UC—win/Road在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

馬思群 張旻昌 蔣坤 林寶聚 張偉龑 劉業(yè)華 李恩實

摘要摘要：城市規(guī)劃過程中進(jìn)行快速建模、交通仿真和效果檢驗尤為重要。以某城市為例，利用UCwin/Road軟件進(jìn)行道路設(shè)計、建筑物建模及交通仿真完成城市規(guī)劃設(shè)計，并且利用軟件的腳本功能及模擬駕駛功能，在完成后的場景中進(jìn)行腳本演示及模擬駕駛。實驗證明，利用UCwin/Road軟件進(jìn)行城市規(guī)劃，不僅方便快捷、具有強烈沉浸感，而且可以通過交通仿真功能及駕駛模擬器對規(guī)劃的合理性進(jìn)行檢驗。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：UCwin/Road；城市規(guī)劃；道路設(shè)計；建模；交通仿真；模擬駕駛

DOIDOI：10.11907/rjdk.151918

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2015）011007803

基金項目基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51220001）；大連市科技計劃資助項目（2011D11ZC093）；2013年大連小微科技企業(yè)扶持資金項目（2013）

作者簡介作者簡介：馬思群（1969-），男，黑龍江佳木斯人，大連交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向為車輛結(jié)構(gòu)分析與現(xiàn)代設(shè)計方法；張旻昌（1990-），男，江蘇鹽城人，大連交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為車輛結(jié)構(gòu)分析與現(xiàn)代設(shè)計方法。

0引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的城市通過進(jìn)一步開發(fā)與擴建來滿足自身發(fā)展需求。而城市作為復(fù)雜綜合體，涉及政治、經(jīng)濟、文化、金融各個領(lǐng)域，為了使各方面協(xié)調(diào)發(fā)展，就必須進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，確定城市定位、規(guī)模和發(fā)展方向，合理利用城市土地，協(xié)調(diào)城市空間布局及各項建設(shè)的綜合部署和具體安排。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃領(lǐng)域。具有強烈沉浸感的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）對于城市規(guī)劃設(shè)計有著重要意義。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行城市規(guī)劃可以實現(xiàn)傳統(tǒng)二維設(shè)計難以達(dá)到的形象直觀的視覺效果。

當(dāng)前城市規(guī)劃領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實軟件有sketchup、Esri CityEngine等。這些軟件雖然可以進(jìn)行三維城市建模，但無法具體且準(zhǔn)確地編輯城市活動中的主體——交通流。而CUBE、VISSIM等交通規(guī)劃軟件雖然可以較出色地模擬交通流，但沉浸感不足且無法勝任復(fù)雜、精細(xì)的城市規(guī)劃任務(wù)。

本文利用日本富朗巴公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實軟件UCwin/Road進(jìn)行城市規(guī)劃。該軟件不僅可以方便快捷地在計算機上進(jìn)行城市規(guī)劃，而且可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料編輯需要的交通流，還可以利用腳本工具及駕駛模擬功能來檢驗城市規(guī)劃的效果。

1UCwin/Road軟件介紹

UCwin/Road是由日本富朗巴公司開發(fā)的一款利用計算機三維虛擬實現(xiàn)表現(xiàn)原理，進(jìn)行道路、城市規(guī)劃設(shè)計的三維虛擬現(xiàn)實軟件。該軟件為城市規(guī)劃設(shè)計提供了最新手段。UCwin/Road軟件主要包含地形輸入、道路定義、道路和交通流生成、建筑建模及仿真模擬等五大功能。使用該軟件，用戶即使對土木工程不了解，也可以通過簡單的計算機操作進(jìn)行三維模擬，還可以與設(shè)計連接。與傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計軟件相比，該軟件具有建模方便快速、成本低、方案變更容易及可實現(xiàn)模擬駕駛等特點。軟件還自帶豐富的模型數(shù)據(jù)庫，包括建筑物、道路附屬物、橋梁、樹木等，同時還具有路面墻面等材質(zhì)數(shù)據(jù)庫；可通過LandXML與各類CAD進(jìn)行3D/2D數(shù)據(jù)交換；通過對應(yīng)開源格式LandXML支持與Civil 3D、InRoad等CAD的接口，可轉(zhuǎn)換地形、道路線形和截面信息；具有較強的交通仿真功能，例如交通流仿真、交叉口信號燈控制及交叉口沖突點模擬等。此外，該軟件還有很多獨到之處，例如模型的陣列擺放、無需編程基礎(chǔ)就可以編輯腳本路徑、支持地形數(shù)據(jù)的導(dǎo)入衛(wèi)星地圖的精確粘貼等。

駕駛模擬系統(tǒng)是UCwin/Road軟件的一個重要組成部分。該系統(tǒng)由駕駛模擬器、交通流仿真器以及車輛動力學(xué)仿真器構(gòu)成。目前，富朗巴公司開發(fā)的最新駕駛模擬器是由6自由度運動平臺和Yaw Table轉(zhuǎn)臺、X Table長行程所構(gòu)筑的8自由度車輛運動模型實車駕駛模擬器。該模擬器由球形穹幕、多通道投影系統(tǒng)、轎車客艙、振動系統(tǒng)、六自由度運動平臺、長行程單元、集群計算機系統(tǒng)、視線追蹤系統(tǒng)、交通流仿真器、車輛動力學(xué)仿真器和其它輔助系統(tǒng)構(gòu)成。駕駛模擬系統(tǒng)通過與UCwin/Road聯(lián)合仿真及360度投影裝置、音響系統(tǒng)、振動裝置等共同營造出無限接近實際的駕駛環(huán)境，在已完成的城市規(guī)劃場景中進(jìn)行模擬駕駛，以此來檢驗設(shè)計道路的車行道數(shù)、交叉口、道路曲線、綠化等是否合理。這對于城市規(guī)劃中的道路設(shè)計具有重要意義。

2規(guī)劃及建模

2.1實驗地區(qū)選取

本文以某城市奧運村規(guī)劃作為案例，介紹如何利用UCwin/Road進(jìn)行城市規(guī)劃。該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)，人口密度較大，考慮到比賽期間外來人口對該城市交通的不利影響，作者設(shè)計將奧運村置于以居民區(qū)為主的江東區(qū)，而奧運村賽后用作居住區(qū)也是歷屆奧運村賽后利用規(guī)劃的主要思路。

2.2實驗地區(qū)規(guī)劃

本次奧運村規(guī)劃不僅要滿足奧運會期間的賽事要求，并且在賽后能夠重復(fù)利用，避免奧運設(shè)施閑置造成浪費。根據(jù)上述要求，在某區(qū)現(xiàn)有規(guī)劃基礎(chǔ)上，從3個方面進(jìn)行規(guī)劃。

2.2.1奧運村選址

政府將在江東區(qū)的夢島建設(shè)4個體育場館，夢島競技場為已有場館，其它3個為新建場館。夢島北部及東部均為水域，南部為商業(yè)區(qū)。因此，從城市規(guī)劃的技術(shù)性角度出發(fā)，將與夢島隔河相望的辰巳森海浜公園規(guī)劃為奧運村。公園周邊環(huán)境優(yōu)美，人員相對較少，可以保證賽后休息質(zhì)量?？紤]到當(dāng)?shù)卣侠黹_發(fā)奧運村及可持續(xù)利用的要求，所有建筑均為中低層建筑，奧運村內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)為底層商業(yè)，二層辦公，其上為住宅。所以每個單元都是混合功能，集生活、工作、休閑為一體，一個奧運村就是一個微縮的城市。賽后可以作為居住區(qū)利用，滿足工作和娛樂需求，既減少了城市交通流，又方便了居民生活。

2.2.2配套建筑設(shè)施

考慮相關(guān)人員需求，需要在場館附近新建急診室及小型購物場所。為方便運動員及相關(guān)人員往返于奧運賽場及奧運村，在辰巳森海浜公園南面的首都高速灣岸線上增加一個列車站臺，與已有的新木場站成為連接奧運會場與奧運村的兩個站臺，這樣既可以方便奧運村居住人員出行，又可以減輕眾多外來人口對公路交通造成的負(fù)擔(dān)，并在車站附近新建小型公園及餐飲設(shè)施。

2.2.3道路設(shè)計

主干道仍為現(xiàn)有道路。新建一些支路，以方便進(jìn)出場館及奧運村區(qū)域。人行道每隔150m設(shè)置一個路口，在路口處建設(shè)可供居民停留、交流和休息的空間。在十字路口做倒角處理，這樣能在各種情況下加快車流過彎速度，減少堵車，加快城市內(nèi)部流通速度。

2.3UCwin/Road建模

UCwin/Road中，三維仿真模型主要包括道路及附屬物模型和建筑物模型兩個主要部分。建立三維仿真模型首先需要導(dǎo)入地形信息，對地形信息進(jìn)行編輯；然后定義道路，包括定義平線形面、縱斷面線形、道路橫斷面、立交、平面交叉、橋梁、渠道、匝道、填挖土區(qū)段等；完成定義后需要對其進(jìn)行編輯，包括配置模型、標(biāo)識、添加樹木，設(shè)置材質(zhì)等；最后設(shè)置時間、天氣、視角，選擇步行、飛行、動畫演示等功能，對建立好的三維模型進(jìn)行模擬來觀察效果。建立三維仿真模型的流程如圖1所示。

2.3.1道路主體部分建模

在完成地形模型的基礎(chǔ)上，利用UCwin/Road軟件中的定義道路工具繪制道路。道路建模過程側(cè)重于對道路平、縱、橫參數(shù)的設(shè)置。平面線型可以根據(jù)CAD圖的相對坐標(biāo)確定；縱斷面高程根據(jù)縱斷面設(shè)計圖確定；橫斷面按照道路說明中的規(guī)格尺寸進(jìn)行制作（見圖2、圖3）。道路附屬物可以從UCwin/Road中道路附屬物模型庫中直接添加。

2.3.2建筑物建模

UCwin/Road具有非常豐富的模型庫，對于一些不太重要的建筑物，可以直接從模型庫中添加并進(jìn)行編輯。一些重要的，需要特別突出的建筑可以通過專業(yè)的3D建模軟件進(jìn)行建模。UCwin/Road可以直接導(dǎo)入（.3ds）格式的文件（見圖4），所以通常選用3ds Max軟件來完成建模任務(wù)。導(dǎo)入到UCwin/Road中的模型要盡量精簡，不需要的部件不在模型中顯示，能用貼圖代替的細(xì)節(jié)盡量用貼圖來表現(xiàn)。用貼圖來表現(xiàn)材質(zhì)，不使用調(diào)和材質(zhì)，渲染器使用max默認(rèn)的掃描線渲染器或者mental ray渲染器。材質(zhì)類型選用standard。由于UCwin/Road在使用貼圖時都會轉(zhuǎn)換成BMP格式，所以在制作貼圖時可以直接輸出成BMP格式。由于BMP格式自身的特性，貼圖大小由貼圖像素大小決定，例如512*512的是768K，1 024*1 024的是1M，在制作使用貼圖時，需選擇合適尺寸的貼圖。不要使用超過需要太大像素的貼圖。另外，貼圖的名字不要超過8個字符，否則導(dǎo)出3DS時不會被識別。

2.4編輯交通流

城市規(guī)劃工作全部完成后，利用軟件中的編輯交通流工具對各類行人（如白領(lǐng)、老人、小孩、孕婦等）和各類機動車（如小汽車、貨車、公交車等）的數(shù)量及比例進(jìn)行配置，并且可以對其具體的行走或行車路線、出現(xiàn)時間進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定，同時結(jié)合設(shè)定好的交叉口信號燈來檢驗交通流堵塞情況及交叉口沖突點情況。

3模擬駕駛

完成規(guī)劃后，可以利用UCwin/Road進(jìn)行腳本制作。通過腳本演示可以實現(xiàn)規(guī)劃區(qū)域的自動漫游，對于需要詳細(xì)展示的區(qū)域或建筑可以添加環(huán)繞鏡頭進(jìn)行特寫，并給予文字說明。通過軟件的模擬駕駛功能，可以使設(shè)計者沉浸在規(guī)劃場景中進(jìn)行模擬駕駛。圖5為模擬駕駛截圖。

通過UCwin/Road駕駛仿真功能，設(shè)定合適的車輛模型、初始位置、初始速度、行駛車道等參數(shù)以及生成交通流后，就可以進(jìn)行模擬駕駛?？捎糜诘缆贩桨赋晒菔?，同時能以駕駛員的視角查看城市規(guī)劃效果。同時，可以利用駕駛模擬器對城市規(guī)劃道路設(shè)計的合理性進(jìn)行檢驗。在本次模擬駕駛中發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的道路線形與駕駛員所期望相一致，沒有視距不良地段，夜間道路照明滿足行車條件且會車光線未對司機造成不良影響，交通流未出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象。另外，模擬器顯示，車輛在做曲線運動時側(cè)向力未接近附著極限，車輛行駛安全。此外，駕駛模擬器還可結(jié)合眼動儀、心電儀等設(shè)備，獲取駕駛員在試驗路段進(jìn)行模擬駕駛的眼動、心電數(shù)據(jù)輸出駕駛員的心理生理狀態(tài)來間接評價所規(guī)劃設(shè)計道路線型的安全性[56]。

4結(jié)語

目前，國內(nèi)城市規(guī)劃軟件缺乏強大的交通仿真能力，而交通仿真軟件也不能完成復(fù)雜的城市規(guī)劃。因此，本文提出利用三維虛擬現(xiàn)實軟件UCwin/Road進(jìn)行城市規(guī)劃。該軟件可以將城市建模及交通仿真合二為一，既可以方便快捷的進(jìn)行道路設(shè)計與建筑物建模，又可以對交通流進(jìn)行仿真，且通過仿真結(jié)果來檢驗規(guī)劃的合理性；通過該軟件腳本工具，可以對場景進(jìn)行自動漫游，并重點突出相關(guān)區(qū)域及建筑物，方便成果展示；通過該軟件模擬駕駛功能，在規(guī)劃場景中進(jìn)行模擬駕駛?？梢宰屢?guī)劃者以駕駛者的角度來觀察規(guī)劃成果，并且可以通過道路線形、視距、夜間照明、側(cè)向力等檢驗道路設(shè)計的合理性。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

[1]周景麗.淺談城市規(guī)劃在城市發(fā)展中所起的作用[J].黑龍江科技信息，2012，6：1214.

[2]李蘇旻.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑與城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2008.

[3]馬智亮，伊藤裕二，武井千雅子.UCwin/Road實用教程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]孫川.基于車輛側(cè)向穩(wěn)定性分析的彎道行駛安全評價[J].交通信息與安全，2014（6）：96.

[5]陸林軍.駕駛模擬技術(shù)在公路安全設(shè)計中的應(yīng)用[J].交通安全，2014（4）：6063.

[6]楊學(xué). 一種人機交互式室內(nèi)建模方法[J].軟件導(dǎo)刊，2015，14（8）：7982.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時）