基于VISSIM的交通類課程虛擬仿真實驗?zāi)K建設(shè)

吳 偉，曹倩霞，龍科軍

基于VISSIM的交通類課程虛擬仿真實驗?zāi)K建設(shè)

吳 偉，曹倩霞，龍科軍

（長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

由于交通類課程較難進行實地實驗，為使學(xué)生更好地掌握交通流運行和演化的規(guī)律，建立了虛擬仿真實驗?zāi)K。以交通類專業(yè)學(xué)生的核心實驗——“交通控制實驗”為例，從實驗的基本原理、實驗的輸入輸出與控制變量、基于正交試驗的實驗設(shè)計方法、虛擬仿真運行控制與效益評價等4方面闡述了如何基于VISSIM仿真軟件建立虛擬仿真實驗?zāi)K，使學(xué)生通過仿真實驗，能更好地理解實驗原理、掌握知識內(nèi)涵。

交通控制實驗；虛擬仿真；實驗項目建設(shè)；VISSIM仿真

交通類本科專業(yè)主要包括交通工程、交通運輸、物流工程等；研究生專業(yè)主要有交通運輸規(guī)劃與管理、交通信息工程及控制、物流系統(tǒng)優(yōu)化與模擬仿真等。由于實地實驗的高成本、高消耗、存在不安全因素等，交通類專業(yè)難以進行實地課程教學(xué)實驗。為保證教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，有必要基于虛擬仿真軟件開發(fā)與實地交通系統(tǒng)相一致的虛擬仿真實驗。

2015年以來，教育部部署開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作，使國內(nèi)高校實驗教學(xué)中心的建設(shè)取得了較快發(fā)展。文獻[1]闡述了建立多源異構(gòu)與海量的可用于綜合仿真的數(shù)據(jù)交換平臺和全過程、半實物、虛擬現(xiàn)實的鐵路仿真一體化實驗教學(xué)中心；文獻[2]給出了使用虛擬仿真軟件進行實訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用的案例；文獻[3-4]介紹了西南交通大學(xué)采用分布式技術(shù)實現(xiàn)共享與開放的遠程教學(xué)環(huán)境；文獻[5]介紹了中山大學(xué)交通工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的教學(xué)資源建設(shè)；文獻[6]用“互聯(lián)網(wǎng)+”的思想，結(jié)合隧道控制理論和虛擬仿真實驗技術(shù)，提出隧道虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)方案。

本文基于VISSIM仿真系統(tǒng)，以交通控制實驗為例，闡述實驗?zāi)K的建立過程與關(guān)鍵點。VISSIM仿真軟件是德國PTV公司的微觀交通仿真產(chǎn)品[7-8]，由于其功能全面、拓展性強，目前國內(nèi)開設(shè)交通類專業(yè)的高校大多使用該軟件進行仿真實驗教學(xué)。

1 實驗的基本要求

交通控制實驗的目的在于能使交通流安全、高效地通過交叉口。實驗的原理是使用交通控制方法，使相互沖突的交通流在物理空間或時間上相互分離。以信號控制交叉口為例，為保障交通安全，需使相互沖突的相位在物理上隔離。為保障交通效率，需針對交通控制的關(guān)鍵參數(shù)進行實驗，主要包括周期、綠信比、相位、相序和相位差等。

值得注意的是：在優(yōu)化信號配時、尋求更優(yōu)交通控制方案時，周期、綠信比和相位差等參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)和相互影響的。因此，如何設(shè)計最佳的控制方案具有較大的挑戰(zhàn)性。

2 實驗的輸入、輸出與控制變量

2.1 實驗的輸入?yún)?shù)

交通控制實驗的輸入條件主要包括：

（1）基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)。在VISSIM中可以通過導(dǎo)入圖片文件或者CAD文件的方式，在仿真中導(dǎo)入基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)；通過基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)可以確定交叉口的形狀、每個進口道和出口道的車道數(shù)和車道功能。使用VISSIM中的Link&Connector組件在仿真實驗中創(chuàng)建基本交叉口。

（2）交叉口各個方向的流量數(shù)據(jù)。交叉口各方向的流量數(shù)據(jù)如表1所示。交通流數(shù)據(jù)主要采用現(xiàn)場調(diào)查的方法收集研究時段內(nèi)的分方向、分車型的交通量。

將調(diào)查的流量輸入VISSIM仿真軟件。在VISSIM仿真軟件中不能直接設(shè)置車道的飽和流量，因為飽和流量是根據(jù)駕駛員特性計算得到的，如果需要設(shè)置飽和流量，則需對駕駛員的行為參數(shù)進行標(biāo)定。

2.2 實驗的輸出與控制變量

交通控制實驗的輸出主要是控制方案的效益數(shù)據(jù)。效益數(shù)據(jù)主要包括車均延誤、停車次數(shù)和最大車輛通過數(shù)等，可通過VISSIM的評價文件進行輸出?？刂品桨傅膬?yōu)劣是通過效益數(shù)據(jù)反映的：如果效益數(shù)據(jù)達到要求，則控制實驗的方案可行；如果效益數(shù)據(jù)不能滿足需求，則需進一步調(diào)整方案。

交通控制實驗的控制變量取決于控制方式。以定時控制為例，控制變量主要包括周期和綠信比等。以感應(yīng)控制為例，主要包括最大和最小綠燈時間、綠燈延長時間等。

3 基于正交試驗的實驗設(shè)計

3.1 正交試驗設(shè)計

實驗設(shè)計是實驗?zāi)K建設(shè)的重點內(nèi)容。在常規(guī)情形下，實驗的組合因素較多，可采用正交試驗的方法進行實驗設(shè)計[9]。正交試驗設(shè)計（orthogonal experimental design）可以從多水平的影響因素中，根據(jù)正交特性選取具有代表性的點進行試驗，采用“均勻分散，齊整可比”的方法，大幅降低實驗次數(shù)。例如三水平四因素的正交試驗設(shè)計，如果采用列舉法，共需進行81組實驗，但如果使用正交試驗的方法，只需進行9次實驗，如表2所示。

表2 正交試驗表示例

以交通控制實驗為例，如需研究不同周期長度、不同綠信比和相位差設(shè)置情況下的最佳方案，可通過正交試驗的方法進行實驗設(shè)計。

3.2 相位設(shè)計

在正交試驗的基礎(chǔ)上，可根據(jù)控制方式的不同，設(shè)計不同的交通控制實驗。以定時控制為例，通過VISSIM仿真軟件的Signal Controller選項卡，可建立交叉口的信號控制機。需要注意的是：每個交叉口應(yīng)建立一個獨立的信號控制機。在每一個信號控制機上，基于分離沖突的思想建立交通通行相位。典型的相位設(shè)計方法可采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示[10]。

圖1 雙環(huán)結(jié)構(gòu)信號控制相位示意圖

國內(nèi)典型的、實際使用較多的信號相位與圖1中的雙環(huán)結(jié)構(gòu)存在區(qū)別。例如左轉(zhuǎn)待行區(qū)，大多直行相

位在前，而左轉(zhuǎn)相位在后，且大多使用四相位控制。

3.3 定時控制參數(shù)設(shè)計

定時控制主要包括以下參數(shù)設(shè)計：

（1）信號周期設(shè)計。信號周期長度是定時控制的關(guān)鍵參數(shù)。周期時長的約束條件包括各相位的最小綠燈時間、飽和度、最大綠燈時間等。周期的選擇不宜過長或過短，過長會導(dǎo)致車輛延誤偏大，過短又會造成綠燈損失時間占比偏大，降低通行能力。

（2）相序設(shè)計。相序設(shè)計主要關(guān)注通行方式或通行效率的影響。例如在有左轉(zhuǎn)待行區(qū)或直行待行區(qū)的交叉口，需直行相位在前，左轉(zhuǎn)相位在后。在某些將出口車道轉(zhuǎn)變?yōu)樽筠D(zhuǎn)進口車道的交叉口，需左轉(zhuǎn)相位在前，直行相位在后。此外，相序的設(shè)計對于交叉口間的協(xié)調(diào)控制有較大的影響，可通過正交試驗的方法計算出最佳相序設(shè)計。

（3）綠信比設(shè)計。綠信比與各個方向的交通流通行效率直接相關(guān)。在同一周期條件下，綠信比越大，則該相位的飽和度越小。綠信比的設(shè)計通常使用等飽和度的分配方法，即通過關(guān)鍵相位的流量與通行能力比值，得到使關(guān)鍵相位飽和度相等的綠燈時間分配方案。

（4）相位差設(shè)計。相位差設(shè)計的原則是讓協(xié)調(diào)相位在相鄰交叉口間獲得“綠波通行”，因此，以各交叉口的信號周期時長相等為最佳，在大交叉口和小交叉口之間也可使用半周期。單方向的相位差設(shè)計相對直觀，而“雙向綠波”較為困難，特別是在高峰期間，排隊長度對“綠波通行”的負面影響較大。相位差的設(shè)計可借鑒MAXBAND的方法[11]。在VISSIM中的設(shè)計示例如圖2所示。

圖2 定時控制參數(shù)示意圖

3.4 感應(yīng)控制參數(shù)設(shè)計

與定時控制不同，感應(yīng)控制主要包括以下參數(shù)設(shè)計：

（1）最大和最小綠燈時長。最小綠燈時長的設(shè)計一般受行人通過人行橫道時間的約束，最大綠燈時長的設(shè)計一般可使用定時控制計算獲得的相位綠燈 時長。

（2）綠燈延長時間。綠燈延長時間指檢測到車輛后，該相位綠燈的延長時間。需注意：在延長時間內(nèi)，該車輛應(yīng)能順利通過交叉口。

感應(yīng)控制仍可以在多個交叉口間設(shè)置同一周期，實現(xiàn)“綠波控制”。感應(yīng)控制與定時控制最大的區(qū)別，在于感應(yīng)控制能根據(jù)實際交通量的大小自動調(diào)整相位的綠燈時間，但需在交叉口進口道前布設(shè)車輛檢測器。

4 虛擬仿真運行控制與效益評價

4.1 虛擬仿真運行控制

交通虛擬仿真運行控制主要包括仿真的精度控制和隨機性控制。仿真的精度是指仿真步長之間的時間跨度，在VISSIM軟件中使用仿真分辨率控制。VISSIM的仿真分辨率參數(shù)取值范圍為1~10，即VISSIM軟件最大仿真精度為0.1 s。仿真的隨機性控制也是理解交通虛擬仿真的重要參數(shù)。一方面，由于實際交通流到達的隨機性，虛擬仿真中需刻畫該隨機性的影響；另一方面，由于實驗科學(xué)的嚴謹性，需保證虛擬仿真實驗的可重復(fù)性。因此，在虛擬仿真中，一般采用偽隨機的方式進行仿真推進?？赏ㄟ^蒙特卡洛隨機模擬的方法產(chǎn)生偽隨機數(shù)[12]，在VISSIM中可通過修改隨機數(shù)種子的方式調(diào)整仿真運行。設(shè)置完成后，可運行仿真查看仿真運行效果，檢查仿真的邏輯。圖3是以VISSIM仿真中的例子展示仿真運行效果。

圖3 VISSIM仿真運行示意圖

4.2 虛擬仿真效益評價

在虛擬仿真持續(xù)運行一段時間后，開始采集效益數(shù)據(jù)，并通過修改隨機數(shù)，進行多次仿真。在仿真完成之后，將多次仿真的效益數(shù)據(jù)取平均值。在大多數(shù)情況下，交通控制實驗主要關(guān)注的效益參數(shù)包括延誤和最大通過車輛數(shù)，可選取其中之一作為評價參數(shù)，也可以使用多目標(biāo)評價的方法進行控制模型的效益 評價。

在獲得仿真效益參數(shù)之后，可對設(shè)計的控制方案進行效益比選和評價。如果控制方案的效益能滿足需求，則仿真實驗成功；若無法滿足需求，則需重新調(diào)整仿真參數(shù)的取值并重新設(shè)計仿真參數(shù)的組合，重復(fù)上述步驟，直至獲得滿意結(jié)果。

5 結(jié)語

基于VISSIM的交通類課程虛擬仿真實驗?zāi)K建設(shè)的主要內(nèi)容包括實驗的基本原理、實驗的輸入/輸出與控制變量、基于正交試驗的實驗設(shè)計方法、虛擬仿真運行控制與效益評價，引導(dǎo)學(xué)生理解虛擬仿真的內(nèi)涵和本質(zhì)，不僅學(xué)會VISSIM軟件的使用，更能掌握交通專業(yè)實驗設(shè)計的思維方式并提高創(chuàng)新能力。本文闡述的實驗?zāi)K建設(shè)方法具有較好的可擴展性。

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Construction of virtual simulation experimental module of transportation courses based on VISSIM

WU Wei, CAO Qianxia, LONG Kejun

(School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

As it is difficult for traffic courses to carry out field experiments and in order to enable students to better master the rules of traffic flow operation and evolution, a virtual simulation experiment module is established. By taking traffic control experiment as an example, this paper expounds upon how to build a virtual simulation experiment module based on VISSIM simulation software from four aspects such as the basic principle of the experiment, the input and output and control variables of the experiment, the experimental design method based on the orthogonal experiment, the operation control and the benefit evaluation of the virtual simulation. Through simulation experiments, students can better understand experimental principles and master professional connotation.

traffic control experiment; virtual simulation; construction of experimental projects; VISSIM simulation

U491

A

1002-4956(2019)12-0113-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.026

2019-06-13

湖南省教學(xué)改革研究項目（JG1605，2018-201）

吳偉（1987—），男，湖南長沙，博士，副教授，主要研究方向為交通管理與控制。E-mail: jiaotongweiwu@csust.edu.cn