高速公路动态限速仿真VB系统平台设计

　　摘要：文章利用VB语言及VISSIM交通仿真软件自主开发了高速公路动态限速仿真软件平台, 对高速公路网进行微观仿真, 并结合宏观交通流模型及成本函数制定高速公路动态限速方案。通过广西柳州 (鹿寨) 至南宁高速公路改扩建项目动态限速仿真软件平台的应用实践表明, 该平台可以有效帮助高速公路交通规划管理部门制定科学合理的动态限速方案, 并产生容量可观的数据库, 有利于相关研究人员进行进一步的分析与评价。

　　关键词：微观仿真; 宏观交通流模型; 柳南改扩建; 高速公路; 动态限速;

　　Abstract：This article used VB language and VISSIM traffic simulation software to independently develop the dynamic speed limit simulation software platform of expressway, and conducted the micro simulation of expressway network, then, combined with the macro traffic flow model and the cost function, it formulated the expressway dynamic speed limit scheme.The application practice of dynamic speed limit simulation software platform in Guangxi Liuzhou (Luzhai) -Nanning Expressway reconstruction and expansion project showed that this platform can effectively help the expressway traffic planning management department to develop the scientific and reasonable dynamic speed limit scheme and can produce a database with considerable capacity, which is conducive to the relevant researchers for further analysis and evaluation.

　　Keyword：Micro simulation; Macro traffic flow model; Liunan reconstruction and expansion; Expressway; Dynamic speed limit;

　　道路交通系统是一个不断变化的动态系统, 单一或固定的控制方式都无法适应道路交通系统的动态变化, 所以根据道路交通系统的实时运行状况制定动态限速方案就显得尤为重要[1]。本文所述软件平台旨在结合微观与宏观交通流模型对高速公路交通系统及其动态限速方案进行仿真模拟, 使得高速公路段的运行处于安全状态。

　　1、软件平台的搭建

　　1.1、微观交通仿真软件VISSIM介绍

　　交通仿真作为研究高速公路交通问题的重要工具, 其核心为它所采用的描述交通行为的模型[2]。VISSIM采用的跟车模型为Wiedemann与1974年建立的心理-生理类跟驰模型, 如图1所示, VISSIM对于高速公路的交通建模, 以单个车辆为基本单元, 车辆在高速公路的跟车、超车和变换车道等微观驾驶行为都能得到较真实的反映。国内外对VISSIM都有广泛的应用, 很多交通规划管理部门将VISSIM应用于动态限速对高速公路交通系统运行的影响分析。

图1 Wiedemann心理-生理类跟驰模型图

　　1.2、COM接口

　　VISSIM仿真软件具有二次开发的功能, 通过COM接口, 开发者可以利用VB, MATLAB, VC++等外部编辑语言, 从而进一步完善软件的功能, 如根据高速公路的实时运行数据, 通过执行COM命令, 在VISSIM仿真软件中对高速公路车辆速度进行动态管理。本文所述软件平台的搭建利用VB语言通过COM接口来实现对VISSIM软件的访问, Visual Basic 6.0是微软公司开发的程序设计语言, 功能强大, 被广泛应用于界面设计、数据库编程等诸多领域。

　　1.3、高速公路仿真路段

　　柳州 (鹿寨) 至南宁高速公路改扩建项目是自治区层面统筹推进的重点项目, 也是全国一次性高速公路改扩建里程最长的项目, 本项目衔接鹿寨北互通, 经柳州、来宾, 止于南宁那容互通式立交东, 全长248 km, 主要采取双侧拼宽为主、局部单侧拼宽和双向分离的扩建方案, 在边施工边通车条件下将原有双向四车道改扩建为双向八车道, 如图2所示。改扩建项目作为区别于其他新建项目的最大特点是在边施工条件下边通车。柳南高速公路是广西经济大动脉, 交通流量大, 分流的道路少, 本项目线路长, 桥梁多, 涉路施工点多、面广, 交通组织、施工组织复杂, 交通安全管理压力大、车辆通行压力大, 由于施工原因极易造成交通拥堵, 应急保畅压力大、社会舆论压力大。

　　2017年改扩建项目路段涉路施工点位逐渐增多, 中墩施工及跨线桥架梁、拆除、路面拼接陆续进行, 涉路施工自身风险与日俱增, 运营公路开始进入事故高发期, 特别是进入夏季, 天气炎热, 中午1:00-3:00, 傍晚7:00-8:00及夜间2:00-3:00事故现象频发。

　　为有效防范重大交通安全责任事故发生, 降低改扩建路段车辆行驶速度, 减缓涉路施工风险, 现以柳南高速公路改扩建项目№12合同段为例, 该段处于古辣互通和六景互通之间, 起讫桩号为K1414+400-K1433+200, 全长18.8 km。

图2 柳南改扩建项目平面图

　　1.4、高速公路动态限速仿真软件平台总体架构

　　本文所述高速公路动态限速仿真软件平台包含四个模块:VISSIM交通仿真模块、宏观交通流运行状态预测模块、COM接口模块以及评价分析模块。

　　首先, 利用COM接口对VISSIM微观交通仿真模型进行运行数据的实时提取, 如通过行程时间检测器检测到的车辆数以及路段行程时间。然后在外部程序中对高速公路的下一时间段的运行状态进行预测, 同时输出至高速公路动态限速仿真软件平台界面。最后利用成本函数模型得出优化后的高速公路动态限速方案, 通过调用VISSIM提供的COM接口, 实现对高速公路仿真模型中的车辆速度进行动态管理, 高速公路动态限速仿真软件平台总体架构如图3所示。

图3 高速公路动态限速仿真软件平台总体架构图

　　2、软件功能模块及界面

　　2.1、参数设置模块

　　为了增强高速公路动态限速仿真软件平台的适应性, 程序设计时应当充分考虑高速公路不同路段固定限速值以及小时流量的不同[3], 所以在程序运行初始阶段需要设置初始限速值以及初始流量值, 并对VISSIM仿真模型进行初始化设置, 如允许COM接口访问Datacollection.Evaluation方法。参数设置完毕点击“运行”按钮即可运行仿真模型以及外部程序, 参数设置界面如图4所示。

图4 运行状态显示窗口图

　　2.2、运行状态显示窗口

　　以往的研究表明, 交通事故率与速度离散性之间具有较强的相关性, 本文所述高速公路动态限速仿真软件平台为了实现高速公路仿真模型中车辆运行车速的离散性以及评估结果的可视化, 运行状态显示窗口会记录每一个时间段高速公路仿真模型中车辆运行车速的最大值和平均值, 成本函数计算结果显示窗口会显示外部程序中成本函数各时间段、各部分的计算结果, 成本函数计算结果显示窗口、运行状态显示窗口及其统计数据如图4所示。

　　2.3、宏观交通流预测模型计算结果显示窗口

　　外部程序利用宏观交通流模型对高速公路运行状态进行预测, 本文所述高速公路软件平台可以预测当前时间段后的两个时间段内高速公路各个路段的运行状态, 包括流量、密度、车流速度等运行参数, 宏观交通流预测模型计算结果显示窗口如图5所示。

图5 宏观交通流预测模型计算结果显示窗口图

　　2.4、动态限速管控模块

　　本文所述高速公路动态限速仿真软件平台中的限速标志包含三个动态限速标志, 每一限速路段长度为500 m, 即动态限速标志牌间隔为500 m, 每5 min调整一次限速值, 动态限速标志牌布点示意图如图6所示。

图6 动态限速标志牌示意图

　　2.5、VISSIM微观仿真模块

　　一个完整的高速公路网模型包括Links、Connectors、Desired speed decisions、Reduced speed areas、Routing decisions、Travel time detectors、datacollec-tion等路网元素。VISSIM在绘制路网时, 是通过在地图背景上以一定的比例绘制路段来实现的, 这种绘制路网的方式可以满足任何形式的高速路网以及任意长度的高速路段。为了更好地模拟高速公路的实际运行状态, 要合理设置仿真模型的期望速度分布, 以及驾驶员驾驶行为参数[4], 本文所述高速公路动态限速仿真软件平台的VISSIM微观仿真模型如图7所示。

图7 高速公路VISSIM微观仿真模型图

　　3、结语

　　高速公路动态限速仿真软件平台具有以下六大优点, 初步实现了微观交通模型与宏观交通流模型的结合, 进一步提升了高速公路动态限速方案制定的科学性, 具有深入开发和推广的意义。

　　(1) 界面友好, 易于操作。

　　(2) 提高工作效率, 保证结果的准确性。

　　(3) 功能模块多, 能满足高速公路动态限速方案制定的要求。

　　(4) 评估结果的实时输出方便用户了解模型的运行状态。

　　(5) 适用性强, 在程序运行的初始化阶段, 通过设置初始限速、初始流量以及期望速度分布和驾驶员驾驶行为使得软件的适用性大大增强。

　　(6) 数据库容量大, 可以将微观交通模型以及宏观交通模型的运行数据输出至Excel, 方便后期的分析。

　　高速公路动态限速仿真软件平台的搭建有助于分析高速公路动态限速方案制定的科学性, 并通过平台建立数据库, 方便对高速公路运行状态在动态限速影响下的变化进行深入分析, 有助于实现高速公路动态限速方案的制定向数字化方向发展。

　　参考文献
　　[1]WANG Wu-hong.Driving Behavior Shaping Model in Road Traffic System[J].Journal of Beijing Institute of Technology, 2001, 10 (3) :333-335.
　　[2]刘运通.交通系统仿真技术[M].北京:人民交通出版社, 2002.
　　[3]Grumert E, Tapani A.Impacts of a Cooperative Variable Speed Limit System[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2012, 43 (4) :595-606.
　　[4]Allaby P, Hellinga B, Bullock M.Variable speed limits:Safety and operational impacts of a candidate control strategy for freeway applications[J].Intelligent Transportation Systems, IEEE Transactions on, 2007, 8 (4) :671-680.