基于VISSIM的交通控制仿真系统的研究

周广林，孙耀杰，高 骞，才 琳

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

近年来，中国经济的突飞猛进带动了人民生活水平的进步，城市私家车数量与日俱增，城市交通环境也变得极为复杂。提出一种基于VISSIM的交通控制仿真系统的研究分析方案，该方案主要是对连续几个交叉口进行综合仿真，从真正意义上来模拟交通的复杂多变的环境；同时也提出了对特殊情况的优化处理，利用优先模型解决了仿真过程中发生冲突的问题，并进行三维动画的仿真效果输出，完善了以往单一仿真实现的不足，增强了整个交通路网的动态分配过程，对交通问题的处理与分析有重要意义。

1 VISSIM模型构建原理

1.1 VISSIM简介

VISSIM是由德国PTV公司开发的离散的、随机的、以0.1 s为时间步长的交通流仿真系统软件。用以建模和分析各种交通条件下（车道设置、交通构成、交通信号、公交站点等），城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具[1]。软件系统内部由交通仿真器和信号状态发生器两大程序组成。“交通仿真器”是一个交通流仿真模型，它包括跟车模型和车道变换模型。“信号状态发生器”是一个信号控制软件，它以仿真步长为基础不断地从交通仿真器中获取检测信息，决定下一仿真时刻的信号状态并将这信息传送给交通仿真器，二者之间的关系如图1所示。VISSIM可在车道配置、交通组织、交通信号等约束下分析交通流运输情况，因此用作解决基于交通流控制仿真方案的可行性问题，是分析交通问题的有效评估工具之一[2]。

图1 交通仿真器和信号状态产生器之间的交流Fig.1 Traffic simulation and signal communication between the state generator

1.2 系统模型框架

该系统模型框架如图2所示。

1）路网交通模型 主要对车道、路段等路网元素进行描述，可以是大范围的静态扫描地形图，也可以是卫星导航的电子地图。

图2 模型框图Fig.2 Model block diagram

2）信号灯控制模型 设置三维模式下的信号灯模块，通过信号控制器完成对信号的定时显示。

3）车速分布模型 车速分布对于道路的通行能力和行驶车速有很大影响，因此它对任何一种车辆类型而言，都是一个重要的参数。假设车辆运行不受其他车辆的干扰，驾驶员将会

以其期望车速行驶（具有微小的随机变化即摆动）。期望车速不同的车辆越多，车辆排队越长。如果有可能超车，只要车辆的期望车速高于当前的行驶车速，就会选择机会（对其他车辆不构成危险）进行超车[3]。

4）场景元素分布模型 主要是交通路段周围的建筑、树、车辆类型以及行人的干扰分布选择，每种车辆分布应有10种以上的选择模型。

5）跟车模型 主要采用的是Wiedemann 74模型，它的参数包括：平均停车间距（ax），两停止车辆的平均停车距离，变化幅度为±1 m。 附加的安全距离（bx_add）和可增加的安全距离（bx_mult）：这两个参数影响安全距离的计算，两车之间的距离d可以用以下公式计算：

这里ax是停车间距；

v是车辆速度[m/s]，z是介于[0,1]之间的数值，是以 0.5附近的标准正态分布，标准差为0.15。这些是影响通行能力的主要参数[4]。

6）交叉口信号优化模型 在采用Webster模型基础上，以延误时间最小为目标函数，基于车辆延误和停车次数进行信号配时，以车辆总延误和总停车次数为效益函数来构造模型[5]，在交叉口饱和度为0.6～1.2的情况下都能得到较好的结果。

7）动态分配选择模型 动态路径选择模型可分为最优路径选择模型和交叉口转向行为模型。最优路径选择模型用以选择路程总用时最短、路程花费最小或是运行中交叉口最少的路线。笔者采用的是动态最优路径选择模型，交叉口转向行为模型则根据路径选择模型的计算结果，确定车辆当前行驶方向和下一个路段行驶方向的相对位置关系，以便车辆在路口执行正确的转向操作[6]。

8）车流优先模型 在车流进行转弯进入直线通道时，需检测直线方向上的车流运行情况以及信号灯状态，可避免车流冲突问题的发生[7]。采用软件优先规则对车流及路段进行了设置，来指定无信号控制冲突车流的通行权，主要是在不同路段/连接器上的车辆可具有自动检测所有情况的功能。

2 仿真系统的总体设计

2.1 开发环境的选取

本系统主要由Visual C＋＋进行程序的开发，通过Microsoft Access数据库进行数据的存储和管理[8]。为了使仿真效果更为贴近于现实，采用交通流仿真工具VISSIM软件进行模拟，系统主框架如图3所示。

图3 系统主框架Fig.3 The main frame of system

2.2 VISSIM中实现流程图

VISSIM中模拟交通路口实现流程图如图4所示。

图4 VISSIM中模拟交通路口实现流程图Fig.4 Implementation flow chart of VISSIM simulated traffic intersection

3 仿真设计的应用

3.1 系统设计过程：

1）创建交通路网：首先选择要模拟的交通网络图作背景，通过VISSIM选项将Background文件加载到软件的仿真界面，并将其转换成VISSIM的背景交通图,并对各个路口进行编号[9]，连续几个路口的交通路网图如图5所示。

2）交通仿真参数设置与系统基础数据初始化配置，包括车道、车辆种类、信号类型等标志构成；

3）户自定义代码对交通流仿真模型进行控制，以及场景元素进行三维的动态效果处理。

图5 连续几个路口的交通路网图Fig.5 Road network map in several consecutive intersection

4）立车流优先模型对数据（车道、车辆标志等）进行优化处理。

5）仿真运行与数据输出如图6所示。

图6 三维仿真效果Fig.6 Three-dimensional simulation results

通过仿真效果可以看出，对交通路段上主要交叉口进行车流的优化模拟，可以分析出该区域路段的交通拥堵情况，通过合理的交通灯选择，使整个交通网仿真系统顺畅的运行，试验效果良好。

3.2 仿真数据的分析

利用交叉口的各种数据，通过VISSIM对交叉口的状况进行计算机仿真，并选取进口排队长度、通过车辆总数、车速分布、行车延误作为评价指标[10]。图7为车流饱和度合理情况下的车辆分布情况，图8看出，通过仿真模型优化处理，使交通车流量有明显改变，降低了车流拥堵程度。

图7 一定饱和流度下的车辆分布情况Fig.7 Vehicle distribution under a certain degree of saturation flow

图8 优化后的车辆分布情况Fig.8 Optimized distribution of vehicles

4 结束语

应用VISSIM对连续几个路口的交通流情况进行仿真，通过车流优先分布使交通灯控制问题得到改善，与以往定时仿真系统相比，能很好地解决目前交通存在不足的问题，通过建立对交叉口车流量仿真模型的方法，及时发现路口延误问题，给予车辆最佳的滞留与放行时间，改善交通路口的堵塞状况；并对路口车辆冲突问题及时进行检测和处理，消除交通安全隐患，大大改善仿真效果，从真正意义上提高了城市生活的节奏。

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