（交通信息工程及控制专业论文）微观交通仿真系统参数校正研究.pdf

中山大学硕上论文摘要 微观交通仿真系统参数校正研究 专业：交通信息工程及控制 硕士生：李拮 指导教师：蔡铭讲师何兆成讲师 摘要 微观交通仿真系统是帮助分析和评价各类交通系统的有力工具。为了使其能 够输出有效的仿真结果，在进行仿真之前，需要对模型参数进行校正。本文首先 回顾分析了国内外微观交通仿真系统参数校正的研究成果，在已有模型参数校正 理论框架和方法基础上，建立了一个包含四个阶段的微观交通仿真系统校正流 程。在此流程上，着重改进了模型校正阶段中各个步骤的具体实现方法，引入 2 k 析因试验设计和自适应遗传算法进行校正参数组合选择和最优参数组合搜索， 建立相应结合微观交通仿真系统的操作流程。并提炼出具体微观交通仿真系统校 正过程相关研究成果中具有普遍适用意义的思想，完善了建模仿真阶段、初始评 价阶段和系统仿真输出阶段中具体步骤的实现方法。然后基于上述研究，利用面 向对象的软件设计方法开发了微观交通仿真系统参数校正系统。最后，根据文中 的校正流程，结合国内的交通情况对艄删i c s 系统进行参数校正，通过实测 数据和仿真输出结果对比，验证了本文提出的校正流程的合理性。文中还通过校 正实例对凭借工程经验确定的二个校正参数与使用2 k 析因试验设计确定的五个 校正参数的仿真输出结果进行对比分析，证明了使用2 k 析因试验设计方法进行 校正参数选择的有效性和实用性。 关键词：微观交通仿真，参数校正，2 k 析因试验设计，p a 删i c s 仿真 中山大学硕士论文 摘要 r e s e a r c h0 nm i c r o s c o p i c1 1 r a f f i cs i mu l a t i o nm o d e l s y s t e m a t i cp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n m a j o r ：1 h m ci n f o r i r 埔l t i o ne n g i n e e r i n ga n d c o n t r o l n a m e ：l iz h e s u p e i s o r ：l e c t u r e rc a im i n g ， l e c t u r e rh ez h a o c h e n g a b s t r a c t m i c r o s c o p i c 仃a 伍cs i m u l a t i o ns y s t e mc a i lb e 趾e 腩c t i v et o o li i lh e l p i n g a n a l y z i n ga n de v a l u a t i n gv 撕o u s 仃a n s l ) o r t a t i o ns y s t e m s h o w e v e r ，t h ep 娥吼e t e r so f m o d e l sn e e dt 0b ec a l i b r a t e di no r d e rt 0p r 0 v i d em e 锄i n g 伽r e s u l t sb e f o r e a n y s i m u l a t i o ng t u d y i i lt l l i sp 印e r ，m er e s e a r c hs t a t u so nm i c m s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o n m o d e ls y s t e m a t i cp 猢e t e rc a l i b r a t i o ni sf i r s t l yr e v i e w e d ，a i l da p a 埘n e t e rc a l i b r a t i o n p r o c e d u r ei n c l u d i n gf i o u rp h a s e sf o rm i c r o s c o p i c 仃a m cs i m u l a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d o nt l l eb a s i so fm ep r o c e d u r e ，t l l ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fs t e p si 1 1m o d e l c a l i b r a t i o np h a s ea r ei r n p r o v e d 砸m a i i l y 2 kf a c t o r i a l e x p e r i i i l e mu s e dt 0c h o o s e c a l i b r a t i o np a r 锄e t e rs e t sa r l da 帅t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mu s e d 嬲a no p t i m i z a t i o n m e t l l o df o rf i n d i n gas u j t a _ b l ec o m b i n a t i o no fc a l i b r a t i o np 踟e t e r sa r ei n t r o d u c e d ， 锄d l eo p e r a t i o np r o c e d u r e s谢t l l m i c r o s c o p i c仃a f j f i c s i m u l a t i o ns y s t e ma r e e s 诎i l i s h e d n l e l l ，t l l ec o r n m o ni n l p l e m e n t a t i o nm “h o d su s e di ns p e c i f i cm i c r o s c o p i c 倾m cs i i i l u l a t i o ns y s t e mp a r a m e t e rc a l i b r a t i o nr e s e a r c h e sa r ee p u r a t e dt op c r l e c tt l l e s i m u l a t i o nm o d e ls 咖pp h 嬲e ，i i l i t i a le v 羽u a t i o np h a s ea i l de v a j u a t i o no fp a 姗e t e r s e t sp l l 乏院b 嬲e do nt l l ea _ b o v e 、v o r kap a r 锄e t e rc a l i b r a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e do n a l lo b j e c t e d - o r i e n t e db 2 l s i s f i n 越l y ，t l l ep r o c e m u 屯i sd e m o n s 仃 矩甜i i lac a l i b r a t i o n s t u d yo fp a r am i c sm o d e l s 谢t hl o c a lc o n d i t i o n t h ec o m p a r e dr e s u l t s 矗r o mf i e l d d a t a 锄ds h u l a t e dr e s u l t s ，d e m o n s 仃a t et l l ee 腩c t i v e n e s so ft l l ec a l i b r a t i o np r o c e d u r e t h ec o m p a r e dr e s u l t st l l r o u 曲t w oc a l i b r a t i o np a r a m e t e r sd e c i d e db ye i 培i n e e r i n g e x p e r i e n c ea r l df i v ep a r 锄e t e r sc h o o s eb y2 kf a c t o r i a le x p e r i m e n t ，d e m o i l s t r a t en l e p r a c t i c a b i l 时a n de 仃e c t i v e n e s so f 恤2 kf a c t o r i a le x p e r i m e n tl l s e d t 0c h o o s e l t 中山大学硕士论文摘要 c 融i b r a t i o np a r ：姗e t e r k e yw o r d s ：m i c r o s c o p i c 仃a f f i cs i m u l a t i o n ，p a r 啪e t e rc a l i b r a t i o n ，2 kf a c t o r i a l e x p e r i m e n t ，p z 吼m i c ss i m u l a t i o n i n 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人 在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：窭毙 日期：2 0 0 8 年5 月2 4 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构 送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：毒笔 日期：二刀舌年月，日 导师签名：5 可陀q ) 日期：2 丽年占月f 日 中山大学硕上论文 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 城市交通系统是由人、车、路、环境等要素构成，具有结构复杂、影响因素 多、开放性强、随机性及不稳定因素多等特点，是一个复杂的动态系统。长期以 来，城市迅速增长的交通运输需求不能得到有效地满足，供需不平衡的矛盾日趋 突出，导致城市交通拥堵严重，事故率攀升，环境污染加剧，能源利用率低下。 城市交通所带来的负面影响日益严峻，已成为制约经济发展的一个瓶颈。 为了解决面临的城市交通问题，美国、日本等国家竞相投入大量的人力和物 力，开始大规模地进行交通研究和试验。经过广泛地研究，这些国家发现，仅仅 依靠修建更多的道路无法从根本上解决交通问题，还要借助高新技术来改造现有 的道路运输系统及其管理体系，才能大幅度地提高路网通行能力，缓解日益严重 的交通问题。起初，这种研究的对象被称为智能车辆道路系统( i v h s ) ，主要进 行道路功能和车辆智能化的研究。随着研究的不断深入，系统功能扩展到道路交 通运输的全过程及各相关服务部门，成为带动整个道路交通运输现代化的“智能 交通系统 ( i n t e l l i g e n tt r a i l s p o 删i o ns y s t e m ，i t s ) 【1 1 。智能交通系统是个全 面应用信息技术控制技术、优化理论以及人工智能算法的交通系统：是应用信息 技术和自动控制技术向道路使用者和交通管理者提供帮助和服务的系统。 按照i s o 的定义，智能交通系统共包含八个系统，3 2 项服务功能，具体见 表1 1 所示【2 】。 表1 1 智能交通系统的服务功能 出行信息1 行前信息4 个人信息 2 驾驶中信息5 路线指示与导航 3 驾驶中公共交通信息 交通管理 6 运输计划支持系统9 交通需求管理 7 交通控制l o 交通执法及强制交通调节 8 。 交通事故管理l l 。交通设施维护管理 中山大学硕1 ：论文 第l 章绪论 车辆1 2 视力增强1 5 横向避碰 1 3 自动操纵1 6 安全预防 1 4 纵向避碰 1 7 碰撞前的紧急安排 商用车辆1 8 车辆电子通行 2 1 车辆安全监控 1 9 车辆行驶管理2 2 车队管理 2 0 自动路旁安全检查 公共运输2 3 公共运输管理 2 5 合乘交通管理 2 4 请求回应管理 急救 2 6 紧急事件通告及个人保险 2 8 急救品及事故通告 2 7 急救车辆管理 电子付费2 9 电子付费 安全3 0 公共旅行保险3 2 残疾道路使用者安全增强 3 1 智能路口 从表1 1 可以看出，交通管理是智能交通系统中一项重要的研究内容，包含 交通规划、需求管理等多个方面，其重点在于运用各种交通设施控制、掌握并及 时指挥城市交通。为预先把握在现有道路网上实施交通管制的可能效果，鉴于交 通运输系统本身的特性，难于采用现场实验的方法。因此，在过去的几十年里， 出现了大量的交通流理论和模型，并将其和计算机仿真平台结合，为复杂的城市 交通系统创建一种试验仿真平台来研究城市交通问题。按照其交通模型建模基本 单位的不同，可以分为宏观交通模型，中观交通模型和微观交通模型。 早先的研究主要集中于宏观交通模型，讨论交通流量和密度的变化，评价交 通网络的总体性能。随着高速运算计算机的发展和交通仿真的需要，研究热点逐 渐转移到微观交通模型。微观交通模型在每一时刻计算路网中每一辆车的位置、 车速、加速度等特性，可为交通管理提供详细的信息，使其可以在交通管理措施 实施之前，进行详细的评估。因此，微观交通仿真模型及其仿真器成为世界研究 的热点【3 1 。 经过国外主要发达国家的多年发展，微观交通仿真模型和仿真技术逐步成 熟，许多交通仿真器被相继开发出来，并成功的商业化，已成为了研究城市交通 规划、管理与控制的有力工具。随着我国各地智能交通系统的逐步实施，微观交 2 中山大学硕十论文第l 章绪论 通仿真模型系统在我国也得到了广泛的应用，如德国的v i s s i m ，英国的 p a r a m i c s 和西班牙的a i m s u n 等【4 1 。但由于微观交通仿真模型参数的缺省值 大都是根据模型开发国的情况确定的，并不一定适用于我国的实际情况，导致利 用这些仿真器进行管理措施仿真后的结果和实际结果相差较大。因此，结合我国 具体的交通流特性，对微观交通仿真模型参数进行校正，得到适合于我国交通流 特性的模型参数的意义深远。本文的主要工作将围绕基于统计学标准化微观交通 仿真模型参数校正流程，改进其中某些步骤的方法，建立相应的校正系统，并将 其应用于某个具体的微观交通仿真器这一课题进行。 1 2 研究意义 交通流仿真是再现交通流运行规律对交通系统进行管理、控制和优化的重要 实验手段和工具。微观交通仿真模型系统运用大量的独立参数来描述交通系统运 行、交通流特性以及驾驶员行为等，因此模型参数值的合适与否很大程度上影响 了仿真输出结果的正确度【5 l 。如果仿真输出的结果与实际情况相差过大的话，可 能会导致其仿真的管理策略在现实中出现较大的偏差。由于交通运输系统耗资巨 大，这种偏差可能会造成相当大的人力、物力的损失。因此，只有当微观交通仿 真模型能够较为真实的反映我国交通流运行状况时，才能够保障仿真的管理策略 结果的正确性。所以，对微观交通仿真模型参数校正的研究具有现实意义。 通过对微观交通仿真模型参数校正的研究，能够深入的了解国外模型与国内 交通流特性的根本差别，为自主开发混和交通仿真模型指明方向，奠定基础。同 时，也可以得到反映国内交通流特性的一组模型参数，通过这些模型参数可以更 加深入的分析国内驾驶员的驾驶行为和习惯。 1 3 主要研究内容和方法 本文在已有模型参数校正理论框架和方法基础上，建立了一个包含四个阶段 的微观交通仿真系统校正流程。在此流程上，着重改进了模型校正阶段中各个步 骤的具体实现方法，引入2 k 析因试验设计和自适应遗传算法进行校正参数组合 选择和最优参数组合搜索，建立相应结合微观交通仿真系统的操作流程。并提炼 出具体微观交通仿真系统校正过程相关研究成果中具有普遍适用意义的思想，完 中山大学硕 ：论文 第l 章绪论 善了建模仿真阶段、初始评价阶段和系统仿真输出阶段中具体步骤的实现方法。 然后基于上述研究，利用面向对象的软件设计方法开发了微观交通仿真系统参数 校正系统。最后，根据文中的校正流程，结合国内的交通情况对p a r a m i c s 系 统进行参数校正，对本文所提出的校正流程以及使用2 k 析因试验设计进行校正 参数选择的方法进行了验证与评价。 1 4 论文的组织结构 论文共分为六章，具体的组织结构安排如下： 第一章是绪论，即本章。指出了微观交通仿真系统校正的必要性，并介绍文 章的研究内容和方法。 第二章介绍了国内外微观交通仿真系统的研究现状，主要从校正流程的研究 和具体微观交通仿真系统的校正过程研究两个方面分别进行总结和分析。 第三章是本论文对微观交通仿真系统参数校正流程的建立部分，详细阐述了 微观交通仿真系统参数校正流程中各个步骤的内容，建模仿真阶段、初始评价阶 段和系统仿真输出阶段中具体步骤的实现方法。并着重改进了模型校正阶段中校 正参数组合选取和最优参数组合搜索算法的具体实现方法。 第四章是本论文对微观交通仿真系统参数校正系统的设计部分。根据第三章 所提出的微观交通仿真系统参数校正流程和具体方法，本章运用面向对象的程序 设计方法设计了一个微观交通仿真系统参数校正系统，并对系统的架构和实现流 程进行了详细阐述。 第五章是本论文校j 下流程应用和验证部分。根据广深高速公路实测数据，结 合国内交通状况对p a r a m i c s 系统进行校正，通过实测数据和仿真结果对比分 析，分析该校正流程和具体方法的合理性和实用性。 第六章是本文的终篇，归纳了论文的主要研究工作，并对微观交通仿真系统 参数校j 下研究的一步研究工作及扩展研究方向进行了展望。 4 中山大学硕士论文 第2 章国内外研究现状 第2 章国内外研究现状 微观交通仿真模型参数校正是根据实地交通运行状况，对仿真系统中各个独 立参数进行调整，以使模型能准确表达具体仿真对象的过程。需要校正的仿真参 数一般包括交通控制运行参数、交通流特性和驾驶员行为特性等。参数校正的目 的是使仿真输出结果与实际测量的数据差异最小。本章将详细介绍国内外对微观 交通仿真模型校正的研究现状。 2 1 国外研究现状 在以往对于参数校正的研究中，部分学者集中于对参数校正流程以及流程中 某些步骤具体实现方法进行研究。另一部分学者则在已有校正流程和方法基础 上，对具体微观交通仿真系统校正过程进行研究，建立适合于某个具体仿真系统 的校正过程和方法。 2 1 1 校正流程研究现状 h e l l i n g a 于1 9 9 8 年首次对微观交通仿真模型进行校正的必要性进行了论证， 并建立了较为详细的微观交通仿真模型参数校正流程【6 】。该校正流程分为三个阶 段，共包括七个步骤，如图2 1 所示。 参数校正目标确定 上 实际数据确定 1 l 影响因素水平选择 1 l 评价标准建立 上 仿真网络表示 上 驾驶员路径行为校正 j r 模型输出结果评价 上 结束 图2 1h e l l i n g a 的微观交通仿真模型校正流程 一 蹇亍1 1 撵 中山大学硕七论文 第2 章国内外研究现状 其中研究定义阶段主要工作是建模前的准备工作，包括定义研究目标；确定 所需的实际数据：选择影响因素水平等。初始评价阶段是要确定路网建模是否准 确，包括仿真网络表示。模型输出评价阶段是运行仿真并对比输出数据，包括驾 驶员路径行为校正；模型输出结果评价。上述步骤提供了宏观的参数校正指导原 则，对模型参数校正做了较为明确的定义，但是由于该流程没有提供具体的有针 对性的仿真参数校正流程，所以在操作性上有所欠缺。而从h e l l i n g a 以后的模型 校正流程的研究大都以此为基础进行改进或具体化其流程内容【7 j 。 m i l a l l 在h e l l i n g a 的研究基础上提出了一个较具实用性的模型校正流程，并 具体化了该流程中的部分步骤【8 1 。该模型校正流程包括三个阶段即校正数据采集 阶段、模型校正阶段、模型验证阶段。m i l a n 在校正数据采集阶段着重分析了在 不同情况下采集校正数据的方法；在模型校正阶段引入了含有置信区间的统计实 验方法计算最小仿真次数，以此来减少仿真模型随机性的问题，并使用尝试错误 法对模型进行校正；在模型验证阶段提出了验证结果可接受标准范围来评价校正 效果。但是该模型校正流程采用尝试错误法进行模型校正，可能会导致该校j 下过 程陷入局部最优解。在校正精度要求较高时，可能陷入校正验证的死循环中。 l e e 、t a om a 等人先后将传统遗传算法作为优化工具用来寻求校正参数组合 的最优解【9 l 们。在文中详细描述了结合传统遗传算法进行模型校正的流程，并以 p a r a m i c s 模型为例进行校正。通过使用流量和占有率进行验证，证明了使用 遗传算法进行模型校正的有效性。 c o h e n 对微观交通仿真模型校正与验证进行了详细的论述，并首次提出了关 键参数的概念，即能够影响整个仿真路网车辆行为，且对仿真结果有较大影响的 模型参数【l l l 。c o h e n 建议在校正过程中，仅选取少量的关键参数进行校正，使仿 真输出结果接近实测数据。并指出校正参数最好是能够被直接测量出来的相关参 数。但是，c o h e n 在文中并未提出如何选取和判别关键参数，特别是和驾驶员行 为相关的一些参数是不容易被观测出来的。 c h u 提出了一个包含四阶段的微观交通仿真模型校正流程【1 2 1 ，将驾驶行为模 型和路径选择模型校正分为两个阶段分别进行。即首先使用尝试错误法对驾驶行 为模型进行校正。然后对路径选择模型和o d 估计进行迭代校正，即首先根据经 验调整路径选择模型的参数值，然后运行仿真对比o d 估计结果，如果不满意则 6 中山大学硕士论文第2 章国内外研究现状 调整o d 矩阵，再次运行仿真，依次循环直至满意为止。最后根据仿真输出结果 和实际数据对比结果调整局部参数，使仿真结果达到要求精度。该校正流程充分 考虑了各种情况，对实际校正有一定的指导作用。但是，其所采取的校正方法较 为复杂且耗费时间，校正过程中部分步骤过于依靠经验，对于没有足够工程经验 的使用者，可能会出现校正结果达不到精度要求的问题。 2 2 2 具体微观交通仿真系统校正现状研究 随着计算机技术的迅速发展，利用计算机模拟方法已经成为研究交通问题一 种重要手段。到目前为止，国内外已经开发了众多交通仿真器，如p a l 认m i c s 、 v i s s i m 、c o r s i m 等。由于模型缺省值未必符合使用国的实际交通状况，所以 部分学者开始结合本国交通流状况对具体微观交通仿真系统进行校正，以下将详 细介绍对微观交通仿真器的校正研究。 ( 1 ) p a r a m i c s a b d u l h a i 首次对鼢j 乙w i c s 模型进行测试和校正【1 3 l 。仿真区域为加利福尼 亚洲i 一4 0 5 高速公路中5 0 0 米长的公路，校核指标采用交通流量和占有率。利 用尝试错误法对p a 洲i c s 模型进行了校正，主要校正参数为平均反应时间和 平均目标车头时距。并通过对不同路段的验证，证明了校正过程的有效性。但是， 由于此校正过程中所采用的仿真区域较短，且利用工程经验分析全局参数的做法 太过主观，没有过多的依据。 y o 衄e l 对p a r a m i c s 高速公路模型进行校正【1 4 】。仿真区域为加利福尼亚洲 高速公路i 一8 6 0 高速公路中一段南向行驶的公路，校核指标采用平均行驶速度 和交通流量。该文首先根据经验对车道速度、速度记录、仿真步长等众多道路或 配置参数进行调整。然后采用尝试错误法对驾驶员行为模型中的平均车头时距和 平均反应时间进行校正，并将其校正结果应用到其他高速公路模型中。但是，由 于在此校正过程中以工程经验对众多局部参数进行调整的方法具有太强的主观 性，其数值的偏差可能会引起仿真输出结果很大的不同。且本文采用尝试错误法 对模型进行校正，在校正精度要求较高时，比较耗费时间甚至难以寻找出合适的 参数组合。 s m i t h 首次对眦m i c s 区域路网建模进行了测试和校正【1 5 】。仿真区域为 7 中山大学硕士论文 第2 章国内外研究现状 柏林顿城区和部分郊外地区，共包括3 6 7 个出行小区，校核指标为平均车辆速度。 该文着重分析并校正了p a r a m i c s 三种交通分配模型的参数，并给出了多天实 测数据筛选的具体方法，对于对p a r a m i c s 区域模型校正有较大借鉴意义。 ( 2 ) m i t s i m l a b b e n a i ( i v a 首次提出了使用非集计层次数据和集计层次数据对m i t s i m l a b 进行校正的流程【1 6 】：首先使用非集计层次校正每个模型的相关参数，使每个模 型能够更好的拟和现实的交通状况。然后再使用集计层次校正整个仿真模型系统 的参数，使整个系统能够更好的拟和现实的交通状况。b e n a k i v a 还在校正过程 中，给出了当校核指标数量不同时，建立不同的目标函数的方法。但是，由于实 际中的非集计层次数据较难获取，b e n a k i v a 也未能验证其流程的有效性。 ( 3 ) v i s s i m p a r k 和s c l u l e e b e r g e r 对v i s s i m 信号交叉口模型进行了校正和验证【17 1 。仿真 区域为维吉尼亚市中一条包含有1 2 个协调控制交叉口的主干道，校核指标为旅 行时间。该文首先凭借经验确定v i s s i m 仿真所需采集的实际数据和校正参数。 然后使用拉丁方格法进行实验设计，以行程时间为因变量，校正参数为自变量建 立线性回归模型，从而确定最优校正参数组合。最后引入了定性和定量两种验证 方法对校正结果进行验证，证明了校正过程的有效性。 y u 使用遗传算法寻求v i s s i m 驾驶行为模型的最优参数组合【1 8 】。其校j 下目 标是使仿真输出车辆速度与g p s 实测值的平方误差和最小，验证结果显示使用 遗传算法校正后的v i s s i m 模型输出车辆速度与实测数据的平方误差和比校正 前减少了5 0 ，充分证明使用遗传算法对微观交通仿真模型进行校正的有效性。 ( 4 ) c o r s i m m e 而t t 对c o r s i m 城市主干道交通路网模型进行了校正和验证【1 9 】。仿真区 域为瑞典乌普萨拉市一段5 公里长的主干道，校核指标为交通流量、平均速度。 其模型校正过程是按照m i l a i l 建立的校正流程进行的，通过使用不同天的数据进 行验证，证明了校正结果的有效性。但是，由于m i l a i l 校正流程本身存在的问题， 可能会导致校正后的结果为局部最优解。 k i m 使用遗产算法分别对c o r s i m 模型和t m 气n s i m s 模型进行校正【2 0 】。校 正目标函数都是选用仿真输出流量和实测数据的平均相对误差。校正结果显示使 中山大学硕上论文 第2 章国内外研究现状 用遗传算法校正后仿真输出与实测数据的平均相对误差比校正前有所提高，但是 此校正结果没有进行验证，仅是证明了遗传算法用于模型校正的可行性。 2 2 国内研究现状 我国微观交通仿真模型校正的研究起步较晚，研究相对分散。主要是在国外 研究的基础上建立更加具体的校正流程，或利用已有校正流程和方法对微观交通 仿真模型进行校正。以下将详细介绍我国对于微观交通仿真模型校正的研究状 况。 孙剑在国内首次论述了微观交通仿真模型校正的重要性，并基于h e l l i n g a 的 校正流程提出了个较为详细的模型校正流程，通过对v i s s i m 模型校正验证了 该流程的有效性【2 l 】。模型校正流程如图2 2 所示。 图2 - 2 孙剑的微观交通仿真模型校正流程 该校正流程包括八个步骤，大致分为三个阶段。首先是校正前的准备工作， 着重分析在数据采集等步骤应注意的问题，并给出了具体建议。然后用拉丁方格 法进行实验设计，以校核指标为因变量，校正参数为自变量建立线性回归模型， 9 中山大学硕士论文 第2 章国内外研究现状 根据回归模型结果确定校j 下参数组合。最后，根据仿真运行结果选择最优的参数 组合。该校j 下流程指出了在校正中需要注意的一些问题，并使用拉丁方格法减少 了搜索空间，对实际校j 下特别是精度要求不高时有一定的指导作用。但是该校正 流程在校正参数选择、仿真次数等方面都未给出具体的判别方法和标准，而且在 参数校正时通过线性回归模型选取参数组合而忽略了参数之间的相关性。 吴志明、孙剑等人分别使用遗传算法对v i s s i m 快速路模型和v i s s i m 交叉 口模型进行校正【2 2 ，2 3 ，2 4 1 。校正目标函数均设定为交通流量与实测数据的标准差。 校正结果显示使用遗传算法校正后仿真输出与实测数据的平均相对误差比校正 前有所提高，但是此校正结果没有进行验证，仅是证明了遗传算法用于模型校正 的可行性。 2 3 综述小结 综上所述，各国学者对微观交通仿真模型校正进行了深入、细致的研究，并 发表了大量的研究成果。分析现有的研究成果，可以发现现有研究的校j 下流程和 方法都有一定理论指导意义，而具体微观交通仿真器的校正过程对实际校正也有 很大的借鉴意义。但是，现有研究也存在一定的问题，主要有以下三个方面： 1 现有研究大都缺乏系统的对校正流程具体步骤的研究。 2 已有的校正流程、方法或对具体微观交通仿真系统的校正过程中的部分 步骤都过于依靠工程经验决定，主观性过强。特别是在校正参数组合选取和校正 方法中参数的设定方面。而其数值的大小都可能会对校正结果产生较大的偏差， 影响校正流程和方法的实用性。 3 我国尚未对p a r a m i c s 系统参数进行校正。 针对上述三个方面的问题，本文在已有模型参数校正理论框架和方法基础 上，建立了一个包含四个阶段的微观交通仿真系统校正流程。在此流程上，着重 改进了模型校正阶段中各个步骤的具体实现方法，引入2 k 析因试验设计和自适 应遗传算法进行校正参数组合选择和最优参数组合搜索，建立相应结合微观交通 仿真系统的操作流程。并提炼出具体微观交通仿真系统校正过程相关研究成果中 具有普遍适用意义的思想，完善了建模仿真阶段、初始评价阶段和系统仿真输出 阶段中具体步骤的实现方法。然后基于上述研究，利用面向对象的软件设计方法 l o 中山大学硕士论文 第2 章国内外研究现状 开发了微观交通仿真系统参数校正系统。最后，根据文中的校正流程，结合国内 的交通情况对鼢删i c s 系统进行参数校正，对本文所提出的校正流程以及使 用2 k 析因试验设计进行校正参数选择的方法进行了验证与评价。 中山大学硕十论文 第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 由第二章可以知道，已有的微观交通仿真系统校正研究主要存在三个问题。 本章着重解决缺乏系统的对校正流程具体步骤的研究以及现有的校正参数选取 方法和校正方法中参数设定主观性过强这两个问题。而将对p a r a m i c s 的校正 作为验证校正流程有效性的实例放在第5 章中介绍。 本章首先在已有的模型校正理论和方法基础上，建立了一个包括四个阶段， 共分为十一个步骤的模型参数校正流程。然后在此流程基础上，改进了模型校正 阶段中校正参数组合选取和最优参数组合搜索算法的具体实现方法。最后提炼出 具体微观交通仿真系统校正过程相关研究成果中具有普遍适用意义的思想，完善 了建模仿真阶段、初始评价阶段和系统仿真输出阶段中具体步骤的实现方法。 3 1 参数校正流程概述 本文在已有的参数校正理论框架基础上，提出了一个系统的，具有较好实用 性的微观交通仿真模型校正流程，该流程包括四个阶段，共分为十一个步骤，如 图3 1 所示。 1 2 了仿真缝模 奉上l；ll初始评价牟lil1模型校正了模掣输出m钋1一 一 中山大学硕士论文 第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 图3 1 微观交通仿真系统参数校正流程 3 1 1 仿真建模阶段 本阶段的主要任务是完成校正前的数据采集和路网建模工作，包括校核指标 选择、数据收集与筛选以及路网建模。 ( 1 ) 校核指标选择 模型参数校正的第一步就是校核指标的选取。校核指标分为两类：一类是以 集计数据为基础的校核指标，例如：交通流量、路段平均速度、路段平均旅行时 间等；另一类是以非集计数据为基础的校核指标，如换道时距等。现实中，非集 计数据往往受实地测量和微观交通仿真系统能够输出的性能指标的限制，所以一 般选取以集计数据为基础的校核指标。 ( 2 ) 数据收集与筛选 所需收集的数据可以分为两类：一类是用于仿真建模的基础输入数据，包括 道路条件、车辆属性、交通量、交通控制方式；另一类是用于校正仿真模型的校 核指标真实数据。交通运行状态的随机特性使得实地测量数据会有一定程度的波 动，所以实地数据采集时最好能够收集多天数据，筛选出具有代表性的数据用于 参数校正。 ( 3 ) 路网建模 根据实测数据，在微观交通仿真模型系统中对路网进行建模。当路网完成后， 需要将其与实际路网状况进行对比，检查仿真路网模型中的结构错误，因为在仿 真中这些错误通常会导致不正常的车辆行为。 3 1 2 初始评价阶段 本阶段的主要任务是在模型参数均为缺省值的情况下，通过实测数据进行仿 真，评价微观交通仿真系统在模型参数均为缺省值的情况下是否可以满足目标阈 值的要求。即首先计算所需仿真的次数；然后根据校核指标建立目标函数，并确 定目标阈值；最后评价微观交通仿真模型在参数均为缺省值的情况下是否满足要 求。 ( 1 ) 仿真次数确定 中山人学硕? 卜论文 第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 微观交通仿真系统运用随机过程描述交通流特性，在每次仿真时，仿真输出 结果都会有所不同，其中每个输出结果作为一个样本。因此，为了确保校核指标 的仿真输出结果的可信性，必须进行多次仿真。一般可以通过仿真经验或是数理 统计的方法确定所需仿真的次数。 ( 2 ) 目标函数建立 根据所选取的校核指标建立校正所需的目标函数。当有多个校核指标时，由 于各个指标的量级和单位可能会有所不同，在建立目标函数后，要注意检查其是 否能够较为准确地反映校正前后所有校核指标的变化。 ( 3 ) 目标阈值选定 模型参数校正目标是通过调整待校正参数组合，使得校正目标函数值达到一 定的要求，这个临界值就称为目标阈值。由于我国对于目标阈值的选定还没有统 一的标准，故在实际应用中，需要根据不同的校正精度要求具体设定阈值。 ( 4 ) 缺省值初始仿真评价 根据所确定的仿真次数和目标阈值，在模型参数均为缺省值的情况下，通过 多次仿真输出校核指标值，并计算目标函数值。当得到的目标函数值小于目标阈 值时，则认为该微观交通仿真模型已经能够较为真实反映当地的交通运行状态； 否则需要对微观交通仿真模型进行校正。 3 1 3 模型校正阶段 本阶段的主要任务是对微观交通仿真模型进行校正，是校正过程中最为核心 的阶段，包括待校正参数组合的确定和最优参数组合搜索。 ( 1 ) 待校正参数组合确定 在模型参数均为缺省值的情况下，通过实测数据进行仿真，确定所有对仿真 结果产生影响的模型参数。由于部分模型参数对仿真结果影响较小，出于校正效 率的考虑，一般不对其进行校正。而选择能够影响整个仿真路网车辆行为，且对 仿真结果有较大影响的行为模型参数作为待校正参数，同时确定这些参数的取值 范围。 ( 2 ) 最优参数组合搜索 根据所确定的仿真次数和待校正参数，对取值范围内的每一组参数组合进行 1 4 中山大学硕士论文第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 仿真，将校核指标仿真输出数据代入目标函数进行计算，使其值最小的参数组合 就是最优校正参数组合。因此，一旦目标函数建立后，校正过程实质上就转化为 求解目标函数最小值的过程。由于微观交通仿真系统是由一系列相互关联的子模 型构成的，很难用一个数学函数去描述所有的校正参数，所以传统的使用微积分 求解目标函数最小值的方法并不适用，通常使用某种搜索算法来求解目标函数的 最小值。 3 1 4 模型输出评价阶段 在本阶段，通过对校正后参数组合评价，判断是否符合验证目标要求。如果 符合要求，则整个校正过程结束。否则，需要对局部参数进行调整后，重新进行 参数校正并评价，直到符合评价标准为止。 ( 1 ) 已校正参数评价 当根据上述流程求得最优校正参数组合后，判断其是否符合验证要求。如果 符合要求，则认为校正后的仿真系统已经能够较为真实反映当地的交通运行状 态；否则需要对局部参数进行调整。 ( 2 ) 局部参数调整 局部参数是指只能对仿真路网上某路段车辆行为产生影响的参数，如路段车 头时距等。参数调整时，需要根据实际路网状况进行调整，且调整幅度不能太大， 因为局部参数不是基于驾驶行为的，它们的改变将会一直影响以后的仿真结果。 当对局部参数进行调整后，重复模型校正阶段，直到得到符合评价标准的结果。 3 2 模型校正阶段关键技术实现方法 3 2 1 待校正参数组合确定 在以往校正参数组合确定的过程中，一般都是按照工程经验或通过对模型进 行定性分析的方法进行选取。但是，微观交通仿真模型系统中各个模型之间有一 定关联，且不同地区甚至同一地区不同仿真时刻对仿真结果产生影响的参数也可 能不尽相同【2 5 1 。而且凭借经验或模型定型分析的方法对于不太熟悉微观交通仿 真模型或工程经验不足的校正者来说是相当困难的。因此，本文建议引入试验设 中山大学硕七论文 第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 计方法进行敏感性分析，从而确定待校正参数组合。一方面是因为试验设计的方 法在黑箱操作情况下，能够针对不同情况，以最少的试验次数对给定的参数进行 敏感性分析；另外，试验设计中的方法是基于统计学且都有固定的流程和方法， 可以基本解决参数选取中主观性太强的问题。 3 2 1 1 试验设计基本原理 试验设计是利用数学原理科学地安排实验的过程。进行试验设计的目的在于 能够快速、准确的找到实验结果，且保证实验得到的结论更加可靠、合理。 在试验设计过程中，主要涉及以下基本概念【2 6 】： ( 1 ) 因素 因素是指对试验结果有影响的条件，因素根据能够认为控制可分为可控因素 与不可控因素。在校正模型中，是指待校正参数。 ( 2 ) 因素的水平 因素的水平是指因素所处的状态。在校j 下模型中，是指待校正参数的取值。 ( 3 ) 响应 响应是指衡量试验结果好坏的特性值。在校j 下模型中，是指校正目标函数值。 ( 4 ) 效应 因素的效应是指当这一因素的水平改变时所产生响应的变化。 试验设计的方法有多种，早期的有各种区组设计、拉丁方设计、尤登方设计 等，这些设计方法现在已很少使用，其中大多已被近代设计方案所替代，少数已 成为纯数学的研究对象。当今在生产和科学研究中应用最多的是析因试验设计、 回归设计、参数设计等。特别是析因试验设计中的2 k 析因试验设计，它不仅能 够分析出因子间的交互作用，从而可窥探出某因子的效应在不同条件下的反应； 而且其每个因素只有两个水平，较大程度减少了试验次数，特别适用于筛选试验 【2 7 1 。因此，本文选用试验设计中的2 k 析因试验设计进行敏感性分析，从而确定 需要校正的模型参数组合。 3 2 1 22 。析因试验设计基本理论 2 k 析因试验设计是指在试验设计中同时考虑多个因素对响应变量的影响。在 1 6 中山大学硕士论文 第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 进行试验设计时，首先将所考虑的因素分成二个水平，然后将这些水平在各因素 间进行组合，每种组合构成一次对响应变量的试验，最后对各种组合及相应的响 应变量的观测值进行数理统计分析，辨析出对响应变量影响大的因素或因素间的 相互作用。 2 k 析因试验设计中，如果仅考虑某一因素而不考虑其它变化，那么这种情况 下得到的该因素效应，称为该因素的主效应。在实验中，一个实验因素与其它实 验因素可能有相互促进或相互抑制等相互影响关系，这种除主效应外因素间相互 影响的大小叫做交互效应。两个因子之间的交互效应称为二因子交互效应，三因 子之间的交互效应称为三因子交互效应【2 8 】。 因子之间是否有交互作用是通过交互作用图来反应，交互作用示例图如图 3 2 所示。在交互图中当横坐标的一个实验因子从低水平过度到高水平时，该因 素对指标的影响度随着另外一个因数在它的实验范围内有较大改变，那么这两个 因子之间存在交互作用。即图中两直线不平行，则这两个因子之间存在交互作用， 两直线不平行度越大则说明交互作用越明显。 6 0 5 0 4 0 鲁3 0 雷 2 0 1 0 0 低水平 因素水平 高水平 图3 2 交互作用不例图 2 k 析因试验设计分为2 k 全因子试验设计和2 k 部分因子试验设计，它们之间 的主要区别在于是否需要考虑某些高阶的交互作用。在同等条件下，2 k 全因子试 验设计所需的试验次数远大于2 k 部分因子试验设计。 2 k 全因子试验设计是把各个因子二个水平的全部组合构成试验处理，其统计 模型包括k 个主效应，f 盂1 个i 因素交互作用，以及一个k 因素交互作用。也就 1 7 中山大学硕+ i ：论文第3 章微观交通仿真系统参数校正流程 是说，对于2 k 全因子试验设计来说，完整的模型含有2 k 1 个效应。当2 。全因 子试验设计的因素个数增加时，设计的一次完全重复所需做的试验数迅速增大， 以至超出大多数实验者所拥有的资源。例如，一个2 水平6 因素的26 试验，一 个完全重复就需要6 4 个试验单元。 2 k 部分因子试验设计，也叫做2 k p 析因设计，它合理地假定某些高阶交互作 用可被忽略，只考虑了实验因素的主效应和低阶交互作用的信息，当实验因素很 多，就可以有效地运用筛选程序，选择代表性强的因素。 在2 k 部分因子试验设计，设计分辨度等于定义关系中任一词的字母个数的 最小数。分辨度越高，对假定条件的限定就越少，那些假定条件是为了求得对数 据的唯一解释而去考虑哪些交互作用可以被忽略。 由上述论述可以知道，2 。全因子试验设计仅适用于k 值较小的时候：对于k 值较大