[工学]微观交通仿真软件VISSIM使用介绍.doc
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1、第四章 微观交通仿真软件VISSIM使用介绍第一节VISSIM微观仿真软件介绍1VISSIM仿真系统基本原理 VISSIM是由德国PTV公司开发的微观交通流仿真系统。该系统是一个离散的、随机的、以十分之一秒为时间步长的微观仿真软件。车辆的纵向运动采用了德国Karlsruhe大学Wiedemann教授的“心理生理跟车模型”;横向运动(车道变换)采用了基于规则(Rule-based)的算法。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。VISSIM软件系统内部由交通仿真器和信号状态发生器两大程序组成,它们之间通过接口来交换检测器的呼叫和信号状态。交通仿真器是一个微观的交通流仿真模型,它包括跟车模型和车道
2、变换模型。信号状态发生器是一个信号控制软件,它以仿真步长为基础不断地从交通仿真器中获取检测信息,决定下一仿真时刻的信号状态并将这信息传送给交通仿真器。信号状态发生器交通流控制、管理策略信号控制器交通仿真器路网中各种类型车辆跟车微观模型、车辆变换车道模型交通分析断面交通流特性、行程时间、排队分析等检测值控制特性图4.1 VISSIM中交通仿真器和信号状态发生器2VISSIM仿真系统基本功能VISSIM可以作为许多交通问题分析的有力工具,它能够分析在诸如车道特性、交通组成、交通信号灯等约束条件下交通运行情况,不仅能对交通基础设施实时运行情况进行交通模拟,而且还可以以文件的形式输出各种交通评价参数,
3、如行程时间、排队长度等。因此,它是分析和评价交通基础设施建设中各种方案的交通适应性情况的重要工具。以下是VISSIM的主要交通分析功能:1、固定式信号灯配时方法的开发、评价及优化。2、能对各种类型的信号控制进行模拟,例如:定时控制方法、车辆感应信号控制方法、SCATS和SCOOT控制系统中的信号控制等。在VISSIM中,交通信号配时策略还可以通过外部信号状态发生器(VAP)来进行模拟,VAP允许用户设计自己定义的信号控制方法。3、可用来分析慢速区域的交通流交织和合流情况。4、可对各种设计方案进行对比分析,包括信号灯控制以及停车控制交叉口、环形交叉口以及立交等5、分析公共交通系统的复杂站台设施的
4、通行能力和运行情况。6、可用来评价公共交通优化处理的各种方案。7、可运用内置的动态分配模式分析和评价有关路径选择的问题。例如:各种信息牌对交通带来的冲击。3VISSIM仿真流程调查交通量或者预测交通量道路平面图(BMP)和交通组织方案交通参数设置、初始配时初步建立仿真路网调整交通设计方案仿真流量与输入流量是否吻合仿真网络检查仿真运行仿真动画和评价指标输出是否符合要求输出优化后的方案NOYESNOYES 图4.2 VISSIM软件仿真流程4VISSIM操作界面介绍VISSIM的操作界面分为5个区域(如图4.3):l 标题栏:显示仿真程序名称、文件名称、版本号。l 菜单栏:设置、调整参数。l 状态
5、栏:第一部分:当前鼠标坐标。 第二部分:网络编辑模式中,显示当前选择的对象信息;仿真过程中,显示仿真时间。 第三部分:网络编辑模式中,显示编辑提示信息。l 滚动条:上下翻滚视图。工具栏状态栏标题栏菜单栏滚动条l 工具栏:图形及模块工具。图4.3 VISSIM的操作界面第二节建立仿真路网在微观交通仿真中,建立一个符合实际的仿真路网是交通仿真的基础,也是取得可用的、有效的仿真评价指标的必要条件。建立仿真路网首先需要一张带比例尺的设计平面图,然后在该底图上利用VISSIM软件中的路网单元模块(Link和Connector)建立路网。1导入底图为了建立路网的仿真模型,首先必须导入仿真对象的现状平面图或
6、设计平面图,且平面图必须带比例尺。下文以平面十字交叉口仿真研究为例,建立路网的步骤如下:(1) 通过OptionsBackgroundOpen导入平面设计图的bmp文件。(2) 底图必需是BMP格式的图片。(3) 通过OptionsBackgroundScale按比例缩放图片。(4) 通过OptionsBackgroundOrgin手工拖/拉背景图片。(5) 为了避免以后使用时再次导入相同图片的繁琐程序,用户可以通过OptionsBackgroundParametersSave保存当前图片信息参数(保存文件格式为*.hgr)。图4.4 导入VISSIM中的十字交叉口平面设计底图2建立路网的方法
7、VISSIM使用两个基本的组件(Link 和 Connector)来描述一个路网。l Link(路段):有方向性,是矢量。定义路段时需要输入该路段的车道数、车道宽度、坡度等。按纽用于建立和移动Link。按纽用于编辑Link。l Connector(连接):用于连接同方向Link中的车道,每条Connector 可以同时连接一条或几条车道。按纽用于建立和编辑Connector。l VISSIM通过Link和Connector来描述一条连续的路径,也可以描述整个路网。(1)定义Link(路段)Link(路段)单元参数设置对话框中包括以下各项内容:图4.5 Link参数对话框1) number:路段
8、编号。2) Name:路段名称。3) Type:路段类型。4) Link Length:路段长度。5) NO. of Lanes:路段车道数6) Lane Widths:车道宽度。7) Gradient:路段坡度。8) Height:路段高度,仅在3D显示时生效,左右两格分别代表路段单元的起始高度和终点高度。9) Opp.Direction:复制对向车道。10) NO. of Lanes:复制的对向车道的车道数。11) Animation:打开/关闭车道上的车辆显示。12) Change Direct.:改变车道的方向。13) Cost:计算行驶成本,仅在安装了动态分布功能的模块时生效。14)
9、 Evaluation:确定评价路段时所用区段(segment)的单位长度。15) Lane Closure:车道关闭。可以禁止某类车辆在路段的某条车道上通行。(可用于设置公交专用道、小汽车专用道等)(2)定义Connector(连接)单元Connector(连接)单元参数设置对话框中包括以下各项内容:1) Name:连接的名称。2) 在From Link和To Link两栏中可以选择起始路段和终止路段对应连接的车道(车道数必须匹配)。3) Emerg.Stop:紧急停车距离。要进入目标车道的车辆如果在车流量很大的情况下难以进入目标车道,它将在Emerg.Stop控制的地点停车,等候间隙变道。
10、4) Lane Change:变换车道距离。车辆为了进入目标车道开始变换车道的距离(距前方连接的距离)。5) Gradient:坡度。连接单元的坡度。注意:连接单元的高程由其两端的路段单元高程决定。6) Points:Splines(连接曲线)的插入点数。选择Spline可以设置Points的插入点数,点数越多,连接曲线越平滑;用户也可以用鼠标右键在连接单元上添加节点。7) 大多数情况下,Direction并不起任何作用。只有当车辆被指定了转向以后(用按纽指定),该选项才需要设置。未被指定转向的车辆只通过Direction为All的连接单元。8) 车道关闭(Lane Closure)的功能与路
11、段单元相同,都是用来禁止某种车辆通行的。9) Cost和Evaluation的功能与路段(Link)中介绍的相同。3路网建立实例在用Link 和Connector建立交叉口和路网时,是用一个Link表示一条车道还是多条车道、Connector如何连接等问题都要结合实际的道路情况而定。下文将以一个交叉口为实例进行具体说明。在建立十字交叉口过程中需要处理好进口道Link的设置、车道展宽/缩减渐变段的处理、进口道和出口道的连接三个关键部分。(1)进口道路段的处理路段上如对车道功能无特殊划分(如设公交专用道),可用一条多车道的Link来表示,如图4.6中五车道路段。如果两条车道功能完全不相同,并且车辆
12、不能相互变换车道,最好用两条Link来表示。图4.6 进口道车道设置示意图(2)车道展宽/缩减渐变段的处理实际的道路上经常有车道增加和缩减的情况。车流在这种渐变段上的跟车行为、变换车道行为都与正常路段不同,更为复杂。VISSIM中仍然是通过Link和Connector单元来模拟,因此若处理不当会造成仿真的严重失真。l 车道展宽渐变段图4.7 车道展宽渐变段示意图车道展宽渐变段因为车道数增多,通常很少有大的交通问题。图4.7车道展宽渐变段是从三车道增加为四车道。可采用两种方案进行处理:方案一:一条Connector(Connector1)连三条车道(图4.8),另一条Connector(Conn
13、ector2)连一条车道(图4.9)。图4.8 一条Connector连接三条车道图4.9 一条Connector连接一条车道方案二:两条Connector分别连二条车道(见图4.10、图4.11)。图4.10 Connector分别连二条车道l 车道缩减渐变段车道缩减时的连接方法与车道增加时类似,只是方向相反。但需要注意的是车道增加时前面两种方案在效果上不会有什么差别。而车道缩减渐变段往往是交通瓶颈处,不同的处理方法会有不同的效果。需要根据道路上实际的合流情况来确定。(3)进口道和出口道的连接该交叉口的西进口共有五条车道,用三个Link来表示。每一个Link代表一个车道组。所谓车道组(lan
14、e group)是指具有完全相同功能的车道组合。注意车辆在Link之间是不能变换车道的,只能在同一Link内的不同车道之间才可以变换车道。该交叉口的北出口道用一个Link来表示,因为这两条车道具有完全相同的功能。西进口的左转车道和北出口道用一个Connector连接,需要注意的是这里的Connector与西进口道的Link连接段应尽量短。图4.11 进口道和出口道的连接完成上述三个部分的设置后,就建立了一个平面交叉口的仿真路网图4.12。图4.12 十字交叉口仿真路网建立实例第三节交通流特性及行驶规则的设置在建立了仿真路网后,需要进行交通流特性参数及行驶规则的设置,以便真实地模拟实际车流在路网
15、中的运行。交通流特性参数可分为微观和宏观交通流特性;行驶规则应与实际路网上的标志标线等交通控制和管理措施对应。1微观交通流特性参数 微观交通流特性参数包括各种车辆的期望车速分布曲线、车辆的加/减速特性、车辆的几何尺寸、驾驶员行为参数设置等。(1)车辆的期望车速(Desired Speed)对于任何车辆,期望车速特性是一个极为重要的参数,对于车辆之间的跟车和变换车道有重要的影响,并间接影响通行能力和行车速度。车辆期望车速设定后,每一类车辆进入仿真系统时如果没有其它车辆干扰或其它交通规则限制,车辆将以该速度行驶(仅有一个较小的随机变化量)。各车型的Des.Speed可以在Network Edito
16、rDistributionDesired Speed中定义,会出现图4.13的对话框。一般,在确定输入流量的车种组成时,定义每种车辆类型的期望车速,同时可以定义分布曲线。图4.13 期望车速和分布曲线对话框(2)车辆的加、减速特性车辆的加减速性能对于车辆的行驶性能有重要影响,并且车辆的加、减速特性会随着个体车辆的不同而变化,车辆的期望加、减速与当前车辆速度以及司机的行为有关,而最大加、减速度特性往往反映车辆自身的动力性能。VISSIM在描述车辆加、减速特性时,是结合车辆类型进行定义的。共有四个参数,期望加、减速度,最大加、减速度。各种车型的加减速参数在Network EditorAcceler
17、ation中定义,通常采用默认值。(3)车辆的几何尺寸车辆的车身长度直接影响车辆的跟车行为和超车行为,对变换车道也有影响。对车辆的几何尺寸的描述包括长度和宽度,以及前后轴距等,见图4.14。VISSIM 的2D模型中没有对车辆高度进行描述,在3D模型中车辆的高度是随长度和宽度按比例自动确定的。仿真模型中的车道宽度对车辆的行驶没有影响,这点是与实际情况不相符的。图4.14 车辆几何尺寸设置对话框(4)驾驶员行为参数设置交通流理论中对驾驶员的跟车行为和变换车道行为都建立了相关的模型,VISSIM中所依据的跟车模型为德国卡尔斯鲁厄大学的Wiedemann教授于1974年和1997年分别建立的城市道路
18、跟车模型和高速公路跟车模型。驾驶员行为参数的设置可通过SimulationDriving Behavior中修改。如图4.15所示。建议只有高级使用人员才能修改有关参数。图4.15驾驶员行为参数设置2宏观交通流特性参数 宏观交通流特性参数包括车型分类、交通量组成、流量输入、路径选择。(1)车型分类VISSIM采用分级体系来定义车型分类,即车辆分级车辆类别车辆类型。车辆类型(Vehicle Types):是分级体系中最低层。指具有相似的技术特性和物理驾驶行为的一组车。例如car1、car2、LGV、HGV、Bus、Tram、Bike、Pedestrian等等。如下图所示。图4.16 车辆类型对话
19、框车辆类别(Vehicle Class):具有相似驾驶行为(但有不同的车辆特性)的一种或多种车辆类型。速度评价、路径选择和一些其它的路网单元都是以车辆类别来分类的,例如:小客、大客、小货等。车辆分级(Vehicle Category):是具有相似车辆行为的预设的、静态的分级。例如,分级Tram不允许在多车道的Link上变换车道,也不会偏离它的期望车速。每一个车辆类型都被分配到一个车辆分级。(2)交通组成实际道路的交通流常常是大、小客货等车种混行。由于车辆自身的物理特性(如长度等)和动力性能(如加减速性能等)不同,它们在道路中的行驶特性,如各期望车速、车辆之间的跟车和超车条件将不同。在微观仿真系
20、统中,交通组成主要是反映车流中车型的特性。l 对于车型的划分,根据车辆物理特性和技术性能加以区分,如大、小客货车、公交车、拖挂车等。l 车流中各类车型的比例,应符合实际交通流特点,反映时间和空间上的变化。例如,路网中不同的节点和断面、不同的时段,交通流中车种比例都可能不同。交通组成(Traffic composition)通过Network EditorTraffic Composition来定义,用于确定路网输入流量的各种车型和每种车型的流量比例及期望车速,如图4.17。该对话框中的Rel.Flow指各种车型的相对流量,这里既可以输入流量的绝对值,也可以输入各车型流量的百分比。建议输入流量的
21、绝对值。期望车速的定义同前文所述。图4.17 交通组成对话框(3)输入流量流量是交通仿真系统中最基本、最重要的参数之一。输入流量时注意以下三方面的问题:1) 确定交通流产生地点。交通产生点的选取要设在研究区域以外,以免对研究区域产生影响。建议在建立仿真路网时范围要较研究范围略大些。2) 由于交通量在时间和空间上都是变化的,因此,对于不同交通流的产生点,应根据实际情况来确定合理的起始时间和间隔。在仿真的全过程中,可以设置多个时间段,每个时间段的输入流量各不相同。3) 仿真初始阶段,路网中车流是从无到有的,与实际路网上的情况不同。因此流量输入的时间应该比要仿真的时段长些。具体时间视路网大小和仿真研
22、究时段而定。按纽用于定义输入流量。进入流量对话框后,选择输入流量的车种组成、流量和时间间隔。如果要求精确生成指定的流量,则选择Generate exact number of vehicles栏。图4.18 流量输入对话框(4)路径选择道路设施中实际运行的车辆均有自己的出行目的地,为了反映交通流运行情况,进入仿真系统的模拟车辆必须确定各自目的地。受标志标线的约束,不同车辆会选择不同的路径,且这个过程较为复杂。在VISSIM中,有两种方式可以实现车辆的路径选择。一种是动态路径选择的方式,由驾驶员根据某种模式对路径进行选择,这种模式适用于网络分析;第二种是静态路径选择模式,车辆最初在某一地点确定了
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