（模式识别与智能系统专业论文）一种微观交通仿真模型研究及设计.pdf

摘要 当今社会，交通拥塞日益严重已经成为制约经济发展的主要因素之一。为 了在现有道路条件下实施交通规划和控制，在路网出现拥挤的情况下进行交通 诱导和事故处理，必须对交通流的特性有清楚的认识。然而交通系统是一个动 态的复杂大系统，具有结构复杂、影响因素多、开放性强、随机等特点，研究 分析这样的系统很难采用现场实验的方法。微观交通仿真为交通系统的研究提 供了新的有效工具。 本文以城市道路交通微观仿真建模和相应的仿真软件系统开发为研究重 点，论文主要工作如下： 1 分析了国内外微观交通仿真系统的相关研究，并结合国内交通的特点， 建立了微观交通仿真模型框架，包括：道路设旋模型、驾驶员一车辆a g e n t 模 型、车辆产生模型、交通流分配模型。 2 在交通系统中，驾驶员一车辆单元是主体。本文建立了驾驶员，车辆分 离的模型，其中对驾驶员建模是重点，通过理论分析、经验统计和实测数据， 分析了驾驶员的驾驶舒适度包括：期望加速度和期望减速度，并从新的视角建 立了驾驶员的行为模型；跟驰模型、换道模型和交叉口反应模型。 3 本文基于v c n e t 平台，利用a g e n t 的方法，开发了微观交通仿真器。 由于仿真模型是否恰当，直接影响了微观交通仿真器的实用性以及正确性，本 文的最后研究了仿真模型参数的标定，以及模型有效性的评价，并提出了评价 路段模型和交叉口模型的可行方法。 关键字：微观交通仿真，驾驶员一车辆a g e n t ，跟车模型，换道模型，反应 模型，模型评价。 a b s t r a c t u r b a n a f f i cc o n g e s t i o nh a sb e c o m em o t ea n dm o r es e r i o u sn o w a d a y s ，a n dh a s b l o c k e de c o n o m i cd e v e l o p m e n t t oi m p l e m e n tt r a f f i cc o n t r o l ，t r a f f i cl a y o u t ，t r a f f i c g u i d ea n da c c i d e n tm a n a g e m e n t , i ti sn e c e s s a r yt oc o m p r e h e n dt r a f f i c f l o w c h a r a c t e r i s t i c h o w e v e rt r a 赶i cs y s t e mi sd y n a m i c ，c o m p l e x , o p e na n dr a n d o m s oi t i sd i f f i c u l tt os t u d yt r a f f i cf l o wb ye x p e r i m e n ti ns i t u t h em i c r o s c o p i ct r a f f i c s i m u l a t i o no f f e r san e wa n dl e a s i b l em e a n s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nm i c r o s c o p i ct r a f f i cm o d e l i n ga n du r b a n m i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e m t h em a i nw o r k i sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c ho fm i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e mi sr e v i e w e df i r s t l y t a k i n gt h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c si no u rc o u n t r yi n t oc o n s i d e r a t i o n ，w ei n v e s t i g a t et h e f r a m eo f m i c r o s c o p i c t r a f 矗cs i m u l a t i o nm o d e l i n c l u d i n g ：r o a d m o d e l d r i v e r - v e h i c l ea g e n tm o d e l ，c a r - c r e a t i n gm o d e la n df l o w - d i s t r i b u t i o nm o d e l 2 d r i v e ra n dv e h i c l e ，t h em a i nb o d yo ft r a f f i cf l o w , a r em o d e l e dr e s p e c t i v e l y , t h e r e i n , d r i v e rm o d e li se m p h a s i z e d a c c o r d i n gt ot h e o r ya n a l y s i s ，e x p e r i e n c e s t a t i s t i ca n de x p e r i m e n t a ld a t a , w ea n a l y z ed r i v e r sc o m f o r t a b l ed e g r e ed u r i n g d r i v i n gp r o c e s si n c l u d i n g ：e x p e c t a n ta c c e l e r a t o ra n dd e c e l e r a t o r d r i v e rb e h a v i o r m o d e l ：c a r - f o l l o w i n gm o d e l ，l a n e - c h a n g i n gm o d e la n di n t e r s e c t i o nr e a c t i o nm o d e l a l ec o n s t r u c t e db yan o v e lw a y 3 am i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t o ri sd e v e l o p e db a s e do nv c n e tu s i n ga g e n t m e t h o d b e c a u s et h es i m u l a t i o nm o d e l si m p a c t0 nt h es i m u l a t i o np r e c i s i o n , t h e c a l i b r a t i o no ft h em o d e lp a r a m e t e r si ss t u d i e d ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h em o d e li s e v a l u a t e d af e a s i b l ea p p r o a c hi sp r e s e n t e dt oa s s e s ss e g m e n tm o d e la n di n t e r s e c t i o n m o d e l k e y w o r d s ： m i c r o s c o p i c t r a f f i c s i m u l a t i o n ；d r i v e r - v e h i c l ea g e n t ； c a r - f o l l o w i n gm o d e l ；l a n e - c h a n g i n gm o d e l ；r e a c t i o nm o d e l ；m o d e le v a l u a t i o n n 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 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也遵守此规定。 作者签名： 垒墓 卿年月二日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义“儿2 嗍 当今社会，交通运输与社会经济生活的联系越来越紧密，成为经济生活中 最为关键的要素之一然而随着世界各国的汽车保有量不断上升，路网通行能 力越来越不能满足交通量增长的需要，由此引发的交通拥堵、交通事故、环境 污染以及能源浪费日趋严重，直接影响了人们的生活质量和经济的高速发展。 交通问题现己成为全球共同关注的社会问题之一，而且越来越多的实践表明仅 仅依靠修建更多的道路无法从根本上解决交通问题。上个世纪9 0 年代提出了“智 能交通系统”( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 的概念即应用信息技术和自 动控制技术向道路使用者及交通管理者提供帮助和服务的系统。i t s 的提出是交 通运输进入信息时代的重要标志，也是2l 世纪交通运输的发展方向。建设i t s 将有望解决城市道路和城市间高速公路拥挤，提高道路通行能力，提高安全性， 减少环境污染和能源消耗等问题。 近年来，信息技术的高速发展使得“智能交通系统”不再仅仅是一个概念， 在改善交通上发挥越来越重要的作用。尤其是系统仿真技术的发展为解决一些 交通问题提供了崭新的视角。在交通仿真技术出现之前，交通工程师多采用经 验方法和数学分析方法来分析交通现象。然而交通系统是一个典型的复杂系统， 系统内要素的状态以及相互作用规律受多维随机因素的影响，往往难以用经验 模型或数学分析模型来准确的描述。传统的交通分析方法局限性在2 0 世纪6 0 年代计算机的交通信号控制系统出现以后显得尤为突出，当时的交通工程师们 希望找到一种更有效的交通分析方法来优化交通控制的信号参数设计，从而开 始了交通仿真的研究，相对于传统的数学分析方法，交通系统仿真技术具有如 下优点： l 不需要真实系统的参与，因此具有经济方便的优点，特别适用于尚不存 在的、规划中的交通系统的研究。 生冒抖堂撞苤盘堂硒土兰位迨童 箍! 童缝：| 金 2 通过系统仿真，能清楚的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。 一 3 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，因此既可以 进行实时仿真也可以进行非实时仿真。 4 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，可以开展道路交通事故仿真研究等。 5 能重复提供同样的道路交通条件，从而可以对不同的规划设计方案进行 公正的比较。 6 能不断改变系统运行条件，从而可以预测道路交通系统在各种情况下的 行为。 7 能够随时间和空间改变交通需求，从而对道路交通拥堵做出预报。 8 能够处理相互影响、相互作用的复杂的排队过程。 交通仿真与其它交通分析技术，如通行能力分析、交通流模型、排队理论、 需求分析和交通流预测等结合在一起，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以产生优化的方案。 交通仿真中最重要是对交通各要素的建模。好的仿真模型可以大大提高仿 真效率以及仿真精度，使得交通仿真在分析交通流的运动变化规律、交通拥阻 的成因和传播、交通基础设旖和控制策略对交通流的影响等问题上发挥重要的 作用。因此，在过去的五十年里，出现了大量的交通流理论和模型。根据对研 究对象描述的程度不同，交通仿真模型可分为微观模型、中观模型和宏观模型。 早先的研究往往集中在宏观模型上，随着信息科技的发展，计算机的运算速度 以及存储技术飞速提高，使得微观仿真成为了研究热点。微观模型能在单车级 上模拟人一车一路的相互作用，再现交通流的真实状态，描述各种交通控制策 略的实施过程。仿真所得到的各种数据可用于对交通状况的分析、预测，对交 通管理控制方案进行评估。而宏观交通仿真软件，通常只能从整体上对城市现 有路网的通行能力和服务水平进行分析、评价。 目前，全球已有一百多个微观交通仿真模型，r e # l , 也几十种商业化的微观 交通仿真软件和仿真器，但是国内在微观交通仿真软件方面起步较晚也比较落 后。在交通仿真的应用方面较多的是引进国外成熟的仿真软件如：v i s s i m 和 2 生凰抖堂拄苤本堂亟兰僮监塞 苤! 童结逾 p a r a m i c s 等。但是每个国家的城市规划、交通设施、人口素质等都不尽相同， 不能完全依赖于国外的技术。所以中国要发展i t s ，在吸取国外的先进技术的同 时，还必须立足于本国的国情开发适合我国实际交通状况的模型、理论和方法， 而这里的交通仿真器的开发和应用就是一个重要的环节。 1 2 微观交通仿真在国内外的发展概况 1 2 1 微观交通仿真在国外的发展概况“埘 国外道路交通系统仿真研究基本上经历了3 个较为明显的发展阶段： 第一阶段2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初，为诞生期。 早在1 9 4 9 年，m a s i m o w 和d l o e r l o u g h 便提出了对交通流进行模拟的 建议，随后这种建议得到了很好的实施和扩展。而最早的工作是英国道路研究 实验室( r o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 于1 9 5 1 年完成的交叉口交通仿真。在美国， 第一份关于交通仿真的研究报告发表于1 9 5 3 年，介绍了加利福尼亚大学洛杉矾 分校关于交叉口和高速公路的交通仿真模型。紧随其后，密歇根大学进行了交 叉口仿真：在菲尔科进行了主干道交通仿真。但是，上述的工作大多讨论的是 如何进行交通流仿真，直到大约1 9 6 0 年，用仿真技术研究交通流状态的可能性 和可行性才得到普遍承认，并且开始开发一些交通仿真软件。 第二阶段2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，为发展期。 交通仿真技术在2 0 世纪六七十年代得到了迅速的发展，这期间，发表了大 量的论文和专著。在美国，g e r l o u g h 和c a p e l l e 于1 9 6 4 年出版的交通流理论 导论，其中一章专门论述了交通流仿真。1 9 6 7 年，f o x 和l e h m a n 在交通季 刊上发表了一篇科学技术发展动态的文章，介绍了交通系统方向的发展情况。 在欧洲，w i e d e m a n n 于1 9 7 4 年所著的道路交通流的计算机仿真一书，该书 系统的介绍了交通流仿真方法即其模型介绍。这期间出现了以n e t s i m 、 f r e s i m 、a i m s u m 2 ( 早期版本) 等为代表的一批仿真软件。 生圄挝堂越丕左主亟堂擅j 幺塞基! 童缝j 金 第三阶段2 0 世纪9 0 年代至今，成熟期。 这一时期，随着i t s 的概念的提出。各国对i 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，道路交通仿真研究达到 了前所未有的高潮，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， 见表l i 。 这一时期，交通仿真技术的发展呈现如下特点： l 系统建模开始突破微观模型和宏观模型的界限，出现了混和模型。 2 仿真软件开始向大型化，综合性方向发展。 3 研究重点从软件开发逐渐转向了系统模型的改进包括模型的精练，如加 入优化予模型和加入有效性测定，仿真模型集成、向个人计算机移植等等。 4 新的计算机技术开始用于交通系统仿真，主要表现在仿真界面更加友好， 人机交互更加方便。 表l 一1 交通仿真软件总览表 4 主屋魁望鼓垄鑫堂亟芏篮监塞簋l 童蟹逾 1 2 2 微观交通仿真在国内的发展概况州。m 町 与国外相比，国内在道路交通系统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、北京工业大学、哈尔滨工业大学、交通部公 路科学研究所等一批科研院所开始进行探索性的研究并取得了一定的成果。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，交通系统仿真技术在我国的应用只有十几年的历史，还远没有被广 泛接受，并且从已经做过的工作来看，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交通仿真系统软件。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，但是由于国情的不同， 也没有得到满意的结果，开发国产化的道路交通仿真软件已是必然的趋势。 1 3a g e n t 技术在微观交通仿真中的应用m ”儿” 目前，面向对象技术己成为仿真模拟中主要的开发方法，以其特有的类、 对象、继承、封装、消息传递等机制，实现对客观事物的有力描述，实现问题 分析与处理的统一，大大提高了开发效率。然而，随着开发的不断深入，人们 逐渐发现传统的面向对象技术存在缺陷：缺少自主性和主动性，在描述有生命 或者有行为的智能实体时显得无能为力。而a g e n t 技术弥补了面向对象技术的 不足。因此，a g e n t 技术便成为了交通微观模拟的首选。 a g e n t 是面向对象开发方法的高级形态与发展，是由具有知识、信念、意向、 期望等因素组成的一个实体，具有自主性与交互性的特点。它可以感知系统环 境的变化，并对这种变化做出自主的反应。该技术具有以下特点： ( 1 ) 自治性：a g e n t 能根据外界环境的变化，而自动地对自己的行为和状态 进行调整，而不是仅仅被动地接受外界的刺激，具有自我管理自我调节的能力。 生国越堂蕴垄太堂亟兰岔监窑蒸! 童缝逾 ( 2 ) 反应性：能对外界的刺激做出反应的能力。 ( 3 ) 主动性：对于外界环境的改变，a g e n t 能主动采取活动的能力。 ( 4 ) 社会性：a g e n t 具有与其它a g e n t 或人进行合作的能力，不同的a g e n t 可根据各自的目的意图与其它a g e n t 进行交互，以达到解决问题的目的。 ( 5 ) 进化性：a g e n t 能积累或学习经验和知识，并修改自己的行为以适应新 环境。 考虑到单个a g e n t 能力的有限性，在实际应用中常用的是m u l t i - - a g e m 系 统将各种具有不同能力的a g e n t 结合起来，通过它们之间的相互作用，共同 完成问题的解决，交通系统就是一个典型的m u l t i - - a g e m 系统，其中最典型的 智能体就是驾驶员一车辆a g e n t 。 在智能交通系统的研究过程中，软件部分是整个系统的核心与灵魂，如何 运用软件技术进行交通工程的设计开发，使各个系统间相互配合协作，是目前 进行智能交通研究的一个薄弱环节。a g e n t 技术的出现为这问题的解决提供一个 崭新的思路。a g e n t 作为最新的软件开发方法及人工智能领域的最新研究成果， 是人们在认识上的一个飞跃。面向a g e m 的微观交通软件的开发，将交通这一 复杂的系统分成多个子系统，予系统之间相互协调相互作用，使得整个系统的 结构更加清晰，实现更加容易。 1 4 本文主要的工作 本文从微观角度对交通系统进行研究，通过理论分析、经验统计以及实际 的g p s 数据建立了交通系统各个要素的模型，并在v c n e t 平台上开发了微观 交通仿真器，实现了人一车一路一体的微观交通仿真系统。主要包括以下几个 部分： 第一章研究的背景和意义，交通仿真在国内外的发展状况，以及a g e n t 技 术在微观交通仿真软件中的应用。 第二章微观交通仿真中的模型，如道路设施模型、车辆产生模型、交通流 分配模型。 6 虫旦拱兰拄丕走差殛芏焦监毫 簋! 童缮垃 第三章对驾驶员一车辆a g e n t 进行建模，包括驾驶员建模和机动车建模。 第四章基于a g e n t 思想的仿真器的实现，并研究了微观交通仿真器的模型 参数校正和模型评价方法。 第五章总结与展望 7 第二章微观交通仿真中的模型 2 1 微观交通仿真建模特点 微观交通仿真建模需要多学科的知识，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，并且需要对所研究的道路交通系统有充分的 了解。交通系统仿真技术对模型有着极强的依赖性，而要建立系统模型就必须 要对真实系统进行简化和抽象，这必然要引起某种程度上的“失真”。事实上， 这正是系统仿真的固有缺陷，对于道路交通这样一个随机的、动态的、复杂的 大系统，这一问题显的尤为突出。正如美国系统科学家z a d e h 在著名的“不相 容定理”中所指出，复杂性和精确性是相互矛盾的，随着系统复杂性的增加人 们对其进行精确描述的能力就要下降，直至达到这样一个阈限，即精确的描述 失去了其意义。在这种情况下，人们只能寻求某种“折衷”的办法，在精确性 和有效性之间达成某种妥协【l 】。所以在交通仿真建模的时候要兼顾精确性和有 效性，不要求每个模型都做到面面俱到，重要的是使得交通仿真能在一定的程 度上反映感兴趣的交通现象。 交通系统的形成是由交通参与者个体行为集聚效应的结果，微观交通建模 的重点正是对交通参与者个体行为的建模，主要集中在辨认触发固定动作模式 的特殊环境刺激上。但是人对刺激的反应受到各种原因的影响如心理，生理， 以及与当前环境相关的思想意识，这导致每个驾驶员的交通行为具有很大的波 动性。所以微观模型的建立仅仅从数学解析角度以及车辆动力学角度来建立是 不可行的。因此本文对驾驶员建模时结合理论分析，充分考虑了与驾驶员心理、 生理特性相关的经验事实以及统计数据，而将机动车的机械性能放在了次要的 位置。 8 中国科学技术大学硕t 学位论文第二章微观交通仿真中的模型 2 2 城市微观交通仿真模型框架 微观交通仿真在计算机上再现路网上行驶的每一辆车从产生( 进入路网) 、在 路段上行驶、通过路口、直至驶离路网的全过程，同时记录该过程中的主要数据 和参数，如车辆的行驶速度、旅行时间、等待时间、路段的流量、路口的通过量 及等待队长等，并给出最后的仿真结果。 框架。最基础的是交通道路设施模型， 图2 一l 显示了城市微观交通仿真模型 在此之上是交通参与者驾驶员一车辆 a g e n t ，为了产生驾驶员一车辆a g e n t 需要发车模型，a g e n t 之间相互协调相互 作用形成了多a g e n t 系统，驾驶员一车辆a g e n t 有序开往目的地的需要通过交 通流分配模型。最后驾驶员一车辆a g e n t 的集聚效应产生了宏观交通流。 产生单十 多a g e n t 系统 图2 - - 1 城市微观交通仿真模型框架 2 2 1 道路设施模型 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。包括 硬件设施和软件规则。硬件设施描述了道路的几何特征、车道划分、信号灯设 置等。软件规则包括交通规则、车速限制、车型限制、信号灯配时等。对于微 观交通仿真，道路设施模型不仅仅是简单的几何图形的记录和表现，更重要的 9 中国科学技术大学硕士学位论文第二章微观交通仿真中的模型 是还起到交通仿真载体的作用，通过有效的数据组织，道路设施模型必须主动 和高效地体现对动态实体即驾驶员一车辆a g e n t 运行的约束，提高仿真运行效 率。因此本文建立了基于双坐标道路设施模型。 一、道路坐标系表示 如图2 2 ，其中一个坐标系为普通的屏幕坐标即世界坐标，原点固定，x 方向向右，y 方向向下，用来确定道路的位置、区域、形状、车辆在仿真区域中 的位置等。另一个坐标系为相对坐标系，坐标的表示为( 到路段弯道起点的距 离，所处车道编号) 。驾驶员一车辆单元、信号灯等在仿真中需要计算相对位置 关系的用此坐标系。相对坐标系的使用，简化了在跟驰、换道和信号灯反应模 型中的计算。这主要是考虑到微观仿真中的驾驶员一车辆单元不关心其在世界 坐标的位置，它时刻关注的是周围的环境即：与前车的距离、与前方信号灯的 距离、与相邻车道上车辆的相对位置关系等。因此采用双坐标系使得仿真的效 率得到了提高，也比较符合微观车辆的描述。 y 眦o 。：味 r l i 广1 ( 3 x 1 ) x + _ + x t 一x z 一 图2 2 道路坐标系的表示 二、道路交通规则 交通规则从某种意义上说是对驾驶员驾驶行为的一种限制，要真实地反映 车辆的行驶状态，必须建立准确的交通规则。城市交通规则主要有车道转向限 制、车道车辆类型限制、车道限速、优先原则等。这些规则往往落实到车道的 使用特性上，因此可以通过车道属性来反映。 三、交叉口信号灯 信号灯在是城市交通中不可或缺的重要组成部分，它起到将冲突的车流有 序放行的作用。在本文的交通设施模型中，信号灯属于车道，行驶在本车道的 i o 中国科学技术大学硕士学位论文第二章微观交通仿真中的模型 驾驶员一车辆a g e n t 要遵守本车道的信号灯。通过路口信号机将路1 2 1 的信号灯 统一组织起来。信号灯组织结构如图2 - - 3 所示：每个信号灯物理上属于车道， 逻辑上属于信号机，信号灯的配时由信号机统一配置，每个交叉口信号机又属 于信号机总控设备。单个路口的信号优化可以在交叉口信号机上实现，线控和 区域控制可以从总控信号机实现。 图2 3 交叉口信号灯组织结构图 2 2 2 车辆产生模型1 2 1 1 3 1 伽 在仿真系统中，车辆的进入仿真区域具有不确定性，这种不确定性主要体 现在4 个方面：到达的时间、到达的速度、车辆的类型以及司机的行为特征。 要真实地再现车辆的运动过程，首先必须解决如何能够比较准确地描述这种不 确定性。 1 1 车型随机 设车辆中大型车的百分比为p 1 小型车的百分比为p 2 ( 还a - - 根据实际倩况 加入其它车型) ，假设p l p 2 ，p l + p 2 = 1 ； 下面用随机变量x 表示车流中车型出现的情况，x = 0 表示大型车，x = l 表示小型车，于是随机变量x 的概率密度函数为： 中国科学技术大学硕士学位论文第二章微观交通仿真中的模型 厂( 工) = 【p ， x z = ：l o ) ：- - p ：2 ( 2 1 ) 随机变量x 的概率分布函数f ( x ) 为： f 0 x o f ( 工) = p l 0xl(2-2) l p l + p 2 1 x 2 设u ( x ) 为o l 之间的随机数，则： 0吲u(x郴) 数据获得容易，只需要获得进入交叉口的交通流量，以及交叉口左转、 直行、右转车流的比例，并且获得的数据直接就是仿真器的输入。 由于能获得实际的交通流数据，因此便于将微观交通仿真输出的数据与 实际数据对比，在一定程度上对微观模型适用性进行评价，也有利于对 模型参数的调整。 算法实现： 对于某一交叉口c 1 ，已知交叉口总流量f ，左转、直行、右转占交叉口总 流量的百分比为p 1 ，p 2 ，p 3 并且p l + p 2 + p 3 = l 。 1 ) 经过发车模型产成驾驶员一车辆a g e n t a ； 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文第二章微观交通仿真中的模型 2 ) 下面用随机变量x 表示a 的转向，x = 0 表示左转，x = l 直行，x = 2 右转。由上节介绍可得： ， a 为左转 a 为直行( 2 - - 1 1 ) a 为右转 其中u ( x ) 为o 一1 之间的随机数。 由式( 2 1 1 ) 得到驾驶员一车辆a g e n t a 在本交叉口的转向，并根据车道 的属性( 如是左转车，必须走左转，直行左转和转向任意的车道) 获得局部路 径，往下一个交叉口方向行驶。 3 ) 当a 被投递到下个交叉口c 2 ，a 根据当前交叉口分流比例决定下一个 交叉口，重复步骤2 ，如果到了路网的出口，则直接从仿真区域消失。 流程图如图2 4 所示。 图2 4 交通流分配流程图 叩组 嚣出以 础k h 伸 中国科学技术大学硕士学位论文第二章微观交通仿真中的模型 2 3 本章小结 本章主要介绍微观交通仿真系统建模特点、模型框架，并建立了交通仿真 中几个重要的辅助模型：基于双坐标系的道路设施模型；基于爱尔朗分布的发 车模型：基于交叉口转向的交通流分配模型。驾驶员一车辆a g e n t 模型将在下 章进行详细介绍。 1 6 第三章驾驶员一车辆a g e n t 模型 3 1 驾驶员一车辆a g e n t 特性建模 本文建立的仿真系统中，车辆的建模思想是基于驾驶员、车辆分离的，即 从驾驶员和车辆两个角度把驾驶员一车辆建模分为执行机建模和决策机建模两 个部分，执行机逻辑上作为决策机的操作对象属于决策机的一部分。车辆的执 行机模型是基于车辆动力学理论决策机从路网和周围交通参与者等外界环境 接受刺激，根据相应的解决方案做出反应输出转向角、加速度给执行机，执行 机再根据动力学公式决定车辆下一时刻速度、步长。这种建模思路的优点在于： 当考虑更多的车辆驾驶行为和行驶状态，决策机模型要做变动更改时，执行机 模型几乎不做什么修改就可以实现决策机和执行机的对接，从而提高了模型的 可维护性和建模的层次感。本节就执行机和决策机各自的特点进行分析，并分 别建立模型。 3 1 1 驾驶员( 决策机) 建模 1 驾驶员个性 本文将驾驶员个性分为：冒险型、正常型、谨慎型由驾驶员个性因子量化。 谨慎型驾驶员在跟驰中往往采用较大的跟车距离，车速稳定。而冒险型的驾驶 员，喜欢保持较紧密的跟驰，车速控制不稳，是造成交通流不稳定的主要因素。 2 驾驶员驾驶舒适度 虽然现在的机动车在加减速性能上得到了极大的提高，但是从人的心理和 生理角度出发，突然的速度变化会使得驾驶员感到不舒服，所以驾驶员在驾驶 时，往往以舒适度为前提，采用舒适的加速度和舒适的减速度对车速进行控制， 而将车辆的性能放在次要的位置【1 8 l 。从一些实际测得的数据f 1 9 】【2 0 】也可以看出实 中国科学技术大学硕 ：学位论文第三章驾驶曼一车辆a 鲫t 模型 际的驾驶中，驾驶员加减速都比较小。v i s s h n 在其软件中给出的3 种典型机动 车加减速特性参考值如表3 1 。 表3 1v i s 8 i m 中3 种典型机动车加减速特性 下面本文就行驶中的期望加速度和期望减速度进行建模。 行驶中的期望加速度 实际的加速度，尤其在交通流中，通常要比车辆的性能低很多( 相对于启 动) 。在4 8 k m h 或更高的速度下，舒适的加速度范围是o 6 0 ，7 m s 2 口。而且实 验发现，在自由状态下车辆的启动加速模型是一个匀变速的过程，以桑塔纳为 例，根据其基本的性能参数，该车0 , - - 1 0 0 k m h 的加速时间应小于1 3 9 s ，而实际 上车辆完成整个加速过程的时间约在6 0 9 0 s 的范围内。这说明在加速过程 中，由于前方没有障碍和其他车辆的干扰，司机有充分的时间和空间进行加速， 加速过程应以司机的舒适程度为前提，而且根据车辆的机械性能可知，速度越 高加速性能越低，在车辆的速度接近稳定速度时，加速度随着时间的增加而减 少。当车辆达到稳定车速时，机动车的加速度为0 。所以本文建立了如下符合实 际统计数据的加速度模型： a + = 2 a o 上 l ：，( 3 - i ) v m 。 其中a + 为当前的期望加速度，_ 。为车辆设计最大速度和车辆的机械性能 相关，v 为当前的速度，为启动时的初始加度。由实验数据得一般为0 4 8 1 3 8 6 r n s 2 埔】城市中的车辆根据车型一般为ll i l ，s 2 左右，五为驾驶员个性因子。 设以址为仿真周期，下一个周期的机动车速度为： 1 8 中国科学技术大学硕士学位论文第三章驾驶员一车辆伽t 模型 l = 砜( 址皿+ ；( 3 - - 2 ) y “ 加速过程中仿真时间和速度的关系： ：弛f 乓芷) ；( 3 - 3 ) 一q 其中：g ：垒 丛生： “ 下面将建立的期望加速度模型和实际的经验和统计数据比较，来评价模型 的有效性。取一般情况a = 1 ，将嘞和v 眦分别取3 种典型的数据：嘞取o 8 ，1 ， i 2 ；m “取1 2 0 ，1 4 0 ，1 8 0 共有9 种组合，图3 1 给出了9 种组合的机动车加 速曲线图。 耄 肇 t 0 厂 ，一 。 一多 ，一一 ，- ， _ 一一 一一。f 厉荔爹 ，_ 一 ， ， 多 钐 髟 0 7 参 ， f i1 一a o = o 8 m ，s 2 v = 1 2 0 k r n h f 1 2 - - a o = o 8 m ，v = 1 4 0 k m h f 1 3 一a 0 卸8 m ，v = l $ o k m b _ f 1 4 一a o = l n 恤2 ，v m = 1 2 0 k r a h f 1 5 一a o = lr n s ，v m = 1 4 0 k m h f 1 6 一a o = l m ，s 2 ，v 。“= l s o k m h f 1 7 - - a 胆1 2 m ，s 2 ，v 眦= 1 2 0 k m h f 1 8 一a 0 = 1 2 n 如，v m “= 1 4 0 k m h f 1 9 一a o = 1 2 r n ，s ，v m “= 1 8 0 k m h 图3 1 机动车加速曲线图 1 9 二三二臼 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章驾驶员一车辆a g e n t 模型 由图3 一l 可得，以桑塔纳为例设计车速1 4 0 k m h ，从启动加速到1 0 0 k m h 的时间范围在( 6 0 9 0 s ) ，对于4 8 k m h 的舒适加速度范围是( 0 6 0 7 3 ) ，和前 文所述的经验统计数据较好的相符。 行驶中的期望减速度1 2 1 1 由于在交叉口或者交通控制设备前驾驶员可能需要停车，这些设备一般在 车辆开始减速前被辨识。车辆在跟驰过程中感觉离前车距离过近，也会采取减 速的措施，但是驾驶员通过较长时间的跟驰，对前车的行为有一定的预见性。 综上所述，实际的交通环境中驾驶员采取“挡墙式”的刹车极少见，驾驶员一 般通过踩制动踏板，以期望的减速度，不断的修正自己驾驶策略以保持安全并 快速的达到目的地。通常公认的最大“舒适”减速度是3 m s 2 。美国各州公路工 作者协会( 1 9 9 0 ) 提供了一个车辆接近交叉口时的速度变化图解说明，从这个 图中线性方法计算出的减速度为2 2 6 m s 2 。本文考虑了驾驶员驾驶舒适度和驾 驶员预见性刹车，给出了驾驶员舒适减速度的模型： a一=名+丽(3-4) 簖根据车型取值范围为( 2 3m s 2 ) 。 3 1 2 车辆( 执行机) 建模 车辆在一段时间内完成的移动( 即车辆的微观运动特性) ，可用车辆世界坐 标变化来表示。已知车辆现有位置的情况下，根据决策机给出的加速度以及转 向角的大小，计算出车辆新的位置并在仿真平面上输出，实现车辆在画面上的 移动。 车辆静态属性：车长、车宽、车型( 大型车、中型车、小型车等) 、颜色等。 运动性能：车辆运行时的步长： ， a d - - - - v * a t + t a a t 2 ( 3 5 ) 二 运动和纵向运动距离为： 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章驾驶员一车辆a g e n t 模型 i 厶= v c o s 晓”+ ! 口c o s6 i 2 e 。m 触+ 钮： ( 3 - 6 ) 最大期望速度p ，锄：即在路况良好，不受其它车辆影响的情况下的行车最佳 速度。 最大加速度：由车辆的机械性能决定，和当前车辆的行驶速度相关。 最大减速度：指车辆在当前路面上能够达到的最大减速度，和路面的摩擦 系数相关，一般为a g 。 3 2 跟驰模型 3 2 1 跟驰模型的研究现状翻 跟驰模型作为交通流理论的一个重要部分，对它的研究有助于深入了解交 通流特性。这种了解对于进行交通安全、交通管理、通行能力、服务水平等方 面的分析都有着重要的意义。 1 直接由跟驰理论出发，可以对交通流稳定性进行分析。交通稳定性有两 个涵义：一是指前后两车的速度大致相等，车间距离大体保持某一常数值，这 称为局部稳定性；另一是指在车队中某车的速度变化向后传播的特性，如速度 变化的振幅在传播过程中扩大了，叫做不稳定，如振幅逐渐衰弱，则称为渐进 稳定。对于稳定性的研究具有特殊意义，它有助于解释引起追尾事故和交通阻 塞的原因，同时也可用于对隧道和瓶颈路段车流特性的分析与改进。 2 跟驰模型的研究有利于自动智能巡航系统( a u t o n o m o u si n t e l l i g e n t c r u i s ec o n t r o ls y s t e m ) 的开发，对车辆的跟驰过程进行大量细致的研究，可以 保证自动控制的车辆在跟随过程中能安全而平稳地行驶。 3 其次，对于跟驰理论的研究可以了解车辆相互影响时的运行特性，确定 道路通行能力。在通行能力的理论分析过程中，通常以时间度量的车头时距和 空间度量的车头间距为基础，推导通行能力的理论分析模型。驾驶员对车头时 2 1 中蓐科学技术大学硕士学位论文 第三章驾驶员一车辆a g e n t 模型 距和车头间距的选择正是跟驰模型研究的核心问题。通过了解微观的车辆特性， 可以从机理上对通行能力进行分析，得出合乎情理的通行能力。 4 同时，由于跟驰理论从微观角度，对交通流中的每个驾驶员一车辆单元 的运动规律进行研究，它能定量地给出一些能反映驾驶员在前进过程中的行驶 自由性的指标( 如加速度干扰、单位里程较大幅度的制动次数等) ，这些指标能反 映出服务水平，对于将服务水平进行定量化描述有着一定的价值。 5 交通模拟是跟驰模型研究的另一重要运用。在8 0 年代后期以来所进行 的跟驰模型研究，基本上都是基于开发交通流仿真模型或是模拟驾驶的。跟驰 模型是微观交通仿真的核心，仿真的精度在很大程度上决定于跟驰模型的好坏。 现有的跟驰模型主要有以下几种： i 经典理论模型 1 1g m 模型【2 3 】 g m 模型是刺激一反应的一种形式即： 反应能力= 反应灵敏度激励因予 其一般的表达式为： a 。( r + r ) = c ，号糟 v 。一，( r ) 一v 。( r ) 】 。一， 其中： o + r ) 什t 时刻第n 辆车的加速度。 v t 时刻第n l 辆车与第n 辆车之间的速度差； 缸( r ) t 时刻第n 一1 辆车与第n 辆车之间的距离5 c , r n ，卜参数。 这个模型的基本假设为：驾驶员的加速度和两车之间的速度差成正比；与 车辆的车头间距成反比；同时与自身的速度也存在关系。g m 模型清楚的反映 7 车辆跟驰行为的制约性、延迟性及传递性。 g m 模型从2 0 世纪5 0 年代后期提出后，随后的1 5 年中学者们进行了许多 类似的研究，其主要的目的在于标定m ，l 的取值。表3 2 列出了各研究者给 出的g m 模型的参数组合。 中国科学技术大学硕士学位论文第三章驾驶员一车辆a g e n t 模型 2 ) 安全跟驰距离模型嘶】 安全距离模型也称为防撞模型( c o l l i s i o n a v o i d a n c em o d e l s ，简称c a 模型) ， 该模型最基本的关系并非g m 所倡导的刺激一反应关系，而是寻找一个特定的 跟驰距离，当前车驾驶员做出了一个后车驾驶员意想不到的动作，后车能及时 减速并防止碰撞。最初模型如式所示： a x ( t - t ) = 叫一i o d + 届( f ) + ，f 饥o ) + 6 0 ( 3 - - 8 ) 其中：a ，届，6 0 为参数。 安全距离模