（系统工程专业论文）基于GIS的微观交通仿真路网系统设计和实现.pdf

摘要 随着人类文明的发展，城市交通越来越成为人们同常生活中 至关重要的组成部分。然而，一方面，人们对交通条件的要求越 来越高；另一方面，交通管理水平却一直没能跟上需求的发展， 交通问题日趋严重，主要表现在道路交通拥挤、交通秩序混乱、 交通事故增多、交通引起的环境污染严重等。交通问题已经成为 影响社会经济发展、人民生活水平提高的一个重要制约因素。 城市微观交通仿真系统作为城市交通管理的辅助决策系统， 可以使城市交通管理更加合理，更符合一个城市的发展要求。仿 真路网作为交通微观仿真系统的基础，本论文对其进行了系统的 研究。在对真实路网结构理解的基础上，结合当前流行的g i s 技 术，对宏观路网、中观路网和微观路网进行了设计和定义，并根 据其他非路网模块和路网模块可能存在的交互，阐述了描述仿真 路网各组成元素的各种属性。最后根据前面对仿真路网的研究和 设计，使用面向对象技术进行程序设计和实现，结合v i s u a lc + + 和m a p x 实现微观交通仿真路网的生成程序。 关键每t 城索交通：微观模接；路两模銎；萄商怼象技术 a h s n a c t a b s t r a c t u r b 锄n 弛s p r t a t i o nm i c m s i 舢l a t i o ns y s t e mc a i lp r o v i d e 孤d e v a l u a t ev a r i o u sm 收m 廿蕊cm a r l a g e m e ma n dc o n t m ls 把疵g i e sf 撕 d e c i s i o nm a k e r ，觚dc 龃b r i n gi nt l l e u r b 蚰t r a n s p o r t a t i o n v i s i q na n dt e s tt i i e r ni nas i m u i a _ t i o na l v i m n i n c n tt 0s e ew h e t h e rs u c h s y s t e ms a 6 s f i 船m er e q u i 陀m e n to f l ec i 母d e v e l 叩m e mp l a n t h e f 0 w 1 d a n o no ft h e 扛a 哪删o nm i c 加s c 叩i cs i m u l a t i o ns y s 妞n r o a d n e t w o r ks i i 玎山a t i o n i sr e s e a f c h e ds y 蚍e m a _ t i c a l l yi nt h i s 娜r r0 nt h e b 鹪i so fl u l d e r s 锄d i n gt h es t c t i l mo f 也ea c t u a lm a dn e t 由o r l ( ，a c l a s s i f i c a l i o na n dd e 丘n i t 幻no f 珀c r om 甜n c l m f ka n dm i c r dr o a d n e t 、v o r k i s 百v e n ，a n d 也ep r o p e n i e so ft h ec o m p o n e n t so fr o a d r l e t 、v 0 【k 却d e s c r i b e d a tl a s tr o a d 蜘d 【d e v e l o p i n ga n de d i t t i n g s o f h a r c l a s b c 髓d e s i 俨e du s i n go 巧r i e n t 把c b j l o l o g y ，柚d c o m p i e t c du s i i l g s u a lc + + a n dm a p x k e n o i r d s - l 谊b a nt n m s p o r t ：班c r o s c d p i cs i m u l a t i o n ： t r a f f i cn e t 冒o r k ：o b 3 e c t 加r i e n tt e c h n o l o g y 第l 章概述 1 概述 1 1 论文选题背景 随着人类文明的不断发展进步，城市在不断发展扩大的同时 也出现了一系列的问题。仅就城市交通而言，由于城市人口和车 辆的急剧增加，道路不适应交通需求的矛盾日益尖锐。几乎世界 上所有的大城市都存在着道路拥堵现象，不仅使交通受阻、燃油 消耗增加，而且汽车排放出的大量尾气也加重了城市的大气污染。 交通运输系统日益恶化的拥挤状况和由此而产生的效率低 下、污染增加以及人们对车辆安全的关注，促使人们开始考虑是 否能用当今最新科技成果改善现有的交通状况呢? 基于这种想法 诞生了智能化城市交通控制系统，针对日益严重的交通需求和环 境保护压力采用先进的信息技术、通信技术、计算机技术、控 制技术和网络技术等对传统交通运输系统进行深入的改造，以提 高系统资源的使用效率、系统安全性，减少资源的消耗和环境污 染。 在处理城市交通问题，解决道路交通资源的有限性与持续增 长的交通需求的矛盾时，必须在适当扩展交通设施的同时，最大 限度的挖掘现有设施的潜力，提高交通出行及设施使用效率。为 此，人们采取了很多措施，比如建立面控系统、绿波带、制定单 行线、设定限制转弯标志、路口渠化等。然而，长久以来，这些 措施都只是基于经验与调查研究，缺乏必要的分析手段，城市道 路的设计也都是基于经验假设的交通流量情况进行的，其正确性 第l 章概述 及合理性必须在实际运行之后才能反映出来，不能及时有效的对 设计进行指导，如果设计上存在不合理，将对交通安全造成危害， 带来巨大的经济损失。因此，如何能在交通规划管理与控制方案 实施之前对其实施效果仿真、评价，变得越来越重要。城市交通 微观仿真系统就是在这样的基础上产生的。 1 2 论文的研究目标及意义 尽管国外的交通流微观仿真系统的技术已经比较成熟，但是， 现在已有的大部分交通微观仿真系统都是基于简单的计算机绘图 技术，存在着界面简陋，路网绘制不准确等缺点。随着g i s 的兴 起，g i s 应用技术渗透到各行各业中，在交通行业也不例外。本 课题的目的就是在微观交通仿真系统中集成g i s 系统，利用g i s 技术建立微观仿真路网，令路网的建立更加简单，建立的路网更 加准确美观，在尺寸、拓扑关系等方面更符合现实路网，为下一 步的微观交通仿真打下良好的基础，令仿真结果更加准确。 这样就可以给交通工程师做交通管理和交通设计时提供更可 靠的信息。从而提高路段或交叉口的实际有效通过能力，减少交 通事故，减少停车次数，保持车流稳定性；降低车辆排污，改善 空气质量：而且在经济上，能降低车辆能耗，挽回由交通事故和 出行延误带来的直接和间接经济损失；在制定交通管理策略时避 免作出错误的决策，造成交通情况恶化。 2 第2 章国内外研究综述 2 国内外研究综述 早在六十年代，英美等国家就已经开始城市交通微观模拟系 统方面的研究，随着计算机技术的发展，先后研制了若干可以进 行交通规划和分析的软件。特别是近几年来对基于交通行为理论 的一些微观动态交通分析模型研究的深入，已经有一些成熟的商 业化的城市交通微观模拟系统开发出来。例如：英国的f l o w s i m 系统( 1 】1 2 l 和p a 珊咀i c s 系统嘲、美国的t r 孤s 娜系统【4 l 、德国的 v i s s h 系统嘲、西班牙的a i m 观衄系统吼等。下面对国内外有关 交通模拟的相关理论及成熟的模拟系统做简单的介绍。 2 1 国外微观交通仿真研究 迄今为止，国外开发的微观交通仿真软件大约有一百多个。 有关微观交通系统仿真软件的研发和应用分布于各种文献报告 中，其共同特点是： ( 1 ) 在世界各地均已得到广泛应用，提供良好的技术支持、完 备的使用文档和培训。 ( 2 ) 使用大众化的软件和硬件平台，操作系统可以是w m d o 邺 9 x n t 2 k 、u n ，硬件平台可以是p c 机或s u n 工作站等。 ( 3 ) 有图形化的友好界面，仿真结果可以用图形的方式来演 示。下面列出了一些比较常用的微观交通仿真软件。 第2 章国内外研究综述 2 1 1f l o w s i m 微观模拟系统 f l o w s i m 软件是由英国南安普顿大学开发的基于模糊逻辑判 断系统的微观交通模拟软件。f l o w s i m 能提供5 种不同的车辆类 型，并可以由用户自己根据实际情况设定模拟的步长，所用的跟 车模型和换道模型都是由南安普顿大学的吴建平教授、b m c k s t o n e 和m c d o n a l d 标定的基于模糊逻辑的跟车模型和换道模型。 f l o w s i m 的运行顺序如下： a 第一步 根据输入的数据分配车辆产生和车辆特征( 比如车型、长度、 宽度、有无自动智能巡航控制a i c c ) ，司机行为( 比如喜好的跟 车距离) ； b 第二步 用模糊跟车、换道模型以特定的控制逻辑( 比如a t t 中的 a i c c ) 更新每个车辆的加速度、速度、位置： c 第三步 模拟结果在微观和宏观水平上输出，并用文本文件保存，便 于进一步的分析 d 第四步 显示车辆运动和主输出图形( 比如平均速度，旅行时间等等) e 第五步 更新模拟时钟，继续循环直到预定的模拟时间结束。 当采用某一模拟步长( 如o 5 秒) 进行模拟时，f l 0 w s i m 运 行的流程图如下： 第2 章胃内外研究综述 图2 1f l a 鸭i m 运行的流程图 2 1 2p a r a m i c s 微观模拟系统 p a r a m i c s 软件是苏格兰q u a d s t o n el i i t e d 公司的产品，从 1 9 9 2 年开始开发，由于采用了并行计算机技术，路网规模能达到 1 0 6 个节点、4 x 1 0 6 个路段、3 2 0 0 0 个区域。其应用领域包括： ( 1 ) 交通管理和控制。在设计阶段确定信息标志的最佳地点， 在运营阶段确定优化战略。 ( 2 ) 交通控制中心仿真。描述交通事故导致的拥挤情况，提 第2 章国内外研究综述 供交通管理策略产生的效果。 ( 3 ) 为出行信息提供预测。能够经由服务提供商为出行者提 供交通信息预测和优化的路线诱导。 ( 4 ) 智能化的导航功能。提供用户控制的路径一费用扰动来 模拟驾驶员对路径费用变化而产生感知的变化。 p a r 埘i c s 在仿真i t s 基础设施和拥挤的道路网方面有突出的 表现，当前能仿真交通信号、匝道控制、与可变速标志相连的探 测器、v m s 和c m s 、车内信息显示装置、车内信息顾问、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，还可从 s a t u r n 、n e s a 、t r i p s 等读取有关节点和路段的信息。 2 1 3t r a n s i m s 微观模拟系统 t r a n s i m s 微观模拟系统是由美国l o sa l a m o s 国家实验室于 1 9 9 8 年开发研制的。其基本特点是并行运算。即该系统运行于并 行计算机上，比如多台工作站、多台桌面处理器、或超级计算机， 并行的划分是依据地理位置划分的，也就是说，对不同地区的模 拟用不同的计算机。不同计算机处理的边界总是在道路中，它的 逻辑计算复杂程度要比边界选择交叉口的逻辑计算程度小很多。 t r a n s i m s 微观模拟系统包括速度模块、车道变换模块、有信号灯 交叉路口模块、无信号灯交叉路口模块和停车场位置模块等几个 模块。 2 1 - 4 s s i m 微观模拟系统 v i s s i m 软件是德国p t v 公司的产品，它是一种离散的、随机 6 第2 章国内外研究综述 的、以1 0 一s 为时间步长的微观仿真软件。车辆的纵向运动采用了 心理一生理跟车模型，横向运动( 车道变换) 采用了基于规则的算 法。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。v i s s i m 软件 提供了图形化的界面，采用2 d 和3 d 动画向用户直观显示车辆运 动状态，应用动态交通分配进行路径选择。 v i s s i m 软件可以模拟城市道路和公路的交通状况，特别适 合于各种城市交通控制系统，主要应用范围包括： ( 1 ) 由车辆激发的信号控制设计、检验和评价。 ( 2 ) 公交优先方案的通行能力分析和检验。 ( 3 ) 收费设施分析。 ( 4 ) 匝道控制运营分析。 ( 5 ) 路径诱导和可变信息标志的影响分析。 v i s s i m 软件的优缺点见下表。 表2 一lv i s s i m 软件的优缺点 可覆盖大范围交通 。没有交通分配 区域 算法 。可运行可靠性试验 优点缺点。输入数据的译 。可在p c 机运行 码过程花费大量 国可不断升级并得到 时间 在线支持 2 1 5a i m s u m 微观模拟系统 a i m s u m 是可以处理例如城市路网、高速路网、环行路网等不 同交通网的交通模拟器，它的主要目的是在被用于实际的交通路 网之前测试新的交通控制系统和管理方案。它包括用户接口、预 模拟模块、模拟模块、最短路径判断模块等子模块。该系统可以 7 第2 章国内外研究综述 根据不同种类的车型、驾驶员驾驶行为进行模拟。 a 用户接口 为模拟实验的准备、模拟参数的定义、模拟运行时的交互、 观察实时的图形输出和分析统计结果提供必要的工具 b 预模拟模块 从路网数据库中读取信息以模拟和创建动态模型。 c 模拟模块 进行模拟。基于不同的交通数据，有两种类型的的模拟，一 种是基于输入交通流和转向百分比，另一种是基于矩阵的。 d 最短路径判断模块 此模块计算从每条路段到目的她的当前最短路径。 2 2 国内微观交通仿真研究 八十年代初期，北京、上海、广州、天津等城市，先后引进 了国外的交通规划软件，并结合各自城市的交通特点，建立了各 自的城市交通规划模型，开始应用于城市交通规划和建设中。 国内对于城市交通微观模拟系统的研究尚属起步阶段，多集 电于宏观研究、定性研究、局部行为特征研究，尚无完整的成熟 软件系统。所建立的城市交通规划模型多适用于在宏观层次进行 战略性的交通分析，难以对交通流运行状态进行详细的分析。因 此不适于对交通管理措施进行评估。 下面对于国内的一些相关的研究成果做简单介绍，包括司机 驾驶行为、路径选择行为、交叉口控制方式、对高速公路基本路 段车辆行驶的模拟等。 第2 章国内外研究综述 在参考文献 7 中，段进宇阐述了名为m i c s i m 的高速公路 微观交通仿真系统中的车生成模型和车辆一般行驶模型着重讨论 了仿真所得到的交通流基本关系图式，并考虑了取样时间尺度的 影响。 在参考文献 8 中，陆秉崆分析了平交路口左转车辆与其他车 辆的冲突情况，并以实测数据分析了左转车辆的运行规律。 在参考文献 9 中，荣建、刘小明等以不同于一般的车头时距 为基础的建模方法，建立了以司机的判断过程为基础的模拟模型， 并提出了模型结构、加速度判断过程、换车道判断过程的框架。 在参考文献 1 0 中，黄必亮、杨家本基于点格自动机的原理， 提出了一种比较切合实际的改进点格自动机交通网络模型，该模 型把交通网络分为道路和路口，用队列来模拟车流，车流密度分 为三档。在此模型基础上，研究了不同情况下交通系统中的自组 织现象，理论上分析了自组织形成的动态过程。 在参考文献 1 1 中，潘军、祝精美、崔键通过建立济南市城 市综合交通的计算机模拟模型，对济南城市交通状况进行了全面 的定性于定量的综合分析。文末结合分析结果，对济南市交通发 展提出了几点建议。 在参考文献 1 2 中，严宝杰、李小俊在概略阐述了系统的工 作原理、运行方式、基本特点于功能的基础上，详细介绍了其总 体布置、程序结构及内容，重点探讨了其中的“车流运行模拟程 序”。信号交叉口的通行能力及延误，是交通工程的重要研究课题 之一。文献作者开发的“信号交叉口通行能力及延误仿真系统”， 以研究信号交叉口车辆两两之间的微观运行关系为出发点，以车 辆跟驰理论为主要理论基础，结合车辆的到达、转向等随机分布， 9 第2 章国内外研究综述 全面构造了车辆的到达、排队、跟驰、冲突等各种运行状态的数 学模型，采用二维动画的方式模拟车辆的运行。系统运用计算机 仿真的方法实现了对信号交叉口的通行能力、延误、信号配时的 全面综合研究。 在参考文献 1 3 中，贺国光、刘豹采用复台概率、模糊逻辑 等方法建立了描述交通流中不确定因素、车辆的到达、在路段上 行驶以及通过路口的微观仿真模型，并利用面向对象的方法设计 实现了一种基于上述模型的通用城市道路交通微观仿真系统，比 较真实地再现了车辆在道路网络的行驶过程。 2 3 主流微观交通仿真软件比较 现在国内外流行的微观交通仿真软件基本上都是以国外的微 观交通仿真软件为主，现在对一些占主流地位的国外交通仿真软 件进行比较。 现在比较流行的微观仿真软件也有十多种，下表列出了美国、 德国、加拿大和英国等开发的十多种比较常用的微观交通仿真软 件： 仿真软件研发机构国家 a e m s u n 2u n i v e 硌i t a 土p o i i 鼬n i 魄d ec a 雠u n y a ，西班牙 b a 虻e l 锄a a ln o b a h n b e n zc o 舾u i t g m b h德国 c o r s i mf e d e m lh i g l l w a ya d m i n i s t r 鲥0 n美国 眦t e g r a t i o q u e 印su n i v 芒幅i 批1 h n s p o r t a t i o nr e 她a r c h加拿大 n g r o u p m i c s t r a nn a t i o n a ir e a ”hi n s t i 雠eo f p o i i c es c i e n c e日本 m 1 1 葛i mm a s s h u s e t t sl n s t h t eo f l 如h n 0 1 0 9 y美国 n e m i sm i z a ra u t o m 舵i o ，t i l r i n意大利 l o 第2 章国内外研究综述 p a r a m i c st _ 1 l eb d i n b u r g l ip 8 咖i e lc c 雌脚c i 枷豳峙a n d 英国 q 1 嘧d 舶。肥l t d s i g s i m u n i v e 墙时o f n 脚r s t l e英国 s i 棚v e t卫：d m i c a iu i l i v e 惜i l yb c r i 加 德国 v i s s l mp t v s y s t e ms o 脚辨蛐dc o 删】6 n gg h德国 f l o w s i m u n i v e 体i t yo f s o i m 珀m p l o n英国 下面就交通控制方式和交通控制设施以及模型能提供的交通 设施要素和交通现象对这些微观交通仿真软件进行对比。 2 3 1 交通控制方式和交通控制设施 施： 表2 3 列出了现在常用的一些交通控制方式和交通控制设 表2 - 3 交通控制方式和交通控制设施 l信号协调控制8静态路径诱导 2信号自适应控制9动态路径诱导 3公交优先1 0停车诱导 4高速公路流量控制1 1公共交通信息 5 交通事件处理 1 2拥挤定价 6可变信息标志 1 3支持行人和自行车 7地区交通信息1 4车辆检测器 表2 4 中列出了上述微观仿真软件可仿真的交通控制方式和 交通控制设施： 表2 4 微观仿真软件可仿真的交通控制方式和设施 王23 4567 891 01 11 21 31 4 a i m s u n 2 a u t o b a h n 、， ， c o r s i m ， l n t e g r a t l o n、，、， ， ， m l c s t r a n ， m i t s i m、，j 、， n e m i s 、，、， 第2 章国内外研究综述 p i a r a m l c s 、， ，、， s l o s i m 、， s i m | n e t 1 ，、， v i s s i m f l o w s i m ，、， 2 3 2 交通设施要素和交通现象 表2 5 列出了现实中常见的交通设施要素和交通现象： 表2 5 交通设施要素和交通现象 l 不同的天气状况 7行人 2 寻找停车位 8 交通事故 3 停放的车辆9公共交通 5 商用车 1 0交织 6 自行车摩托车 l l 交叉口环型线 表2 6 中列出了上述微观仿真软件可仿真的交通设施要素和 交通现象： 表2 6 微观仿真软件可仿真的交通设施要素和交通现象 123567891 01 1 a i m s u n 2 a u t o b a h n c o r s i m i n t e g r a t i o n 1 ， m i c s t r a n m i t s i m- n e m i s p a r a m i c s 0 s i g s i m s i m n e t 、， v i s s i m f l o w s i m_ 第2 章国内外研究综述 2 4 基于g i s 的微观交通仿真软件 目前，基于g i s 的宏观交通仿真软件有t r a n s c a d 、c u b e 等，但一直都没有基于g i s 的微观交通仿真软件，最近由开发 t r a l l s c a d 的j 蚰i p e r 公司开发了一套基于g i s 的微观交通仿真软 件：t r a n s m o d e l e r 。这套微观交通仿真软件的核心交通模型部分 使用的是m i t s i m 的交通模型，在界面和表现形式上使用了g i s h 系统，现在这套软件正在推广之中，其使用效果还有待进一步的 验证。而国内在这一领域还处于空白。 第3 皇一窒望避堑堕塑塑茎堡垒一 3 交通仿真系统研究的相关理论 城市交通微观仿真系统的研究采用系统工程的研究思路和微 观、定量的研究方法，模糊数学、行为科学理论、交通流和交通 工程理论、计算机仿真以及g i s 显示技术为基础，研究、追踪、 再现耽搁机动车以及行人、自行车的行为特性，建立混合交通流 理论模型和微观仿真系统，分析并设计计算机微观仿真软件系统 的总体框架和功能模块，利用面向对象的c + + 语言进行程序设计， 为道路交通管理和控制、交通规划设计提供理论支持和辅助决策 手段。 交通流理论是交通工程学的基础理论，它是运用数学和物理 学的定理来描述交通流特性一门边缘学科。它以分析的方法阐述 交通现象及其机理，探讨人和车在单独或成列运行中的动态规律 及人流或车流流量、流速和密度之间的变化关系，以求在交通规 划、设计和管理中达到协调和提高各种交通设施使用效果的目的。 虽然交通流理论迄今为止还没有形成完整的体系，但是已有 很多理论在探讨各种现象的本质，大致可归纳为以下几种： a 交通流量、速度和密度的相互关系及测量方法； b 交通特性的统计分布： c 跟车理论： d 换道理论： e ，车辆制动特性： f 排队理论； g 。模糊控制理论； 1 4 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 3 1 交通流特性 研究交通问题与研究纯物理现象是很不相同的，根据水力学 的原理，通过给定特性的涵管的既定水流会呈现出一种可以完全 预知的状态。而通过既定特性的道路和公路的既定交通流则会随 着地点和时间的不同而不同。这就是对交通工程的一种挑战：在 规划和设计时。虽然确切知道某一事件所受到的特定物理条件和 复杂的人类行为的约束，却仍然难以事先预知其发展情况。然而， 总是存在一个合理的较一致的驾驶员行为范围，因而也就存在一 个合理致的交通流表现范围。定量描述交通流，一方面是为了 理解交通流特性的内在变化关系，另一方面也是为了限定交通流 特征的合理范围。为了做到这些，必须定义和测量一些重要参数。 基于这些参数以及有此而确定的交通流发生的合理范围，交通工 程必须分析、评估并最后制定出改造交通设置的规划方案。 3 1 1 连续流特性 在连续设施下，交通流是由单个车辆之间及车辆与公路几何 特征和总体环境之间相互作用的结果。在这类设施下的车流模式 仅仅由土地的使用特性而衍生的车辆行程所控制。甚至当极端拥 挤时，那也只是由于交通流内部的而非外部的干扰导致了车流停 滞。 交通量9 、行车速度、车流密度k 是表征交通流特性的三 个基本参数。其基本关系为： q = 一+ k ( 3 一i ) 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 式中q 平均流量( 辆h ) ； 空间平均车速( k 1 1 1 ) ； k 平均车流密度( 辆恤) 。 流量、密度、速度三者之间的关系可以用三维图象来表示， 投影到二维空间中，如图3 一l 所示： 其中： q ，极大流量，即q y 曲线上的峰值； 临界速度，即流量达到极大时的速度： k 。最佳密度，即流量达到极大时的密度； k ，阻塞密度，即车流密集到车辆无法移动时的密度； y ，畅行速度，即车流密度趋于零，车辆可以畅行无阻 时的平均速度； 图3 1q k 、v _ k 、v - o 关系曲线图 1 6 f 蘑v 、善繁 i|暑荸蟊一静 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 它们之间的关系可以分别用下面三个关系模型来表示： ( 1 ) 速度一密度线性关系模型， 矿= 0 ( 1 一丘，足，) ( 3 2 ) ( 2 ) 流量一密度线性关系模型： q = k t ( 1 一k 世) ( 3 ) 流量一速度线性关系模型： q = k ，妒一矿2 ) 3 1 2 间断流特性 ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 间断流特性指由于外部设备而导致的交通流的周期性中断。 导致间断流的主要装置是交通信号，其他如停车或让路标志也会 导致间断流。在间断流情况下，车流不仅受车辆与道路环境的相 互影响，也受周期性信号的影响，车流表现为成队进行的车群。 信号交叉口的交通流特性： o 口口口口 口 图3 2 交通干扰点状况 图3 2 显示了一列车队通过信号交叉口的情形，当信号变为 绿灯时，车队开始进入交叉口。从车队进入交叉口即穿过停车线 时开始记录车头间距。从绿灯信号开始到第一辆车的前保险杠穿 _ 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 过停车线的时间定义为第一个车头间距。测量第一辆车与第二辆 车在各自保险杠穿过标志线的时间作为第二车头问距，依次类推。 可以发现，第二车头间距比第一车头间距小，第三车头间距比第 二车头间距小最后( 一般在第四与第六车头间距之间) ，进入 交叉口的车辆在它们到达停车线时已完全加速，因而它们的车头 间距大小一致。 删 匣 球 褂 h 图3 3 交通干扰点处的车头间距 延误也是通常用于表征间断流服务水平的一个指标，包括停 车延误和运行延误。 停车延误指车辆用于横穿交叉口所消耗的停车总时间； 运行延误指预先决定的罪优条件下的理想运行时问与实际运 行时问的差值。 3 2 交通特性的统计分布 在确定新的交通管理方案时，需要定量的预测交通流的某些 具体特性，并且希望能用现在有的或假设有的有限数据，作出预 报。为了作出类似上述的各种预测，必须掌握交通现象随机性的 统计规律，即交通特性的统计分布。常用的分布有泊松分布、二 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 项分稚和负指数分布三种，下面着重讨论泊松分布。 一般地，城市道路交通流服从泊松分布，见图3 4 ： p e ) = 协广e 岫x ! ( 3 5 ) 式中户h ) 在计数间隔r 内到达x 辆车或x 人的概率； j ，单位时问间隔的平均到达率( 辆s 或人s ) ； 卜一每个计数问隔持续的时间( s ) 或距离( m ) ； 8 自然对数的底，取值为2 7 1 8 2 8 泊松分布描述的是某一个时间间隔内对应有一定来车数的离 散型的随机变量分布规律。 对于交通流前后车辆的车头间距( h ) 是连续型的随机变量，其 分布规律服从负指数分布。负指数分布在描述车头时距的各种分 布中，使用最广泛。它适用于车流密度不大，车辆到达是随机的 情况。当没小时每车道的不间断车流量5 0 0 辆时，用负指数分 布描述车头时距，通常是符合实际的。当b f 时的概率为 p = e 。旧。当 r 时的概率为p = 1 一e 圳7 。 y p ( x ) o 2 0 1 图3 4 泊松分布曲线 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 3 3 模糊控制理论 以本身车速v ( m s ) 、与前车相对速度d v ( 本身车速减去前 车车速，州s ) 、期望距离d e s ( 两车的实际车头距s 减去驾驶员 的期望车头距e s ，m ) 为原因，以加速度a ( 州s 2 ) 为结果的模糊 控制集。见表3 一l ： 表3 1 车速、相对速度、期望距离与加速度关系表 距离期望差d e s相对车速d v本身车速v加速行为a 很远d e s l快很多d v l很快v l急加速a 1 比较远d e s 2快一些d v 2比较快v 2加速a 2 接近d e s 3接近d v 3适中v 3保持速度a 3 比较近d e s 4悒一磐d v 4比较慢v 4减速a 4 很近d e s 5慢很多d v 5很慢v 5急减速a 5 3 4 跟驰理论 车辆跟驰理论在微观交通仿真中占有很重要的地位，是微观 交通仿真最主要的几个基础理论之一。 车辆跟驰理论是运用动力学方法。研究在无法超车的单一车 道上，车辆列队行驶时，后车跟随前车行驶状态的一种理论，它 用数学模式表达跟车过程中发生的各种状态。车辆跟驰理论认为： 一条车道的交通流中，车间距小于1 2 5 m 的车辆之间存在着一种可 以定量描述的相互影响关系，后车的司机跟随前车行进，凭借感 知能力、判断能力和控制能力，对前车一系列连续的刺激有规律 地做出反应。跟车理论试图通过观察各个车辆逐跟驰的方式来 了解单车道交通流的特性。这种特性的研究可以用来描述交通流 的稳定性，加速干扰以及干扰的传播；检测高速公路上汽车车队 的特性；检验管理技术和通信技术，使追尾事故减到最低限度： 2 0 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 此外，还可以用于分析、计算道路通行能力。 3 4 1 g m ( g e n e r a lm o t o r ) 模型 最早的车辆跟驰模型由r e u s c h e l ( 1 9 5 0 ) 和p i p e s ( 1 9 5 3 ) 【1 5 】提 出，到上世纪9 0 年代中期之间，其具体形式几经变化，但都可以 归为经典跟驰模型一类所谓经典跟驰模型，也即反应项f 遇速度 差v 。成正比关系： 厂西匕 ( 3 6 ) 其基本形式为： 冬p + r ) ：怂k ， ( 3 7 ) 出、 7” 这里丑为敏感参数，可表现为不同形式。 自从r l e u s c h e l 和p i p e s 利用运筹学技术首次成功解析跟车模 型以来，这方面的研究已经持续了半个多世纪。g m 模型是最为著 名的模型。 在p i p e s 最早的跟弛模型中，r = o ，而且为常数。c h a l l d l e r 等人认为不能忽略车辆延迟，因此他们提出丁= 常数 0 1 1 6 1 。 h e 珊a n 等人对a 提出了分布函数假定： 丑2 髓法，弦8 ， 其中口，6 ，血。是常数。g a z i s 等则认为a 可以表示成下面 这种形式： 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 t 哿邮】， 伊9 ， 其中厶，m ，l 为常数。 所以可以得到一般的g m 跟弛模型公式： 鲁h m 丁) r 踹，( 3 l 这里华( f + 丁) 为r + f 时刻第玎辆车嘞口速度；v 。o + r ) 为 d f h r 时刻第h 辆车的速度；r 为反应时间；吒( f ) 为t 时刻第n 一1 辆车与第栉辆车之间的速度差：血。o ) 为t 时刻第 一l ，辆车与第 忍辆车，间的距离：c ，m ，】为常数。 3 4 2 线性跟车模型 尽管c h a l l d l e r ，h e r n l a j l 和m o n 仃o l l 所提出的g m 模型在研 究的初始阶段是线性的，但是h e l l y ( 1 9 5 9 ) 对线性跟车模型1 8 1 发展 的贡献却是不可忽视的。他所提出的新线性跟车模型考虑了前方 两辆车是否制动减速对后车加速度的影响项。模型如下所示： 堂掣：c 。加o ) + c ：阻o ) 一d 。o + r ) 】 ( 3 - 1 1 ) 见( r + 丁) ：口+ 肿( f ) + ，掣， ( 3 _ 1 2 ) 这里，d o + 丁) 为期望跟车距离；c 1 为h e l l y 借用先前的研 究成果，即通过对1 4 位司机的跟车行为调查，在相关系数大于 0 8 时，丁的取值范围为o 5 2 2 s ，c 的取值范围为o 1 7 1 3 ， 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 平均r = o 7 5 ，c l = 0 5 的情况下得到的结果；c ：为通过设置a y 和缸，使前后车的加速度相等，即相对加速度为零。这样就标定 为下面的公式： 鲁= o 5 v o 一0 t 5 ) + 0 - 1 2 5 b o 一0 5 ) 一q o ) 】 ( 3 一1 3 ) d 。o ) = 2 0 + v o o 5 ) ( 3 1 4 ) 3 4 3 安全距离模型 安全距离模型也称防追尾模型( c o l l i s i 蚰a v o i d a n c em o d c l s ， 简称c a 模型) ，该模型最初是由k d r n e t a n i 和s a s a 虹【19 】提出，该模 型最基本的关系并非( 抒以模型所倡导的刺激一反应关系，而是寻 找_ 个特定的跟车距离( 通过经典牛顿运动定理推导出) 。如果前 车司机做了一个后车司机意想不到的动作时，在后车与前车之间 的跟车距离小于这个特定的跟车距离时，就有可能发生碰撞。最 初模型如下所示： 缸( ，) = 口y 三。( r ) 十局v 。o + r ) + 吒( f + 丁) + 6 0 ， ( 3 一1 5 ) 这里，口、屏、卢都是系数。 g i p p s ( 1 9 8 1 ) 删对此模型的研究取得了重大突破，他考虑了几 个先前研究中忽略的次要因素，这些因素包括：司机的额外反应 时间，r ，2 ( 主要考虑到司机在所有情况下都能避免碰撞) ；与上 式中制动时减速度相关的动力因子一1 2 吒，瓦是第n 辆车司机 将使用的最大制动减速度；同时还有一1 2 6 ，6 是第辆车司机认 为第n 一1 辆车司机使用的最大制动减速度。g i p p s 没有标定其模型 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 的参数，而是假设6 = 一3 肌j 2 进行仿真，结果发现该模型既能在 两辆车之间产生扰动的传播，也能在车队中产生扰动的传播。 自g i p p s 提出改进c a 模型后，c a 模型广泛地应用于计算机 仿真中。如英国交通部m c d o n a l d ，b r o c k s t o n e 和j e f e r y ( 1 9 9 4 ) 的 s i s t m 模型，欧共体( 现欧盟) 的p r o m e t h e u s 计划中b r o q u a ， l e m e r ，m a u r o 和m o r e u o ( 1 9 9 1 ) 的s p a c e s 模型，美国b e n e k o h a l 和t r e i t e r e r ( 19 8 9 ) 的i n t r a s 和c a r s m 模型。 3 4 4 基于模糊逻辑的跟车模型 近些年来在跟车模型的发展过程中，最值得注意的是模糊推 理理论在跟车模型研究中的应用。该模型主要通过推理司机未来 的逻辑阶段来研究司机的驾驶行为。这类模型最具特色的是把模 型的输入项分为几个相互部分重叠的模糊集，每个模糊集用来描 述各项的隶属度。 k i k u c h i 和c h a k r o b o 町( 1 9 9 2 ) 川用模糊推理方法来研究跟车 模型的初衷是模糊化传统g m 模型中的缸、v 和a ，该方法把 血、v 和口作为输入集，并把每个模糊集分为6 个等级，三 个模糊集之间彼此相关。首先，根据v 结合车头时距的大小来 设定血集的等级，然后假设模糊推理机制的运行规则，即第行辆 车与第聍一l 辆车保持相同的加速度。模糊推理模型的具体表达如 下： i f x - f 爿d e q 删力 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 t h e nd 。j = ( v + 口一工r ) ， 这里，丁为反应时间，取l s ：，为后车司机希望在y 时问内 能够跟上前车，取2 5 s 。 如果x i 爿上班q ( 朋刀，那么根据a d e q u a t e 变化的大小， q 将滑人其邻域中去，茁每减少一个等级，将减少n 3 坍j 2 ，x 每增加一个等级，q 将增加o 锄s 2 ，模型表达式变为 ，= 沁+ - l ，x r ) ，+ o 3 缸 ( 3 一1 6 ) 近些年来，在该领域的一些研究主要包括：r e k e r s i l k ( 1 9 9 5 ) 模糊化了m i s s i o n 模型；k a i ，sa ：t o h ，a 和h o n d a ( 1 9 9 3 ) m i t r a m 模型中的微观模型：h e 胁( 1 9 9 5 ) 的t 凡舡f i c - j a m 模型。 上面的研究都没去标定模型中最重要的部分模糊集，只 有吴建平教授，b r a c k s t o 眦和m c d o n a l d 在1 9 9 7 年作了些主观性的 标定，下面介绍他们的f l o w s i m 模型【1 】吲。 f l 0 w s i m 全称“f u z z yl 0 9 i cm o t o r w a ys i 叫l a t i o nm o d e l ”， f l o w s i m 中的跟车模型考虑影响司机的两个主要变量：相对速度 ( d v ) 和实际车头间距与司机期望车头间距的比值( d s s d ) 。每个 变量都有五个交迭的模糊集组成，这两个变量和车辆加速度( a ) 的关系如表3 2 所示。 表3 2 跟车模型中用到的模糊集及相互关系 相对速度( d v )车头间距比值( d s s d )车辆加速度( a ) o p e n i n gf a s t( v 1 )m u c ht o of a r( s 1 )s t r o n ga c c e l e r a t i o n 0 d e n i n g( v 2 ) t o of a r ( s 2 )l i g n ta c c e l e r a t i o n a b o u tz e r o ( v 3 ) s a t i s f i e d ( s 3 ) n oa c t i o n c l o s i n g( v 4 ) t o oc l o s e ( s 4 )l i g n td e c e l e r a t i o n c 1 0 s i n gf a s t( v 5 ) m u c ht 。0c l o s e ( s 5 ) s t r o n gd e c e l e r a t i o n 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 跟车模型的模糊集系统描述了车辆根据前方车辆的相对速度 和车头间距变化以及自己期望的自由速度和期望的车头间距所作 的反应。用自然语言描述如下： 矿车头间距比值( d s s d j 捃鱼垒逝册d 相对速度( d v ) 打旦鲢血缘肪p 司机反应括6 2 丝( 保持当前速度) 在南英格兰的两车道和三车道的高速公路上对六个司机驾驶 的实验车进行了实验，实验的步骤如下： a 步骤一 司机被观察者要求给出一个对他们跟车距离和相对速度的自 然的主观估计，这个估计要用模糊设定的口语形式来描述。对问 题之间的间隔要仔细控制，不要使得司机觉得任务过多。任何超 过一秒的反应都要舍去以保证回答都是本能的而不是预先做好的 判断。 b 步骤二 实验对象被引导，以最小的安全距离跟随一个目标车辆，用 来收集时间序列的轨迹和跟车行为。 c 步骤三 为了收集司机在速度和距离有大的变化的时候如何感知和调 整的数据( 时间序列的轨迹) ，目标车辆的司机进行一些加速、刹 车驾驶行为( 一般是在5 0 m p h 和7 0 m p h 之间变化) 。 d 步骤四 实验司机要超过目标车辆，寻找一个更慢的车辆，从一百米 以外靠近到期望的车距。这个数据的可以让我们检查跟车模型的 接近阶段。 e 步骤五 第3 章交通仿真系统研究的相关理论 最后，还是在自由状态，司机要再一次的被问到可以接受的 接近速度。最后一个阶段对于不同距离下收集相对速度的感知数 据，在阶段一，所有的数据都是在一个很小的接近跟车距离下收 集的。 模糊设定校准即为把实际测量中得到每个语言形式的模糊设 定，赋值为细节数值。例如，作为“靠近0 的d v ( d vi sa b o u tz e r 0 ) ” ( 图3 5 ) 而收集到的数值可以用来校准相应的语言化的设定( 图 3 6 ) 。收集了六个实验对象的数据来校准所有的跟车模型的前提 变量d s s d 和d v 。 s u r v qr 嘴u 1 把o f 。d v - a b o u tz e r 0 ( 1 娃b 2 2 1 1 9 6 ) 2 0 分1 6 l 1 2 亨 8