商 蕾

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展,交通仿真被越來(lái)越多地應(yīng)用于交通系統(tǒng)分析研究和決策支持中.交通仿真可分為宏觀(guān)仿真、中觀(guān)仿真和微觀(guān)仿真三類(lèi)[1].其中,微觀(guān)交通仿真系統(tǒng)能在單車(chē)級(jí)上模擬“人-車(chē)-路-環(huán)境”的相互作用關(guān)系,反映交通基礎(chǔ)設(shè)施、交通管理手段、交通流控制策略等對(duì)交通流的影響.因此,微觀(guān)交通仿真建模和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn).

本文在對(duì)微觀(guān)交通仿真模型建模研究的基礎(chǔ)上,利用面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)工具和視景仿真環(huán)境,搭建一個(gè)微觀(guān)交通仿真系統(tǒng).該系統(tǒng)能為城市重點(diǎn)城區(qū)道路網(wǎng)的擴(kuò)建改建、交通管理、交通控制方案的制定、交通事故研究提供仿真分析與評(píng)價(jià)的平臺(tái).

1 交通流仿真模型框架

與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家不同,我國(guó)的城市交通環(huán)境和駕駛員行為特性有其特殊性.目前,國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成熟的模型和工具來(lái)深入分析、研究我國(guó)的交通問(wèn)題.因此,必須建立符合我國(guó)交通流特點(diǎn)的交通仿真模型[2-3].

在此筆者提出如圖1所示的微觀(guān)交通仿真模型框架.其中:

圖1 微觀(guān)交通仿真模型構(gòu)成框架

1)路網(wǎng)描述模型和交通規(guī)則模型屬于靜態(tài)模型,在進(jìn)入仿真運(yùn)算后,模型各參數(shù)不再發(fā)生變化.路網(wǎng)描述模型通過(guò)定義合理的結(jié)構(gòu)體,從點(diǎn)、線(xiàn)、面3個(gè)層次來(lái)反映路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系,幾何特征等.而交通規(guī)則由于往往落實(shí)到車(chē)道的使用特性上,因此可以通過(guò)增加路網(wǎng)描述模型中相應(yīng)的屬性變量來(lái)反映.

2)車(chē)輛行為模型是整個(gè)仿真模型的核心,其有效性直接決定交通流仿真的精度.傳統(tǒng)的車(chē)輛行為模型主要由跟馳模型和換道模型構(gòu)成.在單車(chē)道或是在不允許超車(chē)行為的多車(chē)道上,位于后面位置的車(chē)輛受到跟馳作用的約束,只能跟著前車(chē)行駛.本文采用基于期望車(chē)頭時(shí)距的非線(xiàn)性跟馳模型.在該模型中,后車(chē)的加速度不僅與前后兩車(chē)的相對(duì)速度有關(guān),還與兩車(chē)間距以及駕駛員反應(yīng)延時(shí)有關(guān).跟馳模型為

式中:τ為駕駛員的反應(yīng)延遲;a為駕駛員對(duì)車(chē)速和距離的反應(yīng)參數(shù);b為駕駛員對(duì)車(chē)頭時(shí)距的反應(yīng)參數(shù);L為前車(chē)車(chē)身長(zhǎng)度;T為期望車(chē)頭時(shí)距.

考慮到我國(guó)城市混合交通以及駕駛員行為特點(diǎn),在開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微觀(guān)交通仿真模型時(shí)應(yīng)補(bǔ)充機(jī)動(dòng)車(chē)側(cè)向干擾模型、非機(jī)動(dòng)車(chē)干擾模型和行人干擾模型.

3)動(dòng)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.其中,最優(yōu)路徑選擇模型用以選擇旅行總時(shí)間最短、旅行花費(fèi)最小或是旅途中交叉口最少的路線(xiàn).為了便于評(píng)估交通誘導(dǎo)措施對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員行為的影響,本文采用的是動(dòng)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(jì)算結(jié)果,確定車(chē)輛當(dāng)前行駛方向和下一個(gè)路段行駛方向的相對(duì)位置關(guān)系,以便車(chē)輛在路口執(zhí)行正確的轉(zhuǎn)向操作.

4)機(jī)動(dòng)車(chē)排放模型選取IVE模型,并對(duì)IVE模型本地化進(jìn)行相關(guān)調(diào)查研究,主要包括:環(huán)境影響因素、I/M 制度、燃油使用情況、車(chē)輛技術(shù)分布情況等.

2 基于實(shí)時(shí)視景仿真的城市道路交通流仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇

軟件主框架和人機(jī)交互界面用Visual C++開(kāi)發(fā)[4-5].對(duì)于交通仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理,則選用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行.同時(shí),為了使交通流仿真軟件能夠逼真地再現(xiàn)的三維道路交通流狀況,軟件的可視化部分由三維建模工具Creator和視景仿真環(huán)境Vega來(lái)實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖2).

2.2 城市道路交通流仿真系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文開(kāi)發(fā)的城市道路交通流仿真系統(tǒng)體系框架如圖3所示.

圖2 不同開(kāi)發(fā)工具間的數(shù)據(jù)交互關(guān)系圖

圖3 城市道路交通流仿真系統(tǒng)基本框架

可以看到,該原型系統(tǒng)能夠提供較豐富的仿真結(jié)果輸出,包括:車(chē)道(路段)平均車(chē)速、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、停車(chē)延誤、機(jī)動(dòng)車(chē)排放(主要是CO排放量和NOx排放量).因此,基于自主研發(fā)的微觀(guān)交通流仿真模型,本文開(kāi)發(fā)的城市道路交通流仿真原型系統(tǒng)軟件主要可應(yīng)用于小路網(wǎng)交通管理方案分析與評(píng)價(jià),信號(hào)控制策略分析,道路基礎(chǔ)設(shè)施改擴(kuò)建實(shí)施效果評(píng)估.以信號(hào)控制策略分析為例,其基本仿真流程如圖4所示.

圖4 交通信號(hào)控制策略仿真基本流程圖

2.3 實(shí)時(shí)視景仿真技術(shù)的應(yīng)用

結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、圖像處理等技術(shù),將視景仿真引入道路交通流仿真系統(tǒng)中.在以文本、圖像、圖表等二維方式輸出仿真運(yùn)算結(jié)果的同時(shí),將路網(wǎng)內(nèi)每個(gè)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)以三維視景方式進(jìn)行顯示,用戶(hù)可從直觀(guān)觀(guān)測(cè)交通流運(yùn)行狀態(tài).通過(guò)在Vega環(huán)境中設(shè)置多窗口、多通道的方法,還能使用戶(hù)同時(shí)監(jiān)控多個(gè)重點(diǎn)區(qū)域的交通狀況.

本文選擇實(shí)時(shí)仿真環(huán)境Vega作為三維可視化平臺(tái),仿真模型與視景的交互主要由Vega API函數(shù)完成的,基本步驟如下.

步驟1 檢測(cè)應(yīng)用定義文件,即ADF文件.ADF文件包含了在三維交通場(chǎng)景中需要顯示的所有對(duì)象及環(huán)境特性.

步驟2 初始化系統(tǒng),包括視景系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、特效系統(tǒng)等.

步驟3 定義視景系統(tǒng).

步驟4 配置視景系統(tǒng).

步驟5 用戶(hù)自定義代碼,根據(jù)交通流仿真模型運(yùn)算結(jié)果,動(dòng)態(tài)刷新三維場(chǎng)景內(nèi)交通信號(hào)燈顯示狀態(tài)、路網(wǎng)內(nèi)行駛的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)位置.

3 應(yīng)用研究

在實(shí)地交通調(diào)查基礎(chǔ)上,運(yùn)用開(kāi)發(fā)的城市道路交通流仿真系統(tǒng)對(duì)北京市清華大學(xué)東門(mén)路口進(jìn)行了仿真應(yīng)用研究,取得了較好的仿真效果.

該路口的車(chē)流量情況見(jiàn)圖5,信號(hào)控制方案見(jiàn)圖6,仿真運(yùn)行效果圖見(jiàn)圖7,車(chē)速及排隊(duì)長(zhǎng)度實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖8.

圖5 清華大學(xué)東門(mén)路口車(chē)流量

下面通過(guò)調(diào)整信號(hào)配時(shí),增加交通流量以及改變路口設(shè)計(jì)分別再次進(jìn)行仿真,以北進(jìn)口內(nèi)側(cè)車(chē)道為例,可得到如圖9和圖10的仿真對(duì)比結(jié)果.

圖中:方案1為現(xiàn)狀仿真;方案2為增加北進(jìn)口左轉(zhuǎn)方向車(chē)流量后進(jìn)行的仿真;方案3為調(diào)整信號(hào)控制配時(shí)后進(jìn)行的仿真(增加南北進(jìn)口左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長(zhǎng)至35 s);方案4為調(diào)整北進(jìn)口道數(shù)目(左轉(zhuǎn)方向增加1條車(chē)道,其他條件不變)進(jìn)行的仿真.

圖6 路口信號(hào)控制方案

圖7 兩通道三維仿真運(yùn)行圖(俯視圖和側(cè)視圖)

圖8 車(chē)速及排隊(duì)長(zhǎng)度實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)

圖9 不同方案下的平均車(chē)速

圖10 不同方案下的排隊(duì)長(zhǎng)度

由上圖可以看出,增加車(chē)流量會(huì)導(dǎo)致行車(chē)速度降低,以及排隊(duì)長(zhǎng)度的增加;而增加綠燈時(shí)長(zhǎng)和增加車(chē)道數(shù),則可以緩解該方向車(chē)輛排隊(duì)情況,提高行車(chē)速度.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文基于我國(guó)城市道路交通流特點(diǎn),對(duì)城市道路微觀(guān)交通流仿真的基礎(chǔ)模型進(jìn)行了重點(diǎn)研究.借助計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境和視景仿真工具,開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于三維視景的城市道路微觀(guān)交通流仿真系統(tǒng)軟件.該模型仿真系統(tǒng)采用開(kāi)放式框架體系和模塊化的設(shè)計(jì)思路,具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性.仿真案例研究表明,其仿真效果較好.下一階段,在基于混合交通流的車(chē)輛行為模型以及增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面還有待作更深入的研究.

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