徐成成，鄭 亮，薛新風(fēng) XU Chengcheng,ZHENG Liang,XUE Xinfeng

（中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市交通系統(tǒng)的建設(shè)快速增長(zhǎng)和完善，為人們出行提供了很大便捷，但也帶來(lái)了越來(lái)越多的問(wèn)題，如擁堵、安全、環(huán)境等。因此，需要建立科學(xué)合理的交通管控措施來(lái)緩解這些問(wèn)題。通常，有三種方法可用于驗(yàn)證管控措施的合理性：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)建模和仿真實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┳钪苯拥淖C明，但由于高昂的人力、物力和財(cái)力成本及較差的可行性被較少采用。數(shù)學(xué)建模雖易于操作，但是簡(jiǎn)單和解析的數(shù)學(xué)模型很難刻畫隨機(jī)的、非線性和復(fù)雜的交通巨系統(tǒng)。目前為止，認(rèn)可度最高且使用范圍最廣的是通過(guò)成熟的仿真軟件來(lái)評(píng)價(jià)交通管控措施的科學(xué)性和合理性[1]。

成熟的仿真軟件可以提供優(yōu)秀、可靠的仿真環(huán)境，但只使用仿真軟件來(lái)評(píng)價(jià)交通管控措施面臨諸多問(wèn)題。例如，只能利用仿真軟件中已有的功能設(shè)計(jì)交通管控策略和評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于無(wú)法在仿真軟件中實(shí)現(xiàn)的管控策略則不能評(píng)價(jià)。為此，目前比較成熟的仿真軟件都提供了應(yīng)用程序接口，研究者可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和評(píng)價(jià)方法。同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用程序接口將仿真軟件和優(yōu)化算法結(jié)合起來(lái)，搭建高效、可靠的仿真控制/優(yōu)化平臺(tái)為研究交通管控問(wèn)題提供了技術(shù)支持，具有重要的理論和實(shí)踐意義。陳德望等[2]將TSIS、VC、MATLAB集成，構(gòu)建交通控制仿真平臺(tái)。陳茜等[3]利用接口原理將VC與TSIS集成構(gòu)建仿真平臺(tái)，評(píng)價(jià)了交通管理措施對(duì)大型活動(dòng)交通消散影響。李文勇等[4]利用接口原理將TSIS和VC進(jìn)行集成，對(duì)交通誘導(dǎo)進(jìn)行仿真分析。Liu等[5]研究了Paramics軟件的二次開發(fā)功能在感應(yīng)信號(hào)控制、信號(hào)協(xié)調(diào)、匝道控制方面的應(yīng)用。Yin[6]等利用Paramics軟件的應(yīng)用程序接口研究了匝道控制公平性的問(wèn)題。盧守峰等[1]利用COM接口技術(shù)和Excel Link將VISSIM、Excel VBA和MATLAB進(jìn)行集成，構(gòu)建仿真平臺(tái)。連仁包[7]利用COM接口技術(shù)和MATLAB引擎將.NET、VISSIM和MATLAB進(jìn)行集成，構(gòu)建交通仿真平臺(tái)。Tettamanti等[8-9]利用COM接口，將MATLAB、C++和VISSIM進(jìn)行集成，并實(shí)現(xiàn)與一個(gè)真實(shí)信號(hào)機(jī)的通信，研究了模型預(yù)測(cè)控制策略（MPC）對(duì)城市管理的影響，在此基礎(chǔ)上，又利用COM接口、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和MATLAB引擎接口技術(shù)，將VISSIM、VISUM、MATLAB進(jìn)行集成，研究了城市交通網(wǎng)絡(luò)管理與控制問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于VISSIM集成仿真控制/優(yōu)化的研究文獻(xiàn)較少。本文旨在研究微、宏觀交通仿真模擬器VISSIM/VISUM與MATLAB的集成技術(shù)。該技術(shù)利用MATLAB為控制器，并編寫交通管控模型及優(yōu)化算法，通過(guò)COM接口技術(shù)調(diào)用VISSIM/VISUM的仿真對(duì)象，并控制交通仿真的運(yùn)行，而仿真相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)COM接口技術(shù)返回MATLAB控制器。本文提供的方法不需要借助動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)和MATLAB引擎接口技術(shù)，可以簡(jiǎn)易高效地實(shí)現(xiàn)VISSIM、VISUM、MATLAB這三者之間的相互通信。

1VISSIM和VISUM簡(jiǎn)介

VISSIM是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的微觀建模工具，用于城市交通和公共交通運(yùn)行的交通建模。VISSIM可以分析各種交通條件下的城市交通的運(yùn)行狀況，如車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號(hào)、公交站點(diǎn)等，是評(píng)價(jià)交通工程和城市規(guī)劃方案的有效工具。

VISUM是一種適用于交通規(guī)劃、交通需求建模及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的綜合性、高靈活性的宏觀仿真軟件。VISUM軟件系統(tǒng)由需求模型、路網(wǎng)模型和影響模型組成。其中，需求模型采用基于起訖點(diǎn)的方法或基于活動(dòng)鏈的方法，通過(guò)各種類型需求的交通方式來(lái)計(jì)算出行需求。路網(wǎng)模型是一個(gè)包含私人交通和公共交通相關(guān)信息的多方式交通網(wǎng)絡(luò)。影響模型可以分析和綜合評(píng)估交通系統(tǒng)產(chǎn)生的一系列影響結(jié)果。

VISSIM可以將其微觀的路網(wǎng)信息，如路段長(zhǎng)度、車道數(shù)量、交通組成、駕駛行為參數(shù)等，導(dǎo)入VISUM，形成宏觀的路網(wǎng)。VISUM也可以將其宏觀的路網(wǎng)信息，如路段長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)、OD矩陣等，導(dǎo)入VISSIM，形成微觀路網(wǎng)。

當(dāng)前主流的微觀交通模擬器有：VISSIM、TransModeler、Synchro、S-Paramics、Q-Paramics、TSIS、AIMSUN[10]。主流的宏觀交通模擬器有：VISUM、TransCAD、Cube、Emme。相比于其他仿真模擬器，VISSIM和VISUM同為PTV開發(fā)的產(chǎn)品，將微觀和宏觀仿真模型無(wú)縫集成，與GIS集成，并且提供了全面的二次開發(fā)接口，另一方面支持腳本編寫，可以按照自己的需求修改、設(shè)計(jì)某些模塊，如：駕駛員行為模塊，車聯(lián)網(wǎng)模塊，信號(hào)機(jī)模塊，排放模塊，收費(fèi)模塊等。因此，相比于其他交通模擬器，VISSIM和VISUM更適合本文的研究。

2COM接口技術(shù)

COM（Component Object Model，組件對(duì)象模型），是由微軟推出的一套接口規(guī)范，通過(guò)設(shè)定不同組件之間需要遵守的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，主要用來(lái)跨語(yǔ)言、跨進(jìn)程之間的模塊通信。它遵循一些二進(jìn)制和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)這種標(biāo)準(zhǔn)可以在任意兩個(gè)組件之間進(jìn)行通信而不用考慮其所處的操作環(huán)境是否相同、使用的開發(fā)語(yǔ)言是否一致以及是否運(yùn)行于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)。COM允許開發(fā)者開發(fā)出各種各樣功能專一的組件，然后將它們按照需要組合起來(lái)，構(gòu)成復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。COM具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以將系統(tǒng)中的組件用新的替換掉，以便隨時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)和定制；（2）可以在多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中重復(fù)利用同一個(gè)組件；（3）可以方便地將應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下；（4）支持不同語(yǔ)言對(duì)組件的訪問(wèn)。COM組件以接口對(duì)功能進(jìn)行分類，便于組織、升級(jí)、維護(hù)，同時(shí)COM組件可以輕松實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間調(diào)用和分布式調(diào)用等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用。

VISSIM和VISUM都提供了COM接口，在安裝的時(shí)候，軟件默認(rèn)會(huì)自動(dòng)安裝COM組件，凡是支持COM技術(shù)的語(yǔ)言都可以訪問(wèn)這些組件，從而達(dá)到二次開發(fā)的目的。VISSIM和VISUM的COM接口定義了一個(gè)層次模型，通過(guò)COM，使用者可以控制用戶模型中幾乎每一個(gè)元素，其中最初由用戶圖形界面提供的模擬器的功能和參數(shù)均可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)[11-12]。MATLAB支持COM接口技術(shù)，可以直接訪問(wèn)VISSIM和VISUM中的組件。

3VISSIM/VISUM與MATLAB的集成技術(shù)

MATLAB是目前廣泛使用的高級(jí)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，包含了大量的工具箱和庫(kù)函數(shù)，廣泛用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算等方面。本文將集成VISSIM、VISUM與MATLAB三種軟件，利用VISSIM和VISUM提供的優(yōu)秀可靠的仿真環(huán)境，MATLAB高效的矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析的能力，構(gòu)建先進(jìn)的交通仿真控制平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)MATLAB與VISSIM/VISUM之間相互通信的常見方法有如下幾種：

（1）直接利用COM接口。結(jié)合上一部分的內(nèi)容，MATLAB可以通過(guò)COM接口直接調(diào)用VISSIM/VISUM。

（2） 借助MATLAB引擎和其他編譯器。使用Visual Studio（C/C++、VB、.NET）、Excel（VBA） 等編譯器作為主控程序，通過(guò)MATLAB引擎調(diào)用MATLAB，通過(guò)COM接口調(diào)用VISSIM/VISUM。該方法需要MATLAB運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行速度慢。

（3）轉(zhuǎn)譯M文件。利用MATLAB將M文件編譯成C/C++文件，Visual Studio直接調(diào)用C/C++文件，通過(guò)COM接口調(diào)用VISSIM/VISUM。該方法允許應(yīng)用程序脫離MATLAB環(huán)境，但是由于Visual Studio不能完美識(shí)別轉(zhuǎn)譯的C/C++文件，兼容性差。

本文選擇操作最簡(jiǎn)單，兼容性最好的第一種方式，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。以MATLAB作為控制器，通過(guò)COM接口直接調(diào)用VISSIM對(duì)象和VISUM對(duì)象，VISSIM與VISUM的仿真數(shù)據(jù)也可以通過(guò)COM接口返回MATLAB控制器，從而實(shí)現(xiàn)VISSIM/VISUM與MATLAB之間的數(shù)據(jù)交互。上述集成技術(shù)操作簡(jiǎn)單，不需要調(diào)試配置文件，適用范圍廣，為廣大科研工作者研究交通仿真控制/優(yōu)化問(wèn)題提供了可行有效的方法。

具體地，采用COM接口技術(shù)進(jìn)行集成的一般步驟如下：

（1） 預(yù)先建立VISSIM/VISUM路網(wǎng)；

（2） 創(chuàng)建 VISSIM/VISUM COM server；

（3）加載VISSIM的路網(wǎng)文件和配置文件；加載VISUM的主文件；

（4）定義VISSIM/VISUM的子對(duì)象，如：Simulation，Link等；

（5）初始化參數(shù)，如：仿真周期、仿真速度、流量輸入等；

圖1 MATLAB和VISSIM/VISUM接口原理

（6） 控制VISSIM/VISUM仿真運(yùn)行。

VISSIM/VISUM COM對(duì)象模型有一個(gè)嚴(yán)格的對(duì)象等級(jí)，如果要進(jìn)入不同的低等級(jí)對(duì)象，就必須按照這個(gè)等級(jí)來(lái)進(jìn)行操作，如：要訪問(wèn)VISSIM中的simulation對(duì)象就必須先訪問(wèn)VISSIM對(duì)象。在VISSIM和VISUM中，VISSIM和VISUM分別是最高等級(jí)對(duì)象，其他的對(duì)象都是它們的子對(duì)象。以下代碼說(shuō)明了如何利用MATLAB調(diào)用VISSIM/VISUM運(yùn)行仿真。

4 集成VISSIM/VISUM與MATLAB的多精度交通仿真平臺(tái)的實(shí)例研究

根據(jù)研究的需要可從不同粗粒程度進(jìn)行交通仿真：微觀層面，把每輛車作為基本單元，獲得比較精確的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是需要花費(fèi)大量時(shí)間；宏觀層面，把交通流作為基本研究對(duì)象，可快速得到交通評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是結(jié)果精度不高。本研究綜合考慮了微觀仿真和宏觀仿真的優(yōu)勢(shì)，集成了VISSIM/VISUM和MATLAB的交通仿真控制/仿真平臺(tái)，并根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)路網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

研究實(shí)例是以一個(gè)虛擬的路網(wǎng)作為研究對(duì)象，利用平臺(tái)集成技術(shù)研究交通仿真在不同層面上的效率。首先，建立路網(wǎng)有兩種途徑：（1）先用VISUM建立宏觀路網(wǎng)，再將已經(jīng)建立好的宏觀路網(wǎng)導(dǎo)入VISSIM中生成微觀路網(wǎng)；（2）先用VISSIM建立微觀路網(wǎng)，再將微觀路網(wǎng)導(dǎo)入VISUM中形成宏觀路網(wǎng)。本部分的實(shí)例采用方法（2），利用旅行時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從微觀和宏觀兩個(gè)層面研究仿真效率的問(wèn)題。圖2為本文選取的虛擬路網(wǎng)，A點(diǎn)和B點(diǎn)為交通流的發(fā)生點(diǎn)，C點(diǎn)和D點(diǎn)為交通流的吸引點(diǎn)，①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧為8條單向可變道路段。從A點(diǎn)到C點(diǎn)有兩條路徑：A-①-③-④-⑥-⑦-C和A-①-③-⑤-⑥-⑦-C，記為路徑1和路徑2。從A點(diǎn)到D點(diǎn)有兩條路徑：A-①-③-④-⑥-⑧-D和A-①-③-⑤-⑥-⑧-D，記為路徑3和路徑4。從B點(diǎn)到C點(diǎn)有兩條路徑：B-②-③-④-⑥-⑦-C和B-②-③-⑤-⑥-⑦-C，記為路徑5和路徑6。從B點(diǎn)到D點(diǎn)有兩條路徑：B-②-③-④-⑥-⑧-D和B-②-③-⑤-⑥-⑧-D，記為路徑7和路徑8。選擇這8條路徑比較兩個(gè)層面的仿真效率。該路網(wǎng)10分鐘的具體OD數(shù)據(jù)見如表1。

表1 虛擬路網(wǎng)的OD

為保證程序的順利運(yùn)行及宏觀和微觀路網(wǎng)的一致性，同一臺(tái)電腦上需要同時(shí)安裝VISSIM、MATLAB、VISUM這三個(gè)軟件，并且對(duì)軟件和路網(wǎng)進(jìn)行如下設(shè)置：

（1）分別注冊(cè)VISSIM/VISUM COM Server：VISSIM和VISUM安裝的時(shí)候，默認(rèn)進(jìn)行COM Server注冊(cè)，如若注冊(cè)失敗，則可以按照《VISSIM COM接口用戶手冊(cè)》和《COM-Documentation for VISUM》對(duì)COM Server進(jìn)行手動(dòng)注冊(cè)。

（2）構(gòu)建交通需求：VISSIM和VISUM都采用OD構(gòu)建交通需求。

（3）VISSIM采用動(dòng)態(tài)交通分配：仿真時(shí)間設(shè)置為600s并仿真多次用于路徑搜索，使得動(dòng)態(tài)交通分配算法收斂，目的是使路網(wǎng)達(dá)到一種穩(wěn)定的交通狀態(tài)，即旅行時(shí)間和交通流量均不發(fā)生變化。設(shè)定算法的終止條件是：相同OD，不同路徑上的旅行時(shí)間之差小于5%，即：路徑1和路徑2，路徑3和路徑4，路徑5和路徑6，路徑7和路徑8上的旅行時(shí)間之差均小于5%。（4）VISUM中阻抗函數(shù)選擇：BPR函數(shù)，見式（1）：

式中：ta為路段a上的阻抗；t0為零流阻抗；qa為路段a上的交通量；ca為路段a的實(shí)際通行能力；α、β為阻滯系數(shù)，在本例中α=0.15、β=4。

（5） VISUM中交通流分配方法選擇：均衡分配法，即根據(jù)用戶均衡進(jìn)行分配。

（6） VISUM中路網(wǎng)參數(shù)設(shè)置：路段通行能力設(shè)置為900pcu/（h·車道），自由流狀態(tài)下的速度為60km/h。

完成上述設(shè)置之后，集成仿真平臺(tái)的運(yùn)行流程圖如圖3所示：

圖4演示了多精度交通仿真控制平臺(tái)的實(shí)例運(yùn)行界面。圖4的下層圖片是MATLAB控制器的界面，用于調(diào)用并控制VISSIM和VISUM；中層圖片是VISUM在執(zhí)行交通流分配時(shí)的界面；上層圖片是VISSIM仿真界面。仿真運(yùn)行的數(shù)值結(jié)果如表2所示。

圖3 集成仿真平臺(tái)流程圖

圖4 集成VISSIM/VISUM和MATLAB仿真平臺(tái)的實(shí)例

表2 仿真結(jié)果

從表2可知，微觀仿真和宏觀仿真由于計(jì)算方法的不同導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)一定的差別。從仿真次數(shù)來(lái)看，VISUM只需要仿真1次就能得到交通流分配的結(jié)果，而VISSIM需要仿真17次才能達(dá)到算法終止的條件。從仿真時(shí)間來(lái)看，VISUM單次仿真需要花費(fèi)4.5915s，VISSIM單次仿真需要4.7996s，相差不多，但是由于VISSIM需要進(jìn)行多次仿真才能使算法達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，因而總仿真時(shí)間達(dá)到74.8513s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于VISUM。一般來(lái)說(shuō)，在仿真環(huán)境都接近現(xiàn)實(shí)的情況下，微觀仿真模擬器計(jì)算出的結(jié)果更加精確，但是耗時(shí)較長(zhǎng)，宏觀仿真模擬器計(jì)算更快，但是精度較低。

5 研究結(jié)論

本文集成了VISSIM/VISUM與MATLAB并構(gòu)建了多精度交通仿真控制平臺(tái)。該平臺(tái)集成了三者的優(yōu)勢(shì)：宏觀交通仿真的高效性、微觀交通仿真的高精度以及MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、數(shù)值計(jì)算性能等，支持從宏觀和微觀兩個(gè)層面研究交通管控措施優(yōu)化問(wèn)題。最后，通過(guò)一個(gè)交通仿真實(shí)例驗(yàn)證了此仿真優(yōu)化平臺(tái)的可行性和可操作性。該方法具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）快速建立路網(wǎng)，提高工作效率，如：微觀路網(wǎng)與宏觀路網(wǎng)的互導(dǎo)；（2）宏觀路網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用到微觀仿真中，如：VISSIM可以借助VISUM來(lái)獲取GIS數(shù)據(jù)；（3）支持從宏觀和微觀兩個(gè)層面評(píng)價(jià)交通管控措施的優(yōu)劣。值得注意的是，將本文提出的方法應(yīng)用到實(shí)際路網(wǎng)時(shí)，需要先對(duì)微觀模擬器VISSIM和宏觀模擬器VISUM進(jìn)行標(biāo)定，以使仿真環(huán)境盡可能地接近現(xiàn)實(shí)，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。