童文聰 楊 磊 李君羨

（上海濟安交通工程咨詢有限公司 上海200092）

0 引 言

高速公路是公路交通運輸系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其運營狀況是衡量一個國家公路交通運輸發(fā)展水平的重要標志。高速公路具有快速、便捷、安全、舒適等優(yōu)點，但與其他等級公路相比，其事故的嚴重性更大。因此，將交通仿真技術應用到高速公路應急預案管理領域中，有利于提高高速公路管理決策的智能化、科學性水平。

由于交通仿真軟件建模過程復雜，參數(shù)標定較為嚴格，在一定程度上限制了專業(yè)仿真軟件在應用部門的推廣。目前，交通仿真平臺技術已經(jīng)在國內若干城市展開應用，但并未在高速公路領域廣泛推廣。提供功能優(yōu)化的操作界面和簡單明了的自動化設計流程，使得各級用戶能方便快捷地通過仿真進行交通事故和預案的建模和評估，是智能化交通仿真平臺發(fā)展的必然趨勢。

1 平臺系統(tǒng)結構

交通仿真及決策支持系統(tǒng)是交通管理綜合信息平臺的輔助應用系統(tǒng)，為平臺的輔助決策功能提供支持，作為整體系統(tǒng)架構的一部分。平臺與高速公路交通管理綜合信息平臺進行數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)對預案管理仿真決策的支持。

根據(jù)系統(tǒng)架構的需要，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、處理層、仿真應用層和管理平臺應用層4個層級結構，見圖1。其架構特點包括：

1）支持多渠道用戶接入模式。支持用戶訪問終端瀏覽器、指揮中心大屏幕等方式。

2）系統(tǒng)支持B／S和C／S結構，并提供安全、準確的用戶權限驗證功能。

3）支持自動化、空間化、可視化的預案內容及仿真結果管理與展示；實現(xiàn)對應急預案及結果數(shù)據(jù)的自動同步。

4）支持與其他應用系統(tǒng)的互聯(lián)互通。將應急預案及仿真結果等內容的查詢功能，設計成Web服務，以便于其他系統(tǒng)集成使用。

圖1 高速公路應急預案管理仿真平臺系統(tǒng)總體架構Fig.1 Structure of highway emergency response management simulation platform

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)、信息共享子系統(tǒng)、預案設計子系統(tǒng)、智能仿真子系統(tǒng)和信息展示子系統(tǒng)5部分組成，其基本實現(xiàn)功能，見表1。

表1 高速公路應急預案管理仿真平臺系統(tǒng)功能設計Tab.1 Basic functions of sub－system of highway emergency response management simulation platform

2 系統(tǒng)邏輯流程設計

系統(tǒng)邏輯流程見圖2。

圖2 高速公路應急預案管理仿真平臺系統(tǒng)邏輯流程設計Fig.2 Logical flow diagram of highway emergency response management simulation platform

1）檢測數(shù)據(jù)輸入。平臺的信息來源，檢測裝置的布點、數(shù)據(jù)構成直接影響到仿真模型的建立方式和質量。輸入的數(shù)據(jù)主要為動態(tài)數(shù)據(jù)，如收費站卡口數(shù)據(jù)、路段微波數(shù)據(jù)等。

2）數(shù)據(jù)處理。完成數(shù)據(jù)的預處理、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉換等工作。外場檢測到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊分析，需要經(jīng)過算法的擬合和分析，才能同仿真平臺的接口對接。

3）預案模型生成。平臺的核心是預案模型生成器，通過二次開發(fā)建立預案模型生成器，使得仿真預案的能快速生成和調整。

4）預案模型的保存。用戶可自行定義所需預案，按一定的規(guī)則將其保存在仿真預案數(shù)據(jù)庫中；已完成的預案將以一定的數(shù)據(jù)格式存入仿真預案數(shù)據(jù)庫中，以備用戶調用。

5）預案管理及Web服務調用。預案管理子系統(tǒng)可通過Web對預案庫中相關數(shù)據(jù)進行調用，進行仿真結果的展示和預案內容的編輯。在預案管理子系統(tǒng)中，用戶可以對預案進行篩選，瀏覽預案詳細情況和評價結果；可以根據(jù)需要生成新預案；可以查詢到歷史預案信息，并修改、優(yōu)化歷史方案等。

3 接口設計

交通仿真Web Service服務接口為平臺提供了訪問交通仿真模塊調用方式，該接口透明的代理了交通仿真模塊的現(xiàn)有功能，為基于交通仿真現(xiàn)有功能集成到自身業(yè)務系統(tǒng)提供了技術基礎。平臺接口請求信息包括：

1）事故信息。主要包括事故發(fā)生的地點、事故類型、事故占用的車道、事故持續(xù)時間、事故段交通運行情況等信息。

2）天氣信息。系統(tǒng)預設若干類型的天氣，以一系列參數(shù)來描述其性質，包括車輛速度、最大加減速度、車道變化、跟車模型的參數(shù)調整等。同時允許用戶自定義天氣類型。

3）流量信息。根據(jù)采集到的歷史流量數(shù)據(jù)，將區(qū)域流量分成若干流量集的形式。每個流量集由若干數(shù)據(jù)組成，比如檢測器流量，OD情況、運行車速。

4）預案信息。在事故、天氣、流量信息確定的情況下，可通過預設程序排除不適用的預案，并把適用預案展示給用戶。預案庫需要不斷的維護和補充，如果預案庫中不存在相應的預案，則無法反饋用戶需求。在缺少方案的情況下，用戶可以根據(jù)自行需要增置預案庫。

通過仿真軟件的二次開發(fā)接口可以直接讀取相關評價數(shù)據(jù)并存入仿真預案數(shù)據(jù)庫，用戶可通過web調用數(shù)據(jù)庫，瀏覽每個預案的評價數(shù)據(jù)及仿真錄像，也可以進行多個方案的仿真評價數(shù)據(jù)的橫向對比。

4 仿真平臺建模邏輯實現(xiàn)方法

為了模擬事故發(fā)生及預案應用整個過程。需要在外部界面通過COM接口調用Vissim中內置數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)用戶特殊定制功能的需要。整個平臺的仿真建模過程由基礎路網(wǎng)模型設計、模型參數(shù)標定、典型預案模型設計、仿真評價建模、模型精度調校等5個步驟組成。以呈現(xiàn)事故發(fā)生—預案響應—事故影響持續(xù)—事故處理完畢—蓄積車輛疏散—應急預案解除這一完整應急事件流程。

4.1 基礎路網(wǎng)模型設計

基礎路網(wǎng)建模的主要工作是：根據(jù)平面圖紙，在對高速路網(wǎng)交通運行情況充分調研的基礎上，結合實際建設狀況以及車道數(shù)、車道功能、出入口位置、出入口形式等參數(shù)數(shù)據(jù)，完成主通道、進出匝道、收費站等構成高速公路主體的基本元素建模，形成整體路網(wǎng)模型。

在整體路網(wǎng)模型設計中，需要將整個高速劃分為若干路段單元，如圖3所示，劃分定義原則是：

1）將樞紐互通作為分界點，將相鄰2個樞紐互通之間的雙向環(huán)路定義為“路段”；

2）以中央分隔帶開口作為分界點，將互通立交之間的2個相鄰中央分隔帶開口間的路段定義為“路段單元”。

路段單元劃分后，當突發(fā)事件發(fā)生時，能夠根據(jù)路段編號定義事件發(fā)生位置，而利用該路段內的互通立交、中央分隔帶開口等設施進行交通組織與疏導的預案形式是相對固定的，從而可以針對各類型預案預制仿真模型。

圖3 高速公路仿真建模路段單元劃分示意Fig.3 Illustration of units in highway simulation

4.2 模型參數(shù)標定

除了路網(wǎng)建模外，仿真建模中還需要標定許多與交通運行狀態(tài)密切相關的特征參數(shù)，包括路網(wǎng)特征參數(shù)、車輛特征參數(shù)、駕駛行為特征參數(shù)等。根據(jù)交通流實際情況對這些參數(shù)予以調整，可以更加精確地模擬交通系統(tǒng)中人、車、路運行模式，也可以間接地模擬出特殊情況如特殊地形、特殊天氣對交通的影響。這些參數(shù)可以在二次開發(fā)中通過批量輸入的方法導入仿真系統(tǒng)。以收費站建模為例，設計參數(shù)標定內容見表2。

表2 收費站仿真建模參數(shù)標定Tab.2 Value of parameters in simulation of toll gate

4.3 典型預案模型設計

為達到快速生成應急預案仿真模型的目的，需要預定制特征模型，預案設計中用戶可以調用所需的典型預案模型，不同的典型模型間可進行排列組合，形成新的預案組，并充實已有的預案庫，從而實現(xiàn)自動生成仿真預案的目的，平臺預制的預案模型見表3。

4.4 仿真評價建模

Vissim可以在線將交通運行狀況可視化，比如三維仿真動畫，或者轉換成車速／延誤的集聚值動態(tài)分布，同時也可以離線輸出各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如車速、行程時間、延誤、排隊長度等，作為決策支持的數(shù)據(jù)。評價建模可根據(jù)具體需要，采取以下幾種模式。

1）指定檢測區(qū)段評價。建立一個起點和一個終點組成的檢測區(qū)段?？梢詸z測定義區(qū)段的行程時間、延誤等數(shù)據(jù)。適合于重點研究路段區(qū)域的評價數(shù)據(jù)采集。

2）數(shù)據(jù)采集點評價。使用數(shù)據(jù)采集點進行單點數(shù)據(jù)采集操作，可采集通過采集點車輛的車速、延誤、行駛方向、車道變換等等數(shù)據(jù)。該方法可模擬模擬道路實際檢測器的工作機制，輔助后期模型精度的調校。

表3 預案模型設計Tab.3 Model design of highway emergency responses

3）節(jié)點評價。該功能可以針對Vissim路網(wǎng)中的用戶定義區(qū)域進行自動數(shù)據(jù)采集，可采集平均排隊長度、延誤時間、最大排隊長度、停車次數(shù)等數(shù)據(jù)，可用于輸出收費口、匝道口、互通立交等具有區(qū)域范圍節(jié)點的評價數(shù)據(jù)。

4）路網(wǎng)性能評價。這種模式下，只考慮到達或離開路網(wǎng)或目的地停車場的車輛?？傻玫降脑u價參數(shù)包括車輛總數(shù)、出行距離總和、行程時間總和、路網(wǎng)平均車速等等。適用于全路網(wǎng)交通運行情況分析。

5）路段評價。采集通過VISSIM定義路段的交通流信息?？傻玫降脑u價參數(shù)包括車輛密度、氣體排放量、損失時間、所在路段車道位置、車速、交通量等數(shù)據(jù)，適用于若干特定路段的綜合評估。

5 應用案例分析

目前系統(tǒng)已成功應用于沈陽三環(huán)高速公路，根據(jù)其路網(wǎng)建設情況，進行路段單元劃分并編號?，F(xiàn)以某路段發(fā)生的一起交通肇事為例，描述仿真平臺運作的整體流程及功能實現(xiàn)。

事故發(fā)生后，外場工作人員反饋相關事故信息，救援指揮中心人員通過Web接口將相關信息導入仿真平臺，事故基本信息描述見表4。

針對該路段單元發(fā)生的事件，工作人員已經(jīng)預先定制好了若干個應急預案，并保存在仿真預案數(shù)據(jù)庫中，單個預案描述信息內容見表5。

表4 典型案例事故基本信息描述Tab.4 Information of the accident in the case

表5 典型案例預案基本信息描述Tab.5 Information of response in the case

在通過接口完成事故及預案信息輸入后，系統(tǒng)后臺對每個預案進行仿真，形成相應評價數(shù)據(jù)及仿真錄像文件，并通過接口返回至預案管理子系統(tǒng)中，系統(tǒng)將相應數(shù)據(jù)進行處理后進行信息發(fā)布。圖4為不同預案輸入條件下，仿真得出的事故段擁堵車輛排隊長度隨著時間推移的變化情況，圖5展示了不同預案下仿真預估的交通擁堵疏散總時長。通過仿真評價的報表分析可以在不同預案之間進行比較，并推選最優(yōu)方案，作為應急方案輔助決策的參考。

圖5 不同預案仿真擁堵疏散時間預估圖Fig.5 Estimated time for evacuation of different response

根據(jù)實際需要，模型中可設置若干視角，進行仿真動畫分屏顯示，可發(fā)布于Web或在指揮中心大屏進行展示，用以直觀表現(xiàn)交通流整體運行情況。

圖6 關鍵視角仿真動畫展示Fig.6 Display of simulation animation from different angles

6 結束語

交通仿真技術是交通決策評估的重要工具，在對交通流行為特征分析和管理需求解析的基礎上，可應用于智能交通應用的各個領域，為交通決策的科學性、智能化提供支持。系統(tǒng)通過與Web連接的服務模式，從預案管理特征及用戶需求分析出發(fā)，提出了實現(xiàn)高速公路應急預案管理仿真平臺的系統(tǒng)架構模式及邏輯設計流程，確定了一種基于事件解決和預案自動生成的Vissim仿真模型設計模式，并成功應用于實際項目中，具備較好的技術可行性和適用性。

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