（系统工程专业论文）世博交通紧急事件微观仿真技术研究.pdf

内容摘要 当今社会，交通拥塞问题己成为影响社会发展和人民生活的主要因素之一。 2 0 1 0 年上海市又将迎来世博会这一重大活动，对上海市的交通提出了新的挑战。 本报告以国家科技支撑计划项目“国家综合智能交通技术集成应用示范 和上海市科学技术委员会科研计划项目课题“城市交通综合信息平台关键技术 研究 为研究背景，以上海城市快速路和世博专项交通为研究对象，针对“世 博交通紧急事件处理预案仿真分析与评估技术 和“交通综合信息平台城市交 通微观仿真技术进行了研究，重点地研究了城市微观仿真模型的建立，包括 车辆产生模型，车辆跟驰模型和车辆换道模型，世博交通紧急事件处理预案仿 真技术的研究，包括交通再现技术、短时交通流预测技术等，已经取得部分的 成果，并且在实际的平台上得到了应用。 论文的主要工作如下： 1 分析了国内外微观交通仿真模型，并结合城市快速路的交通特点，建立了微 观交通仿真模型，包括车辆产生模型、跟驰模型、换道模型和路径选择模型； 2 根据实时微观仿真的需求，提出了一种基于实时交通数据的车辆发生模型， 再现过去某个时间段的交通流状况； 3 以实时微观交通仿真为基础，结合路径选择模型，研究了城市快速路短时交 通流预测技术，实现了1 分钟和3 分钟的短时交通流预测，并且在上海市南 北高架上面得到了验证和实施； 4 以南北高架部分路段为实例，对微观交通仿真模型进行了模型有效性评价， 并改进了部分模型参数，进一步很好地提高了仿真模型的准确性； 关键字：i t s ，微观交通仿真，发车模型，跟驰模型，换道模型，路径选择模型，有效性评价 2 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t r a f f i ci a mh a sb e c o m eam a i np r o b l e mo fs o c i e t yd e v e l o p m e n ta n d p e o p l ed a i l yl i f e s h a n g h a ic o m m u n i c a t i o n sw i l lm e e tm o r ea n dm o r en e wc h a l l e n g e se s p e c i a l l yw h e n t h e2 01 0w o r l de x p oh e l di ns h a n g h a i t h i sr e p o r ti sb a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l to ft w oi m p o r t a n tp r o j e c t s ：n a t i o n a l t e c h n o l o g yp l a np r o j e c t - n a t i o n a lc o m p l i c a t e di n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g yi n t e g r a t e da p p l i c a t i o n se x a m p l e s ”，s h a n 【g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o m m i t t e er e s e a r c hp l a np r o i e c t s c i t yc o m m u n i c a t i o nc o m p l i c t e di n f o r m a t i o n p l a t f o i t nk e yt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h i sr e p o r t sr e s e a r c ho b i e c ti ss h a n g h a ic i t ye x p r e s sw a y sa n dw o r l de x h i b i t i o n s s p e c i a lt r a f f i cp r o j e c t m a i n l yr e s e a r c ho n “w o r l de x h i b i t i o nt r a f f i ce m e r g e n c y c a s e sa c t i o n ss i m u l a t i o na n a l y z ea n da p p r a i s a lt e c h n o l o g y ”a n d “c o m m u n i c a t i o n sc o m p l i c a t e di n f o r m a t i o np l a t f o i t sc i t yt r a f f i cm i c r o s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ”e s p e c i a l l yf o c u so nt h er e s e a r c ho fc i t ym i c r o s i m u l a t i o nm o d e l s b u i l d i n g ，i n c l u d i n gv e h i c l e sg e n e r a t i o nm o d e l ，v e h i c l e sf o l l o w i n gm o d e l ，a n dl a n e s c h a n g em o d e l w o r l de x h i b i t i o nt r a f f i ce m e r g e n c yp r o p o s a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hh a s t h r e em a i np a r t s ，w h i c ha r ec o m m u n i c a t i o nr e p r o d u c t i o n ，s h o r t t i m ec o m m u n i c a t i o n f o r e c a s ta n dt h ea c t i o n sa p p r a i s a li n d e xs y s t e m a n dt h er e s e a r c hh a sa c h i e v e d p h a s e do u t p u t s ，w h i c hh a sb e e na p p l i e di np r a c t i c e t h ea r t i c l e sm a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w i n g ： 1 a f t e ra n a l y z e da l lt h el o c a la n di n t e r n a t i o nm i c r ot r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e l sa n d c i t ye x p r e s sw a y sc h a r a c t e r s ，a u t h o rs e tu po w nm i c r o t r a f f i cs i m u l a t i o n m o d e l ，i n c l u d i n gv e h i c l e sg e n e r a t i o nm o d e l ，v e h i c l e sf o l l o w i n gm o d e l ，l a n e sc h a n g e m o d e la n dr o a dc h o o s i n gm o d e l ； 2 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fr e a lt i m em i c r o s i m u l a t i o n ，a u t h o rp u tf o r w a r da k i n do fv e h i c l e sg e n e r a t i o nm o d e lw h i c hi sb a s e do nt h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o n d a t a ，t h r o u g ht h i sm o d e lw ec o u l dr e p r o d u c et r a f f i cf l o ws t a t u so fs o m ep e r i o di nt h e p a s t ； 3 。b a s e do nr e a lt i m em i c r o s i m u l a t i o na n dr o a dc h o o s i n gm o d l e a u t h o rm a k ea r e s e a r c ho nt h ec i t ye x p r e s sw a ys h o r tt i m et r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h c o u l dr e a l i z es h o r tt i m et r a f f i cf o r e c a s t i n gi no n em i n u t e a n dt h r e em i n u t e s t h i s t e c h n o l o g yh a sb e e nt e s t i f i e da n da p p l i e do nt h en o r t h s o u t he l e v a t e dw a yo f s h a n g h a i 4 t a k ed a r t so ft h er o a d so ft h en o r t hs o u t he l e v a t e dw a ya se x a m p l e s ，a u t h o r a p p r a i s e dt h ev a l i d i t yo ft h i sm i c r o s i m u l a t i o nm o d e la n di m p r o v e dp a r t so ft h e m o d e l sp a r a m e t e r s a n da tt h es a m et i m et h em o d e l sv e r a c i t yh a sb e e ni m p r o v e d s i g n i f i c a n t l y k e y w o r d s ：i t s ，m i c r o - s i m u l a t i o n ，v e h i c l e sg e n e r a t i o nm o d e l ，v e h i c l ef o l l o w i n g m o d e l ，l a n e sc h a n g em o d e l ，r o a dc h o o s i n gm o d e l ，v a l i d t ya p p r a i s e l 3 第一章引言 第一章引言 1 1 选题背景 根据2 0 1 0 年世博会交通特点及对智能交通的需求，以上海市交通信息中心的建设为依 托，开展综合交通信息采集、融合、处理及应用服务的技术研究和攻关，在市域内整合道 路、公交、轨道、出租、铁路、公路、航空及水运多种交通方式的综合信息，形成上海综 合交通智能管理和服务的基础平台；开展针对大型活动的交通组织、协调控制以及通用、 个性化信息服务的技术攻关和集成应用示范，点、面结合，重点突出，在不影响城市正常 交通秩序的情况下保证世博交通的顺达，实现世博优先战略。 本课题以世博综合交通紧急事件处理预案库为研究基础，结合世博综合交通紧急事件 管理系统的研发目标，采用适合各种类型紧急事件处理预案特征的微观仿真分析方法，通 过对预案的可视化仿真分析，研究不同紧急事件处理预案在不同交通状况下的实施效果， 为预案的研究提供更直观的依据；同时，基于对预案的仿真分析，依据交通事件处理的评 估方法，针对世博的复杂交通环境，提出预案的评估指标及评估方法，为建立科学、规范、 高效的紧急事件处理预案库提供决策支持。 1 2 课题意义与必要性 交通拥堵是目前世界上多数大城市普遍面临的问题，我国尤其严重。交通拥堵严重影 响了社会生活秩序，引发事故率上升，加剧了环境污染，经济损失巨大，阻碍了我国城市 社会、经济与环境的健康发展，成为社会和公众关注的热点问题。交通信息化与智能化是 我国城市社会经济与交通运输可持续发展的必由之路。 “十一五”期间，是上海筹办世博会，实施“科教兴市”战略行动纲要的重要时期， 是上海建设现代化国际大都市和“一个龙头、四个中心”的关键阶段。社会经济的快速发 展要求建立快速、便捷、安全、舒适和经济的综合交通运输体系，保障上海市综合交通运 输以及社会经济、环境、资源的可持续发展。在 危险区窿概p 曙p 疗掣r e g i m e ) 后车与前车的距离小于危险距离a r 时，后车会以最大减速度行驶以使两车之间的间距 增大。 逼近区( c l o s i n g 伽夕 逼近区是由速度差大于p t n 的区域、车头间距在a b 或a d 以及a r 之间所围成的区 域。在此区域内车辆以减速度行驶。车辆1 1 的加速度定义为： ”警 ( 2 3 ) d 。一x 。_ 1 - x 一垠+ i n - i a t ( 2 4 ) 其中&为模拟步长，其他变量定义同前。 跟驶区( f o l l o w i n g 当速度差在p t n 和i y l 曙之间，同时车头间距在a r 和a d 之间；或者速度差大于i y l 限 同时车头间距在a s 和a r 之间，车辆运行即处于跟驶区l 。后随车在此区间内驾驶属于无 意识状态，驾驶员想保持匀速行驶，但实际上驾驶速度有小的扰动。在模型中用一个定值 表示。 跟驶区( f o l l o w i n g ) 当速度差大于p t n ，车头间距大于a b 或者a d 时，车辆处于跟驰区。在此区间内， 驾驶员意识到他正在逼近前车，但是车头间距还较大，因此还无需采取任何加减速行动。 自由行驶区( f r e ed r i v i n g ) 当速度差小于p 1 n 同时车头间距大于a d ，或者正速度差大于p t p 同时车头间距大于 a s ，此时车辆位于自由行驶区，此时后随车的加速度定义为期望加速度口。，当车辆达到期 望速度后，仍用参数来表征车辆保持期望速度的扰动特性。 2 w i e d e m a n n 心理物理模型 w i e d e m a n n 模型首先发表于1 9 7 4 年，其主要思想和算法应用在v i s s i m 模型中，随着 1 5 第二章城市交通微观仿真模型研究 w i e d e m a n n 模型的改进，v i s s i m 模型也有新的发展。本节研究的主要依据是w i e d e m a n n l 9 9 2 年的模型( w i e d e m a n n ，r e i t e r ，1 9 9 2 ) 。w i e d e m a n n 模型可由图2 6 表示，其主要阈值定义 如下： a x ：静止车辆的期望距离，a x 包括前车的车长加上前后车的期望距离。 心? ，在较小速度差下的最小期望跟驰距离。 s d v ：距离较大时速度差的临界值，表示驾驶员有意识的感觉到他正在靠近一辆低速行 驶的车辆的临界点。 s d x ：跟驰过程中驾驶员意识到距离变大的界限值，表征驾驶员有意识地感到了自己正 在脱离跟驰状态而离前车越来越远。 c l d v 减少的速度差阈值，表示当后车以很小的速度差跟随前车行驶时，驾驶员意识 到正处于一个逼近过程，他不得不减小车速以避免事故。 o p d v ：增加的速度差阈值，表示驾驶员意识到他的驾驶速度要比前车低。 、r 0 3 ， 图2 6w i e d e m a n n 跟驰模型阈值示意图 上述6 个阈值确定w i c d c m a n n 跟驰模型模拟车辆的四种行驶状态。 危险区( e m e r g e n c yr e g i m e ) 当前后车之间的绝对距离小于阈值a b x ，则后车会减速以避免与前车的碰撞。车辆的 减速度为： 吒一五1 石彳( a 而v ) 2 4 - 4 一1 + 口曲 a b x 一( 缸一厶- 1 ) b x ( 2 5 ) 其中口n 血是车辆的最小减速度。 逼近区( c l o s i n g 伽) 当前后车之间的速度差大于s d v ，后随车就会意识到他正在逼近前方较慢行驶的车辆。 后车会减速避免碰撞。减速度为： 1 6 第二章城市交通微观仿真模型研究 口。一三掌石可( a v 五) 2 历 + a 。4( 2 6 ) 跟驶区( f o l l o w i n g ) 阈值曲线s d v 、s d x 、o p d v 以及a b x 围成了模型的跟驶区间。在跟驶区间内，后随 l 车会有加速度为u n u l l 的扰动。 自由行驶区( f r e ed r i v i n g ) 当驾驶员位于阈值曲线s d v 以及s d x 上方时，车辆处于自由行驶区，后随车不受周 围环境的影响。车辆以最大加速度行驶以获得期望速度。当达到期望速度时，车辆运行中 l 会有加速度为u n u l 的行驶扰动。 心理一物理模型抽象了驾驶员的生理一心理行为，运用一系列的阂值和期望距离来体 现驾驶员的感觉和反应，在一定程度上反应了实际的驾驶状况，但是正如上面分析的模型， 心理一物理模型所需的参数较多，在实际的应用中，需要仔细的对这些参数进行校正，这 给模型的应用带来了一定的困难。 ( 二) 安全间距模型 安全距离模型也称防撞模型( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) ，该模型最初由k o m e t a n i 和s a s a k i 提出，模型的基本理念是寻找一个特定的跟车距离。如果前车驾驶员做了一个后车驾驶员 意想不到的动作，当后车与前车之间的跟车距离小于某个特定的跟车距离时，就有可能发 生碰撞。 a i m s u n 仿真器中，车辆跟驰是基于g i p p s 的安全间距跟驰模型，它有两个组成部分： y 丁+ 2 5 个【1 一善】卑 v ：o + 丁) 一d 严r + ( 2 - 7 ) 式中： y ：o + r ) 是车辆n 可以加速得到的最大速度 ，? 删 是期望速度 砖o + r ) 考虑车辆n - 1 的第1 1 辆车的最大安全速度， d 车辆1 1 的最大的刹车能力， 估计的车辆n 1 驾驶员的刹车减速度。 在每一个循环步中，车辆n 的速度是通过下式计算的： 吒o + z ) t 矗删 l ，：o + r ) ，砖p + 丁) ( 2 - 9 ) 1 7 ( 2 8 ) 第二章城市交通微观仿真模型研究 c o r s i m 模型是在p n l 算法的基础上改进应用的，p i t t 算法认为在不发生追尾碰撞 的前提下，后车将与前车保持一定的期望间距，使车辆保持稳定的跟驰行驶。 口。生坐塑兰盟兰d 竺挲塑旦坐随坠尘型型( 2 1 0 )” r 。+ 2 七r 、 式中： 。f o 1 0 【v n - 1 g ) - - v 。p ) 】s1 0 i o 0 0 【1 2 n - 1 0 ) - - 1 2 。o ) 】1 0 安全距离模型的优势是所需校正的参数少，大多数情况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。但是，存在的一个关键问题是，当利用基于安全 间距的车辆跟驰模型进行通行能力分析时，很难与实际最大的交通量吻合。因为驾驶员在 很多情况下并没有保持安全距离行驶( 如驾驶员看到前方不止是一辆前导车，而且还有其 他车辆及诸如远方信号灯等交通信息) 驾驶员综合判断这些信息后，能及时对前导车的变 化做出反应。特别是在我国，实际驾驶行为偏向冒险型，运用此模型更应该注意。正如p a r k e r 所言：“如果人人都以此种方式开车，那么英国的告诉公路早就拥挤不堪了”。 ( 三) g h r 模型 g h r ( g a z i s h e r m a n r o t h e r y ) 模型起源于h e r m a n 、r o t h e r y 等在通用汽车公司动力实 验室的研究。前后车之间的关系用刺激一反应关系模型来描述，表示如下： 反应( t + t ) l = 灵敏度刺激( t ) 其中反应以后车的加速度或减速度表示，刺激以后车与前车的相对速度来表示，灵敏 度则视模型的应用特性不同而又所差异。m i t s i m 模型采用的是h e r m a n ( 1 9 5 9 ) 年的非线 性模型。表达如下： 1 ，卢 口。一口二之：( ，。1 一v n )( 2 - 1 1 ) g ： g h r 模型形式简单，物理意义明确，具有开创意义。同时，作为通用的仿真系统，一 个重要的观点即是，模型的参数易于校正和验证。所以，g h r 模型及其修得到了很多软件 系统的应用( y a n g ，1 9 9 6 ) 。 在t c t s 系统中，根据前后车车头时距不同，来划分车辆的不同行驶状态。 自由行驶区( f r e ed r i v i n g ) 当车头时距j i l ( 模型可调参数) 大于2 秒时，模型认为车辆处于自由行驶状态，处于 自由流状态的车辆，不考虑周围车辆的运动，如果他此时的速度小于目标速度。那车辆会 以最大加速度加速。直到到达期望速度为止，如果此刻速度大于期望速度，那会以期望减 速度减速，直到到达期望速度为止。 跟驶区( f o l l o w i n g ) 当车头时距j 1 1 p 与 棚处于2 秒与0 5 秒之间时，车辆处于常规跟驰状态，加速度由4 第二章城市交通微观仿真模型研究 - - 1 1 式决定： 其中建议的参数如表2 2 所示。参数可以在t c t s 模型中根据不同的行驶环境进行校正。 表2 2t c t s 常规跟驰模型建议参数 口 ， a c c e l e r a t i o n2 1 51 6 70 8 9 d e c e l e r a t i o n1 5 51 0 81 6 5 危险区( e m e r g e n c yr e g i m e ) 当车头时距小于0 5 秒，模型认为车辆处于危险区，会加速以避免车辆碰撞，减速度由 下式确定： 2 4 2 2 换道模型 ， v 一1 ( 2 - 1 2 ) 换道模型和跟驰模型是微观交通仿真的两个最基本的动态模型，两者共同构成交通行 为模型，与车辆跟驰行为相比，换车道行为更加复杂，以至于难以用数学方法描述。换车 道行为是驾驶员由自身的驾驶特性，针对周围车辆的车速、间隙等周边环境信息的刺激， 调整并完成自身驾驶目标策略的综合过程，通常包括信息判断和操作执行两个过程。换道 行为可用图2 7 表示如下。 后 舌随车 前导车 i 车 仁触。片亩ii 前导车关键距离 、b u p l i 1- i 、 j _ 一 b 厂 甲 图2 7 换道模型示意图 对于有目标车道需要在一定区间范围内强制换车道的转换车道行为( 如交织区的交织 车辆、地面交叉口的转向等) ，一般称之为强制性换车道m l c ( m a n d a t o r yl a n ec h a n g i n g ) ： 对于没有目标车道的换车道行为，我们称之为主动性换车道d i e ( d i s c r e t i o n a r yl a n e c h a n g i n g ) 。 尽管车道变换模型在微观交通模拟中占据重要的地位，但是目前在这方面的研究确很 少，大多数研究者都集中于可插车间隙模型，在这方面进行实际实验研究的也很少，美国 1 9 d 矿 1 y g d y一 孵化 2 l ，) a n d ( d 一， ) a n d ( d 。吨 d ) a n d ( d 。也 珑)( 2 - 1 5 ) 式中： v 。车辆速度 ，前方车辆的速度 2 1 第二章城市交通微观仿真模型研究 d ，前后车之间的距离 见4 换道车与前导车之间的距离 d 山换道车与后随车之问的距离 ( 二) 强制性换车道模型 在t c r s 模型中，强制性的车道变换行为可能在以下情况下发生： 1 当前车道阻塞。 2 当前车道汇入另一条车道。 3车辆的目的地需要转向另一条车遵 强制性换车道模型实质上没有需求产生阶段，因此研究的重点在间隙接受模型特别 是研究在不同的交通负荷下的强制性换车道模型。在a i m s u n 仿真器中，集成了g i p p s 换 车道模型p h i d a s 在a r t e m i s 模型中运用多智能体的概念对匝道汇入时的换车道模型进 行了研究。本节将强制性换车道模型分为自由( f r e e ) 换道子模块以及协作( c o o p e r a t i v e ) 换道模块。驾驶员被看作是驾驶员一车辆单元d v a ( d r i v e r - v e h i c l e - a g e n t ) ，每个车辆智能 体都有并白的目标，在达到各自目标的过程中各智能体霈要交互咀及协作等来解决冲突。 本节首先确定强制性换车道的关键间隙模型，在此基础上提出两个子模块的间隙接受标准： 最后在车道变换方案的基础上。提出了综合集成跟驰模型和换道摸型的加速度更新计划 从而确定车辆在各种情况下的运动。为统一期间，本节的换道车、主体车、换逆d v a 以及 主体d v a 概念是一致的，均指需要换道的车辆。 圈2 9 t c t s 可插车间隙模型示意图 2 2 第二章城市交通微观仿真模型研究 可插车间隙模型 在t 玎s 模型中，强制性换车道模型最小关键距离模型形式与主动性换车道类似，但 是模型的参数的不同，决定了关键间隙的差异。主动性换车道和强制性换车道模型的标准 如图2 9 所示。 自由换道模块( f r e el a n ec h a n g e ) 当车辆智能体意识到在当前速度换道结束后，车辆之间的间隙仍大于关键间隙，那么 车辆的换道行为属于自由换道。这种状况往往发生在交通负荷较低的情形，车辆有很多的 机会变换车道。d v a 的变换车道压力不大，车辆会等待更佳的机会来行使自由换道行为。 用公式表示如下： ( d 。一知 d ：7 ) a n d ( d 。k d ：，)( 2 1 6 ) 其中：d ：u ) 一一强制性模型自由换道前导车关键距离 d ：“一一强制性模型自由换道后随车关键距离 协作换道模块( c o o p e r a t i v el a n ec h a n g e ) 协作型换道模块实质上所需的关键距离和自由换道模块一样，但是此种状态，后随车 会调整驾驶行为以使换道主体车更容易的换道。后随车的驾驶行为的调整取决于两个决策 阶段： ( 1 ) 评价后随车d v a 的减速意愿 如果后随车在任何情况下都“志愿”减速允许换道车插到自己行驶方向的前方，显然 会使自己的行驶时间变长，在实际驾驶环境中是不现实的。但是在上海以及各地的实际观 测表明，确实存在后随车刹车，以使换道d v a 插入的状态。一个合乎逻辑的解释可能是后 随车理解换道车d v a 的驾驶意愿，也许他自己就亲历过这种情况( 如在匝道排队等待汇入、 在路口等待换道转向车道等) 。后随车的减速意愿可能依赖以下参量： a )后随车的驾驶经验 b 1后随车的驾驶冒险型 0驾驶员的精神状态( 如非紧急情况驾驶等) d )后随车判断的主体d v a 的换道需求强度( 如转向灯点亮的时长等) e ) 前方的交通情况 在模型中，描述上述各种情况是非常复杂的，在t c t s 中的一个有效解决方案是设定 后随d v a 的最大速度下降值见，d 。随换道车离换道截止终点的距离而变化。 ( 2 ) 评价自身的减速可能性 一旦后随车决定减速，则可用下式描述后随车的减速时间和由此引起的后随车和前导 车之间的距离变化。 第二章城市交通微观仿真模型研究 d t d ，b ， 峨- 幸皿2 峨- ，么木d t 2 ) 一( 木d t 2 ) ( 2 - 1 7 ) 上式中： d ，一一减速时间 6 。一一是主体车的期望减速度 b ，一一是后随车的期望减速度 a d t , 一一协作环境下前导车关键距离变化量 a d 缸一一协作环境下后随车关键距离变化量 则协作型换道标准如下： ( d 。一缸 ( d ：7 一a d 如) ) a n d ( d 。一k ( d ：，一a d 妇) ) ( 2 1 8 ) 换道汇入点模型 在确定换道标准之后，t c t s 模型中还考虑了换道主体d v a 的汇入点选择问题，也就 是说，换道车辆会调整自己的驾驶行为，来选择合适的插入位置，如图2 1 0 所示。 汇入点的选择流程如图2 1 1 所示。 0 + o ! ! 坠， 黝榭口酗i 虼二mm 卜丝l 节丝十一。鱼- | 鼬如； _ 呻 虎久府 ： 图2 1 0 换道车辆汇入点选择示意图 步骤一：选择第一个间隙，主体车辆会立即检测周围车辆的间隙大小； 步骤二：检查间隙大小，如果间隙不符合标准，那么转到第五步； 步骤三：计算到汇入点的加速度，到汇入点的距离4 为： ( 1 ) 前导车的最小间隙或 ( 2 ) 后随车最小间隙加上主体车的长度或 ( 3 ) 零，如果间隙大于关键间隙 假设模拟更新间隔为1 秒，那么主体车到达汇入点的下一个步长加速度为： 2 4 第二章城市交通微观仿真模型研究 彳mt ( d 。+ v 哪+ 口叩2 - v ，) 2( 2 1 9 ) 式中：d ，一一主体车辆到汇入点的距离； ，呷一一汇入点的速度( 如果插车间隙在主体车前方，则此速度等于后随车速度； 如果插车间隙在主体车后方，则此速度等于前导车速度) 图2 1 1 汇入点选择流程图 口。一一汇入点的加速度( 如果插车间隙在主体车前方，则此加速度等于后随车加速 度；如果插车间隙在主体车后方，则此加速度等于前导车加速度) ，。一一换道车速度 步骤四：检查可插车间隙。根据上一步计算的加速度确定插车关键距离的变化，确 定车辆是否可以变换车道。如果可行。则根据上一步确定的加速度实施变换过程，如果不 可行，则检查下一个间隙。 步骤五：如果目标车道的速度比换道车速度授，那么换道车会向下游寻找可插车间 隙；否则向上游寻找。如果在换道车的可视范围内( 如8 0 米) 没有找到，则终止。 第二章城市交通微观仿真模型研究 图2 1 2 车辆换道计划流程图 2 6 第二章城市交通微观仿真模型研究 换道计划模型 确定了各种形式下，车辆的换道标准后，一个突出问题是每个车辆都想换道怎么办? 在很多情况下，如果两个换道车辆如果不“通讯”和“协商”，则会引起死锁。为此t c t s 模型中引入车辆智能体概念，每个换道d v a 都有自己的换道计划，都可以与其他d v a 互 相通讯、协商。当一个车辆想换道，但当前的行驶不允许立刻实施换道行为，那么这个车 辆就会形成一个换道计划。当然，一个携带换道计划的车可能被别的车认定为后随车或前 导车，自作主张”的认为携带换道计划的车辆会与自己协作；同时携带换道计划的车反而 也会认为“自作主张”为自己协作让路，这样死锁即会形成。t c q s 提供了一个共用地址， 来解决这些潜在的冲突。车辆的换道更新计划如图2 1 2 所示。 根据上述流程，如果一个车辆拥有换道计划，那么潜在的冲突解决算法如下： 步骤一：检查自己计划中的涉及车辆是否有其他计划，如果有， 步骤二：检查这个车辆是否想换道目前自己所在的车道，如果是， 步骤三：检查两个车辆的意识行动是否冲突( 比如两个车辆都想前进到对方前面) ， 如果是： 步骤四：根据两个车辆当前的信息，计算下一步的位置，看谁会在换道更有利的位 置，不利位置的车辆会被要求取消自己目前的计划，同时提高自己的换道需求系数，以利 于下次遇到冲突时，自己能够在竞争中胜出。 ( 三) 换道轨迹 在建立了车辆换道模型后，剩下的工作就是怎样用模型来描述车辆的车道变换轨迹， 在曲线模型建立的过程中，必须考虑以下原则： 1 、曲线必须是连续的。 2 、曲线必须在不同的交通状态下都容易产生，比如不同的速度、不同的车型等。 3 、曲线必须是可行的，能够在仿真中被车辆所实现。 车辆的变换车道曲线轨迹示意图如图2 1 3 所示。假设车辆的速度为v ，车道变换所需 的时间为t l 。模型中所用的变换曲线如下所示： x x 0 + ，f ( 2 2 0 ) y 毗“n ( 事万一号) 串粤+ 粤 ( 2 - 2 1 ) t 式中： y 。车辆车道变换后期望的纵坐标值 车辆换道前的横坐标值 ) ，。车辆换道前的纵坐标值 第二章城市交通微观仿真模型研究 y x 亭圣= ：三e 图2 1 3 车道变换轨迹示意图 月是驾驶员期望的车道变换过程中的纵坐标变化值，根据车道宽度，一般可取3 米，假 设车辆车道进行变换时，速度为2 0 m s ，换道时间为3 秒，那么根据仿真所得的换道曲线如 图2 1 4 所示。 图2 1 4 车道变换曲线 从图2 1 4 的变换曲线可以看出，仿真结果是较理想的。证明此模型应用于车道变换轨 迹的刻画是有效和可行的，在仿真时所需的计算量也不是很大。 2 4 2 3 事件运动模型 t c t s 系统中，定义车辆在运行过程中可能遇到的前方车辆抛锚、信号灯、停车标志、 减速区等交通状态为车辆运动过程中遇到的事件，运用相应的事件模型来描述各种状况下 的加速度确定。 突发事件 这里定义的事件在t c t s 模型中为突发事件，驾驶员不能事先预知或者视野受阻等。 此时模型定义车辆必须在事件点之前停车，因此，其加速度定位为： 式中： 吒一一到事件点的距离 口。一一2 ( 2 h )( 2 2 2 ) 第二章城市交通微观仿真模型研究 v 。一一车辆n 当前的速度 a 。一一计算的车辆i 1 的加速度 信号灯以及标志 在t c t s 模型的车辆运行过程中，信号灯( 显示红色) 以及停车标志或者限速标志等 会协调车辆以正常的期望减速度停车。当信号灯显示绿色，但是距离车辆的期望车头时距 内变为红色，车辆仍以2 2 2 定义的加速度停车。 2 4 2 4 车辆加速度决策流程 综合上述车辆在各种情况下的加速度确定公式，可以得到车辆在每个更新的时间步长 的加速度确定流程。如图2 1 5 所示。 第二章城市交通微观仿真模型研究 2 5 交通控制模型 图2 1 5t c t s 模型加速度确定流程 t c t s 模型中可以模拟各种交通控制设备，包括： 交叉口控制：交通信号和停车等 匝道控制：包括匝道信号控制和速度限制等 第二章城市交通微观仿真模型研究 主线控制：包括节道控制、速度调节控制以及可变信息控制等 本节主要研究各种控制模型的应用，重点是地面交通信号和匝道信号控制停车控制 车道控制、速度限制( 调节) 模型主要集成在车辆的事件运动模型中。 2 5 1 交通信号 t c i s 目前模拟的交通信号主要是定时控制，主要是考虑到以后与d w i a m i 嚣的接口 以实现感应控制咀及协调拉制等。为了表示交叉口处的信号控制，用户需要按照信号配时 的程序流程指定信号灯组的周期，然后根据设计的信号配时图，指定每个车道的控制方 案，如图2 1 6 所示。 回匮团【叵园f 蒹点一i 一时间段豆茸匏 俪亟二二 豇1 l l l t 。 貔 塑l i 12 0 1 1 9 娆到i l 鳖i l l 一一l 国塑i1 圈2 1 6 信号灯方案设计目 当设计好信号控制方案后，t c t s 的i n t e r a c t i o n 模块会允许用户以图形化的形式在路网 中设置各个车道的信号等。如图21 7 所示。 第二章城市变通馥观仿真模型研究 2 5 2 入口匝道信号 图2 1 7 车道信号灯设置圈 入口匝道控制是基于历史经验数据或实时检测数据，通过位于入口匝道下游端尉近的 信号灯来调节进入高速道路主线的车流率使主线上的交通需求不超过其容量从而达到 缓解高速道路拥挤、减少交通事故豹目的。 入口匝道信号灯控制与普通交叉口信号控制之间的一个重要区别在于：入口匝道信号 灯控制中，每次绿灯时间内只允许1 辆( o n ec a r p e r g r e e n ) 或2 辆车通过停车线，因此 该绿灯时间比较短匝道调节率( m e t e r i n gr a t e f ) 与信号周期( m e t e r i n gc y c l e c ) 的 转换关系如下： c = 3 6 6 0 ( n m ) f 其中 c ：信号周期s ： f ： 匝道调节宰，v e h h ： d ：匝道车道数，一般为l 或2 ； m ：每个c y c l e 内每条车道破行车辆数， 2 3 s 或4 5 s 。 ( 2 2 3 般为1 或2 ，相应地，其周期内绿灯时间为 需要注意的是，信号周期c 与控制更新周期( u p d a t e l n f e r v a l ，也有文献中称为控制步 长c o n t r o l s t e p ，或控制时段) t 不同，一般一个控制更新周期包含若干个信号周期。 入口匝道控制依据控制范围可分为单点控制( 蛐l a t e dm e t e r 抽g ) 与协调控制 ( q 日讪n “t e dm e t e r n g ) 。依据对实时信息响应的不同，入口匝道控制可分为静态控制 ( p r e t i m e d m e t e r i n g ) 和动态控制( r e s p o n s i v e m e t e r i n g ) 。在t c t s 模型中提供三种 口匝 道控制方法：分时段静态控制、需求容量差额控制和线性状态调节控制。 第二章城市交通徽观仿真模型研究 2 5 2 1 静态控制 根据历史教据和经验，计算出不同时段之最佳仪控事事先予以设定以供执行不针 对对实时交通状态进行反应。是一种最原始、最基本的控制方法分时段静态控制如豳2 1 8 所示。 2 5 2 2 需求容量差额控制 需求- 容量差额控制( n 目m b cp a c i 竹s t r a t e g y d c ) 测量匝道上游主线需求将其与 下游主线瓶颈的容量进行比较，得其差额叩为仪控事属于前馈控制其模型为： 。 ：= ，- 2 竺：2 竺竺甩似k ：。， 田2 - 1 8 分对投尊卷控栅示意圈围2 1 9 d c 控崩奎敦圈 q 口p 一一匝道下游主线断面各条车道的总通行能力，除非发生事故导致车道阻塞，一般 可针对具体路段根据历史数据将其设为定值，经验值2 0 ( d 2 2 0 0 p c p h p l 。 q i n 耻一1 ) - 一第隹一1 ) 时段内，即时间段阽一1 f ，r 玎内，匝遭上游主线断面总流量。 曲面、眦x 一一 匝道仪控率的经验撮值 k 一一控制时段序号，拄翻步长设为t ( 经验值3 0 s 、6 0 s ) 0 0 u 壮一1 ) - 一第隹一1 ) 时段内，匝道下游主线各车遒的平均占有宰： o 口一匝遒下游主线临界占有事，对应于最大交通量q c a p 一般可针对具件路段设为 第二章城市交通微观仿真模型研究 定值，t c i s 经验值0 1 8 。d c 控制参数如图2 1 9 所示。 2 5 2 3 需求容量差额控制 需求容量差额控制根据主线上游交通状态计算匝道调节率。属于前馈控制，由于缺乏 反馈机制，系统的抗干扰能力和稳定性相对较差。针对这一问题，p a p a g e o 晒o u ( 1 9 9 i ) 提 出a l i n e a 方法，它是利用经典自动控制理论建立起来的一种反馈控制方法，其基本思路 为：将匝遵控制视为一状态调节器通过调整匝道流八率使得其r 游主线的密度聃有率尽 量维持在理想状态。a l i n f 认方法基本模型如f ： r k ) - ， 一1 ) + k “( 0 d d 。( 女一1 ) 】( 2 - 2 5 、 图22 0 d c 控制参数圈 叫m ”一气盟，卟s m i n d ( k 叫+ 竽，眦】。：。， 其中， r ) ：第k 个控制时段中的匝道调节率； r ( k d ：第k 1 个控制时段中的匝道调节率： 0 叫僻一1 ) ：第k 1 个控制时段匝道下游主线占有率： 吼：匝道f 游理想状态下的占有率； 第二章城市交通微观仿真模型研究 k r ：变换系数： d ( k 一1 ) ：第k - 1 个控制时段匝道车辆到达率； l 嘲：匝道最大允许排队车辆数； z ) ：第k 个控制时段初始匝道排队车辆数； t ：每个控制时段的时间长度； ，盂、，k ：匝道调节率的经验极值。 a l i n e a 应用于法国的巴黎、英国的格拉斯哥、荷兰的阿姆斯特丹等城市，都取得了 良好的控制效果。t c t s 模型控制参数如图2 2 0 所示。 2 6 小结 本章主要介绍了交通微观仿真中的主要模型，包括路网表示模型、车辆产生模型、车 辆跟驰模型、车辆换道模型和路径选择模型，这些为下章世博交通仿真技术的研究奠定了 理论基础。 第三章世博交通紧急事件处理究预案仿真研究 第三章世博交通仿真技术研究 3 1 车辆产生模型的实现 在仿真系统中，车辆进入仿真区域具有很多的不确定性，这些不确定性都影响着整个 系统的仿真效率和仿真精度。 不确定性主要体现在四个方面：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