微观交通仿真模型系统参数校正研究_以VISSIM的应用为例[1]

微观交通仿真模型系参数校正研究 以 VISSIM 的应用 为例 孙剑 杨晓光
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微观交通仿真模型系统参数校正研究 以 V ISSIM 的应用为例*
孙 剑 杨晓光
( 同济大学 上海 200092)
摘 要 微观交通仿 真模型在交通 系统管理 、控 制和优 化中得到 广泛应 用, 然而 大多数 仿
真模型参数均是针对外国的交通情况确定的, 并不一 定适合中国国情。 文章提出了 微观仿真 模型 参数校正流程, 以上海市北京东路 VISSIM 仿真为 实例, 根 据实际采 集的数据, 运用拉丁 方格法 进 行实验设计, 对 V ISSIM 的仿真参数进行了校正, 指出了微观仿真模型参数校正有待改进的方面。
图 1 仿真模型参数校正流程
1) 确定仿真模型参数校正的目标。一般而 言, 目标是使仿真输出结果与实际测量的校核数 据差异最小或为零。
2) 进行校核参数指标选择。模拟输入参数 可分为可控参数和不可控参数, 不可控参数一般 不随模型的变化而变化, 例如: 道路条件、交通量、 信号配时等; 可控参数一般是模型中值可以改变 的参数, 例如: 车道变换距离、最小车头时距、车辆 消失前的等待时间等。校核参数必须是容易实际 测量得到以及在仿真中可控。
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交通与计算机 2004 年第 3 期 第 22 卷( 总第 118 期)
( 4) 建立评价标准; ( 5) 仿真网络表示; ( 6) 驾驶员路径行为; ( 7) 模型输出结果评价。 上述步骤提供了宏观的参数校正指导原则, 但没有具体的有针对性的仿真参数校正流程。 在本研究中, 针对 Hellinga 的校正过程的宏 观性特点, 笔者提出的参数校正流程更加详细, 在 应用上更具操作性。主要步骤如图 1 所示。
2) 在本次应用中, 校核指标采用路段行程时
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间, 这主要基于两方面的考虑: 一方面, 行程时间 容易通过多次跟车调查获得; 另一方面 VISSIM 仿真输出文件, 也可以输出路段行程时间。
3) 根据 VISSIM 的仿 真需要, 2003 年 5 月 15 日对北京 东路进行 了交通 调查, 包括交 通流 量、交通流向、道路条件、交通组成、行程速度、行 程时间等。信号配时从上海市交巡警总队获得。
4) 对待校正参数的识别和定义是本仿真应 用的关键。在 V ISSIM 中, 涉及到的可控参数主 要有紧急停 车距离、车道变换距离、最小车头时 距、平均停车距离、等待换道消失时间以及观察前 方车辆数, 各参数含义如下。
( 1) 紧急停车距离。紧急停车距离定义为一 个被动型的换道车辆的最后可能位置, 即对于必 须换道的车辆( 被动型车辆换道) , 由于流量太大, 而无法完成换道, 车辆将在此等待机会换道。由 于仿真对象北京东路是一条主干道, 车辆转弯概 率较小, 根据我们的仿真经验, 紧急停车距离对仿 真结果影响不大, 故此参数取固定值 5 m 。
全面实验, 共需 16 次, 然 后根据 4 4 的拉丁方 格, 对安排因素: 等待换道时间、观察前方车辆数 做正交试验。参数分级如表 1 所列。
表 1 各因素分级水平表
参数
水平 1 水平 2 水平 3 水平 4
最小车头 时距/ m
0. 5 1 2 4
平均停车 距离/ m
1 1. 5 2 3
等待换道 观察前方
1. 1 模型参数校正概念 模型参数校正是根据实地交通运行状况, 对
仿真系统中各个独立参数进行调整, 以使模型能 准确表达具体仿真对象的过程。需要校正的仿真 参数一般包括交通控制运行参数、交通流特性和 驾驶员行为特性等。参数校正的目的是使仿真输 出结果与实际测量的数据差异最小。 1. 2 模型参数校正流程
Y = 167 292 + 1 179X 1 + 0 122X 2 + 2 469X 3 - 0 532X 4
式中: Y 为路段行程时间; X 1 为最小车头时距; X 2 为等待换道消失时间; X 3 为观察前方车辆数;
X 4 为平均停车距离。 8) 根据回归模型, 以线性模型结果与实际测
量的行程时间近似或相等为判定标准, 得出几组 参数组合。得出的初步参数组合如表 2 所列。
6) 仿真系统涉及多个可控参数, 且每一个参 数都有不同的取值范围。若对每一种可能的情况 都做 相应的仿真实验, 显然 是时间所不允许的。 例如, 如果仿真系统有 8 个可控参数, 每个参数取 值分 为 5 个 级别, 则 需 要 做 的 仿 真 实 验 有 58 ( 390 625) 次。因此, 科学的实验设计对于参数校 正意义 重大。我们选 用拉丁方格法 进行实验设 计, 可使实验次数从 58 降到 54次。然后确定校核 参数为因变量, 可控的校正参数为自变量, 建立模 型[ 4, 5] 。
关键词 交通仿真模 型; 参数校正; VISSIM
Abstract: M icroscopic simulation models have been w idely used in traffic system management, co n trol and optimization; how ev er , most of the simulatio n parameters are determined according to the situa tions in foreign countries and not alw ays suitable for those in China. Firstly , this paper proposes a proce dure fo r micr oscopic simulatio n model calibr at ion. T hen taking a V ISSIM simulat ion example of Peking r oad in Shang hai as an ex ample, w e have designed the ex periment by using Latin Square algorithm and calibrated the simulation parameters by using the field data. Finally, it points out the aspects that need im provin g.
( 6) 观察前方车辆数。观察前方车辆数定义 为车辆在仿真中观测前方车辆的运行, 然后相应 的做出反映。缺省值是 2 辆。根据实际的经验, 取值为 1~ 4 辆。
5) 在本次仿真中, 应用拉丁方格算法对 4 个 待校正参数进行仿真实验, 每个参数分 4 个水平, 对于关键因素: 最小车头时距和平均停车距离做
模型参 数校 正在 国 外已 有研 究, Benekohal 1991 年 首 次 提 出 参 数 校 正 的 流 程 框 架[ 3] ; Helling a 于 1998 年提出 的参数校正 过程包括 7 个步骤[ 1] :
( 1) 定义研究目标; ( 2) 确定所需的实际数据; ( 3) 选择影响因素水平;
7) 经过多次运行, 确定模型参数。同时根据 仿真结果和仿真画面确定最佳的可控参数取值。
8) 根据仿真结果确定校正过程的中止。
2 参数校正应用
2. 1 仿真区域 仿真区域选定在上海市的一条主干道 北
京东路。北京 东路 为东 西向 的机 动车 专用 道, 2003 年 4 月对北京东路进行了道路条 件、流量、 速度、行程时间、排队等调查。信号配时从上海市 交巡警总队获得, 仿真区域如图 2 实线所示。
( 2) 车道变换距离。车道变换距离定义为驾 驶员为变换到理想车道( 由于车辆路径需要, 并不 是超车需要) 而开始试图变换车道的位置。它是 与紧急停车距离相关联的一个参数, 基于上述类 似的原因, 在本仿真中, 我们取固定值 200 m。
( 3) 最小车头时距。最小车头时距是车辆进 行车道变换所需要的与前方车辆的最小距离( 发 生在主动型车道变 换以及被动型 车道变换中) , V ISSIM 中缺省值是 0. 5 m, 显然, 按照中国的国 情, 此值偏小。我们的取值范围定于 0. 5~ 4 m。
时间/ s 车辆数/ 辆
45
1
60
2
80
3
12 0
4
6) 在仿真中, 随机数种子的不同对仿真结果 也有较大的影响, 因此分别取 4 个不同的随机数 种子, 这样最多共需 64 次试验, 就可得出精度较 高的模型参数。
7) 根据试验, 以行程时间为因变量, 待校正 参数为自变 量, 建立线性回归模型, 值得注意的 是, 此模型只是针对特定的北京东路区域。建立 的模型方程为
图 2 仿真区域 北京东路
2. 2 仿真模型- VISSIM 本研究使用的仿真模型是德国 PT V 公司的
VISSIM( 3. 6 版) 仿真软件。仿真模型基于时间 步长和驾驶员行为, 可模拟城市交通和公共交通 状况。软件使用包含跟车和车道变换逻辑的微观 交通流模拟模型。系统核心仿真模型 车辆跟 踪模型采用德国 Karlsruhe 大学 Wiedemann 教授 的 心理 物理学跟车模型 , 模型建立在司机反应 行为之上。
对仿真模型精度影响最重要的因素是模型对 车辆模拟的真实性[ 6] 。因此, 必须针对不同的模 拟对象, 对模型参数进行校正。车辆换道模型分 为主动型( 由于车辆期望更高的行驶速度) 和被动 型( 由于车辆路径需要) 换道模型。 2. 3 参数校正应用
1) 参数校正的目标是使 VISSIM 的输出结 果与校核指标差异达到设定 值。
Key words: tr affic simulation model; parameter calibration; V ISSI M
0引言
交通流仿真是再现交通流运行规律, 对交通 系统进行管理、控制和优化的重要实验手段和工 具。随着智能运输系统 IT S 在我国的逐步实施, 交通微观仿真软件在我国也得到了广泛的应用, 如 VISSIM、PARAMICS、CORSIM、AIM SUN2 等。交通微观仿真模型运用大量的独立参数来描 述交通系统运行、交通流特性以及驾驶员行为等, 参数的取值对仿真 结果有很大的影 响[ 1] 。在仿 真系统中, 这些模型参数均有缺省值, 同时也允许 用户对这些参数进行修正。缺省值往往是根据模 型开发国的情况确定的, 并不一定适合我国的实 际情况。所以, 针对具体的仿真对象, 必须对仿真 参数进行标定。