合理的施工交通组织方案设计，直接关系到公路改扩建或大中修养护施工项目影响区域内，路网的交通运行状态、施工作业区内的交通通畅性和安全性以及项目施工的工期长度。微观交通仿真技术是对交通组织设计方案进行验证、比选和优化的有效手段，但传统微观交通仿真技术因仿真结果可视化水平不高，在进行施工交通组织方案评审和报批时难以直观形象的预演方案的实施效果。

BIM技术的优越性体现在三维可视化、可模拟性和信息集成等多方面，可应用于项目全生命周期的各个阶段。在交通组织设计方面，BIM模型的可视化特点和软件的漫游功能，已经应用于城市互通立交、地铁、综合管廊和航站机场施工中，通过施工场地和相关设施的BIM模型的综合展示来辅助进行交通导改和交通疏解，但是这些案例应用，基本都忽略了施工期间项目影响区内的交通运行情况，动画成果往往缺乏真实交通流数据的驱动（文献1-4）。文献5在快速路工程BIM技术应用中使用交通仿真技术分析了城市道路交叉口的交通运行情况；
文献6将BIM三维建筑模型作为配景导入Vissim软件中进行了地下停车场闸机进出设计方案的微观交通仿真分析。但是目前，将BIM可视化特征与交通仿真定量化特征有机结合进行公路项目施工交通组织设计的应用尚不多见。

本文利用BIM交通模拟技术，为公路改扩建和大中修养护施工的交通组织设计工作，探索一种能兼顾可视化效果展示和定量化指标分析的技术路线和一系列应用点，通过预演设施的交通运行状态，评价施工产生的交通影响，协助提出相应的缓解措施，可有效的优化设计并辅助决策。

BIM交通模拟技术，融合了BIM三维可视化技术、GIS地理信息技术和微观交通仿真技术的可视化和定量化特征，可实现道路精确化建模和路网批量建模，交通流仿真结果的可视化输出，以及交通指标的定性定量分析，可用于预测设施的交通运行状态、预演交通组织和管控方案的实施效果，并辅助方案比选和设计优化。

BIM模型和交通仿真系统之间的信息传递流程（图1）是BIM交通模拟技术的核心。完善的BIM交通模拟技术应当基于微观交通仿真理论在BIM模型环境中再现交通运行状态，从而结合动画和交通流指标对交通组织方案实现定性定量分析与展示。

图1 BIM交通模拟技术信息传递过程

BIM模型包含道路的三维线形、横断面设计等几何信息和道路等级、设计速度等非几何信息，将这些信息全部或者部分传递给交通仿真系统，可以省去仿真建模中重复性的道路建模工作，从而提高工作效率。尤其是当项目影响区域涉及多条高速公路和诸多地方道路时，BIM结合GIS技术可实现BIM路网批量建模，进一步减轻仿真模型中的道路建模工作量。

交通仿真建模是实现交通组织方案定量化分析的关键，一般包含路网设置、人-车特性设置、需求设置、交通控制设置、分配规则设置、仿真规则设置和结果输出设置等步骤。仿真规则是仿真模型的核心部分，该模块在已知仿真基本条件的基础上，根据一定的发车规则、跟驰规则和换道规则，对分析时段内的车辆状态进行模拟计算。模型标定和有效性检验，是保证交通仿真模型可靠性的必要工作。

仿真运行产生的车辆轨迹数据，包含车辆标识、车辆类型、时间和位置等信息。车辆位置信息包括车辆的横纵坐标和高程数据。当车辆位置信息与BIM道路模型坐标保持一致时，可实现车辆轨迹与BIM道路模型的精确匹配，从而在BIM模型里在准确交通数据驱动下再现交通运行状态。

在施工交通组织设计中应用BIM交通模拟技术的工作流程，如图2所示。首先应当根据目前的方案建立BIM交通导改模型和交通仿真模型，然后针对不同交通流量和交通组成进行交通模拟，完成模拟结果的可视化输出和定性、定量分析，最终完成方案验证、比选和优化。

图2 工作流程

根据信息传递流程的不同，同时也是BIM建模、微观仿真和动画展示所使用软件的不同，本文探索了BIM交通模拟技术的三种实现方法：BIM交通模拟一体化技术、单向BIM交通模拟技术以及BIM+Vissim组合技术。

2.1 BIM交通模拟一体化技术

本项技术使用的代表性软件是Infraworks。该软件是欧特克公司的交通基础设施方案设计软件，软件的交通模拟模块，利用BIM道路模型在云端服务器进行微观交通仿真分析，并在本地模型中返回交通模拟动画和车辆延误、排队长度等交通指标，返回的交通模拟动画还可以配合Infraworks道路模型的漫游功能进行播放。

目前infraworks软件受道路建模规则和车辆行驶规则的限制，实现公路改扩建项目中通过中央分隔带开口进行左右幅交通转换的BIM道路模型与微观仿真道路模型之间的自动转换较为困难，还需要在仿真面板中对仿真道路模型和匝道进出口控制规则进行适当调整。

2.2 单向BIM交通模拟技术

本项技术使用的代表性软件是Infraworks。Infraworks的移动性模拟模块可以将BIM道路模型通过软件的云端功能生成仿真路网（图3）返回本地并在本地运行仿真然后输出结果，但不能像交通模拟模块一样返回车辆轨迹数据到BIM模型中产生效果较好的模拟动画（图4）。本技术在交通仿真系统建模方面提供了更大的自由度，同样也节省了部分搭建路网的工作量。利用该项技术，可以实现区域内多种交通模式共同分析，并能通过交通分配规则设置实现绕行方案中指定绕行路径的选择。

图3 BIM道路模型（左图）和对应的交通仿真道路模型（右图）

图4 交通模拟（左图）和移动模拟（右图）的可视化效果对比

本技术建立的交通仿真模型，需要进行驾驶行为、车辆尺寸与加减速性能、仿真规则、交通控制和交通需求等方面的参数设置和模型校正，针对不同交通量、交通组成和交通控制方案运行交通仿真，可以输出仿真动画和Excel格式的数据文件。模拟结果包含交通流量、交通密度、车辆速度、行程时间、延迟、加速度、车辆间隙和车头时距等宏观和微观交通流指标。

代表车辆性能的关键参数为车辆的加速度，移动性模拟模块中车辆加速度是通过“发动机”来定义的，每一类“发动机”都对应一个由坡度和行驶速度区间定义的二维加（减）速度矩阵，并支持发动机自定义功能。在公路项目中，可以按照额定载重汽车的加速度，对部分超载货车的加速度进行折减，用以反应货车启动和爬坡时的真实情况，有利于路口排队长度、路段行程时间、服务水平和车均延误指标的模拟计算。在交通控制和分配规则设置方面，移动性模拟技术利用交叉口控制实现分流、合流和避让规则设置及信号周期设置；
利用闸机控制实现收费站进出控制；
利用车道控制和车速控制，实现分车道限行和分车型限速；
利用车道选择、路径选择等功能，实现绕行方案下基于OD需求的车流路网重分配。在公路项目中，仿真规则中的跟驰模型可采用Wiedemann模型。换道模型是软件内置的Commuter5模型。

2.3 BIM+Vissim组合技术

本项技术路线，将BIM三维建模和微观交通仿真工作分别在不同的软件中实现，然后在3D软件中将BIM模型与仿真车辆轨迹相结合，完成数据驱动下的可视化效果展示。

在BIM软件中进行道路建模，并导出为FBX格式的三维模型，FBX文件可以预先进行坐标偏移设置。

利用文献7所述公路设计辅助软件生成行车道中心线三维坐标，中心线坐标原点需要与FBX模型坐标原点保持一致。在德国PTV公司的Vissim软件中，利用三维坐标数据进行仿真道路自动建模，并进一步完善微观交通仿真模型，然后运行仿真并输出车辆轨迹文件和路网文件。Vissim交通仿真模型同样需要进行模型标定和有效性检验来确保仿真结果的可靠性。

经过上述步骤后从Vissim中导出的车辆轨迹或路网坐标数据将与FBX模型的坐标保持一致，在3D软件可实现二者坐标精准匹配，见图5。利用脚本自动加载车辆，可进行下一步的动画渲染和制作。（图6）

图5 道路三维模型叠加Vissim道路前（左图）后（右图）

图6 主线半幅施工半幅通行的可视化效果展示

利用BIM交通模拟技术，可从以下三方面辅助互通立交施工导改方案设计。

3.1 整体导改方案展示与分析

利用BIM交通模拟一体化技术，根据相应的交通量和交通组成，对互通立交改扩建不同时期的交通导改情况进行快速模拟展示和初步分析，结合仿真车辆运行动画可以观察互通匝道出入口的交织情况，初步分析交通组织方案的实施效果（图7）。

图7 某互通立交改扩建交通导改情况模拟展示

3.2 绕行方案交通影响分析

图8表示某公路改扩建项目车辆绕行方案涉及的周边路网，蓝色线条表示高速公路，其枢纽互通立交需封闭匝道进行施工，绕行车辆经附近收费站进出高速公路，在地方道路上行驶路线主要集中于红色线条所示的地方主干道上。利用单向BIM交通模拟技术可以分析绕行流量叠加下受影响的高速公路收费站和城市主干道交叉口及路段的交通运行情况。

图8 绕行方案涉及的周边路网

该项目某时段绕行方案的模拟分析结果见表1和图9。对于收费站，如果不发生车辆排队长时间溢出至上游匝道和主线的情况，判定为绕行方案可行；
对于地方道路，如果不发生路段交通拥堵、交叉口二次排队等情况，判定为交通影响属于可接受的范围。当绕行方案不可接受时，可以建议调整绕行路线甚至施工组织计划。

表1 绕行方案模拟输出结果

图9 收费站车辆排队情况

3.3 主线导改方案比选

某互通立交主线段路基路面施工导改，沿主线下行方向，车辆由老路左幅两车道经中央分隔带开口转入老路右幅两车道通行，同时原本连接老路左幅道路的互通立交B匝道和D匝道通过中央带开口相继汇入老路右幅车道。因此在主线下行方向数百米范围内存在多次交通流转换，交通情况比较复杂。为减轻施工带来的交通影响，现有两组导改方案有待比选（图10）：方案一，主线上游两车道渐变为单车道，B匝道汇入设置相应的专用车道，与主线合流后下游D匝道直接汇入；
方案二，在B匝道可通车的情况下主动封闭B匝道入口，主线保持两车道经分隔带开口由老路左幅转向右幅通行，下游D匝道直接汇入主线。各方案均依据《公路养护安全作业规程》的相关规定进行交通导改设置。

图10 主线导改方案1和方案2

通过BIM+Vissim组合技术可以定量化且直观形象的对不同导改方案的实施效果进行对比分析。因为本案例B、D匝道和主线下行方向流量较低（分别为111、52、268辆每小时），经模拟分析发现（见表2），方案一和方案二主线通行情况差异不大，而方案二在B匝道可通车的情况下主动封闭B匝道，并不是必需的选择。

表2 主线导改方案模拟结果

本文探索了BIM交通模拟技术的三种实现途径，并在互通立交施工交通组织设计中进行了初步应用，切实提升了交通组织方案的可视化效果，且兼顾了公路项目对地方道路的交通影响，同时打通了BIM数字化模型与精细化微观交通仿真模型之间的数据通道，实现了可视化与定量化的有机结合。

在公路改扩建或大中修项目中应用BIM交通模拟技术辅助施工交通组织设计，有助于设计方案的验证、比选和优化，有助于确保施工顺利、如期、高质量完成，有助于减轻施工对项目主体、区域路网产生的影响。

同时应当注意，infraworks的各项云分析功能需要将BIM模型提交到云端服务器，因此工作过程中应防止涉密信息外泄。

猜你喜欢 匝道可视化建模 山东首套ETC匝道准自由流预交易系统正式运行中国交通信息化(2022年7期)2022-10-27基于CiteSpace的足三里穴研究可视化分析世界科学技术-中医药现代化(2022年3期)2022-08-22思维可视化师道·教研(2022年1期)2022-03-12高速公路出入口匝道控制系统研究中国交通信息化(2020年4期)2021-01-14联想等效，拓展建模——以“带电小球在等效场中做圆周运动”为例中学生数理化(高中版.高考理化)(2020年11期)2020-12-14基于CGAL和OpenGL的海底地形三维可视化海洋信息技术与应用(2020年1期)2020-06-11“融评”：党媒评论的可视化创新传媒评论(2019年4期)2019-07-13匝道ETC自由流解决方案及应用效果分析中国交通信息化(2019年2期)2019-03-25基于PSS/E的风电场建模与动态分析电子制作(2018年17期)2018-09-28浅谈匝道ETC自由流应用中国交通信息化(2018年11期)2018-03-01