CN110136457A - 基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法，包括如下步骤：S1、基于不利天气分类的微观交通仿真模型设计S101、选取降雪和降雨条件下的两个相邻典型信号交叉口作为研究对象，采用K‑均值聚类分析方法将饱和流率分成若干类，根据聚类结果回归方程曲线变化趋势，计算出各级别不利天气条件下降水量和能见度的参考范围；S102、建立了不同级别不利条件下的参数参考模型；S201、搭建VISSIM行人仿真平台；S202、搭建VISSIM机动车仿真平台；S3、测评基于微观仿真的交叉口群协调优化方案。本发明以关键交叉口及其关联交叉口组成的交叉口群为单位，对城市道路网络交通流进行协调优化来缓解交通拥堵问题。
Description
技术领域
本发明涉及交通领域的城市交叉口群改造模式研究，具体而言，涉及基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法。
背景技术
目前，城市交通拥堵已由交通问题上升为一个全民关注的社会问题，正越来越严重地影响着城市经济社会发展和民生改善。围绕关键交叉口及其关联性密切的相邻节点形成的过饱和状态与交通拥堵，是我国城市道路交通拥堵的主要表现，也是诱发大范围城市道路网络交通拥挤、阻塞甚至整体瘫痪的重要因素。
究其原因，与我国城市路网结构和出行需求特点有关。我国城市中心区车辆出行过度集中，替代路径少，高度聚集的交通流在交叉口有限的时间、空间范围内无法及时消散，进而造成二次排队、车辆频繁起停等过饱和交通现象。同时，我国城市道路普遍存在主次干路沿途开口过多的情况，交叉口实际间距往往不满足设计要求，在当前交叉口流量过饱和甚至还远未达到饱和时，因自身排队空间的限制，排队长度极易蔓延至上游交叉口造成排队溢流，情形严重的会引起上游交叉口阻塞和死锁。此类局部交通拥堵状态会进一步向各个方向扩散和积累，最终导致类似“多米诺效应”的路网全局拥堵。值得注意的是，作为分流交通压力、疏导交通拥堵的有效手段，各大城市都在充分利用支路和背街小巷，打通交通“微循环”，建设高密度路网结构。虽然高密度路网具备良好的连接性和选择性，但因交叉口间距较小，相邻交叉口之间的交通关联性和影响度更加明显，混合交通流干扰更大，这对用以缓解交通拥堵的交叉口运行评估、优化提出了新的要求。
国内外在交叉口群交通优化研究方面已取得了不少成果，但也存在一些不足，比如对我国实际道路交通环境中的拥堵状态演变规律缺乏更深入的解析和认识；在控制对象界定和策略优化方面的动态性体现不够，优化方案测试手段相对滞后，缺少更为有效的方案仿真与测评平台等。
因此，基于这些问题，提供一种以关键交叉口及其关联交叉口组成的交叉口群为单位，对城市道路网络交通流进行协调优化来缓解交通拥堵问题的基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以关键交叉口及其关联交叉口组成的交叉口群为单位，对城市道路网络交通流进行协调优化来缓解交通拥堵问题的基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法，所述方法包括如下步骤：
S1、基于不利天气分类的微观交通仿真模型设计
S101、分别选取降雪条件下和降雨条件下的两个相邻典型信号交叉口作为研究对象，且该交叉口处有专用直行车道，且正常天气条件下，两交叉口直行车道饱和流率水平相当，将两个交叉口直行车道交通流参数进行对比，采用K-均值聚类分析方法将不利天气条件下的饱和流率分成若干类，每一类别对应着不同的降雨量和降雪量；根据聚类结果以及不同降雨量和降水量对应的饱和流率回归方程曲线变化趋势，计算出各级别不利天气条件下降水量和能见度的参考范围；
S102、根据步骤S101中对不利条件下城市信号交叉口交通流特性参数的分析，将不利天气统一分成若干个级别，并建立了不同级别不利条件下的参数参考模型；
S2、建立城市交叉口群动态交通仿真与评估模型
S201、搭建VISSIM行人仿真平台，基于VISSIM仿真软件行人模块建立行人行走的面域、障碍、竖向联系三个部分。首先搭建模型主体架构，包括战略层、策略层、行为层三个层次。其次对物质环境进行建模，包括面域、障碍、竖向联系三个部分，根据详细设计方案综合考虑地形坡度等可能带来影响的因素，在VR-GIS数字化园区中对物质环境场景进行修饰，使模型尽可能真实美观。第三根据已有经验数据定义具有行人流量输入的面域，以及流量的相关参数。第四根据实际需要，在局部路径中采用行程时间算法或排队算法，行程时间算法是在定义多条局部路径的基础上，抽取一定样本量的行人分别走行，计算其平均行走时间，然后根据Logit等分配模型进行概率分配，行走时间较短的路径将分得较大的流量，排队算法则是在路径决策点所在的面域上定义一个决策阈值排队长度，行人在到达这个面域上之后，如果发现排队人数少于该阈值，则留下来排队，否则将离开，这一设置可以充分模拟可能出现许多排队情况的会展活动中，行人在面临是排队等待还是优先参观不需排除的展区时所做的选择。最后在建立的三维仿真平台上，设置不同的场景分别进行模拟仿真。
S202、搭建VISSIM机动车仿真平台，基于VISSIM仿真软件机动车模块建立机动车仿真模型，首先建立基础路网，添加减速区域、冲突区域、优先规则、停车标志、信号灯等信息，完整的模拟实际路网。其次对车辆构成(例如小汽车、公交车、火车、轨道交通等)、车辆类别等进行选择设定，定义驾驶行为、加速度、减速度、期望车速的分布等参数。第三利用机动车路径分配对路网中车辆运行路径进行分配，交叉口群较少时，利用静态路径分配手动进行，交叉口群较大的情况下，利用EMME路网下的OD导出到VISSIM中进行动态路径分配。第四借助V3DM模块将3DS的车辆或者建筑物等文件导入VISSIM，进行3D仿真模拟，通过COM接口进行二次开发，在仿真过程中改变车辆驾驶特征、外部定义行驶路径、仿真过程中改变车流量等，实现和宏观规划软件的无缝接口。
S3、测评基于微观仿真的交叉口群协调优化方案
利用S2建立的城市交叉口群动态交通仿真与评估模型，对多情景下交叉口群进行模拟，利用交叉口群协调优化效果评价指标体系进行交叉口群协调优化方案设计、仿真与测评，重点评价各种优化方案的有效性和适应性，将基于仿真的优化方案指导于工程实践，为改善交叉口群协调运行效果、缓解交通拥堵提供决策建议。
本发明的优点和积极效果是：
本发明是面向“高密度路网、过饱和态势、信息化条件”的我国城市交通发展新特点，采用现场调研和微观交通仿真的方法，利用地理信息系统结合VISUM/VISSIM交通流仿真工具，搭建城市交叉口群动态交通仿真与评价平台，通过该平台来科学化、定量化的分析道路交叉口群在承载能力、利用效率及有序性方面可能存在的若干问题，并为城市道路及交叉口的规划、建设及管理提供充分的理论依据与决策支持，将会在缓解区域交通拥挤、减少环境污染和能源消耗、增加车辆行驶安全性等方面产生直接的社会效益。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(10万人)；
图2为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(16万人)；
图3为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(20万人)；
图4为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(30万人)；
图5为本发明实施例提供的方案一中的主出入口局部节点三维可视化表达方式一；
图6为本发明实施例提供的方案一中的主出入口局部节点三维可视化表达方式二；
图7为本发明实施例提供的方案二中的大范围仿真路网示意图；
图8为本发明实施例提供的方案二中的局部交叉口3D效果示意图；
图中：
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面就结合图1至图8来具体说明本发明。
实施例1
图1为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(10万人)；图2为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(16万人)；图3为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(20万人)；图4为本发明实施例提供的方案一中的2号口游客入场行为仿真(30万人)；图5为本发明实施例提供的方案一中的主出入口局部节点三维可视化表达方式一；图6为本发明实施例提供的方案一中的主出入口局部节点三维可视化表达方式二；图7为本发明实施例提供的方案二中的大范围仿真路网示意图；图8为本发明实施例提供的方案二中的局部交叉口3D效果示意图；如图1～8所示，本实施例提供的基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法，包括如下步骤：
S1、基于不利天气分类的微观交通仿真模型设计
S101、分别选取降雪条件下和降雨条件下的两个相邻典型信号交叉口作为研究对象，且该交叉口处有专用直行车道，且正常天气条件下，两交叉口直行车道饱和流率水平相当，将两个交叉口直行车道交通流参数进行对比，采用K-均值聚类分析方法将不利天气条件下的饱和流率分成若干类，每一类别对应着不同的降雨量和降雪量；根据聚类结果以及不同降雨量和降水量对应的饱和流率回归方程曲线变化趋势，计算出各级别不利天气条件下降水量和能见度的参考范围；
S102、根据步骤S101中对不利条件下城市信号交叉口交通流特性参数的分析，将不利天气统一分成若干个级别，并建立了不同级别不利条件下的参数参考模型；
S2、建立城市交叉口群动态交通仿真与评估模型
针对步骤S1的场景模式，设计交叉口群优化的半实物动态仿真平台的总体架构、模块功能、工作流程和输入输出接口，集成已有的交通信号控制模拟系统、Arcgis地理信息系统及VISSIM微观交通仿真模型，建立半实物动态仿真平台软硬件环境和仿真模型；
具体的如下：
S201、搭建VISSIM行人仿真平台，基于VISSIM仿真软件行人模块建立行人行走的面域、障碍、竖向联系三个部分。首先搭建模型主体架构，包括战略层、策略层、行为层三个层次。其次对物质环境进行建模，包括面域、障碍、竖向联系三个部分，根据详细设计方案综合考虑地形坡度等可能带来影响的因素，在VR-GIS数字化园区中对物质环境场景进行修饰，使模型尽可能真实美观。第三根据已有经验数据定义具有行人流量输入的面域，以及流量的相关参数。第四根据实际需要，在局部路径中采用行程时间算法或排队算法，行程时间算法是在定义多条局部路径的基础上，抽取一定样本量的行人分别走行，计算其平均行走时间，然后根据Logit等分配模型进行概率分配，行走时间较短的路径将分得较大的流量，排队算法则是在路径决策点所在的面域上定义一个决策阈值排队长度，行人在到达这个面域上之后，如果发现排队人数少于该阈值，则留下来排队，否则将离开，这一设置可以充分模拟可能出现许多排队情况的会展活动中，行人在面临是排队等待还是优先参观不需排除的展区时所做的选择。最后在建立的三维仿真平台上，设置不同的场景分别进行模拟仿真。
S202、搭建VISSIM机动车仿真平台，基于VISSIM仿真软件机动车模块建立机动车仿真模型，首先建立基础路网，添加减速区域、冲突区域、优先规则、停车标志、信号灯等信息，完整的模拟实际路网。其次对车辆构成(例如小汽车、公交车、火车、轨道交通等)、车辆类别等进行选择设定，定义驾驶行为、加速度、减速度、期望车速的分布等参数。第三利用机动车路径分配对路网中车辆运行路径进行分配，交叉口群较少时，利用静态路径分配手动进行，交叉口群较大的情况下，利用EMME路网下的OD导出到VISSIM中进行动态路径分配。第四借助V3DM模块将3DS的车辆或者建筑物等文件导入VISSIM，进行3D仿真模拟，通过COM接口进行二次开发，在仿真过程中改变车辆驾驶特征、外部定义行驶路径、仿真过程中改变车流量等，实现和宏观规划软件的无缝接口。
S3、测评基于微观仿真的交叉口群协调优化方案
利用S2建立的城市交叉口群动态交通仿真与评估模型，对多情景下交叉口群进行模拟，利用交叉口群协调优化效果评价指标体系进行交叉口群协调优化方案设计、仿真与测评，重点评价各种优化方案的有效性和适应性，将基于仿真的优化方案指导于工程实践，为改善交叉口群协调运行效果、缓解交通拥堵提供决策建议。
方案设定：(方案一)青岛世园会局部节点行人交通模拟仿真。选定世园会南部2号口作为主入口进行模拟，同时选择景观主题广场这一典型节点进行局部模拟。(方案二)大范围路网交通流运行状态仿真。针对银川东路、松岭路、海口路、山东头路围合而成的5平方公里范围内30余个信号控制交叉口、5处下穿通道、19处地下联络道及1处公交车辆始发站构建微观交通仿真路网，用以分析全域范围的交通流运行秩序；
方案一：青岛世园会局部节点行人交通模拟仿真
青岛世园会共设有8个出入口，分布在园区的南、西东三方向。在客流分布上，以南部1号、2号及3号出入口和西部号出入口和西部5号出入口为主，南部3个出入口客流总规模占世园的60％以上，尤其是位于中间的2号口，客流比例预测为26％-30％，附近所接续的交通方式包括道路大巴、公专线，各通设施用地布局紧凑，流线复杂。同时位于西部的5号口客流比例预测为28％-33％，是所有出入口比例最大的。综合考虑入口流量比例与环境复杂程度，选定南部2号口作为主入口进行模拟。
另外，景观主题广场位于园区几何中心置，特殊的地理区位以及服务广场式的功能定位决定了其必然成为行人汇聚的交点。因此，选择此处作为综合了多种服务功能以及户外空间的典型节点进行局部模拟。
对仿真结果进行评估分析，能够发现30万人的极端高峰日高峰小时条件下，即便采用一级安检程序(平均服务效率为10秒/人)，现有安检设施(76套)数量依旧明显不足，9点钟开园以后，排队区的队长会持续增长，9点30分到达2号口的游客，需要等到11:05以后才能进入园区，无法满足《世园会出入口及停车场站交通衔接规划》对排队区最大等待时间<＝60分钟的要求。对30万人客流高峰条件下2号口的安检设施需求进行仿真测算，经测算，现有安检设施的满足水平为85％，还需增加一定数量的安检设备以满足极端高峰日条件下的客流需求。
VISSIM的仿真模拟结果在VR-GIS数字化园区中的可视化表达。局部仿真将采用多场景动画的形式在VR-GIS进行展示(动、静态相结合，采用面片代替实体人以降低系统资源消耗)。
方案二：银川东路、松岭路、海口路、山东头路围合区域
针对银川东路、松岭路、海口路、山东头路围合而成5平方公里范围路网制作模拟路网。
以路网总体出行费用作为路网效益的评价指标，规划方案实施前后，路网中所有路段的出行时间费用总和分别为35903950秒和31595476秒，通行效率提高了大约12％。整个仿真过程中，区域交通整体运行效果较好，交通流比较顺畅，未出现较为明显的交通拥堵现象，小客车平均运行速度为26.4公里/时，公交车及大巴车平均运行速度为21.5公里/时。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (1)
1.基于微观交通仿真的城市交叉口群协调优化方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1、基于不利天气分类的微观交通仿真模型设计
S101、分别选取降雪条件下和降雨条件下的两个相邻典型信号交叉口作为研究对象，且该交叉口处有专用直行车道，且正常天气条件下，两交叉口直行车道饱和流率水平相当，将两个交叉口直行车道交通流参数进行对比，采用K-均值聚类分析方法将不利天气条件下的饱和流率分成若干类，每一类别对应着不同的降雨量和降雪量；根据聚类结果以及不同降雨量和降水量对应的饱和流率回归方程曲线变化趋势，计算出各级别不利天气条件下降水量和能见度的参考范围；
S102、根据步骤S101中对不利条件下城市信号交叉口交通流特性参数的分析，将不利天气统一分成若干个级别，并建立了不同级别不利条件下的参数参考模型；
S2、建立城市交叉口群动态交通仿真与评估模型
S201、搭建VISSIM行人仿真平台，基于V ISS IM仿真软件行人模块建立行人行走的面域、障碍、竖向联系三个部分；
首先搭建模型主体架构，包括战略层、策略层、行为层三个层次；其次对物质环境进行建模，包括面域、障碍、竖向联系三个部分，根据详细设计方案综合考虑地形坡度可能带来影响的因素，在VR-G IS数字化园区中对物质环境场景进行修饰，根据已有经验数据定义具有行人流量输入的面域，以及流量的相关参数，根据实际需要，在局部路径中采用行程时间算法或排队算法，最后在建立的三维仿真平台上，设置不同的场景分别进行模拟仿真；
S202、搭建VISSIM机动车仿真平台，基于V ISS IM仿真软件机动车模块建立机动车仿真模型，首先建立基础路网，添加减速区域、冲突区域、优先规则、停车标志、信号灯信息，完整的模拟实际路网，其次对车辆构成、车辆类别进行选择设定，定义驾驶行为、加速度、减速度、期望车速的分布参数，利用机动车路径分配对路网中车辆运行路径进行分配，借助V3DM模块将3DS的车辆或者建筑物等文件导入VISSIM，进行3D仿真模拟；
S3、测评基于微观仿真的交叉口群协调优化方案
利用步骤S2建立的城市交叉口群动态交通仿真与评估模型，对多情景下交叉口群进行模拟，利用交叉口群协调优化效果评价指标体系进行交叉口群协调优化方案设计、仿真与测评，将基于仿真的优化方案指导于工程实践。
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