（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）交通流仿真系统研究与软件开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 船舶交通系统是由人、船、环境构成的随机动态大系统。船舶交通流仿真 是研究船舶交通的重要实验手段。船舶交通流仿真的方法还可以推广应用于城 市交通流仿真。 交通流仿真通常被用来对城市交通流的分配和信号控制方案进行评价和优 选，国内外实践证明城市交通流仿真对于城市交通网络通行能力的改善有着很 好的作用。城市交通流仿真研究在我国起步较晚，基本上属于探索阶段。虽然 有很多研究机构和工程部门应用国外的仿真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，研究开发基于我固交 通实际的城市交通流仿真系统有着重要的意义。 交通流体动力学理论被广泛地应用于交通运输工程的许多领域，如船舶操 纵、交通规划等。交通流动力学为流体力学、应用数学这样的古老学科注入了 新的生命力，为它们提供了用武之地和发展机遇，因此，交通流动力学的研究 有重要的理论意义。 本研究课题来源于广东省科技厅科技攻关课题“基于地理信息系统( g i s ) 和城市混合交通的交通流仿真系统”( n o 2 0 0 2 c 5 0 3 0 2 0 2 ) 。在本文中，首先， 研究了国内外交通流仿真的现状：接着，对本仿真系统进行了系统分析，建 立了城市交通流仿真数据库：然后，建立了符合我国城市交通实际的路网模 型、交通流生成模型、跟驰模型、换车道模型和交叉口信号控制模型，并应 用可视化编程语言v i s u a lb a s i c6 0 编程实现仿真系统的功能。仿真系统提供 了便利的参数设置功能，仿真输入、输出功能以及友好的仿真界面。本文最 后应用仿真系统对广州市天河北路进行了路网建模、仿真，结果表明仿真结 果与实测数据基本吻合。 本文还利用改进的交通流体动力模型对天河北路进行的数值仿真，同时将 仿真结果与微观仿真进行比较。结果表明，两种模型都能很好的反映交通实际。 此外，本文还对船舶交通流仿真进行了详细的叙述，并提出了一种新的 船舶交通量预测的方法。 关键词：交通流仿真：交通流；信号控制：地理信息系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a f f i cs y s t e mo fs h i p p i n gi sab i gs y s t e mo fr a n d o mt r e n d sf o r m e db y p e o p l e ，s h i p ，e n v i r o n m e n t t h et r a f f i cf l o ws i m u l a t i o no fs h i p p i n g i sa ni m p o r t a n t e x p e r i m e n tm e a n st os t u d ys h i p p i n gt r a f f i c t h em e t h o do fs h i p p i n gt r a f f i cf l o w s i m u l a t i o nc a nb ep o p u l a r i z e da n da p p l i e dt ou r b a nt r a f f i cf l o ws i m u l a t i o n ， t h ee s t i m a t i o n sa n da l t e r n a t i v e r e a r r a n g e m e n t s o fu r b a nt r a f f i cf l o w d i s t r i b u t i o na n ds i g n a lt i m i n gp l a n si sc o n d u c t e db yu s i n gt r a f f i cf l o ws i m u l a t i o n t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r a c t i c ep r o v e su r b a nt r a f f i cf l o ws i m u l a t i o nh a s v e r yg o o df u n c t i o nt o t h ei m p r o v e m e n to ft h en e t w o r kt r a f f i c c a p a c i t y o fc i t y t r a f f i c ，t h er e s e a r c ho ft h et r a f f i cf l o ws i m u l a t i o ns t a r t s r e l a t i v e l yl a t e i no u r c o u n t r y ，e x p l o r es t a g eb a s i c a l l y t h o u g hal o to f r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n dp r o j e c t d e p a r t m e n t su s et h ef o r e i g ns o f t w a r et oc a r r yo nt h ee x p e r i m e n tt ot h et r a f f i co f o u rc o u n t r y , b u tb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo ft h en a t i o n a lc o n d i t i o n s ，f a i lt o r e c e i v et h e s a t i s f a c t o r yr e s u l t s o ，r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gh a si m p o r t a n t m e a n i n g so nt h eb a s i so f t h es y s t e mo fu r b a nt r a f f i cf l o ww i t hr e a lt r a f f i co fo a r c o u n t r y t h eh y d r o d y n a m i ct h e o r yo ft h et r a f f i ci sw i d e l ya p p l i e dt oal o to ff i e l d so f t h ec o m m u n i c a t i o n sa n dt r a n s p o r t a t i o np r o j e c t ，f o ri n s t a n c es h i p p i n gm a n o e u v r e ， t r a f f i cp l a n n i n g ，e t c t h eh y d r o d y n a m i c so ft h et r a f f i ci n j e c t e dt h en e wv i t a l i t y i n t ot h eo l dd i s c i p l i n e s ，f o ri n s t a n c eh y d r o d y n a m i c s ，a p p l i e dm a t h e m a t i c s ，e t c ， h a v i n go f f e r e da m p l es c o p e f o ra b i l i t i e sa n d o p p o r t u n i t yf o rd e v e l o p m e n t f o rt h e y s o ，t h et r a f f i c f l o w st h e r ea r e i m p o r t a n tt h e o r ym e a n i n g s i nt h er e s e a r c ho f m e c h a n i c s s u b j e c t f o rr e s e a r c ht h i ss t e mf r o mg u a n g d o n gp r o v i n c es c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a ld r a w i n gr o o ms c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lb r a i n s t o r ms u b j e c t 。a t r a 踊cf l o ws i m u l a t i o n s y s t e m b a s e do i lg i sa n du r b a nm i x e d t r a 蠊c ( n o 2 0 0 2 c 5 0 3 0 2 0 2 y a tf i r s t ，t h e c u r r e n ts i t u a t i o nf l o w st o s t u d y d o m e s t i c d i p l o m a c yo p e n l y ；t h e n ，h a v ec a r r yo nn e t w o r ka n a l y s i s t ot h i ss y s t e m ，h a ss e t u p t h ed a t a b a s eo fu r b a nt r a f f i cf l o w ；t h e nd e s c r i b et h ei m p r o v e dm o d e l s i i 武汉理r 大学硕士学位论文 i n c l u d i n gc a r o c c u r 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 la n d s i g n a l c o n t r o l i n gm o d e lt h a ta c c o r dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n so fu r b a nt r a f f i ci n c h i n o ，u s et h ef u n c t i o no ft h es y s t e mo fp r o g r a m m i n gr e a l i z a t i o no fv i s u a lb a s i c 6 0 t h es y s t e mh a so f f e r e dt h ec o n v e n i e n tp a r a m e t e rt os e t u pt h e f u n c t i o n s i m u l a t i o ni m p o r t s ，o u t p u t sa n df r i e n d l yi n t e r f a c e t h i st e x tu s e st h e s y s t e mt o c a r r y o nt h er o a dn e t w o r km o d e l i n g ，s i m u l a t i o nt ot h et i a n h e b e ir o a do f g u a n g z h o uf i n a l l y ，r e s u l t i n d i c a t er e s u l ta n d s u r v e y d a t u mt ob e b a s i c a l l y i d e n t i c a l t h i st e x ts p e n di m p r o v e dt r a f f i cf l u i dp o w e rm o d e lt ot i a n h e b e i ，c o m p a r e t h er e s u l tw i t hm i c r os i m u l a t i o na tt h es a m et i m e t h er e s u l ts h o w s ，t h er e f l e c t i o n t r a f f i cr e a l i t yt h a tt w ok i n d so fm o d e l sc a l lb o t hb ev e r yg o o d i na d d i t i o n ，t h i st e x th a sa l s oc a r r i e do nt h ed e t a i l e dn a r r a t i o nt ot h et r a f f i c f l o ws i m u l a t i o no fs h i p p i n g ，h a v ep u tf o r w a r dak i n do fm e t h o dt h a tn e wv o l u m e o ft r a f f i co f s h i p p i n gp r e d i c t s k e y w o r d s ：t r a f f i cs i m u l a t i o n ；t r a f f i cf l o wm o d e l ；s i g n a lc o n t r o l ；g i s 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的背景及意义 随着各国经济的发展和国际贸易的不断扩大，全世界船舶在艘数和吨位不 断增加的同时e 向大型化高速化方向发展，船舶交通同趋繁忙，促使船舶交通 流量增加；在船舶方面，集装箱船，v l c c 和u l c c 之类的大型油轮，l n g 和 l p g 液化气船舶等的投入使用，以及新型船舶相继出现，改变了船种和船型的 构成比；航线增多，航道拓宽，改变了海上交通流场的分布：分道通航制和交 通管理的实施，使得交通方式也发生了变化。这些变化往往造成交通密度增加， 航道拥塞，船舶交通事故频发。 为了保证船舶航行安全，及早发现潜在隐患和问题，人们必须借助强有力 的工具来解决这些问题。随着计算机技术的发展，人们想到利用计算仿真技术 柬研究和预测船舶交通中所发生的问题，即进行船舶交通流仿真。 随着城市建设不断发展和交通需求的持续增长，小汽车进入家庭的速度加 快，交通供给与交通需求之间的矛盾又初现端倪，特别是因地铁等市政工程施 工建设，使得城市局部地区交通问题更加突出。广州市天河北路高峰期的道路 平均车速不到2 0 k m h ，最低时仅为4 k m h 。和发达国家相比，我国城市人口众 多，交通工具多样化，交通矛盾更加尖锐，车流和人流量大，交通工具多样化， 交通矛盾尖锐，抛锚、追尾等现象时有发生，交通拥挤、堵塞，交通事故不断， 不仅造成人员伤亡，还带来了巨额的经济损失。可见，交通拥塞不仅导致了社 会问题、经济问题和环境问题，也严重制约了经济的发展【1 1 。 这样一来，我们迫切需要一种适合我国国情，投资更小，见效更快，同时 兼顾长远发展的新途径来改善城市交通。而充分利用交通流仿真技术大力加强 和改善交通管理与控制就是一个很好的方法。交通流仿真是计算机技术在交通 工程领域的一个重要应用，它不仅可以复现交通流时空变化的技术、为交通道 路设计规划提供技术依据，而且还可以对各种参数进行比较和评价。同时，交 通流仿真系统通过计算机动画手段能够非常直观地表现出路网e 车辆的运行情 况，动画过程中哪个局部位置的交通拥挤比较突出，哪个地方比较畅通，均可 以做到一目了然。因此，交通流仿真就成了交通工程研究人员测试和优化各种 武汉理： 大学硕士学位论文 道路交通规划、设计方案、描述复杂道路交通现象的一种直观、方便、灵活、 有效的交通分析工具2 1 【3 1 。 1 2 交通流仿真概述 交通流仿真模型的建立和交通流仿真系统的开发是交通流仿真研究的两 个核心内容。要建立一个能尽可能反映真实状况的仿真系统，必须有一个与 之匹配的仿真模型，建立的模型要便于仿真系统逼真地模拟实现网络中的各 种实际交通行为；另外，为了使仿真系统达到交通规划、评价的性能，还要 求模型的建立要便于仿真系统能够随时反应整个网络的动态特性，以及能记 录网络中任一实体当前的各种状态和彼此间的关系，以便于获得各种统计参 数【4 】 ”。 根据交通流仿真模型对交通系统描述的细节程度不同，可将交通流仿真模 型划分为宏观、中观、微观3 种1 6 j 。 宏观交通流仿真模型对交通系统的要素、实体、行为及其相互作用的细节 描述非常粗糙，例如通过流密度等关系来描述交通流的一些集聚性的宏观模型。 宏观模型的重要参数是船舶( 车辆) 速度、密度和流量。宏观交通流仿真模型 对计算机资源要求较低，它的仿真速度很快，主要用于研究交通基础设施的新 建与扩建及宏观管理措施等。根据目前计算机硬件的发展水平，可以在大规模 的网络流范围内进行交通宏观仿真。 相对于宏观模型来说，中观模型对交通系统要素、实体运动和拥互作用的 细节描述程度要比宏观模型高得多。例如，中观交通流仿真模型对交通流的描 述往往以若干船舶( 车辆) 构成的队列为单元，能够描述队列在路段和节点的 流入和流出行为。 由于微观交通流仿真模型既融合了宏观和中观模型的某些方面，又非常细 致地描述了交通系统的交通环境及船舶( 车辆) 实体等构成要素，因而它对交 通系统的要素及行为等的细节描述程度是3 种模型中最高的。它是以单个船舶 ( 车辆) 为对象，通过一些相对简单但真实的仿真模型来模拟船舶( 车辆) 在 不同条件下的运行，并以动态图像的形式显示出来，在描述和评价网络交通流 状况方面具有传统数学模型所无法比拟的优越性。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 交通流仿真国内外研究现状与不足 1 3 1 船舶交通流仿真研究现状与不足 在国外，近2 0 年来，日本在船舶交通流仿真方面做了不少工作。例如，h 本学者杉崎昭生在1 9 6 5 年研究浦贺水道的交通容量时进行了船舶交通微观仿 真，：= 1 本学者奥山育英进行了船舶交通宏观仿真，山嗣等人的关于船舶交通 流控制仿真，三木等的闸门通航能力的仿真；英、美、西欧有关船舶交通 系统的基础研代表作首推西欧共同体各国的合作研究成果( ( c o s t 3 0 1 ，其报告 对西欧海上交通进行了调研论述，可能由于保密原因没有有关定量建模仿真， 特别是最高技术应用的有关报道。 在国内，对船舶交通流仿真的研究起步较晚，1 9 8 5 年大连海运学院v t s 课题组在承担天津港新港取船舶交通管理系统技术论证项目的基础上，首次进 行了“海上交通系统g p s s 仿真及应用”的研究。在方祥麟教授的主持下，大 连海事大学于1 9 8 6 年至今进行了海上交通微宏观仿真的系列研究。 尽管国内外对船舶交通仿真做了大量的研究，并取得了一定的成绩，但仍 然存在着一些问题，例如在船舶交通系统建模，船舶交通模型的通用性和实用 性，船舶交通仿真过程中船舶动态屉示等方面都有许多不足之处。 1 3 2 城市交通流仿真研究现状与不足 胃前，国外在交通流仿真研究方面已经进行了有效的工作，并开发了众多 的交通流仿真软件，纵观交通流仿真的发展过程大致可分为3 个阶段。 ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代 这一时期的交通流仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为应用目的， 因而宏观交通流仿真模型被广泛使用。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1 9 6 7 年开发的道路交通流仿真软件 t r a n s y t ；美国联邦公路局( f h w a ) 1 9 5 6 1 9 6 6 年研制的s i g o p 仿真系统f 7 1 。 ( 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。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1 5 】；1 9 7 4 年，日本科学警察研究所丌发了m i s t r a n 模型； 武汉理1 大学硕士学谯论文 1 9 7 6 年，英国利兹大学丌发了用于平面交叉口信号控制的s a t u r n 模型 7 | f 8 。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代末以后 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 流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：c o r s i m 、v i s s i m 、p a r a m i c s 、m i t s i m 等1 1 0 “l 。 与国外相比，由于我国交通国情的限制，长期以来交通流仿真并未引起有 关部门的重视，随着i t s 在世界各国研究的广泛开展，我国交通界认识到了在 我国丌展i t s 研究的重要性。与此同时，作为i t s 核心技术之的交通流仿真 也受到了极大| 1 勺关注。目的，同济大学、吉林大学、东南大学、武汉理工大学、 华南理工大学、中国农业大学、北方交通大学、北京工业大学等学校和科研单 位都展开了实质性的研究工作，并取得了一定的成果i i5 1 一1 2 ”。 尽管大量交通流仿真软件和模型各有其特性和优势，但因其研究定位和重 点的不同，在一定程度上都存在或多或少的不足。主要表现在以下几个方面： 一，大多数模型都只是局限于单个交叉口的运行情况，不能反映出上、下 游路段以及整个路网的动态状况； 二，车辆的运行模型中没有关于自行车等非机动车的描述，没有行人行为 的描述； 三，极少有模型考虑交通车辆对环境的影响与评价，模型多局限于交通环 境的某一个方面或几个方面，很少涉及到交通的大环境； 四，很少有对交叉路口内交通流的微观仿真。现有的仿真系统，般采用 宏观统计的方法处理，即测出各类路口的典型车辆实行直行、左转及右转的比 例、所需日寸间及进入接收路段时的速度，将车插入接收链； 五，国内的研究没有处理现实路网上的出现的不确定性问题。在车辆的实 际运行中，不确定性是随时发生的，仿真如果不能真实地反映客观世界的状况， 其结果的可信程度也必然大大降低； 六，仿真是基于交通流宏观描述模型。而作为研究道路规划、交通管理和 信号控制的工具，微观仿真系统更为行之有效； 七，已有的仿真软件与模型都是局限于交通环境自身而吉的，没有真j f 与 g p s 和o l s 等与信息技术相关的信息系统联系起来进行仿真研究。 4 武汉理工太学硕士学位论文 1 4 交通流体动力模型综述 交通流体动力模型视交通流为大量车辆构成的可压缩连续流体介质，研究 许多车辆的集体平均行为，经典的工作是l i g h t h i l l 和w h i t h a m 与r i c h a r d 独立 提出的交通流连续模型，被称为l w r 理论。p a y n e 在1 9 7 1 年从车辆跟驰模型 出发，得到一个以密度梯度作为期望项的描述加减速的动量方程。随后，学者 们改进了动量方程，包括r o s s 、m i c h a l o u p o l o s 、z h a n g 、k e r n e r 等f 2 2 】一【3 0 】。 我国学者近年来积极研究道路交通流模型。我国学者戴世强、汪秉宏、吴 清松、许伯铭、顾国庆、吴正、王雷、冯苏苇、姜锐、薛郁、张红军等，在跟 驰模型、元胞自动机模型、速度梯度连续模型、多车道动力学模型、小扰动传 播速度等方面的1 ：作，解决了些国外模型存在的问题，成果丌始进入国际行 列，姜锐捌吴清松等人提出的速度梯度高阶连续模型f 3 1 】【3 2 l 。 1 5 本文的主要任务 在对船舶交通流仿真进行了相关研究的基础上，将交通流仿真的方法应用 于城市交通流仿真。本研究课题来源于广东省科技厅科技攻关课题“基于地理 信息系统( g i s ) 和城市混合交通的交通流仿真系统”( n o 2 0 0 2 c 5 0 3 0 2 0 2 ) ，本文 的研究为其中的一部分，主要着重于仿真系统的分析、建模及其仿真平台的建 立。 具体内容如下： 一，分析城市交通流仿真系统主要完成的功能，进行系统设计； 二，根据城市交通流的特性，对所要仿真的系统进行描述，并在前人研究 成果的基础上建立相应的仿真模型，如：路网模型、交通流生成模型、车辆跟 驰模型、换车道模型以及交叉口控制模型等： 三，按照仿真系统要实现的功能进行软件设计； 四，利用本文开发的微观仿真系统对广州市天河北路进行实例仿真； 五，利用交通流体动力模型对广州市天河北路进行实例仿真，将仿真结果 与微观仿真系统进行比较分析； 六，对船舶交通流仿真进行研究，建立船舶交通流仿真的数学模型，为实 现水路一体的交通系统仿真奠定基础。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章t f s s 仿真系统分析 2 ，1 交通系统仿真方法概述 2 1 1 交通系统仿真的定义 交通系统仿真是指用系统仿真技术来研究交通行为，它是一门对交通运动 随刚问和空间的变化进行跟踪描述的技术。从交通系统仿真所采用的技术手段 以及所具有的本质特征来看，交通系统仿真是一门在计算机上进行交通实验的 技术，它含有随机特征，可以是微观的，也可以是宏观的。通过对交通系统的 仿真研究，可以得到交通流状态变量随时间与空间变化、分布规律及其与交通 控制变量的关系。因此，交通系统仿真在道路运输系统的分析和评价中发挥着 重要作用引。 2 1 2 交通系统仿真的步骤 交通系统仿真的对象是含有多种随机成分和各种逻辑关系的复杂的交通系 统，因此，它本身就是一一个复杂的系统工程。用计算机仿真技术解决城市交通 问题的一般方法有如下步骤： ( 1 ) 问题描述：对拟要研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目的， 划定系统的范围和边界，以便对各种交通分析技术的适应性作出判断。 ( 2 ) 确定仿真方法的适用性：确定在各种交通系统分析技术中，系统仿真列 于所沦问题是最适宜的方法。 ( 3 ) 问题的系统化：一旦确定系统仿真对于所论问题是最好的解决方法，就 要着手构造一个仿真模型的第一级流程图，其中包括输入、处理、输出三个组 成部分。 ( 4 ) 数据的收集和处理：根据输入和输出要求收集和处理所需的数据。 ( 5 ) 建立数学模型：建立数学模型是系统仿真系统中最关键、最耗时的+ 步。 通常采用自上而下循序渐进的方法进行，把实际系统简化、抽象为数学公式或 逻辑流程图。 ( 6 ) 参数估计：模型中的参数既有确定型又有随机型。确定型参数可以是常 6 武汉理j 二大学硕士学位论文 数，也可以根据系统状态的不同，对应于一组常数中的某个值，或者按照某种 回归规律在一定范围内连续变化的值。对于随机型参数，除给出它的均值和方 差外，还要指出其分布形式。 图2 1 交通系统仿真流程图 ( 7 ) 模型评价：确定流程中是否出现中断或回路、检验数据输入的适应性和 取值范围、检验最终的和中间的输出结果的合理性，是否有必要增加、删除或 改变一些变量。 ( 8 ) 编制程序：对编程语言和计算机设备进行选择，编制程序。 ( 9 ) 模型确认：模型确认包括三项内容，即模型校核、标定和有效性检验。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 0 ) 实验设计：制定详细的实验方案。 ( 11 ) 仿真结果分析：这一步骤包括仿真运行和结果分析。 总的流程图见图2 1 所示。 从上述过程中，我们可以看出，训算机仿真并不是一次性计算或求解过程。 而是一种反复多次运行调整的过程。再者，检验仿真模型和运用模型程序解决 实际问题的过程，电就是不断修正模型或参数使之更符合实际的过程。因此， 仿真过程实质上是建模和开发软件过程的继续和不断完善的过程。 2 2 仿真系统面向对象建模 一个城市路网的微观交通流仿真模型是一个非常精细复杂的模型，模型的 构建要便于仿真系统逼真地模拟实现路网中的各种实际交通行为，如交叉1 2 1 处 的车辆转向、车辆跟驶和变道、信号灯控制等各种变化情况。另外为了使仿真 系统达到交通规划、评价的性能，还要求模型的建立要便于仿真系统能够随时 反映全局路网动态特性，以及能记录到路网中任一实体的当| j i 各种状态和实体 间的关系，以便于获得各种统计参数。模型强调单个实体的特性正好符合面向 对象技术的基本思想。 本文所涉及的城市交通流仿真模型，需要丌发一个具有一定规模的软件系 统。这个软件系统是整个模型的表现形式和最终载体。可以预见这将是一个相 当复杂而颇具难度的程序开发过程，因为：程序需要描述复杂背景下大量单元 的相互关系，各个单元是不断更新的，而且整个系统以很高的频率时刻不停的 动态变化。所以，按照软件工程来进行这项工作是很自然的想法【1 9 l 。 本软件设计的目的是：( 1 ) 全面认识城市道路特别是交叉口附近交通现象； ( 2 ) 研究交叉口交通控制和管理策略；( 3 ) 探讨城市主干道线控方案的确定方法。 影响交通流运行的主要因素有：( 1 ) 道路几何特性：包括路段特性与车道特 性：( 2 ) 交通流特性：包括各路段交通流量、车辆到达分布、平均车速、车辆组 成与车辆转向比例：( 3 ) 驾驶员特性：包括驾驶员操作特性、反应特性：( 4 ) 车辆 特性：包括车辆长度、车辆速度性能与车辆加减速性能；f 5 ) 交通控制特性：包 括控制方式选择、具体控制策略与交通管理方案。 城市道路交通流评价指标有以下方面：( 1 ) 交通负荷指标：包括交通量、交 通流密度、通行能力；( 2 ) i i 昆务水平指标：包括车速、行车延误和停车时间。 武汉理工大学硕士学位论文 城市交通流仿真系统中的物理实体是指系统中有形的物质化的成份，要在 交通流仿真程序设计巾贯彻真实化的原则，必须首先使这些物理实体的属性和 方法在程序中被真实的实现，表2 1 给出了系统中的物理实体的属性和方法。 表2l 交通流仿真系统中的物理实体 实体名称实体属性实体方法 路段长度、车道数、反映道路走拟合道路走向的特征参数、绘制 路段 向的特征点坐标道路几何形状 所在路段编号、在路段中的序 检索车辆队列中的车辆、一卜下游 车道 号、车道长度、宽度、车道使用车道及相邻车道、确定车道几何 限制、行驶在车道的车辆队列参数、统计车道上车辆运行指标 驾驶员驾驶员操作状态、反应时间仿真模型参数标定 行驶状态、空间位置、出发地、获取相关车辆信息、获取交通控 车辆目的地、下一路口转向、车辆长制信息、确定各种特殊情况f 车 度、宽度、车型、动力性能辆下一时刻的加速度 所控路段编号、信号周期、各灯确定灯色、显示信号灯、控制交 信号灯 色开启和结束时刻叉口车辆运动 城市交通流仿真系统中的逻辑实体是指系统中无形的概念化的成分，是可 以表现物理实体的组织方式或机制，简洁的说，就是具有系统意义的物理实体 之组织。显然要在交通流仿真程序功能设计中实现系统的功能，必须使这些逻 辑实体的属性和方法在程序中被真实的体现，表2 - - 2 给出了系统中的逻辑实体 的属性和方法。 表2 2 交通流仿真系统中的逻辑实体 实体名称实体属性实体方法 检索进出口路段、确定进出口道 交叉l = l交叉口类型、进出口路段编号 转向 确定下一辆车的产生时刻、车型 交通流交通流量、转向比例、车型比例 和转向 o d 节点车辆进、出节点的路段编号 检索进出路段、计算最短路线 经过适当的筛选，最后确定本系统对象类包括：路段、车道、驾驶员、车 9 武汉理工大学硕士学位论文 辆、信号灯、交叉口、交通流、o d 节点。 2 3 仿真系统的结构设计 地 ： 理：接口： 信卜一“j 白；一p 。 毳ll o ： ： 。f 一 ： ! 立一 ： 蔓 口： ： ：| | | | ；接口| 鏊仁： 库； 掣掣掣掣 输入模块广订 l 1 = 荆罴三： 仿真模块 i 仿真系统图形显示| l 输出模块 i 打印或显示输出 i 城 市 交 通 流 仿 直 图2 - 2仿真系统方案设计图 本文开发的城市交通流仿真系统主要由地理信息系统( g i s ) 、城市交通流仿 真、和交叉口交通流数据库三部分组成”】。其中城市交通流仿真部分二 三要包括 输入模块、仿真模块及其输出模块，其中输入模块和输出模块分别有接口与地 理信息系统和交叉口交通流数据库进行数据的存取和交换( 图2 2 ) 。 2 4 本章小结 本章首先对交通流仿真系统进行系统描述：接着，对交通流仿真系统进行 了面向对象建模，确定了仿真系统的物理实体和逻辑实体，提出需要建立的数 学模型主要有：交通流生成模型、车辆跟驰模型、换车道模型以及交叉| _ 】信号 控制模型等；最后对交通流仿真系统进行结构设计，确定系统的主要功能模块 及功能组成。 i o 武汉理工大学硕七学位论文 第3 章i f s s 仿真系统数据库设计 3 1 交通流仿真数据库 目前交通流仿真平台形式比较多，相应的交通信息数据库设计也各种各样， 但是一定程度上都存在或多或少的缺陷与不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 交通流仿真系统要实现仿真的目的，首先要有尽可能接近实际情况的 路网描述，路网的描述除了要反映道路的拓扑关系外，还应包括对各种道路几 何条件的描述。当然，仿真软件对道路几何条件的描述并不要求像地理信息系 统( g i s ) 或道路c a d 设计那样与实际情况完全一致，而是根据实际仿真需要 进行适当的简化。现状是许多交通流仿真系统的数据库对路网的描述信息比较 粗略，考虑的道路形式是比较规则的，对于不规则道路缺乏深入描述。 ( 2 ) 交通流仿真系统数据库的建立未着眼于整个仿真系统功能的实现来考 虑，很多交通流仿真数据库实际上就是单纯的路网数据库。 ( 3 ) 数据库设计对于一些实际交通运行中出现的不确定因素考虑欠缺，这 将影响仿真系统模拟实际交通运行状况的效果。 3 ，2t f s s 仿真系统数据库设计 交通信息数据库的设计对于交通流仿真功能的实现、仿真环境的逼真和稳 定具有重要的作用。本文设计的交通信息数据库提供道路交通流仿真平台实际 路网结构、交通流量、信号控制和结果分析等信息，而仿真结果又写回数掘库。 依据交通流仿真功能实现的要求，确定数据库的构成如图3 - 1 所示。主要分为 路网信息数据、信号控制数据、交通流数据、结果分析数据等四个部分。 图3 1 交通流仿真数据库结构图 武汉理工大学硕二k 学位论文 术文数据库的设计本着层次分明，简单清晰，安全可靠，扩展性强的建库 原则。在借鉴了其它仿真系统数据库的成功经验和对交通流仿真系统实体深入 分析的基础上，根据描述的不同对象分别建立了数据表( t a b e s ) 。 ( 1 ) 路网相关数据表 钊。对道路网络生成的需要，我们主要设计了l a n e 表( 表3 一1 ) 、l i n k l a n e 表 ( 表3 2 ) 等。如l a n e 表设立了车道编号、所属路段编号、起点坐标、终点嫩 标、车道长度、车道宽度和是否右转拓展等字段。 表3 1 车道表( l a n e ) 字段名称数据类型主键允l ：空值 年道编号b i g i n t yn 所属路段 s m a l l i n tny 路段中序号t i n y i n t ny 起点坐标x r e a lny 起点坐标y r e a lny 终点坐标x r e a lny 终点举标yr e a lny 车道长度 r e a lny 车道宽度 r e a lny 是否右转拓展 b i tny 表3 2 链接车道表( l i n k l a n e ) 字段名称数据类型主键允许空值 链接车道编号 s m a l l i n tyn 所属交叉口 t i n v i n tny 出车道编号b i g i n t ny 入车道编号b i g i n t ny 车道类型t i n y i n t ny 属信号灯编号t i n y i l 3 t ny 起点牮标xr e a l ny 起点坐标y r e a lny 终点举标xr e a l ny 终点出标yr e a l ny 车道长度 r e a lny 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 信号控, n n 关数据表 信号控制数据主要是根据干道交通信号协调控制配时的需要而建立的，| = | _ i 此设计了c r o s s i n g 表( 表3 3 ) 、l i g h t 表( 表3 - 4 ) 、p h a s e 表( 表3 - 5 ) 。如c r o s s i n g 表巾设立了交叉口编号、信号周期、相位数、相位差。 表3 3 交叉口表( c r o s s i n g ) 字段名称数据类型主键允许空值 交叉口编号t i n y i n t yn 信号周期t i n y i n t ny 相位差t i n y i n t ny 相位数t i n y i n t ny 表3 4 信号灯表( l i g h t ) 字段名称数据类型主键允许空值 信号灯编号t i l a y i n t yn 所属交叉口t i n y i n t ny 圆心坐标x r e a lny 圆心坐标y r e a lny 表3 5 相位表( p h a s e ) 字段名称数据类型主键允许空值 相位编号 t i n v i n tyn 所属交叉口t i n y i n t ny 序号t i n y i n t ny 绿灯时长t i l a y i n t ny 属本相位的信号灯编号1 t i n v i n tny 属本相位的信号灯编号2t i n y i n t ny ( 3 ) 交通流相关数据表 交通流数据主要是从交通流生成模型、跟驰模型和换车道模型等考虑，设 计j ，s e c t i o n 表( 表3 6 ) ，主要描述了路网信息、车辆组成和交通流量信息。 武汉理工大学硕士学位论文 表3 6 路段表( s e c t i o n ) 字段名称数据类型主键 允许空值 路段编号 s m a l i n tyn 耗占出标xr e a lny 托占举标yr e a l ny 终点坐标x r e a ln y 终点坐标y r e a lny 车道数t j n y i n tny 车道宽 r e a lny 路段长度 r e a lny 路段坡度 r e a lny 是否有转拓展 b i tn y 路段类型t i n y i n tny 交通流量 s m a l i i n tn y 限速 r e a lny 平均车速 r e a lny 小车比例 r e a lny 中车l i f t 4 r e a lny 大车比例 r e a lny 左转比例 r e a lny 直行比例 r e a lny 右转比例 r e a lny 表3 7 结果分析表( s i m o u t ) 字段名称数据类型主键允许空值 路段编号 s m a l l i n tny 模拟总量 s m a 1 i n tny 停车数 s m a l li a tny 停车率 r e a lny 总延误 r e a lny 平均延误 r e a lny 1 4 武汉理： 大学硕士学位论文 ( 4 ) 结果分析相关数据表 结果分析数据需要反映交通流仿真系统的一些功能评价指标：模拟交通流 量、停止车辆数、停车率、时间延误，故我们设计了。个s i m o u t 表( 表3 7 ) ， 通过这些数据就可了解某区域各路段的车辆通行情况。 基于以上数据表的设计，我们给出它们的关系如图3 2 所示。 张l a 毒暖毒s e e t i o n 幸 路段编号 起点坐标x 起点坐标t 中问点坐标x 中间点坐标y 终点坐标x 辩点坐标y 车谨数 车遄宽度 龉段长度 陆段坡度 右转踌段 是否右转拓展 踏段类型 交通琉量 口景速 平均车速 i 口l 交叉口编号 露 相位缔号 e 小车比例 i 信号周期所属变义口 li 相位差 序号 i 相位数 绿灯肘问长 a ，= 一 恩于本相位的信号灯躺- i |i l 属于本相位的信号灯犏- 9l _ i ；a 虹色 - l i g h t 】| 豳 匡 所属路段 囤信号灯辅号 路段中序号 日菩2 萎嚣 起点坐袜x 起点坐标y 曰圆心坐标t 终点坐标x 缚点坐标7 8 车道长度 是否右转拓展 e s i曲叠t 粤 中车比例 l i n【l a n e 臣一 路段编号 大车比铡 一 设定息量 左转比仞j e 链撞车道犏号 设定左转量 直行比例 所属变叉口 一 设定直行量 右转比例 出车遭编号 一 设定右转量 _ e 车道端号遥桓担总量 车道樊型 7 曩 模担左转量 j j i i 属信号灯稍号 黛 量 梗拉直行量 起点坐标x 梗拟右转量 起点坐标y 一 停止车辅数 毒 终点坐标x_排队长度 终点坐标y 一 总碰强 车谨长度 一 平均延误 一 图3 - 2 数据表关系图 3 3t f s s 仿真系统数据库设计特点 下 针对城市交通流仿真平台功能的需要，t f s s 仿真系统数据库的设计特点如 ( 1 ) 利用图元思想来规划路网组件 仿真系统采用图元形式有利于简化数据库和提高数据库运行效率。在此 武汉理丁大学硕士学位论文 仿真平台引入图元思路，对路网信息进行重新组合，形成了不同的路网组件。 ( 2 ) 路网数据的生成 尽管m a p l n f o 是一个适应于p c 机运行且易于使用和二次开发的信息平台， 这样可考虑在道路仿真平台中利用上述技术或在开发应用中嵌入m a p x 对象实 现仿真路网信息。但这样安排却需要较大的计算开销。道路交通流仿真过程需 要在能反映道路几何条件重要特征的基础上作适当的简化，这也是希望能在目 前讣算计硬件水平条件下较高速实现仿真动画的个处理问题的折衷方案。 基于j 二述考虑，本文涉及的道路仿真平台利用简化的路网数据实现仿真过 程，但路网数据却是利用m a p l n f o 的相关功能进行采集，有关步骤况明如下： 将仿真对象地区的栅格地图用m a p l n f o 进行配准，生成相应的电子地图， 显示在屏幕上； 运用屏幕数字化的方式采集路网绘制所需的节点，生成数掘库相应数据 表中的数据； 输入节点相关信息； 程序自动判断道路几何特征，完善和补充第点中相应项并提示输入其 它信息； 局部道路数据形成后，进而自动生成局部区域路网的数据