基于混合客流特性的微觀仿真模型校正方法

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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。模型參數(shù)校正是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交通的運(yùn)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(yùn)行狀況。近年來(lái)，模擬校正研究主要是從兩個(gè)方面進(jìn)行的。其中之一是對(duì)校正過(guò)程或方法的構(gòu)建，以及對(duì)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(guò)比較模擬交通流輸出的平均效率測(cè)量指數(shù)（moes）與實(shí)際道路（網(wǎng)絡(luò)）中的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行。這種評(píng)估方法適用于大多數(shù)小型車(chē)輛的道路（網(wǎng)絡(luò)），但對(duì)于大多數(shù)混合車(chē)輛的道路或城市，需要改進(jìn)的校正方法。對(duì)于中國(guó)廣泛存在的混合交通流，大、中、大車(chē)輛的動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較差，小型車(chē)輛和大車(chē)輛的動(dòng)態(tài)性能差異很大。在模擬模型中，不同類(lèi)型車(chē)輛的性能相對(duì)均勻，不同類(lèi)型車(chē)輛的性能差異不大。如果采用所有車(chē)輛的平均效率測(cè)量指數(shù)，則無(wú)法掩蓋不同車(chē)輛的性能差異，也無(wú)法知道不同車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀況與實(shí)際交通狀況之間的接近度。筆者認(rèn)為,要保證仿真校正參數(shù)值合理,并足以表達(dá)出與實(shí)際的交通流相一致的指標(biāo),除了依據(jù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)合理地定義校正參數(shù)值的范圍外,還需要針對(duì)不同車(chē)型、不同道路設(shè)施單元進(jìn)行校正,并用多個(gè)指標(biāo)對(duì)它們進(jìn)行評(píng)價(jià),從而建立考慮車(chē)型差異的混合車(chē)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(chē)型的車(chē)輛尺寸和速度、加速度分布等方面存在差異,使得混合車(chē)流在縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)法像純小型車(chē)流那樣保持穩(wěn)定的速度和距離分布.同時(shí),由于大型車(chē)與小型車(chē)動(dòng)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(chē)型對(duì)超車(chē)間距接受的概率不同,這種大的間距很難由超車(chē)來(lái)彌補(bǔ).另一方面,大型車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí),較之小型車(chē)輛其轉(zhuǎn)彎車(chē)速更慢、前后輪的軌跡線的偏移量更大.同時(shí),大型車(chē)的轉(zhuǎn)彎將給相關(guān)流向的交通流帶來(lái)更大的擾動(dòng),大型車(chē)形成的較大的間距也無(wú)法為其他車(chē)輛所利用.在仿真軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中,開(kāi)發(fā)商根據(jù)當(dāng)?shù)氐能?chē)輛特性、交通狀況進(jìn)行相關(guān)車(chē)型參數(shù)的設(shè)定,但是對(duì)于不同的交通組成及車(chē)輛性能,特別是在混合交通流特征明顯的我國(guó)高等級(jí)道路和公交車(chē)比例較大的城市道路中,這種設(shè)定值卻無(wú)法合理反映實(shí)際道路交通情況.針對(duì)混合車(chē)流的仿真模型校正問(wèn)題,有必要考慮不同車(chē)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(gè)基本指標(biāo)和2.校正流程包括兩個(gè)部分:一是由交通設(shè)施校正組成的主程序,二是由車(chē)型校正組成的校正循環(huán)體.二者相互滲透完成校正與驗(yàn)證過(guò)程,如圖1所示.其中,交通設(shè)施除了選擇整個(gè)路網(wǎng),還需要考慮對(duì)路網(wǎng)有重要影響的節(jié)點(diǎn):瓶頸區(qū)域、交叉口.對(duì)于瓶頸,通常選擇其最重要的特征——通行能力作為校正指標(biāo);對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)校正三個(gè)階段.3.1校正循環(huán)推進(jìn)與否校正循環(huán)模塊是整個(gè)校正流程關(guān)鍵模塊,主程序每一個(gè)階段的校正需要調(diào)用校正循環(huán)模塊來(lái)完成,如圖1(右側(cè)部分).校正循環(huán)推進(jìn)與否主要根據(jù)吻合度大小及收斂趨勢(shì)判定.(1)推行綜合吻合度的計(jì)算—吻合度.吻合度用來(lái)表征仿真運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際路網(wǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的偏離程度,采用實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果的相對(duì)誤差來(lái)計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)、所有車(chē)輛吻合度的加權(quán)平均值,%;Fij——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)、第j種車(chē)型的吻合度,稱(chēng)吻合度,%;ωj——權(quán)值,表示車(chē)型j的影響;Ej——當(dāng)量換算系數(shù);Pj——車(chē)型比例;MOEfieldijijfield——現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的第j種車(chē)型的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值;MOEsimijijsim——仿真運(yùn)行的第j種車(chē)型的第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值;i——評(píng)價(jià)指標(biāo)序號(hào),i=1,2,…,n;j——車(chē)型序號(hào),j=1,2,…,k,集計(jì)校正時(shí),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(guò)車(chē)輛換算系數(shù)考慮不同車(chē)型,特別是大型車(chē)對(duì)交通流的影響,能有效反映混合車(chē)流的偏差程度.(2)確定校正目標(biāo)校正目標(biāo)用于判定校正循環(huán)何時(shí)結(jié)束,校正目標(biāo)范圍大小直接決定了校正的精度.確定校正目標(biāo)主要考慮實(shí)際的交通流狀況、校正道路(網(wǎng))規(guī)模及評(píng)價(jià)指標(biāo)類(lèi)型等.對(duì)于大中路網(wǎng),參考文獻(xiàn)提出了校正目標(biāo)建議值,如表1所示.(3)運(yùn)行效果評(píng)價(jià)默認(rèn)參數(shù)可行性評(píng)價(jià)是指仿真模型參數(shù)取默認(rèn)值時(shí),在仿真多次運(yùn)行后,評(píng)價(jià)各種車(chē)型和所有車(chē)輛的評(píng)價(jià)指標(biāo)與實(shí)測(cè)值的吻合度是否滿足校正目標(biāo).這個(gè)過(guò)程需要分別對(duì)路段和瓶頸通行能力、交叉口流向流量和路網(wǎng)效率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià).(4)參數(shù)敏感性分析仿真軟件對(duì)用戶開(kāi)放了很多影響車(chē)輛運(yùn)行的微觀參數(shù),如車(chē)輛加減速性能參數(shù)、駕駛員跟馳敏感系數(shù)、自由流車(chē)速等.為了提高校正效率,必須先選出對(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ?試驗(yàn)?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(gè)試驗(yàn)?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(duì)于性能差異較大的混合車(chē)流,參數(shù)敏感性分析還需分別針對(duì)不同車(chē)型進(jìn)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(chē)單元?dú)w類(lèi)校正仿真校正的理想目標(biāo)是使仿真系統(tǒng)中的每一個(gè)人車(chē)單元在道路的每一個(gè)斷面上的運(yùn)行特性都與實(shí)際情況一致.基于這個(gè)目標(biāo),先對(duì)所有的人車(chē)單元合理歸類(lèi),對(duì)各類(lèi)型的人車(chē)單元校正,并進(jìn)行所有車(chē)輛的吻合度分析.分汽車(chē)校正的參數(shù)要求人、車(chē)特性最終將通過(guò)車(chē)輛這個(gè)載體的運(yùn)動(dòng)來(lái)綜合體現(xiàn),因此,各個(gè)仿真車(chē)輛運(yùn)行特征的合理性一定意義上代表了相應(yīng)的人車(chē)單元的真實(shí)程度.本文把根據(jù)我國(guó)混合車(chē)流的交通特性,以及駕照相關(guān)級(jí)別的駕駛員特性,按車(chē)型分類(lèi)分別對(duì)各類(lèi)車(chē)型交通特性進(jìn)行校正的方法,稱(chēng)為分車(chē)型校正.分車(chē)型校正的參數(shù)要求能夠反映不同車(chē)型及其駕駛員之間的差異,包括:車(chē)輛的加速度及其坡度修正,減速分布,車(chē)輛的速度分布,人車(chē)單元的駕駛員分布以及各類(lèi)車(chē)型在不同道路單元上的運(yùn)行特征參數(shù).分車(chē)型校正的效果以綜合吻合度或以每一種車(chē)型的吻合度表示.分車(chē)型校正可以有效校正每一種仿真車(chē)型與實(shí)際車(chē)型交通特性之間的差異,可以保證各種車(chē)型的交通特性得到有效復(fù)現(xiàn).建立集計(jì)校正.集計(jì)校正.集計(jì)校正.集計(jì)校正.集計(jì)校正.集計(jì)校正.集計(jì)校正.集計(jì)校正.不對(duì)車(chē)輛進(jìn)行分類(lèi),而根據(jù)所有車(chē)輛的平均效率指標(biāo)的吻合度進(jìn)行校正的方法,則稱(chēng)為集計(jì)校正.集計(jì)校正需要校正影響整個(gè)車(chē)流總體特征的相關(guān)參數(shù).這些參數(shù)包括跟車(chē)、換車(chē)道、交叉口延誤等模型參數(shù).評(píng)價(jià)指標(biāo)平均值可以通過(guò)仿真軟件直接輸出,并通過(guò)式(1)計(jì)算得到集計(jì)值吻合度.集計(jì)校正保證了整個(gè)車(chē)流的宏觀運(yùn)行特性的合理性.仿真優(yōu)化過(guò)程分車(chē)型校正時(shí),首先根據(jù)各車(chē)型參數(shù)敏感性分析結(jié)果,選擇各車(chē)型的敏感參數(shù),再確定參數(shù)范圍,按一定的步長(zhǎng)或水平分別針對(duì)不同車(chē)型相應(yīng)的敏感參數(shù)(組合)進(jìn)行修改,仿真多次運(yùn)行后,分析該車(chē)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(duì)于集計(jì)校正,其校正過(guò)程與分車(chē)型校正過(guò)程相似,首先對(duì)影響整體交通流運(yùn)行特征的敏感參數(shù)進(jìn)行修改,仿真運(yùn)行后,再計(jì)算整個(gè)仿真車(chē)流的集計(jì)吻合度,判斷仿真吻合程度,反復(fù)尋優(yōu).由于各類(lèi)車(chē)型只是整個(gè)車(chē)流的一部分,影響各類(lèi)車(chē)型運(yùn)行特性的參數(shù)也一定程度上影響了整個(gè)車(chē)流的綜合特性,因此分車(chē)型與集計(jì)校正所涉及的參數(shù)會(huì)有交叉,且任何一種車(chē)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化都必然引起集計(jì)值的變化,這可能使校正過(guò)程顧此失彼,因此需要通過(guò)迭代校正最終使二者均達(dá)到要求.參數(shù)的校正過(guò)程是個(gè)參數(shù)值尋優(yōu)過(guò)程,其尋優(yōu)的完成需要通過(guò)仿真軟件的調(diào)用來(lái)完成.式(2)是其中一種最優(yōu)化表達(dá)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(gè)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(gè)數(shù).校正程序通過(guò)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(shí),需要對(duì)路段、瓶頸(如車(chē)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(guó)現(xiàn)行規(guī)范值,仿真路段通行能力通過(guò)純小型車(chē)流的最大流率計(jì)算.瓶頸通行能力則需要獲得現(xiàn)場(chǎng)和仿真模型中瓶頸處排隊(duì)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^(guò)轉(zhuǎn)向比例來(lái)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(shí)測(cè)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(shí),就需要校正影響交通流轉(zhuǎn)向的參數(shù).(3)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估指標(biāo)的修正路網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)是指反映整個(gè)路網(wǎng)運(yùn)行效率的評(píng)價(jià)指標(biāo),如車(chē)速、密度、行程時(shí)間等.(4)校正吻合度的計(jì)算校正后評(píng)價(jià)包括各階段校正吻合度復(fù)核和校正參數(shù)值評(píng)價(jià).三個(gè)階段中修改的參數(shù)可能有交集,在進(jìn)行下一階段參數(shù)校正時(shí),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(dāng)完成各個(gè)階段的參數(shù)校正后,還必須復(fù)核各個(gè)階段的吻合度.校正參數(shù)值評(píng)價(jià)可以從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行.定量評(píng)價(jià)包括分車(chē)型吻合度和集計(jì)統(tǒng)計(jì)吻合度評(píng)價(jià)兩個(gè)方面.定性評(píng)價(jià)需要分析對(duì)各個(gè)參數(shù)默認(rèn)值的修改是否符合交通流特性.此外,分析人員還可以通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)演示(如觀察車(chē)輛排隊(duì)情況)進(jìn)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(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),在校正過(guò)程中可能存在偶然現(xiàn)象,或調(diào)查時(shí)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(shí)段的調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)校正參數(shù)的有效性與可靠性進(jìn)行最后檢驗(yàn).4使用示例4.1校正與驗(yàn)證試驗(yàn)本文將結(jié)合2007年10月16日和10月17日兩天對(duì)廣西南(寧)柳(州)高速公路K733+019～K725+000的交通調(diào)查進(jìn)行CORSIM模型的校正與驗(yàn)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(yàn)證.校正路段為基本路段,設(shè)計(jì)車(chē)速為120km/h,雙向4車(chē)道.建模及行程時(shí)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(shí)流量為486veh/h、640vhe/h,流量車(chē)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(chē):大型客車(chē):輕型貨車(chē):中型貨車(chē):重型貨車(chē)分別為56:16:18:3:7和66:13:13:3:5.4.2默認(rèn)參數(shù)的可行性評(píng)估(1)路段通行能力模型參數(shù)取為默認(rèn)值,輸入足夠量的標(biāo)準(zhǔn)小客車(chē),仿真運(yùn)行10次后,測(cè)得路段通行能力的平均值為2227puc/h/ln.設(shè)計(jì)車(chē)速為120km/h時(shí),我國(guó)《公路路線設(shè)計(jì)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(biāo)要求.(2)出行時(shí)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(yùn)行10次后,分別輸出每個(gè)車(chē)型和所有車(chē)輛的平均行程時(shí)間,并根據(jù)公式(1)計(jì)算Fij,得到表2.從仿真結(jié)果可以看出,無(wú)論是分車(chē)型還是所有車(chē)輛的行程時(shí)間吻合度均無(wú)法滿足要求,特別是貨車(chē)類(lèi)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值相去甚遠(yuǎn).究其原因,一方面是仿真各車(chē)型的行程時(shí)間相對(duì)均勻,說(shuō)明仿真車(chē)型性能較為接近;而另一方面實(shí)際道路上車(chē)型性能差異大,貨車(chē)類(lèi)與客車(chē)類(lèi)在同一路段的行程時(shí)間上有明顯的差別.4.3特征路段設(shè)計(jì)本文根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的平、縱面線形設(shè)計(jì)的極限值,建立了一條試驗(yàn)路.試驗(yàn)路涵蓋了公路線形組合中的各類(lèi)基本線形要素.試驗(yàn)路為單向雙車(chē)道.根據(jù)道路特征,試驗(yàn)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(jì)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(guò)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(zhǎng)250m和800m的縱坡路段,以及一個(gè)半徑為700m、長(zhǎng)度為300m的圓曲線路段,總共五個(gè)最基本的線元,如圖4.每一個(gè)線元之間以長(zhǎng)為6倍設(shè)計(jì)車(chē)速的零坡度直線過(guò)渡.試驗(yàn)路段輸入交通量為1500輛/h,車(chē)型比例按現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取值.仿真運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為15min,運(yùn)行10次.輸出不同車(chē)型、不同線元的速度指標(biāo),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(duì)仿真模型進(jìn)行分車(chē)型校正與集計(jì)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(biāo)的吻合度也都在15%之內(nèi),特別是集計(jì)值、大型客車(chē)和小型車(chē)的行程時(shí)間吻合度均小于5%,這說(shuō)明在宏觀交通流與實(shí)際吻合的前提下,各種車(chē)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)亦能“如實(shí)”反映實(shí)際情況,參數(shù)經(jīng)過(guò)校正后的取值如表4.4.5然后評(píng)估(1)對(duì)路段交通能力的檢查根據(jù)校正的模型參數(shù),輸入標(biāo)準(zhǔn)小客車(chē)流,最終得到通行能力的均值為2200pcu/h,樣本標(biāo)準(zhǔn)差S=24pcu/h,滿足目標(biāo).(2)同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)無(wú)論是分車(chē)型還是集計(jì)車(chē)型的評(píng)價(jià)指標(biāo)均達(dá)到了校正目標(biāo)范圍,說(shuō)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(shí)際的交通狀況.從定性方面分析,駕駛員相關(guān)的車(chē)輛跟馳敏感系數(shù)和自由流車(chē)速乘數(shù)分布的標(biāo)準(zhǔn)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(guó)更均勻、車(chē)輛動(dòng)力性能也相對(duì)均勻,而我國(guó)駕駛員技術(shù)水平參差不齊、車(chē)輛種類(lèi)繁多且車(chē)輛性能差異性大,且貨車(chē)超載現(xiàn)象較為普遍.愛(ài)爾蘭分布的α的值為2的情況反映了低流量情況下的