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踐中的熱門領(lǐng)域，目的在于將交通方案實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、適用領(lǐng)域和優(yōu)勢。然后以具體工程項目為依托，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，計算現(xiàn)狀的飽和度和排隊長度；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，同樣計算飽和度和排隊長度。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)計方案實施后的交通流運行情況體現(xiàn)出來。

VISSIM； 交通仿真； 排隊長度； 三維場景

在傳統(tǒng)的交通規(guī)劃設(shè)計中，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)而實施，因此交通工程師在提出改造建議的同時，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，運用各種計算機軟件進(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條件下的“真實”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現(xiàn)的。

1 交通仿真技術(shù)

計算機仿真技術(shù)作為一門獨立的學(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)與計算機科學(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]。

交通仿真是計算機仿真技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。交通工程師在解決交通問題時，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——實物模型，即所研究交通系統(tǒng)的實際設(shè)施模型來幫助他們估計特定設(shè)施的改進(jìn)效益或費用指標(biāo)。如設(shè)計道路的設(shè)計圖、設(shè)計信號配置的時—空圖等。

隨著交通運輸業(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。因為這時已經(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載能力問題，要處理一個交通網(wǎng)絡(luò)上具有相互影響關(guān)系的交通問題不可能用一個解析模型來解決，更不用說靠手工推演計算。這時人們自然想到需要研究發(fā)展計算機仿真技術(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。可分為宏觀交通模擬軟件、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、公交站點等)，城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(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)，是到目前為止計算機交通仿真技術(shù)中最為精確的模型之一[2]。

圖1 跟車模型

VISSIM能在一個模型中模擬所有交通參與者及他們的交互活動，包括私人機動車、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。

在工程項目領(lǐng)域，由于VISSIM提供了圖形化的界面，采用2D和3D動畫向用戶直觀顯示車輛運動狀態(tài)，特別是3D模式能夠增強演示效果，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全球坐標(biāo)系統(tǒng)而建立的多個子路網(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，不需要對底圖進(jìn)行縮放，可以直接按照CAD里面的實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，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)實的狀況，提高設(shè)計方案的表現(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

一般在實際應(yīng)用中，如果時間充足，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，所以可以在CAD中完成設(shè)計然后在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，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，但是在實踐中難以適應(yīng)變化的實際情況，因此需要通過其他軟件制作能夠反映實際的三維模型，以增強表達(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，然后將其轉(zhuǎn)換為bezier角點，然后通過移動工具調(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 仿真運行并輸出視頻

在工程實踐中，匯報的PPT有時需要嵌入視頻文件增強匯報效果，因此需要利用VISSIM記錄3D仿真運行時的視頻文件，而VISSIM軟件本身具備這個功能。VISSIM自身能夠輸出的視頻格式僅為AVI格式，在實際輸出時也提供了多種壓縮格式，通過實踐建議采用Microsoft Video 1選項。

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，本次采用排隊長度指標(biāo)來進(jìn)行衡量。交叉口進(jìn)口道的排隊車道長度是交叉口設(shè)計及信號配時方案的重要評價指標(biāo)，反映車輛在交叉口的等待消耗。車輛進(jìn)入排隊狀態(tài)需要滿足速度條件，即排隊開始時車輛實際行駛速度小于規(guī)定的起始速度，排隊結(jié)束時車輛實際行駛速度大于規(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情況。

4.2 交叉口現(xiàn)狀運行情況仿真與評估

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)狀運行情況(天元東路西進(jìn)口道)

圖6 交叉口現(xiàn)狀運行情況(泉東路北進(jìn)口道)

圖7 交叉口現(xiàn)狀運行情況(龍眠大道南進(jìn)口道)

通過排隊計數(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長為213 m。

4.3 交叉口改善運行情況仿真與評估

對于該交叉口的交通設(shè)計方案為取消江寧汽車客運站出入口，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行效果

圖11 天元東路-龍眠大道交叉口慢行交通運行效果

圖12 行人二次過街運行效果

通過隊長計數(shù)器得到了改善后的進(jìn)口道排隊長度，泉東路北進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道平均隊長為15 m，天元東路西進(jìn)口道三個直行車道的平均隊長分別為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)計方案完成后的交通運行效果，非常有說服力的支撐了方案設(shè)計的合理性，特別是在反映行人二次過街方面的仿真，在項目成果匯報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、排隊長度、運行效果三個方面證明了該設(shè)計方案的合理性，為該類項目的實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. 交通仿真實驗教程[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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