基于VISSIM 仿真的交织区通行能力分析实验设计

李 根 （南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037）

0 引 言

随着信息技术和人工智能的快速发展，交通运输行业的发展正在从传统的基础设施建造技术转向基于现代化技术的运行管理与服务。2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，要求高校结合新兴产业与新经济的需求，引领新兴产业与新经济的未来发展。“交通仿真实验”课程基于现代化的信息和系统科学，对于培养具有创新创业意识、数字化思维和跨界整合能力的新工科人才具有非常重要的意义[1-8]。

以往的教学往往将该课程定位成为软件的实操培训课，过于注重教授使用软件的能力。交通仿真作为一种新一代交通信息技术，应该注重其与交通规划、交通工程学等其他专业理论课之间的联系，培养学生使用交通仿真技术解决实际交通问题的能力[9-16]。

本文基于交通仿真实验平台，针对交通工程学中的交织区通行能力分析问题设计了一套完整的实验方法，能够培养学生分析复杂工程问题、设计解决方案和使用现代工具的能力，支撑交通工程专业的毕业要求和培养目标。

1 交织区基本概念

在道路上行驶的交通流中，一条驶入匝道后面紧接着一条驶出匝道，并在它们之间有辅助车道连接，或者当一个合流区的后面紧接着一个分流区时，从而引起交通流进行交叉的区域即为交织区。如表1 所示，根据交织车辆通过交织路段时必须执行的最少车道交换次数来进行划分，可以将交织区构型划分为A、B、C 三种类型[17-18]。

表1 交织构型的划分标准

2 评价指标选择

影响交织区通行能力的主要因素有交织区交通流率、交织区长度以及交织区设计车速等，本文选择车辆数量、平均速度、延误等指标对主辅路交织区的整体通行能力进行仿真评价分析。

2.1 车辆数量

通过数据检测器得到对应的车辆通过数即为路段车辆数量，可以反映交织区的通行能力情况，在仿真模型中将数据采集点布设在主辅路交织区的后半部分，作为表示交织区通行效率的一个评价指标。

2.2 平均速度

VISSIM 仿真模型中的平均速度指的是对应于一定行程区间的区间平均速度，本文的仿真模型选定了主辅路交织段起点到交织段终点为行程区间，通过设置数据检测器来检测交织区车辆的平均速度。

2.3 延 误

延误指标是评价交织区运行效率的重要指标之一。本文选取的延误是指在仿真模型中车辆通过行程时间检测区段的时间（即实际行程时间） 与理论行程时间之间的差。VISSIM 仿真软件基于行程时间区段可以生成延误的数据，其中行程时间区段与计算平均速度的时间区段相同。

3 实验方法与实验流程

3.1 实验平台选择

交通仿真是通过基于现代计算机技术的仿真技术来模拟交通流特性的可能行为，跟踪和描述交通流运行在时间和空间的变化，是现实交通流最优化的一种方法，也是对各类交通组织设计方案及运输设施的有效评价的一种手段。因此，仿真的方法受到越来越多的关注，在许多重要的通行能力研究项目都会去使用仿真软件。

根据交通仿真模型对交通问题研究的不同方向和目的，可以将交通仿真分为微观、中观和宏观三个不同层次的交通仿真。目前，VISSIM、CORSIM、PARAMICS 等交通仿真软件在我国发展相对比较成熟且应用广泛，各个仿真软件的特点如表2 所示。

表2 各仿真软件及其特点

目前国内主流的交通仿真实验教材大多采用VISSIM 作为仿真平台，因此本实验采用该软件对于交织区进行仿真研究。

3.2 实验流程

首先通过对现状交通流的运行状况进行VISSIM 仿真评价，从而发现现状交通流运行存在的一些问题，然后优化运行系统，对交通流的组织设计方案进行评价，最后对实时交通系统状态进行评估。交通流仿真的基本流程如图1 所示。

图1 VISSIM 交通流仿真评价流程

在搭建模型的时候，为了避免造成车流的损失，需要分别给主线车流和进口辅道车流设置行驶路径。此外，需要对辅道的驶入车流设置优先通行的规则，辅道上的车辆只有在主线存在空隙的情况下才可以汇入，如果车辆行驶到交织区末端还没有成功汇入主线，则汇入车辆将会强行汇入。在主线的上游部分和连接段内，主线车流由于受到交织区交织车流的影响，会产生一个明显的减速现象，因此还需要设置减速区域和目标。

3.3 实验数据

本实验采用南京市某快速路与城市主干路相交处的交织区，其长度为230m，交织区段车道数共有5 条车道，其中主线为3车道，辅道为2 车道，交织区的构造形式为A 型交织。交通流主要由主线直行、主线进辅道、辅道直行和辅道进主线四股组成，如图2 所示。车辆主辅道变换区域即为交织区范围，交织区段的交织交通流包括主线进辅道和辅道进主线两股，非交织交通流包括主线直行和辅道直行两股。

图2 交织区交通流组成示意图

根据设计资料预测，2014 年、2022 年和2033 年各流向的高峰小时交通量数据如表3 所示。

表3 交织区各流向高峰小时交通量 单位：pcu/h

3.4 模型参数标定

使用VISSIM 进行交通仿真时，需要根据实测数据来标定仿真模型中的参数，即通过调整模型中的相关参数来使得仿真模型能够与实际的道路和交通条件相符合，以确保仿真模型可以取代真实实验，再现现实交通运行的状况。本文在搭建好仿真模型之后，结合设计资料数据对主辅路交织区的仿真参数进行设置，本文将仿真时间设置为1h，即VISSIM 中的仿真参数为3 600 秒，考虑实际条件与仿真经验，将仿真模型中的仿真精度设置为5，随机种子设置为42。

3.4.1 车辆构成

快速路实际道路的交通流是大、小客货等车型混行，由于车辆自身的物理特性和动力性能的不同，它们在道路中的期望车速、车辆之间的跟车和超车等条件不同。依据设计资料，快速路的交通组成中小汽车占多数，但是其他车型的所占比例也较大，将其他车型折算成当量小汽车进行仿真并不符合实际情况，因此在仿真模型中，车辆构成按照设计资料中的车型比例进行设置。

3.4.2 车辆驾驶行为

由于交织区的车道变换相比于快速路的其他路段更为复杂，如果不加以设定的话会致使车辆集中堵在交织区的下半部分区域，因此，在VISSIM 微观交通仿真软件中需要对车辆的车道变换模型进行修正，具体的修正结果如图3 所示。

图3 车道变换模型修正

3.4.3 期望车速

期望车速是指在特定的道路状况下，不受其他车辆的干扰，车辆处于自由行驶状态下使用的车速，是影响道路通行能力和交通流行程速度的最重要参数，期望车速的标定对仿真结果具有重要的影响，本文根据快速路主线、辅道的设计速度来标定期望车速，期望加速度的参数拟采用默认值。

4 实验结果分析

基于VISSIM 仿真软件搭建的仿真模型如图4 所示。

图4 交通仿真运行场景

通过对交织区进行VISSIM 交通仿真，得到了平均速度、车辆数量以及延误的评价数据，评价结果如表4 所示。

从表4 中数据可以看出，随着输入交通量的不断增大，最后并没有出现数据“堆积”的现象，即交织区仿真通过的交通量（车辆数量） 随着输入交通量的增加而增加，根据VISSIM 仿真的运行特点，这表明截至2033 年交织区的交通量仍然还没有达到交织区的通行能力，输入交通量均在交织区通行能力范围内。

表4 交织区仿真评价结果

交通量与速度和延误的关系如图5 所示，可以看出，同等条件下随着输入交通量的逐渐增加，车辆通过交织区的平均速度在逐渐降低，延误在逐渐增加，平均速度和延误与输入交通量基本上成线性关系，在通行能力范围内交通量越大、延误越大、平均速度越低。另外，也可以看出中大型货车所占比例对交织区的运行状态也存在一定的影响，相对来说中大型货车所占比例越低，对交织区的运行效果就越好。

图5 交通量与（a） 速度和（b） 延误折线图

5 结束语

交通仿真实验课程实践性极强。在以往的教学中，教师往往过于注重培养学生使用软件的能力，忽略了学生使用仿真解决问题的能力培养。为了让学生真正理解和掌握在实际工作中如何使用仿真软件解决交通工程问题，本文基于VISSIM 软件设计了交织区通行能力分析实验的流程。该实验能够促进学生理解、掌握交通工程学中通行能力的理论知识，培养学生使用现代化的工具分析、解决交通问题的能力。