快速路交通仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

交通流理論與仿真分析》

交通仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告2014年8月15日1研究背景城市快速路系統(tǒng)以其快速、暢通、舒適的優(yōu)點(diǎn)得到了我國大中城市的青睞，越來越多的城市加入快速路系統(tǒng)建設(shè)的行列。然而由于車流量迅猛增加，快速路交通擁堵問題成為制約快速路系統(tǒng)功能發(fā)揮的瓶頸。同時(shí)由于交通擁堵嚴(yán)重，車輛在怠速、低速、急加速、急減速等非穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行時(shí)間加長，致使機(jī)動車污染物排放加重，對人體健康的影響非常之大，甚至嚴(yán)重影響到居民生活質(zhì)量。亟須對城市快速路交通擁堵問題開展深入研究，以針對性提出解決策略。城市快速路交通擁堵可分為常發(fā)性和偶發(fā)性， 常發(fā)性交通擁堵是由于交通需求超過設(shè)施通行能力所致，經(jīng)常發(fā)生在瓶頸設(shè)施處，具有一定形成規(guī)律。早期交通流理論研究以基本圖論方法為代表，將交通流分為自由流、穩(wěn)定流、擁堵流3個(gè)狀態(tài)。假設(shè)模型的定態(tài)解在流量-密度平面上為1條曲線，曲線通過流量-密度圖的坐標(biāo)原點(diǎn)，并且至少具有1個(gè)極大值點(diǎn)，即流量和密度存在單值對應(yīng)的關(guān)系，對于認(rèn)識交通流線形及非線性關(guān)系起到重要作用。然而該方法無法解釋交通工程設(shè)施瓶頸處交通流狀態(tài)變化。然而這些分析更多的是定性的分析，缺少精細(xì)化定量研究。近年來，關(guān)于城市快速路瓶頸處交通流速度特性的分析，成為了關(guān)于快速路交通流特性分析的一個(gè)熱點(diǎn)問題，人們試圖從中尋找到分析快速路運(yùn)行狀態(tài)的突破口。以速度變化特性為依據(jù)對快速路交通擁堵形成、消散及變換進(jìn)行分析，并給出量化的判別方法，以便直接服務(wù)于城市快速路交通系統(tǒng)管理與控制?？焖俾菲款i是整個(gè)快速路系統(tǒng)中能力較低的部分，而瓶頸處交通流失（Breakdown）是導(dǎo)致快速路擁堵的重要原因。改善瓶頸處的運(yùn)行狀態(tài)則是快速路運(yùn)行暢通與否的關(guān)鍵。瓶頸包括偶發(fā)性瓶頸（如交通事故、道路養(yǎng)護(hù)、車隊(duì)慢車等）以及常發(fā)性瓶頸（車道減少、駛?cè)朐训?、交織區(qū)、坡道段等）。常發(fā)性瓶頸失效（Breakdown）是交通需求、駕駛行為及設(shè)施設(shè)計(jì)等多因素交互作用的結(jié)果。隨著交通需求的增加 ，我國一些大城市快速路出現(xiàn)了經(jīng)常性的交通擁擠現(xiàn)象。在這種擁擠狀態(tài)下 ，車輛行駛速度大大降低，以較低的流率釋放使得道路對交通疏導(dǎo)能力嚴(yán)重下降.由于這種交通流狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較短（小于15min）,車流運(yùn)行狀態(tài)相對不穩(wěn)定,在以往的研究中沒有引起交通研究人員的重視?隨著交通需求增加，車輛排隊(duì)經(jīng)常發(fā)生。一方面，一旦車輛形成排隊(duì)，對于出行者或管理人員關(guān)注的間題不再是道路具有的設(shè)計(jì)通行能力 ，而是更關(guān)注道路對交通的“疏散”能力，即在排隊(duì)狀態(tài)下，車輛的釋放流率為多大；另一方面，隨著對交通特性研究的深入,越來越多的研究表明， 交通擁堵狀態(tài)下，對通行能力定義提出了新的挑戰(zhàn)；再有，隨著智能交通系統(tǒng)的引入，排隊(duì)持續(xù)時(shí)間、事件檢測、路段行程時(shí)間預(yù)測等問題的提出，迫切需要針對瓶頸路段交通特性進(jìn)行研究。為此，人們想到了利用交通仿真技術(shù)來分析瓶頸路段交通特性。交通仿真是用數(shù)學(xué)模型復(fù)現(xiàn)交通流時(shí)間空間變化的技術(shù)。是分析交通系統(tǒng)在各種設(shè)定條件下的可能行為，以尋求現(xiàn)實(shí)交通問題最優(yōu)解的一種手段，也是評價(jià)運(yùn)輸設(shè)施各類運(yùn)用設(shè)計(jì)方案效果的有效方法。根據(jù)交通仿真研究的層次不同，可以分為三個(gè)方面：宏觀交通仿真(MacroscopicTrafficSimulation)、中觀交通仿真(MesoscopicTrafficsimulation)和微觀交通仿真(MicroscopicTrafficSimulation)。根據(jù)快速路瓶頸的時(shí)空特點(diǎn)，它通常是在一個(gè)不大的時(shí)空尺度內(nèi)出現(xiàn)的交通現(xiàn)象，故應(yīng)該采用微觀仿真手段進(jìn)行分析。2瓶頸交通流分析2.1實(shí)驗(yàn)線路介紹本報(bào)告選擇了上海內(nèi)環(huán)高架快速路西北段內(nèi)圈武寧路至鎮(zhèn)坪路路段作為分析對象。其道路線形均為平直路段，車道寬度和限速相同，下游均為單向雙車道快速路，但其匯入方式稍有差別。該分析路段包含兩個(gè)出口匝道，分別連接武寧路和鎮(zhèn)坪路，一個(gè)武寧路入口匝道。從上游到下游依次為在武寧路下匝道、武寧路上匝道和鎮(zhèn)坪路下匝道。其中武寧路上匝道最初有兩個(gè)車道，武寧路下匝道和鎮(zhèn)坪路下匝道各有一個(gè)車道。該路段因駛?cè)朐训涝O(shè)置問題而形成了一個(gè)常發(fā)性的瓶頸點(diǎn)。該路段在主線和匝道上均埋設(shè)有線圈檢測器 24小時(shí)記錄車輛的通行情況。本報(bào)告的實(shí)測數(shù)據(jù)來源于2010年7月30日的上海市快速路感應(yīng)線圈檢測數(shù)據(jù)， 檢測參數(shù)包括以車道為基礎(chǔ)的流量、點(diǎn)速度、占有率，每20s系統(tǒng)上傳一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理之后形成快速路每5min的流量、點(diǎn)速度、占有率。主線線圈布設(shè)位置如圖 1中所示，為簡便起見，以37、38、39、40、41沿行駛方向依次代表為主線上的5個(gè)檢測器，并以五個(gè)檢測器的位置為準(zhǔn)將該分析路段依次分為I、II、山、IV四個(gè)子路段。在三個(gè)匝道上也分別布置有檢測器， 分別以WNO、WNI和ZPO來表示。具體的線路走向和匝道檢測器位置如圖1-1和1-2所示。

圖2-1分析路段走向圖37 38 39 40 41J_LU__i__L1圖2-2路段檢測器位置與匝道關(guān)系示意圖2.2交通流瓶頸分析通過對當(dāng)日檢測器的數(shù)據(jù)的初步分析，繪制出圖表反映當(dāng)日交通流的變化，可以初步判定交通瓶頸產(chǎn)生的時(shí)空范圍，進(jìn)一步通過對交通流參數(shù)閾值的分析，可以較為準(zhǔn)確的劃分出獨(dú)立瓶頸的時(shí)空邊界，以確定下一步仿真分析的范圍。（1）流量變化路段單日流量變化圖Qoysmz1=口A呂落Qoysmz1=口A呂落ooIHtslEriooogTQoLrlrn日000寸尋L口0昂我口000召00LH2TOOOQU00官2OOOT600曰必Q0白削卜Q0苗壘9呂oEbn NNX-3/NNX-33 NNX-39 NNX-40 NNX-3/圖2-3路段單日流量變化圖（主線檢測器）在主線上，通過對5個(gè)檢測器的流量數(shù)據(jù)的分析，繪制出了單日流量變化圖2-3,從圖中我們可以看到，主線路段各個(gè)檢測器的流量高峰出現(xiàn)在上午7:30前后，持續(xù)時(shí)間均較長直到晚上22時(shí)以后才有明顯降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，其中40號檢測器的流量數(shù)據(jù)在相同時(shí)間內(nèi)的5個(gè)檢測器中始終處于最高位，而37和41號檢測器的流量數(shù)據(jù)在各個(gè)時(shí)段均保持基本同步，同樣的現(xiàn)象有出現(xiàn)在38和39號檢測器之間。而這三組檢測器（40、37和41、38和39）的流量大小關(guān)系在一天時(shí)間內(nèi)較為穩(wěn)定。流最變化曲線圖00#二85000-1800#二85000-180^000000000G422越681-**008s8888ss0W2stfEs合ofrtE善寸giOUOM-I昂T8出啤龍00063OOOT二oootms$

3?圖2-4子路段流量變化曲線圖（考慮匝道流量）而進(jìn)一步將匝道的匯入和流出流量考慮在內(nèi)后， 我們繪制出了按4個(gè)子路段的流量變化圖2-4。圖中的流量變化數(shù)值越大，表示上游和下游的流量差異越大，即是下游的瓶頸效應(yīng)越嚴(yán)重。在圖中，14點(diǎn)至17點(diǎn)之間，子路段I的流量變化較大，反映出檢測器39的下游路段有可能在這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了瓶頸效應(yīng)。而整個(gè)子路段 IV的流量變化相對最小，說明在檢測器40的下游當(dāng)日均無明顯的瓶頸現(xiàn)在產(chǎn)生。(2)速度變化對各個(gè)檢測器的速度分析，采用了下游與上游檢測器的速度差來分析路段的交通流運(yùn)行狀況，這個(gè)差值越大，表示下游的交通狀況越好于上游，即是上游可能出現(xiàn)交通瓶頸。由圖2-5知，在當(dāng)日整個(gè)一天的時(shí)段內(nèi)，子路段IV的速度差均大于0,表示了路段IV的上游可能出現(xiàn)了瓶頸造成了速度的下降。同理，在 9點(diǎn)到12點(diǎn)和13點(diǎn)到16點(diǎn)兩個(gè)時(shí)間段，子路段I的速度差達(dá)到了兩個(gè)負(fù)向峰值，說明它的下游出現(xiàn)了局部的擁堵造成了速度的下降。速度變化曲線圖■IV■III■II?i-60 -20 0 20 40 60圖2-5子路段速度偏差直方圖最后，根據(jù)當(dāng)日的實(shí)測數(shù)據(jù)繪制出了快速路速度時(shí)空分布 contour圖。從圖2-6中可以發(fā)現(xiàn)，以速度小于60km/h為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)日共出現(xiàn)了三個(gè)獨(dú)立瓶頸，第一個(gè)出現(xiàn)的時(shí)間范圍在上午大約9點(diǎn)至12點(diǎn)，空間范圍在檢測器整個(gè)分析路段上。而另外兩個(gè)獨(dú)立瓶頸或者空間范圍超出了分析路段，或者持續(xù)時(shí)間過短，均不適宜作為獨(dú)立瓶頸來分析，故選擇了圖中最早的第一個(gè)瓶頸進(jìn)行仿真分析

41O-O700393」0lCJat5p83124022.1331.65416751.M61.0270.75&Q.4Q90.2041O-O700393」0lCJat5p83124022.1331.65416751.M61.0270.75&Q.4Q90.204804:14:2419:1224:00圖2-6快速路速度時(shí)空分布contour圖3仿真基本模型在微觀仿真平臺vissim中建立基本仿真模型，包括路網(wǎng)建立、流量輸入、駕駛行為分析。在此階段的仿真基本參數(shù)采用 vissim平臺默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。為了采集數(shù)據(jù)，對應(yīng)實(shí)際路段上的檢測器布設(shè)的位置，在仿真模型中同樣建立了相

應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器用于收集仿真過程中的數(shù)據(jù)。 仿真模型中的數(shù)據(jù)采集器與實(shí)際的檢測器的對應(yīng)關(guān)系如下表3-1所示。表3-1模型數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和檢測器對應(yīng)關(guān)系表仿真模型中的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)對應(yīng)檢測器Measurement 1:DataCollectionPoint(s)137Measurement 2:DataCollectionPoint(s)2Measurement 3:DataCollectionPoint(s)3Measurement 4:DataCollectionPoint(s)438

Measurement5:DataCollectionPoint(s)5Measurement6:DataCollectionPoint(s)6WNOMeasurement7:DataCollectionPoint(s)739Measurement8:DataCollectionPoint(s)8Measurement9:DataCollectionPoint(s)940Measurement10:DataCollectionPoint(s)10Measurement11:DataCollectionPoint(s)1141Measurement12:DataCollectionPoint(s)12Measurement13:DataCollectionPoint(s)13WNIMeasurement14:DataCollectionPoint(s)14Measurement15:DataCollectionPoint(s)15ZPOMeasurement16:DataCollectionPoint(s)16Measurement17:DataCollectionPoint(s)17(additional)在vissim中建立的仿真模型如下圖所示:

圖3-2主要瓶頸路段局部放大圖4仿真參數(shù)標(biāo)定過程本次仿真分析的關(guān)鍵在于仿真參數(shù)的標(biāo)定。在建立基本仿真模型的基礎(chǔ)上，通過對影響仿真準(zhǔn)確度的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整才能達(dá)到較準(zhǔn)確模擬快速路獨(dú)立瓶頸形成和消散的全過程中交通流狀態(tài)的變化。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的介紹，vissim中與駕駛行為有關(guān)的模型參數(shù)中，對模型標(biāo)定結(jié)果影響較大的參數(shù)包括CC0CC1CC2等。具體參數(shù)見下表3-20表4-1Vissim模型中部分通用交通流參數(shù)一覽表模型通用參數(shù)類Vissim提供的參數(shù)平均跟隨車頭時(shí)距（或空距）期望跟馳距離（CC0）期望車頭時(shí)距（CC1）跟馳隨機(jī)振蕩距離（CC2）駕駛員反應(yīng)時(shí)間觀察前方車輛數(shù)（NOV）車道變換距離及相關(guān)參數(shù)緊急停車距離（ESD）車道變換距離（DLCD）等待換道消失時(shí)間（WTBD）

排隊(duì)狀態(tài)下車輛的最小間隔平均靜止距離（ASD）附加安全距離（APSD安全距離增量（MPSD）通過比較分析，最終選擇了期望跟馳距離（CC0期望車頭時(shí)距（CC1跟馳隨機(jī)振蕩距離（CC2和等待換道消失時(shí)間（WTBD）作為修正參數(shù)對原始仿真模型進(jìn)行修正和調(diào)整。參考部分文獻(xiàn)的資料和與同學(xué)的討論，確定了一下 6個(gè)參數(shù)組合對仿真模型進(jìn)行表4-2模型修正參數(shù)組合表參數(shù)CC0（m）CC1（s）CC2（m）WTBD（s）組合11.200.904.0060.00組合21.200.904.0040.00組合31.501.204.0040.00組合41.501.203.0040.00組合51.201.203.0040.00組合61.200.904.0060.005標(biāo)定結(jié)果評價(jià)及分析（1）仿真精度判斷：按照每5分鐘在每個(gè)分析區(qū)線圈實(shí)際檢測數(shù)據(jù)和仿真提取數(shù)據(jù)做比較。 根據(jù)下表所示的評價(jià)指標(biāo)C1、C2、GEH和速度相對誤差來評價(jià)仿真模型的精度。表5-1仿真評價(jià)指標(biāo)要求介紹評價(jià)指標(biāo)含義要求實(shí)際與仿真在瓶頸范圍（時(shí)間和空間上）>0.75C1（BottleneckAreaMatching）的匹配程度C2（ActualSpeedMatching）反映范圍匹配以及實(shí)際速度的匹配>0.70GEH由GeoffreyE.Havers提出，旨在比較兩組流量數(shù)據(jù)的匹配程度<5速度相對誤差<15%

其中，C1、C2和GEH的計(jì)算公式如下圖所示。NT[BSs(i,t)BSr(i,t)])(Xj-xj}C 空t=11 N T[BSs(i,t)BSr(i,t)])(Xr-Xi)}(5-1)i=1(5-1)NT[BSs(i,t)BSr(i,t)]|Ss(i,t)-Sr(i,t)|)(Xi-Xi)}C「亠丄C2-I-NT'{('[BSs(i,t) BSr(i,t)][Ss(i,t)Sr(i,t)])(Xi-x)}vt1 (5-2)GEH(5-3)(E(i,t)-V(i,t))2GEH(5-3)\(E(i,t)V(i,t))2各個(gè)參數(shù)組合條件下的評價(jià)指標(biāo)值計(jì)算結(jié)果如下表 5-2所示表5-2模型修正指標(biāo)評價(jià)表評價(jià)指標(biāo)C1C2GEH速度