基于遺傳算法的高速公路施工區交通仿真研究

孫佳豪 胡江濤 朱嘉鈺 由冰玉 黃子路

摘? 要：若要科學、有效地開展高速公路施工區交通仿真分析，需要對仿真模型的參數進行標定，標定工作必須符合實際交通規律，且具有可復用性。文章采用無人機視頻錄制法進行交通流數據采集，基于遺傳算法進行了仿真模型的自動化標定程序設計，完成了封閉超車道施工區仿真模型參數的標定工作，并證明了參數標定的有效性，最終運用標定好的仿真模型，進行了施工區交通運行狀態建模仿真及交通影響分析。

關鍵詞：高速公路;交通仿真;參數標定;交通影響分析

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0076-06

Research on Traffic Simulation of Expressway Construction Section Based on Genetic Algorithm

SUN Jiahao， HU Jiangtao， ZHU Jiayu， YOU Bingyu， HUANG Zilu

（North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin? 300381， China）

Abstract： In order to carry out the traffic simulation analysis of expressway construction section scientifically and effectively， it is necessary to calibrate the parameters of the simulation model. The calibration work must conform to the actual traffic laws and be reusable. In this paper， the UAV video recording method is used for traffic flow data collection， the automatic calibration program of the simulation model is designed based on the genetic algorithm， the parameter calibration of the simulation model in the construction section of the closed overtaking lane is completed， and the effectiveness of the parameter calibration is proved. Finally， modeling and simulation of traffic running state and traffic impact sanalysis in the construction section are carried out by using the calibrated simulation model.

Keywords： expressway; traffic simulation; parameter calibration; traffic impact analysis

0? 引? 言

截至2020年底，我國公路里程達519.81萬公里，其中高速公路里程達16.1萬公里，公路運輸系統對經濟社會發展的支撐作用顯著提升。然而，現存的高速公路修建時期不一，為適應新的交通運輸服務需求，需要對一些不滿足服務需求的高速公路路段進行改擴建施工，另外還需要對一些達不到交通安全要求的路段進行養護維護施工，因此高速公路施工區已成為高速公路網的重要組成部分。

我國高速公路施工區的布置及管理通常參照《公路養護安全作業規程》中的典型養護作業控制區布置要求，其布置條件及分類相對單一，難以適應各種交通工況。若要優化施工區布置，需要進行實地調查及實驗，這樣將會耗費大量的人力和物力，借助計算機仿真技術可有效解決這一問題。目前市面上的交通仿真軟件數不勝數，但這些軟件的默認配置參數難以符合特定區域的交通運行規律，因此需要對其參數進行標定。

近年來，國內外多位學者基于特定區域的交通調查數據，利用遺傳算法（GA）、模擬退火算法（SA）、禁忌搜索（TS）等多種算法進行了微觀仿真模型的標定工作，并利用標定好的模型進行了交通影響評估及施工方案評定[1-4]。21世紀以來，隨著國內交通運輸規劃及管理的加強，基于計算機輔助的模型標定、優化方法越來越多地應用于交通問題的解決當中，國內多位學者針對不同的交通問題，采用多種模型評價指標及數學算法，完成了對交通仿真模型的標定、優化及求解[5-12]。

本文以雙向四車道高速公路封閉超車道施工區為例，建立VISSIM仿真模型，基于遺傳算法原理對待標定參數進行編碼，設計適用于特定交通場景的適應度函數，通過遺傳算子模擬遺傳過程，并實現仿真模型的自動化標定，從而為施工區仿真模型參數標定提供可靠、高效的方法，為高速公路施工區布置的優化工作提供支撐。

1? 施工區交通特性分析

為達到較高的仿真真實度，必須以一定量的實際交通運行數據為基礎，建立模型并進行相應的可靠度檢驗，因此需要對實際高速公路施工區路段進行交通調查。

1.1? 交通調查

采用無人機錄像法，對某高速公路施工區路段進行視頻錄制，共錄制長達4小時的交通運行視頻，用于提取交通量、交通組成、車頭時距、車速分布、換道特性等交通流參數。調查地點施工區布置如圖1所示。

1.2? 統計結果分析

1.2.1? 交通量與交通組成

調查數據共涉及1 498輛小型車和827輛大型車，高峰小時交通量為614 veh/h，分時段交通量統計如圖2所示。

1.2.2? 車頭時距

車頭時距定義為前后車的車頭通過同一位置的時間差，該指標的分布可在一定程度上反映出某路段的通行效率和行車風險水平。在施工區路段中，警告區后部至上游過渡區是車輛進行換道及減速的區段，是施工區的交通瓶頸和高風險區，需要分車道統計該區段的車頭時距，其中，超車道上的平均車頭時距為7.01 s，行車道上的平均車頭時距為6.38 s，由此可知該路段處于低交通量狀態。

1.2.3? 車速

車速同樣可以反映施工區通行效率和行車風險水平，針對上游正常路段、警告區和作業區，分別統計小型車和大型車的車速，其分布結果均服從正態分布，三個區段的平均車速、運行速度及車速方差如表1所示。

1.2.4? 換道特性

根據封閉超車道施工區的布置情況，車輛需要在警告區后部或上游過渡區進行車道變換，一般認為，換道位置越靠后，與相鄰車道車輛發生沖突的風險系數越高，因此車輛換道位置的分布對行車安全評估具有重要意義。鑒于大部分換道行為來源于小型車，因此主要針對小型車進行統計，車輛換道位置分布如圖3所示。

統計結果顯示，大部分車輛均在警告區末端換道，另有7.5%的車輛選擇在上游過渡區前部換道，屬于強制性不安全換道行為。經過對車輛換道位置的進一步研究，發現其大致符合卡方分布，如式（1）所示，換道位置分布擬合如圖4所示。

2? 標定參數敏感性分析

2.1? 施工區仿真模型建立

使用VISSIM軟件建立高速公路封閉超車道施工區模型，為簡便起見，本文所建模型僅包含單向路段。施工區按照實際調查的施工區（圖1）進行布置，如圖5所示，車道寬度為3.75 m。同時，通過設置VISSIM中一系列駕駛行為參數，模擬實現施工區內各標志的位置設置和設置效果。

2.2? 模型評價指標選取

交通流特性中可用于評價仿真模型的指標有很多，如交通量、斷面車速、排隊長度、排隊次數、行程時間、延遲時間、車道占有率、停車次數等，在選取模型評價指標時，應遵循易得性、代表性、敏感性原則。為體現封閉超車道施工區特點，基于前文的交通特性分析結果，最終選取交通量、斷面車速分布和換道位置分布為模型評價指標。下面將對評價指標進行敏感性分析，為減小誤差，實驗中使用不同隨機種子，對多次仿真結果取平均值。

2.2.1? 交通量

仿真結果表明，通過施工區的交通量與實際交通量基本相符，因此交通量不作為仿真模型標定的評價指標。另外，對于不同的隨機種子，其交通量也不同，因此可取多次仿真結果的平均值進行分析。

2.2.2? 斷面車速

選取與施工區交通調查測速點相同的位置，對仿真結果進行提取，結果表明，仿真結果與調查數據的相對誤差較小，因此斷面車速也不作為仿真模型標定的評價指標。

2.2.3? 換道位置分布

如圖6所示，對車輛換道位置進行統計，對比換道位置分布擬合曲線。由圖6可知，換道位置仿真情況與實際情況相差較大，表明換道位置分布較為敏感，因此應作為重要的仿真模型評價指標。

2.3? 參數敏感性分析

將不同位置換道車輛比例的仿真值與實測值的方差E作為敏感性分析指標，用以反映換道位置的仿真效果，計算公式為：

（2）

其中，Nlci為區間i的換道車輛數仿真值，Alci為區間i的換道車輛數實測值，n為區間數量。

根據VISSIM二次開發手冊，可編輯的相關駕駛行為參數共23個，分別以10%的幅度調整備選參數，經過多次仿真運行，敏感性分析結果如表2、表3所示。

根據備選參數的敏感性進行排序，從23個備選參數中選出敏感性大于3%的8個參數：CC0（停車間距）、CC1（車頭時距）、CC3（進入跟車狀態的閾值）、CC4（消極跟車狀態的閾值）、CC5（積極跟車狀態的閾值）、CC6（車速振動）、CC7（加速度波動幅度）、安全距離折減系數，將這8個參數用作待標定的仿真模型參數。

3? 遺傳算法標定程序設計

3.1? 遺傳算法概述

遺傳算法（Genetic Algorithm， GA）是一種啟發式算法，模擬了生物進化自然選擇和遺傳機理的計算模型，被廣泛應用于各個領域的優化求解問題中。遺傳算法的一般步驟為：（1）基因編碼。即待標定參數的編碼工作，對應種群的遺傳基因。（2）初始化種群。多組待標定參數的初值，作為參數可選集合。（3）評價個體適應度。即設定待優化的目標函數，模擬優勝劣汰規則。（4）遺傳操作。即淘汰不良參數組合、交叉重組參數和單個參數突變，用以模擬遺傳規律。

通過重復步驟（3）～（4），即模擬自然界中的進化過程，從而最終逼近或得到最優解。遺傳算法的大體流程如圖7所示。

3.2? 適應度函數設計

適應度函數沿用敏感性分析指標，即車輛換道位置分布仿真值與實際值的方差E，方差越小，表明個體基因對環境的適應度越高。為便于處理，對方差結果取倒數，則適應度函數為：

（3）

式中各變量的含義同式（2）。

3.3? 遺傳算子設計

3.3.1? 選擇算子

自然選擇過程中，適應度差的個體不會被直接淘汰，而是有著較低的生存概率，通常使用“輪盤賭”法進行模擬，即個體生存概率表示為：

（4）

其中，Pi為個體i的生存概率，Fi為其適應度，Fj為同一種群中個體j的適應度函數值。實現代碼為：

FunctionSelectSurvive（i As Integer）

If GetFitness（i） > Rnd Then

For j = 1 To 8

parents（i， j） = children（i， j）

Next j

SelectSurvive = true

Else SelectSurvive = false

End If

End Function

3.3.2? 交叉算子

交叉算子模擬了遺傳中的基因重組，本文采用十進制基因編碼，采用隨機權重的方法對兩個個體的基因進行組合，以基因x1為例，兩個父代個體產生下一代的基因x1為：

（5）

其中，為子代個體基因x1的值;和分別為兩個父代個體基因x1的值，r為取值為（0，1）的隨機數。實現代碼為：

Function GeneticreCombination（paramId As Integer， parent1Id As Integer， parent2Id As Integer）

For j = 1 To 8

r = Format（Rnd， “##0.00”）

children（paramId， j） = Format（r * parents（parent1Id， j） + （1 - r） * parents （parent2Id， j）， “##0.00”）

End If

Next j

End Function

3.3.3? 變異算子

變異算子的引入可在一定程度上打破最終解的局限性，根據所設定的突變概率，決定是否執行變異操作。同樣以基因x1為例，變異后的基因x1為：

（6）

其中，為變異后基因x1的值，x1min為基因x1的最小取值;Δx1為基因x1的取值范圍，r為隨機數。實現代碼為：

Function Variation（childId As Integer）

For i = 1 To 8

If varP > Rnd Then

children（childId， i） = Format（xmin（i） + （xmax（i） - xmin（i）） * Rnd， “##0.00”）

End If

Next i

End Function

3.4? 運行結果檢驗

將上述子模塊進行組裝，并配以Form操作界面，封裝成封閉超車道施工區仿真模型標定程序，軟件界面如圖8所示。將種群數量設置為50，變異概率設置為0.05，最終將迭代穩定時的子代基因視為標定結果，為（2.51，0.56， -10.43，-0.27，0.91，12.98，0.35，0.90），采用默認參數時的換道位置方差為63.53，標定后為29.18，標定后的車輛換道位置分布如圖9所示。

結果表明，經過標定的換道位置分布更符合實際情況，主要體現在集中換道位置的后移，由于受VISSIM軟件版本功能及算法時耗的限制，仿真結果與實際情況仍存在一定的差距，但卻為施工區仿真模型的標定工作提供了新的思路和方向。

4? 施工區布置優化

4.1? 施工區交通影響評價方法

對于存在瓶頸路段的封閉超車道施工區，通行能力評價是最簡單、最直觀的通行效率評價方法，合流區的交通沖突指標為更具代表性的交通安全評價指標。其中，交通沖突水平可通過美國聯邦公路管理局發布的一款安全評估模型軟件（SSAM）來檢驗與衡量，該軟件可對VISSIM生成的車輛軌跡評估文件進行分析，提取最短碰撞時間（TTC）、最小侵入時間（PET）、追尾沖突數、換道沖突數以及沖突事件的地點等數據。

本文將從換道起始位置和限速值兩個方面對施工區交通影響進行評價。

4.2? 換道起始位置設置

為探究換道起始位置對施工區交通運行的影響，將換道起始位置分別設置為距離上游過渡區250 m、500 m、750 m、1 000 m、1 250 m、1 500 m、1 750 m，分別進行仿真運行。

4.2.1? 通行能力

改變換道起始位置至上游過渡區的距離，增加施工區上游輸入交通量，統計最大輸出交通量作為衡量施工區最大通行能力的指標，仿真結果表明，改變換道起始位置對施工區最大通行能力的影響不大。

4.2.2? 換道位置分布

按照實際施工區設置，即換道起始位置至上游過渡區500 m時，上游過渡區內的不安全換道比例為11.84%（調查數據為7.5%），不安全換道比例與換道起始位置的關系如圖10所示。由仿真結果可知，換道位置起點在1 000 m左右時達到基本平緩。

4.2.3? 交通沖突

不同換道起始位置的施工區沖突數如表4所示。

由實驗結果可知，隨著換道起始位置至上游過渡區距離的逐漸增大，追尾沖突數與換道沖突數均逐漸減小，其中追尾沖突數略大于換道沖突數，當換道起始位置至上游過渡區的距離超過某一數值后，沖突數將減小為零。

4.3? 限速值設置

通過設置不同的限速值，分別進行仿真實驗，統計施工區最大通行能力，仿真結果表明，限速值在70 km/h左右時達到最大通行能力，限速值大于70 km/h時，通行能力開始下降。在研究限速值對施工區交通沖突的影響時，分別針對低交通量狀態（500 veh/h）及飽和交通量狀態（1 000 veh/h）時的限速影響進行了仿真研究，結果表明60 km/h的限速值相對來說更為合理。

5? 結? 論

高速公路施工區作為高速公路網的重要組成部分，其具體布置需要適應不同工況并滿足交通運輸服務需求，因此對其進行研究是十分必要的。借助計算機仿真技術進行研究可大大提高效率，但前提條件是仿真模型本身的可靠性，這意味著科學合理的標定工作是仿真研究中不可或缺的重要環節。本文首先通過交通調查分析了封閉超車道施工區的交通特性，并以交通特性為依據進行了標定工作的自動化程序設計，創建了具有針對性、可移植性的仿真模型標定流程，為后續基于仿真模型的一系列交通問題研究提供了有力支撐。

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作者簡介：孫佳豪（1996-），男，漢族，河北石家莊人，助理工程師，碩士，研究方向：計算機在市政交通中的應用。