基于混合客流特性的微觀仿真模型校正方法

1仿真參數(shù)值的確定是建立較好的混合利用微交通模型參數(shù)的修正是模擬建模的重要步驟。最重要的是，模型參數(shù)的修正可以保證模擬交通分析的可靠性，提高交通模仿技術(shù)的實際應(yīng)用價值。模型參數(shù)校正是根據(jù)現(xiàn)場交通的運行狀況調(diào)整模擬系統(tǒng)中的不同輸入?yún)?shù)，正確表現(xiàn)模型中具體交通的運行狀況。近年來，模擬校正研究主要是從兩個方面進行的。其中之一是對校正過程或方法的構(gòu)建，以及對校正參數(shù)的選擇和優(yōu)化方法的研究。在這些研究中，修正的合理性通常通過比較模擬交通流輸出的平均效率測量指數(shù)（moes）與實際道路（網(wǎng)絡(luò)）中的實際調(diào)查數(shù)據(jù)來進行。這種評估方法適用于大多數(shù)小型車輛的道路（網(wǎng)絡(luò)），但對于大多數(shù)混合車輛的道路或城市，需要改進的校正方法。對于中國廣泛存在的混合交通流，大、中、大車輛的動態(tài)性能相對較差，小型車輛和大車輛的動態(tài)性能差異很大。在模擬模型中，不同類型車輛的性能相對均勻，不同類型車輛的性能差異不大。如果采用所有車輛的平均效率測量指數(shù)，則無法掩蓋不同車輛的性能差異，也無法知道不同車輛的運動狀況與實際交通狀況之間的接近度。筆者認為,要保證仿真校正參數(shù)值合理,并足以表達出與實際的交通流相一致的指標,除了依據(jù)專業(yè)知識合理地定義校正參數(shù)值的范圍外,還需要針對不同車型、不同道路設(shè)施單元進行校正,并用多個指標對它們進行評價,從而建立考慮車型差異的混合車流道路(網(wǎng))及道路單元的仿真模型校正方法.2不同特性的影響由于不同車型的車輛尺寸和速度、加速度分布等方面存在差異,使得混合車流在縱向運動時無法像純小型車流那樣保持穩(wěn)定的速度和距離分布.同時,由于大型車與小型車動力性能的差別,它們之間將形成較大間距,由于速度不穩(wěn)定和后續(xù)車型對超車間距接受的概率不同,這種大的間距很難由超車來彌補.另一方面,大型車在轉(zhuǎn)彎時,較之小型車輛其轉(zhuǎn)彎車速更慢、前后輪的軌跡線的偏移量更大.同時,大型車的轉(zhuǎn)彎將給相關(guān)流向的交通流帶來更大的擾動,大型車形成的較大的間距也無法為其他車輛所利用.在仿真軟件開發(fā)過程中,開發(fā)商根據(jù)當?shù)氐能囕v特性、交通狀況進行相關(guān)車型參數(shù)的設(shè)定,但是對于不同的交通組成及車輛性能,特別是在混合交通流特征明顯的我國高等級道路和公交車比例較大的城市道路中,這種設(shè)定值卻無法合理反映實際道路交通情況.針對混合車流的仿真模型校正問題,有必要考慮不同車型的交通特性的影響.3交通設(shè)施的交通設(shè)施.主要分為3個基本指標和2.校正流程包括兩個部分:一是由交通設(shè)施校正組成的主程序,二是由車型校正組成的校正循環(huán)體.二者相互滲透完成校正與驗證過程,如圖1所示.其中,交通設(shè)施除了選擇整個路網(wǎng),還需要考慮對路網(wǎng)有重要影響的節(jié)點:瓶頸區(qū)域、交叉口.對于瓶頸,通常選擇其最重要的特征——通行能力作為校正指標;對于交叉口,則考慮其流量的流入流出平衡.此外,考慮到通行能力對交通流的影響,還需要校正路段通行能力.因此,主程序包含了路段和瓶頸通行能力校正、交叉口流向流量校正和路網(wǎng)評價指標校正三個階段.3.1校正循環(huán)推進與否校正循環(huán)模塊是整個校正流程關(guān)鍵模塊,主程序每一個階段的校正需要調(diào)用校正循環(huán)模塊來完成,如圖1(右側(cè)部分).校正循環(huán)推進與否主要根據(jù)吻合度大小及收斂趨勢判定.(1)推行綜合吻合度的計算—吻合度.吻合度用來表征仿真運行結(jié)果與實際路網(wǎng)的評價指標的偏離程度,采用實測值與仿真結(jié)果的相對誤差來計算,如式(1)所示.???????????????????????????F=1n(∑i=1n∑j=1kωjFij2)???????????????ue001?ue000ue000ωj=Ej?Pj∑j=1kEj?PjFij=(MOEfieldij?MOEsimij)MOEfieldij×100％(1){F=1n(∑i=1n∑j=1kωjFij2)ωj=Ej?Ρj∑j=1kEj?ΡjFij=(ΜΟEijfield-ΜΟEijsim)ΜΟEijfield×100％(1)式中F——綜合吻合度,為所有評價指標、所有車輛吻合度的加權(quán)平均值,%;Fij——第i個評價指標、第j種車型的吻合度,稱吻合度,%;ωj——權(quán)值,表示車型j的影響;Ej——當量換算系數(shù);Pj——車型比例;MOEfieldijijfield——現(xiàn)場調(diào)查的第j種車型的第i個評價指標值;MOEsimijijsim——仿真運行的第j種車型的第i個評價指標值;i——評價指標序號,i=1,2,…,n;j——車型序號,j=1,2,…,k,集計校正時,k=1.吻合度大小反映了校正后的仿真參數(shù)的適用程度.綜合吻合度通過車輛換算系數(shù)考慮不同車型,特別是大型車對交通流的影響,能有效反映混合車流的偏差程度.(2)確定校正目標校正目標用于判定校正循環(huán)何時結(jié)束,校正目標范圍大小直接決定了校正的精度.確定校正目標主要考慮實際的交通流狀況、校正道路(網(wǎng))規(guī)模及評價指標類型等.對于大中路網(wǎng),參考文獻提出了校正目標建議值,如表1所示.(3)運行效果評價默認參數(shù)可行性評價是指仿真模型參數(shù)取默認值時,在仿真多次運行后,評價各種車型和所有車輛的評價指標與實測值的吻合度是否滿足校正目標.這個過程需要分別對路段和瓶頸通行能力、交叉口流向流量和路網(wǎng)效率指標進行評價.(4)參數(shù)敏感性分析仿真軟件對用戶開放了很多影響車輛運行的微觀參數(shù),如車輛加減速性能參數(shù)、駕駛員跟馳敏感系數(shù)、自由流車速等.為了提高校正效率,必須先選出對仿真輸出結(jié)果敏感的參數(shù)或參數(shù)組合,并獲知仿真輸出結(jié)果隨參數(shù)值變化的情況.參數(shù)敏感性分析流程如圖2所示.敏感性分析首先要建立試驗?zāi)Ｐ?試驗?zāi)Ｐ涂梢允褂么Ｕ姆抡婺Ｐ?也可以根據(jù)典型的道路單元新建一個試驗?zāi)Ｐ?前者適用于線型單一的道路敏感性分析,后者則適用于線型較為復(fù)雜多樣的各種典型道路設(shè)施單元的敏感性分析.對于性能差異較大的混合車流,參數(shù)敏感性分析還需分別針對不同車型進行.敏感參數(shù)的判定可采用方差分析法或折線圖分析.(5)人車單元歸類校正仿真校正的理想目標是使仿真系統(tǒng)中的每一個人車單元在道路的每一個斷面上的運行特性都與實際情況一致.基于這個目標,先對所有的人車單元合理歸類,對各類型的人車單元校正,并進行所有車輛的吻合度分析.分汽車校正的參數(shù)要求人、車特性最終將通過車輛這個載體的運動來綜合體現(xiàn),因此,各個仿真車輛運行特征的合理性一定意義上代表了相應(yīng)的人車單元的真實程度.本文把根據(jù)我國混合車流的交通特性,以及駕照相關(guān)級別的駕駛員特性,按車型分類分別對各類車型交通特性進行校正的方法,稱為分車型校正.分車型校正的參數(shù)要求能夠反映不同車型及其駕駛員之間的差異,包括:車輛的加速度及其坡度修正,減速分布,車輛的速度分布,人車單元的駕駛員分布以及各類車型在不同道路單元上的運行特征參數(shù).分車型校正的效果以綜合吻合度或以每一種車型的吻合度表示.分車型校正可以有效校正每一種仿真車型與實際車型交通特性之間的差異,可以保證各種車型的交通特性得到有效復(fù)現(xiàn).建立集計校正.集計校正.集計校正.集計校正.集計校正.集計校正.集計校正.集計校正.不對車輛進行分類,而根據(jù)所有車輛的平均效率指標的吻合度進行校正的方法,則稱為集計校正.集計校正需要校正影響整個車流總體特征的相關(guān)參數(shù).這些參數(shù)包括跟車、換車道、交叉口延誤等模型參數(shù).評價指標平均值可以通過仿真軟件直接輸出,并通過式(1)計算得到集計值吻合度.集計校正保證了整個車流的宏觀運行特性的合理性.仿真優(yōu)化過程分車型校正時,首先根據(jù)各車型參數(shù)敏感性分析結(jié)果,選擇各車型的敏感參數(shù),再確定參數(shù)范圍,按一定的步長或水平分別針對不同車型相應(yīng)的敏感參數(shù)(組合)進行修改,仿真多次運行后,分析該車型的吻合度,若不滿足要求,重復(fù)取值,周而復(fù)始,直至吻合度收斂到一定范圍內(nèi)并取到一組最優(yōu)的參數(shù)為止.對于集計校正,其校正過程與分車型校正過程相似,首先對影響整體交通流運行特征的敏感參數(shù)進行修改,仿真運行后,再計算整個仿真車流的集計吻合度,判斷仿真吻合程度,反復(fù)尋優(yōu).由于各類車型只是整個車流的一部分,影響各類車型運行特性的參數(shù)也一定程度上影響了整個車流的綜合特性,因此分車型與集計校正所涉及的參數(shù)會有交叉,且任何一種車型的評價指標的變化都必然引起集計值的變化,這可能使校正過程顧此失彼,因此需要通過迭代校正最終使二者均達到要求.參數(shù)的校正過程是個參數(shù)值尋優(yōu)過程,其尋優(yōu)的完成需要通過仿真軟件的調(diào)用來完成.式(2)是其中一種最優(yōu)化表達式.MinF=1n(∑i=1n∑j=1kωjF2ij)???????????????ue001?ue000ue000s.tLx<xp<Ux?p=1?2???m(2)ΜinF=1n(∑i=1n∑j=1kωjFij2)s.tLx<xp<Ux?p=1?2???m(2)式中xp——第p個校正參數(shù);Lx——校正參數(shù)范圍的下限;Ux—校正參數(shù)范圍的上限;m——選定的校正參數(shù)個數(shù).校正程序通過編程將最優(yōu)化程序和仿真軟件組合完成.3.2更正主要程序(1)路段通行能力校正時,需要對路段、瓶頸(如車道縮減路段、交織段、合流區(qū)等)相關(guān)參數(shù)和全局參數(shù)分別校正.其中路段的通行能力可以參照我國現(xiàn)行規(guī)范值,仿真路段通行能力通過純小型車流的最大流率計算.瓶頸通行能力則需要獲得現(xiàn)場和仿真模型中瓶頸處排隊的消散流率.(2)基本路段和主要路段的交通流轉(zhuǎn)向?qū)τ谕ㄟ^轉(zhuǎn)向比例來定義轉(zhuǎn)向交通量的交叉口,在單路徑或小規(guī)模模型的情況下,以及在基本路段上,能保證路上的交通量與實測值接近.但如果路網(wǎng)交通分配采用軟件內(nèi)置的分配模型時,就需要校正影響交通流轉(zhuǎn)向的參數(shù).(3)網(wǎng)絡(luò)評估指標的修正路網(wǎng)評價指標是指反映整個路網(wǎng)運行效率的評價指標,如車速、密度、行程時間等.(4)校正吻合度的計算校正后評價包括各階段校正吻合度復(fù)核和校正參數(shù)值評價.三個階段中修改的參數(shù)可能有交集,在進行下一階段參數(shù)校正時,上階段參數(shù)有可能被再次修改,從而影響到上一階段的校正吻合度.因此,當完成各個階段的參數(shù)校正后,還必須復(fù)核各個階段的吻合度.校正參數(shù)值評價可以從定性和定量兩個方面進行.定量評價包括分車型吻合度和集計統(tǒng)計吻合度評價兩個方面.定性評價需要分析對各個參數(shù)默認值的修改是否符合交通流特性.此外,分析人員還可以通過仿真動畫演示(如觀察車輛排隊情況)進行定性分析.(5)數(shù)據(jù)分析由于參數(shù)的校正采用的是同一組實地調(diào)查數(shù)據(jù),在校正過程中可能存在偶然現(xiàn)象,或調(diào)查時段不能代表研究區(qū)域典型的交通特征,由此需要選擇另一時段的調(diào)查數(shù)據(jù)對校正參數(shù)的有效性與可靠性進行最后檢驗.4使用示例4.1校正與驗證試驗本文將結(jié)合2007年10月16日和10月17日兩天對廣西南(寧)柳(州)高速公路K733+019～K725+000的交通調(diào)查進行CORSIM模型的校正與驗證.其中10月16日的數(shù)據(jù)用于校正,10月17日數(shù)據(jù)用于驗證.校正路段為基本路段,設(shè)計車速為120km/h,雙向4車道.建模及行程時間調(diào)查結(jié)果如圖3所示.10月16日、10月17日的高峰小時流量為486veh/h、640vhe/h,流量車道分布(從中間帶數(shù)起)分別為62%、38%和59%、41%,交通組成小型客車:大型客車:輕型貨車:中型貨車:重型貨車分別為56:16:18:3:7和66:13:13:3:5.4.2默認參數(shù)的可行性評估(1)路段通行能力模型參數(shù)取為默認值,輸入足夠量的標準小客車,仿真運行10次后,測得路段通行能力的平均值為2227puc/h/ln.設(shè)計車速為120km/h時,我國《公路路線設(shè)計規(guī)范》的路段的通行能力為2200pcu/h/ln,故吻合度為1.23%<5%,滿足校正目標要求.(2)出行時間吻合度根據(jù)10月16日的交通狀況建立路段仿真模型,運行10次后,分別輸出每個車型和所有車輛的平均行程時間,并根據(jù)公式(1)計算Fij,得到表2.從仿真結(jié)果可以看出,無論是分車型還是所有車輛的行程時間吻合度均無法滿足要求,特別是貨車類仿真結(jié)果與實測值相去甚遠.究其原因,一方面是仿真各車型的行程時間相對均勻,說明仿真車型性能較為接近;而另一方面實際道路上車型性能差異大,貨車類與客車類在同一路段的行程時間上有明顯的差別.4.3特征路段設(shè)計本文根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的平、縱面線形設(shè)計的極限值,建立了一條試驗路.試驗路涵蓋了公路線形組合中的各類基本線形要素.試驗路為單向雙車道.根據(jù)道路特征,試驗路的路段可以分為基本路段和特征路段,如圖4所示,基本路段包括(1,2)、(3,4)、(5,6)、(7,8)、(9,10),特征路段包括(2,3)、(4,5)、(6,7)、(8,9)、(10,11).特征路段表征了《公路路線設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的幾何特性極限值,而基本路段的主要作用是在特征路段中起過渡和緩和作用,使不同特征路段之間的交通狀況不至于相互影響.特征路段取縱坡4%和-4%、相應(yīng)的坡長250m和800m的縱坡路段,以及一個半徑為700m、長度為300m的圓曲線路段,總共五個最基本的線元,如圖4.每一個線元之間以長為6倍設(shè)計車速的零坡度直線過渡.試驗路段輸入交通量為1500輛/h,車型比例按現(xiàn)場調(diào)查取值.仿真運行時長為15min,運行10次.輸出不同車型、不同線元的速度指標,分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示.4.4模型的吻合度根據(jù)敏感性分析結(jié)果,對仿真模型進行分車型校正與集計校正,最終得到的校正結(jié)果如圖5所示.仿真結(jié)果顯示,所有指標的吻合度也都在15%之內(nèi),特別是集計值、大型客車和小型車的行程時間吻合度均小于5%,這說明在宏觀交通流與實際吻合的前提下,各種車型的評價指標亦能“如實”反映實際情況,參數(shù)經(jīng)過校正后的取值如表4.4.5然后評估(1)對路段交通能力的檢查根據(jù)校正的模型參數(shù),輸入標準小客車流,最終得到通行能力的均值為2200pcu/h,樣本標準差S=24pcu/h,滿足目標.(2)同質(zhì)競爭優(yōu)勢無論是分車型還是集計車型的評價指標均達到了校正目標范圍,說明參數(shù)校正值能夠使仿真模型在要求的精度范圍內(nèi)反映實際的交通狀況.從定性方面分析,駕駛員相關(guān)的車輛跟馳敏感系數(shù)和自由流車速乘數(shù)分布的標準差有所增大,究其原因在于,北美地區(qū)的駕駛員技術(shù)水平較我國更均勻、車輛動力性能也相對均勻,而我國駕駛員技術(shù)水平參差不齊、車輛種類繁多且車輛性能差異性大,且貨車超載現(xiàn)象較為普遍.愛爾蘭分布的α的值為2的情況反映了低流量情況下的