高速公路应急预案管理仿真平台设计与应用

童文聪 杨 磊 李君羡

（上海济安交通工程咨询有限公司 上海200092）

0 引 言

高速公路是公路交通运输系统中的一个重要组成部分，其运营状况是衡量一个国家公路交通运输发展水平的重要标志。高速公路具有快速、便捷、安全、舒适等优点，但与其他等级公路相比，其事故的严重性更大。因此，将交通仿真技术应用到高速公路应急预案管理领域中，有利于提高高速公路管理决策的智能化、科学性水平。

由于交通仿真软件建模过程复杂，参数标定较为严格，在一定程度上限制了专业仿真软件在应用部门的推广。目前，交通仿真平台技术已经在国内若干城市展开应用，但并未在高速公路领域广泛推广。提供功能优化的操作界面和简单明了的自动化设计流程，使得各级用户能方便快捷地通过仿真进行交通事故和预案的建模和评估，是智能化交通仿真平台发展的必然趋势。

1 平台系统结构

交通仿真及决策支持系统是交通管理综合信息平台的辅助应用系统，为平台的辅助决策功能提供支持，作为整体系统架构的一部分。平台与高速公路交通管理综合信息平台进行数据交互，从而实现对预案管理仿真决策的支持。

根据系统架构的需要，系统分为数据层、处理层、仿真应用层和管理平台应用层4个层级结构，见图1。其架构特点包括：

1）支持多渠道用户接入模式。支持用户访问终端浏览器、指挥中心大屏幕等方式。

2）系统支持B／S和C／S结构，并提供安全、准确的用户权限验证功能。

3）支持自动化、空间化、可视化的预案内容及仿真结果管理与展示；实现对应急预案及结果数据的自动同步。

4）支持与其他应用系统的互联互通。将应急预案及仿真结果等内容的查询功能，设计成Web服务，以便于其他系统集成使用。

图1 高速公路应急预案管理仿真平台系统总体架构Fig.1 Structure of highway emergency response management simulation platform

系统由数据集成子系统、信息共享子系统、预案设计子系统、智能仿真子系统和信息展示子系统5部分组成，其基本实现功能，见表1。

表1 高速公路应急预案管理仿真平台系统功能设计Tab.1 Basic functions of sub－system of highway emergency response management simulation platform

2 系统逻辑流程设计

系统逻辑流程见图2。

图2 高速公路应急预案管理仿真平台系统逻辑流程设计Fig.2 Logical flow diagram of highway emergency response management simulation platform

1）检测数据输入。平台的信息来源，检测装置的布点、数据构成直接影响到仿真模型的建立方式和质量。输入的数据主要为动态数据，如收费站卡口数据、路段微波数据等。

2）数据处理。完成数据的预处理、数据融合、数据转换等工作。外场检测到的数据要经过数据处理模块分析，需要经过算法的拟合和分析，才能同仿真平台的接口对接。

3）预案模型生成。平台的核心是预案模型生成器，通过二次开发建立预案模型生成器，使得仿真预案的能快速生成和调整。

4）预案模型的保存。用户可自行定义所需预案，按一定的规则将其保存在仿真预案数据库中；已完成的预案将以一定的数据格式存入仿真预案数据库中，以备用户调用。

5）预案管理及Web服务调用。预案管理子系统可通过Web对预案库中相关数据进行调用，进行仿真结果的展示和预案内容的编辑。在预案管理子系统中，用户可以对预案进行筛选，浏览预案详细情况和评价结果；可以根据需要生成新预案；可以查询到历史预案信息，并修改、优化历史方案等。

3 接口设计

交通仿真Web Service服务接口为平台提供了访问交通仿真模块调用方式，该接口透明的代理了交通仿真模块的现有功能，为基于交通仿真现有功能集成到自身业务系统提供了技术基础。平台接口请求信息包括：

1）事故信息。主要包括事故发生的地点、事故类型、事故占用的车道、事故持续时间、事故段交通运行情况等信息。

2）天气信息。系统预设若干类型的天气，以一系列参数来描述其性质，包括车辆速度、最大加减速度、车道变化、跟车模型的参数调整等。同时允许用户自定义天气类型。

3）流量信息。根据采集到的历史流量数据，将区域流量分成若干流量集的形式。每个流量集由若干数据组成，比如检测器流量，OD情况、运行车速。

4）预案信息。在事故、天气、流量信息确定的情况下，可通过预设程序排除不适用的预案，并把适用预案展示给用户。预案库需要不断的维护和补充，如果预案库中不存在相应的预案，则无法反馈用户需求。在缺少方案的情况下，用户可以根据自行需要增置预案库。

通过仿真软件的二次开发接口可以直接读取相关评价数据并存入仿真预案数据库，用户可通过web调用数据库，浏览每个预案的评价数据及仿真录像，也可以进行多个方案的仿真评价数据的横向对比。

4 仿真平台建模逻辑实现方法

为了模拟事故发生及预案应用整个过程。需要在外部界面通过COM接口调用Vissim中内置数据，来实现用户特殊定制功能的需要。整个平台的仿真建模过程由基础路网模型设计、模型参数标定、典型预案模型设计、仿真评价建模、模型精度调校等5个步骤组成。以呈现事故发生—预案响应—事故影响持续—事故处理完毕—蓄积车辆疏散—应急预案解除这一完整应急事件流程。

4.1 基础路网模型设计

基础路网建模的主要工作是：根据平面图纸，在对高速路网交通运行情况充分调研的基础上，结合实际建设状况以及车道数、车道功能、出入口位置、出入口形式等参数数据，完成主通道、进出匝道、收费站等构成高速公路主体的基本元素建模，形成整体路网模型。

在整体路网模型设计中，需要将整个高速划分为若干路段单元，如图3所示，划分定义原则是：

1）将枢纽互通作为分界点，将相邻2个枢纽互通之间的双向环路定义为“路段”；

2）以中央分隔带开口作为分界点，将互通立交之间的2个相邻中央分隔带开口间的路段定义为“路段单元”。

路段单元划分后，当突发事件发生时，能够根据路段编号定义事件发生位置，而利用该路段内的互通立交、中央分隔带开口等设施进行交通组织与疏导的预案形式是相对固定的，从而可以针对各类型预案预制仿真模型。

图3 高速公路仿真建模路段单元划分示意Fig.3 Illustration of units in highway simulation

4.2 模型参数标定

除了路网建模外，仿真建模中还需要标定许多与交通运行状态密切相关的特征参数，包括路网特征参数、车辆特征参数、驾驶行为特征参数等。根据交通流实际情况对这些参数予以调整，可以更加精确地模拟交通系统中人、车、路运行模式，也可以间接地模拟出特殊情况如特殊地形、特殊天气对交通的影响。这些参数可以在二次开发中通过批量输入的方法导入仿真系统。以收费站建模为例，设计参数标定内容见表2。

表2 收费站仿真建模参数标定Tab.2 Value of parameters in simulation of toll gate

4.3 典型预案模型设计

为达到快速生成应急预案仿真模型的目的，需要预定制特征模型，预案设计中用户可以调用所需的典型预案模型，不同的典型模型间可进行排列组合，形成新的预案组，并充实已有的预案库，从而实现自动生成仿真预案的目的，平台预制的预案模型见表3。

4.4 仿真评价建模

Vissim可以在线将交通运行状况可视化，比如三维仿真动画，或者转换成车速／延误的集聚值动态分布，同时也可以离线输出各种统计数据，如车速、行程时间、延误、排队长度等，作为决策支持的数据。评价建模可根据具体需要，采取以下几种模式。

1）指定检测区段评价。建立一个起点和一个终点组成的检测区段。可以检测定义区段的行程时间、延误等数据。适合于重点研究路段区域的评价数据采集。

2）数据采集点评价。使用数据采集点进行单点数据采集操作，可采集通过采集点车辆的车速、延误、行驶方向、车道变换等等数据。该方法可模拟模拟道路实际检测器的工作机制，辅助后期模型精度的调校。

表3 预案模型设计Tab.3 Model design of highway emergency responses

3）节点评价。该功能可以针对Vissim路网中的用户定义区域进行自动数据采集，可采集平均排队长度、延误时间、最大排队长度、停车次数等数据，可用于输出收费口、匝道口、互通立交等具有区域范围节点的评价数据。

4）路网性能评价。这种模式下，只考虑到达或离开路网或目的地停车场的车辆。可得到的评价参数包括车辆总数、出行距离总和、行程时间总和、路网平均车速等等。适用于全路网交通运行情况分析。

5）路段评价。采集通过VISSIM定义路段的交通流信息。可得到的评价参数包括车辆密度、气体排放量、损失时间、所在路段车道位置、车速、交通量等数据，适用于若干特定路段的综合评估。

5 应用案例分析

目前系统已成功应用于沈阳三环高速公路，根据其路网建设情况，进行路段单元划分并编号。现以某路段发生的一起交通肇事为例，描述仿真平台运作的整体流程及功能实现。

事故发生后，外场工作人员反馈相关事故信息，救援指挥中心人员通过Web接口将相关信息导入仿真平台，事故基本信息描述见表4。

针对该路段单元发生的事件，工作人员已经预先定制好了若干个应急预案，并保存在仿真预案数据库中，单个预案描述信息内容见表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 典型案例预案基本信息描述Tab.5 Information of response in the case

在通过接口完成事故及预案信息输入后，系统后台对每个预案进行仿真，形成相应评价数据及仿真录像文件，并通过接口返回至预案管理子系统中，系统将相应数据进行处理后进行信息发布。图4为不同预案输入条件下，仿真得出的事故段拥堵车辆排队长度随着时间推移的变化情况，图5展示了不同预案下仿真预估的交通拥堵疏散总时长。通过仿真评价的报表分析可以在不同预案之间进行比较，并推选最优方案，作为应急方案辅助决策的参考。

图5 不同预案仿真拥堵疏散时间预估图Fig.5 Estimated time for evacuation of different response

根据实际需要，模型中可设置若干视角，进行仿真动画分屏显示，可发布于Web或在指挥中心大屏进行展示，用以直观表现交通流整体运行情况。

图6 关键视角仿真动画展示Fig.6 Display of simulation animation from different angles

6 结束语

交通仿真技术是交通决策评估的重要工具，在对交通流行为特征分析和管理需求解析的基础上，可应用于智能交通应用的各个领域，为交通决策的科学性、智能化提供支持。系统通过与Web连接的服务模式，从预案管理特征及用户需求分析出发，提出了实现高速公路应急预案管理仿真平台的系统架构模式及逻辑设计流程，确定了一种基于事件解决和预案自动生成的Vissim仿真模型设计模式，并成功应用于实际项目中，具备较好的技术可行性和适用性。

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