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(gè)交通實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)動態(tài)地顯示實(shí)際路網(wǎng)的微觀交通仿真過程，并對路網(wǎng)的建設(shè)、實(shí)施情況進(jìn)行有效的分析與評價(jià)。

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(shí)際路網(wǎng)的道路情況建立，通常用節(jié)點(diǎn)、車道、路段等三個(gè)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(jì)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(dú)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(shí)距跟馳模型[4-5]為：

式中：τ為駕駛員的反應(yīng)時(shí)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(shí)距的反應(yīng)參數(shù)；L為車身長度；T為期望車頭時(shí)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(shí)，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(shí)的換道。考慮換道時(shí)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(shí)，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(shí)時(shí)仿真運(yùn)行

圖2 鐵機(jī)路網(wǎng)重點(diǎn)區(qū)域交通實(shí)時(shí)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(shí)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(yùn)用上述模型設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)綠燈時(shí)間延長至相應(yīng)的綠燈時(shí)長，而相反相位的信號燈的下一個(gè)紅燈時(shí)長等于該相位信號燈的新綠燈時(shí)長，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)變周期的交通信號配時(shí)。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(shí)間就是最大綠燈時(shí)長；當(dāng)紅燈期間該車道的停車長度小于最小范圍時(shí)，則相應(yīng)的信號燈的下一綠燈時(shí)間為最小綠燈時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(jì)算，確定各路段的長度、各關(guān)鍵點(diǎn)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(yùn)行。

圖3 變周期與定周期信號配時(shí)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(shí)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。可利用三維建模工具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(shí)際情況進(jìn)行調(diào)用。另外還可根據(jù)實(shí)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(shí)感。

2.3 實(shí)時(shí)視景仿真技術(shù)

Vega是美國Multigen Paradigm公司應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)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(yùn)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(shí)，仿真過程能實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(jià)，用戶可以通過調(diào)整信號配時(shí)方案、改進(jìn)路口設(shè)計(jì)、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(yùn)行效果圖如圖1和圖2所示。

鐵機(jī)路高峰小時(shí)典型變周期信號配時(shí)方案與定周期信號配時(shí)方案比較如圖3所示。由圖3變周期與定周期信號配時(shí)仿真結(jié)果對比可看出，采用變周期信號配時(shí)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(duì)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(jià)，對路網(wǎng)的改建、管理及控制策略有一定的實(shí)際參考價(jià)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(diǎn)的車輛行為模型及自適應(yīng)信號控制策略。

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