基于VC的可視化微觀交通仿真系統

魏麗

武漢理工大學華夏學院 武漢 430223

作者：魏麗，碩士，武漢理工大學華夏學院助教。

經濟和社會的迅速發展給城市交通帶來嚴重的阻塞和混亂。利用微觀交通仿真技術能夠細致地描述各個交通實體之間的差異，動態逼真地展現交通流和交通事故等各種交通現象，深入地分析車輛、駕駛員、行人、道路以及交通流的交通特征，有效地進行交通規劃、交通組織與管理、交通能源節約等研究，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行了研究，借助面向對象開發工具VC++，并結合可視化三維建模工具Multigen Creator和實時視景仿真軟件Vega，開發了可視化微觀交通仿真系統，能夠實時動態地顯示實際路網的微觀交通仿真過程，并對路網的建設、實施情況進行有效的分析與評價。

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車輛與其周圍交通環境的相互關系，包括路網描述模型、車輛產生模型、車輛跟馳模型、車輛換道模型、信號燈控制模型等。

1.1 路網描述模型

路網描述模型屬于靜態模型，根據實際路網的道路情況建立，通常用節點、車道、路段等三個結構體來描述道路的幾何關系[1]。

1.2 車輛產生模型

車輛產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。

累計的愛爾朗分布可寫成[2-3]：

愛爾朗分布隨機數[3]：

其中： U1, U2...Ui是獨立且相同分布的（0-1）隨機數。β為k階愛爾朗隨機變量的均值。

1.3 車輛跟馳模型

車輛跟馳模型是交通系統仿真中最重要的動態模型，它研究交通流中非自由行駛狀態下后隨車跟隨前導車的行駛特性，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距跟馳模型[4-5]為：

式中：τ為駕駛員的反應時間；α為駕駛員對車速和距離的反應參數；β為駕駛員對車頭時距的反應參數；L為車身長度；T為期望車頭時距。

1.4 車輛換道模型

多車道路段，當本道車輛車速低于期望車速，將選擇換道。換道分為強制換道和自擇換道。強制換道是當目標車輛接近出口或入口時，按照出行路線及交通規則必須進行的換道。自擇換道是由于前車的限制，司機不能達到期望速度，而鄰道允許目標車輛進入時的換道?？紤]換道時應對目標車道上對應位置的前后間距進行判斷，只有前后車間距離均滿足時，車輛才可以換道至相鄰車道[6]。

圖1 鐵機路網兩通道三維實時仿真運行

圖2 鐵機路網重點區域交通實時監控

1.5 路徑選擇模型

一般說來，路徑選擇模型根據車輛OD信息選擇旅行總時間最短的路線。采用的是動態最短路徑選擇，決策的標準一是依據各路段的設定權值——由該路段的長度、車道數、是否有信號燈決定；二是根據路段當前平均車速。運用上述模型設計思路，還可以為車輛選擇其他最優路徑，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際情況，本文模擬了變周期的感應式信號控制，首先設置初始綠燈/紅燈時間，當某相位的信號燈處于紅燈期間，記錄相應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，不同的范圍對應不同的綠燈時長。當記錄的停車長度處于某一范圍內，則將該相位的信號燈的下一個綠燈時間延長至相應的綠燈時長，而相反相位的信號燈的下一個紅燈時長等于該相位信號燈的新綠燈時長，如此循環往復，實現變周期的交通信號配時。當紅燈期間該車道的停車長度超出最大范圍，相應的信號燈的下一綠燈時間就是最大綠燈時長；當紅燈期間該車道的停車長度小于最小范圍時，則相應的信號燈的下一綠燈時間為最小綠燈時長。

2 可視化交通流仿真系統

2.1 仿真對象的三維創建

根據實際道路情況的不同，在不同的交通仿真系統中其路網的車道數目、道路寬度等車道參數都不一樣。要對不同的路網進行交通仿真，就需要對這些車道參數進行修改，用手工創建路網。若修改次數頻繁，將使工作量大大增加。通過在VC++中調用API函數可實現城市路網的自動創建。

由用戶輸入模型參數（主要包括各路網中心點的坐標、每條路段的車道數、每條車道的轉向等關鍵信息），然后由VC++調用這些參數進行計算，確定各路段的長度、各關鍵點的坐標等一些數據，最后由OpenFlight API調用這些數據進行模型的創建以及紋理映射。經用戶輸入參數自動創建的路網可保存為flt文件運行。

圖3 變周期與定周期信號配時仿真結果對比

2.2 仿真環境的創建

為使仿真更加接近真實環境，需創建車輛、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，只在數量上有變化?？衫萌S建模工具MultiGen Creator手工建立對應的對象模型存放于模型庫中，以方便根據實際情況進行調用。另外還可根據實際環境創建周圍房屋等設施，加載到程序中，使仿真過程更有真實感。

2.3 實時視景仿真技術

Vega是美國Multigen Paradigm公司應用于虛擬現實、實時視景仿真、聲音仿真和其他可視化領域的軟件工具。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，在系統運行中通過調用Vega的C語言應用程序接口API函數動態加載到場景中。同時，仿真過程能實現視點控制、場景管理等漫游功能。

路網的交通流仿真能以三維視景方式實時顯示，并且用戶可以在Vega環境中通過多通道監控全局或局部路網的交通流狀況。

3 仿真應用

筆者對武漢市友誼大道鐵機路路口進行實地交通調查后，利用開發的微觀交通仿真系統進行三維實時仿真應用，仿真數據能以圖形的方式直觀輸出，根據對仿真結果進行分析和評價，用戶可以通過調整信號配時方案、改進路口設計、對路口進行交通管制等方式改進該路網的交通流狀況。

鐵機路路網三維視景仿真運行效果圖如圖1和圖2所示。

鐵機路高峰小時典型變周期信號配時方案與定周期信號配時方案比較如圖3所示。由圖3變周期與定周期信號配時仿真結果對比可看出，采用變周期信號配時后，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長度均有較大程度的減少，并且路網通行能力也得到提高。

4 結束語

本文對微觀交通仿真模型進行了初步介紹，利用開發的三維可視化微觀交通仿真系統進行應用研究，并對仿真結果進行對比分析和評價，對路網的改建、管理及控制策略有一定的實際參考價值。下一階段將進一步深入研究更符合我國混合交通流特點的車輛行為模型及自適應信號控制策略。

[1]鄒智軍,楊東援.城市交通仿真實驗系統的面向對象開發[J].系統仿真學報,2002,14(7):844-848.

[2]王煒,過秀成,等.交通工程學[M].南京:東南大學出版社,2000:89-117.

[3]劉運通,等.交通系統仿真技術[M].北京:人民交通出版社,2002:86-93.

[4]周靜,陳森發.微觀交通流中跟車模型的仿真研究[J].東南大學學報:自然科學版,2004,34(4):545-548.

[5]喻丹,吳義虎,何霞,郭文蓮.一種基于動態期望車頭時距的跟馳模型[J].長沙理工大學學報:自然科學版,2007,4(4):25-28.

[6]商蕾,高孝洪,蔣漢平.城市微觀交通模型建模及仿真實現[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2003,27(4):499-502.