CN115170761B - 融合三维场景元素的微观仿真方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出融合三维场景元素的微观仿真方法、电子设备及存储介质，属于车路协同仿真技术领域。包括以下步骤：S1.收集地形地貌和周边建筑实景数据；S2.将实景数据输入BIM模型生成三维场景；S3.根据BIM模型导入VISSIM的可视化效果对三维场景元素进行增强处理；S4.从三维场景模型中导出路面中心线；S5.基于路面中心线生成带高程信息的初始仿真路网；S6.添加交通管控方案、输入交通需求数据构建完整VISSIM交通仿真模型；S7.将调整后的三维场景模型导入VISSIM的静态3D模型中；S8.运行仿真，生成微观交通三维仿真模型。解决VISSIM微观仿真与BIM三维模型融合效率低、可视化效果差的问题。

Description

融合三维场景元素的微观仿真方法、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及仿真方法，尤其涉及融合三维场景元素的微观仿真方法、电子设备及存储介质，属于车路协同仿真技术领域。

背景技术

交通模型与仿真可视化是交通模型体系的重要技术之一，也是交通仿真类研究的点睛之笔。以往的可视化手段往往集中在通过图、表、动画等方法实现数据可视化，或者在二维上对交通仿真模型的车辆轨迹、交通流线做平面动画展示。近年来，随着技术的更新迭代，传统二维仿真可视化动画效果已经远远不能满足项目的交付质量要求，三维仿真可视化展示是交通仿真技术发展的必经之路。构建精细化的三维仿真可视化模型，提升微观交通仿真模型的可视化效果，具有一定的理论和现实意义。

三维仿真建模的目标是通过三维可视化手段，融合交通设施、车辆行人、周围建筑、地形环境等元素，以直观、整体的展示方式呈现设计方案效果或评估问题，着重呈现在微观尺度上，立体空间中车辆行人的运行与位移过程。目前很少有通过三维模型直接自动生成VISSIM三维路网的有效方法，常规VISSIM三维路网模型建立是先在2D模式下构建二维路网，然后主要控制关键路段高程点信息，手动设置各Link、Connector的高程，采用手动设置路段高程点主要适合对仿真建模要求不高的模型场景。如果对仿真精度和效果要求高，需要将外部三维模型导入到VISSIM结合时采用手动设立高程点存在以下两个问题：（1）手动设置的路网高程点变化和实际方案高程变化无法完全匹配；（2）VISSIM路网将无法和三维模型进行有效匹配。

针对上述问题研发人员提供了以下方案：

CN113076638A提出一种基于BIM与VISSIM微观仿真的双向交通导改模拟方法，该方法在VISSIM软件中进行交通仿真后再导回到OpenRoads ConceptStation软件中进行渲染，不能实现同时在VISSIM软件中进行仿真和渲染，以便及时查看三维模型的仿真效果；使用的三维模型建模工具OpenRoads ConceptStation软件主要用于交通，应用场景不广泛，在可视化效果展示上不全面，具有一定的局限性；OpenRoads ConceptStation软件无法完成行人轨迹输入，不适用于包括行人的三维可视化仿真。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为解决现有技术中VISSIM微观仿真与BIM三维模型融合效率低、可视化效果差的技术问题，本发明提供融合三维场景元素的微观仿真方法、电子设备及存储介质。

方案一、融合三维场景元素的微观仿真方法，包括以下步骤：

S1.收集地形地貌和周边建筑实景数据；

S2.将S1所述地形地貌和周边建筑实景数据输入至BIM建模软件生成三维场景模型；

S3.根据BIM模型导入VISSIM的可视化效果对三维场景模型中的三维场景元素进行增强处理；

S4.从三维场景模型中导出路面中心线；

S5. 基于路面中心线生成带高程信息的VISSIM初始仿真路网，并对初始仿真路网进行调整；

S6.添加交通管控方案、输入交通需求数据构建完整VISSIM交通仿真模型；

S7.将S3所述三维场景模型导入S6所述VISSIM交通仿真模型的静态3D模型中，拖动三维场景模型对齐仿真路网；

S8.运行仿真，生成微观交通三维仿真模型。

优选的，收集地形地貌和周边建筑实景数据包括：

S11.道路的具体拓扑结构，包括车道数、车道宽度、是否设有应急车道、交叉口渠化情况和纵断面高程信息；

S12.标志标线的设置形式与位置，或者设置路牌；

S13.信号管控设施的形式与布置位置，包括车辆与行人信号灯的相位设置与布设位置；

S14.地形地貌数据与高清卫星地图；

S15.周边建筑物的分布；

S16.高速公路设施，包括收费站、服务区附属设施的位置、规模与样式。

优选的，根据BIM模型导入VISSIM的可视化效果对三维场景模型中的三维场景元素进行增强处理包括路面护栏和标志标线增强处理，方法是：根据视觉效果和工作时间安排对三维场景元素的精度进行设置。

优选的，基于路面中心线生成带高程信息的VISSIM初始仿真路网，并对初始仿真路网进行调整的方法是：

S51.利用CAD打开从三维场景模型中导出的路面中心线，打开默认为三维视角，查看中心线的三维坐标信息，通过CAD内置的数据提取功能，提取中心线的三维坐标点并保存为txt格式；

S52.新建空白VISSIM仿真工程，并保存空白仿真文件，以txt方式打开文件，定位到路段“LINK”的位置，进行路段编辑，根据三维坐标点，分别编辑路段“LINK”的起始点坐标“FROM”、经过点坐标“OVER”和终点坐标“TO”；

S53.依据实际设计方案或运行状况，对道路方向、车道宽度、车道数或路口渠化情况进行调整。

方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的融合三维场景元素的微观仿真方法的步骤。

方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的融合三维场景元素的微观仿真方法。

本发明的有益效果如下：

1、本发明有利于改善目前VISSIM微观仿真三维可视化效果不佳的问题，从而提升设计方案整体感观，直观展示交通设施运行情况，揭示交通问题成因；

2、本发明根据BIM模型导入VISSIM软件中的实际效果，提出三维场景元素的处理方法，有利于提高三维仿真模型拟真度，加强BIM与VISSIM 的深度融合；

3、本发明适用于3DMAX和SketchUp等多种三维建模软件，可通过三维模型自动生成VISSIM三维路网，有利于提升VISSIM三维仿真模型的建模效率；

4、本发明一方面将VISSIM微观仿真可视化效果从二维提升到三维，另一方面打通BIM三维模型自动生成VISSIM三维路网的技术路线。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为融合三维场景元素的微观仿真方法流程示意图；

图2为路面与车道线贴图示意图；

图3为高架桥墩示意图；

图4为护栏贴图示意图；

图5为标志标牌示意图；

图6为行人与非机动车仿真示意图；

图7为高亮度的天空贴图示意图；

图8为草坪贴图示意图；

图9为生成初始仿真路网流程示意图；

图10为三维仿真可视化效果示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1、参照图1-图10说明本实施方式，融合三维场景元素的微观仿真方法，包括以下步骤：

S1.收集地形地貌和周边建筑实景数据；收集地形地貌和周边建筑实景数据包括：

S11.道路的具体拓扑结构，包括车道数、车道宽度、是否设有应急车道、交叉口渠化情况和纵断面高程信息，具体道路信息可以从设计方案的CAD图纸中获取；

S12.标志标线的设置形式与位置，如果设计方案中标志标线的具体方案还未明确，可以简单设置路牌；

S13.信号管控设施的形式与布置位置，包括车辆与行人信号灯的相位设置与布设位置；

S14.地形地貌数据与高清卫星地图，通过开源的GIS素材网站获取；

S15.周边建筑物的分布，从高清卫星地图中获得；

S16.高速公路设施，包括收费站、服务区附属设施的位置、规模与样式；

S2.将S1所述地形地貌和周边建筑实景数据输入至BIM建模软件生成三维场景模型；

S3.根据BIM模型导入VISSIM的可视化效果对三维场景模型中的三维场景元素进行增强处理；

三维场景元素的构建与设置不会对微观模型仿真运行的输入与评估结果产生影响。主要的作用是提高拟真度与整体视觉效果。所以可以根据预期效果要求、工作时间安排对三维场景元素进行取舍。详见表1三维场景元素种类表。

表1 三维场景元素种类表

三维场景元素的具体处理方法如下：

道路（参照图2）：因在VISSIM仿真软件的三维模式下，无法显示道路箭头、导流线等地面标线，以及路面与交通设施三维模型无法完美贴合，所以使用绘制好的车道线、标线以贴图的形式附在三维模型上；

桥墩（参照图3）：桥墩模型应用于高架道路或立体交叉的交通设施中。桥墩本身不是关键的交通设施，可以直接采用白模（无贴图）或者灰黄色的水泥纹理材质贴图。需要注意的是，路面与桥墩不要出现穿模的现象（即桥墩的模型超出路面）；

护栏（参照图4）：护栏模型与道路模型紧密相连，在建模过程中护栏模型与路面模型一体化搭建，以达到“严丝合缝”的效果。护栏贴图建议使用与路面不同的灰白色水泥材质贴图，以显示区别。拟真度要求高的情况下，可将护栏做成波形护栏；无特殊要求采用梯形护栏简化建模；

标志标牌（参照图5）：标志标牌作为交通设施的重要组成部分，其结构简单，主要信息是平面展示，比较容易做到精细化仿真。标志标牌的三维模型构建步骤如下：

1）可参照的相关标准规范，具体有：

GB-5768 道路交通标志和标线；

JTGD82-2009公路交通标志和标线设置规范；

国家公路网交通标志调整工作（技术指南）；

交公便字[2009]145号公路交通标志和标线设置手册（技术指南）；

2）统计标志的设置数量、位置和支撑形式，做好工作量的估计，根据实际需求有选择设置标志数量；

3）按照相关的标准规范绘制标志版面；

4）将标志内容作为贴图附加到标牌模型上；有以下两种方法：

①在3D建模软件中进行贴图，优点是贴图的效果的比较好，样式多样；

②采用VISSIM自带的3D交通信号与标志模型贴图，优点是无需额外建模，使用比较方便。

交通信号灯：在城市交通路网中，信号交叉口是展现交通运行状况的重要节点。VISSIM中支持对3D交通信号灯的建模与相位关联（即3D交通信号灯的亮灯情况与设置的交通信号相位一致）。采用VISSIM模型自带的3D信号灯模型，可以满足目前的仿真需求。

地面标线：

车辆：车辆的生成与动画运行可以使用VISSIM内置的车辆3D模型，车辆输入与仿真参数的设定步骤如下：

1）确定仿真模型的三维可视化目标：三维可视化的整体目标是为了展现交通设施的运行情况，对交通问题的展示分析，决定车辆输入的数量与效果；

2）根据微观仿真模型的OD流量生成静态的车辆输入，并且固定随机种子；

采用静态车辆输入与路径、固定随机种子的目的是保证每一次的车辆运行数量及路线均一致，避免出现随机问题；

3）在车辆组成中选择车辆颜色比例与模型文件，采用常见的车型，提高真实度。

行人（参照图6）：对于人行天桥、人行道、地铁站厅、机场人行通道等人行设施，三维模型中的行人元素可以通过动画展示行人与交通设施的交互、行人流线网络，使用VISSIM软件内置的行人仿真模块可以模拟行人的运动。

地形、建筑：周边建筑对三维模型整体以及远景的效果有重要的影响。因为交通模型三维可视化的视角范围始终以道路为中心，所以建议近景采用实际的建筑模型，远景采用图层贴图的形式对路边建筑进行建模。

导入VISSIM的三维模型格式有：3DS、V3D、SKP这三种格式，3DS对应3DMAX软件，SKP对应SketchUp软件；利用SketchUp软件的PlaceMarker插件可以批量生成3D建筑群。具体地，首先，导入高清卫星地图（主要支持的数据为OpenStreetMap），然后，由卫星图生成建筑群。采用SketchUp软件的PlaceMarker插件生成的建筑模型的优点是生成速度较快，有内置的建筑模型样式库，可进一步手动调整。

植被景观（参照图8）：由于VISSIM并不是专门处理3D模型软件，如果植被的面数太多会导入与打开困难，使用VISSIM自带的植被模型，模型面数少，加载速度快。如果由于植被模型过多导致模型过大，无法运行的情况，可将植被以棱柱体贴图的形式展示。

天空光照、地面（参照图7）：微观仿真三维模型的背景环境元素主要包括天空贴图与地面贴图。在一般的三维模型处理软件、三维视频渲染软件中，光源、光线、阴影的效果至关重要。但是交通仿真模型三维可视化与之不同，交通三维可视化更为关注车辆与行人的运行、位置变化与分布、与交通设置之间的交互等，对于光影变化等细节要求不高，可以忽略。所以在VISSIM软件中，将光源简化为天空贴图，降低了建模复杂度与时间投入。地面贴图采用图片纹理的形式来展示草坪或者水泥地面。建议天空贴图尽量选择晴朗、亮度高的天空贴图，并且不要勾选雾化效果，以方便清晰展示车辆的运行情况。

S4.从三维场景模型中导出路面中心线；

S5.参照图9，基于路面中心线生成带高程信息的VISSIM初始仿真路网；

S51.利用CAD打开从三维场景模型中导出的路面中心线，打开默认为三维视角，查看中心线的三维坐标信息，通过CAD内置的数据提取功能，提取中心线的三维坐标点并保存为txt格式；

S52.新建空白VISSIM仿真工程，并保存空白仿真文件，以txt方式打开文件，定位到路段“LINK”的位置，进行路段编辑，根据三维坐标点，分别编辑路段“LINK”的起始点坐标“FROM”、经过点坐标“OVER”和终点坐标“TO”；

S53.依据实际设计方案或运行状况，对道路方向、车道宽度、车道数或路口渠化情况进行调整。

S6.添加交通管控方案、输入交通需求数据构建完整VISSIM交通仿真模型；

S7.将S3所述三维场景模型导入S6所述VISSIM交通仿真模型的静态3D模型中，拖动三维场景模型对齐仿真模型；

S8.运行仿真，生成微观交通三维仿真模型（参照图10）。

实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的推荐数据的推荐方法的步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

实施例3、计算机可读存储介质实施例

本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的建模数据的建模方法的步骤。

所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.融合三维场景元素的微观仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.收集地形地貌和周边建筑实景数据，包括：

S11.道路的具体拓扑结构，包括车道数、车道宽度、是否设有应急车道、交叉口渠化情况和纵断面高程信息；

S12.标志标线的设置形式与位置，或者设置路牌；

S13.信号管控设施的形式与布置位置，包括车辆与行人信号灯的相位设置与布设位置；

S14.地形地貌数据与高清卫星地图；

S15.周边建筑物的分布；

S16.高速公路设施，包括收费站、服务区附属设施的位置、规模与样式；

S2.将S1所述地形地貌和周边建筑实景数据输入至BIM建模软件生成三维场景模型；

S3.根据BIM模型导入VISSIM的可视化效果对三维场景模型中的三维场景元素进行增强处理；使用绘制好的车道线、标线以贴图的形式附在三维模型上；

桥墩：桥墩模型应用于高架道路或立体交叉的交通设施中，采用白模或者灰黄色的水泥纹理材质贴图；

护栏：护栏贴图使用与路面不同的灰白色水泥材质贴图或将护栏做成波形护栏，采用梯形护栏简化建模；

标志标牌的三维模型构建步骤如下：

1）统计标志的设置数量、位置和支撑形式，做好工作量的估计，根据实际需求有选择设置标志数量；

2）按照标准规范绘制标志版面；

3）将标志内容作为贴图附加到标牌模型上；有以下两种方法：

①在3D建模软件中进行贴图；

②采用VISSIM自带的3D交通信号与标志模型贴图；

交通信号灯：采用VISSIM模型自带的3D信号灯模型；

地面标线：

车辆：车辆的生成与动画运行使用VISSIM内置的车辆3D模型，车辆输入与仿真参数的设定步骤如下：

a确定仿真模型的三维可视化目标；

b根据微观仿真模型的OD流量生成静态的车辆输入，并且固定随机种子；

c在车辆组成中选择车辆颜色比例与模型文件；

行人：对于人行天桥、人行道、地铁站厅、机场人行通道人行设施，三维模型中的行人元素通过动画展示行人与交通设施的交互、行人流线网络，使用VISSIM软件内置的行人仿真模块模拟行人的运动；

地形、建筑：近景采用实际的建筑模型，远景采用图层贴图的形式对路边建筑进行建模；

导入VISSIM的三维模型格式有：3DS、V3D、SKP这三种格式，3DS对应3DMAX软件，SKP对应SketchUp软件；利用SketchUp软件的PlaceMarker插件批量生成3D建筑群；

植被景观：将植被以棱柱体贴图的形式展示；

天空光照、地面：在VISSIM软件中，将光源简化为天空贴图，地面贴图采用图片纹理的形式来展示草坪或者水泥地面，天空贴图选择晴朗、亮度高的天空贴图，取消勾选雾化效果；

S4.从三维场景模型中导出路面中心线；

S5.基于路面中心线生成带高程信息的VISSIM初始仿真路网，并对初始仿真路网进行调整，方法是：包括以下步骤：

S51.利用CAD打开从三维场景模型中导出的路面中心线，打开默认为三维视角，查看中心线的三维坐标信息，通过CAD内置的数据提取功能，提取中心线的三维坐标点并保存为txt格式；

S52.新建空白VISSIM仿真工程，并保存空白仿真文件，以txt方式打开文件，定位到路段“LINK”的位置，进行路段编辑，根据三维坐标点，分别编辑路段“LINK”的起始点坐标“FROM”、经过点坐标“OVER”和终点坐标“TO”；

S53.依据实际设计方案或运行状况，对道路方向、车道宽度、车道数或路口渠化情况进行调整；

S6.添加交通管控方案、输入交通需求数据构建完整VISSIM交通仿真模型；

S7.将S3所述三维场景模型导入S6所述VISSIM交通仿真模型的静态3D模型中，拖动三维场景模型对齐仿真路网；

S8.运行仿真，生成微观交通三维仿真模型。

2.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述的融合三维场景元素的微观仿真方法的步骤。

3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的融合三维场景元素的微观仿真方法。

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