基于混合客流特性的微观仿真模型校正方法

基于混合客流特性的微观仿真模型校正方法

1仿真参数值的确定是建立较好的混合利用微交通模型参数的修正是模拟建模的重要步骤。最重要的是，模型参数的修正可以保证模拟交通分析的可靠性，提高交通模仿技术的实际应用价值。模型参数校正是根据现场交通的运行状况调整模拟系统中的不同输入参数，正确表现模型中具体交通的运行状况。近年来，模拟校正研究主要是从两个方面进行的。其中之一是对校正过程或方法的构建，以及对校正参数的选择和优化方法的研究。在这些研究中，修正的合理性通常通过比较模拟交通流输出的平均效率测量指数（moes）与实际道路（网络）中的实际调查数据来进行。这种评估方法适用于大多数小型车辆的道路（网络），但对于大多数混合车辆的道路或城市，需要改进的校正方法。对于中国广泛存在的混合交通流，大、中、大车辆的动态性能相对较差，小型车辆和大车辆的动态性能差异很大。在模拟模型中，不同类型车辆的性能相对均匀，不同类型车辆的性能差异不大。如果采用所有车辆的平均效率测量指数，则无法掩盖不同车辆的性能差异，也无法知道不同车辆的运动状况与实际交通状况之间的接近度。笔者认为,要保证仿真校正参数值合理,并足以表达出与实际的交通流相一致的指标,除了依据专业知识合理地定义校正参数值的范围外,还需要针对不同车型、不同道路设施单元进行校正,并用多个指标对它们进行评价,从而建立考虑车型差异的混合车流道路(网)及道路单元的仿真模型校正方法.2不同特性的影响由于不同车型的车辆尺寸和速度、加速度分布等方面存在差异,使得混合车流在纵向运动时无法像纯小型车流那样保持稳定的速度和距离分布.同时,由于大型车与小型车动力性能的差别,它们之间将形成较大间距,由于速度不稳定和后续车型对超车间距接受的概率不同,这种大的间距很难由超车来弥补.另一方面,大型车在转弯时,较之小型车辆其转弯车速更慢、前后轮的轨迹线的偏移量更大.同时,大型车的转弯将给相关流向的交通流带来更大的扰动,大型车形成的较大的间距也无法为其他车辆所利用.在仿真软件开发过程中,开发商根据当地的车辆特性、交通状况进行相关车型参数的设定,但是对于不同的交通组成及车辆性能,特别是在混合交通流特征明显的我国高等级道路和公交车比例较大的城市道路中,这种设定值却无法合理反映实际道路交通情况.针对混合车流的仿真模型校正问题,有必要考虑不同车型的交通特性的影响.3交通设施的交通设施.主要分为3个基本指标和2.校正流程包括两个部分:一是由交通设施校正组成的主程序,二是由车型校正组成的校正循环体.二者相互渗透完成校正与验证过程,如图1所示.其中,交通设施除了选择整个路网,还需要考虑对路网有重要影响的节点:瓶颈区域、交叉口.对于瓶颈,通常选择其最重要的特征——通行能力作为校正指标;对于交叉口,则考虑其流量的流入流出平衡.此外,考虑到通行能力对交通流的影响,还需要校正路段通行能力.因此,主程序包含了路段和瓶颈通行能力校正、交叉口流向流量校正和路网评价指标校正三个阶段.3.1校正循环推进与否校正循环模块是整个校正流程关键模块,主程序每一个阶段的校正需要调用校正循环模块来完成,如图1(右侧部分).校正循环推进与否主要根据吻合度大小及收敛趋势判定.(1)推行综合吻合度的计算—吻合度.吻合度用来表征仿真运行结果与实际路网的评价指标的偏离程度,采用实测值与仿真结果的相对误差来计算,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——综合吻合度,为所有评价指标、所有车辆吻合度的加权平均值,%;Fij——第i个评价指标、第j种车型的吻合度,称吻合度,%;ωj——权值,表示车型j的影响;Ej——当量换算系数;Pj——车型比例;MOEfieldijijfield——现场调查的第j种车型的第i个评价指标值;MOEsimijijsim——仿真运行的第j种车型的第i个评价指标值;i——评价指标序号,i=1,2,…,n;j——车型序号,j=1,2,…,k,集计校正时,k=1.吻合度大小反映了校正后的仿真参数的适用程度.综合吻合度通过车辆换算系数考虑不同车型,特别是大型车对交通流的影响,能有效反映混合车流的偏差程度.(2)确定校正目标校正目标用于判定校正循环何时结束,校正目标范围大小直接决定了校正的精度.确定校正目标主要考虑实际的交通流状况、校正道路(网)规模及评价指标类型等.对于大中路网,参考文献提出了校正目标建议值,如表1所示.(3)运行效果评价默认参数可行性评价是指仿真模型参数取默认值时,在仿真多次运行后,评价各种车型和所有车辆的评价指标与实测值的吻合度是否满足校正目标.这个过程需要分别对路段和瓶颈通行能力、交叉口流向流量和路网效率指标进行评价.(4)参数敏感性分析仿真软件对用户开放了很多影响车辆运行的微观参数,如车辆加减速性能参数、驾驶员跟驰敏感系数、自由流车速等.为了提高校正效率,必须先选出对仿真输出结果敏感的参数或参数组合,并获知仿真输出结果随参数值变化的情况.参数敏感性分析流程如图2所示.敏感性分析首先要建立试验模型.试验模型可以使用待校正的仿真模型,也可以根据典型的道路单元新建一个试验模型.前者适用于线型单一的道路敏感性分析,后者则适用于线型较为复杂多样的各种典型道路设施单元的敏感性分析.对于性能差异较大的混合车流,参数敏感性分析还需分别针对不同车型进行.敏感参数的判定可采用方差分析法或折线图分析.(5)人车单元归类校正仿真校正的理想目标是使仿真系统中的每一个人车单元在道路的每一个断面上的运行特性都与实际情况一致.基于这个目标,先对所有的人车单元合理归类,对各类型的人车单元校正,并进行所有车辆的吻合度分析.分汽车校正的参数要求人、车特性最终将通过车辆这个载体的运动来综合体现,因此,各个仿真车辆运行特征的合理性一定意义上代表了相应的人车单元的真实程度.本文把根据我国混合车流的交通特性,以及驾照相关级别的驾驶员特性,按车型分类分别对各类车型交通特性进行校正的方法,称为分车型校正.分车型校正的参数要求能够反映不同车型及其驾驶员之间的差异,包括:车辆的加速度及其坡度修正,减速分布,车辆的速度分布,人车单元的驾驶员分布以及各类车型在不同道路单元上的运行特征参数.分车型校正的效果以综合吻合度或以每一种车型的吻合度表示.分车型校正可以有效校正每一种仿真车型与实际车型交通特性之间的差异,可以保证各种车型的交通特性得到有效复现.建立集计校正.集计校正.集计校正.集计校正.集计校正.集计校正.集计校正.集计校正.不对车辆进行分类,而根据所有车辆的平均效率指标的吻合度进行校正的方法,则称为集计校正.集计校正需要校正影响整个车流总体特征的相关参数.这些参数包括跟车、换车道、交叉口延误等模型参数.评价指标平均值可以通过仿真软件直接输出,并通过式(1)计算得到集计值吻合度.集计校正保证了整个车流的宏观运行特性的合理性.仿真优化过程分车型校正时,首先根据各车型参数敏感性分析结果,选择各车型的敏感参数,再确定参数范围,按一定的步长或水平分别针对不同车型相应的敏感参数(组合)进行修改,仿真多次运行后,分析该车型的吻合度,若不满足要求,重复取值,周而复始,直至吻合度收敛到一定范围内并取到一组最优的参数为止.对于集计校正,其校正过程与分车型校正过程相似,首先对影响整体交通流运行特征的敏感参数进行修改,仿真运行后,再计算整个仿真车流的集计吻合度,判断仿真吻合程度,反复寻优.由于各类车型只是整个车流的一部分,影响各类车型运行特性的参数也一定程度上影响了整个车流的综合特性,因此分车型与集计校正所涉及的参数会有交叉,且任何一种车型的评价指标的变化都必然引起集计值的变化,这可能使校正过程顾此失彼,因此需要通过迭代校正最终使二者均达到要求.参数的校正过程是个参数值寻优过程,其寻优的完成需要通过仿真软件的调用来完成.式(2)是其中一种最优化表达式.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个校正参数;Lx——校正参数范围的下限;Ux—校正参数范围的上限;m——选定的校正参数个数.校正程序通过编程将最优化程序和仿真软件组合完成.3.2更正主要程序(1)路段通行能力校正时,需要对路段、瓶颈(如车道缩减路段、交织段、合流区等)相关参数和全局参数分别校正.其中路段的通行能力可以参照我国现行规范值,仿真路段通行能力通过纯小型车流的最大流率计算.瓶颈通行能力则需要获得现场和仿真模型中瓶颈处排队的消散流率.(2)基本路段和主要路段的交通流转向对于通过转向比例来定义转向交通量的交叉口,在单路径或小规模模型的情况下,以及在基本路段上,能保证路上的交通量与实测值接近.但如果路网交通分配采用软件内置的分配模型时,就需要校正影响交通流转向的参数.(3)网络评估指标的修正路网评价指标是指反映整个路网运行效率的评价指标,如车速、密度、行程时间等.(4)校正吻合度的计算校正后评价包括各阶段校正吻合度复核和校正参数值评价.三个阶段中修改的参数可能有交集,在进行下一阶段参数校正时,上阶段参数有可能被再次修改,从而影响到上一阶段的校正吻合度.因此,当完成各个阶段的参数校正后,还必须复核各个阶段的吻合度.校正参数值评价可以从定性和定量两个方面进行.定量评价包括分车型吻合度和集计统计吻合度评价两个方面.定性评价需要分析对各个参数默认值的修改是否符合交通流特性.此外,分析人员还可以通过仿真动画演示(如观察车辆排队情况)进行定性分析.(5)数据分析由于参数的校正采用的是同一组实地调查数据,在校正过程中可能存在偶然现象,或调查时段不能代表研究区域典型的交通特征,由此需要选择另一时段的调查数据对校正参数的有效性与可靠性进行最后检验.4使用示例4.1校正与验证试验本文将结合2007年10月16日和10月17日两天对广西南(宁)柳(州)高速公路K733+019～K725+000的交通调查进行CORSIM模型的校正与验证.其中10月16日的数据用于校正,10月17日数据用于验证.校正路段为基本路段,设计车速为120km/h,双向4车道.建模及行程时间调查结果如图3所示.10月16日、10月17日的高峰小时流量为486veh/h、640vhe/h,流量车道分布(从中间带数起)分别为62%、38%和59%、41%,交通组成小型客车:大型客车:轻型货车:中型货车:重型货车分别为56:16:18:3:7和66:13:13:3:5.4.2默认参数的可行性评估(1)路段通行能力模型参数取为默认值,输入足够量的标准小客车,仿真运行10次后,测得路段通行能力的平均值为2227puc/h/ln.设计车速为120km/h时,我国《公路路线设计规范》的路段的通行能力为2200pcu/h/ln,故吻合度为1.23%<5%,满足校正目标要求.(2)出行时间吻合度根据10月16日的交通状况建立路段仿真模型,运行10次后,分别输出每个车型和所有车辆的平均行程时间,并根据公式(1)计算Fij,得到表2.从仿真结果可以看出,无论是分车型还是所有车辆的行程时间吻合度均无法满足要求,特别是货车类仿真结果与实测值相去甚远.究其原因,一方面是仿真各车型的行程时间相对均匀,说明仿真车型性能较为接近;而另一方面实际道路上车型性能差异大,货车类与客车类在同一路段的行程时间上有明显的差别.4.3特征路段设计本文根据《公路路线设计规范》规定的平、纵面线形设计的极限值,建立了一条试验路.试验路涵盖了公路线形组合中的各类基本线形要素.试验路为单向双车道.根据道路特征,试验路的路段可以分为基本路段和特征路段,如图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《公路路线设计规范》规定的几何特性极限值,而基本路段的主要作用是在特征路段中起过渡和缓和作用,使不同特征路段之间的交通状况不至于相互影响.特征路段取纵坡4%和-4%、相应的坡长250m和800m的纵坡路段,以及一个半径为700m、长度为300m的圆曲线路段,总共五个最基本的线元,如图4.每一个线元之间以长为6倍设计车速的零坡度直线过渡.试验路段输入交通量为1500辆/h,车型比例按现场调查取值.仿真运行时长为15min,运行10次.输出不同车型、不同线元的速度指标,分析结果汇总如表3所示.4.4模型的吻合度根据敏感性分析结果,对仿真模型进行分车型校正与集计校正,最终得到的校正结果如图5所示.仿真结果显示,所有指标的吻合度也都在15%之内,特别是集计值、大型客车和小型车的行程时间吻合度均小于5%,这说明在宏观交通流与实际吻合的前提下,各种车型的评价指标亦能“如实”反映实际情况,参数经过校正后的取值如表4.4.5然后评估(1)对路段交通能力的检查根据校正的模型参数,输入标准小客车流,最终得到通行能力的均值为2200pcu/h,样本标准差S=24pcu/h,满足目标.(2)同质竞争优势无论是分车型还是集计车型的评价指标均达到了校正目标范围,说明参数校正值能够使仿真模型在要求的精度范围内反映实际的交通状况.从定性方面分析,驾驶员相关的车辆跟驰敏感系数和自由流车速乘数分布的标准差有所增大,究其原因在于,北美地区的驾驶员技术水平较我国更均匀、车辆动力性能也相对均匀,而我国驾驶员技术水平参差不齐、车辆种类繁多且车辆性能差异性大,且货车超载现象较为普遍.爱尔兰分布的α的值为2的情况反映了低流量情况下的