基于遗传算法的高速公路施工区交通仿真研究

孙佳豪 胡江涛 朱嘉钰 由冰玉 黄子路

摘  要：若要科学、有效地开展高速公路施工区交通仿真分析，需要对仿真模型的参数进行标定，标定工作必须符合实际交通规律，且具有可复用性。文章采用无人机视频录制法进行交通流数据采集，基于遗传算法进行了仿真模型的自动化标定程序设计，完成了封闭超车道施工区仿真模型参数的标定工作，并证明了参数标定的有效性，最终运用标定好的仿真模型，进行了施工区交通运行状态建模仿真及交通影响分析。

关键词：高速公路;交通仿真;参数标定;交通影响分析

中图分类号：TP391.9                   文献标识码：A文章编号：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，我國公路里程达519.81万公里，其中高速公路里程达16.1万公里，公路运输系统对经济社会发展的支撑作用显著提升。然而，现存的高速公路修建时期不一，为适应新的交通运输服务需求，需要对一些不满足服务需求的高速公路路段进行改扩建施工，另外还需要对一些达不到交通安全要求的路段进行养护维护施工，因此高速公路施工区已成为高速公路网的重要组成部分。

我国高速公路施工区的布置及管理通常参照《公路养护安全作业规程》中的典型养护作业控制区布置要求，其布置条件及分类相对单一，难以适应各种交通工况。若要优化施工区布置，需要进行实地调查及实验，这样将会耗费大量的人力和物力，借助计算机仿真技术可有效解决这一问题。目前市面上的交通仿真软件数不胜数，但这些软件的默认配置参数难以符合特定区域的交通运行规律，因此需要对其参数进行标定。

近年来，国内外多位学者基于特定区域的交通调查数据，利用遗传算法（GA）、模拟退火算法（SA）、禁忌搜索（TS）等多种算法进行了微观仿真模型的标定工作，并利用标定好的模型进行了交通影响评估及施工方案评定[1-4]。21世纪以来，随着国内交通运输规划及管理的加强，基于计算机辅助的模型标定、优化方法越来越多地应用于交通问题的解决当中，国内多位学者针对不同的交通问题，采用多种模型评价指标及数学算法，完成了对交通仿真模型的标定、优化及求解[5-12]。

本文以双向四车道高速公路封闭超车道施工区为例，建立VISSIM仿真模型，基于遗传算法原理对待标定参数进行编码，设计适用于特定交通场景的适应度函数，通过遗传算子模拟遗传过程，并实现仿真模型的自动化标定，从而为施工区仿真模型参数标定提供可靠、高效的方法，为高速公路施工区布置的优化工作提供支撑。

1  施工区交通特性分析

为达到较高的仿真真实度，必须以一定量的实际交通运行数据为基础，建立模型并进行相应的可靠度检验，因此需要对实际高速公路施工区路段进行交通调查。

1.1  交通调查

采用无人机录像法，对某高速公路施工区路段进行视频录制，共录制长达4小时的交通运行视频，用于提取交通量、交通组成、车头时距、车速分布、换道特性等交通流参数。调查地点施工区布置如图1所示。

1.2  统计结果分析

1.2.1  交通量与交通组成

调查数据共涉及1 498辆小型车和827辆大型车，高峰小时交通量为614 veh/h，分时段交通量统计如图2所示。

1.2.2  车头时距

车头时距定义为前后车的车头通过同一位置的时间差，该指标的分布可在一定程度上反映出某路段的通行效率和行车风险水平。在施工区路段中，警告区后部至上游过渡区是车辆进行换道及减速的区段，是施工区的交通瓶颈和高风险区，需要分车道统计该区段的车头时距，其中，超车道上的平均车头时距为7.01 s，行车道上的平均车头时距为6.38 s，由此可知该路段处于低交通量状态。

1.2.3  车速

車速同样可以反映施工区通行效率和行车风险水平，针对上游正常路段、警告区和作业区，分别统计小型车和大型车的车速，其分布结果均服从正态分布，三个区段的平均车速、运行速度及车速方差如表1所示。

1.2.4  换道特性

根据封闭超车道施工区的布置情况，车辆需要在警告区后部或上游过渡区进行车道变换，一般认为，换道位置越靠后，与相邻车道车辆发生冲突的风险系数越高，因此车辆换道位置的分布对行车安全评估具有重要意义。鉴于大部分换道行为来源于小型车，因此主要针对小型车进行统计，车辆换道位置分布如图3所示。

统计结果显示，大部分车辆均在警告区末端换道，另有7.5%的车辆选择在上游过渡区前部换道，属于强制性不安全换道行为。经过对车辆换道位置的进一步研究，发现其大致符合卡方分布，如式（1）所示，换道位置分布拟合如图4所示。

2  标定参数敏感性分析

2.1  施工区仿真模型建立

使用VISSIM软件建立高速公路封闭超车道施工区模型，为简便起见，本文所建模型仅包含单向路段。施工区按照实际调查的施工区（图1）进行布置，如图5所示，车道宽度为3.75 m。同时，通过设置VISSIM中一系列驾驶行为参数，模拟实现施工区内各标志的位置设置和设置效果。

2.2  模型评价指标选取

交通流特性中可用于评价仿真模型的指标有很多，如交通量、断面车速、排队长度、排队次数、行程时间、延迟时间、车道占有率、停车次数等，在选取模型评价指标时，应遵循易得性、代表性、敏感性原则。为体现封闭超车道施工区特点，基于前文的交通特性分析结果，最终选取交通量、断面车速分布和换道位置分布为模型评价指标。下面将对评价指标进行敏感性分析，为减小误差，实验中使用不同随机种子，对多次仿真结果取平均值。

2.2.1  交通量

仿真结果表明，通过施工区的交通量与实际交通量基本相符，因此交通量不作为仿真模型标定的评价指标。另外，对于不同的随机种子，其交通量也不同，因此可取多次仿真结果的平均值进行分析。

2.2.2  断面车速

选取与施工区交通调查测速点相同的位置，对仿真结果进行提取，结果表明，仿真结果与调查数据的相对误差较小，因此断面车速也不作为仿真模型标定的评价指标。

2.2.3  换道位置分布

如图6所示，对车辆换道位置进行统计，对比换道位置分布拟合曲线。由图6可知，换道位置仿真情况与实际情况相差较大，表明换道位置分布较为敏感，因此应作为重要的仿真模型评价指标。

2.3  参数敏感性分析

将不同位置换道车辆比例的仿真值与实测值的方差E作为敏感性分析指标，用以反映换道位置的仿真效果，计算公式为：

（2）

其中，Nlci为区间i的换道车辆数仿真值，Alci为区间i的换道车辆数实测值，n为区间数量。

根据VISSIM二次开发手册，可编辑的相关驾驶行为参数共23个，分别以10%的幅度调整备选参数，经过多次仿真运行，敏感性分析结果如表2、表3所示。

根据备选参数的敏感性进行排序，从23个备选参数中选出敏感性大于3%的8个参数：CC0（停车间距）、CC1（车头时距）、CC3（进入跟车状态的阈值）、CC4（消极跟车状态的阈值）、CC5（积极跟车状态的阈值）、CC6（车速振动）、CC7（加速度波动幅度）、安全距离折减系数，将这8个参数用作待标定的仿真模型参数。

3  遗传算法标定程序设计

3.1  遗传算法概述

遗传算法（Genetic Algorithm， GA）是一种启发式算法，模拟了生物进化自然选择和遗传机理的计算模型，被广泛应用于各个领域的优化求解问题中。遗传算法的一般步骤为：（1）基因编码。即待标定参数的编码工作，对应种群的遗传基因。（2）初始化种群。多组待标定参数的初值，作为参数可选集合。（3）评价个体适应度。即设定待优化的目标函数，模拟优胜劣汰规则。（4）遗传操作。即淘汰不良参数组合、交叉重组参数和单个参数突变，用以模拟遗传规律。

通过重复步骤（3）～（4），即模拟自然界中的进化过程，从而最终逼近或得到最优解。遗传算法的大体流程如图7所示。

3.2  适应度函数设计

适应度函数沿用敏感性分析指标，即车辆换道位置分布仿真值与实际值的方差E，方差越小，表明个体基因对环境的适应度越高。为便于处理，对方差结果取倒数，则适应度函数为：

（3）

式中各变量的含义同式（2）。

3.3  遗传算子设计

3.3.1  选择算子

自然选择过程中，适应度差的个体不会被直接淘汰，而是有着较低的生存概率，通常使用“轮盘赌”法进行模拟，即个体生存概率表示为：

（4）

其中，Pi为个体i的生存概率，Fi为其适应度，Fj为同一种群中个体j的适应度函数值。实现代码为：

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

交叉算子模拟了遗传中的基因重组，本文采用十进制基因编码，采用随机权重的方法对两个个体的基因进行组合，以基因x1为例，两个父代个体产生下一代的基因x1为：

（5）

其中，为子代个体基因x1的值;和分别为两个父代个体基因x1的值，r为取值为（0，1）的随机数。实现代码为：

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  變异算子

变异算子的引入可在一定程度上打破最终解的局限性，根据所设定的突变概率，决定是否执行变异操作。同样以基因x1为例，变异后的基因x1为：

（6）

其中，为变异后基因x1的值，x1min为基因x1的最小取值;Δx1为基因x1的取值范围，r为随机数。实现代码为：

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  运行结果检验

将上述子模块进行组装，并配以Form操作界面，封装成封闭超车道施工区仿真模型标定程序，软件界面如图8所示。将种群数量设置为50，变异概率设置为0.05，最终将迭代稳定时的子代基因视为标定结果，为（2.51，0.56， -10.43，-0.27，0.91，12.98，0.35，0.90），采用默认参数时的换道位置方差为63.53，标定后为29.18，标定后的车辆换道位置分布如图9所示。

结果表明，经过标定的换道位置分布更符合实际情况，主要体现在集中换道位置的后移，由于受VISSIM软件版本功能及算法时耗的限制，仿真结果与实际情况仍存在一定的差距，但却为施工区仿真模型的标定工作提供了新的思路和方向。

4  施工区布置优化

4.1  施工区交通影响评价方法

对于存在瓶颈路段的封闭超车道施工区，通行能力评价是最简单、最直观的通行效率评价方法，合流区的交通冲突指标为更具代表性的交通安全评价指标。其中，交通冲突水平可通过美国联邦公路管理局发布的一款安全评估模型软件（SSAM）来检验与衡量，该软件可对VISSIM生成的车辆轨迹评估文件进行分析，提取最短碰撞时间（TTC）、最小侵入时间（PET）、追尾冲突数、换道冲突数以及冲突事件的地点等数据。

本文将从换道起始位置和限速值两个方面对施工区交通影响进行评价。

4.2  换道起始位置设置

为探究换道起始位置对施工区交通运行的影响，将换道起始位置分别设置为距离上游过渡区250 m、500 m、750 m、1 000 m、1 250 m、1 500 m、1 750 m，分别进行仿真运行。

4.2.1  通行能力

改变换道起始位置至上游过渡区的距离，增加施工区上游输入交通量，统计最大输出交通量作为衡量施工区最大通行能力的指标，仿真结果表明，改变换道起始位置对施工区最大通行能力的影响不大。

4.2.2  换道位置分布

按照实际施工区设置，即换道起始位置至上游过渡区500 m时，上游过渡区内的不安全换道比例为11.84%（调查数据为7.5%），不安全换道比例与换道起始位置的关系如图10所示。由仿真结果可知，换道位置起点在1 000 m左右时达到基本平缓。

4.2.3  交通冲突

不同换道起始位置的施工区冲突数如表4所示。

由实验结果可知，随着换道起始位置至上游过渡区距离的逐渐增大，追尾冲突数与换道冲突数均逐渐减小，其中追尾冲突数略大于换道冲突数，当换道起始位置至上游过渡区的距离超过某一数值后，冲突数将减小为零。

4.3  限速值设置

通过设置不同的限速值，分别进行仿真实验，统计施工区最大通行能力，仿真结果表明，限速值在70 km/h左右时达到最大通行能力，限速值大于70 km/h时，通行能力开始下降。在研究限速值对施工区交通冲突的影响时，分别针对低交通量状态（500 veh/h）及饱和交通量状态（1 000 veh/h）时的限速影响进行了仿真研究，结果表明60 km/h的限速值相对来说更为合理。

5  结  论

高速公路施工区作为高速公路网的重要组成部分，其具体布置需要适应不同工况并满足交通运输服务需求，因此对其进行研究是十分必要的。借助计算机仿真技术进行研究可大大提高效率，但前提条件是仿真模型本身的可靠性，这意味着科学合理的标定工作是仿真研究中不可或缺的重要环节。本文首先通过交通调查分析了封闭超车道施工区的交通特性，并以交通特性为依据进行了标定工作的自动化程序设计，创建了具有针对性、可移植性的仿真模型标定流程，为后续基于仿真模型的一系列交通问题研究提供了有力支撑。

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作者简介：孙佳豪（1996-），男，汉族，河北石家庄人，助理工程师，硕士，研究方向：计算机在市政交通中的应用。