張振棟，蘇棟輝

（1.上海理工大學 管理學院，上海 200093；2.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 211106）

1 交通仿真的必要性

隨著私人小汽車數(shù)量的逐漸增加，城市機動車保有量呈直線上升趨勢，產(chǎn)生了各種各樣的交通問題。這些交通問題需要交通管理部門實施科學的措施和方案去解決。但大多數(shù)改善道路交通方案的實施往往需要對交通基礎(chǔ)設(shè)施進行大范圍的改造，但在改造之前，由于缺乏必要的仿真模擬而無法提前對改造后道路交通的改善狀況做出科學評價，導致改造方案缺乏科學性。

近幾年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計算機進行交通仿真已成為解決交通問題的重要途徑?；谟嬎銠C的交通仿真技術(shù)，在交通工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模的應(yīng)用。交通仿真技術(shù)的優(yōu)勢在于:第一，能夠節(jié)省大量的人力、物力進行真實的模擬交通狀況，尤其適用于對規(guī)劃中的道路進行模擬；第二，比同類軟件有著更廣的適用范圍；第三，能夠多次重復進行試驗，從而合理地選擇不同的設(shè)計方案。

由于國外在交通仿真技術(shù)方面的應(yīng)用已步入商業(yè)化階段，且國內(nèi)相關(guān)技術(shù)還不完善，因而目前國內(nèi)主要使用國外引進的微觀仿真軟件。這些仿真軟件的開發(fā)基本上都是根據(jù)國外交通的特點而設(shè)計的，因此引進到國內(nèi)后直接應(yīng)用時，得到的仿真結(jié)果往往與國內(nèi)的實際交通狀況差別較大，缺乏科學性，模型的相關(guān)參數(shù)需要修正。所以說，構(gòu)建交通仿真模型的關(guān)鍵步驟是模型的參數(shù)標定。

2 交通仿真理論

本文所使用的VISSIM軟件是由德國PTV公司開發(fā)的微觀仿真軟件系統(tǒng)。VISSIM軟件的適用范圍十分廣泛，它不僅能夠模擬城市一般道路和城市快速路的交通流狀況以及交叉口信號控制方案的優(yōu)化，同時還能應(yīng)用于高速公路，如車輛速度控制、交通誘導、高速公路收費系統(tǒng)以及高速公路進出口匝道的設(shè)計。

2.1 交通軟件仿真理論

VISSIM軟件通過軟件內(nèi)部兩個組成部分之間交換檢測器數(shù)據(jù)和信號狀態(tài)信息，實現(xiàn)交通仿真。VISSIM軟件的核心是一個由微觀交通仿真模型組成的交通仿真器，它是一個采用了以德國卡爾斯魯厄大學 Wiedemann教授的“生理－心理駕駛行為模型”為基礎(chǔ)的車輛跟蹤模型。該模型的基本概念是:當在車流中跟隨前車行駛的后車駕駛員認為其與前車間的距離小于駕駛員認定的極限時，后車駕駛員就會采取一定的措施降低車速。并且后車會以一個不超過前車速度的車速跟馳，直到后車駕駛員認為與前車間的距離可以安全行駛時，后車駕駛員才會加快車速，并開始形成一個不斷重復、循環(huán)的過程。

VISSIM軟件實現(xiàn)其功能必須依賴于諸多模塊，而各種模塊所起的作用也不同。通過各種模塊的相互配合協(xié)作，才能使交通仿真模型接近現(xiàn)實，模擬出交通狀況。發(fā)揮基礎(chǔ)性作用的模塊主要包括了交通量定義模塊、車輛定義模塊、車速分布模塊、車輛跟馳模塊、車道變換模塊等。

2.2 交通仿真參數(shù)標定原則

要想使仿真模型能夠精確地描述整個仿真過程，就必須在實際的交通運行狀態(tài)基礎(chǔ)上，調(diào)整仿真模型中的相關(guān)參數(shù)。由于交通網(wǎng)絡(luò)的運行狀況會受交通流特性、交通控制運行參數(shù)和駕駛員行為特性等參數(shù)影響，因而需要對這類參數(shù)進行校正。參數(shù)校正的最終目的是使整個仿真過程與真實的交通狀況基本一致，從而達到模型輸出數(shù)據(jù)與實際測量結(jié)果的差異最小。

由于某些因素的存在，如各地的交通特性不同而影響到交通仿真得到的仿真結(jié)果，交通仿真模型的某些參數(shù)提供給用戶，根據(jù)實際交通狀況進行選擇和調(diào)整，以彌補仿真軟件在某些方面存在的不足。在實際選擇時，需要遵循一些要求:第一，選擇易在實際交通狀態(tài)中測量得到的參數(shù)，如果參數(shù)不能在實際中調(diào)查得到，該參數(shù)就缺乏了一定的科學性與精確性；第二，選定的參數(shù)能夠通過自身的變化快速反應(yīng)出交通狀況的變化，即具有較高的靈敏性。在VISSIM軟件中，需要標定的參數(shù)主要有車輛期望速度、駕駛員行為以及車輛組成等。

2.3 交通仿真參數(shù)標定過程

交通仿真模型參數(shù)標定的過程一般分為7個階段。

第一階段:對研究目標的定義，交通仿真的目的就是最終仿真模型得到的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)接近或相同即可；

第二階段:確定所需的實際數(shù)據(jù)；

第三階段:選擇影響因素水平，即確定需要標定的參數(shù)，由于某些參數(shù)對交通仿真結(jié)果有較大的影響，需要把這些參數(shù)篩選出來進行標定，使這些參數(shù)模擬出與實際相符且更理想的交通狀況；

第四階段:建立仿真結(jié)果評價體系；

第五階段:建立仿真網(wǎng)絡(luò)；

第六階段:確定駕駛員的路徑行為，為減少實驗次數(shù)，利用拉丁方格法設(shè)計實驗，確定需要標定的參數(shù)；

第七階段:評價模型的輸出結(jié)果，依據(jù)仿真結(jié)果評價體系，評價仿真得到的結(jié)果。如果因某參數(shù)而使模型沒有得到預(yù)期的結(jié)果，則應(yīng)繼續(xù)對該參數(shù)進行標定，直到滿足標準為止，結(jié)束標定。

3 淮安市翔宇大道交通仿真模型與結(jié)果分析

3.1 翔宇大道交通現(xiàn)狀

淮安市翔宇大道位于江蘇省淮安市清河區(qū)與淮安區(qū)之間，是市區(qū)往返淮安區(qū)的主要道路。該道路為一級瀝青混凝土路面，雙向六車道，與多條市內(nèi)干道相交。車輛構(gòu)成主要為小汽車、大客車與貨車。其中，翔宇大道與城西北路的十字交叉口是淮安區(qū)與淮安市區(qū)銜接處的一個車流量較大的交叉口，它是車輛往返淮安市區(qū)與淮安區(qū)的必經(jīng)之路。該交叉口附近有千年古鎮(zhèn)河下風景區(qū)，以及大量居民小區(qū)、學校和商業(yè)區(qū)，使得該交叉口車流量與人流量均較大。而交叉口前路段上的車流量狀況對車輛進入交叉口時產(chǎn)生的延誤、行程時間、排隊時間與車流量等有較大影響（見圖1）。

3.2 翔宇大道交通調(diào)查與建模

由于交通仿真模型的需要，對翔宇大道多路段進行了交通調(diào)查，交叉口交通量調(diào)查與車速調(diào)查結(jié)果如表1、表2所示。

目前，翔宇大道與城西北路交叉口采用四相位信號控制，信號周期長度為130s。具體的信號配時方案如圖2所示。仿真參數(shù)的選擇主要包括車速分布、交通構(gòu)成、信號參數(shù)等。根據(jù)交通調(diào)查資料與翔宇大道實際道路線形，使用VISSIM軟件構(gòu)建基礎(chǔ)交通仿真模型，如圖3所示。

圖1 仿真路段——淮安市翔宇大道

表1 淮安市翔宇大道與城西北路交叉口交通流狀況 輛

表2 淮安市翔宇大道車流車速分類統(tǒng)計 km／h

圖2 交叉口信號配時

圖3 翔宇大道交通仿真路段

3.3 翔宇大道交通仿真模型參數(shù)標定

交通仿真模型的參數(shù)校正是快速路建模的關(guān)鍵步驟。VISSIM的仿真結(jié)果與仿真結(jié)果評價指標相接近是此次參數(shù)標定的目標，在此次仿真中把路段小汽車與客車速度作為評價指標。

在本次VISSIM仿真中，最小車頭時距、等待換道消失時間、緊急停車距離、平均停車距離、車道變換距離以及觀察前車輛數(shù)是主要的可控參數(shù)。首先選擇適合用于城市道路的Wiedemann74模型作為汽車跟馳模型。最小車頭時距在VISSIM軟件中預(yù)設(shè)的缺省值為0.5m，但在實際調(diào)查中最小車頭時距大于0.5m。因此，為使其數(shù)值符合實際，且有較大浮動范圍，將取值范圍定為0.5～4.0m。模型中等待換道消失時間的缺省值為60s，但考慮到本次路網(wǎng)的長度以及有交叉口紅綠燈信號控制，車輛的實際等待換道消失時間比缺省值長，因而取等待換道消失時間為80s。緊急停車距離的缺省值為5m。平均停車距離在模型中的缺省值為2m?？紤]到我國目前司機在停車排隊等待時停車位置的隨意性較大，無法得到一個較為平均的數(shù)值，所以取1～3m的范圍。車道變換距離由于與之前的緊急停車距離相聯(lián)系，而且在實際駕駛過程中司機一般變道所花的時間基本相差無幾，因而車輛行駛的距離也基本相同，所以該參數(shù)一般采用缺省值為200m，觀察前車輛數(shù)也取其缺省值為2輛。這樣，基本確定了3個需要標定的基本參數(shù):最小車頭時距、平均停車距離、觀察前方車輛數(shù)。

交通仿真模型的標定主要通過運行模型后得到的數(shù)據(jù)建立函數(shù)模型，再找出與實測數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)相接近的參數(shù)組合。為減少實驗的次數(shù)，同時保證實驗的科學性，采用拉丁格法。根據(jù)拉丁方格法，將3個需要標定的參數(shù)，即最小車頭時距、平均停車距離、觀察前方車輛數(shù)等三個參數(shù)放入一個3×4的拉丁方格中。其中，把平均停車距離和觀察前方車輛數(shù)作為關(guān)鍵因素，把最小車頭時距作為安排因素，共進行4×4＝16次試驗（見表3）。

表3 隨機組合排列表

依次試驗每一組參數(shù)組合。試驗前，還需要在模型的多運行模式窗口選擇隨機種子數(shù)，最后可得到每組參數(shù)組合模擬后輸出的相關(guān)參數(shù)。由于路段行程時間以及延誤在作為實驗結(jié)果比較對象時，數(shù)據(jù)受到測量手段的限制，往往精度不高，導致路段行程時間以及延誤作為比較對象缺乏科學性，因而在本次實驗無法借鑒。為此，選用小汽車和客車的平均車速作為仿真結(jié)果的對比對象。利用最小二乘法，建立以汽車平均車速為因變量，待校正參數(shù)為自變量的線性回歸方程。本次實驗對小汽車車速建立了線性回歸方程，公式為

式中:Y為平均行駛車速，X1為最小車頭時距，X2為平均停車距離。

通過與調(diào)查數(shù)據(jù)對比，從16組參數(shù)組合中選取4組參數(shù)，即得到小汽車和大客車的仿真車速與實際車速最為接近的參數(shù)組合，然后把各組參數(shù)代入方程可得方程估算車速。

以車速誤差為2%作為評價標準進行檢驗，可以發(fā)現(xiàn)在模型標定之前，各項輸出數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的相對誤差大小不一，有些誤差超過2%，該模型與實際交通狀況存在較大的差異，如表4所示。根據(jù)建立的回歸模型，以回歸模型預(yù)測結(jié)果與實際測量的小汽車與客車行駛速度近似或相等，結(jié)合仿真畫面的合理性，綜合考慮各種檢驗結(jié)果，并將其作為判定標準。模型仿真后最終輸出的車速與實際車速基本一致，在小汽車實際車速與仿真車速相對誤差中，最大的相對誤差僅為1.002%，而客車實際車速與仿真車速相對誤差僅為0.341%，均滿足2%的要求。其中，第1組、第2組、第3組三組參數(shù)組合雖然在小汽車實際車速與仿真車速相對誤差上表現(xiàn)較好，但在客車實際車速與仿真車速相對誤差，以及小汽車實際車速與估算車速相對誤差較大，體現(xiàn)出一定的波動性。而第4組雖然小汽車實際車速與仿真車速相對誤差最大，但在其他兩個方面的相對誤差都較為穩(wěn)定。最終確定校正值分別為:最小車頭時距為4m，平均停車距離為1.5m，即第4組的參數(shù)組合最符合要求。

通過再次仿真實驗，發(fā)現(xiàn)仿真模型最終輸出的流量與實際流量相比誤差，最大為8.34%，屬于可接受的范圍（見表5）。這表明該模型滿足了模型標定的基本要求，各項輸出數(shù)據(jù)與實際調(diào)查數(shù)據(jù)也基本一致，即初步完成了翔宇大道交通仿真模型的標定，翔宇大道交通仿真模型基本構(gòu)建完成。

表4 校正參數(shù)檢驗表

表5 流量指標評價結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以淮安市翔宇大道為基礎(chǔ)，利用VISSIM軟件建立基于翔宇大道的實際交通數(shù)據(jù)仿真模型，最后，對該模型的參數(shù)進行校正。根據(jù)測量得到的實際數(shù)據(jù)，利用拉丁方格法對參數(shù)進行標定，最終得到的仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)差距較小。但試驗僅針對城市快速路，而對于城市一般道路上的交通流狀態(tài)更加復雜，沖突區(qū)也更多，要想建立一個與實際混合交通流特性相適應(yīng)的仿真模型還存在一定的差距，這不僅需要軟件開發(fā)商對軟件后續(xù)不斷地完善和補充，還需要在接下去的研究中，完善道路交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和整理工作?？傊?，將VISSIM類國外交通仿真軟件應(yīng)用于我國具體的交通環(huán)境時，必須在符合當?shù)貙嶋H交通狀況基礎(chǔ)上，對交通仿真模型的關(guān)鍵參數(shù)進行標定，這樣，才能使交通仿真模型符合實際。

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