陳云驥

(南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 江蘇南京 210000)

基于VISSIM的交通方案效果評估

陳云驥

(南京市城市與交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 江蘇南京 210000)

交通方案效果評估是近年來工程實(shí)踐中的熱門領(lǐng)域，目的在于將交通方案實(shí)施后的效果直觀地展示給決策者。文章首先介紹了VISSIM軟件的特點(diǎn)、適用領(lǐng)域和優(yōu)勢。然后以具體工程項(xiàng)目為依托，系統(tǒng)闡述了如何利用VISSIM及相關(guān)軟件進(jìn)行交通設(shè)計(jì)方案的前后指標(biāo)對比和效果展示。利用CAD底圖在VISSIM軟件中建立路網(wǎng)模型，結(jié)合交通調(diào)查數(shù)據(jù)完成交通參數(shù)的標(biāo)定、交通量的輸入和交通控制方案的設(shè)定，計(jì)算現(xiàn)狀的飽和度和排隊(duì)長度；利用3d Max和SketchUp軟件建立三維場景，包括交通標(biāo)志標(biāo)線標(biāo)牌和路網(wǎng)周圍建筑物模型的三維場景建立；運(yùn)用V3DM軟件對三維場景進(jìn)行色彩處理；最后在VISSIM中進(jìn)行仿真導(dǎo)出為視頻片段，同樣計(jì)算飽和度和排隊(duì)長度。效果證明，該方法對于交通方案的效果展示十分有效，可以直觀的將交通設(shè)計(jì)方案實(shí)施后的交通流運(yùn)行情況體現(xiàn)出來。

VISSIM； 交通仿真； 排隊(duì)長度； 三維場景

在傳統(tǒng)的交通規(guī)劃設(shè)計(jì)中，交通工程師解決交通問題的任何建議，都需要政府部門的批準(zhǔn)而實(shí)施，因此交通工程師在提出改造建議的同時(shí)，還要演示、證明其提出建議的合理性，由于現(xiàn)代化交通系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致難以靠簡單的幾個(gè)數(shù)學(xué)公式或原則說明其方案的合理性。所以近年來在工程領(lǐng)域，運(yùn)用各種計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行交通方案的仿真，最后輸出效果圖片、效果視頻或者是數(shù)據(jù)的案例非常普遍。這些技術(shù)能夠使決策者親眼看到未來?xiàng)l件下的“真實(shí)”交通狀況，從而進(jìn)行正確決策，這是任何其他手段所難以實(shí)現(xiàn)的。

1 交通仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為一門獨(dú)立的學(xué)科始于20世紀(jì)40年代，20世紀(jì)70年代以來，隨著系統(tǒng)科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模擬技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于幾乎所有的學(xué)科。從廣義的角度上看，仿真是對實(shí)物的模仿、語言描述、圖形、視頻或者關(guān)系式等[1]。

交通仿真是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。交通工程師在解決交通問題時(shí)，都不同形式地使用某一種模擬技術(shù)。交通工程師早期多用物理模型——實(shí)物模型，即所研究交通系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)施模型來幫助他們估計(jì)特定設(shè)施的改進(jìn)效益或費(fèi)用指標(biāo)。如設(shè)計(jì)道路的設(shè)計(jì)圖、設(shè)計(jì)信號配置的時(shí)—空圖等。

隨著交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化，交通工程師們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的模擬技術(shù)已不可能再解決日益復(fù)雜的交通問題。因?yàn)檫@時(shí)已經(jīng)不再是決策諸如“是否需要建設(shè)一條新路”的問題，而是如何利用可以使用的一切方法來提高已有道路的運(yùn)載能力問題，要處理一個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)上具有相互影響關(guān)系的交通問題不可能用一個(gè)解析模型來解決，更不用說靠手工推演計(jì)算。這時(shí)人們自然想到需要研究發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。

到目前為止，國內(nèi)外已經(jīng)推出了幾百種交通模擬軟件，這些軟件包括用于交叉口、城市主干道、高速公路、鄉(xiāng)村公路、局部交通網(wǎng)絡(luò)等類模擬軟件以及一些集成交通模擬系統(tǒng)軟件?？煞譃楹暧^交通模擬軟件、中觀交通模擬軟件、微觀交通模擬軟件三種類型。其中，宏觀交通模擬軟件的代表有TranStar、TransCAD，中觀交通模擬軟件的代表有DYNEMO、DYNASMART，微觀交通模擬軟件的代表有VISSIM、Legion。在本研究中，采用VISSIM作為仿真平臺。

2 VISSIM軟件介紹

VISSIM是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用以建模和分析各種交通條件下(車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號、公交站點(diǎn)等)，城市交通和公共交通的運(yùn)行狀況，是評價(jià)交通工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃方案的有效工具。它采用的是Wiedemann教授提出的車輛跟馳模型(圖1)，是到目前為止計(jì)算機(jī)交通仿真技術(shù)中最為精確的模型之一[2]。

圖1 跟車模型

VISSIM能在一個(gè)模型中模擬所有交通參與者及他們的交互活動(dòng)，包括私人機(jī)動(dòng)車、貨車、有軌公共交通和道路公共交通、行人以及自行車。該軟件內(nèi)置多種分析手段，是評價(jià)和規(guī)劃城市以及郊區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的高效工具。

在工程項(xiàng)目領(lǐng)域，由于VISSIM提供了圖形化的界面，采用2D和3D動(dòng)畫向用戶直觀顯示車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特別是3D模式能夠增強(qiáng)演示效果，所以能夠把專業(yè)化的方案直觀的展示出來。

3 基于VISSIM的交通仿真

3.1 基礎(chǔ)路網(wǎng)的建立

一般的交通規(guī)劃設(shè)計(jì)方案都是在CAD中進(jìn)行表達(dá)，所以在進(jìn)行交通仿真之前，首先要繪制CAD文件，作為VISSIM仿真的路網(wǎng)底圖，利用CAD底圖直接作為仿真底圖的優(yōu)點(diǎn)是不用進(jìn)行縮放，而且能夠保留原始的世界坐標(biāo)。非常適合合并基于同一個(gè)全球坐標(biāo)系統(tǒng)而建立的多個(gè)子路網(wǎng)。

利用導(dǎo)入到VISSIM中的CAD文件，如果遇到無法直接導(dǎo)入CAD文件的情況，應(yīng)將CAD文件保存為圖元文件wmf格式再導(dǎo)入。此時(shí)，不需要對底圖進(jìn)行縮放，可以直接按照CAD里面的實(shí)際尺寸建立起精確的路網(wǎng)模型。如前所述，在建立大型片區(qū)路網(wǎng)時(shí)，可以由多人建立起不同片區(qū)的子路網(wǎng)，然后基于全球坐標(biāo)進(jìn)行合并。

3.2 交通環(huán)境的設(shè)置

基礎(chǔ)路網(wǎng)建立之后，必須根據(jù)交通調(diào)查的結(jié)果，首先定義交通構(gòu)成和車速分布，然后在路網(wǎng)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)如交通流量的輸入、定義靜態(tài)行駛路徑；此外，還應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的交通管理控制系統(tǒng)的設(shè)定，例如設(shè)置交通信號燈、定義沖突區(qū)等。

該環(huán)節(jié)的設(shè)置對于仿真與實(shí)際情況的接近程度起到?jīng)Q定性的作用。

3.3 仿真環(huán)境的美化

為了將方案展現(xiàn)在決策者面前，需要對仿真環(huán)境進(jìn)行美化，特別是創(chuàng)建三維場景，能夠最大程度地模擬現(xiàn)實(shí)的狀況，提高設(shè)計(jì)方案的表現(xiàn)力。VISSIM中提供了多種三維建模方法(表1)[3]。

表1 VISSIM建模方法

一般在實(shí)際應(yīng)用中，如果時(shí)間充足，且對于軟件的掌握到位，建議采用第三種方法，該方法能夠達(dá)到最好的三維建模效果，本文章也將詳細(xì)闡述第三種方法。

具體來講，三維建模的對象可分為道路模塊和建筑模塊兩大類，兩者的建模方法不完全相同(圖2)。道路模塊是指道路紅線范圍內(nèi)的要素，包含標(biāo)志、標(biāo)線、綠化帶、隔離欄、阻車樁等元素，由于這些元素均為平面類型或者平面特性較強(qiáng)，所以可以在CAD中完成設(shè)計(jì)然后在3d Max中處理。道路紅線范圍外的要素是指一般指建筑物，由于建筑物的三維特性較強(qiáng)，所以不適合在CAD中繪制，必須借助其他軟件例如SketchUp。

圖2 不同模塊的三維建模流程

在VISSIM中，軟件自帶了部分三維模型，但是在實(shí)踐中難以適應(yīng)變化的實(shí)際情況，因此需要通過其他軟件制作能夠反映實(shí)際的三維模型，以增強(qiáng)表達(dá)效果。

3.3.1 3d Max仿真環(huán)境美化

3d Max是基于PC系統(tǒng)的三維建模軟件，在本方法中最主要的作用在于將交通設(shè)計(jì)CAD文件進(jìn)行加工，將標(biāo)線和分隔帶、導(dǎo)流島、護(hù)欄等交通設(shè)施等轉(zhuǎn)化成顯示效果良好的三維模型；此外，導(dǎo)入CAD文件的時(shí)候有可能發(fā)生一些元素的變形或者缺失，應(yīng)通過3d Max軟件將其進(jìn)行修正。具體的方法是選中可編輯樣條線中的頂點(diǎn)，然后將其轉(zhuǎn)換為bezier角點(diǎn)，然后通過移動(dòng)工具調(diào)整控制柄來改變樣條線形狀。

在不同的交通工程CAD文件中，有些使用直線、圓弧進(jìn)行繪制，有些使用多段線進(jìn)行繪制。為了讓標(biāo)線能夠在3d Max中進(jìn)行有效的擠出從而體現(xiàn)出三維效果，認(rèn)為所有的交通標(biāo)線都應(yīng)該采用多段線進(jìn)行繪制，特別是標(biāo)線中的虛線(例如可跨越同向車行道分界線)不能采用線型定義，而應(yīng)該采用多段線和路徑陣列命令組合的方式來進(jìn)行繪制。此外，綠化帶的填充必須有邊界，單純的圖案填充在3d Max中是無法擠出的。

為了說明上述內(nèi)容。在CAD中繪制編號為1到5的不同的圖形，分別是帶邊界圖案填充(編號1和3)、不帶邊界圖案填充(編號2)、利用線型定義的整條多段線虛線(編號4)、由多條多段線組合而成的虛線(編號5)，查看CAD導(dǎo)入到3d Max中的擠出效果(圖3)。

單純的圖案填充(編號2)在3d Max中無法顯示，而利用線型定義的虛線(編號4)在3d Max中顯示為實(shí)線。

圖3 導(dǎo)入3d Max擠出后的效果

可以看出如果要在三維效果中顯示諸如可跨越同向車行道分界線、綠化帶的效果，必須采用特殊的技術(shù)手段。

3.3.2 V3DM環(huán)境美化

V3DM英文全稱是VISSIM 3D Modeller，是一個(gè)用于創(chuàng)建新的車輛或者建筑物的簡單的三維建模工具。而且所有的3D格式的文件在導(dǎo)入VISSIM之前都必須經(jīng)過V3DM的格式轉(zhuǎn)換。通過3d Max加工的文件必須導(dǎo)入V3DM進(jìn)行顏色和格式的處理，由草圖大師繪制的建筑模型或者是從網(wǎng)上下載的建筑模型也必須經(jīng)過V3DM文件的處理。此外，還可以通過幾何體和BMP的文件作為貼圖，來創(chuàng)建特定建筑物，使得仿真環(huán)境更接近實(shí)際[4]。

經(jīng)過V3DM處理的文件可以直接導(dǎo)出為VISSIM可以識別的V3D格式，在VISSIM中的3D顯示狀態(tài)下直接置入VISSIM文件，美化VISSIM的仿真環(huán)境。

3.4 仿真運(yùn)行并輸出視頻

在工程實(shí)踐中，匯報(bào)的PPT有時(shí)需要嵌入視頻文件增強(qiáng)匯報(bào)效果，因此需要利用VISSIM記錄3D仿真運(yùn)行時(shí)的視頻文件，而VISSIM軟件本身具備這個(gè)功能。VISSIM自身能夠輸出的視頻格式僅為AVI格式，在實(shí)際輸出時(shí)也提供了多種壓縮格式，通過實(shí)踐建議采用Microsoft Video 1選項(xiàng)。

4 工程案例

4.1 天元東路-龍眠大道案例

天元東路與龍眠大道交叉口是南京東山副城南部重要的交叉口(圖4)，現(xiàn)狀由于江寧汽車客運(yùn)站出入口的存在導(dǎo)致該交叉口是五路交叉，因此管理不便。由于龍眠大道是通往江寧教育功能區(qū)的重要通道，而天元東路是東山副城地區(qū)重要的東西向主干道，因此對于該交叉口的交通改善與成果展示是必要的。

圖4 天元東路與龍眠大道交叉口現(xiàn)狀渠化

為了定量地分析交叉口改善前后的效果，本次采用排隊(duì)長度指標(biāo)來進(jìn)行衡量。交叉口進(jìn)口道的排隊(duì)車道長度是交叉口設(shè)計(jì)及信號配時(shí)方案的重要評價(jià)指標(biāo)，反映車輛在交叉口的等待消耗。車輛進(jìn)入排隊(duì)狀態(tài)需要滿足速度條件，即排隊(duì)開始時(shí)車輛實(shí)際行駛速度小于規(guī)定的起始速度，排隊(duì)結(jié)束時(shí)車輛實(shí)際行駛速度大于規(guī)定的結(jié)束速度，如公式(1)所示：

Vcar

Vcar>Vend

(1)

式中：Vcar為車輛實(shí)際行駛速度；Vbeg為規(guī)定的起始速度；Vend為規(guī)定的結(jié)束速度。

交叉口車輛排隊(duì)長度過大會造成交叉口不同轉(zhuǎn)向車輛間的相互干擾而導(dǎo)致交叉口通行能力下降。本次研究交叉口排隊(duì)長度主要用來分析從五路交叉改為四路交叉后導(dǎo)致的社會車輛在停車線前的排隊(duì)情況。

4.2 交叉口現(xiàn)狀運(yùn)行情況仿真與評估

該交叉口現(xiàn)狀為5路交叉口。通過調(diào)查各進(jìn)口道的不同方向的交通量，得到了現(xiàn)狀交通量數(shù)據(jù)(表2)。

表2 龍眠大道—天元東路交叉口現(xiàn)狀交通量 pcu/h

通過仿真得到交叉口的現(xiàn)狀運(yùn)行情況(圖5～圖7)，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)泉東路北進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道、天元東路西進(jìn)口道直右和內(nèi)側(cè)直行車道、龍眠大道南進(jìn)口道直行車道排隊(duì)長度過長，這同飽和度的分析結(jié)果是一致的(表3)。

表3 現(xiàn)狀交叉口各進(jìn)口道車道組飽和度

圖5 交叉口現(xiàn)狀運(yùn)行情況(天元東路西進(jìn)口道)

圖6 交叉口現(xiàn)狀運(yùn)行情況(泉東路北進(jìn)口道)

圖7 交叉口現(xiàn)狀運(yùn)行情況(龍眠大道南進(jìn)口道)

通過排隊(duì)計(jì)數(shù)器檢測得到數(shù)據(jù)如下，泉東路北進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道平均隊(duì)長為200 m，天元東路西進(jìn)口道直右車道和內(nèi)側(cè)直行車道平均隊(duì)長分別為274 m和257 m，龍眠大道南進(jìn)口道直行車道平均隊(duì)長為213 m。

4.3 交叉口改善運(yùn)行情況仿真與評估

對于該交叉口的交通設(shè)計(jì)方案為取消江寧汽車客運(yùn)站出入口，將5路交叉變?yōu)?路交叉，并減小泉東路與天元東路的道路中心線夾角；在慢行交通層面，考慮到天元東路為雙向8車道，龍眠大道為雙向6車道，因此利用中央分隔帶設(shè)置二次過街安全島，提升慢行過街安全性(圖8)。

圖8 天元東路與龍眠大道交叉口改善方案

改善后的交叉口，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)各進(jìn)口道車道組的飽和度得到了大幅度的下降(表4)。

經(jīng)過3d Max建模與VISSIM交通仿真，天元東路與龍眠大道交叉口改善后的交通環(huán)境及交通運(yùn)行情況被直觀的展示出來(圖9～圖12)。

圖9 天元東路-龍眠大道交叉口建模

進(jìn)口道方向車道組通行能力/(pcu·h-1)交通量/(pcu·h-1)飽和度泉東路北進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車道組18002280．13直行車道組8415960．71左轉(zhuǎn)車道組6734720．70天元東路東進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車道組18003300．18直行車道組151410140．67左轉(zhuǎn)車道組6731410．21龍眠大道南進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車道組1800180．01直行車道組8416030．72左轉(zhuǎn)車道組6735550．82天元東路西進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車道組18005070．28直行車道組15148730．58左轉(zhuǎn)車道組6734680．70

圖10 天元東路-龍眠大道交叉口交通運(yùn)行效果

圖11 天元東路-龍眠大道交叉口慢行交通運(yùn)行效果

圖12 行人二次過街運(yùn)行效果

通過隊(duì)長計(jì)數(shù)器得到了改善后的進(jìn)口道排隊(duì)長度，泉東路北進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道平均隊(duì)長為15 m，天元東路西進(jìn)口道三個(gè)直行車道的平均隊(duì)長分別為15 m、19 m和18 m，龍眠大道南進(jìn)口道直行車道平均隊(duì)長為16 m，較之前的數(shù)據(jù)有明顯下降，充分體現(xiàn)了改善的效果。

通過交通仿真直觀展示交通設(shè)計(jì)方案完成后的交通運(yùn)行效果，非常有說服力的支撐了方案設(shè)計(jì)的合理性，特別是在反映行人二次過街方面的仿真，在項(xiàng)目成果匯報(bào)階段起到了非常好的效果，得到了建設(shè)方的高度認(rèn)可。

5 研究結(jié)論

構(gòu)建城市道路3D環(huán)境是分析和優(yōu)化道路交通規(guī)劃、交通設(shè)計(jì)和交通控制的最有效工具，也是工程方案可視化的發(fā)展趨勢，目的在于將設(shè)計(jì)圖紙、數(shù)據(jù)直觀的通過三維模型表達(dá)出來，從而幫助決策者、大眾參與到交通規(guī)劃的實(shí)際過程中來。

本文闡述了如何圍繞VISSIM軟件，利用CAD、3d Max、V3DM等軟件制作出精美的三維仿真環(huán)境。通過對于南京東山副城天元東路—龍眠大道交叉口的交通改善與仿真，從飽和度、排隊(duì)長度、運(yùn)行效果三個(gè)方面證明了該設(shè)計(jì)方案的合理性，為該類項(xiàng)目的實(shí)踐提供了一定的參考依據(jù)。

[1] 王煒,過秀成. 交通工程學(xué)[M]. 2版. 南京: 東南大學(xué)出版社，2011.

[2] 李文棟. 基于Google Sketchup建模與PTV Vissim構(gòu)建3D交通環(huán)境[J]. 城市道橋與防洪, 2012, 8(8): 115-117.

[3] 劉博航，安桂江. 交通仿真實(shí)驗(yàn)教程[M]. 2版. 北京：人民交通出版社, 2015.

[4] 辟途威交通科技(上海)有限公司. V3DM 中文簡介[Z]. 上海： 2006.

[定稿日期]2017-08-31

陳云驥(1990～)，男，碩士，助理工程師，從事交通規(guī)劃工作。

TU984.191

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