（交通运输规划与管理专业论文）基于GIS的城市快速路交通仿真系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 城市快速路从其诞生伊始就在城市交通中承担起着重要的作用，而随着目前城市交 通拥堵程度的日益严重，对于城市快速路的研究成为目前研究的主要问题之一。然而城 市快速路作为一个系统，影响因素比较复杂，特别是各个分流区、合流区、交织区之间 存在着相互的影响，采用传统的解析法和经验观测法处理起来比较困难。 随着计算机科技的发展，交通系统计算机仿真技术越来越成熟，逐渐成为分析交通 问题的一个重要的手段。利用计算机仿真的方法，则能够有效的分析这种存在多因素影 响的复杂系统。然而用传统的仿真系统仍然存在一些问题，其中之一是对于道路、交通 环境信息的管理能力不足。例如，传统的仿真系统往往用文件的方式来管理数据，不同 系统的文件都有一套独特的数据结构，从而造成了数据共享的困难；同时，仿真环境的 建立依赖于人机界面的输入，工作量繁多，且容易出错。 而地理信息系统作为一个新兴的，迅速发展的技术，具备很强的信息管理麓力和信 息可视化能力。本文尝试着对二者的结合进行技术上的探索，以便于加强交通仿真工具 的信息管理能力，充分利用地理信息系统中丰富的数据资源，从而提高交通仿真技术的 应用效率。 在详细地研究了交通仿真与地理信息系统的结构、原理与方法的基础上，本文提出 了二者进行结合的结合点与具体的结合机制。首先，本文设计了一种面向交通仿真应用 的地理信息系统数据库，并在此基础上提出了用地理信息系统的空间分析功能代替传统 仿真系统的数据输入方式；然后，本文提出了采用c o m 接口的方式实现交通仿真系统 与地理信息系统在计算机机制上的结合；最后，本文实现了在电子地图上进行动态仿真 演示。 最后，本文采用仿真方法，通过具体的案例来对城市快速路进行分析，展示交通仿 真技术在城市快速路研究中的应用价值。 关键词：城市快速路，交通仿真，地理信息系统，信息管理，c o m 北京i 一业大学上学坝l 学位论文 a b s t r a c t u r b a ne x p r e s s w a yf r o mi t sb i r t hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nu r b a nt r a f f i ci nb e i j i n g ，i t e v e na s s u m e sh a l fo ft h et r a m cv o l u m e si nt h eu r b a l la r e a n o w a d a y s t h ei n t e n s i f y i n g 1 a m s1 nu r b a ne x p r e s s w a y0 fb e i j i n gh a v em a d ei to n eo fh o ts u b j e c t st ob es t u d i e d u r b a ne x p r e s s w a y s ，h o w e v e r , i sac o m p l e x ，m u l t i f a c t o ri n c l u d e ds y s t e m 、w h i c h c o n f r o n t st h et r a d i t i o n a lr e s e a r c hm e t h o d sw i t hp l i g h t n om a t t e rm a t h e r n a t i c a l a n a l y s i so re m p i r i c a lo b s e r v a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t r a f f i cs i m u l a t i o n 、w h i c h p o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d st o g e t h e rw i t ht h ec a p a b i l i t yt o d e a lw i t hc o m p l e xs y s t e m s c a nb eas u b s t i t u t et or e s e a r c ho nu r b a ne x p r e s s w a v h o w e v e r , t h e r ea r ed e f e c t si nt h em e c h a n i s m so ft r a d i t i o n a lt r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e m s l nm a n a g i n gt r a f f i ca n dr o a di n f o r m a t i o n s u c ha sh e a v yt a s ko fi n p u t t i n gd a t a d a t a r e d u n d a n c ya n de x c l u s i o no fd a t a a n o t h e rr i s i n gt e c h n o l o g y - - g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，w i t hs t r o n g a b i i i t i e sl ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n a r es u p p o s e dt o a s s i s tt r a m cs i m u l a t i o n t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ep r o b a b l l i t yt oi n t e w a t et h e t w os y s t e m si no r d e rt os t r e n g t h e nt h ec a p a b i l i t yo ft h et r a m cs i m u l a t i o n t oa c c e s s s i m u l a t i o nw i t ht h es o u r c eo fi n f o m a m i o nj nt h ed a t a b a s eo fg 1 s ，a n dt h u si m p r o v e e f f i c i e n c yo fa p p l y i n gt h et o o l i nt h ee x p r e s s w a yr e s e a r c h b a s e do nt h o r o u g hs t u d i e so nt h et w ob r a n c h e so ft e c h n o l o g y , t h et h e s i sd e s i g n sa d a t as t r u c t u r eo fg i sa i m e df o rs i m u l a t i o np u r p o s e ，d i s c u s s e st h em e c h a n i s m so f i n t e g r a t i n gt h et w os y s t e m s ，a n da c t u a l l yr e a l i z e st h e mo nc o m p u t e r f i n a l l y , t h et h e s i su s e ss e v e r a lc a s e si nb e o i n g su r b a ne x p r e s s w a yt od e m o n s t r a t et h e f e a s i b i l i t yo fr e s e a r c h i n gu r b a ne x p r e s s w a yw i t hs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：u r b a ne x p r e s s w a y , t r a f f i cs i m u l a t i o n ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i ns y s t e m + i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，c o m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 堡垒盟日划 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业火学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校口，以公布论文的全部或部分内容，uj 以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的沦文在解密后应遵守此规定) 签名：三墨型生 导师签名： 1 1 问题的提出 第1 章绪论 城市交通作为维持城市社会经济活动的基础，发挥的作用越来越大。城市快速环 路作为城市中重要客运和货运的较高等级的城市快速干道，也随之发展起来，并得到广 泛的应用。据1 9 9 6 年统计，北京市已建成的二环、三环快速路，虽然其长度仅占市区 路网的4 3 ，却承担了市区路网交通负荷的4 6 8 。据1 9 9 6 年统计，上海市的内环路 所负担的交通流量，已占全市交通量的1 6 。城市快速路安全高效的运作依赖于合理的 设计、规划和管理，因此这方面的研究是交通工程领域研究的一个重要内容。 传统的研究方法有经验实测方法、理论分析方法。经验实测法的基本数据都来源 于实际现场，有很大的可信度，不需要什么假设条件。但是其弱点是数据采集量大，只 能对已有道路构型进行研究，并且对于个别因素的影响情况很难确定。而理论分析方法 则需要采取一些基本假设，尽管这种假设会受研究水平的限制，可能不正确，与实际会 有偏差，但它对个别因素的影响有明确的数量关系表示。这两种方法对于具体环境的局 部问题可以较好的解决，但对于城市快速路整个系统，各种道路和交通条件组合情况的 研究，难以很好的胜任。随着电子计算机技术的成熟与发展，交通仿真容以上两种方法 的优点，正成为广泛使用的研究手段。计算机模拟模型是从现场实测的一些基本数据中 理论推导和抽象出来的，可以产生大量的与实测数据相似的仿真数据。而且可以通过虚 拟手段建立、研究各种道路构型，对复杂系统的整体研究更加有优势。特别地，针对 2 0 0 8 年北京举办的奥运会，有必要在深入研究快速路系统交通特性的基础上，建立快 速路微观交通仿真系统，为比选快速路控制方案、制定合理的紧急事件处理预案提供有 效的分析手段。 9 0 年代以后，地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 技术进 入我国，难渗透到人们生活的方方面面。g i s 技术将空间信息的处理与属性信息管理完 美结合起来，具有强大的图形表现能力和信息管理能力，使人们不仅知道存在什么样的 信息，而且还知道发生在什么地方，并能分析其在空间与时间上的变化，提供决策信息。 这为交通这种与地理位置密切相关，且信息量巨大的复杂系统提供了一个良好的开发平 台。交通地理信息系统( g 1 s t ) 在世界很多国家的交通部门得到了迅速的发展，截止 到1 9 8 9 年，世界上有5 7 的国家在使用g i s f ”。对于交通仿真而言，应用g i s 技术有 如下优势： 1 信息管理： 传统的交通仿真系统往往着眼于具体的问题建立相应的仿真道路环境和仿真交通 环境。对于道路和交通信息是通过文件的方式管理的。这些文件彼此之闯相互独立，不 利于数据的共享，进行仿真试验时，常常需要重新建立道路交通环境，数据输入的工作 北京工业人学工学硕士学位论文 量很大。在对较大的区域，如一个城市，进行交通仿真研究时，这种信息管理方式显得 很不方便。而g i s 可以对道路环境的空问数据和属性信息实现数据库管理，从而解决数 据的重复输入与数据冗余问题，这无疑为交通仿真系统提供了很大的便利。 2 对道路设施模型的模拟： 在交通系统仿真的诸多模型中，道路设施模型是最重要的静态模型，即在一次仿 真运行开始后，对象参数不再发生变化。道路设施模型主要用来描述道路的几何特征、 车道划分、隔离带以及路肩的宽度、路面类型、固定交通标志的位置等。对于交通仿真 而言，它不仅仅是简单的几何图形的记录和表现，更重要的还应起剑交通仿真载体的作 用【2 】。道路环境模型对于实际道路环境描述的精确程度直接影响到仿真交通流对实际交 通流描述的精确程度。然而，传统的交通仿真系统的信息管理方式对于道路的几何属性 以及其他属性进行细致的表达上能力不足。在实际构建仿真环境时，往往需要根据设计 图纸进行反复核对。 g i s 能够对道路环境的几何特性提供更为细致的表达，从而使仿真模型的道路环境 更加精确；其次，其强大的图形操作功能，加之道路设施模型本身对于车辆模型的独立 性，可以使得道路环境的建立更加方便、直观和灵活，为重复仿真和对比仿真提供很大 的灵活性 2 1 ；第三，g i s 的空间数据管理功能能够有效的减少用户的数据输入量，数据 的维护更加容易。 3 对道路周边环境的模拟： 传统的交通仿真模型将道路从现实的城市中抽象出来，只关注于道路系统中的交 通流状况。g 1 s 不但能够提供道路、交通信息，还能提供其它多方面的信息，可以为更 为广泛的分析提供支持，如交通需求与周边土地的用地性质之间的关系。这一方面丰富 了交通仿真的动态演示，使得演示画面更加逼真：同时能够把仿真同其他交通分析更好 的结合。 于是在这样一个背景下，本文从系统开发的角度上的探索，试图将两种技术进行 结合，构建起一个基于g i s 的城市快速路交通仿真系统，从而为对城市快速路的研究做 出贡献。 1 2 课题来源 本课题来自北京市科学技术委员会设立的“北京市科技新星计划基于g i s 的 城市快速路微观仿真决策系统”课题。该课题主要包含四个方面的内容： 1 研究g i s 中仿真路网的表达方法以及仿真结果在g 1 s 中的表现方法。实现计算 机仿真技术和g i s 技术的有机结合，这样，不仅简化了交通仿真的输入、输出方式，增 强了交通仿真的空间网络分析能力；同时也可为g i s 技术提供了更广阔的应用空间，特 别是为将来“数字化北京”的应用提供了技术储备。 2 城市快速路交通流特性研究。快速路系统既有别于城市主干道，又有别于高速 2 第1 荦绪论 公路，利用先进的高精度动态g p s 采集设备进行数据采集，研究城市快速路的交通流 微观特性，包括交通仿真所必需的车辆跟驰、换车道行为以及分流、合流和交织行为规 律；特别是详细研究城市快速路系统中具有独特性质，并对交通流特性存在显著影响的 强制性换车道行为和紧急情况下的车辆行为个案。 3 建立快速路系统运营状况的评价指标体系与评价方法。利用详尽的交通流仿真 参数，建立适合于交通仿真的快速路运营状况评价指标体系与评价方法，从而建立用于 比选快速路控制方案和制定紧急事件处理预案的辅助决策系统。 4 提交奥林匹克交通环紧急处理预案。利用仿真系统，针对奥林匹克交通环的道 路、交通状况，为2 0 0 8 年奥运会提交紧急处理预案实施方案。 本文主要负责研究该课题中第一部分的内容。并通过实例来论证交通仿真方法在城 市快速路研究中的应用价值，为城市快速路的治理以及2 0 0 8 年奥运会做出贡献。 1 3 研究内容 本文的目的在于实现计算机仿真技术和g i s 技术的有机结合，重点在于开发出一 套能够应用于城市快速路系统研究与决策的系统，具体说来包含以下几个方面： 1 实现g i s 的基本功能：主要包括g i s 地图的缩放、图层管理、信息查询与显示 等功能： 2 实现对交通仿真所需的道路环境信息和交通环境信息g i s 化管理： 1 ) 数据的分图层管理并构建仿真电子图层； 2 ) 设计适用于适合于g i s 管理的交通仿真的数据模型； 3 ) 构建仿真信息数据库： 4 ) 实现在电子地图上对交通仿真仿真环境的信息提取与对仿真环境的构建： 3 实现城市快速路段交通仿真程序接口： 4 构建城市快速路交通仿真引擎： 5 实现以g i s 为背景的动态仿真演示： 6 利用该系统对城市快速路系统进行一些基础性研究。 1 4 研究意义 通过本课题的研究，不仅可以简化交通仿真的输入、输出方式，增强交通仿真的 空间网络分析能力：同时也可为g i s 技术提供了更广阔的应用空间，特别是为将来“数 字化北京”的应用提供了技术储备。总的来说，本课题的研究可以为以下研究提供基本 研究手段： 1 有助于评价城市快速路的通行能力； 评价通行钷力通常要对不同交通条件下观测的交通流量进行统计分析。但要获得、 北京工：业大学工学硕上学位论文 分析不同交通条件与几何构型相组合的多种情况下的观测数据需要大量的人力、物力和 财力的支持。尽管美国在此方面作了广泛的研究，只能给出特定条件下的通行能力。通 过对快速路上车辆行驶数据的采集，开发仿真模型，对通行能力有影响的因素如道路线 形、交织区车辆交织等进行模拟，可以获得城市快速路在各种交通条件、不同几何构型 下的通行能力值。 2 对设计方案进行评价 交通设施投资昂贵，所以方案评价是设计阶段的重要工作。对于几何特征截然不 同的设计方案，仿真可以预先在计算机上将要设计的道路构型、交通流等以图形、动画 的方式生动的预现，并可以通过仿真数据的分析对设计方案进行评价。由于仿真系统具 有开放性，使得各种道路和交通条件都可以得到很好地描述，远比其它的分析方法具有 更好的普遍实用性。 3 安全性分析 通过仿真技术可以研究不同路况下的交通流运行情况，也可以对个体行为进行研 究。通过对仿真数据的分析，可以得到具有安全隐患的路段和造成危险的原因。是交通 安全分析有力的工具，同时对制定有效的交通管理措施及策略也很重要。 4 ，构建成用于交通仿真的交通地理信息系统( g i s 。t ) 模型 基于g i s 的城市快速路微观仿真模型，为道路和交通信息管理、交通管理和决策 提供可视化的操作环境和强大的管理分析工具。同时，随着“数字北京”工程的实簏， 北京市各方面的信息都将集成到统一的g i s 平台上，其中与交通有关的就是包括交通规 划、交通管理、道路参数等。而通过基于g i s 的城市快速路微观仿真模型的研究，能够 为道路参数的g i s 化提供有益的思路。 4 第2 章研究背景综述 第2 章研究背景综述 不论是交通仿真系统还是地理信息系统，都已经经历了几十年的发展历程，彼此 自成体系。由于本文是对g i s 和交通仿真的结合进行一种技术上的探讨，这不仅仅需要 对二者性能和应用价值上的探讨，更需要从二者的内部构造和基本原理上进行分析。因 此，在这一章中，本文力图尽量详细的介绍一下交通仿真和g i s 的基本概念、原理、内 部结构和发展方向上进行较为详尽的介绍。 2 1 交通仿真系统研究现状概述 2 1 1 国外交通仿真系统研究现状 当前国外交通仿真模型按主要仿真对象来划分如下： 1 城市路网 城市路网仿真模型可分为微观和宏观两大类，其中微观模型包括n e t s i m 、 t r a n s y t ，宏观模型包括n e t f l o 、c o n t r a m 、s a t u r n 。 n e t s i m ( n e l ：w o r ks i m u l a t i o n ) 3 l 最初被称为u t c s 一1 ，开发时间是1 9 7 1 年。在 8 0 年代早期，n e t s i m 被集成在t r a f 中( t r a f n e t s i m ) 。这个模型可以仿真城市 路网环境中的大部分情况。由于它提供了精确性和细致程度很高的模拟，所以是现在被 用的最广泛的模型。 t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) 1 4 i 它是由英国交通道路研究实验室开 发的确定性、单时间周期仿真和优化模型，已经有九个版本。t r a n s y t - 7 f ( fs t a n d sf o r f l o r i d a ) 是佛罗里达大学开发的。为了在美国应用，在t r a n s y t - 7 f 里输入和输出数据 都作了相应修改，成为在美国应用最广泛的版本。根据最优化原则，该模型寻找一组固 定信号时间周期以使车辆延误最小。它通过调整相邻信号配时使车流形成连续流束实现 车辆延误最小。t r a n s y t - 7 f 由交通模型和优化过程两部分组成，前者用组特定的 信号时间选择来计算路网性能指标，后者调整这个时间并且检查这种调整是否能增加性 能指标。t r a n s y t 不能描述单个车辆，所有的计算都是基于平均车流率及车队的。 n e t f l o ( n e 晰o r kt r a f f i cf l o ws i m u l a t i o nm o d e l ) f 5 能够在两种级别上模拟交 通流。n e t f l oi ( 级别1 ) 是一个随机的，基于事件的模型。它根据事件的发生来推 进每一个车，在一次推进中，车辆会尽可能的往下游移动。虽然n e t f l o i 把路网中的 每一辆车都当作一个独立的实体，但是跟驰和换车道行为并不能明确的模拟出来。因此 n e l 下l oi 不如n e t s i m 对车辆模拟的细致。n e t f l oi i ( 级别2 ) 是确定性的，基于 时间间隔的模型。它实质上是t r a n s y t 的修改，但没有优化功能。在n e t f l oi i 中 交通流以特殊的运动统计柱状图表达。目前，n e t f l o 已经和f r e e f l o 组合成为 c o r f l o 仿真系统。 北京t 业大学i 学硕士学位论文 c o n t r a m ( c o n t i n u o u st m 伍ca s s i g n m e n tm o d e l ) t 6 l 一有英国交通研究实验室开 发。它是一个交通分配和交通评价集成包，可以模拟城市路网交通流。这个模型把一队 车作为单一实体，因此队列中的车辆沿统一路线行驶，在同一时刻到达。c o n t r a m 通过反复把每个车队从路网中移出，重新安排在新的最短路上实现交通分配平衡。最新 的第8 版可以在s a t u r n 之间进行路网和出行矩阵的转换。 s a t u r n ( s i m u l a t i o na n da s s i g n m e n to ft r a f f i ci nu r b a nr o a dn e t w o k s ) t 7 l 是一 个两阶段组合的交通分配模型，由英国利兹大学交通研究学院从2 0 世纪7 0 年代后期开 发的。它包括交叉口延误仿真阶段和出行路线安排阶段，完整的模拟过程就是基于这两 个阶段反复循环之上的。 2 高速公路与快速路 高速公路仿真模型也可分为两大类，其中微观模型包括i n t r a s 、f r e s i m 、 c a r s i m 、w e a v s i m 、f r e e s l m ，宏观模型包括f r e q 、f r e f l o 、k r o n o s 、c o r q 。 i n t r a s ( i n t e g r a t e dt r a f f i cs i m u l a t i o n ) g l 一该模型是美国最为成功的微观交通仿 真模型。它以网络理论为基础，是统计的微观仿真模型。起先主要应用于城市快速路事 件研究及交通控制。它对特定车辆，以时间步进进行模拟，完整再现交通极其控制。本 模型自1 9 7 5 年由四个组织共同开发，主要部分由f h w a 负责。1 9 7 7 年，f h w a 提交 了模型的终期报告。至8 0 年代初该模型已成为能对城市道路和城市快速路进行微观仿 真和宏观分析的综合交通仿真系统。当今流行的综合微观交通仿真软件t s i s 中采用的 就是i n t r a s 的改迸模型。 f r e s l m 9 浚模型是按结构化设计技术对i n t r a s 模型的改进，已经集成在 t r a f 家族中。它可以仿真复杂的城市快速路几何构型，比如车道的增加减少、辅助车 道、变化坡度、曲线的超高和不同的半径。可以表现如换车道、匝道汇入等交通行为。 可以说是一个比较完善的城市快速路微观仿真模型。 c a r s i m ，w e a v s i m t l c a r s i m 和w e a v e s i m 都是基于i n t r a s 模型之 上的，但强凋特殊用途。i n t r a s 模型作为通用分析模型有一定的局限性，比如在跟驰 逻辑上，i n t r a s 不能很好的表现高速路上车辆停车再启动的过程，c a r s i m 则提供了 这些额外的模拟功能；同样i n t r a s 不能模拟交织区内细致的换车道行为，而 w e a v s i m 则专门用来研究交织区的动态交通流。 f r e e s i m ”l 一是随机性模型。用来模拟跟驰和换车道的一系列算法是建立在对 信号标志反应基础上的。 f r e r 美国加利福尼亚大学自1 9 6 8 年开始连续开发f r e q 模型。至今已开发 到了第十代。用来估算特定城市快速路上有限进口控制和一般进口控制。最先是用于城 市快速路改建评价的，以后每一代都有新的功能。f r e q 主要的弱点是路线选择策略过 于简单。 f r e f l 卜它用流体理论描述高速路上的交通流。f r e f l o 开始不能很好的模拟 6 第2 章研究背景综述 拥挤条件下的交通流，后来经过修改并集成在t r a f 中，在t r a f 中通过交通分配平衡 模型为f r e f l o 提供流量和路线信息。 k r o n o s 它用一些简单连续模型表现交通流。k r o n o s 能够模拟受干扰的交 通流，例如，换车道、合流、分流、交织、阻塞等车流，这些现象往往在其它城市快速 路宏观模型中不能表现。最新的版本可以用来评估城市快速路的设计和运营方案。 c o r q ( c o r r i d o rq u e u i n 曲开发时间1 9 6 7 1 9 6 9 ，是一个城市快速路仿真和交通 分配的宏观模型。主要用途是模拟不同时间的高峰需求，结合动态交通分配技术估算通 行能力等。在c o r q 里把交通流近似成流体，可以模拟自由流和拥挤情况，把行程时 间按照简单的阶梯函数来计算。 3 综合 随着仿真技术的发展，仿真模型也同益复杂，其综合化程度越来越高。从综合型 仿真模型的实现方式来看，可分为微观类、中观类和宏观类。其中微观模型包括 c o r s i m 、w a t s i m 、t r a f 、m i s s o n 、p a r a m i c s 、a i m s u n ，中观模型包括s c o t 、 i n t e g r a t i o n ，宏观模型包括c o r f l 0 。 c o r s i m 1 2 1 该模型实质上是由两个微观模型组成，n e t s i m 和f r e s i m 。该模 型不但可以模拟高速速路也可以模拟城市道路。t s i s 为c o r s i m 提供了集成的、便于 使用的、图形化的界面和环境。 w a t s i m ( w i d e a r e a t r a f f i cs i m u l a 6 0 n ) 该模型是在t r b l 9 9 6 年会上提出来的。 它是一个随机、综合网络仿真模型。通过把高速公路与匝道和城市道路组合扩展了 t r a f n e t s i m 的功能。w a t s i m 不但包括了t r a f n e t s i m 的功能，还加入了h o v 、 轻轨、收费广场、路径跟踪、匝道测定、实时和动态等的仿真功能。同时提供了与交通 分配模型的接口。 t r a f l9 8 2 年f h w a 开发了t r a f 交通仿真软件，对道路网、城市快速路等 各类交通设施进行微观仿真，它采用时间扫描法，模拟车辆运行位置、速度和运行状况。 m i s s o n 一一m i s s o n 模型是近年来兴起的心理一一生理模型的典型代表。自 m i c h a e l s 于1 9 6 3 年首次提出驾驶员心理生理跟车模型的概念后，德国k a r l s r u h e ( 卡 尔斯鲁厄) 的研究人员将心理生理模型进行了总结研究，首次系统的分析了驾驶员 驾驶过程中的驾驶策略的影响因素，并系统准确的标定量化了其阈值的大小。生理 t l , 理反应模型的最大优点在于：充分考虑了不同交通环境下，驾驶员的不同反应，从建 模方法上更接近实际情况，也最能描述大多数我们日常所见的司机驾驶行为。其缺点在 于对于各种闽值的调查测量是非常困难的。但由于其在交通仿真中较高的逼真度，这种 模型及其衍生出的各种模型已经开始广泛的应用与实践。 p a r a m i c s 是英国q u a d s t o n e 公司的产品。它在i t s 基础设施和拥挤的道路网 中有突出的表现。目前能仿真交通信号、匝道控制、与可变速度标志相连的探测器、 v m s 和c m d s 、车内信息显示装置、车内信息咨询、路径诱导等。平且用户可以通过 北京工业大学工学硕士学位论义 a p i 函数定义特殊的控制策略。 灿m s u n 是西班牙t s s 公司的产品。它能够用于不同的路网，如城市路网、 高速公路、一般公路、交通干线或者混合情况等。 s c o t ( s i m u l a t i o no fc o r r i d o rt r a f f i c 卜一开发时间1 9 6 0 ，该模型由两个子模型 u t c s 一1 和d a f t 组成。u t c s 1 是n e t s i m 的前身，d a f t 是仿真城市快速路，匝道 和干道的中观模型。在d a f t 中车辆被组合成队列，所以被划分为中观模型。s c o t 主 要用途是模拟城市快速路，匝道和干道网络。但模型结构不完善，运行效果较差。 i n t e g r a t i o n _ 一是一个集成城市快速路和普通道路的定向路线模型。即车辆行 程的起点、终点和出发时间都在模型外指定。该模型不同于许多微观模型，它只考虑速 度一流量关系而具体的换车道和跟驰模型是不被明确考虑的。 c 0 r f l 卜是n e t f l oi ，n e t f l oi i 与f r e f l o 组合模型。f r e f l o 子模型用 来仿真城市快速路子网络，n e t f l o 仿真普通道路。 2 1 2 国内交通仿真系统研究现状 我国交通仿真方面的研究起步稍晚，但也取得了许多成果。东南大学的景万象利 用微观仿真进行了城市交通网络研究。西南交通大学的王太平进行了初步的交通系统仿 真及在交通控制中的应用。华南理工大学的尹宏宾、钟慕良利用交通仿真分析了信号交 叉口的通行能力和服务水平。上海交通大学的刘天兵，朝慧君建立了宏观交通流分配仿 真模型，实现了路网中的流量分配。北京理工大学的刘鹏开发了城市交通诱导仿真系统。 天津大学的冯蔚东利用仿真进行了交通流自组织管控研究，以交通流元细胞自动机模拟 和仿真结果说明交通流中自组织现象并进行了理论分析与数学描述。东南大学的陈洪利 用微观仿真进行了城市交通实时模糊控制研究，提出了单路口交通实时模糊控制方法。 西南交通大学的杜进有、罗霞利用仿真进行了城市快速路车头间隙分布规律及应用。同 济大学的吴兵利用微观仿真对城市快速路互通式立交的通行能力及延误进行了研究。中 国科学技术大学的冯卫东，岳丽华提出基于微粒跃动模型的交通仿真研究。同济大学的 段进宇开发了以城市快速路匝道控制为研究对象的微观交通仿真软件m i c r o s i m 。 m i c r o s i m 建立了车辆生成模型和基于驾驶员心理反应p i e v 模式的车辆行驶模型，评价 了影响道路入口匝道范围内交通流运行状况各因素的作用。北京工业大学的荣建及其研 究生杜晓辉联合开发了城市快速路仿真软件e s s ，建立了城市快速路基本路段的仿真模 型【l 引。讨论了城市快速路基本路段理想条件下的通行能力和大中型车的s v e 值。从交 通流统计分析模型、理论分析模型和仿真模型三个方面综合分析，得出了理想条件下， 我国现阶段城市快速路的通行能力值。 2 1 3 交通仿真系统研究现状小结 综合看来，由于国外的交通仿真研究已经经历了数十年的发展历程，并有相当多 的商业软件面世，远远领先于国内的交通仿真研究。但是从目前的应用效果上看，国外 第2 章研究背景综述 的仿真软件并不能很好的应用于中国的交通工程实践。本文认为这是由于交通仿真的特 殊性决定的。一方面交通仿真的仿真程度取决于其采用的交通流模型。不同的地域可能 有着不同的交通特性，从而也就可能需要采用不同的交通流模型。而出于商业上的目的， 各种商业仿真软件不公开其内部的模型让用户修改，所以国外的商业仿真软件有其自身 的适用范围。从另一方面上看，各国的道路设施往往也有其自身的特点，而各国的仿真 软件主要是根据其本国的道路设施构建的，因此国外的仿真软件往往不能很好的应用于 中国的情况。比如美国经典的软件t s i s ，就不能够模拟中国交叉口的左转待转区。 因此，就我国而言，还是应该根据中国具体的道路交通环境特征，发展具有自主 知识产权的交通仿真系统。而从国内的研究状况上看，研究普遍比较分散，多数集中在 一些交通量分配、控制策略等具体的问题上，还不能形成一个整体。相比较而言，北京 工业大学开发的城市快速路系统较为完备，代表了国内交通仿真研究的现状。 2 2 城市快速路微观仿真系统( e s s ) 上面的介绍是从功能于性能的角度来介绍交通仿真的发展情况，由于本文立足于开 发，下面比较具体的介绍一个交通仿真系统的内部构造，借以说明交通仿真系统的基本 构成与基本原理。北京工业大学开发的城市快速路微观仿真系统( e x p r e s s w a ys i m u l a t i o n s y s t e m ，简称e s s ) 是针对丁二城市快速路的交通仿真系统。 2 2 1 功能介绍 城市快速路系统仿真根据基本路段、匝道、交织区上车辆的运行特征，采用或改进 已有的仿真模型建立整体仿真系统，为考察、分析车辆在整个系统巾的运行特点提供仿 真手段。该系统为用户提供可视化道路编辑环境，交通输入环境。系统根据用户的需要 进行仿真模拟运算，并提供道路沿线速度统计分析功能，动态演示功能，方便用户对数 据进行统计分析和直观检验。 2 2 2 整体框架与各个功能模块之间的关系 e s s 系统由6 部分组成，分别是：用户界面、道路模块、人车单元模块、知识库、 仿真模块和结果模块组成。他们之阻i 的相互关系如图2 1 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 1e s s 系统的总体结构”4 i f i g u r e 2 1t h ec o m p o n e n t so f e s s 其中，用户界面对于仿真本身而言意义不大，本文着重介绍后面的5 个模块。 2 2 3 各模块简介 1 道路模块 仿真环境中的道路模块是对现实道路的一种抽象。仿真模型通过对实际道路的抽象 将实际道路中能够影响交通流运行的因素提取出来，设定车辆运行的基本环境”】。从仿 真系统的角度而言，道路模型是仿真交通流的载体。这种载体的作用主要体现在两个方 面：一是通过图形的方式直观地显示交通流所处的道路环境；二是通过交通流特征参数 ( 如自由流速度) 影响交通流的运行状况，约束仿真交通流中各个仿真单体的行为。 e s s 系统的道路模型从9 个方面来描述一条城市快速路，分别是横断面、平曲线、 竖曲线、纵坡、紧急停车带、出入口匝道、车道关闭、限速标志和数据采集装置。其中 前6 个属性类型是构成城市快速路的主体部分。城市快速路中的交织区在e s s 系统中 是以出入口匝道的组合来描述的。 道路模块的结构图如2 2 所示： 1 0 第2 章研究背景综述 2 - 2e s s 系统道路模块图 f i g u r e 2 - 2r o a dm o d u e lo f e s s 其中，道路模块中的各个要素在仿真系统中是通过面向对象的方式加以实现的。 1 1 横断面( c c r o s s s e c t i o r t ) ： 表2 - 1 横断面数据结构 t a b l e 2 1d a t am e m b e r so f c r o s s s e c t i o n 参数类型描述 起始里程 双精度型 一个横断面实例的起始里程 终l 里程双精度型一个横断面实例的终止里程 车道宽度整型一个横断面实例的车道数目 路肩宽度双精度型一个横断面实例的路肩宽度 路缘宽度双精度型一个横断面实例的路缘宽度 标线类型字符型一个横断面实例的标线实例 路面铺装类型字符型一个横断面实例的路面铺装 2 ) 平曲线( c h c u r v e ) ： 表2 - 2 平曲线数据结构 t a b l e 2 2d a t am e m b e r so fh o r i z o n t a lc n r v e 参数类型描述 起始里程双精度型一个平曲线实例的起始里程 终止里程双精度型一个平曲线实例的终【：里程 平曲线、p 径双精度型 一个平曲线实例的半径 一个平曲线实例的转向，向左转为一1 ，向右转 平曲线转向整型 为1 北京工业大学工学硕士学位论文 3 ) 竖曲线( c v c u r v e ) 表2 - 3 竖曲线数据结构 t a b l e 2 - 3d a t am e m b e r so f v i r t i c a lc u r v e 概念类型 描述 起始里程双精度型一个竖曲线实例的起始里程 终止里程双精度型一个竖曲线实例的终j e 里程 竖曲线半径双精度型一个竖曲线实例的半径 竖曲线转向整型 一个竖曲线实例的转向，凸曲线1 ，凹曲线为 一1 4 ) 纵坡：( c s l o p e ) 表2 _ 4 纵坡数据结构 参数类型描述 起始里程双精度型一个纵坡实例的起始里程 终i e 里程双精度型一个纵坡实例的终止里程 纵坡值双精度型 一个纵坡实例坡度值，介于一l 和1 之间 5 ) 停车带( c p a r k i n g s t r i p ) ： 表2 - 5 停车带数据结构 概念类型描述 起始里程双精度型 一个停车带实例的起始里程 终止里程 双精度型一个停车带实例的终止里程 车道宽度双精度型 一个停车带实例的车道宽度 6 ) 出入口( c r a m p ) ： 表2 - 6 出入口数据结构 概念类型描述 类型 双精度型 出口或入口 样式 双精度型 平行式或汇入式 流量 整型 匝道流量 辅 分台流点里程双精度型分流点里程或者合流点里程 助 车 终点里程 双精度型辅助车道终点里程 道 宽度双精度型辅助车道宽度 匝长度双精度型匝道长度 道 宽度双精度型匝道的宽度 与主路夹角舣精度型匝道与主路的夹角( 取锐角) 上游影响区长度 双精度型交织区上游影响区起始点里程 f 游影响区长度瑕精度型交织区下游影响区终止点里程 7 ) 车道关闭( c c l o s e l a n e ) ： 1 2 第2 章研究背景综述 表2 7 车道关闭数据结构 t a b l e2 - 7d a t am e m b e r so fc i o s e dl a l l e 概念类型 描述 起始里程双精度型一个车道关闭实例的起始里程 终止里程 双精度型一个车道关闭实例的终止里程 车道宽度双精度型一个车道关闭实例的车道宽度 8 ) 限速标志( c s p e e d s i g n ) ： 表2 - 8 限速标志数据结构 概念类型描述 起始里程敬精度型一个限速标志实例的起始里程 终止里程双精度型 一个限速标志实例的终t 里程 限速值 整型 一个限建杯忑- 头例网牛垣苋股 9 ) 车辆检测器( c d a t a l o g ) 表2 - 9 车辆检测器 t a b l e 2 9d a t am e m b e r so fd e t a e t e r 在这9 个属性类型当中，后三个都同现实中的道路没有必然的联系。其中，车道关 闭与限速标志属于交通管理的范畴，而车辆检测器属于试验设旋。但是在e s s 中都划 归到道路模块中加以处理。 2 人车单元模块 人一车单元模块描述的是驾驶员和车辆等动态对象的总体特征。根据不同的驾驶员和 车辆的特征参数，按照知识库中由层次分析法计算的各特征参数对基本期望速度的影响 权重，按照基本期望速度划分人一车单元类型，计算各人一车单元的基本期望速度，最终 与道路环境共同形成仿真基本框架。人一车单元模块的结构如图2 3 所示。 北京t 业大学工学硕十学位论文 图2 3 人- 车单元模块示意图 f i g u r e 2 - 3d r i v e r - v e h i c l em o d u e lo f e s s 人一车单元模块的基本仿真对象包括驾驶员类型( c d r i v e r ) 和车辆类型( c v e h i e l e ) 。 1 ) 驾驶员模块： 表2 1 0 驾驶员数据结构 t a b l e 2 1 0d a t am e m b e r so f d r i v e r 概念类型描述 司机平均年龄整型 性别 双精度型 要或女 驾驶员倾向性双精度型冷静型、冲动型、普通型 2 ) 车辆模块： 表2 1 1 驾驶员数据