VISSIM仿真系統(tǒng)在交通信號控制教學(xué)中的使用

沈雅婕

(浙江警察學(xué)院 治安系， 浙江 杭州 310053)

1 交通信號控制的仿真教學(xué)和VISSIM

交通信號控制是道路交通管理的重要措施，是保證交通安全和提高通行效率的重要手段[1-2]。近年來，多數(shù)設(shè)立交通工程學(xué)科的高校均已開設(shè)交通信號控制等相關(guān)課程。在教學(xué)過程中，為了提高學(xué)生對控制模型與控制效果的理解，需對多種信號控制模型的效益、信號配時(shí)參數(shù)的設(shè)置及參數(shù)敏感性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。為安全起見，實(shí)際交通系統(tǒng)的控制方案必須是成熟的，而且不能輕易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3-4]。因此，有必要系統(tǒng)地提出基于仿真實(shí)驗(yàn)的交通信號控制教學(xué)與分析方法[5]。

國內(nèi)學(xué)者已使用仿真實(shí)驗(yàn)的方法對交通信號控制問題展開了較多的研究。文獻(xiàn)[6]使用 Monte Carlo算法進(jìn)行交通流仿真，基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了交通信號控制器和計(jì)算機(jī)的交通控制；文獻(xiàn)[7]選擇了PARAMICS、VISSIM、AIMSUN2和CORSIM這幾種常用的微觀交通仿真軟件，考察它們對智能交通系統(tǒng)(ITS)模擬的支持情況；文獻(xiàn)[8]基于VISSIM仿真系統(tǒng)，提出一種對多路口交通控制仿真系統(tǒng)的研究方案；文獻(xiàn)[9]采用改進(jìn)的元胞傳輸仿真模型對信號控制路網(wǎng)上交通流的運(yùn)行與演化過程進(jìn)行仿真并獲取各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)值；文獻(xiàn)[10]使用VISSIM仿真系統(tǒng)，以典型十字形交叉口的信號配時(shí)仿真為例，探索將VISSIM仿真系統(tǒng)用于交通管理與控制的可能性。然而，這些研究只是針對某個(gè)具體問題提出相應(yīng)的解決方案，在教學(xué)上的普適性和可擴(kuò)展性不夠。

筆者在交通信號控制的教學(xué)中，選用一款成熟、穩(wěn)定、可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)，并能滿足各種不同類型研究需求的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。VISSIM仿真系統(tǒng)由德國PTV公司開發(fā)，是目前國內(nèi)用戶較多的商業(yè)微觀交通仿真系統(tǒng)。路網(wǎng)交通模型、交通控制模型是VISSIM的兩類基本的仿真模型，能實(shí)現(xiàn)VISSIM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)仿真功能。此外，VISSIM仿真系統(tǒng)還提供了各種應(yīng)用接口，使用戶能利用VISSIM的平臺拓展其應(yīng)用功能[11]。因此，VISSIM仿真系統(tǒng)能很好地滿足交通信號控制教學(xué)的需求。

本文基于VISSIM仿真系統(tǒng)，探討在交通信號控制教學(xué)中如何實(shí)現(xiàn)對實(shí)際交通環(huán)境、交通流與信號控制的仿真模擬及相關(guān)問題。主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研與輸入模塊、路網(wǎng)模型建立模塊、交通信號控制模塊、仿真與評價(jià)模塊以及基于VISSIM-COM接口的二次開發(fā)高級技巧。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研與輸入

使用VISSIM仿真系統(tǒng)模擬實(shí)際道路交叉口進(jìn)行交通信號控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，首先應(yīng)對實(shí)際道路交通環(huán)境進(jìn)行調(diào)研，采集相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，標(biāo)定仿真中道路交通流的基礎(chǔ)屬性。需采集和調(diào)研的數(shù)據(jù)主要包括：路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)，交通流屬性數(shù)據(jù)和交通控制屬性數(shù)據(jù)。

2.1 路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)與輸入

路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)的作用是為仿真路網(wǎng)的建立做準(zhǔn)備。需采集的路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)主要包括：路段車道數(shù)與車道寬度，交叉口進(jìn)口道分車道功能(直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn))的車道數(shù)與車道寬度，公交車站的位置與站臺容量等。在VISSIM仿真中，路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)主要通過Link & Connectors模塊輸入。

2.2 交通流屬性數(shù)據(jù)與輸入

交通流屬性數(shù)據(jù)是為了標(biāo)定仿真中的車輛運(yùn)行特性。需調(diào)研和采集的交通流屬性數(shù)據(jù)主要包括：

(1) 汽車交通流中各不同類型車輛的比例，如小汽車占98%，公交車占2%；

(2) 各不同類型車輛的期望行車速度，即如果沒有其他車輛干擾，車輛將會采用的行車速度，一般可用道路限速值；

(3) 交叉口分車道功能的交通流量，例如研究時(shí)段為1 h，則需調(diào)研1 h交叉口各方向進(jìn)口道分車道(左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn))的交通量，交通流量數(shù)據(jù)將會直接反映交叉口的擁擠程度，是需要在實(shí)地認(rèn)真采集的數(shù)據(jù)，在VISSIM仿真中可借助Vehicle Inputs和Routes模塊進(jìn)行輸入；

(4) 可對交通流特性數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，如車輛的最大與最小加速度等，也可以使用VISSIM仿真中的默認(rèn)值。

以上(1)、(2)項(xiàng)交通流屬性數(shù)據(jù)可直接在VISSIM仿真中的Traffic Composition模塊中輸入。

2.3 交通控制屬性數(shù)據(jù)與輸入

交通控制屬性數(shù)據(jù)可以被認(rèn)為是交通流運(yùn)行的環(huán)境屬性，對交通流具有強(qiáng)制性。需調(diào)查的交通控制屬性數(shù)據(jù)主要包括：

(1) 無信號控制交叉口的行駛規(guī)則，如減速讓行或停車讓行，在VISSIM仿真中通過Priority Rules和Stop Sign模塊輸入；

(2) 信號控制交叉口的行駛規(guī)則，主要包括信號控制類型，如定時(shí)控制交叉口、感應(yīng)控制交叉口等以及相應(yīng)的控制參數(shù)如周期、綠信比、相位差、相位相序等，在VISSIM仿真中通過Signal Control模塊實(shí)現(xiàn)輸入。

3 路網(wǎng)模型建立模塊

在獲得路網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)之后，如何在VISSIM系統(tǒng)中建立與真實(shí)路網(wǎng)一致的仿真路網(wǎng)是本節(jié)的重點(diǎn)。在建立路網(wǎng)的過程中還需有實(shí)際路網(wǎng)的底圖作為背景，如能使用實(shí)際路網(wǎng)的AutoCAD電子底圖則最佳。如無法獲取此資料，可在Google Earth中找到實(shí)際路網(wǎng)并截圖作為底圖，如果要實(shí)現(xiàn)基于坐標(biāo)的高級功能，如實(shí)時(shí)傳回特定車輛如公交車輛的坐標(biāo)，用來計(jì)算公交車輛離交叉口的距離，則可利用平移功能將底圖中的參照點(diǎn)(如交叉口的中心點(diǎn))移動(dòng)至坐標(biāo)原點(diǎn)。

在路網(wǎng)模型建立的過程中，有以下注意事項(xiàng)經(jīng)常被忽視：(1)交叉口之間的路段直接使用Link命令，交叉口內(nèi)部用Connector連接；(2)在交叉口進(jìn)口道，左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)車道需在仿真中物理分開，而不應(yīng)相互連接，避免出現(xiàn)在交叉口進(jìn)口道無法換道的情況；(3)如有公交專用道，可在Link屬性數(shù)據(jù)中設(shè)置車道關(guān)閉，只允許公交車輛進(jìn)入該車道；(4)匯流時(shí)應(yīng)設(shè)置讓行，如右轉(zhuǎn)交通流應(yīng)讓行直行交通流。

4 交通信號控制模塊

交通信號控制模塊是VISSIM仿真系統(tǒng)的核心模塊，在仿真中由Signal Control模塊實(shí)現(xiàn)。在仿真中進(jìn)行交通信號控制參數(shù)的輸入前，需首先對每一個(gè)交叉口新建一個(gè)信號控制機(jī)，并選擇信號控制類型。本文主要闡述常用的定時(shí)控制類型與感應(yīng)控制類型。

4.1 定時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)

目前我國大多數(shù)信號控制交叉口均采用定時(shí)控制，定時(shí)控制具有投入和維護(hù)成本低、易于實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制等優(yōu)點(diǎn)。定時(shí)控制的關(guān)鍵參數(shù)包括：周期、相位數(shù)以及相序、各相位的綠燈時(shí)間以及綠間隔(黃燈和全紅)時(shí)間、相位差。以1個(gè)周期為80 s、4相位，每個(gè)相位的綠燈時(shí)長為15 s、黃燈時(shí)間為3 s、全紅時(shí)間為2 s的交叉口信號配時(shí)方案為例，在VISSIM仿真系統(tǒng)中設(shè)置好配時(shí)參數(shù)之后如圖1所示。

圖1 VISSIM系統(tǒng)中定時(shí)控制參數(shù)配置示例圖

在VISSIM中設(shè)置定時(shí)控制配時(shí)方案需注意如下幾方面。

(1) 信號周期時(shí)長和黃燈時(shí)長可在VISSIM中直接輸入。

(2) 綠燈時(shí)長需通過Red End和Green End計(jì)算，Red End代表紅燈結(jié)束，即表示綠燈開始時(shí)刻，Green End代表綠燈結(jié)束時(shí)刻，因此用Green End減去Red End即代表該相位的綠燈時(shí)間，在圖1中可看到，4個(gè)相位的綠燈時(shí)間均為15 s。

(3) 全紅時(shí)間需通過上下兩個(gè)相鄰相位的綠燈間隔時(shí)間設(shè)置，如在圖1中，相位1(東西直行)的綠燈在16 s時(shí)結(jié)束，但相位2(東西左轉(zhuǎn))的綠燈開始時(shí)刻(Red End)為21 s，因此這2個(gè)相位之間的綠燈間隔時(shí)間為5 s，由于黃燈時(shí)長為3 s，因此全紅時(shí)間為2 s，其他相位全紅時(shí)間的計(jì)算方法與之相同。

(4) 由于輸入的數(shù)值必須大于零，因此第一個(gè)相位一般可從第1秒開始。

(5) 理解VISSIM系統(tǒng)中的相位差設(shè)置原理。在VISSIM系統(tǒng)中使用絕對相位差的概念，即VISSIM系統(tǒng)中的相位差都相對零時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。例如圖1中設(shè)置相位差為20 s，則表示在仿真開始20 s后到達(dá)零時(shí)刻，從圖1中可以看出，相位1的綠燈開始時(shí)刻(Red End)為1秒，則表示在仿真開始21 s后相位1開始亮綠燈。

4.2 感應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)

通過NEMA信號控制模塊在VISSIM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制功能。在信號控制模塊中，選擇NEMA信號控制模塊，并進(jìn)行參數(shù)編輯。常用感應(yīng)控制的關(guān)鍵參數(shù)包括：相位數(shù)和相序、各相位最小和最大綠燈時(shí)間、各相位黃燈時(shí)長和全紅時(shí)長、相位轉(zhuǎn)換時(shí)間。以一個(gè)兩相位交叉口為例，在VISSIM中設(shè)置感應(yīng)控制的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 VISSIM中設(shè)置感應(yīng)控制的關(guān)鍵參數(shù)示例表

在設(shè)置的過程中，需注意使相位(Signal Group)與檢測器(Detector)相對應(yīng)，如表1中，編號為1的檢測器對應(yīng)相位1，編號為2的檢測器對應(yīng)相位2，則當(dāng)編號1或2的檢測器上有車輛通過時(shí)系統(tǒng)將請求相位1或2的綠燈。

5 仿真與評價(jià)模塊

仿真與評價(jià)模塊是最能體現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)價(jià)值的部分。一方面，在仿真實(shí)驗(yàn)中，能無限制地精確重復(fù)實(shí)驗(yàn)場景，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，控制仿真的速度與精度，這是在實(shí)際道路交通控制實(shí)驗(yàn)中無法實(shí)現(xiàn)的。另一方面，在仿真實(shí)驗(yàn)中能實(shí)時(shí)地精確獲取評價(jià)數(shù)據(jù)(如延誤、停車次數(shù)等)，能直接對控制模型的優(yōu)劣進(jìn)行衡量，也是在實(shí)際道路交通信號控制實(shí)驗(yàn)中無法做到的。

5.1 仿真模塊

VISSIM仿真系統(tǒng)中的仿真控制由Simulation模塊實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)仿真和單步仿真的功能。在參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)中需設(shè)置以下仿真關(guān)鍵參數(shù)。

(1) 仿真時(shí)長(Period)，如設(shè)置仿真時(shí)長為3 600 s。

(2) 仿真分辨率(Simulation resolution)，即仿真中每秒包含多少仿真步，決定仿真的精度。數(shù)值越大代表精度越高，在仿真中車輛運(yùn)行軌跡更連續(xù)。在VISSIM系統(tǒng)中，仿真分辨率的最大數(shù)值能設(shè)置為10，即在仿真中每秒最大可包含10個(gè)步長，即表明VISSIM仿真系統(tǒng)最大支持的仿真精度為0.1 s。

(3) 隨機(jī)數(shù)種子(Random seed)是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的重要參數(shù)，改變此數(shù)值后，在VISSIM中的交通流將隨之改變。因此，在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制模型的效益時(shí)，需改變隨機(jī)數(shù)種子的取值，進(jìn)行多次仿真并取平均值，以確保仿真結(jié)果的合理性。

(4) 仿真速度(Simulation speed)與仿真運(yùn)行的精度無關(guān)。根據(jù)不同的仿真需求可設(shè)置不同的仿真速度值。如果需模擬實(shí)際道路交叉口的運(yùn)行情況、觀察仿真的每一步運(yùn)行狀況，則將仿真速度設(shè)置為1仿真秒/s。如果只關(guān)心仿真運(yùn)行完畢后的效益指標(biāo)，則可將仿真速度設(shè)置為最大速度。

5.2 評價(jià)模塊

VISSIM仿真系統(tǒng)能對仿真狀態(tài)和仿真效益進(jìn)行記錄和評估，該功能由Evaluation模塊實(shí)現(xiàn)。常用的能直接反映交通效益的參數(shù)指標(biāo)包括延誤與停車次數(shù)，在延誤評價(jià)模塊中實(shí)現(xiàn)。需設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù)主要為評價(jià)開始的時(shí)刻點(diǎn)、結(jié)束的時(shí)刻點(diǎn)和評價(jià)的步長。一般選用輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(Compiled data)，輸出的結(jié)果包括延誤、停車次數(shù)、評價(jià)區(qū)段經(jīng)過的車輛數(shù)等。

在延誤評價(jià)模塊的設(shè)置中需注意的要點(diǎn)是：(1)為實(shí)現(xiàn)延誤評價(jià)的有效性，需激活行程時(shí)間評價(jià)模塊，因?yàn)樵赩ISSIM仿真系統(tǒng)中，延誤需通過行程時(shí)間間接計(jì)算得出；(2)由于仿真開始后，交通流移動(dòng)至整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)并趨于穩(wěn)定狀態(tài)需一定的時(shí)間，因此，在進(jìn)行評價(jià)時(shí)，采集數(shù)據(jù)的起點(diǎn)應(yīng)根據(jù)仿真規(guī)模，設(shè)置為仿真開始后15～30 min；(3)仿真后得到的延誤與停車次數(shù)數(shù)據(jù)均為評價(jià)區(qū)段內(nèi)每輛車的平均數(shù)據(jù)。

6 VISSIM-COM接口

VISSIM系統(tǒng)能作為分析交通信號控制問題的有力工具，可以對控制模型的優(yōu)劣進(jìn)行比較，觀察控制過程中可能出現(xiàn)的問題等。但在學(xué)習(xí)與研究的過程中，用戶的某些個(gè)性化需求無法直接使用標(biāo)準(zhǔn)VISSIM仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，例如實(shí)時(shí)為公交車輛提供綠燈信號延長、進(jìn)行大規(guī)模海量參數(shù)組合的仿真等。針對這些個(gè)性化需求，VISSIM提供了COM接口，將路網(wǎng)、車輛、信號燈等封裝為對象，用戶可以使用主流的編程語言如VB、C++，Java等調(diào)用VISSIM仿真系統(tǒng)，使用編程語言實(shí)現(xiàn)各種個(gè)性化需求。VISSIM-COM仿真中的對象(Object)分布如圖2所示[12]。

圖2 VISSIM-COM中的編程對象分布圖

在使用VISSIM-COM接口時(shí)，可遵循以下策略：

(1) 如圖2所示，VISSIM-COM接口中的對象是樹狀結(jié)構(gòu)，若要使用下層對象，需先初始化聲明上層對象。例如要使用車輛(Vehicle)對象，首先要聲明Vissim、Net和Vehicles對象；

(2) 在編寫個(gè)性化程序時(shí)，可遵循以下格式：

Step 1：初始化VISSIM-COM對象；

Step 2：明確評價(jià)參數(shù)輸出路徑和仿真底圖路徑，并打開仿真底圖；

Step 3：用循環(huán)語句初始化仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如仿真隨機(jī)數(shù)種子從1到10循環(huán)；

Step 4：仿真開始，單步運(yùn)行程序主體語句；

Step 5：記錄效益評價(jià)參數(shù)，如延誤和停車次數(shù)；

Step 6：循環(huán)所有參數(shù)組合，仿真結(jié)束。

7 結(jié)束語

在交通信號控制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在實(shí)際道路交通環(huán)境中無法對信號控制模型以及參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也無法直觀地看到模型和參數(shù)的改變對交通流運(yùn)行效益的影響。因此，基于仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法必然成為較好的選擇。本文所闡述的內(nèi)容能很好地指導(dǎo)交通信號控制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，增強(qiáng)學(xué)生對交通信號控制的深層次認(rèn)識，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。通過VISSIM仿真系統(tǒng)，使理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生能直觀地觀察到信號配時(shí)存在的問題，能對交通信號控制的作用和效果有更深刻的認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)習(xí)交通控制理論課程的興趣。學(xué)生還可以根據(jù)仿真中觀察到的問題，重新設(shè)計(jì)道路交叉口渠化方案和信號配時(shí)，提出更好的解決方案，并使用仿真系統(tǒng)驗(yàn)證自己所提出的方案。學(xué)生經(jīng)歷從認(rèn)知到理解、從理解到實(shí)踐、從實(shí)踐到創(chuàng)新的學(xué)習(xí)之路，能夠?qū)嵸|(zhì)性地提高解決實(shí)際交通問題的綜合能力。

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