介观交通流仿真软件：VISSIM (介观模式)_（3）.VISSIM软件架构与组件

VISSIM软件架构与组件

软件架构概述

VISSIM（VISSIM Intermediate Scale Simulation of UrbaN Traffic）是一款强大的介观交通流仿真软件，广泛应用于交通规划、工程设计、运营管理和研究领域。VISSIM 的架构设计旨在提供灵活、高效且易于扩展的仿真环境，支持多种交通仿真任务。软件架构主要包括以下几个核心组件：

1. 用户界面（User Interface, UI）：用于用户与软件进行交互，包括模型构建、参数设置、仿真运行和结果分析等。

2. 核心仿真引擎（Simulation Engine）：负责执行交通流仿真的核心算法和逻辑。

3. 数据管理模块（Data Management Module）：处理和管理仿真输入数据和输出数据。

4. 外部接口（External Interfaces）：允许用户通过编程接口（API）与外部系统进行数据交换和操作。

5. 结果分析与可视化模块（Result Analysis and Visualization Module）：提供丰富的结果分析工具和可视化功能，帮助用户理解仿真结果。

用户界面（User Interface, UI）

用户界面是 VISSIM 软件的重要组成部分，它为用户提供了一个直观的操作环境，使得用户可以方便地进行模型构建、参数设置、仿真运行和结果分析。用户界面主要包括以下几个部分：

1. 主窗口（Main Window）：这是用户进行所有操作的起点，包括文件管理、仿真控制和视图切换等。

2. 模型编辑器（Model Editor）：用于构建和编辑交通网络模型，包括道路、交叉口、信号灯、公交线路等。

3. 参数设置面板（Parameter Setting Panel）：用于设置仿真的各种参数，如交通流量、车辆类型、驾驶行为等。

4. 仿真控制面板（Simulation Control Panel）：用于启动、暂停、停止仿真以及调整仿真速度等。

5. 结果分析工具（Result Analysis Tools）：提供多种分析工具，如交通流量分析、延误分析、排队分析等。

6. 可视化视图（Visualization View）：用于实时查看仿真过程，包括车辆运行状态、交通信号状态等。

核心仿真引擎（Simulation Engine）

核心仿真引擎是 VISSIM 软件的“心脏”，负责执行交通流仿真的所有核心算法和逻辑。仿真引擎的主要功能包括：

1. 交通流模型（Traffic Flow Model）：基于介观交通流理论，模拟车辆在交通网络中的行驶行为。

2. 驾驶行为模型（Driver Behavior Model）：模拟驾驶员的行为，如加速、减速、变道、超车等。

3. 交通信号控制（Traffic Signal Control）：模拟交通信号灯的控制逻辑，包括定时信号控制、自适应信号控制等。

4. 事件处理（Event Handling）：处理仿真过程中的各种事件，如车辆进入路口、车辆离开网络等。

数据管理模块（Data Management Module）

数据管理模块负责处理和管理仿真所需的输入数据和输出数据。输入数据包括交通网络模型、交通流量数据、车辆类型数据等，输出数据包括仿真结果、统计报告等。数据管理模块的主要功能包括：

1. 数据导入（Data Import）：支持多种格式的数据导入，如 SHP 文件、DXF 文件、CSV 文件等。

2. 数据验证（Data Validation）：对导入的数据进行验证，确保数据的准确性和完整性。

3. 数据转换（Data Transformation）：将导入的数据转换为 VISSIM 内部格式，以便仿真引擎使用。

4. 数据导出（Data Export）：支持将仿真结果导出为多种格式，如 Excel、CSV、PDF 等。

外部接口（External Interfaces）

外部接口是 VISSIM 软件的重要扩展功能，允许用户通过编程接口（API）与外部系统进行数据交换和操作。外部接口主要包括以下几个部分：

1. COM 接口（Component Object Model Interface）：通过 COM 接口，用户可以使用 VBA 或 C# 等编程语言与 VISSIM 进行交互。

2. Python 接口：VISSIM 7.0 及以上版本支持 Python 接口，用户可以使用 Python 脚本进行仿真控制和数据处理。

3. 外部命令文件（External Command File, ECF）：通过 ECF 文件，用户可以定义外部命令，动态控制仿真过程。

结果分析与可视化模块（Result Analysis and Visualization Module）

结果分析与可视化模块提供了丰富的工具和功能，帮助用户理解和分析仿真结果。主要功能包括：

1. 流量分析（Flow Analysis）：分析交通网络中的流量分布，提供流量统计报告。

2. 延误分析（Delay Analysis）：分析车辆在各个路口和路段的延误情况，提供延误统计报告。

3. 排队分析（Queue Analysis）：分析车辆在各个路口的排队情况，提供排队长度和时间的统计报告。

4. 实时可视化（Real-time Visualization）：在仿真过程中实时显示车辆运行状态、交通信号状态等。

5. 离线可视化（Offline Visualization）：仿真结束后，用户可以生成动画文件，离线查看仿真过程。

用户界面（User Interface, UI）

主窗口（Main Window）

主窗口是 VISSIM 软件的主界面，用户在这里进行文件管理、仿真控制和视图切换等操作。主窗口的主要功能包括：

1. 文件管理：用户可以在这里打开、保存和管理仿真项目文件。

2. 仿真控制：用户可以启动、暂停和停止仿真，调整仿真速度等。

3. 视图切换：用户可以切换不同的视图，如网络视图、信号控制视图、结果分析视图等。

模型编辑器（Model Editor）

模型编辑器是 VISSIM 软件的核心工具之一，用于构建和编辑交通网络模型。模型编辑器的主要功能包括：

1. 道路网络构建：用户可以绘制和编辑道路网络，包括道路、交叉口、车道等。

2. 交通信号控制：用户可以设置和编辑交通信号灯的控制逻辑，包括定时信号控制、自适应信号控制等。

3. 公交线路设置：用户可以设置和编辑公交线路，包括公交站台、公交车辆类型等。

4. 行人和自行车模型：用户可以设置和编辑行人和自行车的模型，包括行走路径、骑行路径等。

参数设置面板（Parameter Setting Panel）

参数设置面板用于设置仿真的各种参数，如交通流量、车辆类型、驾驶行为等。参数设置面板的主要功能包括：

1. 交通流量设置：用户可以设置各个入口的交通流量，包括流量变化模式、流量分布等。

2. 车辆类型设置：用户可以设置不同的车辆类型，包括车辆长度、最大速度、加速和减速特性等。

3. 驾驶行为设置：用户可以设置驾驶行为参数，如跟车模型、变道模型、超车模型等。

4. 仿真时间设置：用户可以设置仿真的开始时间、结束时间和时间步长等。

仿真控制面板（Simulation Control Panel）

仿真控制面板用于启动、暂停、停止仿真以及调整仿真速度等。仿真控制面板的主要功能包括：

1. 启动仿真：用户可以点击“启动”按钮开始仿真。

2. 暂停仿真：用户可以点击“暂停”按钮暂停仿真，以便查看当前的仿真状态。

3. 停止仿真：用户可以点击“停止”按钮停止仿真，仿真结果将被保存。

4. 调整仿真速度：用户可以调整仿真的运行速度，以便更快地查看仿真结果或详细分析仿真过程。

结果分析工具（Result Analysis Tools）

结果分析工具提供了多种分析工具，帮助用户理解和分析仿真结果。结果分析工具的主要功能包括：

1. 流量分析：用户可以查看交通网络中的流量分布，生成流量统计报告。

2. 延误分析：用户可以查看车辆在各个路口和路段的延误情况，生成延误统计报告。

3. 排队分析：用户可以查看车辆在各个路口的排队情况，生成排队长度和时间的统计报告。

4. 事故分析：用户可以查看仿真过程中发生的交通事故，生成事故统计报告。

可视化视图（Visualization View）

可视化视图用于实时查看仿真过程，包括车辆运行状态、交通信号状态等。可视化视图的主要功能包括：

1. 网络视图：用户可以查看交通网络的布局和车辆运行状态。

2. 信号控制视图：用户可以查看交通信号灯的控制状态和变化情况。

3. 行人和自行车视图：用户可以查看行人的行走路径和自行车的骑行路径。

4. 动画生成：用户可以生成动画文件，离线查看仿真过程。

核心仿真引擎（Simulation Engine）

交通流模型（Traffic Flow Model）

交通流模型基于介观交通流理论，模拟车辆在交通网络中的行驶行为。介观交通流理论介于微观交通流理论和宏观交通流理论之间，能够更细致地描述交通流的动态特性，同时也具有较高的计算效率。交通流模型的主要内容包括：

1. 车辆跟车模型：描述车辆之间的跟车行为，包括距离保持、速度调整等。

2. 变道模型：描述车辆在不同车道之间的变道行为，包括变道决策、变道过程等。

3. 超车模型：描述车辆在道路上的超车行为，包括超车条件、超车过程等。

4. 交通信号控制：描述交通信号灯的控制逻辑，包括定时信号控制、自适应信号控制等。

驾驶行为模型（Driver Behavior Model）

驾驶行为模型模拟驾驶员的行为，如加速、减速、变道、超车等。驾驶行为模型的主要内容包括：

1. 加速和减速模型：描述驾驶员在不同情况下的加速和减速行为。

2. 变道模型：描述驾驶员在不同情况下的变道决策和变道过程。

3. 超车模型：描述驾驶员在不同情况下的超车决策和超车过程。

4. 驾驶风格设置：用户可以设置不同的驾驶风格，如保守驾驶、激进驾驶等。

交通信号控制（Traffic Signal Control）

交通信号控制模块模拟交通信号灯的控制逻辑，包括定时信号控制和自适应信号控制。交通信号控制的主要内容包括：

1. 定时信号控制：用户可以设置交通信号灯的定时控制逻辑，包括绿灯时间、黄灯时间、红灯时间等。

2. 自适应信号控制：用户可以设置交通信号灯的自适应控制逻辑，根据交通流量动态调整信号灯的配时。

3. 信号灯组设置：用户可以设置多个信号灯的联动控制，以优化交通流的通行效率。

4. 信号灯相位设置：用户可以设置信号灯的相位，包括相位顺序、相位时间等。

事件处理（Event Handling）

事件处理模块负责处理仿真过程中的各种事件，如车辆进入路口、车辆离开网络等。事件处理的主要内容包括：

1. 车辆进入事件：当车辆进入交通网络时，触发相应的事件处理逻辑。

2. 车辆离开事件：当车辆离开交通网络时，触发相应的事件处理逻辑。

3. 信号灯状态变化事件：当交通信号灯状态变化时，触发相应的事件处理逻辑。

4. 交通事故事件：当仿真过程中发生交通事故时，触发相应的事件处理逻辑。

数据管理模块（Data Management Module）

数据导入（Data Import）

数据导入模块支持多种格式的数据导入，如 SHP 文件、DXF 文件、CSV 文件等。数据导入的主要内容包括：

1. SHP 文件导入：用户可以导入 SHP 文件，构建交通网络模型。

2. DXF 文件导入：用户可以导入 DXF 文件，构建交通网络模型。

3. CSV 文件导入：用户可以导入 CSV 文件，设置交通流量、车辆类型等参数。

代码示例：导入 CSV 文件

# 导入 VISSIM Python APIimportvissim# 创建 VISSIM 对象vissim=vissim.Vissim()# 打开 VISSIM 项目文件vissim.load_network('path_to_your_network_file.inpx')# 导入 CSV 文件设置交通流量defimport_csv_traffic_flow(file_path):# 读取 CSV 文件withopen(file_path,'r')asfile:lines=file.readlines()# 遍历 CSV 文件中的每一行forlineinlines:# 解析 CSV 文件中的数据entry,flow,start_time,end_time=line.strip().split(',')# 设置交通流量vissim.network.entry_points(entry).set_attribute('Volume',float(flow))vissim.network.entry_points(entry).set_attribute('StartTime',int(start_time))vissim.network.entry_points(entry).set_attribute('EndTime',int(end_time))# 调用函数导入 CSV 文件import_csv_traffic_flow('path_to_your_csv_file.csv')

数据验证（Data Validation）

数据验证模块对导入的数据进行验证，确保数据的准确性和完整性。数据验证的主要内容包括：

1. 道路网络验证：检查道路网络的拓扑结构是否正确。

2. 交通流量验证：检查交通流量数据是否合理。

3. 信号灯设置验证：检查信号灯设置是否符合逻辑。

代码示例：验证交通流量数据

# 导入 VISSIM Python APIimportvissim# 创建 VISSIM 对象vissim=vissim.Vissim()# 打开 VISSIM 项目文件vissim.load_network('path_to_your_network_file.inpx')# 验证交通流量数据defvalidate_traffic_flow():# 获取所有入口点entry_points=vissim.network.entry_points()# 遍历所有入口点forentryinentry_points:# 获取入口点的流量flow=entry.get_attribute('Volume')# 检查流量是否合理ifflow<0:print(f"入口点{entry.get_attribute('ID')}的流量{flow}为负数，不符合逻辑")# 获取入口点的开始时间和结束时间start_time=entry.get_attribute('StartTime')end_time=entry.get_attribute('EndTime')# 检查开始时间和结束时间是否合理ifstart_time>=end_time:print(f"入口点{entry.get_attribute('ID')}的开始时间{start_time}大于或等于结束时间{end_time}，不符合逻辑")# 调用函数验证交通流量数据validate_traffic_flow()

数据转换（Data Transformation）

数据转换模块将导入的数据转换为 VISSIM 内部格式，以便仿真引擎使用。数据转换的主要内容包括：

1. 道路网络数据转换：将导入的道路网络数据转换为 VISSIM 内部格式。

2. 交通流量数据转换：将导入的交通流量数据转换为 VISSIM 内部格式。

3. 信号灯数据转换：将导入的信号灯数据转换为 VISSIM 内部格式。

代码示例：将 SHP 文件转换为 VISSIM 内部格式

# 导入必要的库importgeopandasasgpdimportvissim# 创建 VISSIM 对象vissim=vissim.Vissim()# 打开 VISSIM 项目文件vissim.load_network('path_to_your_network_file.inpx')# 读取 SHP 文件shp_file=gpd.read_file('path_to_your_shp_file.shp')# 将 SHP 文件中的道路数据转换为 VISSIM 内部格式defconvert_shp_to_vissim(shp_file):# 遍历 SHP 文件中的每个道路对象forindex,roadinshp_file.iterrows():# 获取道路的几何信息geometry=road['geometry']# 获取道路的其他属性road_id=road['ID']road_type=road['Type']road_length=road['Length']# 创建 VISSIM 道路对象vissim_road=vissim.network.add_link(road_id,road_type,road_length)# 设置道路的几何信息vissim_road.set_geometry(geometry)# 调用函数转换 SHP 文件convert_shp_to_vissim(shp_file)

数据导出（Data Export）

数据导出模块支持将仿真结果导出为多种格式，如 Excel、CSV、PDF 等。数据导出的主要内容包括：

1. 流量数据导出：将仿真过程中各个路口和路段的流量数据导出。

2. 延误数据导出：将仿真过程中各个路口和路段的延误数据导出。

3. 排队数据导出：将仿真过程中各个路口的排队数据导出。

4. 事故数据导出：将仿真过程中发生的交通事故数据导出。

代码示例：将流量数据导出为 CSV 文件

# 导入必要的库importpandasaspdimportvissim# 创建 VISSIM 对象vissim=vissim.Vissim()# 打开 VISSIM 项目文件vissim.load_network('path_to_your_network_file.inpx')# 运行仿真vissim.run_simulation()# 获取流量数据defexport_flow_data(file_path):# 获取所有路段links=vissim.network.links()# 创建空的数据列表flow_data=[]# 遍历所有路段forlinkinlinks:# 获取路段的 ID 和流量link_id=link.get_attribute('ID')flow=link.get_attribute('Flow')# 将数据添加到列表中flow_data.append({'Link ID':link_id,'Flow':flow})# 将数据列表转换为 DataFramedf=pd.DataFrame(flow_data)# 将 DataFrame 导出为 CSV 文件df.to_csv(file_path,index=False)# 调用函数导出流量数据export_flow_data('path_to_your_flow_data.csv')

外部接口（External Interfaces）

COM 接口（Component Object Model Interface）

通过 COM 接口，用户可以使用 VBA 或 C# 等编程语言与 VISSIM 进行交互。COM 接口的主要功能包括：

1. 启动 VISSIM 实例：通过编程方式启动 VISSIM 实例，用户可以自动化地进行模型构建、参数设置和仿真运行。

2. 控制仿真过程：用户可以通过 COM 接口控制仿真过程，如启动、暂停、停止仿真以及调整仿真速度等。

3. 数据交换：用户可以通过 COM 接口读取和修改 VISSIM 中的数据，包括交通网络模型、交通流量数据、车辆类型数据等。

4. 结果导出：用户可以通过 COM 接口导出仿真结果，如流量数据、延误数据、排队数据等。

代码示例：使用 VBA 启动 VISSIM 实例并控制仿真

Sub StartVISSIM() ' 创建 VISSIM 对象 Dim Vissim As Object Set Vissim = CreateObject("VISSIM.Vissim") ' 打开 VISSIM 项目文件 Vissim.LoadNet "path_to_your_network_file.inpx" ' 启动仿真 Vissim.Simulation.RunContinuous ' 暂停仿真 Vissim.Simulation.Pause ' 停止仿真 Vissim.Simulation.Stop ' 设置仿真速度 Vissim.Simulation.SetAttValue "SimSpeed", 5 ' 释放 VISSIM 对象 Set Vissim = Nothing End Sub

Python 接口

VISSIM 7.0 及以上版本支持 Python 接口，用户可以使用 Python 脚本进行仿真控制和数据处理。Python 接口的主要功能包括：

1. 启动 VISSIM 实例：通过 Python 脚本启动 VISSIM 实例，用户可以自动化地进行模型构建、参数设置和仿真运行。

2. 控制仿真过程：用户可以通过 Python 接口控制仿真过程，如启动、暂停、停止仿真以及调整仿真速度等。

3. 数据交换：用户可以通过 Python 接口读取和修改 VISSIM 中的数据，包括交通网络模型、交通流量数据、车辆类型数据等。

4. 结果导出：用户可以通过 Python 接口导出仿真结果，如流量数据、延误数据、排队数据等。

代码示例：使用 Python 启动 VISSIM 实例并控制仿真

# 导入 VISSIM Python APIimportvissim# 创建 VISSIM 对象vissim=vissim.Vissim()# 打开 VISSIM 项目文件vissim.load_network('path_to_your_network_file.inpx')# 启动仿真vissim.run_simulation()# 暂停仿真vissim.pause_simulation()# 停止仿真vissim.stop_simulation()# 设置仿真速度vissim.set_simulation_speed(5)# 释放 VISSIM 对象vissim.close()

外部命令文件（External Command File, ECF）

通过 ECF 文件，用户可以定义外部命令，动态控制仿真过程。ECF 文件的主要功能包括：

1. 定义外部命令：用户可以在 ECF 文件中定义各种外部命令，如调整交通信号灯的配时、修改交通流量等。

2. 动态控制仿真：用户可以通过 ECF 文件在仿真过程中动态地控制仿真行为，实现更复杂的仿真场景。

3. 记录仿真过程：用户可以通过 ECF 文件记录仿真过程中的各种操作，便于后期分析和复现。

代码示例：定义 ECF 文件并动态控制交通信号灯

# 创建 ECF 文件withopen('path_to_your_ecf_file.ecf','w')asecf_file:# 定义外部命令ecf_file.write("0 1 1 1 1 1 1\n")# 0 表示命令类型，1 表示命令参数ecf_file.write("1 2 2 2 2 2 2\n")# 1 表示命令类型，2 表示命令参数# 导入 VISSIM Python APIimportvissim# 创建 VISSIM 对象vissim=vissim.Vissim()# 打开 VISSIM 项目文件vissim.load_network('path_to_your_network_file.inpx')# 读取并执行 ECF 文件vissim.execute_external_command_file('path_to_your_ecf_file.ecf')# 释放 VISSIM 对象vissim.close()

结果分析与可视化模块（Result Analysis and Visualization Module）

流量分析（Flow Analysis）

流量分析工具用于分析交通网络中的流量分布，生成流量统计报告。主要功能包括：

1. 流量统计报告：用户可以查看各个路口和路段的流量数据，生成流量统计报告。

2. 流量变化趋势：用户可以分析流量随时间的变化趋势，生成流量变化图表。

3. 流量瓶颈分析：用户可以识别交通网络中的流量瓶颈，提出优化建议。

延误分析（Delay Analysis）

延误分析工具用于分析车辆在各个路口和路段的延误情况，生成延误统计报告。主要功能包括：

1. 延误统计报告：用户可以查看各个路口和路段的延误数据，生成延误统计报告。

2. 延误变化趋势：用户可以分析延误随时间的变化趋势，生成延误变化图表。

3. 延误因素分析：用户可以识别导致延误的主要因素，如交通信号配时、车辆类型等，提出优化建议。

排队分析（Queue Analysis）

排队分析工具用于分析车辆在各个路口的排队情况，生成排队长度和时间的统计报告。主要功能包括：

1. 排队长度统计报告：用户可以查看各个路口的排队长度数据，生成排队长度统计报告。

2. 排队时间统计报告：用户可以查看各个路口的排队时间数据，生成排队时间统计报告。

3. 排队因素分析：用户可以识别导致排队的主要因素，如交通流量、信号灯配时等，提出优化建议。

事故分析（Accident Analysis）

事故分析工具用于分析仿真过程中发生的交通事故，生成事故统计报告。主要功能包括：

1. 事故统计报告：用户可以查看仿真过程中发生的交通事故数据，生成事故统计报告。

2. 事故位置分析：用户可以分析交通事故发生的位置分布，识别事故高发区域。

3. 事故原因分析：用户可以分析交通事故发生的原因，如驾驶行为、交通流量等，提出改进措施。

实时可视化（Real-time Visualization）

实时可视化视图用于在仿真过程中实时显示车辆运行状态、交通信号状态等。主要功能包括：

1. 网络视图：用户可以实时查看交通网络的布局和车辆运行状态。

2. 信号控制视图：用户可以实时查看交通信号灯的控制状态和变化情况。

3. 行人和自行车视图：用户可以实时查看行人的行走路径和自行车的骑行路径。

4. 动态标注：用户可以在实时视图中动态标注重要的交通事件，如交通事故、信号灯变化等。

离线可视化（Offline Visualization）

离线可视化视图用于在仿真结束后生成动画文件，离线查看仿真过程。主要功能包括：

1. 动画文件生成：用户可以生成不同格式的动画文件，如 AVI、MP4 等。

2. 动画文件编辑：用户可以编辑生成的动画文件，添加文字、标注等信息。

3. 动画文件导出：用户可以将编辑好的动画文件导出，便于分享和展示。

总结

VISSIM 软件通过其灵活的用户界面、高效的核心仿真引擎、强大的数据管理模块和丰富的外部接口，为交通规划、工程设计、运营管理和研究提供了全面的支持。无论是进行简单的交通流仿真，还是复杂的交通系统分析，VISSIM 都能够满足用户的需求。通过各种结果分析和可视化工具，用户可以深入理解仿真结果，为交通优化提供科学依据。