基于BIM开发的城市快速路交通安全评价研究_徐弯弯.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 2 6收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 6第一作者:徐弯弯(1 9 9 4-),女,工程师。基于B I M开发的城市快速路交通安全评价研究徐弯弯 陈亚杰 郑晓光(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海 2 0 0 0 9 2)摘 要 为补充B I M平台中的城市快速路速度协调性评价功能并优化三维视距检查功能,以C i v i l3 D为开发平台,基于建立的快速路运行速度测算模型和三维视距测量算法,开发涵盖速度协调性评价模块、基于运行速度的三维视距检查模块的快速路交通安全评价软件,以完善C i v i l 3 D在快速路设计过程中的辅助决策功能,实现城市快速路交通安全的提升。关键词 城市快速路 速度协调性 三维视距 运行速度 C i v i l 3 D中图分类号 U 4 1 2.6 城市快速路交通安全问题严峻,近年来其交通事故整体降幅逐渐放缓甚至反升1,交通安全治理工作进入瓶颈期,亟需新技术进一步提升快速路交通安全水平。基于运行速度的速度协调性和视距评价是道路交通安全隐患整治的关键有效技术,尤其是对于易因速度突变、超速、视距不足等导致追尾或擦碰事故的高速通行道路,能有效识别线形设计不良和视距不足路段。该技术现主要运用于公路,且实际运用中存在运行速度测算复杂、二维视距难以检查道路线形组合设计对视线遮挡效果等问题。随着B I M技术的发展成熟,近年来部分学者考虑B I M模型具有的参数化和三维可视特点,开展了B I M平台交通安全评价功能开发研究。张兴宇等2基于J T GB 0 5-2 0 1 5 公路项目安全性评价规范 中运行速度计算模型,开发了C i v i l 3 D运行速度测算程序,尚未涉及三维视距内容。刘鑫3在完成公路运行速度测算程序开发后,利用C i v i l 3 D自带三维视距检查功能,结合运行速度计算停车视距值,完成公路三维视距检查,但其中三维视距仍基于设计速度测量得到。薛晓姣4针对C i v i l 3 D自带三维视距测量功能的缺陷,从三维曲面优化和相交算法改进两方面完成公路三维可视性模型的开发,其中视距计算仍仅考虑设计速度。黄炎等5则基于B I M模型搭建模拟驾驶环境,通过实测运行速度进行评价,但该方法受驾驶模拟平台和模型影响大,且评价成本较高。综上,现研究中的运行速度协调性评价程序均基于公路运行速度预测模型,不适用于道路和交通特性均与公路存在显著差异的城市快速路。另外,现研究中的三维视距测量算法仅考虑设计速度,与运行速度测算结果独立,忽略了运行速度偏大时驾驶员的停车视距增大需求。因此,本文以城市快速路速度协调性评价和三维视距检查方法为研究对象,基于B I M平台完成城市快速路速度协调性评价模块、基于运行速度的三维视距检查模块的开发,使B I M软件在设计过程中可识别出线形设计、立交匝道和路侧设施布置存在安全隐患的路段,实现城市快速路交通安全的提升。1 基于B I M开发的快速路交通安全评价软件总体设计1.1 B I M开发平台分析道路B I M软 件 主 要 包 括C i v i l3 D、O p e n-R o a d sD e s i g n e r、纬地B I M、路易等,现阶段国内主流B I M建模软件为A u t o d e s k公司产品6,其对国内用户具有表1中所示优势。因此,本文选择A u t o d e s k公司的C i v i l 3 D作为快速路交通安全评价软件的二次开发平台。表1 C i v i l 3 D开发优势功能优点设计功能创建包含丰富数据的各类道路三维模型操作界面基于A u t oC A D,用户熟悉,易于学习可开发性二次开发技术较为成熟,学习资料多1.2 软件总体架构分析快速路具有行车速度快、交通量大、无横向干扰、交通组成单一等特点,交通事故多为由车速过快或突变、视距不足等诱发的追尾和碰擦事故,因此将快速路交通安全评价软件划分为速度协调性评价模块、三维视距检查模块,架构见图1。图1 快速路交通安全评价软件架构2 快速路速度协调性评价模块开发2.1 快速路运行速度预测模型本研究基于实测的1 5 6段上海城市快速路交通运行数据,通过偏相关分析和回归分析,构建了城市快速路运行速度预测模型,经检验各回归模型拟合系数均达0.8以上,并已通过专家评审被纳入上海市地方标准D G/TJ 0 8-2 4 0 7-2 0 2 2 城市道路交通安全评价标准 中。限于篇幅仅对影响程序构建的最终模型进行介绍。2.1.1 基本模型1)平直路段指车行道不受出入口分流、合流、交织车流以及道路线形条件影响的路段,其终点的运行速度按照式(1)计算。vo u t=3.6vi n3.62+2a s(1)式中:vo u t为平直路段终点速度,k m/h;vi n为平直路段起点速度,k m/h;s为路段长度,m;a为加速度,m/s2。2)纵坡路段指纵坡坡度3%的路段,包括上坡段和下坡段,其终点的运行速度按照式(2)计算。vo u t=vi n-0.8 2 6(l/1 0 0),上坡vi n+1.0 3 2(l/1 0 0),下坡(2)式中:vo u t为纵坡路段终点速度,k m/h;vi n为纵坡路段起点速度,k m/h;l为路段长度,m。3)曲线路段指圆曲线半径6 0 0m的路段,应从曲线中点进行分段,分别对曲线中点和曲线出口处的运行速度进行测算,计算方法见式(3)。vm i d d l e=0.8 8 2vi n+7.6 1 1vi nR-4 0.9 9 1vo u t=0.8 2 3vm i d d l e+6.7 7vi nR-3 1.6 2 3(3)式中:vm i d d l e为曲中点速度,k m/h;vi n为曲线路段起点速度,k m/h;R为曲线半径,m;vo u t为曲线路段出口速度,k m/h。4)弯坡路段指平曲线半径6 0 0m且纵坡坡度3%的路段,采用曲线路段和纵坡路段基本模型分别针对弯坡组合段特征点进行测算,取其中与相邻特征点运行速度变化幅度较大的值为运行速度测算值。5)互通式立体交叉路段指上游变速车道渐变段起点至下游变速车道渐变段终点的主线路段,因实测数据显示车辆进入立体交叉路段后运行速度降低31 0k m/h,且多趋近于8k m/h,为简化计算过程,该路段特征点的运行速度在前述分析单元测算的基础上折减8k m/h。6)隧道路段指隧道入口前2 0 0m至隧道出口后1 0 0m范围间路段,应分别对隧道入口、隧道内、隧道出口1 0 0m外的运行速度进行测算,计算方法见式(4)。v1=0.9 9vi n-1 1.0 7v2=0.8 1v1+8.2 2v3=0.7 4v2+1 6.4 3(4)式中:v1为隧道入口速度,k m/h;vi n为隧道入口前2 0 0m处速度,k m/h;v2为隧道内速度,k m/h;v3为隧道出口1 0 0m外速度,k m/h。2.1.2 修正模型快速路运行速度与交通流量、车道宽度、匝道密度的相关性显著水平分别为0.0 0 0,0.0 0 3和0.0 0 7,均满足显著性要求,故还需对基本模型测算结果进行修正,影响系数如下表24所示,各影响系数均根据回归模型,将影响指标数值代入计算得到。表2 交通流量对运行速度的影响系数高峰小时系数影响系数/%0.8 60.8 84 54 80.8 90.9 14 95 30.9 20.9 45 45 80.9 50.9 75 96 30.9 81.0 06 46 7621徐弯弯等:基于B I M开发的城市快速路交通安全评价研究2 0 2 3年第1期表3 车道宽度对运行速度的影响系数车道宽度/m影响系数3.2 50.9 53.5 01.0 03.7 51.0 5表4 匝道密度对运行速度的影响系数匝道密度(个k m-1)影响系数0.10.30.9 40.9 70.41.00.9 20.9 31.11.30.8 60.9 11.41.60.7 00.8 21.71.90.4 00.6 22.2 评价模块搭建基于C i v i l 3 D的速度协调性评价模块可划分为数据读/写、运行速度测算、速度协调性评价、图表输出子模块,各子模块主要功能见图2。开发的核心内容为各路段特征点的运行速度测算和速度协调性评价。图2 基于C i v i l 3 D的快速路速度协调性评价模块2.2.1 运行速度测算运行速度测算分为正序计算和逆序计算两类,根据测算模型和计算过程分别建立了1 0余个计算函数和判断函数,其中除运行速度测算基本模型和修正模型外,还包括运行速度范围判断限定模型,见表5,需将超过期望速度的测算值替换为期望速度,低于最低速度的测算值替换为最低速度。表5 运行速度初始值与阈值k m/h初始运行速度1 0 08 06 0期望速度1 2 01 0 08 0最低运行速度7 05 04 0 程序经数据读写后遍历所有道路线元,生成带路段单元类型标签的特征点集,随后进入运行速度测算子模块,根据测算单元类型和修正要求的不同,通过判断函数分别带入不同的计算函数得到最终结果。以正序计算为例,程序流程见图3,逆序计算流程与正序计算相同,只是读取特征点集桩号由大到小排列。图3 运行速度测算正序流程图2.2.2 速度协调性评价速度协调性评价程序包括线形一致性评价、运行速度与设计速度协调性评价两部分,其中线形一致性通过依次计算相邻特征点运行速度差的绝对值|v8 5|和梯度绝对值|I|,并根据线形一致性标准7判断得到;运行速度与设计速度协调性通过计算各特征点运行速度与设计速度差的绝对值|v8 5-vd|,并根据协调性标准判断得到。程序流程见图4,评价结果显示窗口见图5。7212 0 2 3年第1期徐弯弯等:基于B I M开发的城市快速路交通安全评价研究图4 速度协调性评价程序流程图图5 速度协调性评价结果显示窗口3 快速路三维视距检查C i v i l 3 D平台自身提供了三维视距检查模块:当视点处于视野较差路段时,程序计算并返回该点实际视距;当视点处于视野较好路段时,实际视距大于最小视距,但为减小计算量,程序直接返回最小视距作为实际视距。由于最小视距一般采用设计停车视距,故当以运行速度计算的停车视距评价程序返回的视距值时,对于运行速度大于设计速度的路段,均会出现视距不满足运行速度停车视距(后简称运行视距)要求的情况,可能与实际情况不符。针对上述问题,建立基于运行速度的快速路三维视距检查模块,基本功能见图6,其中基于运行速度的检查视距更新和三维视距检查为开发的重点内容。图6 基于C i v i l 3 D的三维视距检查模块3.1 基于运行速度的多标准检查视距输入通过读取运行速度测算结果集合,根据用户输入起终点桩号和检查间隔,确定检查视点桩号,插值法依次计算各点的运行速度和对应停车视距,判断各视距检查点运行视距和用户输入固定检查视距大小,取其中的大值作为对应点位的最终检查视距值,存储检查点位和对应最终检查视距,供三维视距检查时调用。程序流程见图7。图7 基于运行速度的检查视距输入流程3.2 三维视距检查3.2.1 基本算法三维视距检查基于空间两点通视原理和定步长扫描法,见图8,当视点位于A处时,以一定步长将前方轨迹离散化为一系列临时目标点B、C、I、J,通过判断视点与目标点的连线A B、A C、A I、A J是否与障碍物相交,来确定驾驶员的三维通视性。821徐弯弯等:基于B I M开发的城市快速路交通安全评价研究2 0 2 3年第1期图8 三维视距检查原理图C i v i l 3 D中将道路和地形地物表示为一系列三角网曲面,此时三维视距检查即为判断视点与目标点 连 线 是 否 与 三 角 形 面 相 交。本 文 基 于M l l e r-T r u m b o r e(MT)算法,将视点、目标点、三角形顶点坐标分别为记为P0、P1、P2、P3、P4,结合向量混合积基本原理,求解化简得到式(5)。t=P2-P0()P2-P3()P2-P4()P1-P0()P2-P3()P2-P4()=P1-P0()P2-P0()P2-P4()P1-P0()P2-P3()P2-P4()=P2-P0()P2-P3()P0-P1()P1-P0()P2-P3()P2-P4()(5)式中:t、均为MT算法计算参数,当0t1、0、0且1-0时,视线与三角形相交;分别为P0、P1、P2、P3、P4与原点形成的向量。3.2.2 程序实现上述基本算法可求解视线与曲面内一个三角形相交问题,但道路B I M模型曲面存在大量的三角形单元,故为降低运算时间,提出首先刷选出可能与视线相交的三角形单元序列,然后通过依次判断视线与三角形单元的相交关系确定交点位置。可能与视线相交的三角形单元序列获取方法为:利用T i n S u r f a c e类S a m p l e E l e v a t i o n方法获得视线水平投影与三角形单元边的交点集合;利用F i n d T r i a n g l e A t X Y方法查找两交点中点所在的三角形单元,见图9。图9 可能与视线相交的三角形识别原理 故基于运行速度的三维视距检查程序完整流程见图1 0,检查结果显示窗口(略)。图1 0 三维视距检查程序流程图4 结语针对城市快速路交通安全水平亟需新技术来突破现阶段瓶颈期的问题,基于C i v i l 3 D平台开发了涵盖速度协调性评价、改进三维视距检查功能的城市快速路交通安全评价插件,得到如下主要结论。1)基于城市快速路运行速度预测模型,搭建了快速路速度协调性评价模块,实现快速路的线形一致性、运行速度与设计速度协调性的评价,可识别出快速路主线线形设计不良或立交匝道布置不佳路段。2)针对传统三维视距检查程序获得视距值偏小问题,结合速度协调性评价模块,开发了基于运行速度的多标准检查视距输入功能,实现三维视距检查的精确度提升。3)基于MT算法和定步长扫描法,搭建了基于运行速度的三维视距检查模块,实现道路三维视距的快速计算。4)本文暂未结合实际工程开展运用研究,后续需基于实际运用进行功能优化。9212 0 2 3年第1期徐弯弯等:基于B I M开发的城市快速路交通安全评价研究参考文献1 公安部道路交通安全研究中心.中国大城市道路交通发展研究报告(2 0 2 0)R.北京:人民交通出版社股份有限公司,2 0 1 5.2 张兴宇,杨宏志.基于C i v i l3 D公路运行速度B I M对象模型的研发与应用J.公路,2 0 1 9,6 4(2):1 9 1-1 9 5.3 刘鑫.基于B I M的道路线形设计及安全评价D.重庆:重庆交通大学,2 0 1 8.4 薛晓姣.B I M环境下公路三维可视性分析模型研究与开发D.西安:长安大学,2 0 1 9.5 黄炎,邓敏,王欣南.基于B I M和驾驶模拟的道路安全评价研究J.交通科技,2 0 2 2(1):2 8-3 3.6 裴晓.上海市建筑信息模型技术应用与发展报告R.上海:上 海 市住 房 和 城 乡 建 设 管 理 委 员 会,2 0 2 1.7 公路项目安全性评价规范:J T GB 0 5-2 0 1 5S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2 0 1 5.R e s e a r c ho nT r a f f i cS a f e t yE v a l u a t i o no fU r b a nE x p r e s s w a yB a s e do nB I MS o f t w a r eD e v e l o p m e n tXUW a n w a n,CHENY a j i e,ZHENGX i a o g u a n g(S h a n g h a iM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g nI n s t i t u t e(G r o u p)C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os u p p l e m e n t t h ee v a l u a t i o nf u n c t i o no fu r b a ne x p r e s s w a ys p e e dc o o r d i n a t i o na n do p t i m i z e t h e i n s p e c t i o nf u n c t i o no f t h e3 Ds i g h td i s t a n c eo f t h eB I Ms o f t w a r e,t a k i n gC i v i l 3 Da st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m,a n db a s e do n t h e e s t a b l i s h e de x p r e s s w a yo p e r a t i n gs p e e dc a l c u l a t i o nm o d e l a n d3 Ds i g h td i s t a n c em e a s u r e m e n ta l g o r i t h m,t h ed e v e l o p m e n to fe x p r e s s w a yt r a f f i cs a f e t ye v a l u a t i o ns o f t w a r ew a sc o m p l e t e d,w h i c h i n c l u d e s s p e e dc o o r d i n a t i o ne v a l u a t i o nm o d u l ea n d3 Dl i n e-o f-s i g h t i n-s p e c t i o nm o d u l eb a s e do no p e r a t i n gs p e e d,t o i m p r o v et h ea u x i l i a r yd e c i s i o n-m a k i n gf u n c t i o no fC i v i l3 Di nt h ee x p r e s s w a yd e s i g ns t a g ea n dt h eu r b a ne x p r e s s w a yt r a f f i cs a f e t y.K e yw o r d s:u r b a ne x p r e s s w a y;s p e e dc o o r d i n a t i o n;3 Ds i g h td i s t a n c e;o p e r a t i n gs p e e d;C i v i l 3 D(上接第1 2 4页)E f f e c t so fN a n o-s t r e n g t h e n i n gT e c h n o l o g yo fR e c y c l e dC o a r s eA g g r e g a t e so nD e f o r m a t i o nP e r f o r m a n c eo fC o n c r e t eY ANGL i u1,G UK a i w e n1,J I NS h a o w e i2,A OQ i n g w e n1(1.G u i z h o uH o n g x i nC h u a n g d aE n g i n e e r i n gD e t e c t i o n&C o n s u l t a t i o nC o.,L t d.,G u i y a n g5 5 0 0 0 0,C h i n a;2.T i a n j i nM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g n&R e s e a r c hI n s t i t u t e,T i a n j i n3 0 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee f f e c t so fn a n o-e n h a n c e dt e c h n o l o g i e s(w a t e rg l a s s,n a n o-C a C O3,a n dn a n o-S i O2)o nt h ed e f o r m a t i o np r o p e r t i e s(d r ys h r i n k a g e,a u t o g e n o u ss h r i n k a g ea n dc r e e p)o f r e c y c l e dc o n c r e t ea r es t u d i e db yp r e t r e a t m e n t o f r e c l a i m e da g g r e g a t e sw i t hn a n o-e n h a n c e d t e c h n o l o g y.I na d d i t i o n,t h ep o r es t r u c t u r eo f c o n c r e t e i s a n a l y z e db ym e a n s o fM I P.R e s u l t s s h o wt h a t t h en a n o-S i O2h a s t h eb e s t e f f e c to n i m p r o v i n gt h ed e f o r m a t i o np e r f o r m a n c eo f r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e,f o l l o w e db yn a n o-C a C O3,a n dt h ew a t e rg l a s si st h ew o r s t.A n dn a n o-e n h a n c e dt r e a t m e n tc a nr e d u c et h ep o r o s i t yo fr e c y c l e dc o n c r e t ea n do p t i m i z e t h ep o r es t r u c t u r eo f c o n c r e t e.K e yw o r d s:n a n o-s t r e n g t h e n i n g;r e c y c l e dc o a r s ea g g r e g a t e;d e f o r m a t i o np r o p e r t i e s;p r e t r e a t m e n t031徐弯弯等:基于B I M开发的城市快速路交通安全评价研究2 0 2 3年第1期