高速公路應(yīng)急預(yù)案管理仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

童文聰 楊 磊 李君羨

（上海濟(jì)安交通工程咨詢(xún)有限公司 上海200092）

0 引 言

高速公路是公路交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，其運(yùn)營(yíng)狀況是衡量一個(gè)國(guó)家公路交通運(yùn)輸發(fā)展水平的重要標(biāo)志。高速公路具有快速、便捷、安全、舒適等優(yōu)點(diǎn)，但與其他等級(jí)公路相比，其事故的嚴(yán)重性更大。因此，將交通仿真技術(shù)應(yīng)用到高速公路應(yīng)急預(yù)案管理領(lǐng)域中，有利于提高高速公路管理決策的智能化、科學(xué)性水平。

由于交通仿真軟件建模過(guò)程復(fù)雜，參數(shù)標(biāo)定較為嚴(yán)格，在一定程度上限制了專(zhuān)業(yè)仿真軟件在應(yīng)用部門(mén)的推廣。目前，交通仿真平臺(tái)技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)若干城市展開(kāi)應(yīng)用，但并未在高速公路領(lǐng)域廣泛推廣。提供功能優(yōu)化的操作界面和簡(jiǎn)單明了的自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程，使得各級(jí)用戶(hù)能方便快捷地通過(guò)仿真進(jìn)行交通事故和預(yù)案的建模和評(píng)估，是智能化交通仿真平臺(tái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交通仿真及決策支持系統(tǒng)是交通管理綜合信息平臺(tái)的輔助應(yīng)用系統(tǒng)，為平臺(tái)的輔助決策功能提供支持，作為整體系統(tǒng)架構(gòu)的一部分。平臺(tái)與高速公路交通管理綜合信息平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)案管理仿真決策的支持。

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的需要，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、處理層、仿真應(yīng)用層和管理平臺(tái)應(yīng)用層4個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。其架構(gòu)特點(diǎn)包括：

1）支持多渠道用戶(hù)接入模式。支持用戶(hù)訪問(wèn)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(jié)構(gòu)，并提供安全、準(zhǔn)確的用戶(hù)權(quán)限驗(yàn)證功能。

3）支持自動(dòng)化、空間化、可視化的預(yù)案內(nèi)容及仿真結(jié)果管理與展示；實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急預(yù)案及結(jié)果數(shù)據(jù)的自動(dòng)同步。

4）支持與其他應(yīng)用系統(tǒng)的互聯(lián)互通。將應(yīng)急預(yù)案及仿真結(jié)果等內(nèi)容的查詢(xún)功能，設(shè)計(jì)成Web服務(wù)，以便于其他系統(tǒng)集成使用。

圖1 高速公路應(yīng)急預(yù)案管理仿真平臺(tái)系統(tǒng)總體架構(gòu)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(yù)案設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)功能，見(jiàn)表1。

表1 高速公路應(yīng)急預(yù)案管理仿真平臺(tái)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)Tab.1 Basic functions of sub－system of highway emergency response management simulation platform

2 系統(tǒng)邏輯流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)邏輯流程見(jiàn)圖2。

圖2 高速公路應(yīng)急預(yù)案管理仿真平臺(tái)系統(tǒng)邏輯流程設(shè)計(jì)Fig.2 Logical flow diagram of highway emergency response management simulation platform

1）檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入。平臺(tái)的信息來(lái)源，檢測(cè)裝置的布點(diǎn)、數(shù)據(jù)構(gòu)成直接影響到仿真模型的建立方式和質(zhì)量。輸入的數(shù)據(jù)主要為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如收費(fèi)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(yù)處理、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等工作。外場(chǎng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊分析，需要經(jīng)過(guò)算法的擬合和分析，才能同仿真平臺(tái)的接口對(duì)接。

3）預(yù)案模型生成。平臺(tái)的核心是預(yù)案模型生成器，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)建立預(yù)案模型生成器，使得仿真預(yù)案的能快速生成和調(diào)整。

4）預(yù)案模型的保存。用戶(hù)可自行定義所需預(yù)案，按一定的規(guī)則將其保存在仿真預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)中；已完成的預(yù)案將以一定的數(shù)據(jù)格式存入仿真預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備用戶(hù)調(diào)用。

5）預(yù)案管理及Web服務(wù)調(diào)用。預(yù)案管理子系統(tǒng)可通過(guò)Web對(duì)預(yù)案庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)行仿真結(jié)果的展示和預(yù)案內(nèi)容的編輯。在預(yù)案管理子系統(tǒng)中，用戶(hù)可以對(duì)預(yù)案進(jìn)行篩選，瀏覽預(yù)案詳細(xì)情況和評(píng)價(jià)結(jié)果；可以根據(jù)需要生成新預(yù)案；可以查詢(xún)到歷史預(yù)案信息，并修改、優(yōu)化歷史方案等。

3 接口設(shè)計(jì)

交通仿真Web Service服務(wù)接口為平臺(tái)提供了訪問(wèn)交通仿真模塊調(diào)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(wù)系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。平臺(tái)接口請(qǐng)求信息包括：

1）事故信息。主要包括事故發(fā)生的地點(diǎn)、事故類(lèi)型、事故占用的車(chē)道、事故持續(xù)時(shí)間、事故段交通運(yùn)行情況等信息。

2）天氣信息。系統(tǒng)預(yù)設(shè)若干類(lèi)型的天氣，以一系列參數(shù)來(lái)描述其性質(zhì)，包括車(chē)輛速度、最大加減速度、車(chē)道變化、跟車(chē)模型的參數(shù)調(diào)整等。同時(shí)允許用戶(hù)自定義天氣類(lèi)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(gè)流量集由若干數(shù)據(jù)組成，比如檢測(cè)器流量，OD情況、運(yùn)行車(chē)速。

4）預(yù)案信息。在事故、天氣、流量信息確定的情況下，可通過(guò)預(yù)設(shè)程序排除不適用的預(yù)案，并把適用預(yù)案展示給用戶(hù)。預(yù)案庫(kù)需要不斷的維護(hù)和補(bǔ)充，如果預(yù)案庫(kù)中不存在相應(yīng)的預(yù)案，則無(wú)法反饋用戶(hù)需求。在缺少方案的情況下，用戶(hù)可以根據(jù)自行需要增置預(yù)案庫(kù)。

通過(guò)仿真軟件的二次開(kāi)發(fā)接口可以直接讀取相關(guān)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)并存入仿真預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)可通過(guò)web調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，瀏覽每個(gè)預(yù)案的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)及仿真錄像，也可以進(jìn)行多個(gè)方案的仿真評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ取?/p>

4 仿真平臺(tái)建模邏輯實(shí)現(xiàn)方法

為了模擬事故發(fā)生及預(yù)案應(yīng)用整個(gè)過(guò)程。需要在外部界面通過(guò)COM接口調(diào)用Vissim中內(nèi)置數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)特殊定制功能的需要。整個(gè)平臺(tái)的仿真建模過(guò)程由基礎(chǔ)路網(wǎng)模型設(shè)計(jì)、模型參數(shù)標(biāo)定、典型預(yù)案模型設(shè)計(jì)、仿真評(píng)價(jià)建模、模型精度調(diào)校等5個(gè)步驟組成。以呈現(xiàn)事故發(fā)生—預(yù)案響應(yīng)—事故影響持續(xù)—事故處理完畢—蓄積車(chē)輛疏散—應(yīng)急預(yù)案解除這一完整應(yīng)急事件流程。

4.1 基礎(chǔ)路網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)路網(wǎng)建模的主要工作是：根據(jù)平面圖紙，在對(duì)高速路網(wǎng)交通運(yùn)行情況充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際建設(shè)狀況以及車(chē)道數(shù)、車(chē)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(jìn)出匝道、收費(fèi)站等構(gòu)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(shè)計(jì)中，需要將整個(gè)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(diǎn)，將相鄰2個(gè)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(kāi)口作為分界點(diǎn)，將互通立交之間的2個(gè)相鄰中央分隔帶開(kāi)口間的路段定義為“路段單元”。

路段單元?jiǎng)澐趾?，?dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，能夠根據(jù)路段編號(hào)定義事件發(fā)生位置，而利用該路段內(nèi)的互通立交、中央分隔帶開(kāi)口等設(shè)施進(jìn)行交通組織與疏導(dǎo)的預(yù)案形式是相對(duì)固定的，從而可以針對(duì)各類(lèi)型預(yù)案預(yù)制仿真模型。

圖3 高速公路仿真建模路段單元?jiǎng)澐质疽釬ig.3 Illustration of units in highway simulation

4.2 模型參數(shù)標(biāo)定

除了路網(wǎng)建模外，仿真建模中還需要標(biāo)定許多與交通運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)的特征參數(shù)，包括路網(wǎng)特征參數(shù)、車(chē)輛特征參數(shù)、駕駛行為特征參數(shù)等。根據(jù)交通流實(shí)際情況對(duì)這些參數(shù)予以調(diào)整，可以更加精確地模擬交通系統(tǒng)中人、車(chē)、路運(yùn)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(duì)交通的影響。這些參數(shù)可以在二次開(kāi)發(fā)中通過(guò)批量輸入的方法導(dǎo)入仿真系統(tǒng)。以收費(fèi)站建模為例，設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)定內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 收費(fèi)站仿真建模參數(shù)標(biāo)定Tab.2 Value of parameters in simulation of toll gate

4.3 典型預(yù)案模型設(shè)計(jì)

為達(dá)到快速生成應(yīng)急預(yù)案仿真模型的目的，需要預(yù)定制特征模型，預(yù)案設(shè)計(jì)中用戶(hù)可以調(diào)用所需的典型預(yù)案模型，不同的典型模型間可進(jìn)行排列組合，形成新的預(yù)案組，并充實(shí)已有的預(yù)案庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成仿真預(yù)案的目的，平臺(tái)預(yù)制的預(yù)案模型見(jiàn)表3。

4.4 仿真評(píng)價(jià)建模

Vissim可以在線將交通運(yùn)行狀況可視化，比如三維仿真動(dòng)畫(huà)，或者轉(zhuǎn)換成車(chē)速／延誤的集聚值動(dòng)態(tài)分布，同時(shí)也可以離線輸出各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如車(chē)速、行程時(shí)間、延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度等，作為決策支持的數(shù)據(jù)。評(píng)價(jià)建?？筛鶕?jù)具體需要，采取以下幾種模式。

1）指定檢測(cè)區(qū)段評(píng)價(jià)。建立一個(gè)起點(diǎn)和一個(gè)終點(diǎn)組成的檢測(cè)區(qū)段?？梢詸z測(cè)定義區(qū)段的行程時(shí)間、延誤等數(shù)據(jù)。適合于重點(diǎn)研究路段區(qū)域的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集。

2）數(shù)據(jù)采集點(diǎn)評(píng)價(jià)。使用數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集操作，可采集通過(guò)采集點(diǎn)車(chē)輛的車(chē)速、延誤、行駛方向、車(chē)道變換等等數(shù)據(jù)。該方法可模擬模擬道路實(shí)際檢測(cè)器的工作機(jī)制，輔助后期模型精度的調(diào)校。

表3 預(yù)案模型設(shè)計(jì)Tab.3 Model design of highway emergency responses

3）節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)。該功能可以針對(duì)Vissim路網(wǎng)中的用戶(hù)定義區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，可采集平均排隊(duì)長(zhǎng)度、延誤時(shí)間、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、停車(chē)次數(shù)等數(shù)據(jù)，可用于輸出收費(fèi)口、匝道口、互通立交等具有區(qū)域范圍節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

4）路網(wǎng)性能評(píng)價(jià)。這種模式下，只考慮到達(dá)或離開(kāi)路網(wǎng)或目的地停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛?？傻玫降脑u(píng)價(jià)參數(shù)包括車(chē)輛總數(shù)、出行距離總和、行程時(shí)間總和、路網(wǎng)平均車(chē)速等等。適用于全路網(wǎng)交通運(yùn)行情況分析。

5）路段評(píng)價(jià)。采集通過(guò)VISSIM定義路段的交通流信息?？傻玫降脑u(píng)價(jià)參數(shù)包括車(chē)輛密度、氣體排放量、損失時(shí)間、所在路段車(chē)道位置、車(chē)速、交通量等數(shù)據(jù)，適用于若干特定路段的綜合評(píng)估。

5 應(yīng)用案例分析

目前系統(tǒng)已成功應(yīng)用于沈陽(yáng)三環(huán)高速公路，根據(jù)其路網(wǎng)建設(shè)情況，進(jìn)行路段單元?jiǎng)澐植⒕幪?hào)。現(xiàn)以某路段發(fā)生的一起交通肇事為例，描述仿真平臺(tái)運(yùn)作的整體流程及功能實(shí)現(xiàn)。

事故發(fā)生后，外場(chǎng)工作人員反饋相關(guān)事故信息，救援指揮中心人員通過(guò)Web接口將相關(guān)信息導(dǎo)入仿真平臺(tái)，事故基本信息描述見(jiàn)表4。

針對(duì)該路段單元發(fā)生的事件，工作人員已經(jīng)預(yù)先定制好了若干個(gè)應(yīng)急預(yù)案，并保存在仿真預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)中，單個(gè)預(yù)案描述信息內(nèi)容見(jiàn)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(yù)案基本信息描述Tab.5 Information of response in the case

在通過(guò)接口完成事故及預(yù)案信息輸入后，系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)每個(gè)預(yù)案進(jìn)行仿真，形成相應(yīng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)及仿真錄像文件，并通過(guò)接口返回至預(yù)案管理子系統(tǒng)中，系統(tǒng)將相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行信息發(fā)布。圖4為不同預(yù)案輸入條件下，仿真得出的事故段擁堵車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度隨著時(shí)間推移的變化情況，圖5展示了不同預(yù)案下仿真預(yù)估的交通擁堵疏散總時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)仿真評(píng)價(jià)的報(bào)表分析可以在不同預(yù)案之間進(jìn)行比較，并推選最優(yōu)方案，作為應(yīng)急方案輔助決策的參考。

圖5 不同預(yù)案仿真擁堵疏散時(shí)間預(yù)估圖Fig.5 Estimated time for evacuation of different response

根據(jù)實(shí)際需要，模型中可設(shè)置若干視角，進(jìn)行仿真動(dòng)畫(huà)分屏顯示，可發(fā)布于Web或在指揮中心大屏進(jìn)行展示，用以直觀表現(xiàn)交通流整體運(yùn)行情況。

圖6 關(guān)鍵視角仿真動(dòng)畫(huà)展示Fig.6 Display of simulation animation from different angles

6 結(jié)束語(yǔ)

交通仿真技術(shù)是交通決策評(píng)估的重要工具，在對(duì)交通流行為特征分析和管理需求解析的基礎(chǔ)上，可應(yīng)用于智能交通應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域，為交通決策的科學(xué)性、智能化提供支持。系統(tǒng)通過(guò)與Web連接的服務(wù)模式，從預(yù)案管理特征及用戶(hù)需求分析出發(fā)，提出了實(shí)現(xiàn)高速公路應(yīng)急預(yù)案管理仿真平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)模式及邏輯設(shè)計(jì)流程，確定了一種基于事件解決和預(yù)案自動(dòng)生成的Vissim仿真模型設(shè)計(jì)模式，并成功應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，具備較好的技術(shù)可行性和適用性。

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