基于VISSIM下微觀交通仿真模型參數(shù)校正分析

胡艷 樊亞云 張曉衛(wèi)

摘? 要：如何對微觀交通仿真模型參數(shù)進(jìn)行校正和選擇合適的校正算法，決定仿真結(jié)果質(zhì)量。本文重點(diǎn)分析微觀交通仿真模型、校正指標(biāo)選取和模型校正算法，詳細(xì)分析了跟馳模型和換道模型的重要參數(shù)，具體闡述了如何選取校正評價(jià)指標(biāo)和待校正參數(shù)，從而保證校正后仿真模型的精度和仿真結(jié)構(gòu)的可性。

關(guān)鍵詞：VISSIM;仿真模型;參數(shù)校正;微觀仿真

中圖分類號：U491.123? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）07-0005-03

Abstract：How to correct the parameters of microscopic traffic simulation model and select the appropriate correction algorithm determines the quality of simulation results. This paper focuses on the analysis of microscopic traffic simulation model，correction index selection and model correction algorithm，and analyzes the important parameters of the car-following model and the lane-changing model in detail，and how to select the calibration evaluation index and the parameters to be calibrated is expounded in detail，so as to ensure the accuracy of the calibrated simulation model and the reliability of the simulation structure.

Keywords：VISSIM;simulation model;parameter correction;microscopic simulation

0? 引? 言

微觀交通仿真軟件是評估交通解決方案的有力工具，仿真模型的參數(shù)會影響仿真結(jié)果，用戶通過實(shí)際交通情況對模型參數(shù)進(jìn)行修正，使得描述交通系統(tǒng)運(yùn)行、交通流特性以及駕駛員行為等更加真實(shí)和有效。仿真模型的三個(gè)過程：標(biāo)定模型參數(shù)、校正和驗(yàn)證，其中，系統(tǒng)開發(fā)者完成標(biāo)定，校正更加接近實(shí)際運(yùn)行情況的仿真模型參數(shù)，驗(yàn)證仿真輸出結(jié)果與實(shí)測結(jié)果二者偏差的大小來衡量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文主要結(jié)合VISSIM軟件對微觀交通仿真模型參數(shù)校正進(jìn)行詳細(xì)論述。

1? 仿真模型

微觀交通仿真模型基于駕駛員行為的假設(shè)，駕駛員行為決定了單個(gè)車輛如何運(yùn)動，所有車輛一起運(yùn)動給出了交通狀況的描述。當(dāng)車輛處于跟馳狀態(tài)時(shí)，其運(yùn)動狀態(tài)由前一個(gè)車輛決定[1]。具體分為如下模型：道路設(shè)施模型、交通生產(chǎn)模型、車輛跟馳模型、換道模型、事件反應(yīng)模型。其中，跟馳模型和換道模型是VISSIM微觀交通仿真核心模型，保證VISSIM能夠動態(tài)地、連續(xù)地、準(zhǔn)確地模擬實(shí)際路網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。

道路設(shè)施模型：是最重要的靜態(tài)模型，指的是一次仿真運(yùn)行開始后，對象參數(shù)固定下來，不再發(fā)生變化。道路設(shè)施模型主要用來描述道路的幾何特性、車道劃分、隔離帶以及路的寬度、路面類型、固定的交通標(biāo)志的位置等。

交通生產(chǎn)模型：是交通系統(tǒng)仿真的基本模型，主要解決交通流的輸入問題。由于車輛的到達(dá)是隨機(jī)的和離散的，需要構(gòu)造概率分析的隨機(jī)變量，保證車輛到達(dá)的真實(shí)性。

路徑選擇模型[2]：車輛能夠選擇從起點(diǎn)到目標(biāo)地之間總時(shí)間最短的路徑，也就是說通過獲取的信息和個(gè)體的經(jīng)驗(yàn)來選擇最優(yōu)的出行路徑，分為在不確定條件下的最優(yōu)路徑選擇和確定信息下的最優(yōu)路徑選擇[1]。

車輛跟馳模型：基于車道的駕駛行為，研究在某一車道上，無法超車，車輛排隊(duì)行駛運(yùn)動過程，后車跟隨前車形式狀態(tài)的一種理論。具體分為：刺激-反應(yīng)模型、安全距離模型、生理-心理模型、模糊推理模型和元胞自動機(jī)模型。對比分析如表1所示。

Wiedemann駕駛行為閾值模型：是全球最精準(zhǔn)的車輛跟馳模型，分為Wiedemann74和Wiedemann99，前者適用于城市道路和后者適用于公路交通。Wiedemann模型中將駕駛員的駕駛狀態(tài)分為以下四種：自由駕駛、接近前車、跟馳行駛和緊急制動，具體如圖1所示。

車換道模型：是微觀交通仿真軟件的核心模型，也是最基本的動態(tài)模型，可能發(fā)生在轉(zhuǎn)向、超車或躲避車輛等狀態(tài)下，分成必要車道變換和自由車道變化。與車輛跟馳模型相比，因?yàn)檐囕v換道行為要綜合考慮周邊車輛、周圍的交通環(huán)境，同時(shí)結(jié)合自身駕駛狀況，對自身的駕駛行為做出變換，更復(fù)雜，以至于難以用數(shù)學(xué)方法描述。

事件反應(yīng)模型：包括信號燈交叉口交通仿真的基本模型、公交車的停靠以及出站過程等各種特定交通現(xiàn)象。

2.2? 仿真基本原理

對所有車輛的運(yùn)動進(jìn)行仿真建模，在離散時(shí)間點(diǎn)更新所有運(yùn)動車輛的位置信息，當(dāng)車輛速度小于期望速度時(shí)，對車輛進(jìn)行加速處理;當(dāng)車輛速度大于期望速度時(shí)，對車輛進(jìn)行減速處理。保證車輛在t+m時(shí)刻的位置等于t時(shí)刻位置加上單位時(shí)間步長m內(nèi)移動的距離。采用不同隨機(jī)數(shù)種子進(jìn)行反復(fù)仿真，然后利用均值進(jìn)行估計(jì)作為最終仿真結(jié)果。

3? 參數(shù)校正分析

確保仿真模型中設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性是保證VISSIM仿真軟件精度的關(guān)鍵所在。

3.1? 校正指標(biāo)選取

指標(biāo)評價(jià)是從實(shí)際采集到的交通流數(shù)據(jù)和仿真軟件輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)中選取相同的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行吻合度計(jì)算作為依據(jù)。

通行能力指道路上某一點(diǎn)、某一個(gè)車道或者某一段面處，單位內(nèi)可能通過的最大交通車輛或者行人等實(shí)體。對于通行能力的估計(jì)是很重要的，駕駛行為參數(shù)的校正能夠縮小仿真和實(shí)際的通行能力的值，所以給出通信能力值的分布，而不是單一的平均值、中位數(shù)、85%車速等數(shù)量值，更能體現(xiàn)通信能力評估的過程。

流量速度圖形用來描述道路的運(yùn)行能力。流量速度圖形分為三部分：自由流、交通擁堵和排隊(duì)消遣。流量速度圖形能夠很好表示通行能力。但是缺少時(shí)間的信息，由于實(shí)際交通流的隨機(jī)性，仿真交通流并包含信息并不是表示完整的隨時(shí)間變化的流量曲線，所以需要復(fù)制出實(shí)際的速度流量圖，減少仿真和實(shí)際的情形的差異。

流量密度和速度密度的關(guān)系與流量速度圖形，包含比通行能力更多的信息，并沒有通行能力的信息。如果擴(kuò)展成三維的流量-速度-密度圖形，就包含了所有的信息，但是遺失了時(shí)間，可以獲取部分時(shí)間的信息，但是不能獲取全部。

車輛軌跡可以用來確定車輛跟馳模型的穩(wěn)定性，通過參數(shù)校正、減少仿真的和實(shí)際的軌跡之間的車頭間距差距。由于微觀仿真模型本質(zhì)上存在隨機(jī)性，一個(gè)相同的前車軌跡依據(jù)隨機(jī)種子或者產(chǎn)生一組不同的行為，并不能代表整體車輛行駛的軌跡。

VISSIM仿真系統(tǒng)中，參數(shù)校正的核心集中在跟車模型和車道變換模型。VISSIM跟車模型的高速公路模型中，包含CC0（停車間距）、CC1（車頭時(shí)距）、CC2（跟車變量）、CC3（進(jìn)入跟車狀態(tài)的閾值）、CC4和CC5（跟車狀況閾值）、CC6（車速振動）、CC7（振動加速度）、CC8（停車加速度）、CC9（80km/h車速時(shí)的加速度）這9個(gè)參數(shù)。

3.2? 參數(shù)校正算法的選取

交通仿真模型參數(shù)校正是一個(gè)離散數(shù)據(jù)尋優(yōu)的過程。微觀仿真校正的算法主要有正交實(shí)驗(yàn)算法、遺傳算法、同步擾動隨機(jī)逼近算法（SPSA算法）和粒子群優(yōu)化算法（PSO算法）。[3]

正交實(shí)驗(yàn)算法：具有均勻分散、正交性和整齊可比的特點(diǎn)，是一種高效率、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。適合水平數(shù)不高的實(shí)驗(yàn)安排。[4]

遺傳算法：是模擬自然界優(yōu)勝劣汰過程的全局搜索算法，通過適應(yīng)度函數(shù)尋找最優(yōu)過程。具有較好的全局性，通過多次迭代尋找最優(yōu)目標(biāo)結(jié)果，是最為廣泛的校正算法，在遺傳算法基礎(chǔ)上能夠發(fā)展很多新的算法。[5]

同步擾動隨機(jī)逼近算法（SPSA）：為容易執(zhí)行且高效率的梯度逼近算法，適合解決高維問題以及大規(guī)模隨機(jī)體系的優(yōu)化。

粒子群優(yōu)化算法（PSO）：也是粒子群優(yōu)化算法或鳥群覓食算法（Particle Swarm Optimization），最優(yōu)解通過群體中個(gè)體之間的協(xié)作和信息共享來尋找，具有實(shí)現(xiàn)易、精度高、收斂快等優(yōu)點(diǎn)。

4? 結(jié)? 論

仿真模型建立、參數(shù)校正前期分析和參數(shù)校正過程是微觀交通仿真模型參數(shù)校正的三個(gè)過程。本文對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，對VISSIM輸出指標(biāo)進(jìn)行了歸納，選取微觀交通仿真模型的評價(jià)指標(biāo)，以實(shí)際調(diào)度的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建出合理的VISSIM仿真模型，通過觀察實(shí)測的評價(jià)指標(biāo)保證了默認(rèn)參數(shù)的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧守峰.劉喜敏.微觀交通仿真 [M].長沙：中南大學(xué)出版社，2016.

[2] 王任映，基于前景理論的出行路徑選擇模型 [D].長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

[3] 唐澤.VISSIM交通仿真模型參數(shù)校正技術(shù)研究 [D].吉林：吉林大學(xué)，2015.

[4] 劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究 [J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，48（9）：52-55.

[5] 葛繼科，邱玉輝，吳春明，等.遺傳算法研究綜述 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008（10）：2911-2916.

作者簡介：胡艷（1984.01-），女，漢族，河南駐馬店人，講師，研究生，研究方向：智能信息。