基于AIMSUN的干線公路監測設備布設間距研究

朱雷雷　殷浩　刁含樓

摘 要 針對合理布設高速公路監測設備，能夠滿足運行狀態判別和應急管理等應用需求，在總結和分析交通流監測設備布設現狀的基礎上，提出“基于交通仿真技術在不同布設間距條件下的交通異常狀態檢測，以平均檢測時間作為評價指標”的研究思路，并對事件檢測參數選擇、仿真條件設置和事件檢測算法分析3個關鍵問題進行了論述。最后通過對高速公路上10種交通流監測設備布設間距進行仿真模擬，得到不同布設間距對應的事件檢測時間，為交通管理部門進行交通流監測設備布設提供決策依據。

關鍵詞 事件檢測 AIMSUN 布設間距 平均檢測時間

中圖分類號：U491.116 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.072

Study on Spacing of Monitoring Equipment for Arterial

Highway Based on AIMSUN

ZHU Leilei[1]， YIN Hao[1]， DIAO Hanlou[2]

（[1] Highway Bureau of Jiangsu Provincial Department of Communications and Transportation， Nanjing， Jiangsu 210004；

[2] China Design Co.， Ltd， Nanjing， Jiangsu 210014）

Abstract According to the reasonable layout of highway monitoring equipment， can meet the operation state identification and emergency management applications， based on the summary and analysis of the status quo of traffic flow monitoring equipment layout， put forward "the abnormal traffic state of traffic simulation technology in different spacing conditions in detection based on the average detection time of the evaluation index. And for selection， event detection parameter setting and simulation condition event detection algorithm analysis of 3 key issues discussed. By the end of the highway 10 traffic flow monitoring equipment layout simulation， different layout corresponding event detection time， provide the basis for decision-making of traffic flow monitoring equipment layout for traffic management department.

Keywords event detection； AIMSUN；layout spacing； mean time to detect

當前，我國高速公路建設發展迅速，路網規模不斷擴大。截止到2016年底，我國高速公路總里程已超過13萬公里，位居世界第一。與此同時，伴隨而來的是交通量激增，交通事故發生率不斷上升，對人民生命財產造成威脅的同時，也大大降低了高速公路的通行效率。

目前，國內外對于交通檢測器在高速公路布設的間距主要依據經驗而定，為提升高速公路網的服務水平，提高路網運行效率，迫切需要利用現代信息技術及時準確地檢測交通事件的發生。合理布設交通流監測設備，不僅能夠為路網交通管控、監測預警以及公眾出行服務提供技術支持，同時，還能最大限度地節約資金。所以，合理布設交通流監測設備意義重大。

1 現狀分析

2012年，國家交通運輸部發布的《公路網運行監測與服務暫行技術要求》，[1]提出易擁堵、易發生重特大突發事件以及氣象條件惡劣的高速公路路段監測設施布設間距設置須小于2km。當前，國內外對于交通流監測設備的布設，主要依據工程經驗而定，缺乏系統的理論支撐。日本的Hanshin高速公路超聲波檢測器間距為500m，加拿大401國道平均間隔為1km，美國芝加哥高速公路監測設備平均間隔為200m。滬寧高速公路江蘇段布設間隔約為2.5km，京臺高速山東段間隔1km。在理論研究方面，針對檢測器布設國外開展了在基于系統成本與行程時間的雙層規劃模型研究；[2]國內研究則主要包括基于行程時間檢測、基于OD矩陣估計以及基于事件檢測和交通誘導系統等[3-7]研究思路。

2 交通事件檢測參數選擇

在選取檢測參數時，必須充分考慮檢測參數對事件發生判別的正確性和敏感性，為了能夠提高高速公路交通事件判別的準確性，需要對檢測參數進行選擇。在車流運行過程中，速度，流量和密度是表征交通流特性的3個基本要素，[8]在評價交通運行狀態時，通常以較易測定的占有率取代密度，即選取流量、速度和占有率作為檢測交通事件的參數。

本研究以間隔500m和1000m布設檢測器的路網作為實驗平臺，模擬有無事件發生對交通參數的影響。以速度參數為例，仿真輸出結果如圖1所示，當交通事件發生時，上游速度下降明顯，敏感性高。endprint

3 仿真條件設置

交通仿真技術能夠再現車流的運動過程，并通過輸出評價指標對可能的策略進行客觀評價，具有成本低、可重用、可控制等優點，具有很好的應用效果，本研究仿真條件設置主要包括搭建路網模型、設置車輛屬性、模型參數標定以及設置交通事件。

3.1 搭建仿真路網

本研究基于西班牙TSS公司研發的Aimsun仿真器進行仿真，搭建仿真路網包含道路的幾何線性構建、交通狀態輸入、交通需求輸入以及信號控制策略等設置。本研究所基于的仿真模型是交通運行狀態不受其它路段（分流、合流）影響的基本路段，仿真路段示意圖如圖2所示。

3.2 設置車輛屬性

車輛屬性主要包括車型構成和車輛機動性能。由于大型拖掛貨車所占比例較小，可視為對仿真結果普適性無影響。故本研究僅考慮小車和卡車，比例設置分別為80%和20%。

3.3 模型參數標定

通過對變道模型、車輛跟馳模型等模型參數標定來校正車輛的駕駛行為，使之能夠匹配實際車輛在高速公路上的運行特征，達到更加準確的模擬高速公路實際車流運行狀態。

3.4 設置交通事件

初擬的檢測器布設間距500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m共10種情形。交通事件的參數設置主要包括事件的發生位置、開始時刻、持續時間、事件的嚴重程度以及路段的交通量。根據相關研究，道路的通行能力能夠反映交通事件發生的嚴重程度，阻斷1條路剩余通行能力為80%、阻斷2條路剩余通行能力為50%、阻斷3條路剩余通行能力為20%（表1）。

4 交通事件檢測算法

4.1 California算法

California算法（簡稱加州算法）目前已經得到廣泛的應用和認可，是事件檢測算法中的經典算法之一。當交通事件發生時，上游斷面檢測器檢測到占有率增加，下游斷面檢測器檢測到占有率減少，當同時滿足相鄰兩檢測器占有率差值、相鄰兩檢測器占有率相對差值和下游檢測器2min前和當前占有率相對差都在閾值之外時，則判斷交通事件發生，如表2所示，為基于California算法的高速公路交通擁堵平均檢測時間輸出值。

4.2 SND算法

SND（標準正常偏差）算法是一種最基本的事件檢測算法，以交通量或者占有率作為檢測值，通過檢測擁擠時刻t前的n個值的算術評價值來預測時刻t的值，用標準正常偏差來度量交通變量改變程度，當它超過閾值時，就判斷事件發生。如表3所示，為基于SND算法的高速公路交通擁堵平均檢測時間輸出值。

4.3 Mcmaster算法

Mcmaster算法基于突變理論模型，該算法規定檢測器在兩個連續采樣周期內，流量、車速和占有率中任意兩個超過閾值則判斷為擁擠。

或者在連續三個采樣周期內，占有率、車流速度或者車流量三者任一指標在閾值之外，則判斷為擁擠。如表4所示，為基于Mcmaster算法的高速公路交通擁堵平均檢測時間輸出值。

5 仿真結果

由California算法、Mcmaster算法和SND算法三種算法的仿真輸出結果可知，在道路條件相同的情況下，交通事件發生的程度越嚴重，檢測交通事件的時間就越短，事件發生的位置距離檢測器越近，交通擁堵的平均檢測時間越短。三種算法在檢測器布設不同間距下平均檢測時間輸出如圖3所示。

由圖3可知，基于本研究所假設的條件下，以平均檢測時間作為單一評價指標，優越性排序分別是California算法、SND算法和Mcmaster算法。但是在目前已有的交通事件檢測算法中，并沒有一種算法的有效性完全優于其它算法，不同的算法只是在不同的條件下其性能優越。考慮到交通流系統是由人、車、路三要素構成的動態、開放的復雜巨系統。為提高事件檢測時間的準確性，在實際的應用過程中需要將不同的算法賦予不同的權值以提高運行效率，實現算法的優化組合，考慮到實際交通流狀態的不確定性，本文擬賦予以上三種算法相同的權值，即各權值取1/3，結合以上三種算法的仿真結果，形成了高速公路布設間距與平均檢測時間對照表，如表5所示，為交通管理部門進行交通流監測設備布設提供決策依據。

6 結論

高速公路網交通流監測設備布設是路網運行狀態監測體系建設的重要內容，尤其是布設間距，直接決定著建設規模和建設成本。鑒于當前國內外對于交通流監測設備的布設缺乏系統的理論支撐的實情，本研究提出了基于AIMSUN交通仿真的交通流監測設備布設研究思路，通過對交通參數的選擇以及高速公路事件檢測算法的分析，基于仿真輸出結果，形成了高速公路布設間距與平均檢測時間對照表，并對各算法的優劣作了比較，以期為相關研究和工程建設提供參考。

參考文獻

[1] 交通運輸部.公路網運行監測與服務暫行技術要求（2012年第3號公告）[S].

[2] 楊琪，劉小明.高速公路事件自動探測研究進展[J].公路交通科技，1997.14（2）：58-62.

[3] 劉娜，張敖木翰.基于交通仿真技術的交通流監測設備布設間距研究[J].公路，2015.10：151-156.

[4] 程學慶，唐瑞雪.基于VISSIM的高速公路交通事件仿真及數據處理[J].交通運輸工程與信息學報，2010.8（4）：14-20.

[5] K S Chan，William H K Lam.Optimal speed detector density for the network with travel time information[J].Transportation Research Part A，2002.36：203-223.

[6] 王靜.高速公路交通檢測器布設方案研究[D].西安：長安大學，2007.

[7] 伍建國，王峰.城市道路交通數據采集系統檢測器優化布點研究[J].公路交通科技，2004.21（2）：88-92.

[8] 王煒，過秀成.交通工程學[M].南京：東南大學出版社，2000：22-33，129-135.endprint