基于城市天際線的城市商圈路網畫像平臺
——以長沙市五一商圈為例

龍綺泓，張紀元，方斌

湖南警察學院，湖南長沙，410138

0 引言

在城市發展日益迅猛的時代，城市交通路網體系影響著經濟的發展。隨著經濟發展與城市交通基礎設施建設的差距拉大，城市道路交通擁堵現象頻發[1]，本文以長沙市五一大道—蔡鍔中路交叉口為例，根據交叉口的運行現狀，分析交叉口目前存在的主要問題，并提出優化設計方案。應用仿真軟件對交叉口交通設施、標志標線以及信號配時進行優化，通過交通組織設計優化方案研究解決交叉口信號相位配時優化、機動車信號相位與行人信號相位協調優化、機動車道與非機動車道協調設置以及五一大道南北方向行人過街問題，并對交叉口優化前后進行3D建模運行，以三維場景效果驗證方案的合理有效性。結果顯示，通過優化交叉口交通組織設施、優化交叉口信號相位配時等措施有效優化了五一大道—蔡鍔中路交叉口的交通狀況，解決了路口晚高峰時段的嚴重交通擁堵問題，規范了行人過街與非機動車出行，提高了五一大道—蔡鍔中路路段的通行效率，使交通參與者出行更加安全、高效、有序。

1 研究背景

城市道路交通系統是城市運行的重要組成部分，城市路網中交通流的匯聚、分散、轉向，會產生合流、分流、交織、擁堵沖突等現象。城市天際線是人們了解一個城市整體形象與景觀的重要途徑。部分學者提出重點從“理層次—控高度—透綠廊”三方面，對各地塊實際測算后運用仿真模型模擬，確定優化設計。本文以實地調研與文獻分析相結合的方法，對設計元素進行比較，提煉核心利用價值，得出虛擬仿真新思路。

2 具體設計

2.1 設計原理

基于城市天際線的畫像平臺可對路網進行宏觀、中觀、微觀結構層面的深度剖析，以構建路網結構仿真運行系統，實現對道路交通進行監測、預測的綜合管理。同時，以軟件人工智能引擎，驗證路網結構與交通擁堵的強相關性，揭示路網結構對道路交通運行和管理的影響。

2.2 研究方法

畫像平臺能夠展示選定區域或范圍內的路網結構，如交叉口形態、交叉口間距和路網整體連通度等，在橫向維度可以進行城市或區域之間的對比，在縱向維度可以進行時間跨度上的對比。它具有平面、三維立體等多視角，以及加載多源數據等多種情景下的仿真畫面，滿足用戶個性化需求?；谌诤下肪W結構、交通運行、交通流量、天氣氣象等多層域大數據構建商圈路網監測模型，通過路網交通實時監測分析路口、路段及區域路網，能夠精準探究交通擁堵、秩序混亂的問題根源。開展交通擁堵風險隱患排查，按照類別及重要程度統計分析風險隱患點段。針對研判排查的道路交通問題，在深度溯源的基礎上，可以從路網結構改善、交通組織優化設計、交通信號控制、交通通行管制等方面，分類別、分場景提出解決方案，并可開展全過程交通狀況及改善效果評估[2]。

2.3 作品技術關鍵和主要技術指標

2.3.1 作品技術關鍵

（1）借力成熟的三維游戲引擎，快速構建三維沉浸式交通場景。城市天際線的三維仿真引擎提供經濟美觀的交互界面，同時提供很多具有二次開發功能的組件模塊，可以快速構建沉浸式交通場景。同時，相對于定制式的三維仿真軟件來說，城市天際線作為一款成熟的游戲軟件，軟件成本相對較低，且操作便捷，上手難度小，很適用于基層的交通管理部門。

（2）基于人工智能的交通流量更新預測，能夠科學評估交通組織優化方案對未來交通的適應性。城市天際線可基于人工智能算法，預估城市隨著經濟發展而導致的人口規模和機動車保有量增加，并實時反映在對交通出行的影響上?？梢曰谠撈脚_，分析交通組織優化方案對未來交通場景的適用性。

2.3.2 主要技術指標

（1）支持大范圍城市場景的展示。目前，基于城市天際線三維引擎，交通管理監控平臺可以支持10km×10km的大場景展示。并且它可以提供精細度的道路交通三維模型，包括現實中最常用的雙車道、4車道、6車道、高速公路、單行線、人行道以及各種綠化帶的道路。用戶可以根據現實需求設置各種道路，創造各種道路類型。

（2）支持多種場景和自然條件下的城市交通模擬。支持白天、黑夜的場景轉換以及常見的4種天氣環境：晴天、雨天、雪天、霧天，展現不同天氣環境下的交通情況。

（3）支持對城市路網交通運行情況、路段擁堵情況進行詳細數據分析與評估。支持數據指標：道路交通量、車輛延誤時間、交叉口通行能力、信號周期及配時等。

2.4 五一商圈現狀

五一商圈地處長沙市商業圈的最中心，覆蓋公共交通：公交線路16條、長沙地鐵2號線、長沙地鐵1號線以及長沙快速公交。

2.5 五一商圈道路路網交通擁堵情況排查

應用城市天際線構建五一商圈道路路網結構，可對交通擁堵進行排查，通過平臺溯源分析顯示由于道路結構不合理、路段車流量較大導致的交通擁堵路段，如圖1所示。經平臺篩選排查，共篩查擁堵點段三處、路口形態設計不合理兩處。

圖1 擁堵點段示意圖

2.6 五一商圈重點交叉口優化改造

以五一大道—蔡鍔中路交叉口為例，基于城市天際線的路網畫像平臺進行交叉口的優化改造。五一大道—蔡鍔中路十字交叉口是五一大道上一個重要的交叉路口，西連五一廣場，東連芙蓉廣場，是連接兩條主干道交叉口的重要樞紐。路口周邊有國金中心、世茂大廈等重要商業設施，以及省人民醫院等公共建筑，路口交通組成種類多，交通流量大，根據車流量統計，其中以五一大道東進口車流量最大，其次是北進口，即蔡鍔中路往解放路方向流量，情況復雜[3]。

2.6.1 路口交通組織渠化情況

五一大道—蔡鍔中路交叉口為十字交叉口，采用多相位定時信號燈控制。其中，五一大道道路斷面為一塊板結構，路段現狀為雙向8車道，兩側設有非機動車道（寬度1.5m），道路中心設置有中心護欄。蔡鍔中路道路斷面為一塊板結構，路段現狀為單向四車道，兩側設有非機動車道（寬度1.5m），交叉口渠化現狀如表1所示，其仿真效果如圖2所示。

表1 五一大道—蔡鍔中路車道渠化現狀

圖2 五一大道—蔡鍔中路車道仿真圖

2.6.2 五一大道—蔡鍔中路交叉口交通組織設計問題概括與分析

交叉口交通組織設施問題：五一大道南北向因交通流量較大影響，未設置路面人行橫道，行人過街需繞行至五一廣場地鐵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設計不合理，指示牌被道旁樹所遮擋。從行人心理角度分析，為方便選擇在東西向機動車停止行駛時直接橫穿馬路，存在較大交通安全隱患。交叉口西進口方向非機動車左轉需求量大，非機動車駕駛員常以機動車信號燈為準，不按規定路線行駛，直接左轉駛入機動車道，在信號燈變燈時滯留在交叉口中央[4]。

交叉口信號配時問題：晚高峰時段五一大道東往西車流量過大，五一大道整體交通流壓力大，受芙蓉廣場交叉口與橘子洲大橋車流積壓影響，五一大道—蔡鍔中路交叉口車流積壓嚴重，需要進行二次放行。同時，交叉口在相位相序上，南北向同時放行，行人與非機動車同時過街，交通秩序混亂。并且南北向非機動車交通流短時間增長迅速，無法短時間全部有序進入非機動車道，導致非機動車不按規定車道行駛，易與機動車發生剮蹭、碰撞事故。受相位相序影響，當南北向相序放行時，交叉口北進口方向左轉機動車流與對向南進口方向非機動車流相沖突。西進口機動車右轉禮讓行人與行人過街相沖突[5]。

2.6.3 五一大道—蔡鍔中路交叉口組織設計優化方案

交叉口交通組織設施優化。劃設非機動車左轉引導線。在我國道路交通法中規定，非機動車在駛入有信號燈控制的交叉路口時，需讓直行車輛以及行人優先通過。在左轉時，需在路口中心點的右側轉彎。解決交叉口非機動車左轉問題，可在交叉口東西進口方向劃設非機動車左轉行駛引導標線，當交叉口機動車信號相位為東進口左轉放行時，非機動車可隨引導標線依次進行左轉。規范行人過街指示標牌設置：在交叉口五一大道南北向增設行人地下過街通道指示牌，規范指示牌位置設置，利用指路標牌做好宣傳引導。

交叉口信號配時優化。調整交叉口信號相位相序。在早晚高峰時段增加兩個相位，由原四相位相序：東西直行、東進口直行左轉、北進口直行左轉、東進口左轉，調整為：東西直行、東進口直行左轉、東進口直行（晚高峰）、西進口直行（早高峰）、北進口直行左轉、東進口左轉的五相位。分早晚高峰時段運行，平峰時段調整信號相序以協調機動車流與非機動車流。交叉口機動車信號相位與行人信號相位協調優化，西進口方向右轉不受信號燈管控，在蔡鍔中路行人通行時發生沖突，不利于交通管理，容易發生交通事故。通過調整機動車信號相位相序與行人過街指示燈，將交叉口西進口右轉指示燈與蔡鍔中路過街指示燈做到匹配協調[6]。

2.7 三維沉浸式仿真

2.7.1 設置交叉口紅綠燈

以TMPE交通管理模組為接口，在交叉口位置添加信號指示燈。根據仿真模型評價數據、實地測算的交叉口交通量數據，對四組信號燈組進行調配，調配效果如圖3、圖4所示。

圖3 調配效果（指示燈）

圖4 調配效果（右轉）

2.7.2 車輛路徑決策

選擇交通管理模組中車道鎖定功能，對車輛路徑決策進行設置。規范車輛行駛路徑，防止車輛在交叉口隨意變道，具體效果如圖5、圖6所示。

圖5 車輛路徑決策圖

圖6 根據交叉口渠化方案增加右轉專用車道圖

3 創新特色

3.1 功能組件管理的模塊化

本系統采取模塊化交通管理模組對交通組織優化方案進行三維呈現，模組之間互不干擾，可同時選擇多個模組運行，提供的操作配置界面直觀清晰、簡單易懂，上手難度小，可操作性強。

3.2 典型交通管理實戰案例的可復用性

系統可基于典型交通管理案例構建案例庫，提高交通組織優化方法的可復用性，為交通管理的科學決策提供案例依據，還可將典型案例作為教學使用。

3.3 軟件應用的可擴展性

通過兩款仿真軟件的結合，還可以對城市公交專用車道、潮汐車道、停車場等交通管理體系構建豐富多樣的設計模型[7]。

4 應用前景

本產品具有以下三個優點：①本軟件利用成熟的三維游戲引擎，提供了精美的沉浸式交通場景畫面；②本作品支持多種自然環境的模擬和未來交通流量的預測；③利用成熟的三維引擎的軟件開發成本要低于定制式三維引擎的開發成本。畫像平臺面向公安交管部門，能夠實時監測道路交通狀況，精準識別道路擁堵隱患點段，開展因路網結構對道路交通擁堵問題的溯源研判，預測未來道路交通擁堵路段，提出道路交通優化方案。面向規劃設計單位，可以輔助開展道路交通規劃設計、交通組織優化，以及道路交通改造建設等，驗證解決方案的安全性與有效性。面向高?？蒲袉挝?，可為開展道路交通規劃、交通組織設計等教學實驗提供創新思路。