基于VISSIM 仿真的交織區通行能力分析實驗設計

李 根 （南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037）

0 引 言

隨著信息技術和人工智能的快速發展，交通運輸行業的發展正在從傳統的基礎設施建造技術轉向基于現代化技術的運行管理與服務。2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，要求高校結合新興產業與新經濟的需求，引領新興產業與新經濟的未來發展。“交通仿真實驗”課程基于現代化的信息和系統科學，對于培養具有創新創業意識、數字化思維和跨界整合能力的新工科人才具有非常重要的意義[1-8]。

以往的教學往往將該課程定位成為軟件的實操培訓課，過于注重教授使用軟件的能力。交通仿真作為一種新一代交通信息技術，應該注重其與交通規劃、交通工程學等其他專業理論課之間的聯系，培養學生使用交通仿真技術解決實際交通問題的能力[9-16]。

本文基于交通仿真實驗平臺，針對交通工程學中的交織區通行能力分析問題設計了一套完整的實驗方法，能夠培養學生分析復雜工程問題、設計解決方案和使用現代工具的能力，支撐交通工程專業的畢業要求和培養目標。

1 交織區基本概念

在道路上行駛的交通流中，一條駛入匝道后面緊接著一條駛出匝道，并在它們之間有輔助車道連接，或者當一個合流區的后面緊接著一個分流區時，從而引起交通流進行交叉的區域即為交織區。如表1 所示，根據交織車輛通過交織路段時必須執行的最少車道交換次數來進行劃分，可以將交織區構型劃分為A、B、C 三種類型[17-18]。

表1 交織構型的劃分標準

2 評價指標選擇

影響交織區通行能力的主要因素有交織區交通流率、交織區長度以及交織區設計車速等，本文選擇車輛數量、平均速度、延誤等指標對主輔路交織區的整體通行能力進行仿真評價分析。

2.1 車輛數量

通過數據檢測器得到對應的車輛通過數即為路段車輛數量，可以反映交織區的通行能力情況，在仿真模型中將數據采集點布設在主輔路交織區的后半部分，作為表示交織區通行效率的一個評價指標。

2.2 平均速度

VISSIM 仿真模型中的平均速度指的是對應于一定行程區間的區間平均速度，本文的仿真模型選定了主輔路交織段起點到交織段終點為行程區間，通過設置數據檢測器來檢測交織區車輛的平均速度。

2.3 延 誤

延誤指標是評價交織區運行效率的重要指標之一。本文選取的延誤是指在仿真模型中車輛通過行程時間檢測區段的時間（即實際行程時間） 與理論行程時間之間的差。VISSIM 仿真軟件基于行程時間區段可以生成延誤的數據，其中行程時間區段與計算平均速度的時間區段相同。

3 實驗方法與實驗流程

3.1 實驗平臺選擇

交通仿真是通過基于現代計算機技術的仿真技術來模擬交通流特性的可能行為，跟蹤和描述交通流運行在時間和空間的變化，是現實交通流最優化的一種方法，也是對各類交通組織設計方案及運輸設施的有效評價的一種手段。因此，仿真的方法受到越來越多的關注，在許多重要的通行能力研究項目都會去使用仿真軟件。

根據交通仿真模型對交通問題研究的不同方向和目的，可以將交通仿真分為微觀、中觀和宏觀三個不同層次的交通仿真。目前，VISSIM、CORSIM、PARAMICS 等交通仿真軟件在我國發展相對比較成熟且應用廣泛，各個仿真軟件的特點如表2 所示。

表2 各仿真軟件及其特點

目前國內主流的交通仿真實驗教材大多采用VISSIM 作為仿真平臺，因此本實驗采用該軟件對于交織區進行仿真研究。

3.2 實驗流程

首先通過對現狀交通流的運行狀況進行VISSIM 仿真評價，從而發現現狀交通流運行存在的一些問題，然后優化運行系統，對交通流的組織設計方案進行評價，最后對實時交通系統狀態進行評估。交通流仿真的基本流程如圖1 所示。

圖1 VISSIM 交通流仿真評價流程

在搭建模型的時候，為了避免造成車流的損失，需要分別給主線車流和進口輔道車流設置行駛路徑。此外，需要對輔道的駛入車流設置優先通行的規則，輔道上的車輛只有在主線存在空隙的情況下才可以匯入，如果車輛行駛到交織區末端還沒有成功匯入主線，則匯入車輛將會強行匯入。在主線的上游部分和連接段內，主線車流由于受到交織區交織車流的影響，會產生一個明顯的減速現象，因此還需要設置減速區域和目標。

3.3 實驗數據

本實驗采用南京市某快速路與城市主干路相交處的交織區，其長度為230m，交織區段車道數共有5 條車道，其中主線為3車道，輔道為2 車道，交織區的構造形式為A 型交織。交通流主要由主線直行、主線進輔道、輔道直行和輔道進主線四股組成，如圖2 所示。車輛主輔道變換區域即為交織區范圍，交織區段的交織交通流包括主線進輔道和輔道進主線兩股，非交織交通流包括主線直行和輔道直行兩股。

圖2 交織區交通流組成示意圖

根據設計資料預測，2014 年、2022 年和2033 年各流向的高峰小時交通量數據如表3 所示。

表3 交織區各流向高峰小時交通量 單位：pcu/h

3.4 模型參數標定

使用VISSIM 進行交通仿真時，需要根據實測數據來標定仿真模型中的參數，即通過調整模型中的相關參數來使得仿真模型能夠與實際的道路和交通條件相符合，以確保仿真模型可以取代真實實驗，再現現實交通運行的狀況。本文在搭建好仿真模型之后，結合設計資料數據對主輔路交織區的仿真參數進行設置，本文將仿真時間設置為1h，即VISSIM 中的仿真參數為3 600 秒，考慮實際條件與仿真經驗，將仿真模型中的仿真精度設置為5，隨機種子設置為42。

3.4.1 車輛構成

快速路實際道路的交通流是大、小客貨等車型混行，由于車輛自身的物理特性和動力性能的不同，它們在道路中的期望車速、車輛之間的跟車和超車等條件不同。依據設計資料，快速路的交通組成中小汽車占多數，但是其他車型的所占比例也較大，將其他車型折算成當量小汽車進行仿真并不符合實際情況，因此在仿真模型中，車輛構成按照設計資料中的車型比例進行設置。

3.4.2 車輛駕駛行為

由于交織區的車道變換相比于快速路的其他路段更為復雜，如果不加以設定的話會致使車輛集中堵在交織區的下半部分區域，因此，在VISSIM 微觀交通仿真軟件中需要對車輛的車道變換模型進行修正，具體的修正結果如圖3 所示。

圖3 車道變換模型修正

3.4.3 期望車速

期望車速是指在特定的道路狀況下，不受其他車輛的干擾，車輛處于自由行駛狀態下使用的車速，是影響道路通行能力和交通流行程速度的最重要參數，期望車速的標定對仿真結果具有重要的影響，本文根據快速路主線、輔道的設計速度來標定期望車速，期望加速度的參數擬采用默認值。

4 實驗結果分析

基于VISSIM 仿真軟件搭建的仿真模型如圖4 所示。

圖4 交通仿真運行場景

通過對交織區進行VISSIM 交通仿真，得到了平均速度、車輛數量以及延誤的評價數據，評價結果如表4 所示。

從表4 中數據可以看出，隨著輸入交通量的不斷增大，最后并沒有出現數據“堆積”的現象，即交織區仿真通過的交通量（車輛數量） 隨著輸入交通量的增加而增加，根據VISSIM 仿真的運行特點，這表明截至2033 年交織區的交通量仍然還沒有達到交織區的通行能力，輸入交通量均在交織區通行能力范圍內。

表4 交織區仿真評價結果

交通量與速度和延誤的關系如圖5 所示，可以看出，同等條件下隨著輸入交通量的逐漸增加，車輛通過交織區的平均速度在逐漸降低，延誤在逐漸增加，平均速度和延誤與輸入交通量基本上成線性關系，在通行能力范圍內交通量越大、延誤越大、平均速度越低。另外，也可以看出中大型貨車所占比例對交織區的運行狀態也存在一定的影響，相對來說中大型貨車所占比例越低，對交織區的運行效果就越好。

圖5 交通量與（a） 速度和（b） 延誤折線圖

5 結束語

交通仿真實驗課程實踐性極強。在以往的教學中，教師往往過于注重培養學生使用軟件的能力，忽略了學生使用仿真解決問題的能力培養。為了讓學生真正理解和掌握在實際工作中如何使用仿真軟件解決交通工程問題，本文基于VISSIM 軟件設計了交織區通行能力分析實驗的流程。該實驗能夠促進學生理解、掌握交通工程學中通行能力的理論知識，培養學生使用現代化的工具分析、解決交通問題的能力。