（检测技术与自动化装置专业论文）城市交通控制在线仿真技术.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 摘要：交通仿真是研究运用现代计算机技术再现实际交通系统的特性、分析交通系 统在各种设定条件下的可能行为，以寻求现实交通问题最优解的一种手段，也是评价各 类信号控制设计方案效果的有效方法。 传统的交通仿真主要依赖虚拟的交通数据和虚拟设定的交通控制方法进行仿真，本 文所提出的交通控制在线仿真技术是指采用专门的接口技术和设备，将仿真系统与真实 的交通现场设备连接起来，通过对真实交通现场车辆信息及信号控制系统数据的收集与 仿真，真实地再现交通现场。这种方法克服了现有交通控制系统测试评估方法的低准确 性、低效率、高成本、评估指标不全面的缺点，提供了一种基于仿真技术的新型测试评 估方法。 论文完成了对交通控制在线仿真系统的模块设计。交通控制在线仿真系统由以下几 个模块组成：v i s s i m 仿真系统、交通信号控制系统( s c 0 0 t ) 、仿真系统控制软件、 控制策略评估系统。论文着重完成了仿真系统控制软件的设计，仿真控制软件通过对现 场车辆信息的采集整理，以v i s s i m 仿真软件为平台，将真实交通现场重现，并将路面 信号灯、检测器等的信息提取出来，使仿真效果一目了然。文中最后对石景山古城路口 作了交通仿真，初步实现了在线控制。 论文对于评价交通控制策略以及评估道路服务水平有积极意义，通过在线仿真的评 估结果，将交通诱导、交通疏导系统与之连接，可以实现综合交通数据发布。 关键词：在线仿真：实时交通数据；v i s s i m ：接口 北方工业大学硕士学位论文 t l 麓伍cs i m u l a t i o i l sa r ee f f e c t i v em e t h o d so fu s i n gm o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g yt o r e p r o d u e tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n da n a l y z ep o s s i b l el e s p o l l s 髂o f t r d l l s l x ) i 恤o l ls y s t e mu n d e rav a r i e t yo fe o n d i t i o n st o f i n dt h eo p t i m a ls o l u l i o no ft h e l r a n s p o r t a t i o np r o b l e m s t 1 麓伍cs i m u l a t i o n sf i l ea l s oe f f e c t i v em e t h o d so fe v a l u a t i n gt h e e f f e c t i v e n e s so f v a r i o u st y p e so f t r a ! t i ee o n t r o ls t r a t e g y 们舱t r a d i t i o n a l 白阻伍cs i m u l a t i o n sm e r e l yr e l yo nv i r t u a l 白隐伍cd a t aa n dv i r t u a l 由暇m c c o n t r o ls t r a t e g y 1 1 圮o l l l i l l e 锄ce o n ( r o ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yp r o p o s e di nt h i sp a l m rl i n k s u ps i m u l a t i o ns y s t e ma n dr e a li z a f f i ee q u i p m e n tw i t hs p e c i a l i z e di n t e r f a c et e c h n o l o g ya n d 。q u i p m e n t s i t 啪r e p r o d u ar e a lt l a 伍c 绷sa n df o r e c a s tr e a l - t i m et l a 伍ce o n d i t i o mt h r o u 曲 c o l l e c t i n ga n dm a n a g i n gr e a lt r a _ 伍ci n f o r m a t i o no f v e h i c l e sa n di i i t 伍cs i g n a lc o n t r o l l e r s 他 m e t h o do v e r c o m ( 墨t h ed i s a d v a n t a g e so fl o wa c c l l n a c y ，pl o we f f i c i e n c y , h i g he o s t , a n d u n c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ti nt e s t i n ga r i de v 1 u a t i n go ft h ee x i s t i n g 伽cc o n t r o ls y s t e ma n d p r o v i d e s1 1f l e wt e s ta p p r o a d ab a s e d o at h es i m u l a t i o nt e c l m o l o g y 啦p a p e rc o m p l e t e st h em o d u l e sd e s i g no ft h eo n l i n et l a f 丘ce o n l r o l s i m u l a t i o n s y s t e m 田坞s y s t e mi n c l u d e ss i m u l a t i o ns o t t w a r e s s m l ，l r a f l i es i g n a lc o n t r o ls y s t e m s c 0 0 ta r i ds i m u l a t i o ne o n l r o ls o t t w a l e 田地s i m u l a t i o nc o n t r o ls o t t w a r eb a s e do n s s 刀m 伽l 托删l c tt r a 伍ca r e a sa n de x t r a c ta r i df i s tt h ei n f o r m a t i o no f t l a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r sa sw e l l 舔d e t e c t o r s 1 1 圮e f f e c to ft h es i m u l a t i o n 锄b ed e a ra tag l a n c e i nt h i sp a p e r ，ac r o s s i n g n a m e dg u c h e n gw a ss i m u l a t e dw i t ht h es i m u l a t i o nc o n t r o ls o f t w a r ew h i c h 岫r e a l i z e dt h e o n l i n es i m u l a 缸o i l t m sp a p e rh a sp o s i t i v es i g n i f i c a n c ei ne v a l u a t i n gt r d 伍c n t r o ls t r a t e g ya n dt h el e v e lo f r o a ds e r v i c e 皿1 es y s t e mo ft l a 伍ci n d u c t i o na n dd i v e r t i n g 伽la l s ob ec o n n e c t e dw i t ht h e a s s e s s m e n to f t h eo n l i n es i m u l a t i o nt or e a l i z et h ei s s l 1 a n c eo f t h ec o m p r e h e n s i v et r a 伍cd a t a k e yw o r d s ：o n l i n es i m u l a t i o n ；r e a l - t i m e 锄cd a t a ；v i s s i m ；i n t e r f a c e - 2 北方工业大学硕士学位论文 图索引 图1 交通控制在线仿真系统原理图。1 4 图2 仿真系统控制软件流程框图 图3v i s s i m 模型举例= 2 3 图4 接收数据流程图2 6 图5 车辆堵塞图2 8 图6 疏导车辆图2 9 图7 软件的界面设计图 图8 交通数据界面图 图9 古城路口图。 图1 0 仿真过程中s i g m l c o n t r o l l e r s 的信息图 图11 仿真过程中d e t e c t o r s 的信息图 图1 2 仿真过程图 图1 4 检测器动态信息图 3 3 图1 5 路口堵塞图 图1 6 控制软件疏导交通图 图1 7 路口疏导成功图 4 0 。4 2 表索引 表1s c o o t 优化信号参数表。1 9 表2v i s s i m 支持的图片格式表 表3 交通数据格式表2 5 表4 控制数据格式表 表5v i s s i m 仿真评价表4 3 表6 控制软件仿真评价表4 3 北方工业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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j 蔓友王些太堂或 其他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谢意 学位论文作者签名爰淫勉必字日期：卿h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 竖友王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权j 丝友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名岗缈 签字日期：糊月汨 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 三师签名：伽 签字日期：。萨年f 月、一百 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 选题的目的和意义 智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称i t s ) 是美国、日本、欧洲等 国家和地区在上世纪8 0 年代末开始系统研究智能化的交通控制和管理体系而提出的。其 主要内容是：将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通信技术及 电子技术、传感器技术有效地集成，并应用于整个公路交通管理系统而建立的一种在大 范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通管理系统。其目标是，通过 综合运用现代信息技术与通信技术等手段提高交通运输效率，充分利用现有道路空间， 改善交通网络系统现状。 城市交通仿真是智能交通系统的重要内容，它运用计算机技术动态地、逼真地仿真 交通流和交通事故等各种交通现象，复现交通流的时空变化。深入地分析车辆、驾驶员 和行人、道路以及交通的特征，找出问题的症结，对所研究的交通系统进行优化交通 仿真技术具有经济性、安全性、可重复性等多种特点，大大降低了现场试验要求，现已 成为分析各种交通参数和优化交通控制等研究的有力工具，是国内外交通工程界研究的 热点领域之一 1 2 交通仿真系统的现状 i 2 1 国内外仿真系统的研究与发展 国外道路交通仿真系统研究基本上经历了2 0 世纪5 0 6 0 年代、7 0 - 8 0 年代以及 9 0 年代以来三个较为明显的发展阶段。 早在1 9 4 9 年，m a s i m o w 和d l g c r l o u g h 便提出了对交通流进行模拟的建议， 随后这种建议得到很好地实施和扩展。2 0 世纪5 0 年代，软件“g o o d e ”的出现，标 志着道路交通仿真的真正开端。随着计算机的发展，到6 0 年代人们已经开发了大量的 计算机模拟程序。此时，交通仿真的可能性和实用性才被人确认，其中美国的 t r a n s y t 交通仿真软件是当时最具有代表性的成果。t r a n s y t 模型是一种宏观仿真 模型，用以确定定时交通信号参数的最优值。这一时期的道路交通仿真系统主要以优化 城市道路的信号设计为应用目的，模型多采用宏观模型，模型的灵活性和描述能力较为 有限，仿真结果的表达也不够理想。 2 0 世纪7 0 8 0 年代由于计算机的迅速发展，交通仿真模型的精度也大大提高， 功能更加多样。同时。微观交通仿真模型得到较大发展。这期间出现以n e t s i m u 、 北方工业大学硕士学位论文 f r e s i m 、f l e x s y ti i 、a i m s u m 2 ( 早期版本) 等为代表的一批仿真软件。其中典型 代表当属美国联邦公路局开发的n e t s i m u 模型。该模型是一个描述单个车辆运动的、 实时扫描的网络微观交通仿真模型，其对城市交通现象的描述精度达到了一个新的高 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、 短车道溢出等，以及常见的交通管理与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迟、速度、4 行车时间、排队长度等指标外，还可描述诸如排队溢出、油耗、废气排放等指标另 外，模型对道路几何条件的描述也很灵活。n e t s i m u 模型经过多次的版本升级，其功 能日趋强大，广泛应用于交通控制与管理系统方案优化、交通设计方案优化以及交通工 程相关领域的理论研究方面。迄今为止，n e t s i m u 模型仍是应用最为广泛的仿真模型 之一。 进入2 0 世纪8 0 年代后，人们致力于统一标准的软件开发。这一时期具有代表性的 软件是1 9 8 2 年美国联邦公路局的t r a f 交通仿真系统。该系统包括道路网宏观、微观 仿真和高速公路宏观、微观仿真四部份，解决了软件的标准化问题，可以表示任意现有 道路设施上的交通情况，在交通仿真领域达到了空前水平。进入9 0 年代后，随着计算 机计算速度的提高和内存的增加，以及w i n d o w s 操作系统的出现，计算机仿真程序开 始朝着可视化方向发展，用户界面更加友好，系统集成性能更高，交通仿真的实用性得 到进一步的发展，仿真软件的应用也更为广泛其中，1 9 9 8 年面世的 i s i s 系统4 2 版，反映了这一时期的软件特点。该系统基于w i n d o w s 9 5 或w i n d o w sn t 平台，采用 友好的用户界面，集成c o r s i m 、t r a f v u 、r l r a f 系统，能模拟演示城市道路网、 公路网及城乡公路一体化路网交通情况和计算有效度量指标。 随着2 0 世纪9 0 年代和2 l 世纪的到来，国外对智能交通1 t s 的研究日益深入，世界各 国竞相开展以i t s 为应用背景的交通仿真软件的研究，并达到了道路交通仿真研究前所 未有的高潮，出现了一大批评价和分析i t s 系统效益的仿真软件系统。目前国外比较流 行的交通仿真软件主要有德国的v 1 s s l m 、美国的c o r s i m 、s y n c h r o s i m t r a f l i c 和 t r a n s m o d e l e r 、西班牙的a i m s u n 、英国的p a r a m i c s 、加拿大的d y n a m e q 等等。这 些软件在欧美交通界已经普遍地应用，商业化多年，在i t s 研究和应用中使用频率较 与国外相比，国内在道路交通仿真方面的研究起步较晚。直至2 0 世纪9 0 年代以后， 、 国内交通工程界才逐渐意识到道路交通系统仿真研究的重要性并予以重视。同济大学、 东南大学、吉林工业大学、东南大学、华中科技大学、上海交通大学、中国农业大学、 - 2 - 北方工业大学硕士学位论文 北京交通大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学、交通部公路科学研究所等批科研院 所开始探索性地研究并取得一定成果。如双车道公路通行能力仿真、高速公路基本路段 仿真、高速公路道路入口匝道范围交通仿真、优先控制型交叉口交通仿真、动态交通仿 真、交通诱导仿真等等。但总的来说。目前国内的道路交通系统仿真研究仍较为零散。 往往只局限于解决单一问题，总体上尚处于应用进口软件系统阶段，迄今为止还未形成 普遍为人们所接受的真正意义上的商品化的仿真软件产品，开发国产化道路交通仿真软 件已是必然的趋势。 1 2 2 典型交通仿真软件的介绍 首先简要介绍下国外的几种仿真软件： 1 ) p a r a m i c s p a r a m i c s 软件由英国q i 疵i s 岫l i m i t e d 公司开发。由于采用了并行计算技术，路 网规模能达到1 0 个节点，4 l o + 路段，3 2 0 0 0 个区域。其应用领域有交通管理和控制， 交通控制中心的仿真，为出行信息提供预测，智自邕化的导航功能等。p a r a m i c s 在仿真 i t s 基础设施和拥挤的道路网时有突出的表现。当前能够仿真交通信号、匝道控制、与 可变速度标志相连的探测器、v i v i s 和c m s 、车内信号显示装置、车内信号顾问、路径 诱导等，并且用户可通过a p i 函数定义特殊的控制策略。它还能够从s a t u r n 、 b j e s a t r i p s 等读取有关节点和路段的信息。 2 1a i m s u n 2 a i m s u n 2 仿真系统由西班牙开发，该系统是个交互式仿真模型，主要用于澳l 试 和评价新的交通控制系统和交通管理策略，但它同时又能用于交通状况的预测以及车辆 导航系统和其他实时交通信息的应用。该系统可以对不同类型的交通控制建立相应的模 型，例如交通信号控制、让路标志、匝道控制等，在同一仿真试验中能够处理不同的控 制方案。动态车辆导航系统微观仿真模型包括：路网几何特性的精确模型、详细的单车 行为模型、确定的交通控制方案等，它需要对模型的参数进行标定，如跟车、可接受间 隙、变换车道等，以保证模型能够生成流量、速度、占有率、出行时间、平均排队长度 等参数。 3 ) c o r s i m c o r s i m 由美国r r ri n d u s t r i e s 开发，它综合了用于高速公路仿真的f r e s i m 模型和用 于城市道路仿真的n e t s i m 模型，当前c o r s i m 集成在t s i s 软件包中，t s i s 还包括路网编辑 器t r a f e d 和图形界面的后处理工具t r a f v u 。c o r s i m 能够模拟定周期的交通控制和匝道 北方工业大学硕士学位论文 控制、感应式和协调的信号控制、随交通量变化的匝道控制、交通事件等。c o r m i s 对 i t s 模拟的支持较弱，但因其应用时间最长，所以用户最多。 国内的仿真软件也已经取得初步成果，下面简要介绍几种： 1 ) t j 弱 t j t s 仿真系统是由同济大学开发的城市道路交通微观仿真软件系统。系统运行的 基本原理为：在给定的交通需求情况下，按照一定的随机分布使车辆在其各自的产生点 一辆一辆地进入路网，然后用时间扫描法描述每一扫描时段内每辆车在路网上行驶的 情况直至车辆到达目的地后从路网中消失。系统中的车辆是由相应的仿真模型来产生 的，如车辆的跟车行为、变化车道行为、在信号交叉口的排队等候、排队消散、在公交 站台的停靠等都是由相应的仿真模型来进行描述的除了描述车辆具体的行驶行为之 外，仿真模型还包括对影响车辆行驶行为的约束条件的描述，如道路的几何条件、路网 的拓扑结构、交通控制管理方案等。 2 ) n i t s n i t s 仿真系统是由北京交通大学开发的，是一个将交通流分配、交通控制、车辆 运行、路网结构和道路通行能力集成一体化，面向网络化的大规模城市交通仿真系统。 该系统对以下几个方面进行了重点研究：( 1 ) 面向大规模城市交通的道路表示模型以及相 应的微观车辆行驶模型；( 2 ) 微观层次的配流、控制、运行集成化方案；( 3 ) 面向大规模 路网，考虑各种管制措施影响的车辆路径动态选择模型；( 4 ) 用并行算法对交通流进行计 算研究。 _ 3 ) m i c t o s i m m i c r o s i m 仿真系统是由同济大学的段进宇等开发的，是运用软件工程思想、对象建 模技术( o m t ) 和真实化程序设计的概念，并在需求分析的基础上建立起来的用于研究高 速道路入口匝道范围与控制的仿真系统。它由两个基本部分构成，一部分是基于驾驶员 心理反应p i e v 模式的驾驶员车辆行驶模型，另一部分是交通流生成模型。两模型 之间具体的关系是：交通流生成模型给出仿真系统时间起点上的交通流状态( 以组成交 通流驾驶员车辆单元的集合方式) ，而驾驶员车辆行驶模型则负责( 从初始状态开始 的) 驾驶员车辆单元的驱动，直至其离开仿真系统的时空范围。该系统还可以对高速道 路入口匝道处交通需求、车种组成、匝道加速段长度、高速道路主线车道数等对交通流 运行效率造成影响的因素进行分析与评价。 北方工业大学硕士学位论文 1 3 当前交通仿真存在的不足 从以上可以看出，传统的交通仿真主要依赖虚拟的交通数据和虚拟设定的交通控制 方法进行仿真。这种仿真方法只适用于对交通现象进行概括性的、定性的分析，无法对 当前正在进行中的交通现场进行仿真分析，无法完全真实的仿真实际运行的交通控制系 统。另一方面，传统的交通控制策略与交通设备的评估，通常采用是在交通现场进行实 地运行测试的方法进行，这种方法不易实现，可行性较低，同时由于单一的现场无法产 生各种复杂交通环境下的交通状况，因此这种评估方法存在很大的局限性。 1 4 本章小结 综上所述，结合国内外先进的仿真系统，站在较高技术起点上，开发一种适合中国 国情的交通仿真软件追在眉睫。鉴于目前仿真软件的普遍不足，应该开发用真实的交通 数据和真实的交通控制方法进行仿真的仿真系统，即在线仿真系统，该系统不但能够将 交通现场真实再现，而且从经济学角度上讲，节省了大量人力和物力 - 5 - 北方工业大学硕士学位论文 2 交通仿真模型 2 1 交通仿真模型的分类 根据仿真模型对交通系统描述程度不同，道路交通仿真可分为宏观仿真、中观仿真 和微观仿真三种。 1 ) 宏观交通仿真模型 宏观交通仿真模型对交通系统的要素、实体、行为及其相互作用的细节描述非常粗 糙，例如通过流密度等关系来描述交通流的一些集聚性的宏观模型，对车道变换之类的 细节行为可能根本不予以描述宏观模型的重要参数是车辆速度、密度和流量。宏观交 通仿真模型对计算机资源要求较低，它的仿真速度很快，主要用于研究交通基础设施的 新建与扩建及宏观管理措施等。根据目前计算机硬件的发展水平，可以在大规模的路网 范围内进行交通宏观仿真。 2 ) 中观交通仿真模型 相对于宏观模型来说，中观模型对交通系统要素、实体运动和相互作用的细节描述 程度要比宏观模型高得多。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的流入和流出行为，就每辆车而言，车道 交换被描述成建立在相关车道的实体基础上的瞬时决策事件，而非细致的车辆问相互作 用。 3 ) 微观交通仿真模型 由于微观交通仿真模型既融合了宏观和中观模型的某些方面，又非常细致地描述了 交通系统的交通环境及车辆实体等构成要素，因而它对交通系统的要素及行为等的细节 描述程度是3 种模型中最高的。它是以单个车辆为对象，通过一些相对简单但真实的仿 真模型来模拟车辆在不同道路和交通条件下的路网上运行，并以动态图像的形式显示出 来，在描述和评价路网交通流状况方面具有传统数学模型所无法比拟的优越性【刀。 2 2 微观交通仿真模型 2 2 1 功能要求 一般而言，一个完善的微观交通仿真系统应具有以下的功能要求： 1 ) 建立和处理不同形式的路网，清晰地表现路网的几何形状，包括交通设施，如 信号灯、车辆检测器等。 2 ) 产生进入路网的不同种类的车辆以及车长、初速度等获得交通流的各种统计 6 北方工业大学硕士学位论文 数据。 3 ) 处理车辆在路网上的运行情况，准确地反映出车辆间的相互作用，如跟驰、车 道变换时的相互作用，以及驾驶员的行为。 4 ) 处理网络内部对车流产生影响的发生点和吸纳点。 5 ) 跟踪路网内行驶的任何一辆车，真实地模拟交通控制策略( 定周期、自适应、 匝道控制等) 6 ) 模拟先进的交通管理策略，如采用v m s 提供的路径重定向、速度控制和车道 控制等。 7 ) 提供与外部应用程序交互的接口。 8 ) 模拟动态车辆诱导，再现被诱导车辆和交通中心的信息交换。 外应用于一般的路网，包括城市道路和城市间的高速公路。 1 0 ) 仿真路网交通流的状况，如交通需求的变化等。 1 1 ) 模拟公共交通。 1 2 ) 提供结果分析的工具和图形化的交互界面【3 】。 2 2 2 基本模型 微观仿真模型主要包括路口描述模型、车辆描述模型、车辆生成模型、车辆运行模 型、信号控制模型等。下面简要介绍一下这些模型。 1 ) 路口描述模型 路口描述模型描述了交叉口的形状、车道功能等，是用一组数据表示的静态模型， 在仿真过程中保持不变。模型参数是通过路口参数输入对话框送入的。参数有：路口名 称、路口类型( 正十字路口、畸形路口、丁字路口) 、畸形口中心距、车道数、车道宽、 停车线距离、隔离带宽、车辆检测器位置及车道功能选择等。 2 ) 车辆描述模型 车辆描述模型描述了车辆的形状、位置、颜色、速度、来向、去向、期望速度、车 辆反应时间等。模型参数随着车辆的随机生成而产生，某些参数随着车辆的运行而改 变。车辆描述模型与车辆生成模型、车辆运行模型有着密切的关系，是它们模型算法执 行结果的直接反映。 3 ) 车辆生成模型 车辆生成模型描述了车辆的随机到达数分布，到达车辆的车型分布、流向分布、车 道选择方法及车色分布。车辆生成模型是交叉口车辆运行模型的基础。 北方工业大学硕士学位论文 车辆到达分布模型主要用以模拟车辆到达的随机性，即依照输入的流量、流向按泊 松分布或二项分布描述发生车辆。泊松分布用于描述车流密度不大、车辆问相互影响较 小、其他外界干扰基本不存在的交通状况；二项分布用于描述车辆比较拥挤且自由行驶 机会不多的车流。 泊松分布基本公式为： p o ) ：譬p ：等口一m ( 1 ) 互!xj 二项分布基本公式为： 烈力：q ( 马，( 1 一马一 ( 2 ) 一再 式中： p ( 功在计数间隔t 内到达辆车的概率； 工给定时间间隔内到达的车辆数； m = a t - - 计数间隔t 内平均至达的车辆数， = n 3 6 0 0 ； 卟时交通量； 2 车辆平均到达率； f 每个计数间隔持续的时间。 发车模型可通过两种方式实现。一种是按照流量、流向生成单位时间内各流向的车 辆数和各车辆属性，再按分布模型发车；另种是按流量流向和分布模型生成发车时 间，在到达发生时间的时刻生成车辆，同时随机选择车辆属性。两种方式均能仿真车辆 的随机到达特性，在算法实现上前者较易，后者较难，但后者能减少车辆冗余。节省系 统资源，系统运行效率更高f 1 1 。 4 ) 车辆运行模型 车辆运行模型是交通仿真模型的核心，它决定了车辆自由行驶、跟车行驶、换道等 全过程。 ( a ) 自由行驶在交叉口入口路段或出口路段，如果前导车和跟随车的距离超过某 个极限值时，认为前导车对跟随车不产生影响，这时跟随车以期望速度行驶。 ( b ) 跟车行驶如果前导车和跟随车的距离小于某个值时，前导车的行为将对跟随 车速度产生很大影响。如何反映这一现象，就是跟车模型要解决的问题。跟车理论的基 本表示式为 反应( f + 丁) - 灵敏度刺激( f ) 8 北方工业大学硕士学位论文 即驾驶员对他前面在t 时刻出现的刺激，隔了时间间隔丁艏作出了反应，其反应强度 与其灵敏度有关。在这里，刺激来自于前导车车速的变化，而从跟随车驾驶员感受角度 来看，则表现为前后两车速度之差。灵敏度是一个较为复杂的因子，它有着多种不同的 表达式，根据其表达式不同而形成不同的跟车模型。 ( c ) 换道行使在多车道路段上，驾驶员为了到达目的地或是提高车速会进行换 道。当车辆接近路段的出入口时，根据其出行线路或是交通规则而必须采取的换道行为 称作强制换道。当车辆为了达到期望速度或是回避危险时，驾驶员会选择合适的相邻车 道( 比如超车道) 进行换道，这种换道称为自主换道。车辆能否完成超车或换道，取决于 被选车道上相关车辆的位置能否保障在换道过程中本车的安全。驾驶员对目标车道匕相 应位置的前后车间距进行判断，只有前后车间距离均满足时，车辆才可以换道至相邻车 道。这个判断过程可简单表述为：如果当前的前车距或者后车距小于最小前后车距，则 拒绝在此间距内换道；如果当前的前车距与后车距均大于最小前后车距，则可以执行换 道操作。 5 ) 信号控制模型 1 ) 按控制范围分类可分为“点控制”、。线控制”和“面控制”三类。 a ) 单个交叉口的交通控制 每个交叉口的交通控制信号只按照该交叉口的交通情况独立运行，不与其近交叉口 的控制信号有任何联系的，称为单个交叉口交通控制，也称为单点信号控制，俗称“点 控制”。这是交叉口交通信号控制的最基本形式。 b ) 干道交叉口信号协调控制 把干道匕若干连续交叉口的交通信号通过一定的方式联结起来。同时对各交叉口设 计种相互协调的配时方案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运行，使车辆通过这 些交叉口时不致经常遇上红灯，称为干道信号协调控制，也叫。绿波”信号控制，俗称 “线控制”。 这种控制的原始思路是：希望使车辆通过第个交叉口后，按一定的车速行驶，到 达以后各交叉口时就不再遇上红灯。但实际上，由于各车在路上行驶的车速不一，且随 时有变化，交叉口又有左、右转弯车辆进出等因素的干扰，所以很难碰到一路都是绿灯 的巧遇，但使沿路车辆少遇几次红灯，减少大量车辆的停车次数与延误则是能够保证做 到的。 c ) 区域交通信号控制系统 北方工业大学硕士学位论文 以某个区域中所有信号控制交叉口作为协调控制的对象，简称为区域交通信号控制 系统，俗称“面控制 。 。 控制区内各受控交通信号都受中心控制室的集中控制。对范围较小的区域，可以整 区集中控制；范围较大的区域，可以分区分级控制。分区的结果往往使面控制成为一个 由几条线控制组成的分级集中控制系统，这时，可认为各线控制是面控制中的一个单 元，有时分区成为一个点、线、面控制的综合性分级控制系统。 2 ) 按控制方法分类 按照是否采用检测器检测车流状态调整控制方案可分为定时控制和感应控制。 a ) 定时控制 交叉口信号控制机均按事先设定的配时方案运行，称定周期控制。天只用个配 时方案的称为单段式定时控制；一天按不同时段的交通量采用几个配时方案的称为多段 式定时控制。， 。 最基本的控制方式是单个交叉口的定时控制。线控制、面控制也都可用定时控制的 方式，也叫静态线控系统、静态面控系统。 ： b ) 感应控制 感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案可随检测器检测到 的车流信息而随时改变的一种控制方式。感应控制的基本方式是单个交叉口的感应控 制，简称单点感应控制。单点感应控制随检测器设置方式的不同，可分为： 半感应控带l 卜_ 只在交叉口部分进口道上设置检测器的感应控制。 全感应控带! 卜在交叉口全部进口道上都设置检测器的感应控制。 用感应控制方式的线控制、面控制也称为动态线按系统和动态面控系统f 1 7 】。 2 3 s s i m 交通仿真模型 v i s s i m 是德国p 1 v 公司的产品，是离散的、随机的、以l o o m s 为时间步长的微观交 通仿真模型。它的核心由交通仿真器和信号状态产生器两部分组成，它们之间能够交换 检测器数据和信号状态信息。v i s s i m 既可以在线生成可视化的交通运行状况，也可以 离线输出各种统计数据，如：行程时间、排队长度等。 交通仿真器是一个微观交通仿真模型，包括跟车模型和车道变换模型；信号状态产 生器是一个信号控制软件，基于一个微小时间间隔( 0 i s ) 从交通仿真器中提取检测器 数据，用以确定下一仿真时钟的信号状态。同时，将信号状态信息回传给交通仿真器。 1 ) 跟车模型 北方工业大学硕士学位论文 v i s s i m 采用的跟车模型是w i e d e m a t m 于1 9 7 4 年建立的生理心理驾驶行为模型。该 模型的基本思路是：一旦后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理( 安全) 距离 时，后车驾驶员开始减速。由于后车驾驶员无法准确判断前车车速，后车车速会在一段 时间内低于前车车速，直到前后车间的距离达到另二个心理( 安全) 距离时，后车驾驶 员开始缓慢地加速，由此周而复始，形成一个加速、减速的迭代过程。 车速和空间阈值的随机分布能够体现出驾驶员的个体驾驶行为特性。德国k a r l s m h e 工业大学进行了多次实地测试以校准该模型的参数。定期进行的现场测试和模型参数更 新能够保证驾驶行为的变化和车辆性能的改善在该模型中得到充分地反映。在多车道路 段上，v i s s i m 允许驾驶员超越本车道的两辆前车，也允许其超越邻近车道的两辆车。 v i s s i m 通过在路网中移动“驾驶员车辆单元”来仿真交通流具有特定驾驶行为的 驾驶员被分配给特定的车辆，驾驶员的驾驶行为与车辆的技术性能一一对应。v i s s i m 采取三种方式描述驾驶员车辆单元”的特征属性： a 车辆的技术参数 a ) 车辆长度 b ) 最大车速 c ) 可能的加速度 d ) 路网中所处位置 e ) 实际车速和加速度 b 。驾驶者车辆- 单元”的行为 a ) 驾驶员的生理一心理反应阀值 b ) 驾驶员的记忆力 c ) 基于当前车速和驾驶员目标车速的加速度 c “驾驶员车辆单元”的内在联系 a ) 本车道和邻近车道的前车和后车 b ) 当前车辆所处路段和下一个交叉口 c ) 下一个交通信号 2 ) 换道模型 在v i s s i m 中当驾驶员试图变换车道时，首先需要寻找合适的空档( 车头时距) 。 空档的大小由变道车辆的车速、变换后车道上的紧随车辆的车速和强制减速度决定。 v l s s i m 中有两种车道变换的类型： a ) 必要车道变换对于行驶路径引起的车道变换，将其定义为强制性车道变 北方工业大学硕士学位论文 换，需要设置交道车辆和变换车道上的紧随车辆的临界减速度。减速度的范围由最大减 速度和可接受的减速度定义。此外，还需定义最大减速度的衰减率。 b ) 自由车道变换允许车辆在任何车道上超车 3 ) 发车模型 。 v i s s i m 的发车模型服从泊松分布，详见公式( 1 ) 。 。 用户可以定义不同时间进入路网的交通流量。输入交通流量与路段和时间间隔有 关。在某一时间间隔内，车辆进入路段的规律服从泊松分布。若定义的输入交通流量超 过了路段的通行能力，车辆将在路网外部“堆积静当“堆积一的车辆无法在定义的时 间间隔内进入路网时，v i s s i m 将产生一条错误信息，同时写入日志文件( 神，并在 仿真运行结束时通知用户。 4 ) 路网模型 v i s s i m 可以用于各种尺度的网络分析，从单个交叉口到整个大都市区域。在这些 交通网络里，v i s s i m 能够模拟各种功能等级的道路，从高速公路( 汽车专用道) 到支 路。v i s s i m 的模拟网络中还包括公交系统，自行车和行人许多在道路交通系统中通 用的和独特的几何状况和运行状况v i s s i m 都可以模拟出来。 5 ) 车辆类型 、 v i s s i m 包括无数量限制的车辆种类，因而用户可以模拟各种类型的多方式交通运 行。这些车辆种类包括小汽车，货车，配备路径引导系统车辆，公共汽车，重轨车辆， 轻轨车辆，自行车，轮椅，行人甚至飞机。 6 ) 信号控制模型 v i s s i m 可以模拟具有各种交通控制形式的交叉口，其中包括具有让行标志、停行 标志、信号灯控制以及上述三种形式结合使用的交叉口v i s s i m 与其他模拟软件的区 别就在于它能够模拟所有信号灯控制的形式，灵活非常大。以下列举了一些在v i s s i m 里模拟信号灯控制的方法： a ) 固定周期预先定义的信号灯配时 b ) 激活型的( 通过一个n e m a 图形用户界面) c ) 用户通过v i s s i m 的v a p 宏语言编制的自定义信号灯控制流程 d ) 通过信号灯控制固件( 虚拟的信号灯控制器) 提供的界面来模拟，这样的固件 比如西门子的n c x r p h a s e , t r a f f i cl a n g u a g e , d 4 ，v s - p l u s 和v i a l i s e ) 通过一些适应性算法软件的界面，如p e e k ss p o t u t o p i a , s c a t s 和s c o o t r s 4 8 5 系列与外部控制器的沟通 北方工业大学硕士学位论文 f ) 通过m x c a i n c i d 2 提供的界面可以使得v i s s i m 和信号灯控制器直接联系起来【刀 从以上可以看出，v i s s i m 仿真软件作为微观交通仿真模型，对交通元素的细节描 述程度比较高，在同类的仿真模型中应用比较广泛，非常适合在它的基础上再次开发适 合我国国情的交通仿真系统。 2 4 本章小结 上文中提到的v i s s i m 交通仿真软件是一套微观仿真模拟软件，是p 1 v 推出的系 列软件的一部分。自1 9 9 2 年进入市场以来，v i s s i m 已经成为模拟软件的标准，其投入 的深入研发力量和世界范围内的大批用户保证了v i s s i m 在同类软件中处于领先地位。 不仅如此，p 1 v 首次提供了一套完整的交通分析软件，使得微观仿真和宏观战略交通规 划需求模型结合在了一起。它是一个可模拟多方式交通流的最强大的工具，不仅可以模 拟小汽车、货车、公共汽车，还可以模拟地铁、轻轨、自行车和行人。v i s s i m 灵活的 网络结构可以模拟在交通系统中的任何一种几何特性的路段，任何一种驾驶行为。 v i s s i m 仿真软件的灵活性使其成为很多用户的首选软件，被广泛应用，是评价交通工 程设计和城市规划方案的有效工具。 北方工业大学硕士学位论文 3 城市交通控制在线仿真系统 3 1 交通控制在线仿真系统的概念 交通控制在线仿真系统是指采用专门的接口技术和设备，将仿真系统与真实的交通 现场设备连接起来，通过对真实交通现场车辆信息及信号控制系统数据的收集与仿真， 真实地再现交通现场，实时预测交通状况，从而进行交通控制和交通诱导。这种方法克 服了现有交通控制系统测试评估方法的低准确性、低效率、高成本、评估指标不全面等 的不足，提供了一种基于仿真技术的新型测试，评估方法。这种方法通过仿真系统、接 口系统不仅能够仿真各种复杂的交通现场，同时能够利用接口数据对各种交通控制系 统、各种控制方法与策略进行评估。 交通控制在线仿真系统是一个城市道路交通微观仿真软件系统，能够为城市道路几 何设计、交通控制与管理方案设计、交通流理论研究及交通工程人员培训等提供一个直 观、高效、灵活的实验和测试平台。 交通控制在线仿真系统由以下几个模块组成：v i $ $ i i v i 仿真系统、交通信号控制系 统( s c o o t ) 、仿真系统控制软件。其工作原理图如图l 所示： 信号控制机 实时交通数据采集 j 接口设备 厂古膏岔栖r 真实交通 古膏岔栖 1 检测数据 件 l 放h 认。r 。信号 、， o l l 土、 仿真控制软件 工 仿真系统 图l 交通控制在线仿真系统原理图 北方工业大学硕士学位论文 3 2 交通控制在线仿真系统的体系结构 3 2 1v i s s i m 仿真软件 在上一章中提到，v i s s i m 是一种微观的、时间驱动、基于驾驶行为的仿真建模工 具，用以建模和分析各种交通条件下，城市交通和公共交通的运行状况。在选用交通控 制在线仿真系统的仿真平台时，通过对目前仿真软件的比较，本系统选用了v i s s i m 作 为仿真平台。 v i s s i m 是在数十年里各高校研究所的各种不同研究成果基础上开发的。其核心的 算法是有详细的激励。它开发的截面为其他外界的软件提供了很好的兼容性。它的路段 连接结构方式允许它结合车辆运动轨迹完成多种变化的仿真。其精确度可达到0 1 s 。 v i s s i m 特别适合于模拟多种交通控制系统，并提供了与外部交通控制策略的接口，它 还可应用于感应式的信号控制的设计、检验和评价，公交优先方案的通行能力分析和检 验，收费设施的分析，匝道控制运营分析等。v i s s i m 软件对i t s 的模拟通过其v a p 进