基于VISSIM的交叉口交通仿真研究

摘要

阐述了微观交通仿真软件VISSIM的理论基础，基于其模型对海口市海甸岛甸昆路口进行的交通仿真。通过对海口市甸昆路口实际调查得到交通数据，分析其交叉路口的交通运行现状。利用VISSIM进行模拟仿真，通过分析仿真数据，评价交叉口的通行能力、行车延误、排队长度等道路交通指标。对改进和优化甸昆路交叉口的交通设计方案提出合理化建议，解决海口市甸昆路口中存在的不合理的城市道路交通规划设计。结果表明城市的道路交叉口通过模拟仿真能够优化其交通流诱导问题，有助于解决路口行车拥堵故障，提高交通出行服务水平。利用VISSIM交通仿真能够在实际中应用，有效地在复杂交通条件下解决城市道路交通运输的实际问题。这是实现城市智能交通系统自动化、数字化的重要研究新方法。

关键词：交通仿真；VISSIM；交叉口；交通流

Abstract

The microscopic traffic simulation software VISSIM theoretical basis, based on the model in the Haidian Island, Haikou City Dian Kun intersection traffic simulation. Dian Kun intersection traffic conditions collected survey data, analysis of its intersection traffic operation status quo. VISSIM simulation, and analysis of simulation data, the evaluation of the intersection capacity, traffic delays, queue length and road traffic indicators. The traffic design improvements and optimization Dian Kun Road intersection to make reasonable suggestions to solve Dian Kun intersection unreasonable urban traffic planning and design. The results show that the city's road intersections by simulation to optimize traffic flow guidance, help to solve the intersection traffic congestion, improve traffic travel service levels. VISSIM traffic simulation in practical applications, effectively solve the practical problems of urban transport in the complex traffic conditions. This is a new method of urban intelligent transportation system automation, digitization important.

Key words: traffic simulation; VISSIM; intersection; traffic flow

目录

1 绪论 ........................................................................................................... - 1 -

2 仿真软件概述 ........................................................................................... - 2 -

3 交通仿真原理 ........................................................................................... - 2 -

3.1 系统模型 .......................................................................................... - 2 -

3.2 基础数据建模 .................................................................................. - 3 -

3.2.1车辆加、减速函数建模 ........................................................ - 3 -

3.2.2期望车速分布建模 ................................................................ - 4 -

3.3 驾驶行为 .......................................................................................... - 5 -

4 交通仿真实例 ........................................................................................... - 6 -

4.1 交叉口交通现状 .............................................................................. - 6 -

4.2 交叉口路网建模 .............................................................................. - 7 -

4.3 交叉口交通量 ................................................................................. - 9 -

4.4 交叉口信号控制 ............................................................................ - 10 -

4.4.1信号控制原理 ...................................................................... - 10 -

4.4.2信号相位方案 ...................................................................... - 10 -

5 交叉口交通仿真评价 ............................................................................. - 12 -

5.1 行驶时间 ........................................................................................ - 12 -

5.2 行车延误 ........................................................................................ - 13 -

5.3 排队长度 ........................................................................................ - 14 -

6 结语 ......................................................................................................... - 15 -致谢 ............................................................................................................... - 16 -参考文献 ....................................................................................................... - 1

7 -实验附件 ....................................................................................................... - 1

8 -

1 绪论

交通仿真技术在20世纪60年后逐步兴起，采用计算机交通仿真数字模型来反映复杂道路交通现象的交通分析技术和方法。交通仿真是智能交通运输系统的一个重要组成部分，是计算机技术在交通工程领域的一个重要应用，能够动态地、准确地仿真交通流等各种交通现象，有效地进行交通规划、交通组织与管理、交通运输流量合理化等方面的研究。

本文基于VISSIM交通仿真软件理论模型对城市道路交叉口进行交通仿真研究。首先根据VISSIM的理论基础来建立交叉口的交通运行状况指标，其次对城市道路交叉口进行实地交通调查，利用VISSIM对所调查行车数据进行仿真，通过虚拟现实技术手段，再现交叉口交通状况，分析交叉口的各项行车通行能力情况，对某个位置交通出现拥堵、通行能力低下应该采用什么样的解决方案来疏导交通？避免交叉口出现拥堵排队过长等交通故障发生。

海口市海甸岛甸昆路口作为城市道路交叉口连接海甸岛和世纪大桥的重要路网通行节点，关系到海甸岛整体道路交通服务水平，其交通现状无法满足当前城市道路智能交通系统发展需求，本文的研究价值就在于此，利用VISSIM模拟道路交叉口交通系统的运行状态，采用数字方式或图形方式来描述动态交通系统，深入研究解决海口市海甸岛甸昆路口交通设计存在的问题。

2 仿真软件概述

VISSIM是由德国PTV公司开发的一款微观交通流仿真系统模拟工具。用以建模和分析各种交通条件下，城市道路和效区公路的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案有效工具。VISSIM以离散性、随机性、1/10秒为时间步长，采用心理-物理学跟车模型[1]。VISSIM提供了图形化的界面，用2D或3D动画向用户直观显示车辆运动[2]。对交通流的描述以单个车辆为基本单元，车辆在公路上的跟车、超车以及车道变换等微观行为都能得到较真实的反映。辅助分析预测交通堵塞的地段和原因，对城市规划、交通工程、和交通管理的有关方案进行比较和评价[3]。

3 交通仿真原理

3.1 系统模型

VISSIM 仿真软件内部由两部分组成：交通仿真器和信号状态产生器，它们之间通过交换检测器数据和信号状态信息。交通仿真器是一个微观交通仿真模型，它包括跟车模型和车道变换模型。信号状态产生器是一个信号控制软件，可以通过程序实现交通流的控制逻辑。逻辑在每一个离散的时间间隔（1-0.1 秒）内从交通仿真器中提取检测器数据，用以确定下一仿真秒的信号状态。同时，将信号状态信息回传给交通仿真器，如图3.1。

图3.1交通仿真器与信号状态产生器间的交流

VISSIM采用的跟车模型是一个叫Wiedemann的人于在1974 年建立的生理-心理驾驶行为模型。该模型的基本思路是：一旦后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理（安全）距离时，后车驾驶员开始减速。由于后车驾驶员无法准确判断前车车速，后车车速会在一段时间内低于前车车速，直到前后车间的距离达到另一个心理（安全）距离时，后车驾驶员开始缓慢地加速，由此周而复始，形成一个加速、减速的迭代过程[4]。

3.2 基础数据建模

3.2.1车辆加、减速函数建模

VISSIM 使用表征驾驶员驾驶行为差异的函数来确定车辆的加速度和减速度值，而并不是使用一个简单的加速度或减速度值。加速度与减速度函数都是当前速度的函数。根据海甸岛甸昆路口交通量车类型及平坦路况，本文为仿真小车、公交车两种车型的车辆提供了两个曲线加速度和两个曲线减速度函数。其中最大加速度和最大减速度只有在上坡或下坡时为了维持一定的速度而需要一个大于期望加速度的状况时才会使用到，对本文研究影响有限，所以设为默认值。为了反映加、减速度数值的随机分布，每个加、减速度函数图都由三条不同的曲线组成，它们分别代表最小值、平均值和最大值，每条曲线可以被独立编辑。海口市海甸岛甸昆路口小车和客车期望加速度仿真函数如图3.2.1。

3.2.2期望车速分布建模

VISSIM 中的许多参数是以一个分布的形式定义的，而不是一个固定值，这样能够真实地反映出交通的随机性本质。

车速分布对于道路的通行能力和可达到的行驶车速有很大影响，因此它对任何一种车辆类型而言，都是一个重要的参数。假设车辆运行不受其它车辆的干扰，驾驶员将会以他的期望车速行驶。与自身期望车速不同的车辆越多，将会生成越多的车辆排队。如果有可能超车，只要车辆的期望车速高于当前的行驶车速，就会选择机会就对其它车辆不构成危险进行超车。根据海口市海甸岛甸昆路口的实际行车路况，对进出海甸岛甸昆路口的期望车速建模如图3.2.2。

图3.2.2甸昆路口仿真期望车速分布

其中横坐轴表示期望车速，纵轴表示从0.0 到 1.0 的累计百分比。为了更加模拟实际情况的交通随机性，采用围绕中间值的s形分布。

3.3 驾驶行为

本文所研究的海甸岛甸昆路口处于市区交通区域，故在交通仿真车辆中选择采用一种叫Wiedemann74跟车模型，这种模型参数是用来计算两车之间的距离d ，公式如下[5]

bx ax +=d

v z mult bx add bx bx *)*(--+=

其中，ax 是平均停车间距，变化幅度为±1m 。

v 是车辆速度m/s ，z 是介于[0,1]之间的数值，是以 0.5 为平均值的标

准正态分布，标准差为0.15。

add bx -是安全距离的附加部分，mult bx -是安全距离的倍数部分，这两

项参数根据实际情况可以自定义。

本文在海甸岛甸昆路口采用此跟车模型定义如图3.3。

图3.3 海甸岛甸昆路口驾驶行为仿真参数定义

4 交通仿真实例

4.1 交叉口交通现状

海口市海甸岛甸昆路口是由海甸五西路和甸昆路十字交叉，是来往世纪大桥交通必经之路，进入海甸岛交通导向主干道的出行地和目的地，构成海甸岛交通重要的网路节点。甸昆路口附近有学校、小区、商业区，使得交通流量有潮汐现象，如图4.1.1。

图4.1.1 甸昆路口区位分析示意图

海甸岛甸昆路口的特殊区位构造，使得该路口的交通与众不同，不能采用正常的城市十字交叉口交通设计来管理诱导交通流。首先，该路口西进口通向美丽沙，这个沿途区位以未开发休闲用地为主，人流和车流相对稀少，换句话讲，西进口交通已进入目的地路网，相对封闭性，不是路网通行主干道。而受区位地域（城市功能分布）影响，导致甸昆路口交通流由四通道变为主要三通道主干道的现象，即甸昆路口交通主要承担南进口（世纪大桥）到东进口（海甸五西路）的交通流。这种交叉口不均匀的交通流在传统的十字路口红绿灯诱导下，出现了错时交通堵塞现象，即南进口和东进口会排长队，而北、西进口却是交通空旷，造成不必要的人为排队时间，使得该路口交通服务水平低下，通行能力低、耗时长，如图4.1.2所示。

图4.1.2 海甸岛甸昆路口交通行车走向示意图

海甸岛甸昆路口还存在了一个特有的现象，那就是东进口掉头交通流较大，主要以公交车为主，由于实际情况受限，该路口所属区位是城市公共交通车的到达目的地和始发点。另一方面，海甸五西路双向行车道被白沙河溪流横沟河隔离，该横沟河长达2公里，宽16米，致使海甸五西路两边的车向道处于隔离状态，行车要在海甸五西路要跨越两车向道，就必须在甸昆路口处掉头，这就造成了路口掉头折回车流现象，使得交叉口上冲突点增多和冲突区扩大，合流区重叠，无形中加大了该路口的交通流通行阻力。

4.2 交叉口路网建模

VISSIM交通仿真路网建模采用单车道、多车道和特定车道，通过连接器相互连接构成了路网。根据海口市海甸岛甸昆路口的实际路况分析，本次仿真路网建模，采用了单车道和多车道构成，甸昆路口的路网构造比较特殊，东进口（海甸五西路）和南进口（世纪大桥）均是以三车道连接交叉口的四车道，交叉口的其他进出口则是三车道，其中每个进口设有无信号灯导流右转单车道，这样形成了人行二次过街。这样的不均匀、复杂的路网交通基础设施构造影响着交通流的变化，如图4.2.1。

图4.2.1 海口市海甸岛甸昆路口路网构造

根据甸昆路口的路网构造，在VISSIM中车道增减或转弯交织路段，采用单车道单列和连接器进行过渡，并根据交通量对其进行路径行驶决策和优先规则。如图4.2.2，根据海甸岛甸昆路口的实际路况，基于市区机动车道，按照1：1地图比例大小，路段单车道宽度采用3.5m，车辆大小采用系统默认，忽略路段的坡度影响，在VISSIM中仿真得到的交通路网模型，其中路段中心线显示为蓝色和连接器的中心线显示紫色。

从图中的紫色连接器分布状况可知在路网中车辆在进入交叉口时和路口中央是车道变换最频繁的区域，使得了交叉口路段汇合，交通流集聚，

同时交叉口的多车道也体现出了其分流重要功能。

图4.2.2海口市甸昆路口路段中心线显示模式（左）和仿真3D模式路网

海口市海甸岛甸昆路口受到路网结构影响，东进出口（海甸五西路）和南进口（世纪大桥）交通流量构成了交叉口汇合流。选取一天的上午8点至9点高峰交通流时段，其交叉口交通量调查如表4.3.1。

表4.3.1海口市海甸岛甸昆路口交通流状况

从实际调查交通量可以看出，甸昆路口的交通流主要来自五西路和世纪大桥，最容易造成堵车排队问题是东进口（海甸五西路）通往世纪大桥及掉头车流。如图4.3.1，箭头代表主要的交通流量。

图4.3.1海甸岛甸昆路口主要交通流量示意图

进口名称

交通量

（辆/h ） 右转

车道

直行

左转

掉头

平均排队

长度m 东进口（海甸五西路） 4010 10 0 3500 500 110 西进口（美丽沙） 20 0 16 4 0 0 南进口（世纪大桥） 3500 1800 1690 5 5 45 北进口（世纪大道）

1200

1000

200

35

交叉口的信号灯控制是交通运行中最重要的核心诱导，信号灯控制是引导行车在交叉口汇合时有序通行，是交通流外部决策作用。交叉口信号灯由红绿黄三色灯组成，信号灯控制有多种方式，值得注意的是信号灯定时周期控制是根据交通流来决定的。甸昆路口交通仿真信号控制，采用固定时周期信号控制，如表4.4.1。在VISSIM 仿真软件中，信号周期从第一秒开始到周期长度结束。海甸岛甸昆路口采用单列右转车道方式分流，增设行人二次过街，故交叉口只有直行和左转车道及人行道控制。海口市海甸岛甸昆路口采用四相位定时信号控制配时方案，周期时长115s，黄灯时长3s，全红时间3s。

表4.4.1海口市海甸岛甸昆路口信号控制配时

配时类型交叉口信号配时（单位：s）

定时周期

东进口

五西路

南进口

世纪大桥

西进口

美丽沙

北进口

世纪大道

现状配时

115 直行左转直行左转直行左转直行左转红灯66

46

82

30

96

16

104

9

82

30

96

16 绿灯

4.4.1信号控制原理

甸昆路口采用的单点交叉口交通信号固定周期，这种控制方式设备简单。投资最省。维护方便[5]。它的控制原理是按照事先设计好的控制程序，在每个方向上通过红、绿、黄三色灯循环显示，指挥交通流，在时间上进行车辆隔离。遵循交通规则规定，即红灯——停止通行，绿灯——放行，黄灯——清尾，即允许已过停止线的车辆继续通行，通过交叉口[6]。

4.4.2信号相位方案

海口市海甸岛甸昆路口采用了四相位信号控制，如图4.4.2。

第一相位（左上）第二相位（右上）第三相位（左下）第四相位

图4.4.2海甸岛甸昆路口四相位信号及配时图

从海甸岛甸昆路口的信号配时方案中可以发现，甸昆路口采用全红灯3

秒情况，即一个信号灯周期过后，交叉口四个路口同时是红灯。采用路口全红灯，显然为了提高交叉口的通行率，即清空路口中央的车流，降低滞留概率，辅助黄灯效果，这对交叉口的运行中避免撞车问题。

5 交叉口交通仿真评价

5.1 行驶时间

在VISSIM 中行驶时间是指车辆通过检测区段的起点至离开终点的时间间隔。在海甸岛甸昆路口中，从海甸五西路到世纪大桥为主要交通流，是影响甸昆路口的通行能力，故选取从五西路进入交叉口到世纪大桥的路段为行驶时间检测路段，如图5.1.1。

图5.1.1海甸岛甸昆路口行驶时间检测路段（红色）示意图

应用VISSIM 软件仿真结果如表5.1.2。

表5.1.2海甸岛甸昆路口行驶时间仿真结果

行驶路段 类别 行驶距离/m 仿真时间/s 检测车辆数 行驶时间/s 海甸五西路

至 世纪大桥

所有车 281.3 3600 1369 61.8 公交车 281.3 3600 196 66.5 小车

281.3

3600

1170

61.0

5.2 行车延误

行车延误是评价道路交通堵塞程度的重要指标，可以定义为由交通摩阻与交通管制引起的行驶时间损失，以s 或min 计算。在VISSIM 仿真中延误是指车辆穿越行程时间检测区段的时间（即实际行程时间）与理论行程时间的差值。其中理论行程时间是指当行程时间检测区段内无其它车辆和控制信号或无其它车辆停车时，车辆所能达到的行程时间。以海甸岛甸昆路口东进口（海甸五西路）至南进口（世纪大桥）为检测区段，如图5.2.1。

图5.2.1海甸岛甸昆路口行车延误仿真检测路段（红色区域）

对其进行平均延误仿真结果如表5.2.2。

表5.2.2甸昆路口延误仿真结果

仿真路段

总延误平

均值/s

仿真

时间/s

平均停车

时间/s

平均停车

次数/s

检测车辆

数/s

海甸五西路至

世纪大桥 37.0

3600

23.5

0.89

441

世纪大桥至

世纪大道 36.3

3600

32.1

0.86

309

世纪大道至

世纪大桥

30.0

3600

26.4

0.54

596

5.3 排队长度

排队长度是交叉口交通运行优化指标，其排队长短关系到交叉口通行能力。在VISSIM仿真软件中，排队长度定义是从上游路段、连接器的排队计数器的设置位置开始计数，直至排队状态下的最后一辆车。值得注意的是排队长度的单位是距离而不是车辆数。对海甸岛甸昆路口的行车排队仿真，需要对其进行排队器设置，如图5.3.1。

图5.3.1海甸岛甸昆路口排队器定义

定义排队器后，分别在海甸五西路、世纪大道、世纪大桥设置排队检测，运行仿真结果如表5.3.2。

表5.3.2海甸岛甸昆路口排队长度仿真结果

排队路段仿真时间/s

平均排队长度

/m 最大排队长度

/m

停车次数

东进口

海甸五西路

3600 38 152 1187 北进口

世纪大道

3600 9 50 262 南进口

世纪大桥

3600 17 58 403

6 结语

通过VISSIM交通软件的仿真，从中可以看出，利用软件仿真复杂的交通运行能够提高交通调查数据处理的准确性，节约人工操作的误差。VISSIM不仅用于交通模拟，更是在交通规划管理上发挥极大作用，包括交通预测、区域交通、公交车运行网路等。海口市海甸岛甸昆路口作为城市交通网络中的节点，涉及到多方面的因素影响，尤其作为世纪大桥通行路口，使得甸昆路口的作为交通枢纽具有极大的意义。

在本次的仿真模拟中，引入VISSIM的建模仿真，结果表明VISSIM所仿真的甸昆路口得到的数据与实际偏差较小，基本符合实际调查的结果，进步说明，VISSIM的基础建模具有可行性。同时，VISSIM仿真实验表明海口市海甸岛甸昆路口在交通运行中，依旧存在一些问题，其中采用固定周期的配时，在实际观察中，也发现甸昆路口存在西进口（美丽沙）绿灯过短，行车急速现象。

通过VISSIM仿真结果也表明，海甸岛甸昆路口所设计的3S全红灯，在交叉路口交通清流过程中具有重要的交通诱导，原因是甸昆路口的东进口左转弯及五西路掉头交通流重叠，及各交叉口的进出口车道数存在不对等，这两个原因使得海甸岛甸昆路口中央区域车流滞留概率增加，这就给交叉口通行带来隐患。同时，在VISSIM仿真实验中也发现，甸昆路口的潮汐现象会在短时间内造成车流排长队现象。

为了检测甸昆路口的路网构造影响，在VISSIM中也尝试使用了极限考验实验，即虚拟加大交叉口的交通流量，验证现有的交通设计承载能力。结果表明甸昆路口在信号配时上无法满足大容量交通流，尤其是东进口海甸五西路会出现二次红灯排队通行情况。所以，VISSIM仿真在交通预测规划中也具有重要参考价值。

致谢

本文在撰写过程中，涉及到了复杂的交通调查，尤其是交叉口的信号配时调查、车流交通量调查等，这些户外长时实验统计具有随机性、变化性、分散性，不确定因素很大。所以，本文涉及到的内容和目的具有很强的操作性和实践性。最终，经过实地调查、收集统计、研究信号配时组成，反复统计调查、推敲，不断修正实验结果，确保实验误差控制在合理范围内。加上所做的海口市甸昆路口交通调查无相关类文献参考借鉴，一定程度上带来了极大的困难。另一方面，所利用仿真实验软件VISSIM属于稀有专业软件。从未学习过，花费了相当大的精力和时间去熟悉和学会使用，这又是极大困难，曾想放弃、迷茫。值得欣慰的是有朱老师的指导，得于坚持完稿，这是我一生中离开学校最后的一道作业，在此感谢。这也是我最用心做的最后一次学校考核，尽管本文需待完善，但是我用认真态度去证明了一件事——我毕业了！

献给所有能读到此文的人。青春，再见！

参考文献

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[2] 罗美秀,隽志才.VISSIM在交叉口交通设计与运行分析中的应用[J].武汉理工大学学报.2004,28(2):233-235

[3] 邓润飞,李冬梅.基于Vissim仿真软件的交通组织方案研究[J].现代交通技术.2006,03:63-66

[4] 闫瑞雪,胡永举.基于VISSIM软件的交叉口仿真与优化设计研究[J].交通标准化.2010,01:1-3

[5] 王炜,过秀成.交通工程学.南京:东南大学出版社,2011.254-256

[6] 丁恒,郑小燕.交叉口交通信号配时优化研究[J].交通标准化.2007.169(9):189-191