模擬驗證流程

由於針對本問題所建立之模式的產出為機車之車道選擇行為，因此本研究

3.3.3 驗證工具

本研究係以協同主持人李子璋博士所開發的混合車流模擬軟體 BikeSim (Lee, Polak and Bell, 2008b; Lee, Polak and Bell, 2009)來做為測試模型的工具。BikeSim 為本團隊成員所開發，

具有該軟體之開發經驗，又可取得該軟體之原始碼，故以 BikeSim 之架構為基礎。 BikeSim 之 背景、原理及界面描述如下。

3.3.3.1 BikeSim 背景

目前大多數的車流模擬軟體內之車輛都依循著車道規範行駛(FHWA, 1996; Paramics Microsimulation, 2008; PTV, 2011)，以跟車模型(car-following model)(Gipps, 1981; Leutzbach &

Wiedemann, 1986) 來 規 範 車 輛 在 車 道 內 縱 向 的 移 動 ， 以 變 換 車 道 模 型 (lane-changing model)(FHWA, 1996; Gipps, 1986)來規範車輛在車道間的橫向移動，這些設定無法表現出機車 在車道內穿梭及蛇行等駕駛行為，因此也無法有效的模擬機車為主的混合車流情況。故有必 要發展出一套系統，可以展現出機車併行、斜向跟車、穿梭及依虛擬車道行駛等特有行為，

用來模擬汽機車混合車流。

本研究以混合車流模擬軟體 BikeSim (Lee, Polak and Bell, 2008b; Lee, Polak and Bell, 2009) 為基礎，加入本研究所發展之模型，以及增加輸入調查資料和輸出驗證指標的使用者介面等，

用以驗證及展示本研究之成果。Bikesim 在經過改良之後，應可模擬具有臺灣都市交通特性之 汽機車混合車流。

3.3.3.2 BikeSim 原理

Bikesim 以個體自主式模擬(agent-based modelling) (O'Sullivan and Haklay, 2000)為模擬架 構，以 JAVA 程式語言編寫。個體自主式模擬的架構，乃是賦予模擬軟體中每一個個體有自 己的記憶、偵測環境的能力以及行動規則，依其與周遭環境的關係，根據行動規則決定其下 一個時間點的行動，此種模擬架構，符合 JAVA 語言物件導向的特性，而且適合用來模擬車 流行為。實際進行模擬時的介面，如下圖 3.9 所示。以下將針對 Bikesim 的特點做進一步的說 明。

圖 3.9 Bikesim 的車流模擬畫面

BikeSim 的基本假設為機車行駛於變動的虛擬車道(dynamic virtual lane)上，機車騎士的駕 駛行為取決於其與周遭汽機車的互動；而汽車則必需遵守車道規範(lane discipline)。由於機車 跟汽車相比，其重量體積、性能、操控、視野與反應時間等皆有明顯的不同，這些差異導致 機車有異於汽車的駕駛行為，諸如併行、斜向跟車、較小的跟車間距、穿梭及蛇行等(Lee, 2008)，

這些差異反應在駕駛行為上，就是車道規範的差異。

Bikesim 主要以三個次模型來描述機車的駕駛行為在車道規範上的差異：

 縱向跟車次模型主要在描述機車在跟車時與前車之相對位置會影響到其跟車距離，

當機車跟車時是對著前車的側邊邊緣時，其跟車距離會比較近；但若是對著前車的 中心線來跟車，則跟車距離會較遠(Lee, Polak, & Bell, 2009b)，機車縱向跟車次模型 將此現象整合入 Gipps 的跟車模型(Gipps, 1981)來模擬機車的跟車行為。

 斜(橫)向跟車次模型是用來形容機車的斜向跟車現象，機車常行駛在同一車道內另 一輛車的斜後方或側邊，並保持相似的速度。此次模型以跟車角度、速度及速度差 為自變數，以線性模型來描述此斜(橫)向跟車的距離。

 路徑選擇次模型是以機車與周邊車輛之運動學關係，如速度、速度差、間距、相對 位置等關係，以多向羅吉特模式(multinomial logit)來描述機車下一步側向移動方向的 選擇。

3.3.3.3 BikeSim 介面

Bikesim 的個體自主式模擬架構及物件導向程式結構，非常適合擴充不同的交通模型進入 模擬系統；另 Bikesim 具有視覺化介面，以動畫呈現車流互動過程，並收集模擬過程相關微 觀及巨觀之資料。將所建構的機車的行為模型植入系統中，系統中之個體以所給予的行為模 型做互動與行動的規則，所呈現之模擬結果及資料，可用來觀察及測試行為模型之效果。

Bikesim 非常適合用來做為本研究行為模式驗證、模式敏感度分析之工具。

圖 3.10 為 BikeSim 之主要介面，其中 1 號方框處為模擬動畫的控制列，包含開始、暫停、

停止、重置、清除畫面、離開等功能。2 號方框處為動畫顯示區域，而 3 號方框處則為模擬 參數的控制區，在此處可以進行各項參數之調整，參數調整共分成四種類別，分別為模擬控 制及動畫顯示調整。

圖 3.10 BikeSim 操作介面 1. 模擬控制

模擬控制主要是在模擬開始前，讓使用者選擇如何進行模擬。使用者可選擇使用資料庫 軌跡檔或是手動輸入道路幾何與交通量資訊，其介面分別如圖 3.11 與圖 3.12 所示。當選擇手 動輸入時，可利用如圖 3.13 的介面輸入車種比例、各車種之期望速度等等之參數。而號誌時 相與其他道路幾何參數則可透過文字檔的方式輸入 BikeSim 中，號誌時相的輸入檔中包括紅 燈與綠燈開始的秒數；而道路幾何的輸入檔中，則包含街道寬度、各車道的寬度、機車停等 區寬度以及公車站位置；車輛軌跡檔中包含車輛編號、種類、車長車寬以及每一秒位置等資 訊，輸出的檔案則會和軌跡檔格式一樣。若是選擇使用資料庫軌跡檔時，則可選擇產生車輛 的方式。而無論是選擇手動或是軌跡檔，均可以設定模擬次數、選取檔案以及各項模式的開 關。

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圖 3.11 模擬控制介面 (檔案輸入-基本資料及軌跡資料庫讀取)

圖 3.12 模擬控制介面 (手動輸入-基本資料讀取)

圖 3.13 模擬控制介面 (手動輸入-道路交通量資訊界面) 2. 動畫顯示調整

動畫顯示則是顯示當前模擬的資訊以及讓使用者調整模擬動畫顯示的項目與模擬速度。

顯示的資訊包括顯示目前模擬時間、號誌週期、模擬週期。調整是否顯示的項目包括車輛編 號或速度、號誌位置、公車站範圍、路段範圍等。

圖 3.14 動畫顯示調整介面 3.3.3.4 BikeSim 其他模擬功能

於本期計畫之前，BikeSim 即已具備基本之混合車流模擬功能。而為了配合本計畫之資 料與增加使用者之便利性，因此新增了下列功能：

1. 選擇模擬次數的功能，該功能讓使用者進行多次模擬 2. 是否顯示模擬的動畫，以便能夠快速的完成模擬

3. 新增了透過讀取檔案的功能，透過讀取資料來取得號誌以及車輛軌跡的資訊

其中第三項功能為讓使用者選擇是否要透過軌跡檔來生成車輛，或是透過程式亂數自動 產生車輛。當使用者選擇透過軌跡資料庫生成車輛時，又可選擇以下兩種方式，如圖 3.15 的 方框 1，而車流模擬畫面如圖 3.16 所示：

1. 以軌跡檔之實際位置與時間來產生車輛

當使用者選擇此方式時，又可選擇是否要重現某一車種的軌跡資料，如圖 3.15 的方框 2。”

上游進入”之選項為透過軌跡檔產生車輛第一秒的位置，再透過模式模擬車輛在道路上行 駛行為，而”軌跡重現”之選項則是直接顯示車輛在軌跡檔中每一秒的位置。

2. 先計算軌跡檔中車輛的平均流量後，在由模擬軟體本身來產生車輛

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圖 3.16 車流模擬軟體模擬畫面

3.4 小結

本章介紹本研究架構。並針對研究問題定義與實證分析及歸類之架構進行說明。資料 蒐集，模式構建與各模式之實證分析、模式驗證模擬則於後續章節詳述。

第四章 資料蒐集

本研究將以錄影的方式收集車流影像資料，並以半自動化的車流軌跡擷取軟體擷取影像 中各時間點各車輛一系列的座標位置，並轉換成車輛軌跡，建置資料庫以供分析。因為本研 究為《交通技術研發與人才培育規劃研究》與《機車行為模式在都市混合車流中之實証分析 及模式建立》的延續計畫，因此在資料編碼方面也將前兩計畫已蒐集之資料納入考量，前兩 計畫之資料編碼為 A 至 C 與 X，因此本次計畫所拍攝之影片與軌跡檔皆由 D 開始編碼。因資 料庫包括所有車輛的軌跡及車間距離，此方法的優點為變數的計算能中隨時修正，無需事先 定義，能讓實證分析有更好的彈性。詳細的資料收集方法列述如下。

4.1 影像收集

4.1.1 拍攝方式

（一）空中拍攝

傳統的汽機車駕駛行為的調查方式，是利用多台攝影機在約十層樓高之建築物上同時拍 攝，此調查方式有諸多困難需要克服，例如(1)欲觀察的路段附近必須要有高樓可供拍攝，據 經驗一般私人建築物或醫院都較難取得同意進入調查，調查團隊在社區大樓的進出也會與住 戶的隱私權有所衝突；(2)建築物上路段車輛有一定之俯視角度，會因車輛的立體高度而造成 車輛位置判定的誤差；(3)由 10 樓高度建築物，只能清楚拍攝到約 150 公尺的範圍，如路段 較長則需要多台攝影機在不同地點同時進行拍攝。

本研究利用無人飛行載具(Unmanned Aerial Systems, UAS)在空中拍攝的方式進行車流行 為的錄影，現今空中拍攝技術日趨進步，飛行器設備的設計已非常安全，其操作簡易且入門 快速。團隊已經進行過多次實驗，成功的利用 UAS 拍攝交通車流，在考慮影像品質的前提 下，整理出拍攝路段長度與飛行高度的最適關係，並使用影片後製軟體處理影像變形和晃動 的缺點，效果如圖 4.1。空中拍攝於交通調查的優點為調查地點有更多的選擇，不受附近是否 有高樓大廈可用的限制，拍攝的範圍也比較大；但缺點為飛行器的飛行時間不長(約 15~20 分 鐘)，需要升降並更換電池。

國內外對空中拍攝都有制定一些法規與限制；就國內而言，交通部民用航空局(民航局) 為保障民航機及國家機密的安全，在其頒布的飛航指南依國際民航組織(ICAO)規定了限航地 區，包括機場周圍、博愛特區(總統府周圍)、陽明山等地方限制飛行器的進入。本團隊在調 查時都有符合相關法規，並將針對空拍的特性、機種、法規限制等等整理於曾家瑜等人(2014) 和 Luo et al. (2014)。

圖 4.1 空中拍攝實景

（二）空拍與傳統影像收集方式的比較

建構車流模式的實證分析，必須蒐集足夠的車輛移動資料，而微觀的車流資料較不容易

建構車流模式的實證分析，必須蒐集足夠的車輛移動資料，而微觀的車流資料較不容易