基于VISSIM 仿真的交織區(qū)通行能力分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李 根 （南京林業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

0 引 言

隨著信息技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展正在從傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建造技術(shù)轉(zhuǎn)向基于現(xiàn)代化技術(shù)的運(yùn)行管理與服務(wù)。2017 年2 月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，要求高校結(jié)合新興產(chǎn)業(yè)與新經(jīng)濟(jì)的需求，引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)與新經(jīng)濟(jì)的未來(lái)發(fā)展?！敖煌ǚ抡鎸?shí)驗(yàn)”課程基于現(xiàn)代化的信息和系統(tǒng)科學(xué)，對(duì)于培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、數(shù)字化思維和跨界整合能力的新工科人才具有非常重要的意義[1-8]。

以往的教學(xué)往往將該課程定位成為軟件的實(shí)操培訓(xùn)課，過(guò)于注重教授使用軟件的能力。交通仿真作為一種新一代交通信息技術(shù)，應(yīng)該注重其與交通規(guī)劃、交通工程學(xué)等其他專(zhuān)業(yè)理論課之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生使用交通仿真技術(shù)解決實(shí)際交通問(wèn)題的能力[9-16]。

本文基于交通仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)交通工程學(xué)中的交織區(qū)通行能力分析問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套完整的實(shí)驗(yàn)方法，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜工程問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案和使用現(xiàn)代工具的能力，支撐交通工程專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)。

1 交織區(qū)基本概念

在道路上行駛的交通流中，一條駛?cè)朐训篮竺婢o接著一條駛出匝道，并在它們之間有輔助車(chē)道連接，或者當(dāng)一個(gè)合流區(qū)的后面緊接著一個(gè)分流區(qū)時(shí)，從而引起交通流進(jìn)行交叉的區(qū)域即為交織區(qū)。如表1 所示，根據(jù)交織車(chē)輛通過(guò)交織路段時(shí)必須執(zhí)行的最少車(chē)道交換次數(shù)來(lái)進(jìn)行劃分，可以將交織區(qū)構(gòu)型劃分為A、B、C 三種類(lèi)型[17-18]。

表1 交織構(gòu)型的劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

影響交織區(qū)通行能力的主要因素有交織區(qū)交通流率、交織區(qū)長(zhǎng)度以及交織區(qū)設(shè)計(jì)車(chē)速等，本文選擇車(chē)輛數(shù)量、平均速度、延誤等指標(biāo)對(duì)主輔路交織區(qū)的整體通行能力進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)分析。

2.1 車(chē)輛數(shù)量

通過(guò)數(shù)據(jù)檢測(cè)器得到對(duì)應(yīng)的車(chē)輛通過(guò)數(shù)即為路段車(chē)輛數(shù)量，可以反映交織區(qū)的通行能力情況，在仿真模型中將數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布設(shè)在主輔路交織區(qū)的后半部分，作為表示交織區(qū)通行效率的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 平均速度

VISSIM 仿真模型中的平均速度指的是對(duì)應(yīng)于一定行程區(qū)間的區(qū)間平均速度，本文的仿真模型選定了主輔路交織段起點(diǎn)到交織段終點(diǎn)為行程區(qū)間，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)交織區(qū)車(chē)輛的平均速度。

2.3 延 誤

延誤指標(biāo)是評(píng)價(jià)交織區(qū)運(yùn)行效率的重要指標(biāo)之一。本文選取的延誤是指在仿真模型中車(chē)輛通過(guò)行程時(shí)間檢測(cè)區(qū)段的時(shí)間（即實(shí)際行程時(shí)間） 與理論行程時(shí)間之間的差。VISSIM 仿真軟件基于行程時(shí)間區(qū)段可以生成延誤的數(shù)據(jù)，其中行程時(shí)間區(qū)段與計(jì)算平均速度的時(shí)間區(qū)段相同。

3 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)流程

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇

交通仿真是通過(guò)基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的仿真技術(shù)來(lái)模擬交通流特性的可能行為，跟蹤和描述交通流運(yùn)行在時(shí)間和空間的變化，是現(xiàn)實(shí)交通流最優(yōu)化的一種方法，也是對(duì)各類(lèi)交通組織設(shè)計(jì)方案及運(yùn)輸設(shè)施的有效評(píng)價(jià)的一種手段。因此，仿真的方法受到越來(lái)越多的關(guān)注，在許多重要的通行能力研究項(xiàng)目都會(huì)去使用仿真軟件。

根據(jù)交通仿真模型對(duì)交通問(wèn)題研究的不同方向和目的，可以將交通仿真分為微觀、中觀和宏觀三個(gè)不同層次的交通仿真。目前，VISSIM、CORSIM、PARAMICS 等交通仿真軟件在我國(guó)發(fā)展相對(duì)比較成熟且應(yīng)用廣泛，各個(gè)仿真軟件的特點(diǎn)如表2 所示。

表2 各仿真軟件及其特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)主流的交通仿真實(shí)驗(yàn)教材大多采用VISSIM 作為仿真平臺(tái)，因此本實(shí)驗(yàn)采用該軟件對(duì)于交織區(qū)進(jìn)行仿真研究。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

首先通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀交通流的運(yùn)行狀況進(jìn)行VISSIM 仿真評(píng)價(jià)，從而發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀交通流運(yùn)行存在的一些問(wèn)題，然后優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)交通流的組織設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后對(duì)實(shí)時(shí)交通系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。交通流仿真的基本流程如圖1 所示。

圖1 VISSIM 交通流仿真評(píng)價(jià)流程

在搭建模型的時(shí)候，為了避免造成車(chē)流的損失，需要分別給主線車(chē)流和進(jìn)口輔道車(chē)流設(shè)置行駛路徑。此外，需要對(duì)輔道的駛?cè)胲?chē)流設(shè)置優(yōu)先通行的規(guī)則，輔道上的車(chē)輛只有在主線存在空隙的情況下才可以匯入，如果車(chē)輛行駛到交織區(qū)末端還沒(méi)有成功匯入主線，則匯入車(chē)輛將會(huì)強(qiáng)行匯入。在主線的上游部分和連接段內(nèi)，主線車(chē)流由于受到交織區(qū)交織車(chē)流的影響，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的減速現(xiàn)象，因此還需要設(shè)置減速區(qū)域和目標(biāo)。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)采用南京市某快速路與城市主干路相交處的交織區(qū)，其長(zhǎng)度為230m，交織區(qū)段車(chē)道數(shù)共有5 條車(chē)道，其中主線為3車(chē)道，輔道為2 車(chē)道，交織區(qū)的構(gòu)造形式為A 型交織。交通流主要由主線直行、主線進(jìn)輔道、輔道直行和輔道進(jìn)主線四股組成，如圖2 所示。車(chē)輛主輔道變換區(qū)域即為交織區(qū)范圍，交織區(qū)段的交織交通流包括主線進(jìn)輔道和輔道進(jìn)主線兩股，非交織交通流包括主線直行和輔道直行兩股。

圖2 交織區(qū)交通流組成示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)資料預(yù)測(cè)，2014 年、2022 年和2033 年各流向的高峰小時(shí)交通量數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 交織區(qū)各流向高峰小時(shí)交通量 單位：pcu/h

3.4 模型參數(shù)標(biāo)定

使用VISSIM 進(jìn)行交通仿真時(shí)，需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)標(biāo)定仿真模型中的參數(shù)，即通過(guò)調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)來(lái)使得仿真模型能夠與實(shí)際的道路和交通條件相符合，以確保仿真模型可以取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)交通運(yùn)行的狀況。本文在搭建好仿真模型之后，結(jié)合設(shè)計(jì)資料數(shù)據(jù)對(duì)主輔路交織區(qū)的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，本文將仿真時(shí)間設(shè)置為1h，即VISSIM 中的仿真參數(shù)為3 600 秒，考慮實(shí)際條件與仿真經(jīng)驗(yàn)，將仿真模型中的仿真精度設(shè)置為5，隨機(jī)種子設(shè)置為42。

3.4.1 車(chē)輛構(gòu)成

快速路實(shí)際道路的交通流是大、小客貨等車(chē)型混行，由于車(chē)輛自身的物理特性和動(dòng)力性能的不同，它們?cè)诘缆分械钠谕?chē)速、車(chē)輛之間的跟車(chē)和超車(chē)等條件不同。依據(jù)設(shè)計(jì)資料，快速路的交通組成中小汽車(chē)占多數(shù)，但是其他車(chē)型的所占比例也較大，將其他車(chē)型折算成當(dāng)量小汽車(chē)進(jìn)行仿真并不符合實(shí)際情況，因此在仿真模型中，車(chē)輛構(gòu)成按照設(shè)計(jì)資料中的車(chē)型比例進(jìn)行設(shè)置。

3.4.2 車(chē)輛駕駛行為

由于交織區(qū)的車(chē)道變換相比于快速路的其他路段更為復(fù)雜，如果不加以設(shè)定的話(huà)會(huì)致使車(chē)輛集中堵在交織區(qū)的下半部分區(qū)域，因此，在VISSIM 微觀交通仿真軟件中需要對(duì)車(chē)輛的車(chē)道變換模型進(jìn)行修正，具體的修正結(jié)果如圖3 所示。

圖3 車(chē)道變換模型修正

3.4.3 期望車(chē)速

期望車(chē)速是指在特定的道路狀況下，不受其他車(chē)輛的干擾，車(chē)輛處于自由行駛狀態(tài)下使用的車(chē)速，是影響道路通行能力和交通流行程速度的最重要參數(shù)，期望車(chē)速的標(biāo)定對(duì)仿真結(jié)果具有重要的影響，本文根據(jù)快速路主線、輔道的設(shè)計(jì)速度來(lái)標(biāo)定期望車(chē)速，期望加速度的參數(shù)擬采用默認(rèn)值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于VISSIM 仿真軟件搭建的仿真模型如圖4 所示。

圖4 交通仿真運(yùn)行場(chǎng)景

通過(guò)對(duì)交織區(qū)進(jìn)行VISSIM 交通仿真，得到了平均速度、車(chē)輛數(shù)量以及延誤的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4 所示。

從表4 中數(shù)據(jù)可以看出，隨著輸入交通量的不斷增大，最后并沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)“堆積”的現(xiàn)象，即交織區(qū)仿真通過(guò)的交通量（車(chē)輛數(shù)量） 隨著輸入交通量的增加而增加，根據(jù)VISSIM 仿真的運(yùn)行特點(diǎn)，這表明截至2033 年交織區(qū)的交通量仍然還沒(méi)有達(dá)到交織區(qū)的通行能力，輸入交通量均在交織區(qū)通行能力范圍內(nèi)。

表4 交織區(qū)仿真評(píng)價(jià)結(jié)果

交通量與速度和延誤的關(guān)系如圖5 所示，可以看出，同等條件下隨著輸入交通量的逐漸增加，車(chē)輛通過(guò)交織區(qū)的平均速度在逐漸降低，延誤在逐漸增加，平均速度和延誤與輸入交通量基本上成線性關(guān)系，在通行能力范圍內(nèi)交通量越大、延誤越大、平均速度越低。另外，也可以看出中大型貨車(chē)所占比例對(duì)交織區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)也存在一定的影響，相對(duì)來(lái)說(shuō)中大型貨車(chē)所占比例越低，對(duì)交織區(qū)的運(yùn)行效果就越好。

圖5 交通量與（a） 速度和（b） 延誤折線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

交通仿真實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐性極強(qiáng)。在以往的教學(xué)中，教師往往過(guò)于注重培養(yǎng)學(xué)生使用軟件的能力，忽略了學(xué)生使用仿真解決問(wèn)題的能力培養(yǎng)。為了讓學(xué)生真正理解和掌握在實(shí)際工作中如何使用仿真軟件解決交通工程問(wèn)題，本文基于VISSIM 軟件設(shè)計(jì)了交織區(qū)通行能力分析實(shí)驗(yàn)的流程。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼龠M(jìn)學(xué)生理解、掌握交通工程學(xué)中通行能力的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代化的工具分析、解決交通問(wèn)題的能力。