同济大学交通流及交通仿真课程作业

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1、 同济大学 交通流交通流理论作业理论作业 武宁路瓶颈武宁路瓶颈失效仿真分析失效仿真分析 报告人：报告人： 报告人学号：报告人学号： 专业：交通信息工程及专业：交通信息工程及控制控制 指导老师：指导老师： 报告提交日期：报告提交日期：2015.9.11 1 1 引言引言 1.1 研究目标研究目标 城市快速路是城市交通系统中的极为重要的一部分。 相较于城市地面道路， 快速路没有 交叉口，不存在不同向的交通流冲突，承担了城市大量的交通流。但快速路同样存在拥堵的 可能性，如上匝道与下匝道处、车道变窄处、交通事故处等有可能引起交通拥堵，即快速路 瓶颈点。原因都可归结为车辆换道、车道减少或是车道占用等所引

2、起的通行能力不足。通常 来说，瓶颈点可分为常发性瓶颈与偶发性瓶颈，其含义与城市道路的拥堵分类一致，常发性 瓶颈主要是指由车道减少、上下匝道、车辆交织等造成的拥堵，有一定规律性；偶发性瓶颈 则主要是指交通事故、重大活动等引起的突发性拥堵。 本文的主要研究目标在于通过快速路的实测流量、 速度等数据， 通过 Vissim 仿真建模， 并校正跟车模型、换道模型等参数，将实际场景中的拥堵尽可能真实的在仿真模型中还原， 通过微观交通流仿真对其加以分析。 1.2 研究范围研究范围 本文研究的城市快速路为上海市内环高架武宁路段内圈道路，如下图所示。 图 1-1 内环高架武宁路段 该高架段全长大约为 2400m

3、，共包含 8 个道路检测器，其中 5 个为主线检测器，3 个为 匝道检测器，主线为线圈 NHNX37线圈 NHNX41 的范围。3 个匝道中 2 个为下匝道，1 个 为上匝道。在该路段内，车辆经过 NHNX37 线圈后，一次经过下匝道 NHWN-NO-1、上匝 道 NHNW-NI-1 以及下匝道 NHZP-NO-1。由于在较短的路段内存在多个上下匝道，车辆换 道行为频繁，在平日里都存在高峰时段，瓶颈点非常明显。 本文的主要研究时间段为 2010 年 7 月 15 日全天的线圈数据，作为模型的基本参数输 入，主要包括流量、速度等原始交通数据，首先确保了仿真模型参数的真实性与可靠性，为 进一步建模

4、分析奠定基础。通过对 7 月 15 日全天的流量密度图与变形累计流量曲线，最终 确定研究时间点为 9:00至12:30。 根据观察， 瓶颈点主要产生在线圈NHNX40之间NHNX39， 并会扩散至 NHNX38，由于研究路段内包含的检测器仅有 5 个，故在建模分析时 5 个检测 器数据全部使用。 1.3 研究方法研究方法 本文主要了利用上海市快速路系统中的真实线圈数据， 选择典型的独立瓶颈点， 来分析 其微观交通流特征，并通过 Vissim 仿真软件进行建模。建模之后对仿真模型进行校正，检 验模型的精度， 通过仿真模型的方式尽可能真实的还原实际场景中的瓶颈点现象， 精度评价 指标如下表所示。

5、表 1-1 微观交通流仿真模型精度评价指标 评价指标评价指标 含义含义 要求要求 C1(Bottleneck Area Matching) 实际与仿真在瓶颈范围（时间和空间上） 的匹配程度 0.75 C2(Actual Speed Matching) 反映范围匹配以及实际速度的匹配 0.70 GEH 由 Geoffrey E. Havers 提出，旨在比较两 组流量数据的匹配程度 5 速度相对误差速度相对误差 15% 2 2 快速路交通流特征分析。快速路交通流特征分析。 2.1 瓶颈点确定瓶颈点确定 通过绘制武宁路段各检测线圈全天的加权平均速度等高线图，行驶方向为 NHNX37 向 NHNX4

6、0 方向。根据经验可大致确定瓶颈点的范围。 图 2-1 2010 年 7 月 15 日速度等高线图 图中 1:00 至 5:00 的数据较为异常，主要原因可能在于凌晨快速路上行驶的车辆较少， 各时间段内没有采集到相应的交通数据， 造成该时段出现大量速度为 0 的点。 由于凌晨的交 通流随机性较大，不属于瓶颈点的研究范围，故此处不再对这些问题数据进行修复，而直接 忽略。由图中可大致看出，典型的瓶颈点大约在 9:00 时出现，在线圈 NHNX40 附近，并逐 渐扩散至NHNX39、 NHNX38， 之后从12:00开始短时间内消散， 至12:30分消散至NHNX40， 刺猬第一段瓶颈点。后一段则很

7、快再次在 NHNX40 处产生，此次拥堵扩散到 NHNX37，并 持续至晚间 19:30 后开始消散，20:00 后完全消散。 2.2 瓶颈点起止时间分析瓶颈点起止时间分析 为了清晰的解析瓶颈的形成与蔓延过程， 采用变形累计流量曲线对该高架段进行进一步 分析，如下图所示。相邻检测线圈间的纵向位移就是累计在相邻检测线圈间的排队车辆。同 时为了消除背景流量的影响，各检测器的背景流量 q0 取相同值，通过各时段、路段的主线 流量与匝道流量计算，得到 q0=4381 veh/h，计算方法请参考 Cassidy 等人提出的方法。 图中，首先看 NHNX37 线圈的曲线，该曲线从一开始便偏离其他 4 个线

8、圈的曲线。根 据查阅资料，认为可能的原因在于，内环高架武宁路段 NHNX37 线圈前方较近距离内存在 一个上匝道口，该处车流交织行为频繁，且计算时由于没有该处的上匝道流量，所以在判断 时暂且先不考虑 NHNX37 线圈的曲线。 通过观察剩下的 4 条曲线，可明显的发现，从 9:00 开始，NHNX40 与 NHNX41 线圈的 曲线发生偏移，即 NHNX40 线圈与 NHNX38 线圈之间开始产生瓶颈，并逐渐向上游扩散。 大约在 11:20 分左右，NHNX38 线圈曲线与 NHNX37 曲线之间也开始出现轻微偏移，此时 瓶颈点扩散至 NHNX37 线圈，但偏移现象不严重，即拥堵不严重，并在

9、12：00 之后逐渐消 散。 图 2-2 内环高架武宁路段变形累计流量曲线 3 3 仿真模型建立仿真模型建立 3.1 基础路网建立基础路网建立 参考路段的 CAD 底图以及实际卫星地图，可绘制较贴合实际的路网模型，并根据实际 路宽、路长、车道数等进行设置。 图 3-1 内环高架武宁路段 CAD 图 3.2 车辆组成车辆组成 本次研究并未对车辆组成做特殊要求，故采取 Vissim 中默认的车辆组成进行设置，即 98%的小车率与 2%的大车率。 3.3 流量输入流量输入 流量的输入关乎模型的精确程度， 流量的时空变化也是瓶颈点形成于消散的一大重要因 素。本次研究范围内的线圈流量数据如下表所示。主要

10、包含流量、速度与占有率数据。 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 8:30:00 9:00:00 9:30:00 10:00:00 10:30:00 11:00:00 11:30:00 12:00:00 12:30:00 变形累计车辆数（变形累计车辆数（veh） 内环高架武宁路段变形累计流量曲线内环高架武宁路段变形累计流量曲线 NHNX37 NHNX38 NHNX39 NHNX40 NHNX41 N(x,t)-q0*t, q0=4381 表 3-1 NHNX37 线圈原始数据表（5min） 日期时间 检测器 流量 速度 占有率 2

11、010/7/1 0:00 NHNX37 151 74.02649 4.333333 2010/7/1 0:05 NHNX37 128 76.0625 3.666667 2010/7/1 0:10 NHNX37 135 77.39259 3.666667 2010/7/1 0:15 NHNX37 149 74.42282 4.333333 2010/7/1 0:20 NHNX37 125 75.368 3.666667 2010/7/1 0:25 NHNX37 141 68.56738 4.333333 2010/7/1 0:30 NHNX37 158 74.58861 4.333333 201

12、0/7/1 0:35 NHNX37 150 70.79333 4.333333 本次研究采取的时间颗粒度为 5min，故输入的流量与速度数据都以 5min 为单位，并以 瓶颈点的时间范围进行输入，即 9:00 至 12:30(012900s)，由于 Vissim 仿真需要预热时间， 且研究时段前 1 小时内的流量不大，此处设置 600s 的仿真预热时间，以使得该模型能够达 到稳定状态。 同时，该路段一共只有两个进口，即 NHNX37 与上匝道 NHNW-NI-1，故分两个进口进 行输入，具体操作过程如下图所示。 图 3-2 仿真模型车辆输入 此处 0600s 既是仿真模型的预热阶段， 此阶段中

13、， 路网中的车辆出入持续增加的过程， 为不稳定阶段，在度过此阶段进入稳定阶段后，模型的输出指标才具有意义。 同时通过对数据的观察，在流量小，未拥堵的阶段，该路段交通流的速度多处在 60km/h70km/h 之间，而系统默认值的期望约为 50km/h，两者不相符，故在路段起点附近 设置一个期望速度为 65km/h 的速度分布，速度分布曲线采用系统默认设置。 图 3-3 快速路研究范围内期望速度分布 3.4 路径分配路径分配 该仿真路段包含了 2 个下匝道与一个上匝道， 即两个进口与两个出口， 故应该设置两组 路径，分别对应下匝道 NHWN-NO-1 与下匝道 NHZP-NO-1，两条路径的流量比

14、采用下匝道 流量与该处的主线流量确定，以 5min 为颗粒度输入模型。 图 3-4 仿真模型路径分配 同时考虑到研究路段距起点不远处就出现下匝道口， 该处的连接器换道距离应设置较大 一些， 让车辆提前换道， 防止车辆出现决策距离内无法换道， 在匝道口堆积拥堵的情况出现。 图 3-5 连接器换道距离设置 3.5 仿真结果输出设置仿真结果输出设置 仿真结果的检验形式有两种， 一是对比仿真结果与实际数据的速度等高线图， 看两者拥 堵区间形状是否一致； 二是通过第一章中的评价指标进行计算来判断。 所以需要输出主线各 检测器处的流量与平均速度，以 5min 为时间颗粒度，检测器的布设参考 CAD 图中的

15、检测 器位置。并根据各检测器包括的车道对检测器进行分组。 图 3-6 研究范围内检测器位置设置 设置好检测器的位置后， 对检测器进行分组与输出参数设定， 本次仿真主要研究的是瓶 颈点现象，故输出的参数主要为主线流量与平均车速，如下图所示。 图 3-7 检测器分组设置 图 3-8 检测器检测参数设置 设置好之后，仿真运行结束之后就可以通过“.mes”文件查看输出参数。 4 4 结果输出与参数校正结果输出与参数校正 4.1 驾驶行为参数设置驾驶行为参数设置跟车模型与换道模型设置跟车模型与换道模型设置 微观交通流中车辆的跟车模型与换道模型是最基本的参数， 同时也对整个仿真模型的运 行效果具有重大影响

16、，各参数的具体含义如下表所示。 表 4-1 Wiedemann 99 跟车模型以及换道模型参数含义 参数参数 名称名称 含义含义 CC0 平均停车间距 两个停止车辆之间的平均期望间隔距离，没有变量。 参数参数 名称名称 含义含义 CC1 期望车头时距 后车驾驶员对于某一个确定的速度而期望保持的车头 时距（单位：秒） 。 CC2 跟驰随机振荡距离 前后车的纵向摆动约束，是后车驾驶员在有所反应、 有所行动之前，所允许的车辆间距大于目标安全距离 的部分。 CC3 进入跟驰状态的阈值 在后车达到安全距离之前多少秒，后车驾驶员开始减 速。 CC4 跟驰状态的阈值 控制“跟驰”状态下前后车的速度差。该值越小，后车 驾驶员对前车加/减速行为的反应越灵敏 CC5 CC6 车速振动 跟驰过程中，距离对后车速度摆动的影响。 CC7 振动加速度 摆动过程中的实际加速度 CC8 停车的加速度 停车启动时的期望加速度。 CC9 80km/h 车速时的加速度 80km/h 车速时的期望加速度 maxF 前视距离 定义了车辆前方的可视距离，从该距离