基于VISSIM的交通方案效果评估

2018-01-05陈云骥

四川建筑 2017年6期

关键词：东路交叉口大道

陈云骥

(南京市城市与交通规划设计研究院股份有限公司，江苏南京 210000)

基于VISSIM的交通方案效果评估

陈云骥

(南京市城市与交通规划设计研究院股份有限公司，江苏南京 210000)

交通方案效果评估是近年来工程实践中的热门领域，目的在于将交通方案实施后的效果直观地展示给决策者。文章首先介绍了VISSIM软件的特点、适用领域和优势。然后以具体工程项目为依托，系统阐述了如何利用VISSIM及相关软件进行交通设计方案的前后指标对比和效果展示。利用CAD底图在VISSIM软件中建立路网模型，结合交通调查数据完成交通参数的标定、交通量的输入和交通控制方案的设定，计算现状的饱和度和排队长度；利用3d Max和SketchUp软件建立三维场景，包括交通标志标线标牌和路网周围建筑物模型的三维场景建立；运用V3DM软件对三维场景进行色彩处理；最后在VISSIM中进行仿真导出为视频片段，同样计算饱和度和排队长度。效果证明，该方法对于交通方案的效果展示十分有效，可以直观的将交通设计方案实施后的交通流运行情况体现出来。

VISSIM；交通仿真；排队长度；三维场景

在传统的交通规划设计中，交通工程师解决交通问题的任何建议，都需要政府部门的批准而实施，因此交通工程师在提出改造建议的同时，还要演示、证明其提出建议的合理性，由于现代化交通系统的复杂性，导致难以靠简单的几个数学公式或原则说明其方案的合理性。所以近年来在工程领域，运用各种计算机软件进行交通方案的仿真，最后输出效果图片、效果视频或者是数据的案例非常普遍。这些技术能够使决策者亲眼看到未来条件下的“真实”交通状况，从而进行正确决策，这是任何其他手段所难以实现的。

1 交通仿真技术

计算机仿真技术作为一门独立的学科始于20世纪40年代，20世纪70年代以来，随着系统科学与计算机科学技术的发展，模拟技术得到了迅猛发展，已经广泛地应用于几乎所有的学科。从广义的角度上看，仿真是对实物的模仿、语言描述、图形、视频或者关系式等[1]。

交通仿真是计算机仿真技术在交通领域的应用。交通工程师在解决交通问题时，都不同形式地使用某一种模拟技术。交通工程师早期多用物理模型——实物模型，即所研究交通系统的实际设施模型来帮助他们估计特定设施的改进效益或费用指标。如设计道路的设计图、设计信号配置的时—空图等。

随着交通运输业发展的现代化，交通工程师们发现，传统的模拟技术已不可能再解决日益复杂的交通问题。因为这时已经不再是决策诸如“是否需要建设一条新路”的问题，而是如何利用可以使用的一切方法来提高已有道路的运载能力问题，要处理一个交通网络上具有相互影响关系的交通问题不可能用一个解析模型来解决，更不用说靠手工推演计算。这时人们自然想到需要研究发展计算机仿真技术在交通领域的应用。

到目前为止，国内外已经推出了几百种交通模拟软件，这些软件包括用于交叉口、城市主干道、高速公路、乡村公路、局部交通网络等类模拟软件以及一些集成交通模拟系统软件。可分为宏观交通模拟软件、中观交通模拟软件、微观交通模拟软件三种类型。其中，宏观交通模拟软件的代表有TranStar、TransCAD，中观交通模拟软件的代表有DYNEMO、DYNASMART，微观交通模拟软件的代表有VISSIM、Legion。在本研究中，采用VISSIM作为仿真平台。

2 VISSIM软件介绍

VISSIM是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用以建模和分析各种交通条件下(车道设置、交通构成、交通信号、公交站点等)，城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具。它采用的是Wiedemann教授提出的车辆跟驰模型(图1)，是到目前为止计算机交通仿真技术中最为精确的模型之一[2]。

图1 跟车模型

VISSIM能在一个模型中模拟所有交通参与者及他们的交互活动，包括私人机动车、货车、有轨公共交通和道路公共交通、行人以及自行车。该软件内置多种分析手段，是评价和规划城市以及郊区交通基础设施的高效工具。

在工程项目领域，由于VISSIM提供了图形化的界面，采用2D和3D动画向用户直观显示车辆运动状态，特别是3D模式能够增强演示效果，所以能够把专业化的方案直观的展示出来。

3 基于VISSIM的交通仿真

3.1 基础路网的建立

一般的交通规划设计方案都是在CAD中进行表达，所以在进行交通仿真之前，首先要绘制CAD文件，作为VISSIM仿真的路网底图，利用CAD底图直接作为仿真底图的优点是不用进行缩放，而且能够保留原始的世界坐标。非常适合合并基于同一个全球坐标系统而建立的多个子路网。

利用导入到VISSIM中的CAD文件，如果遇到无法直接导入CAD文件的情况，应将CAD文件保存为图元文件wmf格式再导入。此时，不需要对底图进行缩放，可以直接按照CAD里面的实际尺寸建立起精确的路网模型。如前所述，在建立大型片区路网时，可以由多人建立起不同片区的子路网，然后基于全球坐标进行合并。

3.2 交通环境的设置

基础路网建立之后，必须根据交通调查的结果，首先定义交通构成和车速分布，然后在路网上进行动态交通数据如交通流量的输入、定义静态行驶路径；此外，还应该进行相应的交通管理控制系统的设定，例如设置交通信号灯、定义冲突区等。

该环节的设置对于仿真与实际情况的接近程度起到决定性的作用。

3.3 仿真环境的美化

为了将方案展现在决策者面前，需要对仿真环境进行美化，特别是创建三维场景，能够最大程度地模拟现实的状况，提高设计方案的表现力。VISSIM中提供了多种三维建模方法(表1)[3]。

表1 VISSIM建模方法

一般在实际应用中，如果时间充足，且对于软件的掌握到位，建议采用第三种方法，该方法能够达到最好的三维建模效果，本文章也将详细阐述第三种方法。

具体来讲，三维建模的对象可分为道路模块和建筑模块两大类，两者的建模方法不完全相同(图2)。道路模块是指道路红线范围内的要素，包含标志、标线、绿化带、隔离栏、阻车桩等元素，由于这些元素均为平面类型或者平面特性较强，所以可以在CAD中完成设计然后在3d Max中处理。道路红线范围外的要素是指一般指建筑物，由于建筑物的三维特性较强，所以不适合在CAD中绘制，必须借助其他软件例如SketchUp。

图2 不同模块的三维建模流程

在VISSIM中，软件自带了部分三维模型，但是在实践中难以适应变化的实际情况，因此需要通过其他软件制作能够反映实际的三维模型，以增强表达效果。

3.3.1 3d Max仿真环境美化

3d Max是基于PC系统的三维建模软件，在本方法中最主要的作用在于将交通设计CAD文件进行加工，将标线和分隔带、导流岛、护栏等交通设施等转化成显示效果良好的三维模型；此外，导入CAD文件的时候有可能发生一些元素的变形或者缺失，应通过3d Max软件将其进行修正。具体的方法是选中可编辑样条线中的顶点，然后将其转换为bezier角点，然后通过移动工具调整控制柄来改变样条线形状。

在不同的交通工程CAD文件中，有些使用直线、圆弧进行绘制，有些使用多段线进行绘制。为了让标线能够在3d Max中进行有效的挤出从而体现出三维效果，认为所有的交通标线都应该采用多段线进行绘制，特别是标线中的虚线(例如可跨越同向车行道分界线)不能采用线型定义，而应该采用多段线和路径阵列命令组合的方式来进行绘制。此外，绿化带的填充必须有边界，单纯的图案填充在3d Max中是无法挤出的。

为了说明上述内容。在CAD中绘制编号为1到5的不同的图形，分别是带边界图案填充(编号1和3)、不带边界图案填充(编号2)、利用线型定义的整条多段线虚线(编号4)、由多条多段线组合而成的虚线(编号5)，查看CAD导入到3d Max中的挤出效果(图3)。

单纯的图案填充(编号2)在3d Max中无法显示，而利用线型定义的虚线(编号4)在3d Max中显示为实线。

图3 导入3d Max挤出后的效果

可以看出如果要在三维效果中显示诸如可跨越同向车行道分界线、绿化带的效果，必须采用特殊的技术手段。

3.3.2 V3DM环境美化

V3DM英文全称是VISSIM 3D Modeller，是一个用于创建新的车辆或者建筑物的简单的三维建模工具。而且所有的3D格式的文件在导入VISSIM之前都必须经过V3DM的格式转换。通过3d Max加工的文件必须导入V3DM进行颜色和格式的处理，由草图大师绘制的建筑模型或者是从网上下载的建筑模型也必须经过V3DM文件的处理。此外，还可以通过几何体和BMP的文件作为贴图，来创建特定建筑物，使得仿真环境更接近实际[4]。

经过V3DM处理的文件可以直接导出为VISSIM可以识别的V3D格式，在VISSIM中的3D显示状态下直接置入VISSIM文件，美化VISSIM的仿真环境。

3.4 仿真运行并输出视频

在工程实践中，汇报的PPT有时需要嵌入视频文件增强汇报效果，因此需要利用VISSIM记录3D仿真运行时的视频文件，而VISSIM软件本身具备这个功能。VISSIM自身能够输出的视频格式仅为AVI格式，在实际输出时也提供了多种压缩格式，通过实践建议采用Microsoft Video 1选项。

4 工程案例

4.1 天元东路-龙眠大道案例

天元东路与龙眠大道交叉口是南京东山副城南部重要的交叉口(图4)，现状由于江宁汽车客运站出入口的存在导致该交叉口是五路交叉，因此管理不便。由于龙眠大道是通往江宁教育功能区的重要通道，而天元东路是东山副城地区重要的东西向主干道，因此对于该交叉口的交通改善与成果展示是必要的。

图4 天元东路与龙眠大道交叉口现状渠化

为了定量地分析交叉口改善前后的效果，本次采用排队长度指标来进行衡量。交叉口进口道的排队车道长度是交叉口设计及信号配时方案的重要评价指标，反映车辆在交叉口的等待消耗。车辆进入排队状态需要满足速度条件，即排队开始时车辆实际行驶速度小于规定的起始速度，排队结束时车辆实际行驶速度大于规定的结束速度，如公式(1)所示：

Vcar

Vcar>Vend

(1)

式中：Vcar为车辆实际行驶速度；Vbeg为规定的起始速度；Vend为规定的结束速度。

交叉口车辆排队长度过大会造成交叉口不同转向车辆间的相互干扰而导致交叉口通行能力下降。本次研究交叉口排队长度主要用来分析从五路交叉改为四路交叉后导致的社会车辆在停车线前的排队情况。

4.2 交叉口现状运行情况仿真与评估

该交叉口现状为5路交叉口。通过调查各进口道的不同方向的交通量，得到了现状交通量数据(表2)。

表2 龙眠大道—天元东路交叉口现状交通量 pcu/h

通过仿真得到交叉口的现状运行情况(图5～图7)，通过观察可以发现泉东路北进口道左转车道、天元东路西进口道直右和内侧直行车道、龙眠大道南进口道直行车道排队长度过长，这同饱和度的分析结果是一致的(表3)。

表3 现状交叉口各进口道车道组饱和度

图5 交叉口现状运行情况(天元东路西进口道)

图6 交叉口现状运行情况(泉东路北进口道)

图7 交叉口现状运行情况(龙眠大道南进口道)

通过排队计数器检测得到数据如下，泉东路北进口道左转车道平均队长为200 m，天元东路西进口道直右车道和内侧直行车道平均队长分别为274 m和257 m，龙眠大道南进口道直行车道平均队长为213 m。

4.3 交叉口改善运行情况仿真与评估

对于该交叉口的交通设计方案为取消江宁汽车客运站出入口，将5路交叉变为4路交叉，并减小泉东路与天元东路的道路中心线夹角；在慢行交通层面，考虑到天元东路为双向8车道，龙眠大道为双向6车道，因此利用中央分隔带设置二次过街安全岛，提升慢行过街安全性(图8)。

图8 天元东路与龙眠大道交叉口改善方案

改善后的交叉口，通过计算发现各进口道车道组的饱和度得到了大幅度的下降(表4)。

经过3d Max建模与VISSIM交通仿真，天元东路与龙眠大道交叉口改善后的交通环境及交通运行情况被直观的展示出来(图9～图12)。

图9 天元东路-龙眠大道交叉口建模

进口道方向车道组通行能力/(pcu·h-1)交通量/(pcu·h-1)饱和度泉东路北进口道右转车道组18002280．13直行车道组8415960．71左转车道组6734720．70天元东路东进口道右转车道组18003300．18直行车道组151410140．67左转车道组6731410．21龙眠大道南进口道右转车道组1800180．01直行车道组8416030．72左转车道组6735550．82天元东路西进口道右转车道组18005070．28直行车道组15148730．58左转车道组6734680．70