城市交通城市交通城市交通城市交通 技术研究 Urban Transport of China 2000 年 第 4 期 8 交交通通流流微微观观仿仿真真系系统统研研究究及及在在我我国国的的应应用用 张国华张国华张国华张国华 提提提提 要要要要 通过对交通流微观仿真系统的理论和应用介绍，说明了微观仿真系统的突出优点和广阔前景。 关键词关键词关键词关键词 交通流 仿真 评价1交通流微观仿真系统的意义交通流微观仿真系统的意义交通流微观仿真系统的意义交通流微观仿真系统的意义 作为宏观仿真系统的 TRANSCAD 或EMME/2 等交通规划软件，可以评价城市道路网络的总体性能，但是不能对城市道路改造、交叉口的渠化设计、交叉口控制方法、交通信号配时和公交专用道系统中公交车辆的运行情况等敏感性交通设施进行评价分析，而这些均是城市交通中面临急需解决的问题。为了对宏观仿真系统的评价效果进行补充，选用交通流微观仿真系统评价和分析个体车辆在路网中具体运行，通过仿真交通流的实际状态，不仅可以利用各种原始数据在短时间内得到改善后的交通状况，也可以从系统的运行中得到其它方案所需的数据。在不同参数情况下，系统的结果可以确定造成交通拥挤问题的原因，而且可以随时模拟出在各种假设交通管理和控制等改进措施下对所研究信号交叉口的影响效果，即MOE（Measure of Effectiveness） 。微观仿真系统能在投入和时间都很少的情况下及时得到评估结果。更为重要的，是对于一些有困难甚至不可能进行现场实验的交通管理和控制措施，可以利用交通流微观仿真系统来优化与解决。 2交通流微观仿真系统的特点交通流微观仿真系统的特点交通流微观仿真系统的特点交通流微观仿真系统的特点 交通流微观仿真系统的优点： ? 便于模拟分析交叉口中交通流运行情况，特别是各种拓宽和渠化设计方案； ? 对各种信号控制方案提供预先仿真评价工作平台； ? 易于仿真公交专用道和公交车辆的运行，同时可设计公交线路、发车间距、公共汽车停靠站和公共汽车停站时间； ? 具有众多的仿真参数和功能，如模拟路边停车场等。 不足之处： ? 对非机动交通流仿真研究有待于进一步发展； ? 系统开发功能强大，需要专业人士负责。 3交通流微观仿真系统的数学模型交通流微观仿真系统的数学模型交通流微观仿真系统的数学模型交通流微观仿真系统的数学模型 微观仿真系统以交通流理论为基础，结合系统仿真的基础理论，并针对公交专用车道特性等进行研究，最终建立以下各个微观仿真系统的子模型： 1 模拟交通流生成模型 2 出行线路选择模型 3 车辆跟车模型 4 车辆排队模型 5 车辆换道模型 城市交通城市交通城市交通城市交通 技术研究 Urban Transport of China 2000 年 第 4 期 9 6 车辆交叉冲突模型 7 信号交叉口布局模型 8 交通信号控制模型 9 车流对应交通信号的逻辑反应模型 10 公交车辆运行及公交专用道模型 交通流微观系统仿真从提取交通信号控制参数、道路网络和交叉路口布局参数以及交通流量参数开始，应用交通控制和管理模型把仿真系统初始化。初始化和随后的每次迭代所完成的任务见流程图 1。 仿真系统的具体实现步骤如下所示： （1）更新交通控制信号等交通事件的状态； （2）确定实际排队的车辆； （3）实际排队车辆进入构成交叉口的路段； （4）更新车辆的加速度，检查其是否需要换道和对于所选目标的车道是否存在适合的车头时距； （5）置车辆于新位置，更新速度，当车辆到达交叉口，根据车辆下一步运行情况和交叉口信号状态，开始进入信号交叉口的运行，如果可以进入，则执行车辆的运行；否则，在信号交叉口处排队等候； （6）更新图形显示； （7）计算模拟结果的有效度（MOE） ； （8）推进模拟时钟和转向下一次迭代。 4交通流微观仿真系统在我国的应用交通流微观仿真系统在我国的应用交通流微观仿真系统在我国的应用交通流微观仿真系统在我国的应用 下面通过对深圳市城市交通的微观交通仿真评价和研究探讨交通流微观仿真系统在城市交通工程中的应用。 1）微观仿真研究区域的选择 深圳市中心区面积 31 平方公里，范围大，其中包括 99 个信号控制交叉口。理论上，该系统可以模拟如此大的范围和复杂的情况。但是要建立整个中心区的模型需要的数据信息很大，同时为了实现项目研究目的，只选取中心区的一个典型区域作为微观交通仿真的分析对象。 道路方面，所选择的网络包含了深圳市城市交通的四条主干线：（1）深南路路段（6.6 公里）；（2）笋岗路路段（4.6 公里）（3）上步路路段（3.2 公里）（4）红岭路路段（3.5 公里）。 交叉口方面，在选定道路网络的基础上，重点研究深圳市交通综合治理中具有创见、取得突出效果的各交叉口，包括华富路-深南路（上海宾馆路口）、笋岗路-宝安路、以及深南路-红岭路、上步路-笋岗路等。 公交专用道方面， 深圳市已经逐步形成公交专用道交通网络，系统包含这四条道路上的全部公交专用车道及公交线路。 2）技术实现方案 根据以上确定的系统研究范围，在收集微观仿真系统模型所需要的数据之后，利用系统建模，通过对某些不确定因素的合理、科学修正，开发了深圳市中心区微观交通流仿真系统。下面分别给出系统仿真的交通网络，同时系统中也包含了公交专用车道，如图 2 所示；以及针对关键交叉口上海宾馆路口的前后改善方案的仿真界面对比，如图 3 所示。 城市交通城市交通城市交通城市交通 Urban Transport of China 技术研究 2000 年 第 4 期 10 系统初始化更新交通信号仿真车辆进入仿真区域更新阶段（仿真区域内个体车辆）计算加速度判断是否换道选择目标车道换道合适吗？移入合适车道是不不推进阶段（仿真区域内的个体车辆）车辆推进和速度更新更新图形显示界面、交通评价参数仿真结束结束是是推进模拟时钟否继续运行信号状态车辆选择合适车道并在停车线以后排队等候绿灯信号进入信号交叉口离开信号交叉口进入下游车道否绿灯到达停车线红灯或黄灯 图 1 系统仿真核心程序主流程图 城市交通城市交通城市交通城市交通 技术研究 Urban Transport of China 2000 年 第 4 期 11 图 2 深圳市中心区微观交通流仿真系统动画界面 a.上海宾馆交叉口改造后仿真方案 b. 上海宾馆交叉口改造前仿真方案 图 3 上海宾馆交叉口系统仿真动画界面 城市交通城市交通城市交通城市交通 Urban Transport of China 技术研究 2000 年 第 4 期 12 3）微观仿真评价分析 采用深圳市交通规划研究中心1999年8月所调查的晚高峰时间(17：30-18：30)交通流参数，通过 20 分钟的系统仿真研究，最终得到了以上的评价结果和所选择区域交通网络实时动画仿真演示系统。 （1）路段仿真评价分析 在城市微观交通改善之后，深南路方面上行车流速度增加13%， 下行则增加了22%；笋岗路的上行车流速度增加了 105%，下行增加了 98%；上步路的上行车流平均速度增加了187%， 下行车流平均速度提高了106%；红岭路方面上行车流平均速度提高了196%，下行车流的平均运行速度提高幅度为 97%。 对于车辆延误指标来说，深南路方面上行方向四个路段 （华富华强、 华强上步、上步红岭、红岭宝安和宝安东门）的平均延误分别是： 6.9、 9.5、 38、 8.1、 50.7 秒；下行方向的平均延误分别是 7.2、28、17.3、20.8 和 7.7 秒。笋岗路、上步路以及红岭路的平均延误大都在 2040 秒。 通过对所仿真区域微观交通流的评价分析，在高峰小时，深圳市城市交通流的平均运行速度可以基本达到 30 公里/小时，车流运行速度得到了明显提高；车流延误得到很大改善。因此深圳市通过三块板道路改造为一块板道路，不仅增加了路段的车道数，改善了交通环境，大大提高了路段的车流运行速度，减少了路段的车流行驶延误，同时提高了整个路网的通行能力。 （2）交叉口交通仿真分析 交叉口的交通拥挤是城市交通问题的重点和难点，交叉口交通问题解决的好坏直接决定整个城市网络的交通服务水平。因此我们重点仿真和评价这次城市交通综合治理中有关针对于交叉口的改善工程。 以深南路华富路（上海宾馆）交叉口为例。 深南路东西横贯深圳市， 承担了南山、福田、罗湖各区之间及内部的客运交通，是特区最重要的一条东西向生活主干道；华富路是福田组团和罗湖上步组团的分界。改造前，沿深南路自西向东的车辆以基本连续流的状态行驶至华富路，然后以间断流的状态进入市中心建成区。由于在间断流状态下一条车道的通行能力仅仅是连续流的 1/3；同时，在交叉口设有田面、上海宾馆两对公交站台，大量大巴和中小巴在此停靠，造成大巴列车化，阻碍交通。再者由于华富路以东深南路禁止中小巴通行，该路口西进的中小巴停站后均需左转往华富路，同时站点设置离路口较近，不能为左转中小巴提供足够的交织区段，这样又阻碍了直行车流的正常行驶，交通拥挤问题非常突出，可参照图 3.b。 结合上海宾馆交叉口的物理几何条件，同时根据各个入口交通流的具体特点，深圳市在城市交通综合治理中利用交叉口渠化手法，创造性地在平面交叉口的设计中利用立体交叉口设计思想： （1）利用西南角的地理空间设计了辅助车道，同时根据福明路作为单向道路，把西进口的左转车流先通过右转变为南向福明路的直行车流，同时把左转大中小巴的停靠站点设置为港湾式，解决了左转公交车辆对直行车流的影响。 （2）利用西北角地理空间设置了右转车流匝道，同时在右转车流匝道也设计了港湾式停靠站点，使得公交车辆不通过交叉口，从而交叉口信号控制可以减少一个相位，同时减少了公交车辆停靠站对其它车流运行的影响。 （3）东城市交通城市交通城市交通城市交通 技术研究 Urban Transport of China 2000 年 第 4 期 13 向入口处设置了右转渠化专用车道，使右转车流不经过交叉口，提前实现转向，减少了东入口右转车流对其它通过交叉口车流的影响，减少了交叉口的信号控制相位，保证了通过交叉口各种车流运行的合理组织。可参照图 3.a。 利用微观交通流仿真系统分别对改造前后上海宾馆交叉口的交通状态进行微观仿真研究。改造前，该交叉口高峰小时交通流量为 5600 辆，我们按照这个流量仿真的技术方案见改造前上海宾馆仿真方案；同时以 1999 年 8 月份测定的高峰小时交通流量8500 辆和改造后的交叉口几何和信号控制条件为基础，进行了区域网络的微观交通仿真。 改造前西向进口平均延误为 152 秒， 而且左转车流的延误高达 205 秒， 同时直行车流和右转车流的平均延误分别为 114 和 117秒；通过这一系列解决方案之后，西向进口的交通流平均延误降为 27 秒，左转车流转为南入口的直行车流，平均延误为 46 秒。改造前北入口的直行车流和左转车流的平均延误分别为 69 和 46 秒；改造后北向入口左转车流的平均延误为 41 秒。改造前东入口的车流平均延误为 36 秒；改造后东入口交通流的平均延误为 25 秒。通过前后对比发现，改造后交通流通过交叉口平均延误较改造前都有相当大的减少，其中尤其以西入口交通流的改善工作最为突出。 上海宾馆交叉口经过此次交通改善，通过流量增加了 2900 辆，即增加了 52%。重要成果体现为： ? 交叉口的通行能力大幅度提高； ? 车辆停车延误大大减少，东西进口服务水平达到 C 级， 南北方向改善很大； ? 交通拥挤问题得到很好的解决，车辆排队长度大大减少； 总体而言，对所选择城市中心区，也就是城市交通拥挤区的微观仿真研究表明，深圳市通过三年的城市交通综合治理，城市交通问题得到了很大改善，大大缓解了交通拥挤，减少了交通冲突，提高了车流的运行速度和道路的通行能力，保证了深圳市城市交通的畅通。 5结论结论结论结论 通过对深圳市中心区微观交通流仿真的有益尝试，交通流微观仿真系统可以评估和验证城市的交通管理和控制措施对城市交通状态的影响，并进一步为解决城市交通网络 （关键交叉口） 拥挤问题提供决策依据，成为提高通行能力、缓解城市交通堵塞的非常有效、直接、经济的技术支持工具。同时也说明了交通流微观仿真系统在城市交通拥挤治理中的广阔应用前景，为研究和解决城市交通拥挤问题，进行城市交通微观治理开辟了一个全新领域。 （作者单位作者单位作者单位作者单位：北方交通大学北方交通大学北方交通大学北方交通大学） 参考文献参考文献参考文献参考文献： 1. 建设部城市交通工程技术中心， 深圳市交通综合治理评估报告 ， 1999.11. 2. FHWA， TSIS Manual1997. 3. Zhang Guohua, Hu Siji, Han Baoming. Research on Microscopic Simulation of Traffic Flow for Flared and Multi-phase Signalized Intersection. ， the 4th HKSTS conference Proceedings. 1999.12.