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摘要：将GIS技术和VR技术相结合应用于城市交通仿真中，以真实城市场景为基础，通过三维可视化技术，真实感受城市周边环境以及交通运行情况。系统提供用户置身于虚拟城市中，利用感官设备驾驶虚拟车辆穿行于城市交通干道，体验虚拟城市交通的通行能力及各交通路口的管控情况，合理有效的改变城市交通布局，完善城市道路，为城市路网的规划和管理提供可视化平台。本文采用VC.NET、Vega Prime以及API接口实现了城市道路模型自动生成、路网拓扑的自动构建，交通流模拟以及信号灯对车辆行为的约束，通过对信号灯的优化调控，为路网选择最佳控制方案。同时还实现了在三维场景中的实时漫游、交互控制、信息查询、空间分析以及基本GIS功能等。
关键词：Vega Prime；虚拟现实；数字城市；交通仿真
中图分类号：P231.5 文献标识码： A
引言
随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，车辆急速增涨，虽然国家先后出台了多种控制举措，但仍然没有减轻车辆对城市交通造成的巨大压力。如何利用高新技术手段改善城市交通环境，提高通行能力，寻找最佳的交通控制和管理措施，是城市交通管理部门急需解决的问题。
虚拟现实（Virtual Reality）技术是近年来随着多媒体技术的成熟开始发展的一种新兴技术，它具有沉浸感强、人机互动良好等特点，这些特点决定了虚拟现实技术尤其适合于城市交通模拟研究和应用【1】。将虚拟现实技术应用在城市交通仿真中，以现实的城市道路为基本，三维虚拟城市的每个街区，用户将真实感受周围的各种建筑，路边的花草、树木，交通流运行情况。还可以通过相应的感官设备置身于虚拟城市交通之中，驾驶虚拟车辆穿行于城市交通干道，亲自体验虚拟城市交通的通行能力及各个交通路口的管理和控制情况【2】。除了提供用户感官体验外，城市规划者可以直接在三维虚拟城市中进行道路规划与设计。通过直观了解道路周边环境，可以更全面的考虑道路与周边环境的协调性关系以及对交通安全的影响，从而更好的优化道路设计。
本文在前期研究成果的基础上，利用VC.NET平台、视景仿真工具Multigen Creator/Vega Prime及其提供的应用程序接口OpenFlight API与Vega Prime API实现城市道路模型的自动生成、路网拓扑结构的自动构建，交通流模拟以及信号灯对车辆行为的管控，并通过对信号灯周期时常的优化，为路网设计选择最佳方案。同时还实现了三维虚拟环境中的场景编辑、空间分析、空间查询、基础GIS等功能。以进一步探索虚拟现实技术应用于交通领域的适用性以及发展前景。
交通仿真技术的研究现状
国外研究现状
国外的交通仿真研究发展阶段基本上经历了20世纪50-60年代、70-80年代以及90年代初以来这三个比较明显的发展阶段。
国外交通仿真研究始于20世纪60年代，这一时期的交通仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为应用目的，模型多采用宏观模型，模型的灵活性和描述能力较为有限，仿真结果的表达也不够理想，这也是由当时的计算机性能所决定的。20世纪70年代至80年代，交通仿真模型的精度迅速提高，功能更加多样，这一阶段大部分常见的交通现象如跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行人冲突、短车道溢出等，以及常见的交通管控措施如固定信号、控制感应、控制主次、优先控制、车道关闭等均可进行模拟。20世纪90年代以来 交通仿真技术更加注重软件的易操作性和可扩展性，用户界面更友好，软件的开放性更高，系统集成性能更佳，并且通过引入虚拟现实建模技术增强软件的表现力和感染力。另一方面 交通仿真软件的功能不断得以完善，对公交优先、复杂交通控制、停车仿真、智能交通系统（ITS）功能实现、地理信息系统GIS技术、宏微观交互、动态交通分配等领域都进行了深入和拓展【3】【4】。
国内研究现状
与国外相比国内在交通仿真方面的研究起步较晚，直至20世纪90年代以后，国内交通工程界逐渐注意到交通仿真研究的重要性。同济大学、东南大学、交通运输部公路科学研究院等一批科研机构开始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成果，但都为针对一些局部或特定问题的研究【3】。21世纪以来，通过对国外成果的消化吸收并加入技术创新，出现了一些面向网络交通分析较为系统化的研究成果，如同济大学先后开发的TJTS模型【5】和TESS
模型【6】，山东省科学院开发的用于实时交通预测的仿真模型DynaCHINA【7】。此外在较大规模的系统集成应用方面有深圳市城市交通仿真系统和北京奥运交通仿真系统等【3】。另外在集成运用GIS、多智能体（MAS）和元胞自动机（CA）等新技术开展交通仿真领域的交叉研究方面已经取得了业内专家的普遍关注，并取得一定进展。交通仿真技术经历了从单点交叉口到网络交通仿真，从传统的面向常规交通管理、交通规划与设计等领域的应用到面向智能交通系统应用的发展过程，当前交通仿真技术的主要应用背景就是智能交通领域【4】。但总的来说目前国内道路交通系统仿真产品开发尚处于集成应用进口软件系统阶段，距离形成普遍应用的商品化仿真软件产品的水平还有一定差距【3】。
基于Vega Prime的城市交通仿真系统总体设计
本文以道路与环境之间的协调性这一设计理念为切入点，研究并开发完善了城市交通仿真系统。系统采用OpenFlight数据库的Vega Prime软件系统，VC.NET集成开发环境，以多线程方式调用Vega Prime API，从而更好的实现视景仿真控制。
系统总体设计
系统采用软件工程开发中的结构化和原型化相结合的方法，自顶而下进行功能解析与模块划分，图1为系统功能架构图。
图 1系统功能架构图
系统开发流程
用户在虚拟城市三维场景中绘制道路中心线，输入道路相关参数，利用OpenFlight API自动生产道路三维模型；通过SQL Server建立路网信息数据库，自动创建路网拓扑结构；应用实时仿真软件Vega Prime集成并驱动三维模型，实现虚拟场景的实时漫游、信息查询、空间分析、虚拟仿真等交互控制；应用Vega Prime API对场景模型进行实时编辑，结合路网拓扑结构实现车辆按需分布，并通过对信号灯的设置实现对交通流的仿真模拟。
图 2系统开发流程图
功能设计
系统主要功能模块有：
1、场景编辑模块
该模块主要实现对三维虚拟场景的编辑功能。主要功能有：在三维场景中添加DEM、DOM、添加单体三维模型、添加多个三维模型、模型编辑以及自然环境设置等功能。在三维场景中科实时添加、删除、移动模型，修改模型的属性信息以及特征信息；可隐藏/显示拾取的单体模型，也可通过范围区域选择，隐藏/显示范围内多个物体模型；可根据场景需要设置雨、雪等自然环境。
2、路网编辑模块
该模块主要实现道路三维模型的自动生成以及路网拓扑创建等。主要功能有：根据用户绘制的道路中心线自动生成道路三维模型、道路模型的纹理编辑、道路模型属性信息编辑以及路网拓扑结构生成。在场景的俯视通道中，为用户提供了场景的地形正投影的二维平面图。用户可以在平面图中绘制道路中心线，通过设置道路形态属性信息，自动生成道路几何模型；根据道路类型的不同选择合适的纹理及纹理映射，最終生成道路的三维模型，同时完成路网拓扑结构的创建。
3、交通流设置模块
该模块主要实现城市交通流的模拟仿真。道路模型生成后，路网拓扑结构被自动创建，通过路径选择以及车辆数量的设置，在设定车辆行驶速度后，实现城市交通流仿真。主要功能有：添加车辆模型、设置车辆模型数量、车速编辑以及交通流模拟等。通过对车辆数量以及车辆运行速度模拟城市交通仿真。
4、信号灯设置模块
该模块主要实现对信号灯的设置。可在指定交叉路口处添加信号灯，也可对整个路网批量添加信号灯，实现对车辆行为的管制；通过调控信号灯周期时常，寻找最佳信号灯控制方案。主要功能有：添加单个信号灯、批量添加信号灯、信号灯周期调整等。
5、空间分析模块
该模块主要实现空间分析功能。主要功能有：空间信息查询定位、最优路径查询、属性信息编辑、空间测量等。
6、基础GIS模块
该模块主要实现基础GIS功能。主要功能有：空間漫游、第一人称漫游/第三人称漫游、鹰眼、图层控制等。
结语
本文通过对虚拟现实技术以及三维可视化技术在城市交通仿真中的应用的优势及应用前景的分析，着重研究了虚拟现实技术在城市交通仿真系统中的应用。在三维场景中自动生成道路三维模型并创建路网拓扑结构；通过设置车辆模型的数量以及车辆运行速度，实现城市交通流的仿真；利用碰撞检测技术实现车辆与车辆之间以及车辆与景观物体之间的碰撞检测，并通过交通信号灯的控制与优化，实现对路网中车辆行为能力的约束，为城市道路规划提供依据。通过本系统的研究为虚拟现实技术在城市交通仿真的应用奠定基础。
参考文献
[1]罗元,谢波,彭卫兵等.基于Vega Prime的虚拟现实车辆智能运动模拟[J].浙江工业大学学报,2013,41(4):458-472.
[2]费娜.虚拟仿真技术在城市交通仿真系统中的应用研究[D].天津城建学院,2009.
[3]耿彦斌,张雪莲.关于我国交通仿真技术发展战略的思考[J].现代交通技术,2010,7(4):71-85.
[4]邹智军,新一代交通仿真技术综述[J].系统仿真学报,2010,22(9):2037-2042.
[5]邹智军,杨东援.TJTS仿真系统的应用[J].中国公路学报,2001,14(21):92-96.
[6]杨晓光,孙剑.面向ITS的交通仿真实验系统[J].长沙理工大学学报,2006,3(3):43-48.
[7]刘学军,林勇.动态中国实时交通预报系统的理论框架研究[J].山东科学,2007,(20)3:15-18,22.
关键词：Vega Prime；虚拟现实；数字城市；交通仿真
中图分类号：P231.5 文献标识码： A
引言
随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，车辆急速增涨，虽然国家先后出台了多种控制举措，但仍然没有减轻车辆对城市交通造成的巨大压力。如何利用高新技术手段改善城市交通环境，提高通行能力，寻找最佳的交通控制和管理措施，是城市交通管理部门急需解决的问题。
虚拟现实（Virtual Reality）技术是近年来随着多媒体技术的成熟开始发展的一种新兴技术，它具有沉浸感强、人机互动良好等特点，这些特点决定了虚拟现实技术尤其适合于城市交通模拟研究和应用【1】。将虚拟现实技术应用在城市交通仿真中，以现实的城市道路为基本，三维虚拟城市的每个街区，用户将真实感受周围的各种建筑，路边的花草、树木，交通流运行情况。还可以通过相应的感官设备置身于虚拟城市交通之中，驾驶虚拟车辆穿行于城市交通干道，亲自体验虚拟城市交通的通行能力及各个交通路口的管理和控制情况【2】。除了提供用户感官体验外，城市规划者可以直接在三维虚拟城市中进行道路规划与设计。通过直观了解道路周边环境，可以更全面的考虑道路与周边环境的协调性关系以及对交通安全的影响，从而更好的优化道路设计。
本文在前期研究成果的基础上，利用VC.NET平台、视景仿真工具Multigen Creator/Vega Prime及其提供的应用程序接口OpenFlight API与Vega Prime API实现城市道路模型的自动生成、路网拓扑结构的自动构建，交通流模拟以及信号灯对车辆行为的管控，并通过对信号灯周期时常的优化，为路网设计选择最佳方案。同时还实现了三维虚拟环境中的场景编辑、空间分析、空间查询、基础GIS等功能。以进一步探索虚拟现实技术应用于交通领域的适用性以及发展前景。
交通仿真技术的研究现状
国外研究现状
国外的交通仿真研究发展阶段基本上经历了20世纪50-60年代、70-80年代以及90年代初以来这三个比较明显的发展阶段。
国外交通仿真研究始于20世纪60年代，这一时期的交通仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为应用目的，模型多采用宏观模型，模型的灵活性和描述能力较为有限，仿真结果的表达也不够理想，这也是由当时的计算机性能所决定的。20世纪70年代至80年代，交通仿真模型的精度迅速提高，功能更加多样，这一阶段大部分常见的交通现象如跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行人冲突、短车道溢出等，以及常见的交通管控措施如固定信号、控制感应、控制主次、优先控制、车道关闭等均可进行模拟。20世纪90年代以来 交通仿真技术更加注重软件的易操作性和可扩展性，用户界面更友好，软件的开放性更高，系统集成性能更佳，并且通过引入虚拟现实建模技术增强软件的表现力和感染力。另一方面 交通仿真软件的功能不断得以完善，对公交优先、复杂交通控制、停车仿真、智能交通系统（ITS）功能实现、地理信息系统GIS技术、宏微观交互、动态交通分配等领域都进行了深入和拓展【3】【4】。
国内研究现状
与国外相比国内在交通仿真方面的研究起步较晚，直至20世纪90年代以后，国内交通工程界逐渐注意到交通仿真研究的重要性。同济大学、东南大学、交通运输部公路科学研究院等一批科研机构开始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成果，但都为针对一些局部或特定问题的研究【3】。21世纪以来，通过对国外成果的消化吸收并加入技术创新，出现了一些面向网络交通分析较为系统化的研究成果，如同济大学先后开发的TJTS模型【5】和TESS
模型【6】，山东省科学院开发的用于实时交通预测的仿真模型DynaCHINA【7】。此外在较大规模的系统集成应用方面有深圳市城市交通仿真系统和北京奥运交通仿真系统等【3】。另外在集成运用GIS、多智能体（MAS）和元胞自动机（CA）等新技术开展交通仿真领域的交叉研究方面已经取得了业内专家的普遍关注，并取得一定进展。交通仿真技术经历了从单点交叉口到网络交通仿真，从传统的面向常规交通管理、交通规划与设计等领域的应用到面向智能交通系统应用的发展过程，当前交通仿真技术的主要应用背景就是智能交通领域【4】。但总的来说目前国内道路交通系统仿真产品开发尚处于集成应用进口软件系统阶段，距离形成普遍应用的商品化仿真软件产品的水平还有一定差距【3】。
基于Vega Prime的城市交通仿真系统总体设计
本文以道路与环境之间的协调性这一设计理念为切入点，研究并开发完善了城市交通仿真系统。系统采用OpenFlight数据库的Vega Prime软件系统，VC.NET集成开发环境，以多线程方式调用Vega Prime API，从而更好的实现视景仿真控制。
系统总体设计
系统采用软件工程开发中的结构化和原型化相结合的方法，自顶而下进行功能解析与模块划分，图1为系统功能架构图。
图 1系统功能架构图
系统开发流程
用户在虚拟城市三维场景中绘制道路中心线，输入道路相关参数，利用OpenFlight API自动生产道路三维模型；通过SQL Server建立路网信息数据库，自动创建路网拓扑结构；应用实时仿真软件Vega Prime集成并驱动三维模型，实现虚拟场景的实时漫游、信息查询、空间分析、虚拟仿真等交互控制；应用Vega Prime API对场景模型进行实时编辑，结合路网拓扑结构实现车辆按需分布，并通过对信号灯的设置实现对交通流的仿真模拟。
图 2系统开发流程图
功能设计
系统主要功能模块有：
1、场景编辑模块
该模块主要实现对三维虚拟场景的编辑功能。主要功能有：在三维场景中添加DEM、DOM、添加单体三维模型、添加多个三维模型、模型编辑以及自然环境设置等功能。在三维场景中科实时添加、删除、移动模型，修改模型的属性信息以及特征信息；可隐藏/显示拾取的单体模型，也可通过范围区域选择，隐藏/显示范围内多个物体模型；可根据场景需要设置雨、雪等自然环境。
2、路网编辑模块
该模块主要实现道路三维模型的自动生成以及路网拓扑创建等。主要功能有：根据用户绘制的道路中心线自动生成道路三维模型、道路模型的纹理编辑、道路模型属性信息编辑以及路网拓扑结构生成。在场景的俯视通道中，为用户提供了场景的地形正投影的二维平面图。用户可以在平面图中绘制道路中心线，通过设置道路形态属性信息，自动生成道路几何模型；根据道路类型的不同选择合适的纹理及纹理映射，最終生成道路的三维模型，同时完成路网拓扑结构的创建。
3、交通流设置模块
该模块主要实现城市交通流的模拟仿真。道路模型生成后，路网拓扑结构被自动创建，通过路径选择以及车辆数量的设置，在设定车辆行驶速度后，实现城市交通流仿真。主要功能有：添加车辆模型、设置车辆模型数量、车速编辑以及交通流模拟等。通过对车辆数量以及车辆运行速度模拟城市交通仿真。
4、信号灯设置模块
该模块主要实现对信号灯的设置。可在指定交叉路口处添加信号灯，也可对整个路网批量添加信号灯，实现对车辆行为的管制；通过调控信号灯周期时常，寻找最佳信号灯控制方案。主要功能有：添加单个信号灯、批量添加信号灯、信号灯周期调整等。
5、空间分析模块
该模块主要实现空间分析功能。主要功能有：空间信息查询定位、最优路径查询、属性信息编辑、空间测量等。
6、基础GIS模块
该模块主要实现基础GIS功能。主要功能有：空間漫游、第一人称漫游/第三人称漫游、鹰眼、图层控制等。
结语
本文通过对虚拟现实技术以及三维可视化技术在城市交通仿真中的应用的优势及应用前景的分析，着重研究了虚拟现实技术在城市交通仿真系统中的应用。在三维场景中自动生成道路三维模型并创建路网拓扑结构；通过设置车辆模型的数量以及车辆运行速度，实现城市交通流的仿真；利用碰撞检测技术实现车辆与车辆之间以及车辆与景观物体之间的碰撞检测，并通过交通信号灯的控制与优化，实现对路网中车辆行为能力的约束，为城市道路规划提供依据。通过本系统的研究为虚拟现实技术在城市交通仿真的应用奠定基础。
参考文献
[1]罗元,谢波,彭卫兵等.基于Vega Prime的虚拟现实车辆智能运动模拟[J].浙江工业大学学报,2013,41(4):458-472.
[2]费娜.虚拟仿真技术在城市交通仿真系统中的应用研究[D].天津城建学院,2009.
[3]耿彦斌,张雪莲.关于我国交通仿真技术发展战略的思考[J].现代交通技术,2010,7(4):71-85.
[4]邹智军,新一代交通仿真技术综述[J].系统仿真学报,2010,22(9):2037-2042.
[5]邹智军,杨东援.TJTS仿真系统的应用[J].中国公路学报,2001,14(21):92-96.
[6]杨晓光,孙剑.面向ITS的交通仿真实验系统[J].长沙理工大学学报,2006,3(3):43-48.
[7]刘学军,林勇.动态中国实时交通预报系统的理论框架研究[J].山东科学,2007,(20)3:15-18,22.