《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《基于三维虚拟交互的山地城市中观交通仿真模型关键技术与应用研究》

1. 项目名称: 基于三维虚拟交互的山地城市中观交通仿真模型关键技术与应用研究

2. 完成单位: 重庆市市政设计研究院有限公司

3. 主要完成人: 张晓阳、 祝烨、 龚丽俨、 张磊、 谢晓忠、 夏军、 晏秋萍、 程龙春、 刘屹、 徐韬、 杨君、 杨强、 张紫瑜、 徐沙

　　(一)项目背景

　　国内外传统交通仿真模型以宏观模型、微观模型为主,宏观交通仿真主要侧重于路网整体评估,输出参数以交通量为主,在节点评估层面精度较低,无法满足节点等微观层面精细化评估要求;微观交通仿真侧重单一节点仿真,输出参数以节点延误时长、运行车速为主,但受自身模型限制,评估范围有限,无法对片区交通影响进行系统性评估,且建模速度慢,难以应对区域级路网仿真要求,急需应用先进的三维建模、交通仿真技术,重塑城市交通仿真模型体系框架,有力支撑城市基础设施建设和交通管理措施实施。

　　(二)技术概况

　　本研究旨在利用现有三维城市建模、虚拟交互、平台二次开发等先进的可视化技术,兼顾宏观模型建模速度快、微观仿真预测精度高等特性,构建符合山地城市交通运行特征的中微观一体化交通仿真模型,充分发挥中观模型在建模速度、预测精度、综合评估、人机可视化等方面的优势,全面提升市政建设项目精细化、智能化、科学化决策水平。

　　(三)适用范围

　　本技术适用于山地城市交通工程模型仿真应用领域,可用于指导城市道路建设方案设计、交通组织与优化、道路交通三维可视化等,支撑山地城市基础设施建设及交通管理与控制。

　　(四)获奖情况

　　目前已获得国家专利10项,正申请专利5项,软件著作权3项,部分成果作为公益性质无偿提供给重庆市住房和城乡建设委员会、重庆市公安局交通管理局、城投路桥公司等多个政府部门、研究机构及开发集团使用,注重技术创新与成果转化,荣获中国交通运输协会《2020年度中国交通运输协会科学技术奖三等奖》、中国智能交通协会《2020年智能交通优秀技术解决方案奖》。

　　(一)复杂地形下倾斜摄影三维建模与仿真参数动态捕捉

　　传统三维建模通过高程信息、视频影像、3DMax进行建模,速度慢、精度低,项目利用无人航拍技术获取城市三维地理信息数据,利用神经网络快速去噪修复及模型重构,通过数据挖掘算法提取出道路参数如车道数信息,实现仿真路网初始匹配赋值,并对路网属性动态校核。

　　(二)基于深度学习的山地城市中微观仿真参数标定和优化

　　通过宏观交通小区微观尺度切分与OD矩阵拆分重构,实现任意切分区域下宏观OD矩阵到中观OD矩阵的快速重构,建立了一整套适应山地城市路网结构和出行特征的交通仿真参数体系,结合RFID、浮动车GPS、手机信令等多源大数据,利用深度学习的强监督学习能力,实现中观模型仿真参数如左转惩罚、阻抗函数等自动标定与动态优化。

　　(三)基于人机交互的二次集成封装与可视化

　　设计及平行在线仿真推演与辅助决策传统交通仿真模型使用专业要求较高,难以满足政府部门等非专业操作和使用要求,利用中观仿真的集成优势,通过二次深度开发,对中观仿真模型集成封装,提升模型的可视化和人机交互能力,同时利用RFID、卡口等交通采集设备,实现交通参数实时去噪及获取,自动生成仿真模型动态OD及事件输入参数,实现在线仿真并提供交通措施平行评估。

　　(一)系统架构

　　中观交通仿真模型以排队论、车辆跟驰模型为基础,以浮动车GPS、手机信令数据、私家车OBD数据为支撑,全面标定具有山地城市特点的交通分配模型、车辆跟驰模型参数,融合静态交通分配与动态车流仿真,适应精细化各种指标评估的要求。系统采用SOA架构,以C/S相结合的模式构建,结合GIS、3DMAX、中观建模等技术,实现设计流程化操作界面和批量生成报表。

　　(二)三维建模

　　利用航拍倾斜摄像三维快速建模技术,依据无人机具体的航摄任务以及低空数字航空摄影规范中相关规定的要求,计算和设置相应的航摄技术参数,建立片区城市三维地理信息模型,将存储格式转变为中观模型支持格式,并导入中观模型。

　　为提高仿真、预测精度,道路编辑精度精细化至车道、节点级别,模型对道路、路段、车道和节点/路口作了明确划分,并且对道路信息进行细化,对交叉口渠化信息、进口道功能、转向限制、信号灯控制、优先控制等功能进行了设置,并增加公交停靠的专用车道,模拟公交港湾,提升模型的现实再现能力。

　　按照交叉口的管控方为无控制节点、让行交叉口节点、环形交叉口节点、信号控制节点。无信号控制节点、让行交叉口节点需要输入其渠化设计,根据相交道路等级来确定让行规则,环形交叉口节点需要输入各出入口的渠化设计以及环岛车道数。中观模型支持多种交通方式的仿真,可以模拟地面公交车、地下和高架轨道交通系统,采用专用的地理文件对公交系统进行仿真,将公交线路和公交站点分别表征为地理的线层和点层特征,对公交系统的物理和运营特征进行模拟,中观交通模型公交系统主要包括基础仿真数据库、公交线网系统、公交车辆和公交时刻表四大要素。中观交通模型信号控制系统中支持多种交叉口控制方式,包括无信号控制、停车/让行控制、定时红绿灯控制、交叉口协同控制和流量感应控制等,模型提供了多种类型的检测器/传感器,检测器通过部署在路段、车道或车道连接线上来检测道路交通流特征。

　　(三)参数标定

　　模型以浮动车GPS、手机信令数据、私家车OBD数据为基础,进行交通分布反推,获得初始OD分布量,结合居民出行调查结果基础数据,反复优化OD反推模型参数,提高模型反推精度。模型对交通系统运行状态进行动态模拟,并以核查线位基准,优化配置驾驶员参数、车型构成、跟驰模型、信号相位、现状出行OD、质心连杆、车道连接线等仿真参数,提升模型预测精度。观交通仿真以若干辆车构成的队列为单元对交通流进行描述,微观交通仿真以单个车辆为基本单元对交通流进行描述,在中观交通模型中,重要节点和路段设置为微观仿真,通过中观与微观有效结合,分层次混合仿真,保证仿真建模速度和预测精度。

　　(四)仿真输出

　　支持多元仿真参数集成输出,通过标准的输出界面,可以实现评价对象自定义选取,包括信号交叉口、各类出入匝道、各类长路段、环形交叉口及交织区等,支持实现多个量化指标自定义选取,包括流量、车速、饱和度、车流密度、延误(率)、排队长度、拥堵等级、服务水平等,自动生成标准化、定量化评估报表,支持多个评价方案在线评价。

与 TRANSModeler、 INTEGRATION 等传统仿真模型相比, 基于三维虚拟交互的山地城市中观交通仿真模型在路网快速建模、 输出参数多样化、模型预测精度、 三维可视效果上均有较大提升,更适应山地城市组团式交通出行特征。

　　依托中观仿真建模技术,构建重庆东站综合交通枢纽中观仿真模型,对枢纽进出流向、车库开口、交通组织、信号控制等进行多轮评估优化,累计发现问题超40项,全力支撑了东站枢纽方案设计、调整及优化工作,进一步验证了模型的适应性和有效性。

　　(一)评估内容

　　根据仿真模型输出参数,构建了枢纽综合评价指标体系,对枢纽片区、站前片区、换乘接驳慢行系统的落客平台、立交匝道服务能力、进出站交通组织顺畅性等车行、人行运行效益以及安全性进行系统性评估。

　　(二)仿真分析

　　经过前后六轮的仿真评估及多次调整优化,东站枢纽片区交通组织基本稳定,骨架道路与枢纽、地面与高架合流区衔接基本顺畅。枢纽区域整体运行车速为29郾2km/h,其中高架层整体运行车速35郾6km/h,地面层运行车速27郾1km/h,地面层运行车速整体较好;枢纽区域拥堵里程仅占总里程的9郾3%,其中高架层拥堵里程比例3%,地面层拥堵比例15%;枢纽区域平均延误时间137s,其中驶入枢纽延误时间69s,车库驶出车辆延误时间163s;枢纽区域车辆平均启动停止次数6次,枢纽区域车辆平均变道次数4次。

　　(三)实施效果

　　中观仿真模型有力支撑了东站枢纽建设方案及调整优化工作,有效缩短了方案评估周期,对布局细节进行了精细化仿真评估,基于评价结果,提出针对性优化建议,并对优化方案再次进行多次量化评估,直至方案最终确定,本次共经历六轮“仿真评估-方案优化冶迭代过程,对建筑布局问题、高架循环道与地面道路以及3层车库的进出集散问题、南北循环道流量均衡等问题开展了深入细化论证及优化,极大提升了重庆东站枢纽方案决策水平。

　　可全面服务城市交通管理决策部门日常工作,提升项目管理决策能力,提高交通仿真量化评估水平,为市政建设项目方案比选、节点改造、施工交通组织、信号控制等项目提供量化支撑,为城市道路年度建设计划、跨江穿山通道等市重点项目提供决策依据。

　　项目社会经济效益显著,目前已应用于交通方案咨询、交通组织、综合枢纽规划等多种项目,如主城区三年缓堵行动计划、2018年重庆市主城区年度建设计划编制、重庆智博会交通组织、重庆市主城区交通需求调控政策研究等多个市重点项目及科研课题,为市政道路基础设施建设决策提供了大量量化支撑,有效节约了项目投资,提高了项目建设能效,有力支撑了建设项目管理和决策,显著提升建设项目精细化、智能化决策水平。