城市交通視覺仿真

直 敏

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息系，遼寧盤錦 124000）

城市交通視覺仿真

直 敏

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息系，遼寧盤錦 124000）

基于MATLAB和VB仿真軟件，建立了城市交通路口交通量、最佳路徑、交通事故、事故樹和交通量預(yù)測5個仿真模塊。利用VB建立系統(tǒng)界面，調(diào)用MATLAB對路口交通量進(jìn)行仿真分析，采用函數(shù)曲線擬合法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到了相應(yīng)的規(guī)劃措施。

MATLAB；VB；城市交通；虛擬仿真

0 引 言

城市交通在城市道路建設(shè)方面占有十分重要的地位。當(dāng)前，我國城市交通仿真領(lǐng)域中人機(jī)交互功能、用戶界面可視化、各種交通仿真系統(tǒng)都各有不同。但是，在較多的城市建設(shè)中，通常會遇到比較多的信息，而這些信息復(fù)雜多變，難以預(yù)測，因此，需要準(zhǔn)確及時地對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、評價［1－4］。

1 城市交通仿真研究現(xiàn)狀

上個世紀(jì)初期，我國各大高等院校以及科研機(jī)構(gòu)便開始利用城市交通仿真系統(tǒng)對城市道路建設(shè)進(jìn)行仿真分析。因此，國外以及國內(nèi)相關(guān)的仿真軟件開始涌入中國市場，目前，已經(jīng)開始嘗試將仿真軟件應(yīng)用于城市交通的仿真實驗，利用仿真結(jié)果對城市交通進(jìn)行評價、治理，并取得了嘗試性的成功。但是，由于我國國情的限制以及客觀因素的影響，城市交通的仿真研究起步比較晚，并且由于技術(shù)的落后發(fā)展也相當(dāng)緩慢。存在這種現(xiàn)象的主要原因有如下幾個方面的問題。

1.1 城市交通仿真系統(tǒng)建模困難

在我國，各大中城市基本都是混合交通，這使得在系統(tǒng)仿真進(jìn)行建模的時候變得十分困難，城市道路交通車流中，機(jī)動車、非機(jī)動車、人群及其它車種相互混合，并且同時行駛，這是我國城市道路交通的鮮明特點，另外，城市人口的隨意流動性太大，很容易導(dǎo)致交通秩序的混亂。因此，在這種交通比較復(fù)雜、隨意流動性比較大的情況下，想要建立一個比較符合實際交通行為的系統(tǒng)仿真模型確實有一定的難度。

1.2 城市交通仿真軟件落后

由于國情等客觀因素的限制，城市交通仿真研究在我國的應(yīng)用起步較晚，并且還沒有得到廣泛的認(rèn)可。從現(xiàn)在的研究成果來看，我國的交通仿真軟件還僅僅局限在探索與模仿的階段，因此到目前為止，還沒有一個比較系統(tǒng)化的仿真軟件，既能解決我國交通的實際問題，又能使得可視化程度較高。雖然有人曾經(jīng)嘗試移用國外的仿真軟件到中國來，但是，由于軟件開發(fā)環(huán)境的不同，以及我國城市道路建設(shè)的不同和人車流量的隨意性等原因，造成國外的軟件均沒有達(dá)到理想的效果。

針對上述我國城市交通仿真研究中存在的不足以及單個仿真軟件的局限性，為了更好、更準(zhǔn)確地反映實時的城市交通現(xiàn)狀和規(guī)劃需求。因此，為了解決上述問題以及彌補(bǔ)單個軟件的劣勢，取用信息處理能力強(qiáng)的MATLAB軟件，還有可視化界面較好的VB軟件，讓這兩款軟件很好地結(jié)合在一起，凸顯每一個軟件的突出之處，創(chuàng)建了一套全新的、可視化程度較高、數(shù)據(jù)處理較快的城市道路交通仿真系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以很快實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，提高了分析結(jié)果的可利用程度，真正實現(xiàn)了道路交通仿真系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)、高效率的嚴(yán)格要求，大大地適應(yīng)于各大中小城市道路交通的混合現(xiàn)狀，便于規(guī)劃部門的城市建設(shè)。

2 MATLAB和VB技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

經(jīng)研究，在和國內(nèi)外比較常用的道路仿真軟件作比較后發(fā)現(xiàn)，用來做城市道路交通仿真的軟件光國外就有上百個，眼下比較流行的也有數(shù)十種，但是真正能夠適應(yīng)我國道路交通現(xiàn)狀的就寥寥無幾了。要想在我國進(jìn)行道路交通，特別是城市道路交通進(jìn)行仿真分析，如果一味的借用國外比較成熟的軟件很難解決我國的實際問題，這是由我國的現(xiàn)實情況決定的。歸根到底，國外核心軟件引用到我國以后其實只是解決表外的東西，真正核心的東西并沒有引用到我國來，這使得我國在利用國外仿真軟件方面受到極大的限制，對此在結(jié)合國內(nèi)外比較成熟的仿真軟件的基礎(chǔ)上，借鑒軟件的突出之處，首先利用VB軟件創(chuàng)建一個人機(jī)交互的可視化界面，然后編程連接MATLAB軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的再處理和結(jié)果分析。

通過MATLAB和VB的聯(lián)合，比較直觀地顯示了用戶界面便于人機(jī)交互可視化，另外，利用MATLAB的數(shù)據(jù)處理能力，大大提升了城市混合交通仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性［4－5］。

通過兩個軟件聯(lián)合開發(fā)的仿真系統(tǒng)比較國外其它仿真軟件有著獨特的功能，更加切實地適應(yīng)了我國的國情和道路交通狀況，有助于指導(dǎo)實際的交通規(guī)劃［6－8］。

國內(nèi)外仿真軟件特點見表1。

表1 國內(nèi)外仿真軟件特點

3 城市交通仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

通過MATLAB和VB聯(lián)合開發(fā)的城市交通仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含硬件和軟件兩部分。其中，硬件部分涉及到PC、數(shù)據(jù)采集卡、視覺傳感器、信號調(diào)節(jié)裝置等。該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該交通仿真系統(tǒng)主要包括5個具有各自特定功能的模塊，而且這幾個模塊之間既相互聯(lián)系，又相互制約，并且能夠?qū)崿F(xiàn)資源的共享。

第1個模塊路口交通仿真主要針對的是實現(xiàn)道路交通中交叉路口處的行人、車輛、交通燈之間的流量監(jiān)控，其中，界面可根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置交叉路口的各項參數(shù)，包括行人、機(jī)動車以及非機(jī)動車的數(shù)量、行駛方向、所占的車道、拐彎的情景及紅綠燈對交通流量的控制等。

第2個模塊是選擇最適合的交通路徑，經(jīng)過該系統(tǒng)的分析，可以為司機(jī)提供最適合的道路路線，節(jié)省行駛時間，大大提升了燃油的經(jīng)濟(jì)性，減少了擁堵和控制了污染。另外對于行人而言，可以選擇最適合的出行路線，節(jié)省了時間。

第3個模塊為事故發(fā)生模擬，系統(tǒng)為了實現(xiàn)快速便捷、準(zhǔn)確時效，主要選擇道路交通中典型的實例進(jìn)行分析、計算、仿真、規(guī)劃。通過該模塊可以用來增強(qiáng)居民的出行安全意識，以此來提高人們城市道路行駛的安全意識。

第4個模塊是事故發(fā)生原因分析，通過分析發(fā)生事故的原因，發(fā)現(xiàn)事故的主要責(zé)任方，便于保險公司的勘測，主要目的就是通過該模塊進(jìn)行分析，得出事故發(fā)生的原因，并且能夠通過分析數(shù)據(jù)在以后的道路交通中做到如何避免類似事故的發(fā)生。大大提升城市道路交通的安全性。

第5個模塊為交通數(shù)量的預(yù)測，在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)查城市人口的增長速度以及城市的建設(shè)規(guī)劃，預(yù)測出未來幾年城市道路交通的前景，便于道路規(guī)劃部門進(jìn)行系統(tǒng)、準(zhǔn)確的建設(shè)和完善。

4 城市交通仿真系統(tǒng)實現(xiàn)過程

通過該系統(tǒng)對城市道路交通進(jìn)行仿真的過程，針對每一個模塊都采用與之相適合的算法進(jìn)行計算來實現(xiàn)每一個模塊的功能，其中，交通仿真模塊采用的是函數(shù)曲線擬合的方法，它們所表示的是數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)一種函數(shù)關(guān)系，而這種關(guān)系便是數(shù)據(jù)處理的方法。

結(jié)合實際情況，針對交通仿真模塊進(jìn)行展開分析，通過分析城市道路的混合交通量，更加切實的反映城市道路的建設(shè)以及交通的規(guī)劃情況。

4.1 路口交通仿真模塊編程

交叉路口的交通仿真是建立在十字路口的車流量、行人數(shù)量以及紅綠燈對人和車的控制的基礎(chǔ)上所做的仿真分析。但是，在研究路口道路的交通流量過程中，往往由于行人的隨意性太大而使得軟件計算起來比較復(fù)雜，文中成功有效地借助了MATLAB工具對信號采集的路口進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出符合數(shù)據(jù)大體趨勢的合適函數(shù)。最后利用軟件VB進(jìn)行編輯，把MATLAB的命令融入到VB所編輯的界面中去。

4.2 路口交通仿真模塊仿真結(jié)果

通過MATLAB及VB的聯(lián)合仿真分析，得到某交通路口的交通流量，如圖2所示。

經(jīng)分析圖2中兩個方向的車流量并進(jìn)行計算，得到由東向西方向的車流量和由西向東方向的車流量，分別見表2和表3。

對上述兩表中的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合后，得到從東向西方向的擬合曲線和從西向東方向的擬合曲線，如圖3所示。

圖2 某路口全天交通流量

圖2 由東向西方向的車流量

圖3 由西向東方向的車流量

圖3 觀測數(shù)據(jù)擬合曲線

4.3 路口交通仿真模塊仿真結(jié)論分析

對于路口交通車流量的分析作用主要是調(diào)整路阻，減少城市道路交通的堵塞和不安全因素。在初始仿真時，或者是車流量較小時，由圖3可知，發(fā)生在4：00到5：00這個階段，車流量值很小，因此，對擬合的周期起止點設(shè)定在4：00這個時間點。通過仿真結(jié)果的計算分析，觀測到的數(shù)據(jù)流量曲線和擬合后得到的曲線基本相符，因此表明該仿真結(jié)果相似度比較高，結(jié)果準(zhǔn)確有效。另外，可以比較發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)仿真的結(jié)果與該路口的實際情況相近，在對該路口的實際情況進(jìn)行調(diào)查過程中得知，該交通路口車流量直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的比例一般在32%～47%，18%～36%和21%～43%。而在系統(tǒng)的仿真計算中也可以看出比較類似的情況。因此，進(jìn)一步驗證該系統(tǒng)的有效性。

4.4 根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行路口交通的規(guī)劃

1）路口的支路對交通路口的交通流量有一定的制約作用，因此，相應(yīng)地改善支路的路阻以及支路的交通狀況有助于改善城市交叉路口的道路現(xiàn)狀。

2）僅僅局限于降低路口的路阻并不是解決問題的關(guān)鍵，合理的分配流量才能使得道路交通公路網(wǎng)中的每一條線路都能盡可能地發(fā)揮其作用。

3）在有效的范圍內(nèi)提高車流的速度對交通路口車流量的改善有質(zhì)的提升，比如對道路進(jìn)行加寬，禁止左轉(zhuǎn)等措施都可以提升車流的行駛速度，使路口交通狀況得到改善。

5 結(jié) 語

綜上所述，將MATLAB與VB結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，能夠很好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、處理、曲線繪制、結(jié)果分析等功能于一體。該系統(tǒng)的界面比較直觀易懂、各個模塊的計算方法合理恰當(dāng)、人機(jī)交互程度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，能夠很好地提升城市交通道路的規(guī)劃，并能產(chǎn)生良好的社會效益和社會的便捷性，發(fā)展前景十分廣闊。

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Urban traffic vision simulation

ZHI Min

（Information Department of Vocational and Technical College of Panjin，Panjin 124000，China）

With MATLAB and VB software，five function simulation models of the urban traffic are established，which include the intersection traffic model，the optimal path model，the traffic accident model，the accident tree model and traffic prediction model.By using the VB based interface，we study the traffic data with a curve fitting function to get the corresponding measures.

MATLAB；VB；urban transport；virtual simulation.

TP 391.9

A

1674-1374（2014）01-0106-05

2013-12-05

遼寧省高等教育教學(xué)改革研究項目（2007140D459）

直 敏（1979－），女，漢族，遼寧盤錦人，盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事程序設(shè)計方向研究，E-mail：zhiminyjs＠163.com.