基于VISSIM的交通类课程虚拟仿真实验模块建设

吴 伟，曹倩霞，龙科军

基于VISSIM的交通类课程虚拟仿真实验模块建设

吴 伟，曹倩霞，龙科军

（长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114）

由于交通类课程较难进行实地实验，为使学生更好地掌握交通流运行和演化的规律，建立了虚拟仿真实验模块。以交通类专业学生的核心实验——“交通控制实验”为例，从实验的基本原理、实验的输入输出与控制变量、基于正交试验的实验设计方法、虚拟仿真运行控制与效益评价等4方面阐述了如何基于VISSIM仿真软件建立虚拟仿真实验模块，使学生通过仿真实验，能更好地理解实验原理、掌握知识内涵。

交通控制实验；虚拟仿真；实验项目建设；VISSIM仿真

交通类本科专业主要包括交通工程、交通运输、物流工程等；研究生专业主要有交通运输规划与管理、交通信息工程及控制、物流系统优化与模拟仿真等。由于实地实验的高成本、高消耗、存在不安全因素等，交通类专业难以进行实地课程教学实验。为保证教学质量和教学效果，有必要基于虚拟仿真软件开发与实地交通系统相一致的虚拟仿真实验。

2015年以来，教育部部署开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，使国内高校实验教学中心的建设取得了较快发展。文献[1]阐述了建立多源异构与海量的可用于综合仿真的数据交换平台和全过程、半实物、虚拟现实的铁路仿真一体化实验教学中心；文献[2]给出了使用虚拟仿真软件进行实训教学应用的案例；文献[3-4]介绍了西南交通大学采用分布式技术实现共享与开放的远程教学环境；文献[5]介绍了中山大学交通工程虚拟仿真实验教学中心的教学资源建设；文献[6]用“互联网+”的思想，结合隧道控制理论和虚拟仿真实验技术，提出隧道虚拟仿真实验教学的建设方案。

本文基于VISSIM仿真系统，以交通控制实验为例，阐述实验模块的建立过程与关键点。VISSIM仿真软件是德国PTV公司的微观交通仿真产品[7-8]，由于其功能全面、拓展性强，目前国内开设交通类专业的高校大多使用该软件进行仿真实验教学。

1 实验的基本要求

交通控制实验的目的在于能使交通流安全、高效地通过交叉口。实验的原理是使用交通控制方法，使相互冲突的交通流在物理空间或时间上相互分离。以信号控制交叉口为例，为保障交通安全，需使相互冲突的相位在物理上隔离。为保障交通效率，需针对交通控制的关键参数进行实验，主要包括周期、绿信比、相位、相序和相位差等。

值得注意的是：在优化信号配时、寻求更优交通控制方案时，周期、绿信比和相位差等参数是相互关联和相互影响的。因此，如何设计最佳的控制方案具有较大的挑战性。

2 实验的输入、输出与控制变量

2.1 实验的输入参数

交通控制实验的输入条件主要包括：

（1）基础路网数据。在VISSIM中可以通过导入图片文件或者CAD文件的方式，在仿真中导入基础路网数据；通过基础路网数据可以确定交叉口的形状、每个进口道和出口道的车道数和车道功能。使用VISSIM中的Link&Connector组件在仿真实验中创建基本交叉口。

（2）交叉口各个方向的流量数据。交叉口各方向的流量数据如表1所示。交通流数据主要采用现场调查的方法收集研究时段内的分方向、分车型的交通量。

将调查的流量输入VISSIM仿真软件。在VISSIM仿真软件中不能直接设置车道的饱和流量，因为饱和流量是根据驾驶员特性计算得到的，如果需要设置饱和流量，则需对驾驶员的行为参数进行标定。

2.2 实验的输出与控制变量

交通控制实验的输出主要是控制方案的效益数据。效益数据主要包括车均延误、停车次数和最大车辆通过数等，可通过VISSIM的评价文件进行输出。控制方案的优劣是通过效益数据反映的：如果效益数据达到要求，则控制实验的方案可行；如果效益数据不能满足需求，则需进一步调整方案。

交通控制实验的控制变量取决于控制方式。以定时控制为例，控制变量主要包括周期和绿信比等。以感应控制为例，主要包括最大和最小绿灯时间、绿灯延长时间等。

3 基于正交试验的实验设计

3.1 正交试验设计

实验设计是实验模块建设的重点内容。在常规情形下，实验的组合因素较多，可采用正交试验的方法进行实验设计[9]。正交试验设计（orthogonal experimental design）可以从多水平的影响因素中，根据正交特性选取具有代表性的点进行试验，采用“均匀分散，齐整可比”的方法，大幅降低实验次数。例如三水平四因素的正交试验设计，如果采用列举法，共需进行81组实验，但如果使用正交试验的方法，只需进行9次实验，如表2所示。

表2 正交试验表示例

以交通控制实验为例，如需研究不同周期长度、不同绿信比和相位差设置情况下的最佳方案，可通过正交试验的方法进行实验设计。

3.2 相位设计

在正交试验的基础上，可根据控制方式的不同，设计不同的交通控制实验。以定时控制为例，通过VISSIM仿真软件的Signal Controller选项卡，可建立交叉口的信号控制机。需要注意的是：每个交叉口应建立一个独立的信号控制机。在每一个信号控制机上，基于分离冲突的思想建立交通通行相位。典型的相位设计方法可采用双环结构，如图1所示[10]。

图1 双环结构信号控制相位示意图

国内典型的、实际使用较多的信号相位与图1中的双环结构存在区别。例如左转待行区，大多直行相

位在前，而左转相位在后，且大多使用四相位控制。

3.3 定时控制参数设计

定时控制主要包括以下参数设计：

（1）信号周期设计。信号周期长度是定时控制的关键参数。周期时长的约束条件包括各相位的最小绿灯时间、饱和度、最大绿灯时间等。周期的选择不宜过长或过短，过长会导致车辆延误偏大，过短又会造成绿灯损失时间占比偏大，降低通行能力。

（2）相序设计。相序设计主要关注通行方式或通行效率的影响。例如在有左转待行区或直行待行区的交叉口，需直行相位在前，左转相位在后。在某些将出口车道转变为左转进口车道的交叉口，需左转相位在前，直行相位在后。此外，相序的设计对于交叉口间的协调控制有较大的影响，可通过正交试验的方法计算出最佳相序设计。

（3）绿信比设计。绿信比与各个方向的交通流通行效率直接相关。在同一周期条件下，绿信比越大，则该相位的饱和度越小。绿信比的设计通常使用等饱和度的分配方法，即通过关键相位的流量与通行能力比值，得到使关键相位饱和度相等的绿灯时间分配方案。

（4）相位差设计。相位差设计的原则是让协调相位在相邻交叉口间获得“绿波通行”，因此，以各交叉口的信号周期时长相等为最佳，在大交叉口和小交叉口之间也可使用半周期。单方向的相位差设计相对直观，而“双向绿波”较为困难，特别是在高峰期间，排队长度对“绿波通行”的负面影响较大。相位差的设计可借鉴MAXBAND的方法[11]。在VISSIM中的设计示例如图2所示。

图2 定时控制参数示意图

3.4 感应控制参数设计

与定时控制不同，感应控制主要包括以下参数设计：

（1）最大和最小绿灯时长。最小绿灯时长的设计一般受行人通过人行横道时间的约束，最大绿灯时长的设计一般可使用定时控制计算获得的相位绿灯 时长。

（2）绿灯延长时间。绿灯延长时间指检测到车辆后，该相位绿灯的延长时间。需注意：在延长时间内，该车辆应能顺利通过交叉口。

感应控制仍可以在多个交叉口间设置同一周期，实现“绿波控制”。感应控制与定时控制最大的区别，在于感应控制能根据实际交通量的大小自动调整相位的绿灯时间，但需在交叉口进口道前布设车辆检测器。

4 虚拟仿真运行控制与效益评价

4.1 虚拟仿真运行控制

交通虚拟仿真运行控制主要包括仿真的精度控制和随机性控制。仿真的精度是指仿真步长之间的时间跨度，在VISSIM软件中使用仿真分辨率控制。VISSIM的仿真分辨率参数取值范围为1~10，即VISSIM软件最大仿真精度为0.1 s。仿真的随机性控制也是理解交通虚拟仿真的重要参数。一方面，由于实际交通流到达的随机性，虚拟仿真中需刻画该随机性的影响；另一方面，由于实验科学的严谨性，需保证虚拟仿真实验的可重复性。因此，在虚拟仿真中，一般采用伪随机的方式进行仿真推进。可通过蒙特卡洛随机模拟的方法产生伪随机数[12]，在VISSIM中可通过修改随机数种子的方式调整仿真运行。设置完成后，可运行仿真查看仿真运行效果，检查仿真的逻辑。图3是以VISSIM仿真中的例子展示仿真运行效果。

图3 VISSIM仿真运行示意图

4.2 虚拟仿真效益评价

在虚拟仿真持续运行一段时间后，开始采集效益数据，并通过修改随机数，进行多次仿真。在仿真完成之后，将多次仿真的效益数据取平均值。在大多数情况下，交通控制实验主要关注的效益参数包括延误和最大通过车辆数，可选取其中之一作为评价参数，也可以使用多目标评价的方法进行控制模型的效益 评价。

在获得仿真效益参数之后，可对设计的控制方案进行效益比选和评价。如果控制方案的效益能满足需求，则仿真实验成功；若无法满足需求，则需重新调整仿真参数的取值并重新设计仿真参数的组合，重复上述步骤，直至获得满意结果。

5 结语

基于VISSIM的交通类课程虚拟仿真实验模块建设的主要内容包括实验的基本原理、实验的输入/输出与控制变量、基于正交试验的实验设计方法、虚拟仿真运行控制与效益评价，引导学生理解虚拟仿真的内涵和本质，不仅学会VISSIM软件的使用，更能掌握交通专业实验设计的思维方式并提高创新能力。本文阐述的实验模块建设方法具有较好的可扩展性。

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Construction of virtual simulation experimental module of transportation courses based on VISSIM

WU Wei, CAO Qianxia, LONG Kejun

(School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

As it is difficult for traffic courses to carry out field experiments and in order to enable students to better master the rules of traffic flow operation and evolution, a virtual simulation experiment module is established. By taking traffic control experiment as an example, this paper expounds upon how to build a virtual simulation experiment module based on VISSIM simulation software from four aspects such as the basic principle of the experiment, the input and output and control variables of the experiment, the experimental design method based on the orthogonal experiment, the operation control and the benefit evaluation of the virtual simulation. Through simulation experiments, students can better understand experimental principles and master professional connotation.

traffic control experiment; virtual simulation; construction of experimental projects; VISSIM simulation

U491

A

1002-4956(2019)12-0113-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.026

2019-06-13

湖南省教学改革研究项目（JG1605，2018-201）

吴伟（1987—），男，湖南长沙，博士，副教授，主要研究方向为交通管理与控制。E-mail: jiaotongweiwu@csust.edu.cn