基于Visual C#的交叉口可變車道連續仿真研究

徐 海 曾鋮泓 郭建鋼 徐錦強 連培昆

（福建農林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002）

2018年度，由高德地圖聯合中國社會科學院社會學研究所、阿里云、華南理工大學林永杰團隊等權威機構和團隊，發布了《2018年度中國主要城市交通分析報告》。[1]報告指出，在許多大城市中，由于居住區和工作區分布不均衡，城市干道常常出現潮汐式的交通現象，造成城市道路資源不均衡利用的問題。國內外實踐經驗表明：實施可變車道，調整道路時空資源是解決潮汐交通現象、緩解城市交通擁堵的最有效措施之一。將輕交通流方向的道路資源調節給重交通流方向，能在一定程度上減緩重交通流方向的交通壓力，提高整個道路網絡系統的運行效率。[2]

VISSIM交通仿真軟件是研究可變車道的常用工具，但是軟件存在以下幾點不足：（1）仿真復雜交通行為需要進行二次編程；（2）許多輸出指標無法直接可視化；（3）對于可變車道類型的仿真不夠精確。因此，近年來國內外對于可變車道控制技術都進行了大量的研究，基于一維元胞自動控制機模型，應用MATLAB對設置可變車道交叉口進行運行效果分析；[3]以MATLAB的GUI平臺為基礎，利用VISSIM仿真數據開發可變車道設置系統，使可變車道延誤時間可視化；[4]利用可變車道飽和度分析道路交通運行狀況，劃分不同交通狀態并建立各個狀態下車道行駛方向優化模型。[5]但是，目前研究成果多集中于車道功能切換、信號方案優化等方面，[6]欠缺對可變車道連續仿真的研究。

為了解決在VISSIM交通仿真軟件中無法進行可變車道連續仿真的問題，本文基于Visual C#，通過for循環的編程方法，在一個單步仿真過程中設置仿真“斷點”，實現多方案連續仿真。

1 可變車道介紹

道路交通運行過程中，交通流量呈波動變化。在某個時間段里，某些流向會出現交通流量高峰，從而導致道路交通資源分配不均衡的問題，形成排隊現象。因此，為緩解擁堵壓力，在高峰時段使用動態車道，[7]該車道車道功能能夠在不同時段變化，以適應交通流潮汐性的特點。

可變車道，又稱“潮汐車道”，是指在不同的時間內變化某些車道上的行車方向或行車種類的一種交通組織方式，其特點：（1)雙向通行能力不均衡；（2)隨著早晚高峰而變；（3)可根據早晚潮汐交通流量設置車道可變的數量。[8]

可變車道按適用對象可分為兩類：行駛方向可變車道和導向式可變車道。在不同時間內變換某些車道上行車方向的稱為行駛方向可變車道，它可緩和車流量方向分布不均勻現象；在不同時間內變化交叉口某些進口道車道功能的稱為導向式可變車道，它可緩和各種類型交通的時空分布不均勻性的矛盾，提高道路資源利用率。本文主要針對交叉口導向式可變車道的連續仿真問題進行研究。

2 現有可變車道仿真方法及不足

目前國內外交通仿真大部分采用的是VISSIM軟件，一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具。當前可變車道的案例分析和工程實踐方面的研究，一般先借助VISSIM仿真軟件進行模擬仿真，再對比分析可變車道設置前后道路交通運行效果。

傳統采用分階獨立仿真方法。首先，仿真現狀交叉口交通狀況，得到現狀交叉口延誤。其次，改變路徑選擇，在現狀交叉口基礎上，加入可變車道放行方案，仿真得到可變車道延誤。最后，對比兩次仿真得到的延誤，判斷實行可變車道方案后交叉口延誤是否降低。

但是，這種方法存在局限性。傳統分階段仿真忽略了上一個周期滯留的車輛，因此經過仿真得到的延誤誤差較大。

3 可變車道連續仿真

3.1 車道方案的仿真模型

為了彌補傳統仿真方法的局限，需要加入不同的放行方案，進行過渡和連續仿真，并在此基礎上進行延誤對比分析。相比傳統分階段仿真，連續仿真具有“糅合”的特點。實際可變車道應用調查發現，無論是交叉口導向式可變車道，還是行駛方向可變車道，都采用定時式控制方法。因此，在可變車道仿真中，需要在一個仿真過程依次進行“現狀放行方案-可變車道放行方案-現狀放行方案”。通過這種仿真方法得到的延誤數據與現狀實施可變車道的實際延誤進行對比，判斷可變車道是否能緩解交通壓力。交叉口現狀和可變車道方案的仿真模型見圖1。

圖1 現狀車道方案和可變車道方案的仿真模型

3.2 連續仿真流程

使 用Visual Studio 2017接 入VISSIM_COMSERVERLib接口，采用C#編寫可變車道連續仿真程序。具體仿真流程見圖2。

圖2 連續仿真流程

基本編程指令見表1。

表1 基本編程指令表

3.3 連續仿真程序

“斷點”程序，指在一個單步仿真中插入斷點，執行其他仿真命令，卻不影響單步仿真正常運行。“斷點”程序以for循環為載體。本文將可變車道的起止仿真時間插入一個單步仿真中。當仿真時間到達可變車道開始時刻，執行可變車道方案；當仿真時間到達可變車道終止時刻，切換回原通行方案。仿真數據獲取程序見圖3，for循環程序示例見圖4，可變車道方案程序見圖5。

圖3 仿真數據獲取

圖4 for循環程序

圖5 可變車道方案程序示例

4 案例分析

以福州五四華林路交叉口作為案例分析。交叉口各個進口道均為雙向直行、雙向左轉和一條右轉專用道。南北進口道與直行車道相鄰的一條左轉車道為可變車道。現狀交叉口的車道劃分方案見圖6。

圖6 現狀交叉口的車道劃分方案

4.1 基礎數據

選取交叉口17：00-19：00時段進行流量調查，其中17：30-18：30為晚高峰。交叉口交通量數據見表2。

表2 交叉口交通量數據（pcu/h）

4.2 信號配時

基本飽和流量是配時計算的重要參數，參照【GB50647-2011城市道路交叉口規劃規范】，直行車道取1700 pcu/h/車道，左轉車道取1400 pcu/h/車道。采用Webster法進行信號配時,最大流量比為0.894，啟動損失時間取3s,黃燈時間3s，全紅時間3s，信號總損失時間12s,最佳周期216s。可變車道信號相位配時方案見圖7。

圖7 可變車道信號相位配時方案

4.3 運行仿真

利用vissim軟件，構建交叉口路網模型，并進行仿真，仿真運行狀態如圖8。

圖8 交叉口可變車道車流運行仿真圖

（1） 傳統仿真方法

準備兩個仿真路網，一個為原方案，另一個為可變車道方案。原方案進行仿真兩次，每次仿真1800s。可變車道方案仿真一次，3600 s。得到三次仿真延誤數據，按照1800+3600+1800秒組成延誤數據表，仿真間隔為300秒。

（2） 連續仿真方法

準備一個仿真路網，在原方案基礎上，南北進口道各添加一條路徑選擇，作為可變車道方案。運行程序，打開仿真文件，仿真7200s，輸出延誤數據。

4.4 結果分析

為了檢驗兩種仿真方法的仿真精度，對交叉口延誤進行了實地調查，并與兩種仿真方法進行對比。實地延誤調查選取17：00-19：00作為調查時段，其中晚高峰17：30-18：30。實地調查間隔為300s，與仿真中延誤數據輸出間隔保持一致。兩種仿真方法的延誤及實測延誤數據見表3，變化曲線見圖9。

表3 兩種仿真方法的延誤及實測延誤數據（s）

圖9 仿真延誤和實測延誤曲線

經過數據對比和分析，實測可變車道交叉口平均延誤96s，連續仿真方法延誤93.1s，傳統仿真方法延誤102.7s。傳統仿真方法誤差為6.98%，連續仿真方法誤差3.02%，仿真誤差降低3.96%。

5 結語

本文在VISSIM仿真軟件的基礎上，使用Vsiual C#對可變車道連續仿真進行二次開發，設計了一種能在一次仿真過程中實現可變車道連續仿真的程序。延誤數據分析發現，與實測可變車道延誤對比，相比傳統仿真方法延誤誤差6.98%，連續可變車道仿真方法的延誤誤差為3.02%，誤差降低了3.96%。連續可變車道仿真方法的仿真精度更高，對可變車道的研究具有重要意義。基于VISSIM仿真軟件的二次開發，還可以進行其他仿真優化，例如逆向可變車道仿真研究等。