交叉口3D交通环境构建与交通仿真评价研究

高丽梅，程 超

(1．天津市市政工程研究院，天津 300074;2．长江勘测规划设计研究院，武汉 430010)

0 引言

在道路交通规划和交通管理控制应用中，往往会有多个预设研究方案，如何评估各个方案的优劣性需要运用一定的手段和方法．在基础交通信息充分的情况下，如运用地面固定线圈、视频摄像机、微波交通检测器、空中无人飞机[1-2]等获取交通信息，运用经典的交通工程学理论和方法，可以对研究方案进行评估．然而，在很多情况下，交通信息并不充分，对研究方案的理论评估会缺乏数据支持，另外，交通运行状况的动画展示难以实现．交通仿真技术可以按照设定的技术方案进行交通运行状况的模拟，输出设定的评价指标参数，再现复杂情景下的交通运行情况，模拟交通流的时间、空间变化特征，从而日益成为交通规划与管理项目评价和决策的重要技术方法．

目前，国内使用的微观交通仿真软件主要包括VISSIM、PARAMICS、CORSIM、SYNCHRO 等[3-4]．文献[5]提出了基于PARAMICS微观交通仿真对ITS项目子系统和交通管理措施进行模拟评价，文献[6]利用VISSIM软件对高速公路交通组织方案进行仿真，分析评价结果，并对高速公路施工区的交通组织方案进行了优化．文献[7]基于VISSIM仿真软件，提出了构建3D交通环境的方法．

上述研究要么侧重于交通仿真评价，要么侧重于单一交通环境的构建，而较少将3D交通环境和交通仿真评价结合研究，且对3D交通环境的素材来源考虑较少．因此，本研究以目前国内应用最为广泛的VISSIM软件为基础，以城市道路交叉口的交通控制优化为研究需求出发点，给出交叉口3D交通环境的构建方法和交叉口的交通仿真评价方法，并以实际案例开展应用研究．

1 交叉口3D交通环境构建

1.1 仿真背景

在进行VISSIM软件交叉口3D交通环境构建前，需要设定一张交通背景底图，底图既可以是位图，也可以是矢量图，其中，位图可为jpg、bmp等常用文件格式，矢量图可为dwg、dxf、shp等文件格式．当位图作为背景时，如果放到图片的比例，那么图片会出现锯齿的现象，图片的清晰度也会降低[7]．在VISSIM软件中导入交通背景图后，可以在其基础上较为准确地画出道路的结构形式、走向、宽度等，同时，为插入3D交通环境要素提供相对位置参考．

1.2 3D交通环境的建立

在VISSIM4.30软件中，3D交通环境要素以3D文件形式，即*.v3d文件形式，存放在VISSIM软件安装的文件路径当中(如:安装盘/PTV_Vision/VISSIM430/Exe/3DModels)，文件包括3种形式:

1)Static文件:静态的文件包括房屋建筑、花草树木、道路指示信号、轨道设施以及道路辅助设施等．在VISSIM软件5.30版本中，Static文件可以从Google SketchUp网站中下载，skp模型可直接导入VISSIM软件中．

2)Textures文件:质地文件包括道路的质地背景素材、交通标识素材、草地素材和天空背景素材等．

3)Vehicles文件:车辆文件包括自行车、各品牌小汽车、货车、客车等车辆素材．

3D交通素材的插入方法为:打开VISSIM软件的INP文件，该文件包含交通背景底图和道路，在底图和道路之外的空白处单击右键，然后选择需要的交通素材插入*．v3d文件，构建3D交通环境．某交叉口的3D交通环境如图1所示，图中插入了道路周边的房屋素材、花草树木素材、绿灯素材等．

图1 交叉口的3D交通环境

2 交叉口交通仿真评价方法

交叉口交通仿真评价主要包括道路与交通信息的调查、交通仿真模型的建立与标定、设置不同的交通仿真方案、输出仿真评价指标、比选方案得出评价结论，交叉口交通仿真评价方法流程如图2所示．

图2 交通仿真评价方法流程

交通仿真模型的建立与标定包括在VISSIM软件中绘制道路交叉口，设置各进口道的交通路径及流量，设置道路左转或右转减速区等，根据交叉口的实际交通运行情况，调整车辆期望车速、加减速参数等，设置不同的交通信号配时方案．交通仿真方案的差异主要体现在信号周期、相位绿灯时长、相序的不同，道路重新渠化设计，道路重新交通组织管理等．仿真评价指标主要包括平均排队长度、最大排队长度、停车次数、行程时间等，不同的交通方案的仿真评价指标可能部分得到改善，部分恶化，因此，需要结合实际的交通管理需求，进一步综合比较与分析，确定合适的交通方案．

3 案例分析

3.1 现状交通方案仿真

某市某交叉口的断面形式如图3所示，高峰时段信号配时方案，交通流量、流向分别如表1、2所示．该交叉口位于中心城区的南北向主干道和东西向主干道的交汇处，交通流量大，交通拥堵现象较为明显，因此，需要采取交通改善方案进行交通管理．

图3 交叉口断面形式

表1交叉口信号配时方案

表2 交叉口流量、流向情况 PCU/h

依据交叉口的断面形式、车道功能、流量流向、信号配时等基础数据，在VISSIM软件中对该交叉口进行建模与交通仿真分析，仿真情景如图4所示．

经过仿真发现，交叉口的交通问题主要包括:

1)在第1相位时，从西向东交通流，在交叉口的西向出口道出现了较为明显的拥挤，究其原因在于，东西向主干道的东边进口有4个车道，东西向主干道的西边进口有3个车道，在第1相位时，车流自东向西，由于车道通行能力的不匹配，出现了交通瓶颈．

2)在第2相位，南北向主干道的南进口道的左转车流和南北向主干道的北进口道的右转车流，与部分处于清尾阶段的东西向主干道从东到西的直行车流，发生了交织，造成了一定程度的拥挤．

图4 多相位仿真

因此，在设计交通改善方案时，需要采取有针对性的交通管理措施，即:给予东西向交通流更多的绿灯时间，减少南北向主干道左转车流与东向西主干道的直行车流的交织状况．

以各进口道车辆平均排队长度、最大排队长度、停车次数，主要流向的行程时间为评价指标，对现状交叉口进行3 600s交通仿真，仿真结果如表3、4所示．

3.2 交通方案1仿真

根据3.1节中的仿真结果，交通方案1设计为:延长东西向主干道的绿灯时间，延长第3相位的直行和左转时间，适当压缩第4相位南北直行时间．方案1的信号配时方案如表5所示．

表3 交叉口交通仿真评价情况表

表4 交叉口交通仿真行程时间表

表5 方案1信号配时方案

依据交叉口的断面形式、车道功能、流量流向、优化后的信号配时等基础数据，在VISSIM软件中对该交叉口进行第2次建模与仿真，各进口道的平均排队长度、最大排队长度、停车次数的改善情况如表6所示，各主要流向的车流行程时间改善情况如表7所示．

表6 方案1进口道交通指标改善情况 %

由表6、表7可知，该交叉口信号配时方案优化后，各方向进口道的平均排队长度、最大排队长度、停车次数均有一定程度的改善，其中，南进口道改善较为明显;各主要车流的行程时间均有改善，南向西左转的车流行程时间改善较为明显．

表7 方案1各主要车流行程时间改善情况 %

3.3 交通方案2仿真

根据3.1节中的仿真结果，交通方案2设计为:将现状的相位2和相位4对换位置，各相位的绿灯时间仍保持不变．依据交叉口的断面形式、车道功能、流量流向、优化后的信号配时等基础数据，在VISSIM软件中对该交叉口进行第3次建模与仿真，各进口道的平均排队长度、最大排队长度、停车次数的改善情况如表8所示，各主要流向的车流行程时间改善情况如表9所示．

表8 方案2进口道交通指标改善情况 %

表9 方案2各主要车流行程时间改善情况 %

由表8可知，调整相序后，东进口、南进口的交通状况得到改善，其中，南进口的改善程度最好，平均排队长度下降37.31%，停车次数下降47.01%．西进口和北进口的整体交通状况稍有恶化，最大平均排队长度增加5.77%，最大停车次数增加3.54%．由表9可知，相序调整后，南向西左转和北向东左转车流的行程时间得到了改善，但是，南向北直行车流的行程时间变长，增加了6.88%．通过调整相序，整体上提高了交叉口的通行效率，主要体现在显著的改善了南进口的交通运行效率，但是在一定程度上牺牲了南北直行的交通通行效率．

3.4 仿真评价与建议

根据3.1～3.3节的分析可知:方案1通过改变不同相位的绿灯时长，在整体上改善了交叉口的运行效率，方案2调整交叉口的信号相序可局部改善交叉口的运行效率．因此，从整体来看，方案1相对更适合作为该交叉口的交通改善设计备选方案．

虽然优化交叉口的配时方案能改善交叉口的交通运行效率，但是，交叉口的交通运行效率不仅与信号配时相关，它还与行人、车(自行车、电动车)、路(环境)、信息紧密相关，因此，为更好地保障交叉口的交通运行，建议如下:

1)进一步加强对交叉口的行人、自行车的通行秩序管理，减少行人、自行车闯红灯、抢黄灯等危险行为，减少机动车与行人、自行车的交通冲突，保障机动车辆的正常通行．

2)由于交叉口两条相交道路均为城市主干道，交通流量大，而与本交叉口毗连的信号交叉口数量较多，为进一步优化交叉口的通行效率，建议开展区域内交叉口群的信号协调控制与交通组织管理工作．

3)由于本交叉口是某市中心城区的重要交通节点之一，建议做好交叉口拥堵状况的信息发布工作，包括与交通广播台合作，及时发布路况、交通信息等，诱导交通出行，缓解局部交通负荷．

4 结束语

本文阐述了交叉口3D交通环境的构建方法和交叉口的交通仿真评价方法，并以实际的交通工程应用为例，进行了应用研究，案例分析表明，本文给出的方法可用于道路交通控制、管理的设计评价．需要注意的是，为了使仿真是“真”的，需要提供准备的道路信息、交通信息，同时，交叉口的交通管理方案需要符合实际情况，否则，交通仿真的效果会大打折扣．

[1]刘晓锋，彭仲仁，张立业，等．面向交通信息采集的无人飞机路径规划[J]．交通运输系统工程与信息，2012，12(1):91-97．

[2]彭仲仁，刘晓锋，张立业，等．无人飞机在交通信息采集中的研究进展和展望[J]．交通运输工程学报，2012，12(6):119-126．

[3]杨嘉，孙剑．微观交通仿真流程及应用[J]．城市交通，2010，8(5):79-83．

[4]吴娇蓉，辛飞飞．交通系统仿真及应用[M]．上海:同济大学出版社，2012．

[5]郑为中，史其信，李德宏．应用PARAMICS微观交通仿真对交通分流计划的比较评价[J]．公路交通科技，2004，11:70-73．

[6]朱慧芳．高速公路施工区交通组织方案优化及仿真评价[D]．西安:长安大学，2011．

[7]柳祖鹏，许彩霞，张献峰．基于VISSIM仿真系统构建3D交通环境[J]．城市交通，2008，6(2):91-94．