CN102521438B - 交通冲突仿真两阶段参数标定方法 - Google Patents

Abstract

一种交通冲突仿真的两阶段参数标定方法，步骤包括第一阶段对交通仿真软件(VISSIM)中影响交通运行的参数标定和第二阶段对冲突分析软件(SSAM)中仿真冲突判定阈值的标定。本发明在现有交通仿真模型参数标定方法的基础上，提出了面向交通冲突仿真的两阶段参数标定方法，克服了传统参数标定方法模拟仿真冲突精度低的缺陷，在利用微观仿真软件对交通设计方案进行安全研究方面具有实际工程运用价值。

Description

交通冲突仿真两阶段参数标定方法

技术领域

本发明属于交通仿真领域，为一种利用微观仿真软件VISSIM和冲突分析软件SSAM进行交通冲突模拟的参数标定方法。

背景技术

微观仿真技术的不断成熟，使其在交通工程领域中的应用日益广泛，特别是在通行能力研究方面，逐渐形成了利用微观仿真技术模拟实际交通运行状况的参数标定流程。然而在交通冲突仿真方面的工程实践表明，传统面向通行能力研究的参数标定流程在模拟实际交通冲突方面存在很大的缺陷，并不能正确反映实际交通冲突状况。

发明内容

如何改善传统微观交通仿真模型的标定流程，使其能够应用于交通冲突仿真是本发明主要解决的问题。

为了弥补传统微观仿真模型参数标定过程不能正确反映实际交通冲突状况的不足，本发明提出了交通冲突仿真两阶段参数标定方法，包括以下步骤：

第1步，现场数据采集，建立交叉口VISSIM仿真模型。现场数据采集主要包括交叉口几何尺寸、交通流量、车速、大小车比例、交通冲突以及信号配时等数据的采集。然后根据交叉口航拍图或者CAD图建立交叉口仿真模型，并定义仿真模型中交通流量、大小车比例、车辆速度以及交通信号配时等信息。

第2步，参数校准。对VISSIM中车辆跟驰模型、变道模型以及优先规则等所包含的参数进行校准。初次参数校准可采用软件默认值，若默认值无法满足研究需求，可根据经验和国内外研究成果设定参数的变化区间和变化幅度，重复试验进行参数校准。

第3步，模型检验。首先选择能够反映交叉口交通运行状况的检验指标，如车头时距、排队长度等，然后进行皮尔森卡方检验计算该指标实测值与仿真输出值的之间差异，计算公式为公式（1）。

${\mathrm{\χ}}^2=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(s_i-r_i)}^2}{r_i}---\left(1\right)$

其中k表示对检验指标数值划分成k个区间，s_i代表检验指标的仿真输出值在第i个区间的个数，r_i代表检验指标的实际观测值在第i个区间的个数。在给定显著性水平α下，若

则认为两者之间的差异过大，返回第2步，继续进行参数校准；反之则认为仿真模型能够反映实际交通运行状况，进行第4步。

第4步，运行仿真模型，输出轨迹文件。通过第3步模型检验之后，运行仿真模型，输出车辆的轨迹文件。

第5步，仿真冲突阈值校准。冲突分析软件SSAM通过计算车辆之间的距冲突时间（TTC）来判定是否有交通冲突发生。SSAM中默认的冲突阈值为1.5s，当计算得到的TTC值小于或等于1.5s时，认为有冲突产生；当TTC值大于1.5s时，认为没有冲突产生。而实际冲突观测中，观测者通过观察车辆是否有明显的避险行为，如突然减速、变向等来判断是否有冲突产生。因此为了使仿真冲突与实际冲突具有一致性，必须对仿真冲突阈值进行校准。同样，仿真冲突阈值的初始值可以定为软件默认值，若初始值不可接受，则可设定其变化区间和变化幅度，重复试验进行参数校准。

第6步，SSAM冲突分析。运行冲突分析软件SSAM，对交叉口仿真模型输出的车辆轨迹文件进行冲突分析，输出仿真冲突数据。

第7步，冲突检验。利用公式（2）计算交叉口实际观测到的冲突与分析得出的仿真冲突的差异：

$\mathrm{MAPE}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{a_i-b_i}{a_i}\right|*100\%---\left(2\right)$

其中MAPE代表实际冲突数与仿真冲突数之间的平均绝对百分比误差，n代表交叉口个数，a_i代表第i个交叉口的实际冲突个数，b_i代表第i个交叉口的仿真冲突个数。若计算得到实际冲突与仿真冲突之间的平均绝对百分比误差大于10%，则认为误差过大，返回第5步重新进行仿真冲突阈值校准；反之，若两者之间的平均绝对百分比误差不大于10%，认为误差可接受，则完成整个参数标定过程。

附图说明

图1为本发明实施例的现场数据采集示意图。

图2为本发明进行参数标定的流程图。

具体实施方式

本发明的交通冲突仿真两阶段参数标定方法步骤包括：

1、建立交叉口VISSIM仿真模型：

第1步，构建交叉口模型。微观交通仿真软件VISSIM是在微观交通仿真领域得到广泛应用的仿真软件，构建交叉口仿真模型首先需要对交叉口进行现场数据采集，包括交叉口几何尺寸，交通流量，大小车比例，交通信号配时等信息。然后根据交叉口航拍图或者CAD图建立仿真交叉口，并根据实际观测数据定义仿真模型中交通流量、大小车比例、车辆速度以及交通信号配时等信息。

第2步，参数校准。VISSIM通过车辆跟驰模型、变道模型以及优先规则等来定义仿真模型中车辆的运行动作，研究者可以通过对这些模型的参数进行修正来模拟交叉口车辆的实际运行状况。初次参数校准可采用软件默认值，若默认值无法满足研究需求，可根据经验和国内外研究成果设定参数的变化区间和变化幅度，并重复试验进行参数校准。

第3步，模型检验。首先选择能够反映交叉口交通运行状况的检验指标，如车头时距、排队长度等，然后进行皮尔森卡方检验，计算该指标实测值与仿真输出值的之间差异，计算公式为公式（1）。

${\mathrm{\χ}}^2=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(s_i-r_i)}^2}{r_i}---\left(1\right)$

其中k代表对检验指标数值划分成k个区间，s_i代表检验指标的仿真输出值在第i个区间的个数，r_i代表检验指标的实际观测值在第i个区间的个数。在给定显著性水平α下，若

则认为两者之间的差异过大，返回第2步，继续进行参数校准；反之则认为仿真模型能够反映实际交通运行状况，完成交叉口仿真建模。

2、面向交通冲突的参数标定：

第1步，运行权利要求1所建立的交叉口VISSIM仿真模型，输出车辆轨迹文件。

第2步，仿真冲突阈值校准。冲突分析软件SSAM通过计算车辆之间的距冲突时间TTC来判定是否有交通冲突发生。SSAM中默认的冲突阈值为1.5s，当计算得到车辆之间的TTC值小于或等于1.5s时，认为有冲突产生；当TTC值大于1.5s时，认为没有冲突产生。而实际冲突观测中，观测者通过观察车辆是否有明显的避险行为，如突然减速、变向等来判断是否有冲突产生。因此为了使仿真冲突与实际冲突具有一致性，必须对仿真冲突阈值进行校准。同样，仿真冲突阈值的初始值可以定为软件默认值，若初始值不可接受，则可通过设定其变化区间和变化幅度，并重复试验进行参数校准。

第3步，SSAM冲突分析。运行冲突分析软件SSAM，对交叉口仿真模型输出的车辆轨迹文件进行冲突分析，输出仿真冲突数据。

第4步，冲突检验。利用公式（2）计算交叉口实际观测到的冲突与分析得出的仿真冲突的差异：

$\mathrm{MAPE}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{a_i-b_i}{a_i}\right|*100\%---\left(2\right)$

其中MAPE代表实际冲突数与仿真冲突数之间的平均绝对百分比误差，n代表对交叉口进行冲突仿真的小时数，a_i代表交叉口第i小时内的实际冲突个数，b_i代表交叉口第i小时内的仿真冲突个数。若计算得到实际冲突与仿真冲突之间的平均绝对百分比误差大于10%，则认为误差不可接受，重新进行仿真冲突阈值校准；反之，若两者之间的平均绝对百分比误差不大于10%，认为误差可接受，则完成整个参数标定过程。

下面结合南京某交叉口对本标定方法进行演示。

1）现场数据采集，建立交叉口VISSIM仿真模型。调查人员利用米尺、测距滚轮测量交叉口几何尺寸，并在交叉口各进口道分别架设一台摄像机拍摄进口道和交叉口内部的交通运行状况，如图1所示。然后，通过对录像进行分析，获取交叉口的交通流量、大小车比例以及交通冲突数据，共获得该交叉口5个小时的交通信息。根据交叉口几何尺寸和分析得到的交通流量，大小车比例等信息，建立交叉口仿真模型。

2）参数校准。交叉口仿真模型中车辆跟驰模型、变道模型以及优先规则等包含的参数均采用软件默认值。

3）模型检验。选取车头时距分布作为检验模型有效性的评价指标，运行仿真模型，输出车头时距，此外通过对交叉口视频进行分析，获取实际车头时距。根据样本数据分类原则，车头时距共划分成7组，进行皮尔森卡方检验，由公式1可计算得到，χ²值为15.72，而在显著性水平α下，

此时

认为仿真车头时距分布与实际车头时距分布相差过大，需要对默认参数进行校准。

根据以往研究，影响仿真模型中车头时距分布的主要影响因素为期望安全距离的加项BX_add和乘项BX_multi，两者的默认值分别为2.0和3.0，设定两者的变化范围都为（1.0，5.0），变化步长为0.5。反复试验得到：当BX_add=2.5，BX_multi=6.0时，仿真车头时距与实际车头时距之间的皮尔森卡方值χ²=2.98，该值小于

因此通过模型检验。

4）运行交叉口仿真模型，输出在5个不同小时交通流量下的车辆轨迹文件。

5）运行SSAM进行交通冲突分析。在默认的仿真交通冲突阈值（TTC=1.5s）下，运行冲突分析软件SSAM，对第4步得到的5个车辆轨迹文件分别进行冲突分析。

6）冲突检验。根据该交叉口5个小时的实际交通冲突数和仿真冲突数（如表1所示），由公式2计算实际交通冲突与仿真交通冲突之间的差异：

计算得到的MAPE值大于10%，说明在默认仿真冲突阈值情况下，仿真冲突与实际冲突之间差异较大，需要对仿真冲突阈值进行校准。

根据国内外研究成果，设定仿真冲突阈值TTC的变化范围为1.0s—2.0s，变化幅度为0.1s。经过反复试验发现，在TTC=1.6s时，仿真冲突与实际冲突之间的差异最小，具体数据见表1。计算得到此时的MAPE值为8.3%<10%，通过冲突检验。至此，完成交通冲突仿真两阶段参数标定过程。

表1实际交通冲突数与仿真冲突数

编号	实际冲突数	仿真冲突数1	仿真冲突数2
				1	20	7	19
2	21	10	22
				3	17	7	18
4	16	6	13
				5	14	12	15

注：仿真冲突数¹是指在默认仿真冲突阈值下，即TTC=1.5s，SSAM分析得到的仿真冲突数；仿真冲突数²是指在TTC=1.6s时，SSAM分析得到的仿真冲突数。

由于该交叉口事故发生较为频繁，拟对其进行交通安全改善，提出以下两种改善方案：方案一，交叉口道路限速由60km/h降低到50km/h；方案二，增设左转专用信号。传统的安全改善效果评价需要采集方案实施之后几年内的交通事故数据，或在实施之后进行现场人工冲突观测，这两种方法不但需要耗费大量的人力物力，而且都是事后评价方法，无法预先比较不同方案的优劣。然而，利用本发明提出的交通冲突仿真两阶段参数标定方法，可在仿真模型中实现不同的交通安全改善方案，模拟改善后的交通运行状况，并输出仿真冲突数据，从而进行方案比选。以本交叉口为例，模拟实施方案一后，交叉口1小时内平均产生仿真冲突16起；模拟实施方案二后，交叉口1小时内平均产生仿真冲突9起，因此就实施效果而言，方案二优于方案一。

Claims (4)

1.一种交通冲突仿真两阶段参数标定方法，其特征是包括步骤：

1）现场数据采集，建立交叉口VISSIM仿真模型；

2）参数校准：对VISSIM中车辆跟驰模型、变道模型以及优先规则所包含的参数进行校准；

3）模型检验：

首先，选择能够反映交叉口交通运行状况的检验指标；

然后，进行皮尔森卡方检验计算该检验指标实测值与该检验指标仿真输出值的之间差异，计算公式为公式（1）： ${\mathrm{\&chi;}}^2=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{(s_i-r_i)}^2}{r_i}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right),$

其中，k对检验指标数值划分成k个区间，s_i代表检验指标的仿真输出值在第i个区间的个数，r_i代表检验指标的实测值在第i个区间的个数；

在给定显著性水平α下，若

则返回步骤2），继续进行参数校准；若

则认为仿真模型能够反映实际交通运行状况，进行步骤4）；

4）运行仿真模型，输出轨迹文件：通过步骤3）的模型检验之后，运行仿真模型，输出车辆的轨迹文件；

5）仿真冲突阈值校准：冲突分析软件SSAM进行冲突分析是通过计算车辆之间的距冲突时间TTC，并与仿真冲突阈值进行比较来判定是否有交通冲突发生；仿真冲突阈值的初始值定为软件默认值，若初始值不可接受，则设定仿真冲突阈值变化区间和变化幅度，重复试验进行参数校准；

6）SSAM冲突分析：在默认的仿真交通冲突阈值1.5s下，运行冲突分析软件SSAM，对步骤4）得到的车辆轨迹文件分别进行冲突分析；

7）冲突检验：利用公式（2）计算交叉口实际观测到的冲突与分析得出的仿真冲突的差异： $\mathrm{MAPE}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|\frac{a_i-b_i}{a_i}\right|*100\%\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

其中，MAPE代表实际冲突数与仿真冲突数之间的平均绝对百分比误差，n代表交叉口个数，a_i代表第i个交叉口的实际冲突个数，b_i代表第i个交叉口的仿真冲突个数；

若计算得到实际冲突与仿真冲突二者之间的平均绝对百分比误差大于10%，则认为误差过大，返回步骤5）重新进行仿真冲突阈值校准；

若计算得到二者之间的平均绝对百分比误差不大于10%，认为误差可接受，则完成整个参数标定过程；

所述步骤1）～4）为第一阶段参数标定，所述步骤5）～7）为第二阶段参数标定。

2.根据权利要求1所述的交通冲突仿真两阶段参数标定方法，其特征是所述步骤1）中，

首先，采集现场数据，现场数据采集主要包括交叉口几何尺寸、交通流量、车速、大小车比例、交通冲突以及信号配时数据；

然后，根据交叉口航拍图或者CAD图建立交叉口仿真模型，并定义仿真模型中交通流量、大小车比例、车辆速度以及交通信号配时信息。

3.根据权利要求1所述的交通冲突仿真两阶段参数标定方法，其特征是所述步骤2）中，初次参数校准采用软件默认值，若默认值无法满足研究需求，根据经验和现有参数来设定参数的变化区间和变化幅度，重复试验进行参数校准。

4.根据权利要求1所述的交通冲突仿真两阶段参数标定方法，其特征是所述步骤3）中，能够反映交叉口交通运行状况的检验指标，包括车头时距和排队长度。

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