)用中，往往會(huì)有多個(gè)預(yù)設(shè)研究方案，如何評(píng)估各個(gè)方案的優(yōu)劣性需要運(yùn)用一定的手段和方法．在基礎(chǔ)交通信息充分的情況下，如運(yùn)用地面固定線圈、視頻攝像機(jī)、微波交通檢測(cè)器、空中無人飛機(jī)[1-2]等獲取交通信息，運(yùn)用經(jīng)典的交通工程學(xué)理論和方法，可以對(duì)研究方案進(jìn)行評(píng)估．然而，在很多情況下，交通信息并不充分，對(duì)研究方案的理論評(píng)估會(huì)缺乏數(shù)據(jù)支持，另外，交通運(yùn)行狀況的動(dòng)畫展示難以實(shí)現(xiàn)．交通仿真技術(shù)可以按照設(shè)定的技術(shù)方案進(jìn)行交通運(yùn)行狀況的模擬，輸出設(shè)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，再現(xiàn)復(fù)雜情景下的交通運(yùn)行情況，模擬交通流的時(shí)間、空間變化特征，從而日益成為交通規(guī)劃與管理項(xiàng)目評(píng)價(jià)和決策的重要技術(shù)方法．

目前，國(guó)內(nèi)使用的微觀交通仿真軟件主要包括VISSIM、PARAMICS、CORSIM、SYNCHRO 等[3-4]．文獻(xiàn)[5]提出了基于PARAMICS微觀交通仿真對(duì)ITS項(xiàng)目子系統(tǒng)和交通管理措施進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)，文獻(xiàn)[6]利用VISSIM軟件對(duì)高速公路交通組織方案進(jìn)行仿真，分析評(píng)價(jià)結(jié)果，并對(duì)高速公路施工區(qū)的交通組織方案進(jìn)行了優(yōu)化．文獻(xiàn)[7]基于VISSIM仿真軟件，提出了構(gòu)建3D交通環(huán)境的方法．

上述研究要么側(cè)重于交通仿真評(píng)價(jià)，要么側(cè)重于單一交通環(huán)境的構(gòu)建，而較少將3D交通環(huán)境和交通仿真評(píng)價(jià)結(jié)合研究，且對(duì)3D交通環(huán)境的素材來源考慮較少．因此，本研究以目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的VISSIM軟件為基礎(chǔ)，以城市道路交叉口的交通控制優(yōu)化為研究需求出發(fā)點(diǎn)，給出交叉口3D交通環(huán)境的構(gòu)建方法和交叉口的交通仿真評(píng)價(jià)方法，并以實(shí)際案例開展應(yīng)用研究．

1 交叉口3D交通環(huán)境構(gòu)建

1.1 仿真背景

在進(jìn)行VISSIM軟件交叉口3D交通環(huán)境構(gòu)建前，需要設(shè)定一張交通背景底圖，底圖既可以是位圖，也可以是矢量圖，其中，位圖可為jpg、bmp等常用文件格式，矢量圖可為dwg、dxf、shp等文件格式．當(dāng)位圖作為背景時(shí)，如果放到圖片的比例，那么圖片會(huì)出現(xiàn)鋸齒的現(xiàn)象，圖片的清晰度也會(huì)降低[7]．在VISSIM軟件中導(dǎo)入交通背景圖后，可以在其基礎(chǔ)上較為準(zhǔn)確地畫出道路的結(jié)構(gòu)形式、走向、寬度等，同時(shí)，為插入3D交通環(huán)境要素提供相對(duì)位置參考．

1.2 3D交通環(huán)境的建立

在VISSIM4.30軟件中，3D交通環(huán)境要素以3D文件形式，即*.v3d文件形式，存放在VISSIM軟件安裝的文件路徑當(dāng)中(如:安裝盤/PTV_Vision/VISSIM430/Exe/3DModels)，文件包括3種形式:

1)Static文件:靜態(tài)的文件包括房屋建筑、花草樹木、道路指示信號(hào)、軌道設(shè)施以及道路輔助設(shè)施等．在VISSIM軟件5.30版本中，Static文件可以從Google SketchUp網(wǎng)站中下載，skp模型可直接導(dǎo)入VISSIM軟件中．

2)Textures文件:質(zhì)地文件包括道路的質(zhì)地背景素材、交通標(biāo)識(shí)素材、草地素材和天空背景素材等．

3)Vehicles文件:車輛文件包括自行車、各品牌小汽車、貨車、客車等車輛素材．

3D交通素材的插入方法為:打開VISSIM軟件的INP文件，該文件包含交通背景底圖和道路，在底圖和道路之外的空白處單擊右鍵，然后選擇需要的交通素材插入*．v3d文件，構(gòu)建3D交通環(huán)境．某交叉口的3D交通環(huán)境如圖1所示，圖中插入了道路周邊的房屋素材、花草樹木素材、綠燈素材等．

圖1 交叉口的3D交通環(huán)境

2 交叉口交通仿真評(píng)價(jià)方法

交叉口交通仿真評(píng)價(jià)主要包括道路與交通信息的調(diào)查、交通仿真模型的建立與標(biāo)定、設(shè)置不同的交通仿真方案、輸出仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)、比選方案得出評(píng)價(jià)結(jié)論，交叉口交通仿真評(píng)價(jià)方法流程如圖2所示．

圖2 交通仿真評(píng)價(jià)方法流程

交通仿真模型的建立與標(biāo)定包括在VISSIM軟件中繪制道路交叉口，設(shè)置各進(jìn)口道的交通路徑及流量，設(shè)置道路左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)減速區(qū)等，根據(jù)交叉口的實(shí)際交通運(yùn)行情況，調(diào)整車輛期望車速、加減速參數(shù)等，設(shè)置不同的交通信號(hào)配時(shí)方案．交通仿真方案的差異主要體現(xiàn)在信號(hào)周期、相位綠燈時(shí)長(zhǎng)、相序的不同，道路重新渠化設(shè)計(jì)，道路重新交通組織管理等．仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)、行程時(shí)間等，不同的交通方案的仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)可能部分得到改善，部分惡化，因此，需要結(jié)合實(shí)際的交通管理需求，進(jìn)一步綜合比較與分析，確定合適的交通方案．

3 案例分析

3.1 現(xiàn)狀交通方案仿真

某市某交叉口的斷面形式如圖3所示，高峰時(shí)段信號(hào)配時(shí)方案，交通流量、流向分別如表1、2所示．該交叉口位于中心城區(qū)的南北向主干道和東西向主干道的交匯處，交通流量大，交通擁堵現(xiàn)象較為明顯，因此，需要采取交通改善方案進(jìn)行交通管理．

圖3 交叉口斷面形式

表1交叉口信號(hào)配時(shí)方案

表2 交叉口流量、流向情況 PCU/h

依據(jù)交叉口的斷面形式、車道功能、流量流向、信號(hào)配時(shí)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在VISSIM軟件中對(duì)該交叉口進(jìn)行建模與交通仿真分析，仿真情景如圖4所示．

經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，交叉口的交通問題主要包括:

1)在第1相位時(shí)，從西向東交通流，在交叉口的西向出口道出現(xiàn)了較為明顯的擁擠，究其原因在于，東西向主干道的東邊進(jìn)口有4個(gè)車道，東西向主干道的西邊進(jìn)口有3個(gè)車道，在第1相位時(shí)，車流自東向西，由于車道通行能力的不匹配，出現(xiàn)了交通瓶頸．

2)在第2相位，南北向主干道的南進(jìn)口道的左轉(zhuǎn)車流和南北向主干道的北進(jìn)口道的右轉(zhuǎn)車流，與部分處于清尾階段的東西向主干道從東到西的直行車流，發(fā)生了交織，造成了一定程度的擁擠．

圖4 多相位仿真

因此，在設(shè)計(jì)交通改善方案時(shí)，需要采取有針對(duì)性的交通管理措施，即:給予東西向交通流更多的綠燈時(shí)間，減少南北向主干道左轉(zhuǎn)車流與東向西主干道的直行車流的交織狀況．

以各進(jìn)口道車輛平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)，主要流向的行程時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)狀交叉口進(jìn)行3 600s交通仿真，仿真結(jié)果如表3、4所示．

3.2 交通方案1仿真

根據(jù)3.1節(jié)中的仿真結(jié)果，交通方案1設(shè)計(jì)為:延長(zhǎng)東西向主干道的綠燈時(shí)間，延長(zhǎng)第3相位的直行和左轉(zhuǎn)時(shí)間，適當(dāng)壓縮第4相位南北直行時(shí)間．方案1的信號(hào)配時(shí)方案如表5所示．

表3 交叉口交通仿真評(píng)價(jià)情況表

表4 交叉口交通仿真行程時(shí)間表

表5 方案1信號(hào)配時(shí)方案

依據(jù)交叉口的斷面形式、車道功能、流量流向、優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在VISSIM軟件中對(duì)該交叉口進(jìn)行第2次建模與仿真，各進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)的改善情況如表6所示，各主要流向的車流行程時(shí)間改善情況如表7所示．

表6 方案1進(jìn)口道交通指標(biāo)改善情況 %

由表6、表7可知，該交叉口信號(hào)配時(shí)方案優(yōu)化后，各方向進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)均有一定程度的改善，其中，南進(jìn)口道改善較為明顯;各主要車流的行程時(shí)間均有改善，南向西左轉(zhuǎn)的車流行程時(shí)間改善較為明顯．

表7 方案1各主要車流行程時(shí)間改善情況 %

3.3 交通方案2仿真

根據(jù)3.1節(jié)中的仿真結(jié)果，交通方案2設(shè)計(jì)為:將現(xiàn)狀的相位2和相位4對(duì)換位置，各相位的綠燈時(shí)間仍保持不變．依據(jù)交叉口的斷面形式、車道功能、流量流向、優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在VISSIM軟件中對(duì)該交叉口進(jìn)行第3次建模與仿真，各進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、停車次數(shù)的改善情況如表8所示，各主要流向的車流行程時(shí)間改善情況如表9所示．

表8 方案2進(jìn)口道交通指標(biāo)改善情況 %

表9 方案2各主要車流行程時(shí)間改善情況 %

由表8可知，調(diào)整相序后，東進(jìn)口、南進(jìn)口的交通狀況得到改善，其中，南進(jìn)口的改善程度最好，平均排隊(duì)長(zhǎng)度下降37.31%，停車次數(shù)下降47.01%．西進(jìn)口和北進(jìn)口的整體交通狀況稍有惡化，最大平均排隊(duì)長(zhǎng)度增加5.77%，最大停車次數(shù)增加3.54%．由表9可知，相序調(diào)整后，南向西左轉(zhuǎn)和北向東左轉(zhuǎn)車流的行程時(shí)間得到了改善，但是，南向北直行車流的行程時(shí)間變長(zhǎng)，增加了6.88%．通過調(diào)整相序，整體上提高了交叉口的通行效率，主要體現(xiàn)在顯著的改善了南進(jìn)口的交通運(yùn)行效率，但是在一定程度上犧牲了南北直行的交通通行效率．

3.4 仿真評(píng)價(jià)與建議

根據(jù)3.1～3.3節(jié)的分析可知:方案1通過改變不同相位的綠燈時(shí)長(zhǎng)，在整體上改善了交叉口的運(yùn)行效率，方案2調(diào)整交叉口的信號(hào)相序可局部改善交叉口的運(yùn)行效率．因此，從整體來看，方案1相對(duì)更適合作為該交叉口的交通改善設(shè)計(jì)備選方案．

雖然優(yōu)化交叉口的配時(shí)方案能改善交叉口的交通運(yùn)行效率，但是，交叉口的交通運(yùn)行效率不僅與信號(hào)配時(shí)相關(guān)，它還與行人、車(自行車、電動(dòng)車)、路(環(huán)境)、信息緊密相關(guān)，因此，為更好地保障交叉口的交通運(yùn)行，建議如下:

1)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)交叉口的行人、自行車的通行秩序管理，減少行人、自行車闖紅燈、搶黃燈等危險(xiǎn)行為，減少機(jī)動(dòng)車與行人、自行車的交通沖突，保障機(jī)動(dòng)車輛的正常通行．

2)由于交叉口兩條相交道路均為城市主干道，交通流量大，而與本交叉口毗連的信號(hào)交叉口數(shù)量較多，為進(jìn)一步優(yōu)化交叉口的通行效率，建議開展區(qū)域內(nèi)交叉口群的信號(hào)協(xié)調(diào)控制與交通組織管理工作．

3)由于本交叉口是某市中心城區(qū)的重要交通節(jié)點(diǎn)之一，建議做好交叉口擁堵狀況的信息發(fā)布工作，包括與交通廣播臺(tái)合作，及時(shí)發(fā)布路況、交通信息等，誘導(dǎo)交通出行，緩解局部交通負(fù)荷．

4 結(jié)束語

本文闡述了交叉口3D交通環(huán)境的構(gòu)建方法和交叉口的交通仿真評(píng)價(jià)方法，并以實(shí)際的交通工程應(yīng)用為例，進(jìn)行了應(yīng)用研究，案例分析表明，本文給出的方法可用于道路交通控制、管理的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)．需要注意的是，為了使仿真是“真”的，需要提供準(zhǔn)備的道路信息、交通信息，同時(shí)，交叉口的交通管理方案需要符合實(shí)際情況，否則，交通仿真的效果會(huì)大打折扣．

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