龙绮泓，张纪元，方斌

湖南警察学院，湖南长沙，410138

0 引言

在城市发展日益迅猛的时代，城市交通路网体系影响着经济的发展。随着经济发展与城市交通基础设施建设的差距拉大，城市道路交通拥堵现象频发[1]，本文以长沙市五一大道—蔡锷中路交叉口为例，根据交叉口的运行现状，分析交叉口目前存在的主要问题，并提出优化设计方案。应用仿真软件对交叉口交通设施、标志标线以及信号配时进行优化，通过交通组织设计优化方案研究解决交叉口信号相位配时优化、机动车信号相位与行人信号相位协调优化、机动车道与非机动车道协调设置以及五一大道南北方向行人过街问题，并对交叉口优化前后进行3D建模运行，以三维场景效果验证方案的合理有效性。结果显示，通过优化交叉口交通组织设施、优化交叉口信号相位配时等措施有效优化了五一大道—蔡锷中路交叉口的交通状况，解决了路口晚高峰时段的严重交通拥堵问题，规范了行人过街与非机动车出行，提高了五一大道—蔡锷中路路段的通行效率，使交通参与者出行更加安全、高效、有序。

1 研究背景

城市道路交通系统是城市运行的重要组成部分，城市路网中交通流的汇聚、分散、转向，会产生合流、分流、交织、拥堵冲突等现象。城市天际线是人们了解一个城市整体形象与景观的重要途径。部分学者提出重点从“理层次—控高度—透绿廊”三方面，对各地块实际测算后运用仿真模型模拟，确定优化设计。本文以实地调研与文献分析相结合的方法，对设计元素进行比较，提炼核心利用价值，得出虚拟仿真新思路。

2 具体设计

2.1 设计原理

基于城市天际线的画像平台可对路网进行宏观、中观、微观结构层面的深度剖析，以构建路网结构仿真运行系统，实现对道路交通进行监测、预测的综合管理。同时，以软件人工智能引擎，验证路网结构与交通拥堵的强相关性，揭示路网结构对道路交通运行和管理的影响。

2.2 研究方法

画像平台能够展示选定区域或范围内的路网结构，如交叉口形态、交叉口间距和路网整体连通度等，在横向维度可以进行城市或区域之间的对比，在纵向维度可以进行时间跨度上的对比。它具有平面、三维立体等多视角，以及加载多源数据等多种情景下的仿真画面，满足用户个性化需求。基于融合路网结构、交通运行、交通流量、天气气象等多层域大数据构建商圈路网监测模型，通过路网交通实时监测分析路口、路段及区域路网，能够精准探究交通拥堵、秩序混乱的问题根源。开展交通拥堵风险隐患排查，按照类别及重要程度统计分析风险隐患点段。针对研判排查的道路交通问题，在深度溯源的基础上，可以从路网结构改善、交通组织优化设计、交通信号控制、交通通行管制等方面，分类别、分场景提出解决方案，并可开展全过程交通状况及改善效果评估[2]。

2.3 作品技术关键和主要技术指标

2.3.1 作品技术关键

（1）借力成熟的三维游戏引擎，快速构建三维沉浸式交通场景。城市天际线的三维仿真引擎提供经济美观的交互界面，同时提供很多具有二次开发功能的组件模块，可以快速构建沉浸式交通场景。同时，相对于定制式的三维仿真软件来说，城市天际线作为一款成熟的游戏软件，软件成本相对较低，且操作便捷，上手难度小，很适用于基层的交通管理部门。

（2）基于人工智能的交通流量更新预测，能够科学评估交通组织优化方案对未来交通的适应性。城市天际线可基于人工智能算法，预估城市随着经济发展而导致的人口规模和机动车保有量增加，并实时反映在对交通出行的影响上。可以基于该平台，分析交通组织优化方案对未来交通场景的适用性。

2.3.2 主要技术指标

（1）支持大范围城市场景的展示。目前，基于城市天际线三维引擎，交通管理监控平台可以支持10km×10km的大场景展示。并且它可以提供精细度的道路交通三维模型，包括现实中最常用的双车道、4车道、6车道、高速公路、单行线、人行道以及各种绿化带的道路。用户可以根据现实需求设置各种道路，创造各种道路类型。

（2）支持多种场景和自然条件下的城市交通模拟。支持白天、黑夜的场景转换以及常见的4种天气环境：晴天、雨天、雪天、雾天，展现不同天气环境下的交通情况。

（3）支持对城市路网交通运行情况、路段拥堵情况进行详细数据分析与评估。支持数据指标：道路交通量、车辆延误时间、交叉口通行能力、信号周期及配时等。

2.4 五一商圈现状

五一商圈地处长沙市商业圈的最中心，覆盖公共交通：公交线路16条、长沙地铁2号线、长沙地铁1号线以及长沙快速公交。

2.5 五一商圈道路路网交通拥堵情况排查

应用城市天际线构建五一商圈道路路网结构，可对交通拥堵进行排查，通过平台溯源分析显示由于道路结构不合理、路段车流量较大导致的交通拥堵路段，如图1所示。经平台筛选排查，共筛查拥堵点段三处、路口形态设计不合理两处。

图1 拥堵点段示意图

2.6 五一商圈重点交叉口优化改造

以五一大道—蔡锷中路交叉口为例，基于城市天际线的路网画像平台进行交叉口的优化改造。五一大道—蔡锷中路十字交叉口是五一大道上一个重要的交叉路口，西连五一广场，东连芙蓉广场，是连接两条主干道交叉口的重要枢纽。路口周边有国金中心、世茂大厦等重要商业设施，以及省人民医院等公共建筑，路口交通组成种类多，交通流量大，根据车流量统计，其中以五一大道东进口车流量最大，其次是北进口，即蔡锷中路往解放路方向流量，情况复杂[3]。

2.6.1 路口交通组织渠化情况

五一大道—蔡锷中路交叉口为十字交叉口，采用多相位定时信号灯控制。其中，五一大道道路断面为一块板结构，路段现状为双向8车道，两侧设有非机动车道（宽度1.5m），道路中心设置有中心护栏。蔡锷中路道路断面为一块板结构，路段现状为单向四车道，两侧设有非机动车道（宽度1.5m），交叉口渠化现状如表1所示，其仿真效果如图2所示。

表1 五一大道—蔡锷中路车道渠化现状

图2 五一大道—蔡锷中路车道仿真图

2.6.2 五一大道—蔡锷中路交叉口交通组织设计问题概括与分析

交叉口交通组织设施问题：五一大道南北向因交通流量较大影响，未设置路面人行横道，行人过街需绕行至五一广场地铁站或走地下人行通道。行人大多不知道地下通道位置，且地下通道指示牌位置设计不合理，指示牌被道旁树所遮挡。从行人心理角度分析，为方便选择在东西向机动车停止行驶时直接横穿马路，存在较大交通安全隐患。交叉口西进口方向非机动车左转需求量大，非机动车驾驶员常以机动车信号灯为准，不按规定路线行驶，直接左转驶入机动车道，在信号灯变灯时滞留在交叉口中央[4]。

交叉口信号配时问题：晚高峰时段五一大道东往西车流量过大，五一大道整体交通流压力大，受芙蓉广场交叉口与橘子洲大桥车流积压影响，五一大道—蔡锷中路交叉口车流积压严重，需要进行二次放行。同时，交叉口在相位相序上，南北向同时放行，行人与非机动车同时过街，交通秩序混乱。并且南北向非机动车交通流短时间增长迅速，无法短时间全部有序进入非机动车道，导致非机动车不按规定车道行驶，易与机动车发生剐蹭、碰撞事故。受相位相序影响，当南北向相序放行时，交叉口北进口方向左转机动车流与对向南进口方向非机动车流相冲突。西进口机动车右转礼让行人与行人过街相冲突[5]。

2.6.3 五一大道—蔡锷中路交叉口组织设计优化方案

交叉口交通组织设施优化。划设非机动车左转引导线。在我国道路交通法中规定，非机动车在驶入有信号灯控制的交叉路口时，需让直行车辆以及行人优先通过。在左转时，需在路口中心点的右侧转弯。解决交叉口非机动车左转问题，可在交叉口东西进口方向划设非机动车左转行驶引导标线，当交叉口机动车信号相位为东进口左转放行时，非机动车可随引导标线依次进行左转。规范行人过街指示标牌设置：在交叉口五一大道南北向增设行人地下过街通道指示牌，规范指示牌位置设置，利用指路标牌做好宣传引导。

交叉口信号配时优化。调整交叉口信号相位相序。在早晚高峰时段增加两个相位，由原四相位相序：东西直行、东进口直行左转、北进口直行左转、东进口左转，调整为：东西直行、东进口直行左转、东进口直行（晚高峰）、西进口直行（早高峰）、北进口直行左转、东进口左转的五相位。分早晚高峰时段运行，平峰时段调整信号相序以协调机动车流与非机动车流。交叉口机动车信号相位与行人信号相位协调优化，西进口方向右转不受信号灯管控，在蔡锷中路行人通行时发生冲突，不利于交通管理，容易发生交通事故。通过调整机动车信号相位相序与行人过街指示灯，将交叉口西进口右转指示灯与蔡锷中路过街指示灯做到匹配协调[6]。

2.7 三维沉浸式仿真

2.7.1 设置交叉口红绿灯

以TMPE交通管理模组为接口，在交叉口位置添加信号指示灯。根据仿真模型评价数据、实地测算的交叉口交通量数据，对四组信号灯组进行调配，调配效果如图3、图4所示。

图3 调配效果（指示灯）

图4 调配效果（右转）

2.7.2 车辆路径决策

选择交通管理模组中车道锁定功能，对车辆路径决策进行设置。规范车辆行驶路径，防止车辆在交叉口随意变道，具体效果如图5、图6所示。

图5 车辆路径决策图

图6 根据交叉口渠化方案增加右转专用车道图

3 创新特色

3.1 功能组件管理的模块化

本系统采取模块化交通管理模组对交通组织优化方案进行三维呈现，模组之间互不干扰，可同时选择多个模组运行，提供的操作配置界面直观清晰、简单易懂，上手难度小，可操作性强。

3.2 典型交通管理实战案例的可复用性

系统可基于典型交通管理案例构建案例库，提高交通组织优化方法的可复用性，为交通管理的科学决策提供案例依据，还可将典型案例作为教学使用。

3.3 软件应用的可扩展性

通过两款仿真软件的结合，还可以对城市公交专用车道、潮汐车道、停车场等交通管理体系构建丰富多样的设计模型[7]。

4 应用前景

本产品具有以下三个优点：①本软件利用成熟的三维游戏引擎，提供了精美的沉浸式交通场景画面；②本作品支持多种自然环境的模拟和未来交通流量的预测；③利用成熟的三维引擎的软件开发成本要低于定制式三维引擎的开发成本。画像平台面向公安交管部门，能够实时监测道路交通状况，精准识别道路拥堵隐患点段，开展因路网结构对道路交通拥堵问题的溯源研判，预测未来道路交通拥堵路段，提出道路交通优化方案。面向规划设计单位，可以辅助开展道路交通规划设计、交通组织优化，以及道路交通改造建设等，验证解决方案的安全性与有效性。面向高校科研单位，可为开展道路交通规划、交通组织设计等教学实验提供创新思路。