VISSIM仿真系統在交通信號控制教學中的使用

沈雅婕

(浙江警察學院 治安系， 浙江 杭州 310053)

1 交通信號控制的仿真教學和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，多數設立交通工程學科的高校均已開設交通信號控制等相關課程。在教學過程中，為了提高學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、信號配時參數的設置及參數敏感性進行實驗分析。為安全起見，實際交通系統的控制方案必須是成熟的，而且不能輕易進行實驗[3-4]。因此，有必要系統地提出基于仿真實驗的交通信號控制教學與分析方法[5]。

國內學者已使用仿真實驗的方法對交通信號控制問題展開了較多的研究。文獻[6]使用 Monte Carlo算法進行交通流仿真，基于以太網實現了交通信號控制器和計算機的交通控制；文獻[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(ITS)模擬的支持情況；文獻[8]基于VISSIM仿真系統，提出一種對多路口交通控制仿真系統的研究方案；文獻[9]采用改進的元胞傳輸仿真模型對信號控制路網上交通流的運行與演化過程進行仿真并獲取各個優化目標值；文獻[10]使用VISSIM仿真系統，以典型十字形交叉口的信號配時仿真為例，探索將VISSIM仿真系統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具體問題提出相應的解決方案，在教學上的普適性和可擴展性不夠。

筆者在交通信號控制的教學中，選用一款成熟、穩定、可靠、擴展性強，并能滿足各種不同類型研究需求的仿真實驗系統。VISSIM仿真系統由德國PTV公司開發，是目前國內用戶較多的商業微觀交通仿真系統。路網交通模型、交通控制模型是VISSIM的兩類基本的仿真模型，能實現VISSIM系統的標準仿真功能。此外，VISSIM仿真系統還提供了各種應用接口，使用戶能利用VISSIM的平臺拓展其應用功能[11]。因此，VISSIM仿真系統能很好地滿足交通信號控制教學的需求。

本文基于VISSIM仿真系統，探討在交通信號控制教學中如何實現對實際交通環境、交通流與信號控制的仿真模擬及相關問題。主要包括基礎數據調研與輸入模塊、路網模型建立模塊、交通信號控制模塊、仿真與評價模塊以及基于VISSIM-COM接口的二次開發高級技巧。

2 基礎數據調研與輸入

使用VISSIM仿真系統模擬實際道路交叉口進行交通信號控制實驗教學時，首先應對實際道路交通環境進行調研，采集相關的基礎數據，標定仿真中道路交通流的基礎屬性。需采集和調研的數據主要包括：路網屬性數據，交通流屬性數據和交通控制屬性數據。

2.1 路網屬性數據與輸入

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

2.2 交通流屬性數據與輸入

交通流屬性數據是為了標定仿真中的車輛運行特性。需調研和采集的交通流屬性數據主要包括：

(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，例如研究時段為1 h，則需調研1 h交叉口各方向進口道分車道(左轉、直行、右轉)的交通量，交通流量數據將會直接反映交叉口的擁擠程度，是需要在實地認真采集的數據，在VISSIM仿真中可借助Vehicle Inputs和Routes模塊進行輸入；

(4) 可對交通流特性數據進行調研，如車輛的最大與最小加速度等，也可以使用VISSIM仿真中的默認值。

以上(1)、(2)項交通流屬性數據可直接在VISSIM仿真中的Traffic Composition模塊中輸入。

2.3 交通控制屬性數據與輸入

交通控制屬性數據可以被認為是交通流運行的環境屬性，對交通流具有強制性。需調查的交通控制屬性數據主要包括：

(1) 無信號控制交叉口的行駛規則，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則，主要包括信號控制類型，如定時控制交叉口、感應控制交叉口等以及相應的控制參數如周期、綠信比、相位差、相位相序等，在VISSIM仿真中通過Signal Control模塊實現輸入。

3 路網模型建立模塊

在獲得路網屬性數據之后，如何在VISSIM系統中建立與真實路網一致的仿真路網是本節的重點。在建立路網的過程中還需有實際路網的底圖作為背景，如能使用實際路網的AutoCAD電子底圖則最佳。如無法獲取此資料，可在Google Earth中找到實際路網并截圖作為底圖，如果要實現基于坐標的高級功能，如實時傳回特定車輛如公交車輛的坐標，用來計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(如交叉口的中心點)移動至坐標原點。

在路網模型建立的過程中，有以下注意事項經常被忽視：(1)交叉口之間的路段直接使用Link命令，交叉口內部用Connector連接；(2)在交叉口進口道，左轉、直行和右轉車道需在仿真中物理分開，而不應相互連接，避免出現在交叉口進口道無法換道的情況；(3)如有公交專用道，可在Link屬性數據中設置車道關閉，只允許公交車輛進入該車道；(4)匯流時應設置讓行，如右轉交通流應讓行直行交通流。

4 交通信號控制模塊

交通信號控制模塊是VISSIM仿真系統的核心模塊，在仿真中由Signal Control模塊實現。在仿真中進行交通信號控制參數的輸入前，需首先對每一個交叉口新建一個信號控制機，并選擇信號控制類型。本文主要闡述常用的定時控制類型與感應控制類型。

4.1 定時控制的實現

目前我國大多數信號控制交叉口均采用定時控制，定時控制具有投入和維護成本低、易于實現協調控制等優點。定時控制的關鍵參數包括：周期、相位數以及相序、各相位的綠燈時間以及綠間隔(黃燈和全紅)時間、相位差。以1個周期為80 s、4相位，每個相位的綠燈時長為15 s、黃燈時間為3 s、全紅時間為2 s的交叉口信號配時方案為例，在VISSIM仿真系統中設置好配時參數之后如圖1所示。

圖1 VISSIM系統中定時控制參數配置示例圖

在VISSIM中設置定時控制配時方案需注意如下幾方面。

(1) 信號周期時長和黃燈時長可在VISSIM中直接輸入。

(2) 綠燈時長需通過Red End和Green End計算，Red End代表紅燈結束，即表示綠燈開始時刻，Green End代表綠燈結束時刻，因此用Green End減去Red End即代表該相位的綠燈時間，在圖1中可看到，4個相位的綠燈時間均為15 s。

(3) 全紅時間需通過上下兩個相鄰相位的綠燈間隔時間設置，如在圖1中，相位1(東西直行)的綠燈在16 s時結束，但相位2(東西左轉)的綠燈開始時刻(Red End)為21 s，因此這2個相位之間的綠燈間隔時間為5 s，由于黃燈時長為3 s，因此全紅時間為2 s，其他相位全紅時間的計算方法與之相同。

(4) 由于輸入的數值必須大于零，因此第一個相位一般可從第1秒開始。

(5) 理解VISSIM系統中的相位差設置原理。在VISSIM系統中使用絕對相位差的概念，即VISSIM系統中的相位差都相對零時刻進行計算。例如圖1中設置相位差為20 s，則表示在仿真開始20 s后到達零時刻，從圖1中可以看出，相位1的綠燈開始時刻(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 感應控制的實現

通過NEMA信號控制模塊在VISSIM系統中實現感應控制功能。在信號控制模塊中，選擇NEMA信號控制模塊，并進行參數編輯。常用感應控制的關鍵參數包括：相位數和相序、各相位最小和最大綠燈時間、各相位黃燈時長和全紅時長、相位轉換時間。以一個兩相位交叉口為例，在VISSIM中設置感應控制的關鍵參數如表1所示。

表1 VISSIM中設置感應控制的關鍵參數示例表

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

5 仿真與評價模塊

仿真與評價模塊是最能體現仿真實驗價值的部分。一方面，在仿真實驗中，能無限制地精確重復實驗場景，并可根據實驗需要，控制仿真的速度與精度，這是在實際道路交通控制實驗中無法實現的。另一方面，在仿真實驗中能實時地精確獲取評價數據(如延誤、停車次數等)，能直接對控制模型的優劣進行衡量，也是在實際道路交通信號控制實驗中無法做到的。

5.1 仿真模塊

VISSIM仿真系統中的仿真控制由Simulation模塊實現，能夠實現連續仿真和單步仿真的功能。在參數設置選項中需設置以下仿真關鍵參數。

(1) 仿真時長(Period)，如設置仿真時長為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。數值越大代表精度越高，在仿真中車輛運行軌跡更連續。在VISSIM系統中，仿真分辨率的最大數值能設置為10，即在仿真中每秒最大可包含10個步長，即表明VISSIM仿真系統最大支持的仿真精度為0.1 s。

(3) 隨機數種子(Random seed)是基于計算機系統進行仿真實驗的重要參數，改變此數值后，在VISSIM中的交通流將隨之改變。因此，在進行仿真實驗驗證控制模型的效益時，需改變隨機數種子的取值，進行多次仿真并取平均值，以確保仿真結果的合理性。

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

5.2 評價模塊

VISSIM仿真系統能對仿真狀態和仿真效益進行記錄和評估，該功能由Evaluation模塊實現。常用的能直接反映交通效益的參數指標包括延誤與停車次數，在延誤評價模塊中實現。需設置的關鍵參數主要為評價開始的時刻點、結束的時刻點和評價的步長。一般選用輸出統計數據(Compiled data)，輸出的結果包括延誤、停車次數、評價區段經過的車輛數等。

在延誤評價模塊的設置中需注意的要點是：(1)為實現延誤評價的有效性，需激活行程時間評價模塊，因為在VISSIM仿真系統中，延誤需通過行程時間間接計算得出；(2)由于仿真開始后，交通流移動至整個道路網絡并趨于穩定狀態需一定的時間，因此，在進行評價時，采集數據的起點應根據仿真規模，設置為仿真開始后15～30 min；(3)仿真后得到的延誤與停車次數數據均為評價區段內每輛車的平均數據。

6 VISSIM-COM接口

VISSIM系統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劣進行比較，觀察控制過程中可能出現的問題等。但在學習與研究的過程中，用戶的某些個性化需求無法直接使用標準VISSIM仿真系統進行仿真實驗，例如實時為公交車輛提供綠燈信號延長、進行大規模海量參數組合的仿真等。針對這些個性化需求，VISSIM提供了COM接口，將路網、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等調用VISSIM仿真系統，使用編程語言實現各種個性化需求。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，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構，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) 在編寫個性化程序時，可遵循以下格式：

Step 1：初始化VISSIM-COM對象；

Step 2：明確評價參數輸出路徑和仿真底圖路徑，并打開仿真底圖；

Step 3：用循環語句初始化仿真實驗參數，如仿真隨機數種子從1到10循環；

Step 4：仿真開始，單步運行程序主體語句；

Step 5：記錄效益評價參數，如延誤和停車次數；

Step 6：循環所有參數組合，仿真結束。

7 結束語

在交通信號控制的實驗教學中，在實際道路交通環境中無法對信號控制模型以及參數進行實驗，學生也無法直觀地看到模型和參數的改變對交通流運行效益的影響。因此，基于仿真系統的實驗方法必然成為較好的選擇。本文所闡述的內容能很好地指導交通信號控制的實驗教學工作，增強學生對交通信號控制的深層次認識，提高學生的動手能力和實踐能力。通過VISSIM仿真系統，使理論學習與實踐相結合，學生能直觀地觀察到信號配時存在的問題，能對交通信號控制的作用和效果有更深刻的認識，增強學習交通控制理論課程的興趣。學生還可以根據仿真中觀察到的問題，重新設計道路交叉口渠化方案和信號配時，提出更好的解決方案，并使用仿真系統驗證自己所提出的方案。學生經歷從認知到理解、從理解到實踐、從實踐到創新的學習之路，能夠實質性地提高解決實際交通問題的綜合能力。

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