（系统工程专业论文）城市快速路微观交通仿真系统模型的研究与实现.pdf

摘要 摘要 当今社会，交通拥堵已成为制约社会发展和人类生活的重要因素之一。为 了在现有道路条件下对交通中出现的拥挤状况进行紧急事故处理和交通诱导分 析，必须对交通流特性进行深入地分析和研究。 微观交通仿真模型的出现，为交通系统的研究提供了有效工具。本文以上 海市科委2 0 0 6 年度设立的“上海城市综合交通信息平台关键技术研究与开发” 为背景，以“交通综合信息平台城市交通仿真构件技术研究”为课题，基于综 合交通信息平台实时数据，重点研究了城市快速路仿真模型，包括车辆产生模 型、车辆跟驰模型、车辆换道模型和路径选择模型，并在城市快速路微观交通 仿真系统中予以实现。论文的主要工作如下： ( 1 ) 分析、研究了城市微观交通仿真模型的现状及其发展趋势，介绍了国 内外几种经典的交通仿真模型，并对其不足之处进行了概括性总结。 ( 2 ) 以交通综合信息平台接入数据为基础，针对城市快速路的特点，提出 了一种基于实时数据的车辆产生模型，有效地降低了一般车辆产生模型的随机 性，提高了微观交通仿真的真实性。 ( 3 ) 以车头时距为跟驰依据，结合多种经典跟驰模型，研究了一种基于车 头时距的跟驰模型，实现了不同交通状况下的不同跟驰效果，使仿真更为逼真。 ( 4 ) 针对城市快速路的特点，研究了一种基于城市快速路的换道模型和一 种简化的路径选择模型。 ( 5 ) 基于n e t 开发平台，以城市快速路仿真模型为基础，设计并实现了城 市快速路微观交通仿真系统中的车辆产生模块、车辆跟驰模块、车辆换道模块 以及路径选择模块。 ( 6 ) 将本文的仿真模型应用于城市快速路微观交通仿真系统中，以上海市 南北高架部分路段为仿真实例，实现了交通仿真实时再现和短时交通流预测， 并基于仿真结果的分析，验证了仿真模型的有效性。 关键词：城市快速路，车辆产生模型，车辆跟驰模型，车辆换道模型，路径选 择模型 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o d e ms o c i e t y , t r a f f i cj a l t lh a sb e c o m eo n eo ft h eb a r r i e r sa g a i n s ts o c i a l d e v e l o p m e n ta n dp e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o n i no r d e rt op r e v e n te m e r g e n c i e sa n d c o n d u c tt r a f f i ca n a l y s i s ，i ti sn e c e s s a r yt om a k eat h o r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a 硒cf l o w t h ed e b u to 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 nm o d e lp r o v i d e sa ne f f e c tw a yt od o t r a f f i cr e s e a r c hw o r k t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do n “r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f k e yt e c h n o l o g i e si nu r b a nt r a f f i ci n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o r m ”，a n dt o o k r e s e a r c ho ft r a f f i c i n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o n nu r b a nt r a f f i cs i m u l a t i o n c o m p o n e n tt e c h n o l o g y a st h et o p i c w i t ht h ed a t ao ft r a f f i ci n t e g r a t e di n f o r m a t i o n p l a t f o r m ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h eu r b a ne x p r e s s w a ym o d e l i n g ，i n c l u d i n g c a r - c r e a t i n gm 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 l ，r o u t e c h o i c em o d e l ， a n di m p l e m e n t e dt h e mi nt h eu r b a ne x p r e s s w a ym 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 i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc o n s i s t so fs e v e r a lp a r t s ： ( 1 ) a n a l y z e da n di n v e s t i g a t e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n dt r e n do fm 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 nm o d e l i n t r o d u c e ds e v e r a lc l a s s i ct r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e l s ，a n dm a d ea s u m m a r yt ot h ei n s u f f i c i e n c i e s ( 2 ) b a s e do nt h ed a t ao ft h e “t r a 伍ci n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o r m a n dt h e f e a t u r e so fe x p r e s s w a y , b r o u g h tf o r w a r dc a r - c r e a t i n gm o d e lb a s e do nr e a l t i m ed a t a ， t h e nr e d u c e dt h er a n d o m i c i t yo ft r a d i t i o n a lc a r - c r e a t i n gm o d e l ，a n de n h a n c e dt h e a u t h e n t i c i t yo 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 n ( 3 ) c o m b i n e dw i t hs e v e r a lc l a s s i cc a r - f o l l o w i n gm o d e l s ，a n db a s e do nh e a d w a y , r e s e a r c h e dah e a d w a yr e l e v a n tc a r - f o l l o w i n gm o d e l ，r e a l i z e dd i f f e r e n tc a r - f o l l o w i n g e f f e c t su n d e rd i f f e r e n tt r a 衢cc o n d i t i o n ，a n dm a d et h es i m u l a t i o ne f f e c tm o r er e a l i s t i c ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fu r b a ne x p r e s s w a y , r e s e a r c h e dal a n e c h a n g i n g m o d e lb a s e do nu r b a ne x p r e s sw a ya n das i m p l i f i e dr o u t e c h o i c em o d e l ( 5 ) b a s e do n 。n e tp l a t f o r ma n du r b a ne x p r e s s w a ym i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o n m o d e l ，d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h em o d u l e so fc a r - c r e a t i n gm o d e l ，c a r - f o l l o w i n g a b s t r a c t m o d e l ，l a n e 。c h a n g i n gm o d e la n dr o u t e c h o i c em o d e li nt h es i m u l a t i o ns y s t e m ( 6 ) a p p l i e dt h es i m u l a t i o nm o d e lt ou r b a ne x p r e s s w a ym 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 ns y s t e m ，t o o kn o r t h s o u t hv i a d u c ta ss i m u l a t i o ni n s t a n c e ，r e a l i z e dt h er e a l t i m et r a f f i cr e c o n s t r u c t i n ga n ds h o r t t e r mt r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n g , a n db a s e do nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ，v e r i f i e dt h ev a l i d a t i o no fs i m u l a t i o nm o d e l k e y w o r d s ：u r b a n e x p r e s s w a y , c a r - c r e a t i n gm 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 l ，r o u t e c h o i c em o d e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：璐 乎年、月护日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 唔篙 w 涝年 月p 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 论文的研究背景和意义 随着国民经济的飞速发展、城市化进程的不断加快以及汽车保有量的快速 增长，现有的道路通行能力已经不能满足交通发展的需求，而且城市道路建设 比较缓慢，这种交通供求关系的不平衡必然导致交通搠挤。目前城市交通拥挤 己是普遍性问题，全世界大多数国家都不同程度地遭受着交通拥挤的困扰。交 通拥挤、交通事故及其所造成的环境污染和能源浪费，已成为全球共同关注的 社会问题之一。交通运行不畅以及由此带来的经济损失已经成为制约社会发展 和人民生活的重要因素。 为了解决交通拥挤和交通安全等问题，世界各国交通领域的专家都在不停 地探索。自2 0 世纪8 0 年代以来，发达国家的交通领域进入了一个崭新的阶段， 如r 本、美国、加拿大、英国和德国等正在研究的“智能交通系统”，简称i t s ( 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 ) n 1 。i t s 的提出是交通运输进入信息时代的标 志，i t s 的建设有望改善城市道路的拥挤问题，提高道路的通行能力。 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， 在改善交通拥挤问题上也发挥越来越重要的作用。尤其是交通仿真技术的发展 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 师大多是凭借自己的经验以及一些数学分析方法来分析研究交通现象。然而交 通系统是一个动态的、复杂的大系统，具有结构复杂、影响因素多、开放性强、 随机性高等特点，往往难以用经验或数学分析模型来准确地描述。传统交通分 析方法的局限性在2 0 世纪6 0 年代计算机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模型的研究比1 。 在交通仿真中最重要的是仿真模型的建立。好的仿真模型可以大大提高仿 真精度以及仿真的真实性，使得交通仿真在分析交通流的运动变化规律、交通 拥挤的成因和传播、交通基础设施和控制策略对交通流的影响等问题上发挥重 要的作用n 1 。因此，在过去的五十年里，出现了大量经典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 第1 章引言 宏观模型口1 。早先的研究主要集中在宏观模型上，但随着信息科技的飞速发展， 使得微观交通仿真成为了研究的热点。微观模型能模拟人、车、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h 。 目前，全球己有一百多个微观交通仿真模型，国外也开发了几十种商业化 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 p a r a m i c s 等。但是每个国家的城市规划、交通规则等都不尽相同，如果完全依 赖于国外的交通仿真技术，很可能达不到真实反映本国交通现状的目的。所以 中国要发展i t s ，在借鉴国外的先进技术同时，还必须立足于本国的国情，研究 适合我国实际交通状况的仿真模型。 因此，以排堵保畅为基本目标，上海市科委于2 0 0 6 度设立了“上海城市综 合交通信息平台关键技术研究与开发”，本文以其中的“交通综合信息平台城市 交通仿真构件技术研究”为课题，旨在完成城市快速路仿真模型以及系统体系 框架的设计，以实现交通仿真实时再现和短时交通流预测。 1 2 城市微观交通仿真模型现状 1 2 1 国外城市微观交通仿真模型研究现状 国外交通系统仿真的研究经历了3 个较为明显的发展阶段： 第一阶段2 0 世纪4 0 年代术至6 0 年代初，为诞生期口儿羽。 早在1 9 4 9 年，m a s i m o w 和d l g 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矶 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 2 第1 章引言 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6 0 年代至9 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强1 ，介绍了交通系统方向的发展情况。在欧洲， 这一期间有三本重要的专题论著汇编，一本：是w i g a n 编著的文献汇编畸1 ，于1 9 6 9 年由英国道路研究实验室出版；第二本文献汇编h 1 于1 9 7 2 年由经济合作与发展组 织( o e c d o r g a n i z a t i o nf o re c o n o m i cc o o p e r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ) 出版；第 三本是德国卡尔斯鲁厄大学交通研究所的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，该书系统地介绍了交通流仿真方法及其模型建立。这 期间出现了以n e t s i m 碑1 ，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。 第三阶段2 0 世纪9 0 年代至今，成熟期帅帕m m 副。 这一时期，随着i t s 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1 1 ： 表1 1 交通仿真软件总览表 仿真软件类型名称特点功能 a u t o s快速路仿真 t r a n s c a d 与g i s 结合、交通路网分析、需求 宏观预测 可仿真1 0 0 2 0 0 个节点，从实测中 s a t i 瓜n 获得o d d y n a m i t 交通预测、交通诱导 中观d y n e m o动态的交通分配 d y n a s m a r t 可模拟交通信号，匝道设置 t r a n s u t 优化信号 p a r a m i c s 可对人量车辆仿真、智能交通诱导 微观准微观 g e t r a m 几t m s u n 2 适川丁不同的路网，灵活的输入 i n t e g r a t i o n 混和了宏观和微观的准微观模型 c o r s i m 可仿真城市道路和公路交通流 微观准微观 可覆盖火范同的交通区域、公交优 v i s s i m 先、路径诱导 3 第1 章引言 这一时期，交通仿真技术的发展呈现如下特点： ( 1 ) 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 优化子模型、有效性测定、仿真模型集成以及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。 1 2 2 国内城市微观交通仿真模型研究现状 在我国，用系统仿真技术进行道路交通的仿真实验开始于2 0 世纪8 0 年代， 并且主要集中在高等院校等研究机构。早在1 9 8 4 年；北京工业大学就开始了交 通仿真的研究工作，为了解直行汽车车队通过信控路口的运行状态，用b a s i c 语言编写了一个仿真程序，来求解头车运动方程和跟驰方程n 引；1 9 8 5 年，采用 以p a s c a l 语言编写的程序并基于事件扫描方法对信控路口的交通特性进行了 仿真研究u 钔；2 0 世纪9 0 年代初采用c 语言编写的程序对高速公路路段通行能力 进行了计算机仿真胡；1 9 9 6 年，在w i n d o w s 环境下以面向对象的程序设计语言 v c + + 开发了用于高速公路基本路段行车仿真研究的软件n6 1 ：近两年来，又开展 了高速公路基本路段通行能力n 刀和道路交织区交通行为n 刚的仿真研究。 同济大学在2 0 世纪9 0 年代初期， 真模型n 制，并研制了相应的仿真软件， 建立了优先控制型交叉口车辆运行的仿 用来分析不同道路和交通条件对优先控 制的t 型交叉口通行能力的影响；近年来，利用微观仿真技术对高速公路互通 式立交的通行能力及延误进行了研究；特别是2 0 世纪9 0 年代后期，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，在需求分析的基 础上，建立了名为m i c r o s i m 的高速公路入口匝道交通仿真软件的对象模型啪3 ， 并且进行了m i c r o s i m 软件系统的开发。 东南大学在交通系统仿真研究方面也取得了一系列研究成果，例如2 0 世纪 9 0 年代中后期进行的城市交通网络研究、城市交通实时模糊控制研究盥，提出 了单路口交通实时模糊控制方法；另外，还采用动态微观仿真方法研究了路段 通行能力控引，考虑驾驶员、车辆、道路、环境和交通规则的相互关系及对通行 能力的影响，从微观的角度出发建立了仿真模型。 4 第1 章引言 清华大学交通研究所于2 0 世纪9 0 年代末期，在w i n d o w s 平台以面向对象 的没计思想开发了名为t r a s i m u l 的仿真软件，用以模拟城市平面交叉口的捌挤 特性比3 1 ，为缓解城市平面交叉口的交通拥挤提供了有力的工具。 其他还有西安公路交通大学进行了信号交叉口通行能力及延误仿真系统的 丌发及研究砼4 l ；上海交通大学建立了宏观交通流分配仿真模型乜引，实现了路网 中的流量分配；北京理工大学开发了城市交通诱导仿真系统；天津大学利用仿 真进行了交通流自组织管理控制研究啪1 ，以交通流元细胞自动机模拟和仿真结 果说明交通流中自组织现象并进行了理论分析和数学描述。吉林大学在交通系 统仿真方面也开展了一系列的研究，主要是用g p s s 仿真语言对交叉口的交通状 态进行仿真研究。此外，长安大学、西南交通大学、中国科学技术大学、华南 理工大学、交通部公路科学研究所等单位也开展了交通仿真方面的研究工作。 特别是近几年，我国各单位院校对于交通仿真的研究更为深刻和广泛，不仅对 于通行能力、交通流模型、跟驰模型、换车道模型、交叉口有关模型、匝道控 制等等各自做了深入研究，还研究了如微观交通仿真中的行人干扰模型乜 、不 同流量条件下的车道利用率啪1 、公共汽车交通专用道及其停靠站最佳布置方法 、城市轨道交通列车自动运行仿真模型啪】、交通仿真软件在线控系统中的应 用研究口、公交优先模型口2 3 等等。 总之，微观交通仿真技术在我国的应用只有十几年的历史，还远远没有被 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 有丌发出一个普遍认可的或能用来解决实际问题的系统仿真软件。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，但由于国情的不同，也没能 得到满意的结果。因此，可以说，交通系统仿真在我国不仅起步晚，并且发展 也很缓慢。造成这种状况的原因是多方面的，主要有埘儿嘲： ( 1 ) 交通工程技术人员计算机应用水平不高。电子计算机特别是微型电子 计算机大量进入我国只有二十几年的时间，其广泛普及应用只是近几年的事， 因此许多从事交通工程的科研和技术人员对计算机的功能及程序设计缺乏深入 理解，要么对用计算机研究交通问题的可能性和可行性表示怀疑，要么虽不怀 疑但知难而退。 ( 2 ) 计算机专业人员缺乏交通工程学的知识。在我国，计算机专业是作为 一个单独的学科来对待的，与其他学科的交叉融合尚有很大的缺陷。若要计算 机专业毕业的学生改读交通工程专业的研究生，要么是自己不愿意，要么是即 5 第1 章引言 使自己愿意对方也不愿意接纳或很难通过交通工程的专业课考试。 ( 3 ) 混合交通使系统仿真建模变得十分困难。交通流中机动车与非机动车 以及种类繁多的机动车相互混合行驶是我国道路交通的一大特色，加之公民的 现代交通意识比较薄弱，导致交通秩序混乱。在这种情况下，要建立比较符合 实际交通行为的系统仿真模型确实十分困难，而国外也没有现成的经验可以借 鉴。 ( 4 ) 随着交通状况的日益紧张，人们越来越感觉到交通管理方面的重要性， 因此逐步加强了这方面的研究。由于交通工程学在2 0 世纪8 0 年代初刚刚进入 我国，至今尚未形成完整的科学体系；而我国开始进入机动化时代也是最近十 年的事。因此，对基础资料的收集和积累还没有引起足够的重视，这就使系统 仿真建模变得格外困难。 综上所述，我国交通系统仿真技术应用的落后状况，尚需交通工程技术人 员和计算机专业人员携手合作，并要付出长期艰苦的努力。 九十年代初期，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。但是，这些模型多适用于在宏观层次进行战 略性的交通分析，难以对交通流的微观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。 1 3 城市微观交通仿真模型的发展趋势 从近十年微观交通仿真模型的发展来看，仿真系统建模开始突破微观模型 和宏观模型的界限，出现混合模型。仿真软件也开始趋于大型化、综合化，既 可用于高速公路又可用于城市道路；既可用于一般交通仿真又可用于公交系统 仿真汹1 。随着面向对象技术及图像处理技术的发展，交通仿真系统的界面更加 友好，人机交互更加方便。近几年，模糊理论及神经网络理论也被引入微观交 通的建模和仿真中，使得复杂的驾驶员行为的描述更加准确，处理更加容易。 目前，面向i t s 应用是微观交通仿真模型一个新的发展趋势。先进的交通 管理系统、先进的出行者信息系统成为国外众多交通仿真系统的主要研究应用 领域。运用交通仿真手段可以完全替代传统理论公式化的交通流模型，实现动 态交通管理方案的效益评价和优化口引。 6 第1 章引言 根据我国交通管理部门的规划，在未来几年内，要建立四种不同类型的先 进交通指挥信息系统，以缓解目前普遍存在的交通拥挤问题，提高交通管理水 平。由于目前尚未见到我国自行开发的能适应上述要求的城市交通一体化仿真 模型，因此，新一代城市交通仿真模型的研究与开发成为急需解决的重要科技 问题。 1 4 本文的研究内容 本文的研究内容有： 第1 章引言。论述了本文的研究背景和意义，介绍了城市微观交通仿真模 型的研究现状，并概括了本文的组织结构。 第2 章城市微观交通仿真模型基础理论。概述了城市微观交通仿真模型的 分类、特点及应用，并重点介绍了几种经典的车辆产生模型、车辆跟驰模型、 车辆换道模型和路径选择模型。 第3 章城市快速路微观交通仿真系统模型的研究。针对城市快速路的特点 及经典仿真模型中的不足之处，提出了基于实时数据的车辆产生模型、基于车 头时距的车辆跟驰模型以及基于城市快速路的车辆换道模型和路径选择模型。 第4 章城市快速路微观交通仿真系统模型的设计与实现。基于n e t 开发平 台，并结合第3 章的模型理论，设计并实现了城市快速路微观交通仿真系统中 的车辆产生模块、车辆跟驰模块、车辆换道模块以及路径选择模块。 第5 章城市快速路微观交通仿真系统模型的应用与分析。以上海市南北高 架为仿真实例，实现了交通仿真实时再现和短时交通流预测，并基于仿真结果， 验证了仿真模型的准确性和有效性。 第6 章结论与展望。对论文的工作进行总结，并对后续的研究工作进行展 望。 具体的框架如图1 1 所示： 7 第1 章引言 城市微观交通仿真模型理论摹础 城市快速路微观交通仿真系统模型的研究 c 城市快速路微观交通仿真系统模型的设计与实现 城市快速路微观交通仿真系统模型的应用与分析 一) 一 图1 1 本文的研究内容及框架 8 第2 章城市微观交通仿真模型理论基础 第2 章城市微观交通仿真模型基础理论 2 1 城市微观交通仿真模型概述 2 1 1 城市交通仿真模型分类 1 9 5 5 年，l i g h t h i l l 和w h i t h a m 用流体中的微粒比拟交通流中的车辆，标志 着交通仿真模型研究的开始口引，从那以后对交通流的数学描述和建模就成为一 个非常活跃的研究领域。 交通仿真模型的划分标准是多样的，按细节层次划分为亚微观模型、微观 模型、中观模型和宏观模型；按操作方法划分为分析模型和仿真模型；按过程 表示划分为确定模型和随机模型；按变量独立程度划分为连续模型、离散模型 和半离散模型；按应用规模分为网络模型、区间模型、路段模型和十字路口模 型等。通常情况下，习惯按细节层次进行划分。表2 1 列举了几种典型的交通仿 真模型m 1 。 表2 1 典型的交通仿真模型 模型类型模型名称特点 m i c ( 1 9 9 5 )离散、随机、多车道、仿真模型 s i m o n e ( 1 9 9 9 ) 离散、随机、多车道、仿真模型 p e l o p s ( 1 9 9 8 )离散、随机、多乖道、仿真模型 安全距离模型( 1 9 9 0 )连续、确定、单车道、分析模型 微观模型和刺激一反应模型( 1 9 8 8 )连续、确定、单车道、分析模型 弧微观模型心理距离模型( 1 9 7 4 )连续、随机、多车道、仿真模型 f o s i m ( 1 9 9 5 ) 离散、随机、多车道、仿真模型 c a 模型( 1 9 9 6 )离散、随机、城市路网仿真模型 粒子模型( 2 0 0 0 )离散、随机、仿真模型 i n t e g r a t i o n 离散、确定、路网仿真模型 车头距分布模型( 1 9 9 8 ) 连续、随机、交叉路口分析模型 简化的气体动力模型连续、确定、汇流道分析模型 中观模型 改进的气体动力模型连续、确定、汇流道分析模型 多道的气体动力模型连续、确定、多道分析模型 9 第2 章城市微观交通仿真模型理论基础 续表2 1 模型类型模型名称特点 多类型多车道模型( 1 9 9 9 ) 连续、确定、多道分析模型 中观模型 车辆团模型( 1 9 7 8 )连续、确定、汇流道分析模型 l w r 模型( 1 9 5 5 ) 连续、确定、汇流道分析模型 p a y n e 模型( 1 9 7 1 ，1 9 7 9 ) 连续、确定、汇流道分析模型 宏观模型 h e l b i n g 模型( 1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 连续、确定、汇流道分析模型 蜂窝传播模型( 1 9 9 8 )离散、确定、路网仿真模型 m e t a n e t ( 1 9 9 8 )离散、确定、路网仿真模型 微观模型是以个体车辆行为为研究对象，描述目标车辆与其周围交通环境 的相互关系，由于要对每一时刻每辆车的行为都进行运算，因此对计算机的运 算速度及内存需求会随着车辆数的增加而增加。一般适用于离线、中小型路网 的交通仿真。通过采用并行处理技术，微观模型也可以用于大型路网的交通仿 真1 。 中观模型以车辆群体行为为研究对象，既不区分车辆和驾驶员的行为，也 不单独描述，而是运用一种更聚合的方式来描述两者，如概率分布函数由于模 型中的变量太多，难于实时求解，所以在线应用上受到限制侧。 宏观模型以车辆整体流动为研究对象，将交通流和流体进行类比，抽象级 别较高。具有如下优点：宏观模型输入较为简单，计算量不大，比较适合对大 型路网进行交通流仿真，且校验较为容易。宏观模型能够分析和重现交通流的 宏观特性，但却不能分析交通流的微观特性及车辆之间的相互作用。剧。 2 1 2 城市微观交通仿真模型特点 城市微观交通仿真作为交通仿真的重点，主要有以下特点n 1 ： ( 1 ) 经济性：有些结论性的数据无法通过普通意义上的试验方法获得，或 者是试验过程代价昂贵，在这种情况下，仿真是最佳的求解算法。 ( 2 ) 可重复性：一旦建立了一个仿真模型，可以任意重复发展过程，这是 普通的试验方法所无法比拟的。 ( 3 ) 可拓展性：由于利用计算机模拟是对一种设想进行验证，它可以使某 些参数超出实际调查得出的范围，并且不受天气等客观条件的限制，从而克服 了实际观察难以获得理想数据的缺点，利用计算机模拟预测，对于再现复杂的 交通环境下的车流运行特性、弥补观测数据的不足、解决交通流车速与流量关 1 0 第2 章城市微观交通仿真模型理论基础 系的曲线的外延问题等都有着其他方法和手段可比拟的优势。 ( 4 ) 可见性： 可视化设计的最大优点在于它的直观性，具体体现在： 表现路网的几何形状，包括交通设施，如信号灯、车检器等； 表现车辆间的相互作用，如跟车、车道变换时的相互作用； 清晰地表现驾驶员的行为； 清晰地表现交通控制策略( 定周期、自适应、匝道控制等) ； 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； 提供与外部实时应用程序交互的接口； 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： 应用于一般化的路网，包括城市道路和城市间的高速公路； 细致的仿真路网交通流的状况，例如交通需求的变化，模拟交通设施的 功能。 2 1 3 城市微观交通仿真模型应用范围 采用交通仿真作为分析和实验的工具，可以描述复杂交通系统的特性，主 要可用于： ( 1 ) 在动态的交通管理中评价各种处理方式； ( 2 ) 对桥梁和高速路的架设、路桥控制设施的建立或撤销进行评估和预测； ( 3 ) 对道路的通行能力或服务水平进行评估和预测； ( 4 ) 对交通控制策略进行评估和预测； ( 5 ) 进行事故仿真，分析其阻塞的形成、传播和疏通过程； ( 6 ) 将交通仿真模型嵌入到其它工具中作为子模型使用； ( 7 ) 交通诱导； ( 8 ) 提供出行信息指南。 ( 9 ) 任何观测点的车流量分布形态，包括同最大车流量、平均车流量等特 征数： ( 1 0 ) 出行车辆到达目的地所需的时间及其分布； 第2 章城市微观交通仿真模型理论基础 2 2 城市微观交通仿真基本模型 城市快速路微观仿真模型是运用数学的方法对城市道路交通系统进行的抽 象，一般情况下，城市快速路微观仿真模型主要包括： ( 1 ) 路网表示模型 该模型通过定义合理的结构体，反映路网的拓扑关系，描述道路的几何特 征、车道划分、隔离带等。一般情况下包含节点、路段、车道这三种结构体。 路网模型属于静态模型，在进入仿真运算后，模型参数不再发生变化。 ( 2 ) 车辆产生模型 该模型是微观交通仿真中的一个最基本的模型，用以解决交通流的输入问 题。 ( 3 ) 车辆行为模型 车辆行为主要有两种， ( 4 ) 路径选择模型 该模型根据车辆o d ， 2 2 1 路网表示模型 即跟驰行为和换道行为。 选择旅行总时间最短的路线。 道路网是车辆运行的载体，道路表示是交通流仿真研究中的一个重要课题， 对道路网拓扑关系及道路集合条件的真实描述以及建立合理的可扩展性强的道 路交通网数据结构是进行交通流仿真的基础。研究道路的表示方法，不但是解 决如何将道路的位置、拓扑关系及相关属性存储在计算机中的问题，更为重要 的是据此能够为车辆行驶、路径生成以及选择方便且准确的道路提供资料。 城市路网主要由道路和交叉口组成四儿1 3 1 ： 道路：城市道路分为快速路、主干路、次干路和支路四类，快速路是为机 动车辆交通服务的，是解决城市长距离快速交通的汽车专用道路。快速路在与 高速公路、主干路、快速路相交时必须采用立体交叉形式。主干路是以交通功 能为主的连接各主要分区的干线道路，主干路上平面交叉口间距以8 0 0 - 、1 2 0 0 m 为宜。次干路是城市内区域性的交通干道。支路是以服务功能为主的，直接与 两侧建筑物出入口相接的局部地区道路。 交叉口：平面交叉口，指各相交道路中心线在同一高程相交的道路，主要 有：十字型、x 字型、t 字型、y 字型、错位交叉和符合交叉等类型。交叉口形 】2 第2 章城市微观变通仿真模型理论基础 式的选择一般要遵循以下几个原则： ( 1 ) 形式要简单； ( 2 ) 尽量使相邻交叉口之间的道路直通； ( 3 ) 对于斜交叉口，尽量使其为正交： ( 4 ) 对于主流交通，其道路线行尽量顺直任一侧不宜有两条路段交汇； ( 5 ) 尽量避免近距离的错位交叉。 立体交叉口指交叉道路在不同标高相交时的道口。由跨路桥、匝道、外环 和内环、入口和出口等部分组成，图21 为一个简单豹交叉口模型。 酬2 1 衙单交义口模型 从宏观上看，城市路网可采用节点和线段柬简化描述，其中节点表示交叉 r l ，线段表示实际路网中的路段，但这种描述方法的侧重点是道路网的拓扑关 系，而缺乏对道路的集合特征参数的描述。因此，需要根据路网的几何特征， 通过节点、路段、车道、交通灯、隔离带、路标等元素，使城市道路网的描述 更加趋向合理，更易于计算机实现。 微观交通仿真系统对路网的描述模型的要求如下： ( 1 ) 能够完善的描述路网拓扑结构： ( 2 ) 易于进一步描述车辆运行模型： ( 3 ) 易于表达各种交通管制方案： ( 4 ) 能够较好的表迷信号控制等交通控制方案： 第2 章城市微观交通仿真模型理论基础 ( 5 ) 易于系统功能进一步扩展。 2 2 2 车辆产生模型 在现实的交通流中，车辆的到达是随机的、离散的，因此车辆产生模型是 根据用户定义的车流量、各车型比例、车辆期望速度范围和路网o d 等，按照 某个车头时距的概率分布规律，随机地、不断地在车源处产生新的车辆啪儿4 0 4 1 1 。 它主要包括： 1 随机数的产生 为了对微观交通仿真模型进行真实的模拟，必须进行随机抽样，或者说产 生服从一定分布的随机变量。由于任何概率分布函数的值域都在1 0 ，l 】之间，因 此，可以通过逆变法、函数变换法、组合法、取舍法和近似法即可h q 0 ，1 】之间 任一数值得到随机变量的值。因此，正确生成【0 ，1 】上均匀分布随机数就成为产 生一切随机变量的基础，如果没有良好的伪随机数发生器，就难以获得正确的 随机变量。通常采用的伪随机数发生器是线性同余发生器。 线性同余发生器是在1 9 5 1 年由l e h m e r 提出的，其递推公式为： i 墨= ( 嘁一i + c ) ( m o d m ) “，= 五m “= 1 ，2 ，) ( 2 1 ) 【k 其中： m 为模数，口为乘数，c 为增量，且m 、口、c 均为非负数； 墨为初始值，且为非负数； 为最后产生的随机数； 2 车型随机 在一般微观交通仿真中，车型一般分为大车、普通车( 中车) 和小车三种 类型。其中，大车的车身长度一般大于8 m ，普通车的车身长度一般介于3 m 和 8 m 之间，小车的车身长度一般小于3 m 。 设车辆中大车的百分比为p 1 ，中车的百分比为p 2 ，小车的百分比为p 3 ( 还 可以根据实际情况加入其它车型) ，这里假设p l p 2 p 3 ，且p l + p 2 + p 3 = 1 。 下面用随机变量x 表示车流中车型的出现情况，x = 0 表示大车，x = l 表 1 4 第2 章城市微观交通仿真模型理论基础 i p ( x = o ) = p 1 f ( x ) = p ( x = 1 ) = p 2( 2 2 ) 1 p ( x = 2 ) = p 3 f ( 工) = o p l p l + p 2 p l + p 2 + p 3 z o 0 x 1 、 ( 2 3 ) l x 2 2 x 3 设u ( x ) 为0 到2 之间的随机数，则： f 0 “( 工) p l 为大型车 p l “( 石) l 为中型车 ( 2 4 ) l l “( x ) 2 为，j 、型车 3 个性因子随机 在驾驶员的个性建模中，一般把驾驶员分为保守型、正常型和冒险型三种， 其中驾驶员的个性因子五是连续分布的，体现了各个驾驶员的驾驶行为差异，个 性因子越大驾驶员越冒险，根据研究调查表明，驾驶员的个性因子般符合均 值为1 ，方差为0 2 的正态分布，表达式为： 名= l + o 2 形( 2 5 ) 其中形的表达式为： w = x - 2 l n ( u 2 ) s i n ( 2 x u l ) ( 2 6 ) 式中的、u 2 为o l 之间的随机变量。 4 车速随机 研究表明道路上的车速符合j 下态分布或对数j 下态分布，但由于正态分布函 数无法进行逆变，所以一般采用函数变换法，当x n ( 0 ，1 ) 时，】，n ( p ，盯2 ) ， 表达为： y = c r x + ( 2 7 ) 所以，采用函数变换法，只需要产生两个均匀分布的随机函数u 。、1 2 ，即 可产生一个服从标准正态分布的随机变量z ，以及车辆的初始速度v ，其表达式 1 5 第2 章城市微观交通仿真模型理论基础 为： z = 一2 l n ，) c o s ( 2 z t u 2 )( 2 8 ) 【