交通波仿真系統的研究與實現

摘 要: 在交通波理論的研究基礎上，本文作者以Visual C++6.0為開發平臺，創建了交叉口類、信號燈類、車輛類等信號交叉口的停車波和起動波的仿真系統，給出了自動和人工控制兩種模式的停車波和起動波的仿真演示，能夠直觀地觀察信號控制下停車波和起動波的產生過程。在仿真結果中，給出了仿真條件下交叉口的排隊車輛的擁擠持續時間、消散時間、最大排隊長度、擁擠車輛總數等參數的統計方法，為交通波理論的研究提供了依據。

關鍵詞: 交通仿真 停車波 起動波 信號交叉口

1.引言

在實際的交通觀測中，經常會發現交通流的某些行為非常類似于流體的行為。例如，在信號交叉口的某一道路上，當一列車流遇到紅燈時，會產生一個與車流運行方向相反的波，類似于聲波碰到障礙物時的反射[1]。但是，這種交通波是非常抽象的，人們無法直觀地看到波的產生過程，這就給進一步了解交通波理論帶來了障礙。國內[2]在交通仿真領域的研究起步較晚，處于研究與探索階段。為此，建立一個信號交叉口交通波的仿真系統來演示交通波的產生過程，可以增加人們對交通波的理解。信號交叉口交通波仿真系統可以模擬交通中各種情況下的停車波和起動波，有利于更形象地理解交通波的產生過程。我們以一個信號交叉口作為研究對象，通過VC技術構建信號交叉口交通波的仿真系統。

2.仿真模型的建立

2.1模型的整體結構

在模型的建立過程中，主要涉及的實體有路網、交通標線、信號燈、車輛等。這些實體按屬性可抽象分成兩種不同類型的對象:動態對象、靜態對象[3]。動態對象在系統中受到其它因素的影響和制約，隨時間變化而變化，如車輛的位置和信號燈的顏色變化;靜態對象在一次仿真運行開始后就不再發生變化，如交叉口的形狀，軌跡的類型等。因此，仿真模型應該由以下幾個類組成:動態類、靜態類[4，5]。其中，動態類包括車輛類，動態數據顯示類，信號燈類;靜態類包括交叉口類、軌跡類、位圖類等。[1]模型的整體結構圖如圖1所示。

2.2仿真模型的建立

2.2.1交叉口模型

交叉口模型是最重要的靜態模型，它給出了模擬試驗的基本框架。主要由交叉口、軌跡、交通標線等對象組成，其中交叉口幾何參數、軌跡類型等參數均可由人工設定，此模型從仿真初始化以后就不再發生變化。

2.2.2車輛生成模型

車輛到達的統計規律可用車頭間距的分布來描述，這種分布屬于連續型分布。車輛生成模型主要負責在設定的軌跡的起點處，以服從一定概率分布的車頭間隔時間為間隔生成車輛。因此，車輛的產生應該用概率分布來描述。由于本模型是在單車道的情況下進行的仿真，故選用移位負指數分布的時間分布來控制發車，其基本計算公式為:

P(h>t)=exp[-λ(t-τ)](t≥τ)(1)

式中:h——車頭時距;

λ——單位時間內的平均到達率;

t——每個計數間隔。

在本系統中，一種設置三種狀態:自由流狀態、紅燈停車狀態、綠燈起動狀態。在仿真開始前設置好三種狀態的參數后，車輛的運行就按此模型來變化。

2.2.3車輛駕駛模型

車輛運動的基本要求是在滿足安全要求的前提下在道路的限制速度內以期望速度前進，對于車輛駕駛模型的建立對于本仿真來說是關鍵的問題。

2.2.3.1車輛加、減速模型。[6]

在車輛的運動決策中，車輛有自由行駛、跟馳行駛、減速停車、保持車速不變等行駛狀態，其中最主要的是確定加、減速模型。車輛加速過程中加速度a并非恒定，往往在低速時加速度較大，在高速時加速度較小，加速度可以根據前后兩車的相對速度和相對間距來定。加速度為負值時，車輛在路段中的減速操作有三種情況:自由行駛中的減速、跟馳行駛中的減速和入口第一輛車紅燈時在停車線前的減速。自由行駛中當速度大于期望速度時需采取減速操作以保持期望速度，其減速度可取a=(vdes-v)/T，T為恢復時間，取T=1-3s;跟馳過程中兩車間隙小于期望間隙和跟車速度大于前車速度時，跟隨車為保持期望間隙需要減速;而對于第三種情況，當第一輛車到達減速區內時就以一定的減速度減速停到停止線處。

關鍵代碼為:

double space;//車頭與停車點的距離

space=g_TwoPointDistance(m_fMidPoint，fStopPoint)-m_ fLength/2;

if(space>5) //阻擋式停車

{ m_fSpeed=proadNet->m_CarSpeed1;

} else

{ m_fSpeed=0;

proadNet->m_IsStopMove=TRUE; //表明紅燈亮，頭車剛停車}

2.2.3.2停車排隊模型。[6]

車輛進入交叉口進口道時，按前方進口道是否有停車排隊車輛可分為前方有停車排隊和前方無停車排隊兩種情況。當前方有停車排隊時，車輛將采取減速方式加入停車隊列，其減速方式按相應的減速模型描述。當前方無停車排隊時，根據前方信號燈的狀態又可分為當前車輛擁有通行權和當前車輛無通行權兩種情況。前者車輛行駛行為可視為與路段相似，即在跟馳模型約束下的跟馳行駛或自由行駛;后者車輛將減速停車，其減速方式按相應的減速度模型描述。因此，減速模型是停車排隊過程的基本模型。其減速方式通常采用更切合實際的模式，即車輛在能保證該車正確停靠的前提下先不減速，而是像在正常路段行駛那樣，只考慮跟馳行駛模式，然后在更接近停車點的較短距離內以較大的減速度在短時間內減速停車。其建模步驟如下:

停車。

關鍵代碼為:

double space;

space=g_TwoPointDistance(m_fMidPoint，pPreCar->m_ fMidPoint)-m_fLength;//間距

if(space<=m_fMinSafeDis)//停車

{ m_fSpeed=0;}

else{m_fSpeed=proadNet->m_CarSpeed1;}

2.2.3.3排隊消散模型。

停車排隊車輛在獲得流向通行權后將進入排隊消散過程，以往的排隊消散過程包括加速度模型和低速溜車模型兩部分。但是本系統是關于交通波的仿真系統，傳統的模型不適用。結合交通波的特性，采用車頭間距來建立排除消散模型。

式中:D——車輛間的期望間距;

v——跟隨車的速度。

3.仿真模型的實現

3.1仿真初始參數的設置

在開始仿真之前，通過菜單或工具欄選項對交叉口的基本參數、車輛的初始參數和交通流的三個狀態參數進行設置。例如，可以設置交叉口的位置、仿真系統中三種狀態(自由流狀態、紅燈停車狀態、綠燈車輛起動狀態)的各參數，以及仿真周期時長等，把它們的賦值傳到參數相對應的變量中。

3.2動態模型仿真的實現

本系統經過固定的時間間隔對動態對象進行更新，通過仿真系統不僅可以形象地觀察到停車波和起動波的產生過程，而且可以記錄兩種交通波的行駛速度和交叉口中車輛的總持續時間、消散時間、延誤車輛總數等。

本仿真設置兩種仿真模式，一種是自動仿真模式，由用戶在程序開始時設置好仿真的所有參數，主要是仿真總時間、紅綠燈時間等。仿真開始后，系統按照初始設置狀態運行，無需人工參與，整個仿真過程會自動結束;另一種是人工控制仿真模式，由用戶在運行過程中控制紅燈和綠燈的狀態，用戶可以需要隨時改變信號燈的狀態，以便觀察停車波和起動波的產生。

3.2.1信號燈狀態的控制方式[7]

在仿真過程中，由于車輛是根據信號燈的顏色狀態來決定行駛行為，所以在信號燈類中應定義一個結構體，用來記錄信號燈的狀態。此結構體包括兩個成員變量，即信號燈的顏色和持續時長。在自動仿真模式中，可以按二相位的控制方案來設置，設置好周期長、紅燈時長和綠燈時長，通過這個控制方案可以判斷信號燈在一個周期內每一時刻的狀態，隨著時間段的不同信號燈的顏色也會隨之變化;在人工控制仿真模式中，由人工調整各信號燈的顏色和持續時長，具有良好的靈活性。

3.2.2車輛狀態的確定

確定車輛的狀態應根據該車輛上一時刻的位置、所在路口的類型和具體車道來判斷。若該車位置是在交叉口前，則應該判斷該車轉向及所在引道路權，以及與該引道沖突車流的具體位置，并根據車輛應采取的加速度、速度計算下一時刻的位置。本仿真采用固定時間間隔對系統中所有車輛進行更新，根據信號燈的狀態來確定車輛的加、減速狀態。

3.3程序仿真流程

系統仿真流程[8]如下。

3.3.1通過程序中的菜單欄或工具欄設定各種參數(包括交叉口參數、交通量數據、仿真的各種時長、產生車輛的初始化參數等)，傳遞到程序中相應的變量中，實現對整個仿真系統中參數的初始化。

3.3.2在給定的交通需求情況下，按照一定的隨機分布使車輛在軌跡的起點一輛一輛地進入路網，然后通過定時器對每一時段內每一輛車在路網上行駛的情況進行更新，包括車輛的位置更新和信號燈的顏色更新等，直至車輛到達其目的地后從路網上消失和仿真時長到仿真結束。

3.3.3停車波的觀察。紅燈亮時，當車輛減速到交叉口停車線處時，從停車線處產生一根紅色的線條(代表停車波)，它的運行速度相當于停車波的速度，這樣就可以用一根紅色的線條的運行來演示停車波的產生過程，當紅色的線碰到后繼車時，相應的車輛就停止前進。具體仿真界面見圖2。

3.3.4起動波的觀察。當綠燈亮時，當停車線處第一輛車起動時，從停車線處產生一根綠色的線條，代表起動波，它的運行速度相當于起動波的速度，這樣就可以用一根綠色的線條的運行來形象演示起動波的產生過程。具體仿真界面見圖3。

對于人工控制仿真的流程，基本上跟自動仿真過程相同，只是在參數設置時無需設置仿真時長、紅燈時長和綠燈時長，在仿真過程中，信號燈顏色的變化由人工控制，可以靈活地控制仿真過程。在兩種仿真模式中，起動波趕上停車波時，仿真就自動結束，同時仿真系統能夠求出仿真中各種參數，結果如下圖4所示。

4.結語

我們針對城市道路交通的特點，建立了信號交叉口停車波和起動波的仿真系統，為用戶提供了良好的交通系統仿真平臺，操作界面簡潔直觀，較傳統的仿真軟件更符合實際情況，且靈活性較高。用戶可以根據自己的需要進行仿真，經過仿真所得的結果與理論上有較好的吻合，為交通波的研究提供了有效途徑。但由于仿真模型的隨機性和理想化，得仿真與實際交通環境還有一定的差距，本系統還有待于進一步的完善和改進。

參考文獻:

[1]王殿海，嚴寶杰.交通流理論[M].北京:人民交通出版社，2002.8.

[2]商蕾，陸化普.城市微觀交通仿真系統及其應用研究[J].系統仿真學報，2006，18，(1):221-224.

[3]鐘邦秀.面向對象微觀交通仿真系統的研究與實現[J].系統仿真學報，2002，14，(4):4182421.

[4]鄺先驗，許倫輝.城市道路交通仿真系統開發與應用研究[J].機械工程與自動化，2008，2，(1):4-6.

[5]周蕊，許倫輝，湯暉.多交叉口信號控制仿真系統的研究與實現[J].機械工程與自動化，2008，4.

[6]裴玉龍，張亞平等.道路交通系統仿真[M].北京:人民交通出版社，2004，9.

[7]黃艷國，許倫輝，鄺先驗.基于Multi-agent協調的區域交通信號優化控制[J].江西理工大學學報，2009，30，(1):49-52.

[8]侯俊杰.深入淺出MFC[M].武漢:華中科技大學出版社，2001.1.