（电力电子与电力传动专业论文）城市交通控制网络化仿真技术.pdf

j 方丁救大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sl o p i ci se 建l i l l e d ： 毽f b 纛纛l f 鑫f 巍ee o 毪f o l廷e 专w 移f ks i l 纛珏l 鑫l i o 麓 t e c h n o l o g y ， t h e s u b j e c t c o m e sf t o mt h e b e i j i n gi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ni n n o v a t i v et e a mf e s e a f c hp r o j e c t s u r b a 簸毫f 鑫f f i es y s 毫e l 拽i 8 霉t y p i e a lc o 嫩p l e xa n dl a f g e - s c a l es y s t e l n w i t hu r b a n d e v e l o p m e n t ， n e t 、o r ks i z ea n d c o m p l e x i t yc o n s t a n t l y i 爨p l o v e ，鑫蕤di l sl 鑫f g e8 越。珏n 圭o fc a l c 鑫l l i o n ，f e 氇l - l i m ed y 曩a 撒i e 鼗鑫l 珏f e h a v ep u tah i g h e rd e m a n do nc o m p u t e r p r e v i o u s l y ，b e c a u s eo fl i m i t e d c a p a c i t y ， c o m p u t e rc a no n l yb e u s e df b rm i c r o l o c a l r o a dn e t w o r k s i l 致毽l 鑫t i o a b 毽tw i 专ht h e 矗e v e l o p m e 觳t o fd i s t f i b u t e d c o 掇p u t i n g t e c h n o l o g y ，m i c r o t r a f n cs i m u l a t i o ns y s t e mh a sb e e na b l e t oa c h i e v e l h ef a p i dl 鑫r g e s c a l e 矗e t w o r ks i 搬u l a l i o 致。d i s l f i b 毽l e dl 矬i e f o s i l 藏u l a i o 纛 i st h er a p i d l yd e v e l o p i n gd i r e c t i o ni nt h es i m u i a t i o n a r e ao f i n t e r n a t i o n a l ， a n di tc a nr a i s e o p e r a t i n ge f | f i c i e n c y o f l a r g e - s c a l e 珏e l w o 呔l f 鑫f f 主es i 糙毽l a l i o 狂。b y 蠢i s l f 湾毽t e da e t w o f k ，w 巍i e he o 毅s l i 圭疆l e d b yt h en u i n b e ro fc o m p u t e r s ，i tc a nr e p l a c ep a r to fc o m p l e xl a r g e - s c a l e p a r a l l e lc o l l l p u t e rb 鑫s e do 觳p a f a l l e lc o l l l p u t i 致g a n di te 8 娃f o r l 臻8c o s l - e 讯c t i v es y s t e mo ft r a f f i cf l o ws i m u l a t i o n r e s e a r c ha sf 0 1 l o w s ： l 。 t 敦f o 毽g hf e s e a f e 敦i 建g o f赵es i 弱霪毽l 鑫t i o 建 s y s e m i 蕤l e f f a c e t e c h n o l o g y ，a 1 1t h ee l e m e n t si nt h es i m u l a t i o ns y s t e mc a nb ea c c e s sa n d c o 箍t r o l ，i 娃e l u d i n 馨e l e m e n 毫so ft h es t a t i ct r a f f i ce l e m e l l t sa n dd y n a m i c e l e m e n t s s u e ha sv e h i c l e st f a f f i cf l o w 2 r e 8 e a r c h i n gn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dr e a l i z i n g l h e 纛e l w o f 薹【f e 鑫l l l l 建ed a t 鑫e x c h 纛魏g e 。 3 b a s e do nt h ef b r m e r st o g e t h e r ， s u b - d i s t r i c tr o a dn e t w o r k s i l n u l a t i o 棘l l n i t sw i l lb ed i s t r i b u t e dt o 鑫n e t w o f ko fs e v e r a lc o 搬p u t e r s r e a l i z i n ga l l 鑫f e a so fi m p o r 毫，e x p o r td a t a sn e l w o r ks w i 毫c h i n g ，t h e r e f o f e a c h i e v i n gd i s t r i b u t e dr e a l t i m es i m u l a t i o n t h r o 毽g 巍l h es 毫毽d yo ft h es 毽b je c t ，i 毫e 鑫鑫f e s o l v e 专数ec 毽f r 霉稳童l 鑫f g e s c a l et r a f f i cs i m u l a t i o ni s s u ea n df e a l i z et h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ， d i s t r i b u t e ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yu s e di nt r a f 】随c ， a n da c h i e v e db ya n 毽l 致b e fo fm i e r o - c o l 珏p 醢耄e f st of e p l 鑫e ep a f l 枣fp a f a l l e lc o m p u t i n gb a s e d o nt h ep a r a l l e lc o m p u t e rt h e r e b yc o n s t i t u t i n gc o s t - e f f e c t i v et r a f f i c - 2 _ 北方工业大学硕士学位论文 f l o ws i m u l a t i o ns y s t e m ，a n dm a k et h eo r d i n a r yc o m p u t e rc a ns i m u l a t c l a r g e s c a l en e t w o r k k e yw o r d s ：u r b a nt r a n s p o r t ，m i c r o - s i m u l a t i o n ，d i s t r i b u t e ds i m u l a t i o n 3 - 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 匕友王些太堂或 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a 芬签字日期：d j 际珀落日学位论文作者签名：7 嗡签字日期：d 乡f 珀识日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 匕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 e 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：鹚 签字日期：p 铲乒f 月碡日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：伽 冀 签字日期：彩璋蝴咱 电话： 邮编； 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 选题的背景和意义 近二十年来，随着经济的飞速发展，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，已成为全球 共同关注的社会问题之一。为了解决面临的交通问题，美国、英国、 日本等发达国家竞相投入大量的人力和物力，开始大规模的进行交通 研究和实验。经过广泛的研究，这些国家发现，仅仅依靠修建更多的 道路无法从更本上解决交通问题，还要借助高新技术来改造现有的道 路运输系统及其管理体系，才能大幅度地提高路网通行能力，缓解日 益严重的交通问题。起初，这种研究对象被称为。智能车辆道路系统 一( i v h s ) j 主要进行道路功能和车辆智能化的研究。随着研究的不 断深入，系统功能扩展到道路交通运输的全过程及各相关部门，成为 带动整个道路交通运输现代化的_ 智能交通系统修( i n t e l l i g e n t t f a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 。智能交通系统是一个全面应用信息技 术、自动控制技术的交通系统，是应用信息技术和自动控制技术为道 路使用者及交通管理者提供帮助和服务的系统。 交通管理是智能交通一项重要研究内容，包含交通规则、需求管 理、交通控制、事故处理等多个方面。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。也就是说，必须了解交通流的运 动变化规律、交通拥阻的成因和传播、交通基础设施和控制策略对交 通流的影响等问题。因此，在过去的五十年里出现了大量的交通流理 论和模型。如果按细节层次分，交通仿真模型可分为微观模型、中微 观模型和宏观模型。 早先的研究主要集中于宏观模型，讨论交通流量及密度的变化， 评价交通网络的总体性能。现在，由于高速运算计算机的发展以及交 通仿真的需要，研究热点逐渐转移到微观模型。微观模型在每一时刻 均计算路网中每一辆车的位置、车速、加速度等特性，因此可为交通 管理和仿真提供详细的信息。交通管理措施及控制策略在实施之先， l 防一碰大学磺士学位论文 必须进行仔细评估。交通管理中心的篱理人员在上岗前必须在仿真环 境下先进行培训。由于这些原因，微观交通仿真模型及交通管理仿真 器成为世界研究热点。采用微观交通仿真系统，能模拟人一车一路的相 互作用，秀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 市现有路圈鹩通行能力和服务求平进行分析、评价。 目前，全球已有一百多个微观交避仿真模型，并有几十种商业化 的微观交通仿真软件和仿真器，其中大部分都可以进行城市交通仿真 。中国需要发展i t s 是毋庸置疑的，特别是面对即将到来的信息社会 和知识经济，加快利用高新技术，改善交逶系统就显得更为紧迫。另 外，i t s 将是中国高凝技术应用的巨大市场之一，因此建设l t s 对于中 国实现跳跃式发展，实现高新技术的产业化具有重要的意义。中国发 展智能交通要向发达国家学习，跟踪和引进【l 】。 1 2 国内外发震状况， 1 2 。1 国外发晨状况 冒前，国外在交通仿真研究方面已经进行了有效的、院较成熟的 工作，并开发了众多的交通仿真软件，其中一些软件已经实现了产晶 化和商业化。从2 0 世纪6 0 年代开始出交通仿真以来，综观其整个发展 过程，大致经历了6 0 年代，7 0 至8 0 年代，8 0 年代束以来3 个较为明显 的阶段。 一 1 、2 0 世纪6 0 年代 这一时期的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，因两宏观交道仿真模型被广泛使用，但模型的灵活性和描述能 力都较为有限，加上当时计算机性能较低，所以仿真结果的表达也就 不够理想。在这个阶段，最具代表性的当属英国道路与交通研究所 ( t r r l ) 的d l 罗伯逊于l9 6 7 年开发的道路交通流仿真软件t r a n s y t ，它主要用子确定定时交透信号参数的最优值；g e r l o u 曲在l9 6 3 年建 立的用于道路网络信号配置的t r a n s 模型；美国联邦公路局( f h w a ) 于l9 5 6 。19 6 6 年研制的s i g o p 仿真系统。 2 - 北方工业大学硕士学位论文 2 、2 0 世纪7 0 8 0 年代 这阶段由于计算机的迅速发展，计算机仿真模型的精度也得到了 提高，功能也更加多样化了。同时，微观交通仿真模型也得到了较大 的发展。这期间的典型代表是美国联邦公路局开发的t r a f n e t s i m 模型，该模型是一个描述单个车辆运动、应用时间扫描法 的网络微观交通仿真模型，该模型对道路几何条件的描述也很灵活。 19 71 年，e b l i e f e r m a n 建立了用以描述个别车辆运动的u t c s 1 模型 ；l9 7 4 年，日本科学警察研究所开发了m i s t r a n 模型，用以研究左 右转车辆和横穿道路的步行者之间的相互影响；l9 7 6 年，英国利兹大 学开发了用于平面交叉口交通信号控制的s a t u r n 宏观模型。 3 、2 0 世纪8 0 年代末以后 由于早期计算机性能及发展水平限制，当时开发的交通仿真模型 主要用在大、中型计算机以及图形工作站上，而且几乎都是采用面向 过程的传统的软件开发方法，大多数都是采用f o r t r a n 语言或专用的 仿真语言为开发工具，仿真模型也很难真正体现复杂的交通现象，系 统的通用性、交互性、可维护性、扩展性都较差随着计算机技术的 迅速发展，软件开发技术的进步，2 0 世纪8 0 年代末以来，i t s 成为了 国外研究的热点，世界各国都展开了以i t s 为应用背景的交通仿真软 件的研究与开发，从而出现了一大批评价和分析i t s 系统效益的仿真 软件。 1 2 2 典型交通仿真软件模型的介绍 l 、c o r s i m 。 c o r s i m 是由美国联邦公路局开发的、综合了两个微观仿真模型 ( 用于城市的n e t s i m 和用于高速公路的f r e s i m ) ，能够仿真城市 道路和高速公路的交通流。c o r s i m 的目标是交通系统管理的开发和 评价。它是一个能够真实再现动态交通的随机交通仿真模型，有先进 的跟车模型和车道交换模型，以1 秒为间隔模拟车辆的运动。它提供 了很多指标来量化交通路网性能。c o r s i m 提供便于用户观察仿真结 果的动画显示19 9 7 年，f h w a 发行了一个加强舨，大大增强了i t s 的仿真，称为t r e p g s ，主要加强了对高速公路、交叉口、各种车型 ( 小汽车、公交车、货车) 控制策略的模拟c o r s i m 主要的缺点在 3 - = l 艺方王韭大学磺士学能论文 于缺少分配算法，这使得评价匝道控制、事故和出行者信息引起的交 通量转移难以进行。 2 、重n 霉e g 袋a t l o n l n t e g r 埘l o n 是8 0 年代孛麓由m 玩瞧a e f d e 教授开发的、混合使 用了单车和宏观交通流理论的模型，因而被认为是中观模型。1 i n t e g r a t i o n 中跟驰行驶模型的算法采用运动学模型，单车的速度 是基于自由流、达到逶行能力、拥挤时的宏观交透流参数。 l n t e g r 觚l o n 能使沿路段的交通流密度连续变化。因此可以模拟车 队的消散。它使用了5 种驾驶员类型来模拟实时交通条件下的行为。 i n t e g r 斛i o n 提供了详细的驾驶员( 或车辆) 行为模拟，能够评价 路径诱导系统的有效性、匝道控铡和信号控制策略的影响、事故酶模 拟等。该模型可以用于交通控制、路径诱导、分配、可变信息标示等 ，用户可以修改模型参数。它的不足之处在于不能进行多路径的分配 和诱导。 3 、p a 袋a m 主c s p a r a m i c s 是苏格兰q i l 鑫d s l o l l el i m i t e d 公司l9 9 2 年开始开发的产 品。由于采用了并行计算技术，路网规模比以前的要大。其应用领域 如下几方面。 ( 1 交透管理和控制：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 ) 交通控制中心的仿真：描述交通事故导致的拥挤情况，提供 交通管理策略产生的细节描述； ( 3 为出行信息提供预测：能够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：p a r a m i c s 提供了用户控制的路径一费用 扰动来模拟驾驶员对路径一费用感知的交动。 p a r a m i c s 在仿真l t s 基础设施和拥挤的道路网时有突出的表现 。目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 、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 至丞数定义特殊的控制策略。它还能够读取有关节点和路段的信息 。p a r a m i c s 目前在世界许多圃家得到了广泛应用。英国的联邦政府利 4 北方工业大学硕士学位论文 用p a r a m i c s 测试交通路网和高速公路的设计、评价交通控制策略和尾 气排放水平，以及研究中远期的交通规划、管理战略。使用p a r a m i c s 的私人企业有英国最大的超市连锁店a s d a 、苏格兰能源公司和英国 最大的酿造公司s c o t t i s h 以及n e w c a s t l e 。在美国，加州大学埃文分校 使用p a f a m i c s 网络试验基地进行智能交通系统方面的研究：著名的 o a kr i d g e 国家实验室与联邦公路局合作利用p a f a m i c s 对他们现在使 用的交通软件进行评估和比较。另外，美国交通部也开始购买 p a r a m i c s 进行高容量车行道和环行道路设计方面的研究。在美国应用 p a r a m i c s 的还有私人咨询公司以及学术机构( 加州大学伯克利分校、 犹他大学、新泽西大学、布鲁克林大学等) 在日本，咨询公司ss r i 和o r i c o n 应用p a r a m i c s 承担了日本建设部的p w r i 项目，包括为东京 名古屋高速路系统提供可行性研究和东京都市高速路系统的研究。新 加坡陆路交通管理局( l t a ) 应用p a r a m i c s 进行城市交通规划、交通 控制策略评估和道路收费系统评估。其他使用p a r a m i c s 的国家和地区 包括澳大利亚、阿根廷、德国、比利时、丹麦、加拿大、马来西亚、 中国香港、中国台湾等。目前，p a r a m i c s 在全世界已有数百用户。 4 、v i s s i m v i s s i m 是德国p t v 公司的产品。车辆的纵向运动采用了基于规 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 提 供了图形化的界面，用2 d 和3 d 动画向用户直观显示车辆运动，运用 动态交通分配进行路径选择。v i s s i m 能够模拟许多城市内和非城市 内的交通状况，特别适合模拟各种城市交通控制系统，主要应用有： ( 1 ) 由车辆激发的信号控制的设计、检验、评价；( 2 ) 公交优先方案的 通行能力分析和检验；( 3 ) 收费设施的分析；( 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等 5 、g e t r a m a i m s u n 2 a i m u s u n 2 是西班牙t s s 公司的产品，其特点是：( 1 ) 能够用于各 种不同的路网：城市网络、高速公路、一般公路交通干线或者混合道 路情况；( 2 ) 提供了两种不同方式的仿真：一种是基于输入交通流和 转弯比例的，一种是基于o d 和路径选择模型的前者的车辆随机地 分布于路网，而后者的车辆则在o d 之间被分配了特定的路径；( 3 ) 能 5 j 艺方工业大学硕士学位论文 够模拟不同的交通控制：有信号交叉口、无信号交叉口( 让路或停车 ) 、匝道控制；( 4 ) 可以模拟v m s 上显示的消息对交通行为的影响； ( 5 ) 提供细致的统计输出：流量、速度、出行时间等，还有诸如燃油 消耗和污染排放等环境影响。 为了对i t s 进行仿真，g e t r a m a i m s u n 2 开发了扩展功能。包 括：( 1 ) 自适应交通信号控制、交通管理和事故管理系统的仿真；( 2 ) 车辆导航、燃油消耗和排放的仿真；( 3 ) 公交车辆调度和控制系统的 仿真。i t s 被作为外部程序g e t r a m a 王m s u n 2 进行逶讯来进行影响 评价，为此a i m s u n 2 开发了一系列的动态链接库( d l l ) ，这些动态链 接库使得a i m s u n 2 能够与外部程序进行通讯。 露前，a l m s u n 2 己成为车辆导航系统强有力的研究工具，并在 巴塞罗那等地得到应用。它提供强大的地圈编辑器以及保证路网模型 的精确性，引进了车辆和道路性质的大量行为模型以及众多的模型参 数，使得a i m s u n 2 的交通模型对细节也考虑得很周到。车辆在起讫 点之闻的行驶路径可以电路径选择模型得到，同时还能提供车辆本身 的详细信息，包括车辆的位置、速度、加速度等。a i m s u n 2 还包括 了a t m s a t i s ，它们为仿真过程提供实时的交通信息。在计算最短路 径时，a i m s u n 2 还考虑了车辆转向对整个出行时间变化所产生的影 响。 1 2 。3 国内发展状况 我国在8 0 年代才开始用计算机模拟方法进行交通流模拟研究，起 步较晚。目前的整体水平离国际先进水平仍有较大的差距。已进行的 有的模拟研究主要如下： l 、同济大学的段进字等开发了m i c f os l m 车流微观仿真系统，系 统主要面向高速道路开发了车辆生成模型和车辆一般行驶模型，系统 仿真的主要目的是评价l t s 中a h s 系统对交透安全和通行能力的影响 o 2 、北京工业大学的荣建等开发了基于司机判断过程的高速道路 基本路段的微观仿真模型，该模型的研究是面向高速道路的基本路段 ，主要研究在车辆微观运行模型中司机的涮断和分析模型。 3 、东南大学的扬棋等人开发了路段通行能力的动态微溉仿真系 6 l 艺方王监大学硕士学链论文 统，系统从微观的角度对车辆本身的特性、驾驶员特性、道路特性、 环境及交通规则与路段通行能力的相互关系进行了细部模型设计，研 究了在混合交通状态及交通流不均衡状态下路段通行能力的仿真。逶 过淘用户开放大量的模型参数，使系统具有缀强鲍灵活性秘霹操作性 ，以利于使用者进行各种对比研究分析，尤其在仿真模型中引入交通 法规参数，使得路段通行能力仿真系统能为有关部门制定交通法规提 供科学决策的依据。同时，运用统计方法和人工神经元网络的方法对 仿真结果进行分析研究为得出更准确的仿真结论作出了有效的保证。 从总体而言，中国交通仿真研究还处予起步阶段，属于对单一路 段或单一交叉的微观模拟，仿真模型往往局限予某个闯题的个方面 ，还没有一个经过验证和使用的仿真平台开发出来，与网络化、集成 化、并行化、动态化的国际先进水平相比仍有较大的差距。但是，大 规模的交通模拟系统是交通研究的实验平台，同时也进行i t s 研究的 的核心，总之，中国必须深入开展交通流模拟分析方法的研究，尽快 地建立起具有自主版权的交通流模拟平台，这具有非常重要的理论和 现实意义。 1 3 论文结构 本论文结构安排如下； 第1 章介绍了本文课题的选题背景和意义，国内外相关领域的研 究概况。 第2 章首先分析了分布式计算技术应用于交通仿真的必然性；然 后介绍了分布式系统的软硬件结构和一般概念以及并行设计模式。 第3 章对交通流建模理论进行了概述，对比分析了宏观仿真、孛 观仿真以及微观仿真中的常用模型。确定本文微观交逶仿真模型一一 v i s s i m 。 第4 章对微观交通仿真分布式并行方法和策略作了比较，并研究 了本文中所采用的分布式并行方法。 第5 张详细介绍了分在式微观交通分系统中涉及的数据分析，包 括数据通讯、数据同步以及路网划分问题。+ 第6 章结论与展望，对本文主要成果及创新点进行总结，反思论 文中的有待完善之处，指出将来需要进一步深入展开研究的方向。 7 。 北方：随大学硕士学使论文 2 分布式仿真环境的研究 2 1 分布式仿真概述 从城市交通的发展来看，城市规模及复杂程度越来越大，未来社 会对城市交通的要求也随之智能化，网络化。实现城市交通网络化、 智能化控制将是发展的必然。因此我们曩前首要解决的问题是实现整 个城市交通网络的仿真，从丽合理优化网络中所有的区域交叉口控制 以及匝道口的控制【2 1 。， 2 。1 1 分布式仿真的磐要性 仿真技术被认泠是继科学理论和实验研究之爱的第3 种认识和改 造世界的工具以及各门学科研究手段的“交互点修。计算机仿真是指 以计算机为工具，从研究对象中获取计算机模型，并在计算机上进行 试验的一种研究方法p 】。在现代科学技术高速发展的社会，仿真技术 已经应用到各个领域，1 从军事领域，科学数值建模与仿真、到鑫动控 制领域等等。仿真技术大大节约开发和建设成本，并旦具有重复性。 交通仿真是一门在计算机上进行交通运输试验的技术，它含有随 机性，可以微观，也可以宏观。通过交通仿真，可以得到交通流的状 态变量随时闯、空闻的变化、分布规律及其与交逶控制变量闻的关系 ，进而进行分析交通问题。因此交通仿真技术在交通规划和控制中的 分析、评价发挥着重要的作用【2 1 。然而，随着经济的发展，城市规模 的复杂化对计算机速度提出了要求，目前单台计算机已经无法满足交 通仿真的需求。因为在仿真过程巾，对计算机系统的运算和处理麓力 要求非常高。在交通仿真中，如果进行一次仿真需要几天甚至几个月 才能得到结果，这通常是不可接受的。因为只有仿真运算时间足够少 ，工作人员才可以高效的工作，达到仿真的效果。当仿真对象很复杂 时，就需要消耗计算概更多的资源来仿真，并且随着仿真时钟步长的 减少和需要考虑的车辆信息的更新，信号灯的更新等等，仿真计算时 间还会急剧增加，这显然是证人无法接受的1 1 6 】。 另外，随着路嬲规模的增加，需要对采集的大量实时数据进行快 速处理，单处理器的p c 机已经不能满足计算能力的需求，会导致交 8 薯艺方工业大学 奚学位论文 通网络仿真的速度和效率越来越低，如何提高大规模路网仿真的速度 和效率已成为一个厦待解决的问题。实践证明，在高性能计算机上进 行弗行仿真计算可使计算速度提高凡十乃至上百傣，毽是高性麓计算 机由于成本太高，不容易普及，而分布式网络系统只需要利用几台 p c 机和网络设备搭建一个集群系统平台就可以应用。因此，融合交 通网络分析理论和并行计算理论，设计高效的交通网络并行仿真算法 ，并在分希式网络系统上实现，可以解决大规模交通网络仿真问题， 这对缓解城市道路交逶拥挤、促进社会经济建设和l t s 纵深发展有重 要的理论价值和实践意义。 2 。量2 分布式计算基磷概念 l 、网络通讯 ” 所有分布式计算丽境鳇基础是计算枫之闻的逶讯。虽然这个过程 是最基本的、必需的过程，但从概念上反映了分布式环境和底层通讯 模块的接近程度。我们知道，让计算机和其他计算机进行通讯的硬件 以及系统软件常常称作为传输层。而当几个计算机使用共同的传输层 相连时，它就可以称为计算机网络”】。 网络上的信息传递过程和我们平时所使用的邮政信件传送过程是 十分类似的。就像一个邮包一样，网络上的信息也被打包，包含有收 信者和发行者的地址，以及一些真正需要传送的自带信息，比如一条 短信息，这些信息通过一些具有邮发功能的机器进行传递。另外，和 邮释信件一样，收到甄络信息包的人可以选择接受信息，也可以不接 受。对于网络信息，如果超过了一定的大小限制，那么它可能就会被 分割成多个小部分，等到它到达爨的地时候在组合起来。一般来说，。 只要传输层中具有一定的分组顺序、数据格式，就可以组成某种通讯 协议，只要遵循这些预定义的协议，某一计算机系统就能正确解释来 自其谴计算机系统的信息。在本文中，考虑到交通仿真过程中，要实 时接受大量的数据并传送数据，所以采用网络通讯协议一一u d p 协议 器 2 、同步和异步传输 和普通的邮件相同，信息发送者关注携信息接受信息的情况，其 侧重点也各有不同。一种情况是，也许发送者根本就不需要关心信息 9 j 艺方：业火学顼士学位论文 是否达到了接收者处；另外一种情况，发送者需要确认信息已经到达 了接收者处，但是不需要等到接受确认后才能继续下面的工作，还有 ，发送者必须等到接收者确认收到信息之后才能往下进行工作。同步 模式的操作就是发送者必须接收到接收者的反馈才能继续往下工作， 而不需要接收者反馈信息的工作模式，或者至少不需要接受者立即反 馈的，就叫做异步模式。这两种模式的区别通常决定了某种协议是不 是适合某一特定任务。在本文中，采用异步传输来传输数据。 一 3 、客户端和服务端 客户端服务端和分布式计算的某些特定属性联系在一起。实际 上，无论是客户端、服务端还是对等端，都只是在通讯中扮演了一个 参与者盼角色。在每一次逶讯过程中，这些角色都在不断地交化，这 次是客户端的焦色，下一次就可能是服务端。需要注意的是，这些端 实际上指正在运行着的线程，而不是狭义地指某种计算机硬件，这些 线程有可能存在于同一系统中，甚至同一进程中。 在本文孛，被称为榉鼹务端的线程，通常的任务是打开通讯信 道，等待其他线程来与其联系；丽主动联系“服务端 线程来开始进 行通信的线程是“客户端一。 4 、a p l 一一应用编程端嗣 逶讯功能的核心部分透常是壅与操作系统帮隧络相关的a p l 提供 。这两种程序调用大量的通讯函数来完成实际的系统间数据的传输。 总的来说，这些底层组件为底层的通讯模块提供了一定层次的抽象， 同时也将更高层次的地址标识和数据转换等功能留给高一层的服务模 式。图2 1 是直接使用a p l 进行通信豹模型。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 2 2 分布式计算环境 2 2 1 硬件结构 虽然所有的分布式系统都含有多个c p u ，但这些c p u 的互联和通 信方式的多种不同的组织方式，形成了许多不同硬件组织模式。这类 计算机具有两种类型：单指令流多数据流( s i m d ) 和多指令多数据流 ( m i m d ) 。在s i m d 计算机系统中，阵列处理机是一种典型结构，它由 一个指令部件取得指令，然后将指令同时发往多个数据操作部件并行 操作。阵列处理机类似于传统计算机，具有大量的算术与逻辑部件， 以规则的阵列连接起来，它们可以用来执行矩阵运算和向量运算等规 则操作。其特点是，整个处理单元阵列都服从于一个单一的指令流控 制，某些指令可作用于分布于所有处理单元阵列上的数据项。在 m i m d 计算机中，由独立的处理机执行各自得到的指令，对各自的数 据进行操作【1 。 分布式系统又可分为总线的结构和基于交换的结构。所谓总线结 构，是指系统中存在多个c p u 共享的总线，用于传输数据。而在交换 结构中，没有公共总线额，而是在c p u 之间建有专用的数据通路。 l 、基于总线的多处理机 在这种结构的多处理机中，每个c p u 都与总线直接相连，存储器 也与总线相连，即多个c p u 通过总线共享存储器典型的总线有3 2 位 总线和6 4 位总线，总线又分为地址总线、数据总线和控制总线，各位 之间并行处理，由于只有一个存储器多个c p u ，所以c p u 对存储器的 麓方王渡天学硕圭学位论文 读写应该具有一致性。具有这一特征的存储器可称力一致的存储器， 一致性在分布式系统中是一个非常重要的原则，并且有许多不同的表 现方式，如读写一致等。 2 、基于交换的多处理机 要采用更多的c p u 构成多处理机，必须采用不同的组织方法来连 接c p u 和存储器，一种方法是将存储器分成模块，然后用交叉开关互 联，如图2 2 ，每个交叉点是个点子开关，每个c p u 与每个存储器 通过开关可以直接相连。当c p u 要访问一个确定的存储器模块时，相 应的交叉开关立即合上。基于交换的多处理机，是它们直接相连，然 后童接访阍。交叉开关的实质就是谗多c p u 可以同时访赫存储器。当 然，如果有两个以上的c p u 要访问同一个存储器，仍需要等待。 圈2 2 交叉开关 3 、基于总线的多计算机 相对于多处理机而言，多计算机系统的建立比较容易，每个 e p u 都与鑫己斡局部存储器直接相连，唯一的闻题是e p u 之闻如 何通信。由于仅仅是c p u 之间的通信，通信量会明显少于同时用 c p u 与c p u 之闻的透信。由于其通信量明显减少，它不必使用嵩 速总线，实际上， 1o l0 0 m b p s 的局域网已相当实用，比起 3o o m b p s 的高速总线要求低得多 4 、基于交换的多计算机 在基于交换的多计算机结构中，仍要保持每个c p u 只与特定的局 都存储器直接相连，互联结构仍是c p u 之闻的互联。这种结构具有两 种联结方式：一种叫做栅格结构，一种叫做超立方结构。栅格结构容 - 1 2 _ 北方工业大学硕士学位论文 易理解，就像在一块插件板上有多个c p u ，相邻c p u 之间互联，这种 结构适用于具有二维特性的计算任务。超立方体结构是一个n 维的立 方体。可以这样认为，它是由普通的立方体构成，每条边表示两个 c p u 之间直接相连，两个立方体中对应节点相互联结 2 2 2 软件结构。 。 对于分布式系统，软件和硬件是两个不可分割的整体，从程序员 或应用的角度来看。软件的概念更为重要虽然操作系统的结构不像 硬件体系那样规整，但仍然可以化为两种系统。这两种系统分别对应 两类硬件系统结构。在松涡合的系统中，机器和用户独立工作，在必 要的时候可以进行通信。例如，一组个人计算机通过局域网互联共享 资源。在紧涡合的系统中，各台机器合作完成同一个任务。硬件和软 件结合而成的分布式系统类型应当为八种但实际上，只有四种类型 有实际意义，因为多处理机硬件无论使用总线还是使用交换开关都只 能配备紧涡合的软件系统【1 。 l 、网络操作系统 这是一种典型的松涡合的软件与松涡合的硬件相结合形成的系统 。典型的组成是一组工作站由局域网互联在一起，其中，每台工作站 上安装网络软件。在这种系统中，用户可以利用有盘或无盘工作站工 作，所有的命令和程序均在工作站上运行。同时，用户也可以根据需 要进行远程登录，利用其他工作站工作。网络软件还支持远程拷贝命 令。使用户可以在不同的工作站之间拷贝文件网络操作系统的特点 很明确，那就是系统中的每台机器高度自治。 2 、分布式操作系统 对于松涡合的操作系统而言，除了客户和服务器之间的通信方式 要服从系统协议外，不需要其他系统级的协同而对于紧涡合的系统 ，其设计目标则恰恰是建立一种统一的系统即多个机器构成一个完 整的系统，而不仅仅是不同机器的集合，根本的含义就是用户不必清 楚系统中有多少c p u 作为分布式操作系统，首先要提供进程间的通 信机制以便进程间交换数据，：还要具有全局性的保护机制，进程管理 ( 删除、启动、中止) 在各台机器上的操作语义均应一致文件系 统无论在何处均表现一致。也就是说，同一文件无论在何处均可采用 - 1 3 魏方工照大学硕士学位论文 穗围的文件名，各台褫器闽还必须保持褶圈的操作顺序等等。 3 、处理机分时系统 这是一种由紧涡合硬件与紧涡合软件构成的系统，这种系统的主 要特征是存在一个运行队列，表示系统中的一组运行队列，表示系统 中的一组逻辑上无阻塞的、准备运行的进程。由于在这类系统中， c p u 没有局部存储器，所以，不管在哪个c p u 上运行，所有程序都存 储予全局的共享存储器中。如果运行时间很长的进程在完成之前需要 调度许多次，它有可能在每个c p u 上运行了相当的时润。换句话讲， 如果所有c p u 都空闲等待i o 处理，此时，有一进程就绪，那么，最 好的c p u 调度就是将最近使用过的c p u 分配给它。这种系统与其它两 种系统的主要不同点在予文件系统的组织，它通常具有一个传统的文 件系统，包括一个统一的缴块势单位的c a e h e 。当进程执行一个系统 调用时产生一个自陷，幽操作系统处理。操作系统在伤问：临界区时 ，利用信号灯、管程或其它机制来锬定使其它c p u 不能访问。在此种 情况下，若要执行写调用，则将块c a c h e 上锁，将新数据写入c a c h e ， 然后开锁。任何后续的读调用将能读到该数据，这种语义与单机系统 是- 样的。实际上，在这种系统中，一般由一个c p u 运行操作系统， 其它c p u 运行用户程序。但是，这种处理并不是最好的，因为这样会 使运行操俸系统的c p u 戒力系统瓶颈，蔼不能使多个c p u 均衡发挥俸 用，从而会影响系统性能。一般而言，在没有其享存储器的系统中 ，无法将多处理机系统模拟成单机系统。因为没有共享存储器，裁无 法模拟核心运行队列和块c a c h e ；若利用网络环境实现或模拟核心队 列，通信代价太高，无法实用。 2 2 3 分布式结构的优点 一 现在许多的应用系统在开发时都会选择使用分布式结构。采用分 布式结构有如下的优点。 分布式结构的出现是为了解决客户机服务端结构在维护上的高 成本，尤其是当客户端在不同的区域。此外也是失了改善客户机服 务端结构可伸缩性的问题，因为客户机服务器结构能够支持的客户 端用户人数有一定的限度，当客户端震户的数匿超过2 0 0 人的时候， 客户机服务器结构的执行效率便开始下降对于i n t e r n e t i n t r a n e t 和 1 4 。 ：l 艺方工业大学硬圭学位论文 电子商务等的应用系统等蔼言，这样的客户端用户人数限制是不可能 ，所以需要使用更具扩展性的分布式结构来克服这个问题。 从重复使用的角度来看，分布式结构也是优于客户机服务器结 构的，分布式结构能够半强迫软件开发人员以企业对象的形态编写企 业逻辑，进而允许其他系统或是i n t e f n e t i n t r a n e l 系统可以重复使用这 些企监对象，这对于软件开发以及客户端的维护都是有益的，也能够 降低系统的维护成本。 另外，谗多1 日的系统嚣电子商务的问题需要重薪翻修，丽且必须 结合新的一代信息系统，因此整合各种不同的系统结构也成了使用分 布式应用系统的重要原因之一。此外，所有的开发工具厂商、数据库 厂商、中介软件厂商以及i n t e r n e t i n t f a n e t 工具厂商都加入了对分布式 结构的支持，分布式应用系统开发进入成熟阶段【1 2 3 并行计算模式 并行计算需要一个合适的计算环境，这个计算环境可以是具有多 个内部处理器的单计算机或是多个互连的单处理器计算机，一般来说 可分为以下几种【6 】。 2 3 1 共享存储多处理机系统 如图2 1 所示，一台通常的计算机是由执行存放于主存储器中的 程序和处理器组成，计算机主存储器的每个单元由称为地址的数字所 定位。 图2 1 怠含单处理嚣的普逶计算机典型结构 扩展单处理器的一个自然方法是使多个处理器连到多个存储器模 块，使得每个处理器能以共享存储器配置的形式访问任意一个存储器 模块，处理器和存储器之间的连接是通过某种互连两络实现的，如图 - 1 5 = l 艺方工救大学硕士学位论文 2 2 所示。 图2 2 传统的共享存储器多处理机模型 共享存储器多处理机系统使用单地蛙空阕，这意味着在整今主存 储器系统中的每一个单元都有一个唯一的地址，通过此地址每个处理 器就可以访闻该单元。对共享存储器多处理枧进行编程涉及到在主存 储器中存储可由每个处理器执行的代码。每个程序所需的数据也将保 存在共享存储器孛，因此如果有需要的话，每个程序可访问所有的数 据。可用不同方法由程序员为处理器建立可执行代码和共享数据蹲】。 从程序员观点来看，共享存储器多处理机是很有吸引力的，因为 它方便了对数据酶共享；但是用硬件来达到所有处理器对所有存储器 的快速访问是很困难的。因此大多数大型的实际共享存储系统具有某 种形式的层次或分布式存储器结构，以使处理器能以更快的速度访问 物理上相近的处理单元。 2 3 2 分布式共事存储器系统 由于意识到从编程观点而言期望使用共享存储器范例，些研究 人员开始追求分布式共享存储器系统的概念，在这种系统中，每个处 理器使用单一的存储器地址空间对整个存储器进行访问【6 】。当一个处 理器要访问的单元不在本地存储器中时，必须使用消息传递方法将数 据从处理器送到该单元或是将该单元传递到处理器，这种传递必须以 某种自动的方式进行，以