基于仿真實驗的匝道場景優(yōu)化控制研究

嚴欣　康誠　潘新福

摘 要：針對道路交通設(shè)計與交通組織方案的前沿數(shù)字化研究，搭建高精度交通仿真平臺，在建模引擎中重構(gòu)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同維度的交通場景孿生實現(xiàn)。借助車流波動理論，分析了車流運行時空特性，描述了入口匝道上的車流排隊過程，以交叉口車流總延誤最小為目標，建立了城市快速路入口匝道交通控制優(yōu)化模型，并以城市典型立交為例進行模型驗證。研究基于交通沖突分析方法，獲取車輛沖突分類和分布等數(shù)據(jù)信息，進而對各方案交通流運行情況進行評價分析。

關(guān)鍵詞：交通仿真 交通控制 匝道場景

1 概述

隨著我國城市居民汽車保有量的快速上升，城市快速路所承擔的交通流量急劇增加，外部車輛從匝道匯入時，匯入車輛與快速路車輛在合流區(qū)互相搶占道路資源，導致合流區(qū)交通擁擠、匝道排隊溢出及交通事故頻發(fā)，嚴重影響了城市快速路以及匝道上游連接道路的通行秩序和通行效率，解決入口匝道交通問題刻不容緩。因此，研究符合我國城市混合交通特性的微觀交通仿真模型，結(jié)合數(shù)字化交通場景開發(fā)相應(yīng)的混合交通微觀仿真系統(tǒng)并成為交通方案的強有力的研究和分析工具，進而豐富混合交通流理論，為交通管理等提供強有力的技術(shù)支持，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義[1]。

本文選取某城市典型快速路入口匝道場景，對匝道優(yōu)化控制模型系統(tǒng)的框架進行了設(shè)計，并通過交通仿真來模擬快速路并分析所提出的控制策略在應(yīng)用時可取得的效果，為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)。

2 實例驗證及仿真分析

基于收集典型場景地圖數(shù)據(jù)，整理匯總不同采集渠道的各類數(shù)據(jù)，建立面向仿真平臺的高精地圖數(shù)據(jù)庫。使用仿真軟件構(gòu)建道路網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)仿真典型場景交通運行狀況，復現(xiàn)交通流的時空變化效果，根據(jù)仿真結(jié)果分析車輛及道路交通運行特征，提出基于開源仿真系統(tǒng)的高精度交通運行仿真平臺[2]。平臺預(yù)留交通需求輸入、駕駛特征標定、運行數(shù)據(jù)輸出等參數(shù)接口，調(diào)試場景中特征點與特征路段的設(shè)計方案，仿真分析車流運行的特性，開發(fā)交通設(shè)計與組織等功能實現(xiàn)方法，形成面向交通設(shè)計、交通組織的場景變化仿真再現(xiàn)技術(shù)[3]。根據(jù)道路屬性和環(huán)境特性，構(gòu)建交通流運行仿真平臺，實現(xiàn)道路條件（道路寬度、車道數(shù)量、交叉口組織等）、車輛組成、信號控制等在交通仿真模型中的模擬，通過加載道路交通流量需求數(shù)據(jù)實現(xiàn)對相應(yīng)場景下交通流運行仿真[4]。

目前道路安全評價方法主要分為直接評價法和間接評價法。其中，基于交通事故統(tǒng)計的直接評價方法，因方法簡單而應(yīng)用廣泛，但交通事故數(shù)據(jù)少，周期長。交通沖突技術(shù)（TCT）作為一種交通安全的間接評價方法，在城市道路平面交叉口安全評價事故統(tǒng)計中越來越受到人們的重視。在定性模型分析的基礎(chǔ)上，提出了交通沖突技術(shù)與仿真相結(jié)合的方法，并結(jié)合交通安全研究的特點，對交通安全評價進行了分析?；诂F(xiàn)有的交通仿真軟件提取交通參與者在時間和空間上的運動軌跡，利用SSAM提取安全評價指標的沖突數(shù)，這是一種極為有效的安全評價方式[5]。以某城市典型立交作為研究對象，根據(jù)不同的交叉口隔離方案的安全性能評價，使用微觀仿真模型和SSAM比較不同方案的交通安全特性，從而選擇最優(yōu)解。將項目構(gòu)建的仿真系統(tǒng)下不同交通組織方案運行數(shù)據(jù)進行對比分析，根據(jù)方案各項指標結(jié)果進行評價，進而實現(xiàn)某城市典型立交案例中交通設(shè)計方案和交通組織方案進行仿真環(huán)境中的多維效能計算與綜合評價[6]。

以左轉(zhuǎn)車輛（A）與直行車輛（B）之間的交叉沖突為例，SSAM各項沖突指標的計算方法如圖1所示。現(xiàn)基于交通沖突分析技術(shù)，以微觀交通仿真輸出的車輛軌跡數(shù)據(jù)為分析對象，獲得車輛沖突數(shù)據(jù)以及沖突分類和分布等信息[7]。通過仿真交通沖突得到的仿真沖突數(shù)據(jù)替代歷史事故數(shù)據(jù)和實際沖突數(shù)據(jù)，并采用一定的算法對獲得的所有仿真沖突指標進行計算和分析，識別出其中有效的仿真沖突指標[8]。

2.1 匝道主線雙車道的方案一分析

方案一為現(xiàn)狀的交通流運行情況，匝道處為雙車道，即兩個匯入口，主車道為雙車道且允許車輛變道。在匝道和主車道的車輛通行次序方面上，方案一假設(shè)主車道的車輛擁有道路的優(yōu)先通行權(quán)。圖2為方案一某城市典型立交路段示意圖。

基于上圖可以看出，與其他路段車輛的延誤時間相比，匝道處的車輛平均延誤時間較高。對方案一的某城市典型立交進行更加詳細的分析，基于SUMO仿真以及SSAM分析的結(jié)果，分別得到方案一的流量、速度和密度的時變圖。方案一的三個時變圖如圖3所示。

對上述三個時變圖進行分析，可以發(fā)現(xiàn)流量在0-200秒內(nèi)穩(wěn)定增加，200秒之后流量開始逐漸下降；速度在0-200秒整體呈下降趨勢，在225秒時陡降至18.83千米/小時，在225秒之后呈上升趨勢；密度在0-200秒內(nèi)顯著增加，在195秒時陡增至353輛/千米，在200秒之后整體呈下降趨勢。在獲取到方案一的流量、速度以及密度時變圖之后，通過SSAM軟件繪制并得出在方案一情況下的某城市典型立交路段沖突分布圖，如圖4所示。

對該路段沖突分布圖進行分析，可以看出在原現(xiàn)狀的交通流運行情況下，即匝道處為雙車道，兩個匯入口，主車道處為雙車道，與其他路段的車輛沖突相比，匝道處路段的車輛沖突分布較為密集。在微觀交通流仿真軟件和虛擬場景軟件的聯(lián)合仿真運行下，關(guān)于方案一的實際三維場景展示符合預(yù)期效果。

2.2 匝道單匯入口的方案二分析

方案二的匝道處為單車道，即單個匯入口，主車道為雙車道且允許車輛變道。在匝道和主車道的車輛通行次序方面上，假設(shè)主車道的車輛擁有道路的優(yōu)先通行權(quán)。圖5為方案二某城市典型立交路段示意圖。

對方案二的某城市典型立交進行更加詳細的分析，基于微觀仿真以及SSAM分析的結(jié)果，分別得到方案二的流量、速度和密度的時變圖。方案二的三個時變圖如圖6所示。

對上述三個時變圖進行分析，可以發(fā)現(xiàn)流量在0-200秒內(nèi)穩(wěn)定增加，200秒之后流量開始逐漸下降；速度在0-50秒之間上升很快，在33秒時速度達到58.5千米/小時，隨后再33秒之后整體呈下降趨勢，在225秒時陡降至14.33千米/小時；密度在0-200秒內(nèi)整體呈上升趨勢，在225秒時為356輛/千米，之后密度就呈下降趨勢。在獲取到方案二的流量、速度以及密度時變圖之后，通過SSAM軟件繪制并得出在方案二情況下的某城市典型立交路段沖突分布圖，如圖7所示。

對該路段沖突分布圖進行分析，可以看出在方案二的交通流運行情況下，與其他路段的車輛沖突相比，匝道處路段的車輛沖突分布較為密集。在微觀交通流仿真軟件和虛擬場景軟件的聯(lián)合仿真運行下，關(guān)于方案二的實際三維場景展示符合預(yù)期效果。

2.3 主線單車道的方案三分析

方案三的匝道處為雙車道，即雙匯入口，主車道為單車道。在匝道和主車道的車輛通行次序方面上，假設(shè)主車道的車輛擁有道路的優(yōu)先通行權(quán)。圖8為方案三某城市典型立交路段示意圖。

對方案三的某城市典型立交進行更加詳細的分析，基于微觀仿真以及SSAM分析的結(jié)果，分別得到方案三的流量、速度和密度的時變圖。方案三的三個時變圖如圖9所示。

對上述三個時變圖進行分析，可以發(fā)現(xiàn)流量在0-200秒內(nèi)穩(wěn)定增加，200秒之后流量開始逐漸下降；速度在0-200秒整體呈下降趨勢，在226秒時陡降至16.74千米/小時，在226秒之后整體呈上升趨勢；密度在0-200秒內(nèi)顯著增加，在225秒時密度為256輛/千米，在225秒之后呈下降趨勢。在獲取到方案三的流量、速度以及密度時變圖之后，通過SSAM軟件繪制并得出在方案三情況下的某城市典型立交路段沖突分布圖，如圖10所示。

對該路段沖突分布圖進行分析，可以看出在方案三的交通流運行情況下，與其他路段的車輛沖突相比，匝道處路段的車輛沖突分布依舊較為密集。在微觀交通流仿真軟件和虛擬場景軟件的聯(lián)合仿真運行下，關(guān)于方案三的實際三維場景展示符合預(yù)期效果。

3 仿真結(jié)果分析

在對某城市典型立交三個不同的方案進行仿真后，對某城市典型立交的沖突仿真進行分析，基于交叉口沖突、換道沖突以及追尾沖突，選取300秒的仿真時間，主要選用TTC，PET，MaxS，DeltaS，DR進行交通安全風險的評價，得到三個方案總的評價表。表1為三個方案在SSAM各個評價指標下的運行結(jié)果。

根據(jù)以上分析結(jié)果，方案一為先原狀的交通流運行情況；方案二為限制匝道的交通流運行情況，即將匝道的兩個匯入口限制為一個匯入口；方案三為限制車道的交通流運行情況，即將兩車道限制為單車道。相對于方案一，方案二的交通沖突減少52.5%，交通沖突時間TTC增加了5.9%，車輛平均延誤增加20.5%。同樣，相對于方案一，方案三的交通沖突減少68.1%，交通沖突時間TTC增加了17.6%，車輛平均延誤增加19.8%。由此可見，在三個方案之中，方案三較優(yōu)。

4 結(jié)束語

本文基于車流波動理論對入口匝道車流運行時空特性進行了分析，以交叉口車流平均延誤最小為目標，建立了城市快速路入口匝道交叉口交通控制優(yōu)化模型，分析了不同匝道控制方案條件下的交通沖突指標?；诖丝蓪煌ǚ抡孳浖_發(fā)，利用開源地圖等道路數(shù)據(jù)配置，形成高還原度的道路模型，利用坐標轉(zhuǎn)換的方式，在建模引擎中重構(gòu)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同維度的交通場景孿生實現(xiàn)。目前可實現(xiàn)區(qū)域道路交通設(shè)計三維重構(gòu)，區(qū)域內(nèi)部交通組織、交通評價、交通管理等工作內(nèi)容，將交通組織優(yōu)化設(shè)計、交通仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與虛擬現(xiàn)實駕駛評價結(jié)果結(jié)合，提供多維的決策支持。

參考文獻：

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