齊建宇，馬 浩，胡丹丹，秦 剛，華 翼，李海艦

(1.招商新智科技有限公司，北京 100070；2.浙江溫州甬臺溫高速公路有限公司，溫州 3250023；3.北京工業(yè)大學(xué)北京市城市交通運(yùn)行保障工程技術(shù)研究中心，北京 100124)

0 引言

截至2019年，我國高速公路通車?yán)锍踢_(dá)14.96萬km，位居世界第一[1].隨著汽車保有量的持續(xù)快速增長，高速公路交通擁堵及事故頻發(fā)，實踐表明，通過增加道路供給來滿足不斷增長的交通需求既不科學(xué)也不合理，因此現(xiàn)階段常通過采取精細(xì)化管理方式提升道路通行能力[2-3].管理措施在實施前需對其進(jìn)行測試評估，考慮到實車測試的成本及風(fēng)險，因此常借助計算機(jī)微觀仿真方式進(jìn)行.微觀仿真是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，通過計算機(jī)模擬方式再現(xiàn)復(fù)雜道路運(yùn)行狀況，通過輸出參數(shù)進(jìn)行道路現(xiàn)狀評價或趨勢預(yù)測，具有經(jīng)濟(jì)、高效、安全、可重復(fù)、易控制等特點(diǎn)[4-6].

目前常用的微觀交通仿真平臺包括PARAMICS、AIMSUM、VISSIM、SUMO等.PARAMICS(Parallel Microscopic Simulator)[7-9]是一款由蘇格蘭Quadstone公司開發(fā)的高級微觀交通仿真平臺，擁有動態(tài)三維可視化用戶界面，可用于分析刻畫路網(wǎng)中單獨(dú)的人、車單元個體運(yùn)動特征.PARAMICS仿真平臺主要由路網(wǎng)建模、批處理、仿真結(jié)果闡發(fā)3個模塊組成，由于該平臺內(nèi)部采用平行計算運(yùn)轉(zhuǎn)方式，因此支持常規(guī)擁擠及智能交通環(huán)境下的單路網(wǎng)至全域大規(guī)模不同層級路網(wǎng)仿真，同時為用戶提供API應(yīng)用程序接口，支持用戶根據(jù)使用需求進(jìn)行個性化二次開發(fā).PARAMICS仿真平臺不支持非機(jī)動車仿真，同時現(xiàn)階段可供借鑒的完備場景仿真參數(shù)較少，一般需借助程序接口進(jìn)行自主編程開發(fā)以增強(qiáng)場景仿真效果.AIMSUM(Advanced Interactive Microscopic Simulator for Urban and Non-Urban Networks)[10-12]是由西班牙TSS公司開發(fā)推廣的一款開放式、多元化的強(qiáng)交互微觀交通仿真平臺，提供基于OD矩陣和路徑選擇模型及基于輸入流量和轉(zhuǎn)彎比例兩種仿真形式.AIMSUM仿真平臺采用GIS層級架構(gòu)，用戶界面友好，操作簡便快捷，支持機(jī)動車、非機(jī)動車、行人等多對象仿真，可用于包括交通評估管理、事故預(yù)測、GPS導(dǎo)航在內(nèi)的多業(yè)務(wù)需求.AIMSUM仿真平臺支持仿真器通過API應(yīng)用程序接口與其他規(guī)劃及仿真軟件結(jié)合，實現(xiàn)戰(zhàn)略規(guī)劃層級微觀仿真，其缺點(diǎn)主要在于不支持差異化設(shè)定車道寬度，無法進(jìn)行混合車流環(huán)境下的車輛仿真模擬.

VISSIM[13-14]是由德國PTV公司推出的一款基于行為驅(qū)動的應(yīng)用極為廣泛的微觀仿真平臺,該平臺以0.1 s為仿真步長，通過車輛橫縱向運(yùn)動模型刻畫描述車輛運(yùn)動特征，并依據(jù)駕駛員行為特性將其分為冒險及保守2種類別.VISSIM仿真平臺支持機(jī)動車、非機(jī)動車、行人等多對象及城市道路、高速公路、非機(jī)動車道、人行道等廣泛交通應(yīng)用場景，較其他微觀仿真軟件VISSIM路網(wǎng)建模更加細(xì)致，提供2D、3D圖像化動態(tài)仿真界面及多種視角，用戶可根據(jù)仿真需求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，再現(xiàn)實際交通運(yùn)行場景中復(fù)雜多變的車輛運(yùn)行狀況.由于VISSIM仿真平臺路網(wǎng)建?？坍嫾?xì)致，當(dāng)進(jìn)行大規(guī)模長距離路網(wǎng)仿真時需輸入較多路網(wǎng)信息，運(yùn)算速度受限于計算機(jī)內(nèi)存和顯卡功能調(diào)節(jié)，因此對計算機(jī)系統(tǒng)硬件有較高要求.SUMO(Simulation of Urban Mobility)[15-17]是由德國宇航中心基于標(biāo)準(zhǔn)C++庫開發(fā)的一款時間離散空間連續(xù)的開源微觀交通仿真平臺，支持多車輛類型仿真，該平臺最大特點(diǎn)是各仿真模塊相互分離，用戶可將netedit模塊中編輯的路網(wǎng)與利用python語句生成的流量及路徑信息進(jìn)行整合，通過圖形界面SUMO-GUI進(jìn)行仿真呈現(xiàn).平臺內(nèi)部各模塊的分離雖有利于各部分功能擴(kuò)展，但對不熟悉該平臺的用戶并不友好.SUMO仿真平臺支持多類型路網(wǎng)仿真，平臺內(nèi)嵌多種車輛跟馳及換道模型，并提供OpenStreetMap及多種仿真平臺調(diào)用接口，支持地圖導(dǎo)入及與其他應(yīng)用程序交互仿真，現(xiàn)階段常將該交通仿真平臺與網(wǎng)絡(luò)仿真器結(jié)合進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的車輛建模仿真.

一些學(xué)者以高速公路長通道為研究對象，借助仿真手段模擬交通流運(yùn)行狀況或?qū)Ρ闰炞C管控策略實施效果.戴紅良等[18]以滬杭甬高速公路為研究對象，借助SUMO軟件搭建仿真路網(wǎng)，定量分析多因素影響下的路段交通流運(yùn)行情況.許曉輝等[19]利用VISSIM軟件對高速公路互通合流區(qū)進(jìn)行路網(wǎng)構(gòu)建仿真，通過優(yōu)化信號燈啟動條件與信號配時方案解決合流區(qū)交通沖突問題.邵長橋等[20]以雙向四車道高速公路場景為例，借助VISSIM軟件構(gòu)建路網(wǎng)，研究中間帶開口長度對實際交通運(yùn)行的影響.李德才等[21]利用VISSIM軟件對哈爾濱繞城高速松花江路段進(jìn)行仿真，對比研究正常條件及冰雪條件下出入口匝道交通流運(yùn)行狀況差異.郭良久等[22]以重慶至南川區(qū)域高速公路為例，借助PARAMICS微觀仿真軟件，建立高速公路交通管控方案評價模型.段栓虎[23]采用FLOWSIM仿真模型，將Oracel數(shù)據(jù)庫及Hadoop大數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建了一套集交通狀況監(jiān)測及應(yīng)急指揮2大功能的高速公路仿真系統(tǒng).

目前國內(nèi)外學(xué)者大多以交叉路口或短距離城市路段為路網(wǎng)仿真研究對象，即使涉及大尺度長距離高速公路場景，也主要借助仿真手段模擬交通流運(yùn)行狀況或?qū)Ρ闰炞C管控策略實施效果，很少針對包含立交橋、收費(fèi)站、隧道等不同路段形式的長距離高速公路進(jìn)行仿真場景搭建方法進(jìn)行詳細(xì)介紹.基于此，本文借助VISSIM仿真平臺，以甬臺溫高速公路溫瑞段為研究對象，對該路段全域基礎(chǔ)設(shè)施及交通流進(jìn)行仿真設(shè)計及實現(xiàn)，最大程度再現(xiàn)該路段交通運(yùn)行狀況，為高速公路大尺度長距離路段仿真場景搭建提供技術(shù)支撐與參考.

1 微觀仿真平臺

1.1 基于VISSIM的仿真平臺簡介

基于VISSIM的微觀仿真平臺內(nèi)部主要由交通仿真器及信號狀態(tài)發(fā)生器兩大控件模塊組成[24]，兩模塊間通過接口進(jìn)行車輛信息與信號信息間的交互，具體交互關(guān)系如圖1所示.交通仿真器是一個微觀的車輛生成模型，其通過內(nèi)置的換道模型及跟馳模型分別控制車輛的橫、縱向駕駛行為.信號狀態(tài)發(fā)生器是信號控制軟件，它以平臺仿真步長為尺度，不斷從交通仿真器中布設(shè)的檢測器數(shù)值獲取車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，經(jīng)內(nèi)部判斷后將下一仿真時刻的信號狀態(tài)反饋給交通仿真器，最終作用于斷面車輛以達(dá)到信號控制的目的.

圖1 VISSIM平臺交通仿真器與信號狀態(tài)發(fā)生器間通信關(guān)系

跟馳模型和換道模型是VISSIM微觀仿真平臺的兩大核心模型，是保證平臺能連續(xù)動態(tài)準(zhǔn)確模擬實際道路車輛運(yùn)行狀況的關(guān)鍵所在.VISSIM微觀仿真平臺采用德國Karlsruhe大學(xué)Wiedemann教授提出的“心理—生理跟馳模型”，換道模型采用的是基于車道規(guī)則的算法模型.

跟馳模型內(nèi)部嵌套龐大的數(shù)學(xué)計算公式，可同時獲取平臺仿真路段上任意時刻車輛的速度、延誤、運(yùn)行軌跡等參數(shù)信息，并通過對路段上人—車單元的距離移動和相互作用反映駕駛員個體駕駛行為特征.Wiedemann提出的“心理—生理跟馳模型”包括Wiedemann74和Wiedemann99兩個跟馳模型，其中，Wiedemann74適用于城市道路跟馳狀況；Wiedemann99適用于公路交通情形.跟馳狀態(tài)下，車輛具有延遲性、制約性和傳遞性3個特征.Wiedemann模型將車輛跟馳分為自由駕駛、接近前車、跟馳行駛、緊急制動4個狀態(tài)，其邏輯思路大致為：路段車輛在行駛過程中進(jìn)行跟馳行駛，若后車駕駛員感知前車與其距離小于心理安全距離時，采取制動措施；當(dāng)后車駕駛員感知其與前車距離大于其心理預(yù)期時，踩踏油門踏板進(jìn)行加速，由此反復(fù)進(jìn)行，從而形成加速、減速迭代循環(huán)駕駛過程.

車輛的換道行為對斷面交通流運(yùn)行有重要影響，高速公路車輛的換道行為常發(fā)生在超車、避讓障礙物及出匝道等情形下.當(dāng)駕駛員有換道意圖時，首先需考慮該行駛方向擬變更車道是否有合適車頭時距(接受間隙)供其插入.由于換道操作需考慮周圍車輛運(yùn)行及道路環(huán)境條件，并結(jié)合自身駕駛特性做出判斷，因此換道模型較跟馳模型復(fù)雜.VISSIM微觀仿真平臺中的車輛換道分為自由換道及強(qiáng)迫換道兩類.自由換道即在道路及運(yùn)行條件允許的情況下，司機(jī)因個人駕駛特性為追求更高車速或更好駕乘體驗而進(jìn)行的換道行為.強(qiáng)迫換道是指為完成駕駛?cè)蝿?wù)或規(guī)避駕駛風(fēng)險而必須采取的換道行為.強(qiáng)迫換道對周圍車輛運(yùn)行有較大影響，車輛強(qiáng)迫換道時對周圍車輛造成的擾動將以波的形式向后傳播，進(jìn)而形成交通擁堵、交通事故等狀況，可能嚴(yán)重影響路段交通安全及通行效率.

基于VISSIM的微觀仿真平臺仿真流程為：參照仿真路段實際線形，借助調(diào)查交通量、交通組織方案及其他參數(shù)設(shè)置，初步建立仿真路網(wǎng)，并檢查仿真特性與現(xiàn)狀是否吻合.在確認(rèn)符合現(xiàn)狀后進(jìn)行仿真動畫及評價指標(biāo)輸出，不斷優(yōu)化調(diào)整仿真方案并輸出最終方案.具體仿真流程如圖2所示.

圖2 VISSIM仿真平臺仿真流程

1.2 需要設(shè)置的關(guān)鍵要素

一般情形下，借助VISSIM仿真平臺進(jìn)行仿真路網(wǎng)搭建及交通運(yùn)行需設(shè)置的關(guān)鍵要素包括線形、車道、限速、交通流及駕駛行為5個方面.

線形及車道要素構(gòu)成整個仿真路網(wǎng)的基本框架.線形即道路的基本走向，可將路段設(shè)計圖紙或百度地圖導(dǎo)入VISSIM仿真平臺，以此作為背景施畫仿真路網(wǎng).由于利用“Links&Connectors”工具施畫的初始路段均為直線，因此可選中路段在適宜位置右擊以調(diào)整路段線形，使之與實際相符.在線形施畫完成的基礎(chǔ)上，可雙擊路段進(jìn)行車道設(shè)置，包括車道(路段)類型、車道數(shù)及車道寬度設(shè)置等方面.

VISSIM仿真平臺支持路段限速設(shè)置及車輛期望車速設(shè)置，路段限速可結(jié)合實際針對具體車道進(jìn)行差異化設(shè)置.交通流設(shè)置主要依據(jù)實際路段測量交通量及交通組成進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，具體包括車輛類型及比例、流量及路徑設(shè)置3個方面.VISSIM仿真平臺中駕駛行為設(shè)置主要包括跟馳行為、換道行為及信號控制3個方面，可根據(jù)仿真路段特性及需求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置.

2 基礎(chǔ)設(shè)施仿真設(shè)計及實現(xiàn)

甬臺溫高速公路溫瑞段起于溫州市南白象樞紐，終于溫州飛云互通，沿線經(jīng)塘下互通、三都嶺隧道、瑞安互通、飛云江大橋，終點(diǎn)接飛云互通，路段為雙向六車道，全長25 km.該路段包含4座互通式立交，分別為南白象樞紐、塘下互通、瑞安互通及飛云互通.路段包含一座長隧道——三都嶺隧道，該隧道位于溫州甬臺溫高速車流量最大的塘下互通至瑞安互通路段，限速80 km/h，是全線車流量增長的瓶頸，對長途過境車流量影響較大.該路段有3座大、特大橋梁，其中四角亭高架橋全長4 290 m，羅鳳高架橋全長1 650 m，飛云江特大橋全長2 380 m.

甬臺溫高速公路溫瑞段雙向六車道含白天開放的應(yīng)急車道，設(shè)計速度為100 km/h.在基本路網(wǎng)中，每個方向共有3條車道，每車道之間可自由行駛，每車道寬度3.75 m.其主線從內(nèi)側(cè)車道到外側(cè)車道速度分別為：80～100 km/h、60～90 km/h、60～80 km/h，隧道限速80 km/h，匝道限速40 km/h，匝道靠近主線區(qū)域限速60 km/h，ETC收費(fèi)站限速20 km/h.

基于對甬臺溫高速公路溫瑞段線形及限速條件的認(rèn)知，結(jié)合路段實際狀況，本文利用百度地圖甬臺溫高速公路溫瑞段作為底圖，借助VISSIM仿真平臺進(jìn)行路網(wǎng)構(gòu)建，具體路網(wǎng)如圖3所示.

圖3 基于VISSIM仿真平臺的甬臺溫高速公路溫瑞段路網(wǎng)繪制

收費(fèi)站和立交互通是甬臺溫高速公路溫瑞段仿真路網(wǎng)構(gòu)建中的重點(diǎn).收費(fèi)站有人工收費(fèi)(MTC)和自動收費(fèi)(ETC)2種收費(fèi)類型，這2種收費(fèi)方式的差異決定了收費(fèi)通道構(gòu)建方法的不同.鑒于一般收費(fèi)站排隊服務(wù)方式為多路排隊多通道類型，因此在收費(fèi)站廣場處設(shè)置路徑?jīng)Q策，使車輛有序通過各收費(fèi)通道.考慮到國家政策及車輛選擇特性，結(jié)合VISSIM仿真平臺實際，本文認(rèn)為小汽車一般優(yōu)先選擇ETC收費(fèi)通道，MTC收費(fèi)通道主要為貨車服務(wù).由于甬臺溫高速公路溫瑞段實際場景中ETC通道限速20 km/h，因此本文ETC收費(fèi)通道構(gòu)建方式主要為添加相應(yīng)限速設(shè)置使其符合實際車輛通行特征.由于一般MTC收費(fèi)通道效率低于ETC通道，車輛在該通道停留時間較長，為體現(xiàn)這一特性，本文在MTC通道施畫過程中于收費(fèi)站位置添加一停車位，以此調(diào)節(jié)車輛服務(wù)時間.通過在MTC通道前端添加設(shè)置使其給予貨車優(yōu)先通行權(quán)，最大限度還原實際場景中車輛通行狀況.甬臺溫高速公路溫瑞段包含的4處收費(fèi)站設(shè)計及實現(xiàn)如圖4所示.

圖4 路段收費(fèi)站設(shè)計及實現(xiàn)

立交互通是保證高速公路通行效率的關(guān)鍵，其將時間上存在沖突的車流在空間上予以分離，使行駛方向各異的車輛互不干擾.在VISSIM仿真平臺中，立交互通構(gòu)建的方式是基于實際立交場景線形，在路段平面相交處前后適宜位置更改路段屬性中的高程值，通過設(shè)置路段高程使平面相交處在空間上得以分離，并將設(shè)置高程斷面與前后相鄰斷面連接，從而達(dá)到立交互通的效果.

三都嶺隧道是甬臺溫高速公路溫瑞段一處瓶頸路段，隧道全程限速80 km/h，仿真路網(wǎng)構(gòu)建過程中需進(jìn)行相應(yīng)限速設(shè)置.甬臺溫高速公路溫瑞段所涉及的4座立交互通設(shè)計及實現(xiàn)如圖5所示.

圖5 路段互通設(shè)計及實現(xiàn)

3 交通流仿真設(shè)計及實現(xiàn)

交通流仿真設(shè)計主要是在車輛路徑確定的基礎(chǔ)上，在VISSSIM仿真平臺中依據(jù)實際交通流量及車型比例進(jìn)行相關(guān)流量信息設(shè)置.本文綜合利用甬臺溫高速公路溫瑞段斷面檢測器數(shù)據(jù)及各收費(fèi)站收費(fèi)數(shù)據(jù)，回溯駛出各收費(fèi)站車輛的駛?cè)胧召M(fèi)站位置，以此求得路段車輛OD信息，并將此作為仿真流量輸入依據(jù).甬臺溫高速公路溫瑞段雙向流量路徑示意如圖6所示.

圖6 甬臺溫高速公路溫瑞段雙向流量路徑示意

為獲取車輛OD信息，本文通過分析溫州南收費(fèi)站、塘下收費(fèi)站、瑞安收費(fèi)站和飛云收費(fèi)站駛出車輛信息追溯上述車輛駛?cè)胧召M(fèi)站位置，并分流向及車型獲取車輛OD信息，其余車輛視為過境交通流.2019-12-01甬臺溫高速公路溫州南收費(fèi)站臺州向08:00—10:00入口車輛每5 min時間分布如表1所示，其中車型1～4為客車，車型5～11為貨車.考慮不同車型車輛運(yùn)行特征差異，本文進(jìn)一步根據(jù)車輛折算系數(shù)對不同進(jìn)口車輛進(jìn)行當(dāng)量換算.

表1 2019年12月1日甬臺溫高速公路溫州南收費(fèi)站臺州向08：00—10：00車輛時間分布表

在對路段各收費(fèi)站出入口車輛時間分布統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用出入口數(shù)據(jù)以行程時間為依據(jù)推算車輛OD.由于主路車流無法利用收費(fèi)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取，可通過計算主路入口附近的微波檢測器數(shù)據(jù)推算實際主路入口流量和主路出口流量.2019-12-01甬臺溫高速公路臺州向17：00—18：00間客車OD矩陣如表2所示.

表2 2019-12-01甬臺溫高速公路臺州向17：00—18：00間客車OD矩陣表

在獲取路段客貨車輛流量及車型比例OD的基礎(chǔ)上，以2019-12-01；17：00—18：00甬臺溫高速公路溫瑞段實際OD流量數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行收費(fèi)站仿真流量輸入，同時以實際主路出入口流量為依據(jù)進(jìn)行主線流量輸入.為滿足仿真需求，利用VISSIM仿真平臺依據(jù)上述流量資料設(shè)置的流量信息.進(jìn)行仿真部分重點(diǎn)路段具體仿真效果如圖7所示.

圖7 甬臺溫高速公路溫瑞段部分重點(diǎn)路段仿真效果

本文以甬臺溫高速公路溫瑞段為例，借助VISSIM仿真平臺，實現(xiàn)了包含不同基礎(chǔ)設(shè)施類型的超長高速公路通道仿真，再現(xiàn)交通流在對應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施中的運(yùn)行狀況.與其他交通仿真軟件相比，利用VISSIM進(jìn)行大尺度長距離高速公路場景仿真操作方便快捷，可視化效果較好，能達(dá)到預(yù)期仿真效果.

在方法層面，本文給出了一個基于VISSIM的多要素道路仿真方法，在指導(dǎo)實際工程方案應(yīng)用的同時為類似場景下的高速公路大尺度長距離路段仿真場景搭建提供思路與參考，為實現(xiàn)數(shù)字孿生、方案驗證、管控優(yōu)化、安全風(fēng)險辨識等提供了微觀仿真平臺.

4 結(jié)論

1)對VISSIM微觀仿真平臺及仿真關(guān)鍵要素進(jìn)行介紹，以甬臺溫高速公路溫瑞段為例進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施及交通流仿真設(shè)計，闡述仿真流程及方法，最大程度還原該路段交通運(yùn)行狀況，為類似條件下的高速公路大尺度長距離路段仿真場景搭建提供思路及參考.

2)在方法層面，本文給出了一個基于VISSIM的多要素道路仿真方法.通過對不同高速公路道路要素設(shè)置方法及車輛OD計算、客貨車流量輸入方法的介紹，將道路條件與車輛運(yùn)行有機(jī)整合，形成閉環(huán)仿真環(huán)境，在指導(dǎo)實際工程方案應(yīng)用的同時為實現(xiàn)數(shù)字孿生、方案驗證、管控優(yōu)化、安全風(fēng)險辨識等提供了微觀仿真平臺.

3)仿真結(jié)果表明，VISSIM仿真平臺能支持高速公路大尺度長距離路段仿真場景搭建，能再現(xiàn)復(fù)雜交通場景下交通流運(yùn)行狀況.與其他交通仿真軟件相比，VISSIM操作方便快捷，可視化效果較好，能達(dá)到預(yù)期效果.借助VISSIM仿真平臺進(jìn)行路段仿真和方案驗證可節(jié)省人力物力，同時具安全、可重復(fù)、易控制等特點(diǎn).