《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《基于三維虛擬交互的山地城市中觀交通仿真模型關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究》

1. 項(xiàng)目名稱(chēng): 基于三維虛擬交互的山地城市中觀交通仿真模型關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究

2. 完成單位: 重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司

3. 主要完成人: 張曉陽(yáng)、 祝燁、 龔麗儼、 張磊、 謝曉忠、 夏軍、 晏秋萍、 程龍春、 劉屹、 徐韜、 楊君、 楊強(qiáng)、 張紫瑜、 徐沙

　　(一)項(xiàng)目背景

　　國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)交通仿真模型以宏觀模型、微觀模型為主,宏觀交通仿真主要側(cè)重于路網(wǎng)整體評(píng)估,輸出參數(shù)以交通量為主,在節(jié)點(diǎn)評(píng)估層面精度較低,無(wú)法滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)等微觀層面精細(xì)化評(píng)估要求;微觀交通仿真?zhèn)戎貑我还?jié)點(diǎn)仿真,輸出參數(shù)以節(jié)點(diǎn)延誤時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)行車(chē)速為主,但受自身模型限制,評(píng)估范圍有限,無(wú)法對(duì)片區(qū)交通影響進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估,且建模速度慢,難以應(yīng)對(duì)區(qū)域級(jí)路網(wǎng)仿真要求,急需應(yīng)用先進(jìn)的三維建模、交通仿真技術(shù),重塑城市交通仿真模型體系框架,有力支撐城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和交通管理措施實(shí)施。

　　(二)技術(shù)概況

　　本研究旨在利用現(xiàn)有三維城市建模、虛擬交互、平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)等先進(jìn)的可視化技術(shù),兼顧宏觀模型建模速度快、微觀仿真預(yù)測(cè)精度高等特性,構(gòu)建符合山地城市交通運(yùn)行特征的中微觀一體化交通仿真模型,充分發(fā)揮中觀模型在建模速度、預(yù)測(cè)精度、綜合評(píng)估、人機(jī)可視化等方面的優(yōu)勢(shì),全面提升市政建設(shè)項(xiàng)目精細(xì)化、智能化、科學(xué)化決策水平。

　　(三)適用范圍

　　本技術(shù)適用于山地城市交通工程模型仿真應(yīng)用領(lǐng)域,可用于指導(dǎo)城市道路建設(shè)方案設(shè)計(jì)、交通組織與優(yōu)化、道路交通三維可視化等,支撐山地城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及交通管理與控制。

　　(四)獲獎(jiǎng)情況

　　目前已獲得國(guó)家專(zhuān)利10項(xiàng),正申請(qǐng)專(zhuān)利5項(xiàng),軟件著作權(quán)3項(xiàng),部分成果作為公益性質(zhì)無(wú)償提供給重慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)、重慶市公安局交通管理局、城投路橋公司等多個(gè)政府部門(mén)、研究機(jī)構(gòu)及開(kāi)發(fā)集團(tuán)使用,注重技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化,榮獲中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)《2020年度中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)》、中國(guó)智能交通協(xié)會(huì)《2020年智能交通優(yōu)秀技術(shù)解決方案獎(jiǎng)》。

　　(一)復(fù)雜地形下傾斜攝影三維建模與仿真參數(shù)動(dòng)態(tài)捕捉

　　傳統(tǒng)三維建模通過(guò)高程信息、視頻影像、3DMax進(jìn)行建模,速度慢、精度低,項(xiàng)目利用無(wú)人航拍技術(shù)獲取城市三維地理信息數(shù)據(jù),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速去噪修復(fù)及模型重構(gòu),通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘算法提取出道路參數(shù)如車(chē)道數(shù)信息,實(shí)現(xiàn)仿真路網(wǎng)初始匹配賦值,并對(duì)路網(wǎng)屬性動(dòng)態(tài)校核。

　　(二)基于深度學(xué)習(xí)的山地城市中微觀仿真參數(shù)標(biāo)定和優(yōu)化

　　通過(guò)宏觀交通小區(qū)微觀尺度切分與OD矩陣拆分重構(gòu),實(shí)現(xiàn)任意切分區(qū)域下宏觀OD矩陣到中觀OD矩陣的快速重構(gòu),建立了一整套適應(yīng)山地城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和出行特征的交通仿真參數(shù)體系,結(jié)合RFID、浮動(dòng)車(chē)GPS、手機(jī)信令等多源大數(shù)據(jù),利用深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)監(jiān)督學(xué)習(xí)能力,實(shí)現(xiàn)中觀模型仿真參數(shù)如左轉(zhuǎn)懲罰、阻抗函數(shù)等自動(dòng)標(biāo)定與動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

　　(三)基于人機(jī)交互的二次集成封裝與可視化

　　設(shè)計(jì)及平行在線(xiàn)仿真推演與輔助決策傳統(tǒng)交通仿真模型使用專(zhuān)業(yè)要求較高,難以滿(mǎn)足政府部門(mén)等非專(zhuān)業(yè)操作和使用要求,利用中觀仿真的集成優(yōu)勢(shì),通過(guò)二次深度開(kāi)發(fā),對(duì)中觀仿真模型集成封裝,提升模型的可視化和人機(jī)交互能力,同時(shí)利用RFID、卡口等交通采集設(shè)備,實(shí)現(xiàn)交通參數(shù)實(shí)時(shí)去噪及獲取,自動(dòng)生成仿真模型動(dòng)態(tài)OD及事件輸入?yún)?shù),實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)仿真并提供交通措施平行評(píng)估。

　　(一)系統(tǒng)架構(gòu)

　　中觀交通仿真模型以排隊(duì)論、車(chē)輛跟馳模型為基礎(chǔ),以浮動(dòng)車(chē)GPS、手機(jī)信令數(shù)據(jù)、私家車(chē)OBD數(shù)據(jù)為支撐,全面標(biāo)定具有山地城市特點(diǎn)的交通分配模型、車(chē)輛跟馳模型參數(shù),融合靜態(tài)交通分配與動(dòng)態(tài)車(chē)流仿真,適應(yīng)精細(xì)化各種指標(biāo)評(píng)估的要求。系統(tǒng)采用SOA架構(gòu),以C/S相結(jié)合的模式構(gòu)建,結(jié)合GIS、3DMAX、中觀建模等技術(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程化操作界面和批量生成報(bào)表。

　　(二)三維建模

　　利用航拍傾斜攝像三維快速建模技術(shù),依據(jù)無(wú)人機(jī)具體的航攝任務(wù)以及低空數(shù)字航空攝影規(guī)范中相關(guān)規(guī)定的要求,計(jì)算和設(shè)置相應(yīng)的航攝技術(shù)參數(shù),建立片區(qū)城市三維地理信息模型,將存儲(chǔ)格式轉(zhuǎn)變?yōu)橹杏^模型支持格式,并導(dǎo)入中觀模型。

　　為提高仿真、預(yù)測(cè)精度,道路編輯精度精細(xì)化至車(chē)道、節(jié)點(diǎn)級(jí)別,模型對(duì)道路、路段、車(chē)道和節(jié)點(diǎn)/路口作了明確劃分,并且對(duì)道路信息進(jìn)行細(xì)化,對(duì)交叉口渠化信息、進(jìn)口道功能、轉(zhuǎn)向限制、信號(hào)燈控制、優(yōu)先控制等功能進(jìn)行了設(shè)置,并增加公交?？康膶?zhuān)用車(chē)道,模擬公交港灣,提升模型的現(xiàn)實(shí)再現(xiàn)能力。

　　按照交叉口的管控方為無(wú)控制節(jié)點(diǎn)、讓行交叉口節(jié)點(diǎn)、環(huán)形交叉口節(jié)點(diǎn)、信號(hào)控制節(jié)點(diǎn)。無(wú)信號(hào)控制節(jié)點(diǎn)、讓行交叉口節(jié)點(diǎn)需要輸入其渠化設(shè)計(jì),根據(jù)相交道路等級(jí)來(lái)確定讓行規(guī)則,環(huán)形交叉口節(jié)點(diǎn)需要輸入各出入口的渠化設(shè)計(jì)以及環(huán)島車(chē)道數(shù)。中觀模型支持多種交通方式的仿真,可以模擬地面公交車(chē)、地下和高架軌道交通系統(tǒng),采用專(zhuān)用的地理文件對(duì)公交系統(tǒng)進(jìn)行仿真,將公交線(xiàn)路和公交站點(diǎn)分別表征為地理的線(xiàn)層和點(diǎn)層特征,對(duì)公交系統(tǒng)的物理和運(yùn)營(yíng)特征進(jìn)行模擬,中觀交通模型公交系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)、公交線(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)、公交車(chē)輛和公交時(shí)刻表四大要素。中觀交通模型信號(hào)控制系統(tǒng)中支持多種交叉口控制方式,包括無(wú)信號(hào)控制、停車(chē)/讓行控制、定時(shí)紅綠燈控制、交叉口協(xié)同控制和流量感應(yīng)控制等,模型提供了多種類(lèi)型的檢測(cè)器/傳感器,檢測(cè)器通過(guò)部署在路段、車(chē)道或車(chē)道連接線(xiàn)上來(lái)檢測(cè)道路交通流特征。

　　(三)參數(shù)標(biāo)定

　　模型以浮動(dòng)車(chē)GPS、手機(jī)信令數(shù)據(jù)、私家車(chē)OBD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行交通分布反推,獲得初始OD分布量,結(jié)合居民出行調(diào)查結(jié)果基礎(chǔ)數(shù)據(jù),反復(fù)優(yōu)化OD反推模型參數(shù),提高模型反推精度。模型對(duì)交通系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,并以核查線(xiàn)位基準(zhǔn),優(yōu)化配置駕駛員參數(shù)、車(chē)型構(gòu)成、跟馳模型、信號(hào)相位、現(xiàn)狀出行OD、質(zhì)心連桿、車(chē)道連接線(xiàn)等仿真參數(shù),提升模型預(yù)測(cè)精度。觀交通仿真以若干輛車(chē)構(gòu)成的隊(duì)列為單元對(duì)交通流進(jìn)行描述,微觀交通仿真以單個(gè)車(chē)輛為基本單元對(duì)交通流進(jìn)行描述,在中觀交通模型中,重要節(jié)點(diǎn)和路段設(shè)置為微觀仿真,通過(guò)中觀與微觀有效結(jié)合,分層次混合仿真,保證仿真建模速度和預(yù)測(cè)精度。

　　(四)仿真輸出

　　支持多元仿真參數(shù)集成輸出,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的輸出界面,可以實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)對(duì)象自定義選取,包括信號(hào)交叉口、各類(lèi)出入匝道、各類(lèi)長(zhǎng)路段、環(huán)形交叉口及交織區(qū)等,支持實(shí)現(xiàn)多個(gè)量化指標(biāo)自定義選取,包括流量、車(chē)速、飽和度、車(chē)流密度、延誤(率)、排隊(duì)長(zhǎng)度、擁堵等級(jí)、服務(wù)水平等,自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)化、定量化評(píng)估報(bào)表,支持多個(gè)評(píng)價(jià)方案在線(xiàn)評(píng)價(jià)。

與 TRANSModeler、 INTEGRATION 等傳統(tǒng)仿真模型相比, 基于三維虛擬交互的山地城市中觀交通仿真模型在路網(wǎng)快速建模、 輸出參數(shù)多樣化、模型預(yù)測(cè)精度、 三維可視效果上均有較大提升,更適應(yīng)山地城市組團(tuán)式交通出行特征。

　　依托中觀仿真建模技術(shù),構(gòu)建重慶東站綜合交通樞紐中觀仿真模型,對(duì)樞紐進(jìn)出流向、車(chē)庫(kù)開(kāi)口、交通組織、信號(hào)控制等進(jìn)行多輪評(píng)估優(yōu)化,累計(jì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題超40項(xiàng),全力支撐了東站樞紐方案設(shè)計(jì)、調(diào)整及優(yōu)化工作,進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的適應(yīng)性和有效性。

　　(一)評(píng)估內(nèi)容

　　根據(jù)仿真模型輸出參數(shù),構(gòu)建了樞紐綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)樞紐片區(qū)、站前片區(qū)、換乘接駁慢行系統(tǒng)的落客平臺(tái)、立交匝道服務(wù)能力、進(jìn)出站交通組織順暢性等車(chē)行、人行運(yùn)行效益以及安全性進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估。

　　(二)仿真分析

　　經(jīng)過(guò)前后六輪的仿真評(píng)估及多次調(diào)整優(yōu)化,東站樞紐片區(qū)交通組織基本穩(wěn)定,骨架道路與樞紐、地面與高架合流區(qū)銜接基本順暢。樞紐區(qū)域整體運(yùn)行車(chē)速為29郾2km/h,其中高架層整體運(yùn)行車(chē)速35郾6km/h,地面層運(yùn)行車(chē)速27郾1km/h,地面層運(yùn)行車(chē)速整體較好;樞紐區(qū)域擁堵里程僅占總里程的9郾3%,其中高架層擁堵里程比例3%,地面層擁堵比例15%;樞紐區(qū)域平均延誤時(shí)間137s,其中駛?cè)霕屑~延誤時(shí)間69s,車(chē)庫(kù)駛出車(chē)輛延誤時(shí)間163s;樞紐區(qū)域車(chē)輛平均啟動(dòng)停止次數(shù)6次,樞紐區(qū)域車(chē)輛平均變道次數(shù)4次。

　　(三)實(shí)施效果

　　中觀仿真模型有力支撐了東站樞紐建設(shè)方案及調(diào)整優(yōu)化工作,有效縮短了方案評(píng)估周期,對(duì)布局細(xì)節(jié)進(jìn)行了精細(xì)化仿真評(píng)估,基于評(píng)價(jià)結(jié)果,提出針對(duì)性?xún)?yōu)化建議,并對(duì)優(yōu)化方案再次進(jìn)行多次量化評(píng)估,直至方案最終確定,本次共經(jīng)歷六輪“仿真評(píng)估-方案優(yōu)化冶迭代過(guò)程,對(duì)建筑布局問(wèn)題、高架循環(huán)道與地面道路以及3層車(chē)庫(kù)的進(jìn)出集散問(wèn)題、南北循環(huán)道流量均衡等問(wèn)題開(kāi)展了深入細(xì)化論證及優(yōu)化,極大提升了重慶東站樞紐方案決策水平。

　　可全面服務(wù)城市交通管理決策部門(mén)日常工作,提升項(xiàng)目管理決策能力,提高交通仿真量化評(píng)估水平,為市政建設(shè)項(xiàng)目方案比選、節(jié)點(diǎn)改造、施工交通組織、信號(hào)控制等項(xiàng)目提供量化支撐,為城市道路年度建設(shè)計(jì)劃、跨江穿山通道等市重點(diǎn)項(xiàng)目提供決策依據(jù)。

　　項(xiàng)目社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著,目前已應(yīng)用于交通方案咨詢(xún)、交通組織、綜合樞紐規(guī)劃等多種項(xiàng)目,如主城區(qū)三年緩堵行動(dòng)計(jì)劃、2018年重慶市主城區(qū)年度建設(shè)計(jì)劃編制、重慶智博會(huì)交通組織、重慶市主城區(qū)交通需求調(diào)控政策研究等多個(gè)市重點(diǎn)項(xiàng)目及科研課題,為市政道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)決策提供了大量量化支撐,有效節(jié)約了項(xiàng)目投資,提高了項(xiàng)目建設(shè)能效,有力支撐了建設(shè)項(xiàng)目管理和決策,顯著提升建設(shè)項(xiàng)目精細(xì)化、智能化決策水平。