（载运工具运用工程专业论文）基于tsis的城市道路交通流仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要串 随着高速运算计算机的发展及交通仿真发展的需要，微观交通仿真已经 成了当今的研究热点，引起了各个国家的广泛重视，并且投入了大量的人力 物力和财力进行微观交通仿真研究。微观交通仿真是一项重现交通流时空变 化的交通分析技术。通过微观交通仿真，可以分析研究规划中的交通系统行 为，公正比选不同规划方案，预测道路交通系统在各种情况下的行为，处理 相互影响、相互作用的复杂排队过程。特别，对于交通系统中的某些危险情 况或灾难性后果，系统仿真是很有效的研究手段。对于新交通技术和设想的 测试以及人员培训等诸多应用领域，微观交通仿真都是经济、方便、高效的 实验分析工具。 本文的研究重点为：基于t s i s 中城市道路交通微观仿真软件( n e t s i m ) ， 建立车辆基本行驶模型( b d s i m 模型) ，开发b d s i m 仿真系统，应用t s i s 对 b d s i l i l 模型进行验证，同时对武汉市重要交叉口徐东路口的交通现状进 行仿真，对仿真结果进行分析评价，发现问题，提出改进方案。研究结果确 立了车辆基本行驶微观仿真模型的体系结构，该体系结构由车辆生成模型、 路网描述模型、交通管理与控制方案模型及车辆行驶模型( 跟车模型、换道 模型和事件反应模型) 构成，是基于n e t s i i 模型建立b d s i m 模型的框架。核 心模型根据时问扫描的特点，对车辆行驶在城市道路上的常见行为进行了描 述，通过思考、判断过程和反应时间，充分体现了司机的主观能动性，并采 用了两秒换道实现法，采用加速度作为换道的效率度量，能够更好地与实际 情况相吻合。本文在核心模型的基础上开发了车辆基本行驶微观仿真软件系 统一b d s i m ( b a s i cd r i v i n gs i m u l a t i o n ) ，应用该系统对理工大学一徐东平 价路段进行了仿真分析，并应用t s i s 验证了b d s i m 模型的准确性与合理性。 最后应用t s i s 对武汉市徐东路口进行了仿真详细地分析了仿真结果，对 存在的问题提出了相应的解决方案。 关键词：微观交通仿真，核心模型，效率度量，b d s i m 仿真系统，t s i s 仿 真系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t * 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 h er e q u i r e m e n to ft r a f f i c s i m u l a t i o n ，t r a f f i cm i c r o s i m u l a t i o nh a sb e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o t i ti s o n e k i n do ft r a f f i ca n a l y s i st e c h n i q u e st or e p r o d u c et h ed y n a m i cp r o c e s so ft r a f f i c f l o w i tc a nb eu s e dt or e s e a r c ht h et r a f f i cs y s t e mb e h a v i o rb e i n gp l a n n e d ，s e l e c t t h eb e s tp l a n n i n gp r o j e c t ，f o r e c a s tt h ea c t i o n so ft r a f f i cs y s t e mu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s i t sg o o da td e a l i n gw i t ht h ec o m p l e xq u e u ep r o c e s s ，w h i c ha f f e c t s a n dr e a c t se a c ho t h e r e s p e c i a l l y , t r a f f i cs i m u l a t i o nc a np r o v i d eaf l e x i b l ea n d e f f i c i e n tl a b o r a t o r ya n a l y s i st o o l ，w h i c hc a ns a t i s f yaw i d er a n g eo fr e q u i r e m e n t s s u c ha st h es t u d i e so fd a m a g e so r d a n g e r s o ft r a f f i c s y s t e m ，n e wt r a f f i c t e c h n o l o g i e sa n dc o n c e p t st e s t i n g ，p e r s o n n e lt r a i n i n ga n d e t c t h i sp a p e rf o c u s e so nm o d e l i n gc a rb a s i cd r i v i n gm o d e lb a s e do nt h et s i s ， d e v e l o p i n gc o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r es y s t e m ，t e s t i n g t h e v e r a c i t yo f b d s i mm o d e l ，s i m u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h es t a t u sq u oa n dt h ei m p r o v i n g p r o j e c t i o no fx u d o n gi n t e r s e c t i o nw i t ht s i s a m o d e la r c h i t e c t u r eb e i n gm a d e u po f v e h i c l eg e n e r a t i o nm o d e l ，n e t w o r km o d e l ，t r a f f i cm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l m o d e la n dc a rd r i v i n gm o d e l ( c a r f o l l o w i n g ，l a n e c h a n g i n ga n de v e n tr e a c t i o n m o d e l ) u n d e rt h ef r a m e w o r k o fm o d e la r c h i t e c t u r e ，t h ek e r n e lc a rb a s i cd r i v i n g m i c r o s i m u l a t i o nm o d e l sa r ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t i m e s l i c es c a ns i m u l a t i o n ，k e r n e lm o d e l sc a np r o v i d ef l e x i b l ed e s c r i p t i o no f v e h i c l e d r i v i n gb e h a v i o r s j u d g i n gp r o c e s s a n dr e a c t i o nt i m ei n c a r n a t et h e s u b j e c t i v er e a c t i o no f d r i v e r t w os e c o n d sl a n e c h a n g i n gc a ni n o s c u l a t ew i t ht h e r e a lc o n d i t i o n sp e r f e c t l y av e h i c l eb a s i cd r i v i n gm i c r o s i m u l a t i o n s o f t w a r e s y s t e m - - b d s i m ( b a s i cd r i v i n gs i m u l a t i o n ) i sd e v e l o p e d ，w h i c h i st e s t e db y t s i s ，c o m p l e t e t h es i m u l a t i o no f x u d o n g i n t e r s e c t i o no fw u h a nc i t yw i t ht s i s ， a n a l y z e t h es i m u l a t i o nr e s u l t d e t a i l e d l y a n d p u t f o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n g i m p r o v i n gp r o j e c t t ot h ee x i s t e dp r o b l e m k e y w o r d s ：t r a f f i cm i c r o s i m u l a t i o n ，k e r n e lm o d e l ，m e a s u r e so fe f f e c t i v e n e s s ， b d s i ms i m u l a t i o ns y s t e m ，t s i ss i m u l a t i o ns y s t e m i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 交通流仿真h m m l 1 。1 。1 交通流仿真的概念 交通仿真是采用计算机数字模型来反映复杂交通现象的交通分析方法， 属于计算机数字仿真范畴。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的进步和 发展，交通仿真技术得到长足发展，并在交通工程领域得到重要应用。图 1 1 给出了交通仿真及其三要素之间的关系。 图1 1 交通仿真三要素及其关系 交通仿真采用系统仿真技术来研究交通行为，它是门对交通运动随时 间和空间变化进行跟踪的技术。通过对交通系统的仿真研究，可以得到交通 流状态变量随时间与空间的变化、分布规律及其与交通控制变量间的关系。 因此，交通系统仿真在道路运输系统及其各组成部分的分析和评价中发挥着 重要的作用。 交通仿真模型的建立以及交通仿真试验系统的开发是交通仿真研究的 两个核心内容。交通仿真模型与其它交通分析技术，如需求分析、通行能力 分析、交通流模型、排队理论等结合在一起，可以用来对多种因素相互作用 的交通设施或交通系统进行分析和评估。这些交通设施或交通系统可以是单 个的信号灯控制或无信号控制的交叉口，也可以是居民区或城市中心区的密 集道路网、线控或面控的交通信号系统、某条高速公路或高速公路网、双车 道或多车道县( 乡) 公路系统等等。另外，交通系统仿真还可用来分析和评 价交通集散地，如停车场、中转站、机场等的规划设计及运行状况。 武汉理工大学硕士学位论文 根据模型描述程度的不同，交通仿真可分为微观交通仿真、中观交通仿 真及宏观交通仿真。 1 微观交通仿真 对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高，最能体现交通仿真技术 的优越性。例如，微观交通仿真模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单 元，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换等微观行为都能得到较真实的反 映。 2 中观交通仿真 对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。例如，中观交通仿真模 型对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为单元，能够描述队列在路段 和节点处的流入流出行为，对车辆跟驰、换道之类的行为也可以简单的方式 近似地进行描述。 3 宏观交通仿真 对交通系统的要素及行为细节的描述处于一个较低的程度。例如，交通 流可以通过流密速关系等一些集聚性的宏观模型来描述。对于车辆换道这类 细节行为几乎不予以描述。 1 1 2 交通流仿真的优缺点和局限性 1 优越性 1 ) 不需要真实系统的参与，因此具有经济方便的优点，特别适用于对 尚不存在的，如：规划中的交通系统行为的研究。 2 ) 通过系统仿真，能清楚地了解交通流中哪些变量是重要的，以及它 们是如何相互作用的。 3 ) 不仅能提供交通流参数的均值和方差，还能提供时间一空间的序列 值。 4 ) 系统动态模型的时间标尺可以与实际系统的时间标尺不同，因此即 可以进行实时仿真，又可进行欠时仿真或超时仿真。 5 ) 对于交通系统中的某些危险情况或灾难性后果，系统仿真是很有效 的研究手段，如：道路交通事故的仿真研究等。 6 ) 重复提供同样的道路交通条件，对不同的规划设计方案进行公正的 比选。 7 ) 不断改变系统运行条件，预测道路交通系统在各种情况下的行为。 8 ) 能够随时问和空间改变交通需求，预报道路交通拥堵状况。 2 武汉理工大学硕士学位论文 9 ) 能够处理相互影响、相互作用的复杂的排队过程。 1 0 ) 交通到达和离去方式不服从传统的数学分布时，可以用系统仿真来 解决。 1 1 ) 当其它的通用分析技术不适用时，系统仿真往往能有效地解决问题。 2 缺点和局限性 1 ) 仿真模型需要大量的输入数据，对于某些实际问题，这些数据很难 或根本无法获得。 2 ) 仿真模型需要验证、标定、进行有效性检验，如果忽略了这一点， 仿真结果将会失真。 3 ) 建立仿真模型不仅需要大量的知识，如交通流理论、计算机程序设 计、概率论、决策论、统计分析等等，而且需要对所研究的道路交通系统有 充分的了解。 4 ) 软件的使用者只懂得简单地套用数学模型，而对于模型的限制条件 和基本假设并不清楚，或将其视为“黑箱”，对其含义并不了解，这将极有 可能导致错误的结论。 交通系统仿真技术对于系统模型有着极强的依赖性，要建立系统模型， 就必然要对真实系统进行简化和抽象，这必然引起某种程度的“失真”。这 正是系统仿真技术本身固有的缺陷。 1 2 交通流仿真的国内外研究现状2 m 1 1 。2 。1 国外研究摄况 国外交通仿真研究始于6 0 年代，其中t r a n s y t 交通仿真软件是最具有 代表性的成果。t r a n s y t 模型是由英国的d l 罗伯逊于1 9 6 8 年提出，以后 又经历了8 次修改。它是一种宏观仿真模型，用以确定定时交通信号参数的 最优化值，当时其它较为典型的研究成果还包括t r a n s 、v t s 、s i g o p 等。这 一时期的交通仿真系统的主要特点是以优化城市道路的信号设计为应用目 的，模型多采用宏观模型，其灵活性和描述能力较为有限，仿真结果的表达 也不理想，这在某种程度上也是由当时的计算机性能所决定的。 7 0 年代以来至8 0 年代，由于计算机的迅速发展，交通仿真模型的精度 也迅速提高，功能也更加多样。这期间出现了以n e t s i m 、f r e s i m 、f l e x s y t - - 2 、a i m s u m 2 ( 早期版本) 等为代表的一批仿真软件。其中开发最为成功且 得到广泛应用的是美国联邦公路局提出的n e t s i m 模型。该模型是一个描述 3 武汉理工大学硕士学位论文 单个车辆运动的、时间扫描的网络微观交通仿真模型，其对城市道路的交通 现象的描述精度达到了一个新的高度。随着8 0 年代末和9 0 年代初，国外 i t s 研究的日益热门，老一代的仿真软件已无法适应i t s 的应用需要，因此 世界各国都展开了以i t s 为应用背景的交通仿真软件的研究，并达到了交通 仿真研究前所未有的高潮，出现了一大批的评价i t s 系统效益的仿真软件系 统，见表1 1 所列。 表1 1国外仿真软件发展情况 定量化评价和分析i t s 系统的效益，尤其是a t m s a t i s 系统中各 应用领域 种方案的效益评价。 美国；c o r s i m 、n i t s i m u 、p h a r o s 、s h i v a 、t r a n s i m s 、 t h o r a u ： 英国：d r a c u l a 、p a d s i m 、p _ a r a m i c s 、s i g s i m ； 典型代表 德国：a u t o p t a h n 、m i c r o s i m 、p l a n s i m t 、s i m n e t ： 法国：n e m i s 、s i m d a c 、s i t r a b + 、a n a t o l l ： 日本：m e l r o s e 、m i c t s t r a n 。 描述的交通军衲排队放螽匝出、军衲趸取、趸嬗事故、公夏还仃、仃人冲哭、停 现象和对象泊车辆、天气状况、寻找停车场、自行车摩托车等。 描述的交通 固定信号控制、白适应控制、匝道汇入控制、静态路线诱导、动态 路线诱导、事故处理、公交车优先控制、可变标志控制、收费口、 控制和管理 自动道路系统、无人驾驶车辆、停车地诱导等。 运行效益指标：速度、行驶时间、拥挤情况、行程时间变化性、公 交运行正常率等； 采用的安全指标：车头时距、超车、车辆冲突次数、车人冲突等； 评价指标环境指标：废气排放量、路旁污染水平、噪声水平等： 舒适性指标：乘坐舒适度等； 技术性指标：油耗等。 大部分软件采用文本输入格式来描述诸如节点、路段、交通信号、 软件的输入路径、车辆到达率等。但也有少数几个软件提供了路网拓扑结构和 输出界面几何数据的图形输入界面。大部分软件具有动画演示输出功能，但 也有少数模型只提供数据库格式的输出形式。 犬部分软件可在p c 机或u n i x 系统上运行，有个别在v a x 年l i 硬件条件 r e 6 0 0 0 机以及s u n 机上运行。 路网大小从5 0 个节点、1 0 0 0 辆车，到2 0 0 个节i 点、上万辆车，有 路网大小 的甚至可处理3 0 0 0 个节点、1 0 0 万辆车，但采用的是并行处理机制。 1 ，2 2 国内研究现状 在2 0 世纪9 0 年代初期，同济大学建立了有限t 型交叉口车辆运动的仿 4 武汉理工大学硕士学位论文 真模型，并研发了相应的仿真软件，用来分析不同道路和交通条件对优先控 制的t 型交叉口通行能力的影响；近年来，利用微观仿真技术对高速公路互 通式立交的通行能力及延误进行了研究，特别是2 0 世纪9 0 年代后期，运用 软件工程思想、对象建模技术( o m t ) 和真实化程序设计的概念，在需求分 析的基础上，建立了名为m i c r o s i m 的高速公路入口匝道交通仿真软件的对 象模型，并且进行了m i c r o s i m 软件的开发。 东南大学在交通系统仿真研究方面也取得了一系列研究成果，例如2 0 世纪9 0 年代进行的城市交通网络研究和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；另外，还采用动态微观仿真方法研究了路 段通行能力，考虑驾驶员、车辆、道路、环境和交通规则的相互关系及对通 行能力的影响，从微观的角度出发建立了仿真模型。 清华大学交通研究所于2 0 世纪9 0 年代末期，在w i n d o w s 平台以面向对 象的设计思想开发了名为t r a s i m u l 的仿真软件，用以模拟城市平面交叉口 的拥挤特性，为缓解城市平面路口的交通拥挤提供了有力的分析工具 其它还有西南交通大学进行了初步的交通系统仿真及在交通控制中的 应用研究，利用仿真技术进行了高速公路车头间隙分布规律及其应用的研 究：华南理工大学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； 北京理工大学丌发了城市交通诱导仿真系统；天津大学利用仿真进行了交通 流自组织管理控制研究，以交通流元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；中国科学技术大学进行了基于微 粒跃动模型的趋势交通仿真研究。吉林大学在交通系统状态进行仿真方面也 开展了一系列的研究，主要是用g p s s 仿真语言对交叉口的交通状态进行仿 真研究。此外，长安大学、西安交通大学、交通部公路科学研究所等单位也 开展了交通仿真方面的研究工作。 交通系统仿真技术在我国的应用只有十几年的历史，还远远没有被广泛 接受，并且从已经作过的工作来看，基本上都是探索性的，迄今为止还没有 开发出一个被普遍认可的或能用来解决实际问题的系统仿真软件。虽然也有 人试图用国外的软件来对我国的交通进行仿真实验，但由于国情的不同，也 没能得到满意的结果。因此，可以说，交通系统仿真在我国不仅起步晚，而 且发展也很缓慢。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究的意义n 踟凹1 1 系统仿真的优越性 交通系统仿真在道路运输系统及其各组成部分的分析和评价中发挥着 重要的作用。与传统的交通分析技术相比，计算机交通仿真技术，尤其是微 观交通仿真技术具有非常明显的优势，主要体现在以下几方面： 1 ) 模型机制的灵活性与柔软性 仿真模型对系统内各基本要素的变化规律及相互作用关系的描述与系 统的实际运行过程紧密对应，有利于形成灵活性和柔软性较强的模型机制。 2 ) 模型描述的灵活性和准确性 微观仿真模型以交通系统最基本的要素如单个车辆、车道、信号灯等为 建模单元，因而能非常灵活地反映各种道路和交通条件的影响。另外，微观 仿真模型的型式一般较为简单，可对实际行为进行直接描述，因而更能反映 客观实际。 3 ) 交通分析的开放性 借助于计算机技术，通过友好的用户输入输出界面，模型的运算结果可 方便地与用户交互，增强了模型应用的实用性和方便性。仿真结果动画演示 的直观性使得非专业人员都能很容易地理解。 4 ) 强大的路网动态交通状态描述能力 时间扫描技术为路网的动态交通状态描述提供了最大的支持。 2 微观交通仿真的应用 首先，交通仿真技术的强大功能，能适应广泛的交通工程应用领域： 1 ) 交通管理系统设计方案的评价分析； 2 ) 道路几何设计方案的评价分析； 3 ) 交通工程理论研究； 4 ) 道路交通安全分析； 5 ) 新交通技术和新设想的测试； 6 ) 交通工程技术人员培训； 其次，宏观仿真系统的t r a n s c a d 或e m m e 2 等交通规划软件，可以 评价城市道路网络的总体性能，但是不能对城市道路改造、交叉1 2 1 的渠化设 计、交叉口控制方法、交通信号配时和公交专用道系统中公交车辆的运行情 况等敏感性交通设施进行评价分析，而这些均是城市交通中面临的急需解决 的问题。为了对宏观仿真系统的评价效果进行补充，选用交通流微观仿真系 6 武汉理工大学硕士学位论文 统评价和分析个体车辆在路网中的具体运行，通过仿真交通流的实际状态， 不仅可以利用各种原始数据在短时间爽得到改善后的交通状况，也可以从系 统的运行中得到其它方案所需的数据。在不同参数情况下，仿真结果可以确 定造成交通拥挤问题的原因，而且可以随时模拟出。各种假设交通管理和控 制等改进措施对所研究信号交叉口的影响效果，即m o e ( m e a s u r eo f e f f e c t i v e n e s s ) 。微观仿真系统能在投入和时间都很少的情况下及时得到评估 结果。更为重要的是对于一些有困难甚至不可能进行现场实验的交通管理和 控制措施，可以利用交通流微观仿真系统来优化与解决。 引进国外的交通仿真软件对我国的交通流进行仿真，无疑是加快我国交 通仿真技术的捷径，因此本论文拟以t s i s 仿真软件为突破口，对武汉市徐 东交叉口进行研究。之所以选择t s i s ，不仅因为它模型完备，功能强大， 更重要的是它具有极度的开放性，几乎所有的模型参数都可以由用户自行设 定，具有很好的二次开发平台作用。对于t s i s 的详细介绍将在第二章展开。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要围绕两部分内容展开。 1 对t s i s 软件的构成以及其n e t s i m ( 城市道路交通仿真) 模型进行较 深入的研究；应用t s i s 软件对武汉市典型交叉口徐东交叉口进行仿真，分 析仿真结果： 2 车辆基本行驶微观交通仿真系统的开发，该系统的主要子模型包括： 车辆生成模型、路网模型、交通管理与控制模型、车辆行驶模型、数据输入、 输出模型。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章交通微观仿真软件t s l s 2 1 t s l s 概述圳m 1 t s i s ( t r a f f i cs o f t w a r e i n t e g r a t e ds y s t e m ) 是由f h w a ( f e d e r a l h i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 开发的微观交通仿真软件，用户可以通过它进行 交通运彳亍分析。c o r s i m ( c o r r i d o rs i m u l a t i o n ) 是其核心部分。采用时间 扫描的方法描述交通行为。步长为一秒，每辆车都是在单位时间( 每秒) 内 移动的独立对象。每个不同的控制设备( 例如交通信号灯) 和每个事件均以秒 为单位进行更新。c o r s i m 是一个随机模型，司机特征、车辆特征及决策过 程均为随机的，仿真所获得的效率度量是指定随机数种予的结果。为了更好 地了解路网性能应该对不同的随机数种子序列进行仿真，效率度量的最终分 布状念应该是对路网性能的精确描述。设置好交通环境后，c o r s i m 将会对 指定的道路网进行校准，通过改变现有的道路网来执行其它分析，例如决定 道路几何形状改变的影响。校准参数的最终结果将同样适用于其它的拥有相 似司机行为和车辆运行特性的仿真。图2 1 为应用t s i s 进行仿真的流程图。 n e t s i m 是一个描述单个车辆运动、时间扫描的网络微观交通仿真模型， 其对城市道路交通现象的描述精度达到了一个新高度。大部分常见的交通现 象，如：跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行人冲突、短车道溢 出，以及常见的交通管理控制措施，如：固定信号控制、感应控制、主次 优先控制、车道关闭等均可通过仿真软件进行模拟。评价指标除了常规的延 误、速度、行程时间、排队长度等常规指标外，还有诸如排队溢出、油耗、 废气排放等指标。另外，模型对道路几何条件的描述也更为灵活。n e t s i m 模型经过多次的版本升级，其功能日趋强大，广泛应用于动态交通控制与管 理系统方案优化以及交通工程相关领域的理论研究方面。至今为止，n e t s i m 模型仍是目前应用最为广泛的仿真模型。然而，该模型虽然冠以“网络”交 通仿真之名，但其网络模型的描述功能却极为有限，突出表现在模型不具备 描述车辆路线选择的功能，车流在交叉口驶入路段上的转弯情况是作为输入 条件事先固定的，而不是通过车辆的路线选择来确定。 8 武汉理工大学硕士学位论文 确定道路网的几何形状 上 获得交通和信号灯数据 上 应用t r a f e d 、i t r a f 或文件 编辑器建立路网的点一线模型 0 应用c o r s i m 运行仿真 j 观察t r a f v u 中的动画显示检查输 入并确认车辆运行和信号灯控制 l 应用1s 1s 对同交通环境进行多次仿真，来完成 c o r s i m 对具有不问的随机数种子的闷一路网的多次仿真 一 检查相关的效率度量分布并且与现场数据进行比较 l n尽可能调整校准参数使其与现场数据更加吻合 各 图2 1t s i s 仿真流程图 2 2i s i s 的输入输出系统 2 2 1 输入系统 t s i s 之所以能够在美国及其它国家得到广泛的应用，与其友好的用户 9 武汉理工大学硕士学位论文 输入输出界面和完善的模型体制是分不开的。对于用户来讲，良好的用户输 入、输出系统是非常重要的。简单易学的输入系统，结果一目了然的输出系 统无疑是用户对一个应用软件的最基本要求，t s i s 可以说是这方面的典范。 i t r a f 和t r a f e d 为t s i s 提供了两种图形用户输入界面，能够使用户很方便 地设定交通环境。特别是i t r a f ，它是一个图形化的输入编辑器，通过n e t s i m 来校验输入数据。i t r a f 可以通过图形用户界面生成交通环境，并且支持 n e t s i m 微观交通仿真器。在使用i t r a f 的时候，使用者可以将精力集中在 对数据的分析和决策上，而不会将时间浪费在学习怎样使用这种交通仿真工 具上。图2 2 给出了i t r a f 的图形输入界面。 图2 2 中的交通环境由点和单向线段所构成的路网来表示。线段常用来 表示城市街道或高速公路，节点常用来表示城市交叉口或道路几何性质的转 变点或车辆生成点，但是不同性质的节点编号范围不同，例如，表示车辆生 成点与驶出点的节点编号范围为8 0 0 0 - - 8 9 9 9 ，而路网内部交叉口节点的编 号范围为l l 0 0 0 ，位于高速公路路网和城市道路网之间的分界点编号范围 为7 0 0 0 - - 7 9 9 9 。详细的输入数据构成情况如下： 。道路系统的拓扑结构( 以点一线图的形式表示) ； 各道路构成元素的几何形状： 车道的渠化( 例如：左转车道、公交车专用道) ； 进入道路系统的交通流量； 转弯数据； 交叉口引道几何形状： 停牌和让牌标志； 定时信号灯控制； 感应信号灯控制； 车队构成( 公交车、合用车、小汽车、卡车) ； 负载要素( 每辆车所承载的乘客数量) ； 转弯分布状态； 公交运行( 路径、流量、车站、进站时间、路线) ； 高占有率车辆专用道( 公交车、合用车或两者兼有) ： 城市道路上队列消散分布状态； 换车道参数； 司机倾向性变量； 在系统中决定车辆操作性能的司机行为； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 燃料消耗率和污染物排放率。 2 2 2 输出系统 图2 2i t r a f e d 的图形输入界面 因为人的视觉观察本身就是一种很好的评价手段，所以t s i s 通过计算 机动画非常直观地显示路网上车辆的运行情况，哪个局部的交通拥挤比较突 出，哪个地方比较流畅均可以做到一目了然，并且可以对交通工程设计方案 的优劣有一个大致而直观的了解。同时由于时间扫描技术的应用，路网上每 辆车在每个扫描时段的运行情况均被完整地记录下来，通过简单的统计即可 得到诸如停车延误、排队长度、控制延误等定量评价指标，因此已成为交通 工程师测试和优化各种道路交通设计方案的一种直观、方便、灵活的交通分 析工具。t r f v u 是一个友好的t s i s 用户输出处理器，它能够显示路网、仿 真进行中的交通状况、信号灯、公交车站点、公交行驶路线、停车场等，它 武汉理工大学硕士学位论文 通过不同的图例在路网显示窗口表示不同的交通元素，另外还可以通过鼠标 右键点击车辆对象，来跟踪了解该对象的运行情况。图2 3 为应用t s i s 进 行仿真所截取的一个画面。图中的兰色并带有交叉线的矩形框表示公交车 站；绿色车辆为左转车辆；黄色车辆为右转车辆；白色车辆为直行车辆；浅 兰色曲线表示公交路线。 图2 3t r f v u 的图形输出界面 c o r s i m 包括四个主要部分：输入数据、初始化结果、中间结果和最终 结果。中间结果和最终结果包括n e t s i m 和f r e s i m 子网的独立输出部分。 n e t s i m 中还包含指定时间段的输出部分。自仿真开始时起，将所有的输出 结果累积起来，中间结果在用户指定的时间段结束时有选择的输出。中间结 果和最终结果都包含在用于评估交通系统的效率度量( m o e ) 之中，具体的 效率度量指标如下： i ) 从仿真开始时进行累计的从路段上消散的车辆数； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 消散车辆数该路段长度= 该路段上的所有消散车辆的总行程； 3 ) 所有车辆在路段上所耗用的总时间； 4 ) 车辆以自由流速度行驶的理论行驶时间，通过总的行驶时间乘以计 算速度与自由流速度的比值而得； 5 ) 延误时间，反映车辆没有以自由流速度行驶时所造成的延误； 6 ) 路段内车辆所需的行驶时间k m ； 7 ) 路段内车辆的延迟时间k m ； 8 ) 每辆车在某路段上的平均行驶时间= 路段上车辆行驶时间总和消散 车辆数； 9 ) 某路段上每辆车的平均延误时间= 路段上总车辆的总延误时间消散 车辆数； 1 0 ) 车辆的排队延迟； 1 1 ) 控制延迟一一初始的减速延迟、队列行进时间、停车延迟、最终加 速延迟： 1 2 ) 停车时间； 1 3 ) 停车比率某路段上至少停过一次车的车辆数与该路段上总车辆 数的比值： 1 4 ) 消散车辆数仿真时间= 平均流量( 辆h ) ； 1 5 ) 平均速度= 总车辆行程总时间( k m h ) ； 1 6 ) 相位失效次数= 仿真过程中。绿灯相位内车队没有完全消散的次数； 1 7 ) 自仿真开始进行累计，观测得到的各车道上的平均车队长度( 辆) ； 1 8 ) 自仿真开始算起，观测得到的各车道上的最大车队长度( 辆) ； 1 9 ) 仿真过程中某路段上所有车辆的换道次数； 2 0 ) 仿真时段内，每个车道上消散的车辆数。 通过指定输出数据时间间隔，t s i s 可以按照时间间隔来进行效率度量 累计，最终通过线图和表的形式输出。图2 4 为选定路段的消散车辆总数、 左转及直行消散车辆数的累计数据表格( 以2 0 0 s 为时问间隔进行累计) 。图 2 5 为输出数据的相应线图，图中f 为所有消散车辆总数曲线、 弘为直行消散车辆数据曲线，扣为左转消散车辆数据曲线。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 效率度量输出数据表 图2 5 效率度量输出数据图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 n e t s l m 模型”们”2 1 n e t s i m ( t r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e mi nn e t w o r ks i m u l a t i o nm o d e l ) 是用于分析由于信号控制、行人、公共汽车、停车、工程施工等因素所导致 的交通阻塞现象的一种微观仿真模型，该模型是一个描述单车运动、时间扫 描的网络微观交通仿真模型，其对城市道路交通现象的描述精度达到了一个 新的高度。 n e t s i m 中车辆是通过4 类车队( 汽车、合伙使用车、卡车或公共汽车) 和车型来识别的，可以指定9 种车辆类型( 有不同的操作和执行性能) 。此 外，为每辆车指派“司机行为特征”( 被动型或主动型) 。转弯运动、自由流 速度、队列消散车头时距和其他的运行特征都是随机分配的。在交叉路口内 部，当信号由红灯变绿灯或黄灯时，车辆根据给定的概率进行转向：绿灯期 间，要与对向车保持一定的距离。此外根据行人交通量的值，赋予车辆一定 的行程延误，所仿真的每辆车的运动都是对真实过程的反映。 n e t s i m 模型描述包括司机行为影响在内的单个车辆的运行。这些模型 还能对每个微小措施的影响进行研究，例如公交车站进行重新定位或改变停 车限制。n e t s i m 的目标是交通管理系统的开发和评价，能够真实再现动态 交通的随机行为，以秒为间隔模拟车辆的运动。它提供了很多指标来量化路 网的性能，并且提供了动画显示以便用户观察仿真结果。1 9 9 7 年，f h w a 发 行了一个加强版，大大加强了对干线道路、交叉口、各种车型( 小汽车、公 交车、货车) 及控制策略的模拟。另外，模型对道路几何条件的描述也更为 灵活。迄今为止，n e t s i m 模型仍是目前应用最为广泛的仿真模型，表2 1 为n e t s i d 的基本情况。 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1n e t s i m 情况一览表 广泛应用于动态交通控制与管理系统方案优化以及交通工程相关领域的理 应用领域 论研究方面 描述的交 通现象和跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、短车道溢出、占道停车等 对象 描述的交 通控制和 定时信号控制、自适应控制、感应信号控制、事故检测与处理、主次优先 控制、车道关闭等 管理 运行效益指标：延误、速度、行程时间、排队长度、排队溢出、换车道次数、 采用的评 停车次数、停车比例、控制延误等； 安全指标：车头时距等； 价指标 环境指标：污染物排放量等； 技术性指标：油耗等。 软件的 a 采用文本输入格式来描述诸如节点、路段、交通信号、路径、车辆到达 输入输出 率等； b 提供了路网拓扑结构和几何数据的图形输入界面。 界面 c 具有动画演示输出功能，及输出文本。 路网路网大小为5 0 0 个节点、1 0 0 0 个路段、最大路段长度9 9 9 9 英尺，9 9 个公交 大小站点，一个时间步长范围内限2 0 ，0 0 0 辆车，整个仿真过程中的车辆数不限 基本的 时间扫描方式的微观仿真，采用f o r t r a n 语言进行编程。 仿真技术 运行环境 w 9 5 9 8 m e n t 4 2 0 0 0 x p 现状的 模型描述：没有描述u 型转弯、没有描述自行车、没有描述公交先行、没有 描述全程路线选择、模型不支持环交、没有描述轨道车辆、没有描述事故发 局限性 生后的路线诱导、没有直接描述车道宽度的减少对车辆运行的影响等等； 2 3 1 跟车模型 ( 2 一1 ) 式为n e t s i m 的跟车模型，可以用一些对驾驶行为的一般感性 假设来标定模型，大多数情况下只需知道驾驶员将采用的最大制动减速度， 就能满足整个模型的需要是该模型的最大优点。 h = h j + a s + a t + s i s l 式中h 一一前后车之间的车头间距( k m ) ； 矗，车队中前后车之间的车头间距( k m ) 1 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 厶一一时间a t 内后车的行驶距离( k i n ) ； ，一一后车在反应时间内的行驶距离( k i n ) ； s 。一一后车所需的停车距离( k m ) ； s ，一一前车所需的停车距离( k m ) ： ”前后车的行驶速度。 式( 2 1 ) 为n e t s i m 的基本跟车模型。对于稳定行驶状态可以将式( 2 - - 1 ) 简化成( 2 2 ) 。之所以这样简化是因为，前后车同速已经明确给定了 它们的停车距离。另外，不需要司机反应，因为前后车都在以恒定的速度行 驶( 稳定流速度) 。图2 6 为( 2 1 ) 式的跟车时空分析图，其中t 为后车 司机反应时间。 时间 t + t + ，+ f 1 + f f + t + a t + t 。 t + a t l 一一 s r 耐一h jf a sa r l _ j 【，一 _ _ _ _ - 。一 l “ 1 一 一一 n + l 厂 l n i n + l n + - 一 n 口一& 位移 图2 6 跟车时空分析图 2 3 2 换道模型 事实上，如果司机计划换车道，那么程序将会探测是否存在利于换车道 的条件优势，并且是否可能进行强制换道。为了估计单个司机计划换车道的 意图，模型考虑了司机将会进行车道变换的车头时距的l 晦界范围。 1 车头时距很小以至于所有司机都打算换道； 2 车头时距很大以至于没有司机打算换道。 定义了这个范围以后，模型将计算司机现在距离前车的车头时距，并且 将此值与产生换车道的车头时距范围进行比较来估计每个司机计划换车道 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 的意图。 另外，在决定驾驶员现在是否将要产生车道变换意图时，对司机可接受 的风险度进行估算是十分必要的。在车队头车或者跟随车辆在目标车道产生 “紧急”减速事件中，这个风险表示为司机可接受的最大减速度。可接受风 险是司机所处位置相对于迫使司机产生车道变换对象的函数；也就是说车辆 与迫使它产生车道变换对象距离越近，司机可按受减速度就越大。n e t s i m 中是根据司机可接受风险值来评价间隙是否为可接受间隙的： ，i f i s = + ( 一) 专杀 2 _ 3 ) u = d a f x n l c 2 2 0 g 一) 】 ( 2 - 4 ) k = ( 0 7 x d a f ) ( 2 - 5 ) 式中s 可接受风险； d 。可接受的最小减速度； d 一一一可接受的最大减速度； 。u 风险系数； u 风险阈值m s 2 ； d a f 1 0 + ( 司机类型一5 5 ) ，：删( f d a 为司机倾向指标) ： n l c 一一变换车道所需的次数，判断性换车道为1 ； i ，一一车辆的自由期望运行车速； x 车辆当前位置； x 。一一引起换车道行为的目标所在位置； k 一一司机的忍耐速度。 2 4 本章小结 本章对t s i s 软件的构成、特点及其内部的车辆行驶模型进行了较详细 地介绍和分析，为本文的建模奠定了坚实的基础， 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 概述 第3 章b d s l m 仿真建模 交通仿真模型的建立是交通仿真的核心内容。交通仿真模型反映交通流 实时处理过程，它们需要正确地描述车辆性质、运输网络、交通控制和管理 系统。这些描述随着时间和真实路网的不同而不同。交通仿真模型的实用性， 大大扩展了具有创新意义的先进交通管理系统的概念和设计的发展机会。计 划者和工程师不会在现场应用前为缺乏装置而无法进行计划( 想法) 试验而 苦恼。此外，这些模型所生成的信息有助于设计者识别观念及设计中所存在 的缺陷，为识别最优的侯选方法提供了基础。因为模型生成的结果为从众多 的侯选概念和设计中选择最有效的选项提供了基础，所以最终现场执行的措 施将具有很高的成功率。 城市道路交通仿