（计算机应用技术专业论文）城市交通微观仿真系统.pdf

浙江大学硕士学化论文 摘要 摘要 机动车数量的快速增长导致了城市交通需求的迅速增加，而城市道路建设 却远远赶不上交通需求的增长。使得城市交通出现了许多问题。而我们在认识和 处理城市交通问题时，往往偏重于对交通供给，即交通基础设施能力的扩张，而 忽视了对交通需求进行有效的管理。其结果，一方面城市交通设施能力的扩张仍 远远赶不上交通需求的增长，对改善交通状况收效甚微，供需之阆的矛盾仍在加 剧：另一方面，交通设施的利用率低下，交通管理基本上停留在落后水平上。这 一切都迫切需要开辟科学的城市路网交通研究渠道，城市交通的微观仿真就是其 中之一。 传统的微观仿真系统一般只仿真一个或少数几个交叉口的交通流，而本文 的系统着眼于一个较大的范围内( 城区) 的仿真，一次性处理数十个交叉口，避 免了对需要仿真的每个路口都进行一次流量估计，而只需在整个城区的路网入口 上估计并输入车流。同时系统使仿真路网和城市地图的路网重合，逼真地反应仿 真过程和结果。系统还通过鹰眼窗口来观看整个城区范围内的路网通行状况，可 以非常直观地看出城市中邻近区域内交叉口之间通行状况的相互影响，给交通管 理和规划人员提供一个全局的反馈信息。文章的主要工作有： ( 1 ) 提出并实现了由点线拓扑结构生成包含车道、路段、结点、交叉1 ：3 等复 杂信息的路网图的算法。为仿真系统利用g i s 数据打下了良好的基础。 ( 2 1 通过鹰眼窗口实现了大地图的分区分块显示。 ( 3 ) 实现了交通仿真的各种相关模型，能进行初步精确的交通流微观仿真。 关键词：微观交通模型、交通仿真系统、鹰眼 i i i 浙江人学坝土学位论文 摘要 a b s t r a c t t h er a p i di n c r e a s eo ft h ea m o u n to fm o t o rv e h i c l e sb r i n g so nt h er a p i d i n c r e a s eo ft r a f f i cd e m a n di nc i t i e sw h i c ht h ec i t yr o a dn e t w o r k sa l w a y s c a n ts a t i s f y t h i sb r i n g sm a n yp r o b l e m st oc i t yt r a f f i c b u tw h e nw e t a c k l ew i t bt h e s ep r o b l e m s ，w eo f t e np a ym o r ea t t e n t i o nt or o a db u i i d i n g t h a nm a n a g i n gt h et r a f f i cd e m a n de f f i c i e n t l y t h er e s u l ti s ：o nt h eo n e h a n d ，b u i l d i n gn e wr o a d sc a d tm e e tt h ei n c r e a s e dt r a f f i cd e m a n d ，i td o e s l i t t l eb e t t e rt oi m p r o v et r a f f i cs t a t u s ：o nt h eo t h e rh a n d ，t h eu s eo f r o a dn e t w o r k si sq u i t ei n e f f i c i e n t ，a n dt h et r a f f i cm a n a g e m e n ti s u n s k il i e d t h e s ea s kf o rn e ww a y so fr e s e a r c h i n go nt h et r a f f i co fr o a d n e t w o r k s ，t h em i c r o s i m u l a t i o no fc i t yt r a f f i ci so n eo ft h ew a y s t r a d i t i o n a lm i c r o s i m u l a t i o ns y s t e ma l w a y ss i m u l a t ej u s to n l yo n eo r s e v e r a lc r o s s e s b u tt h i ss y s t e mi sa b l et os i m a l a t eal a r g es c o p eo fa c i t y i tc a nt a c k l ew i t ht e n so fc r o s s e s i tn e e d n te s t i m a t et h et r a f f i c f l o wf o re v e r yb r a n c ho ft h ec r o s s e si nt h es c o p e ，b u to n l yf o rt h ee n t r i e s o ft h ew h o l er o a dn e t w o r k s a n dt h es y s t e mc a l lm a k et h er o a d sn e t w o r k s w h i c hi sb e i n gs i m u l a t e dc o v e ro nt h es a m ep a r to ft h ec i t ym a p ，m a k e st h e p r o c e s sa n dr e s u l to ft h es i m u l a t i o nv e r yr e a li t y t h i ss y s t e ma l s oh a s ah a w k e y e ，w h i c hc a nl o c a t ea n yp a r to ft h em a pq u i c k l y ，w i t hi tw ec a n s e et h ei n f l u e n c eb e t w e e nn e i g h o u rc r o s s e sc l e a r l y i tc a nf e e db a c kv e r y w e l lt op e o p l ew h om a n a g eo rl a y o u tt h et r a f f i cn e t w o r k s t h i sp a p e r c o m p l e t et h ew o r kb e l o w ： ( 1 ) b i u l dac o m p l e xr o a dn e t w o r k sw h i c hi n c l u d el a n e s 、c r o s s e s 、r o a d s a n dr o a d l i s t sf r o mj u s tp o i n t 一1 i n et o p o l o g y ，t h i sm a k e st h es y s e m e a s y t oc h a n g et ou s et h eg i sd a t ao ft h ec i t yt r a f f i cd i r e c t l y 。 浙江大学硕士学位论文 摘要 ( 2 ) d is p l a yal a r g em a pw i t hah a w k e y e ( 3 ) i m p l e m e n ts o m er e l a t i r et r a n s p o r ts i m u l a t em o d e i s k e y w o r d s ：m i c r o s c o p i ct r a f f i cm o d e l s ，t r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e m ，h w a k e y e v 浙江大学硕一卜学位论文第一辛绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 6 1 1 ，i i s l 0 6 1 改革开放以来，中国经济迅速发展，国民经济发展的实际年平均增长率一 直维持在6 以上。随着经济的高速发展，城市化速度加快，截至2 0 0 5 年底，全 国共有设市城市6 6 3 个，其中城市人口在1 0 0 万以上的特大城市4 9 个，建制镇 1 7 8 9 2 个，集镇2 7 5 5 2 个，城镇人v i 总量为5 4 亿，占全国总人口的4 1 8 。自 8 0 年代以来，我国汽车拥有量年平均增长率达1 3 以上，机动车拥有量年平均 增长率超过2 5 ，全民机动车保有量已从1 9 7 8 年的1 3 5 8 4 万辆增长到1 0 7 亿辆。 经济的快速发展、城市人1 ：3 急剧膨胀、机动车数量的快速增长导致了城市 交通需求的迅速增加，而城市道路建设却远远赶不上交通需求的增长。使得城市 交通出现了以下问题： ( 一) 车多路少，道路网难以满足交通需求。从社会经济的发展过程来看， 城市机动车的年增长率一般都略高于城市经济增长速度，而城市道路建设速度又 落后于城市的经济增长速度，这就产生了新增交通需求难以得到充分满足的问 题。 ( 二) 交通拥挤、车速低，交通事故频繁。大城市多是在1 日城基础上发展而 来的，旧城区道路狭窄，车辆出入频繁，行人流量大，交通条件差，很容易发生 交通阻塞的现象。交通污染严重。由于道路通行不畅，造成机动车多在怠速或低 速状态下行驶，有害气体的排放随之增大，影响城市的环境，恶化城市居民的生 存环境。 面对这些问题，不同的城市要有具体的应对措施来应对不断增长的交通流量 需求。交通需求的增长是不可阻挡的趋势。人们总是处于供需矛盾之中。只有不 断的研究、进取，才能推动现代交通的发展。 我们在认识和处理城市交通问题时，往往偏重于对交通供给，即交通基础设 施能力的扩张，而忽视了对交通需求进行有效的管理。其结果，一方面城市交通 设旄能力的扩张仍远远赶不上交通需求的增长，对改善交通状况收效甚微，供需 之间的矛盾仍在加剧；另一方面，交通设施的利用率低下，交通管理基本上停留 1 浙江大学硕i 。学位论文 第一章绪论 在落后水平上。有的城市在交通基础设施建设中占地偏多，出现过需求现象，这 也是交通规划的不科学造成的。而且我国城市道路的设计都是基于经验假设的交 通流量情况进行的，其厩确性和合理性必须等到工程完成并运行相当长的一段时 期后才能表现出来，不能对工程设计进行及时有效的指导，容易产生各种设计上 的不合理，造成巨大的经济损失。 国内外城市交通发展的经验和教训表明，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，必须从交通供需两方面入手，在适当扩展交通设施的同 时，对交通的产生和过程进行全方位的控制和引导，f 大力气研究交通管理方法， 最大限度地挖掘现有交通设施的通行潜力，提高交通设旌的使用效率。同时在规 划交通的时候也应该对未来的交通需求有一个直观的了解，这些用传统的方法都 较难实现。 计算机仿真研究作为一门独立学科始于2 0 世纪4 0 年代。7 0 年代以来，随着系 统科学以及计算机科学技术的发展，仿真技术已广泛应用于航空、铁路、公路等 交通运输系统的规划、设计、运营分析等。 计算机交通仿真就是利用计算机对所研究交通系统的结构、功能、行为一级 参与交通控制者人的思维过程和行为特征进行比较真实的模仿。交通事故、 交通分配、路网运行分析、道路通行能力等交通系统的研究领域，都已经用计算 机仿真技术进行了广泛研究。仿真研究成功与否，取决于研究人员对被仿真系统 对象理解是否透彻和准确。 城市交通微观仿真，就是利用一定的模型让计算机自动产生与实际交通流具 有相同分布特征的伪随机数，然后通过对伪随机数的排序、检验形成随机变量， 经过数值计算及逻辑推演、检验，来模仿车辆通过城市交通网时的各种行驶行为 及其产生的排队和延误，进而根据仿真数据，判断被仿真的交通网络的通行能力， 或者发现交通网络里面的不足之处。改进以后，可以继续仿真，比较前后差异， 判断优劣。 利用计算机仿真再现交通系统而获得数据，比传统的实测法有如下4 个方面 的优点： ( 1 ) 节省巨额费用 特别是对那些难以获得理想实测数据的。如在调查交通量时很难达到最大通 浙江大学：学位论文 第一章绪论 行量水、 f 的交通量；或由于实验费j 目庞大而难以进行。在计算机上仿真往往是最 理想的选择。 ( 2 ) 安全性 在利用计算机进行仿真实验中，不会发生实际交通实验中的交通事故之类的 事情。 ( 3 ) 快速真实性 与实际调查相比，计算机仿真可以快速获得结果。由于人为调查时要和司机 进行交流，容易受外界因素干扰。 ( 4 ) 可控制性 由于计算机仿真是靠程序控制的，在仿真过程中可以加快或减慢车流的进入 速度，改变道路形状，还可以在仿真前改变各个路口信号控制模型，进而对不同 交通网设计方案进行比较和评价。 城市交通微观仿真系统通过在计算机上建立道路交通流的仿真模型，充分利 用计算机存储容量大，运算速度快的特点，以安全、快捷、经济的方法获得决策 者所需要的数据图形结果，使城市交通管理更具科学性和可操作性，为城市交通 管理决策提供依据，使未来的城市交通在满足城市发展需要的基础上逐步纳入科 学管理的轨道。 传统的微观仿真系统一般只仿真一个交叉口的交通流，本系统着眼于一个较 大的范围内( 城区) 的仿真，按照地图上路的自然形状编辑路网信息，然后进行 一个全局的仿真，这样避免了对需要仿真的每个路口都进行一次流量估计，而只 需在整个城区的道路网入口上估计并输入车流，然后就可以通过鹰眼切换观看整 个城区范围内的路网通行状况。这样可以非常直观地看出城市中邻近区域内交叉 口之间通行状况的相互影响，给交通管理和规划人员提供一个全局的反馈信息。 1 2 国内外研究概况【9 】【1 1 m 。 计算机仿真在交通系统中的应用最早见于1 9 5 5 年美国加州大学洛杉矶分校 d l g e r l o u g h 的博士论文：s i m u l a t i o no ff r e e w a yt r a f f i co nag e n e r a l p u r p o s e d i s c r e t ev a r i a b l ec o m p u t e r 。在此后4 0 多年的发展历史中，计算机仿真已经从只有 少数专家掌握的研究工具发展成为一种通用技术，在交通系统的研究、规划、验 - 3 浙汀人学硕l 学位论文 第章绪论 证和开发c 1 广泛使用。在这个巨大发展的背后，有5 种驱动力起着关键作用。它 们分别是：交通流理论的发展；计算机硬件技术的进步：编程工具的进步； 信息结构理论的发展；社会对交通规划和措施的效果的更为详细的分析【”。 几十年来，仿真的主要应用领域基本上保持不变，但是应用的规模和复杂 度大大增加。尤其是进入2 0 世纪7 0 年代后，利用仿真进行需求分析开始作为一个 新的应用领域出现。新的编程技术和环境，如面向对象编程技术和虚拟现实技术 的应用日益普遍。一体化的集成仿真环境、并行计算和全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 数据库是交通系统仿真的最新趋势。新的思想， 如元胞自动机和带有离散变量的基于规则的仿真也已开始发挥它们的作用。 1 ) 在理论研究方面，最古老同时也是最著名的一个仿真应用例子是基于g m 模型的跟车行为分析。模型中，交通流队列中每一辆车的运动由一个微分方程来 描述。跟车行为分析和交叉口分析一样，是交通流理论和仿真的基本问题之一， 4 0 多年来一直是研究和发展的热点。 2 ) 在道路和街道交通分析中，传统的有实际意义的仿真问题均与交通流有 关，也就是说，与交通设施的通行能力和运行特性有关。交叉口的延迟和步长是 分析和仿真研究的一个永无止境的目标”1 。国际上这方面的研究兴趣仍在日益增 加。 3 ) 在交通信号控制领域，经典的w e b s t e r 公式是早期有实际结果的一个仿 真例子。这个公式在源于排队论的一个延迟公式的基础上做了一个基于仿真的修 正。现代车辆运行动画交通信号控制器在信号控制仿真中增加了一个新的维度。 在传统的固定时间信号控制中，只有交通作用于信号；现在，信号也作用于交通， 控制器作用分析和交通自身分析同样重要弘1 。新的解决方案，如实际控制器与仿 真系统的结合正在分析中使用。 4 ) 大多数城市交通问题与网络有关。在网络中，必须把不同种类的交叉( 包 括有信号灯的和无信号的) 和连接线( 包括干线、高速路和城市街道) 结合在一 起分析。这使得仿真相当困难。与离散交叉口和区段的仿真工具相比，用于网络 分析的综合仿真工具相当少。这个领域中最著名的工具包是2 0 世纪7 0 年代开始的 美国的n e t s i m 。后来又出现了烈t e g 黜蜘o n 和a i m s u m 2 等工具”。 4 浙江入学硕j 学位论交 第一章绪论 5 ) 在交通流分析中，高速路仿真比普通的双车道双向开行道路的仿真更普 遍。一个原因是，在双车道道路环境中，必须对以相反方向行驶的车辆之间的相 互作用建模。排队和超车不仅依赖于交通仿真，而且依赖于道路环境( 包括距离 和通行控制等) 。因此，这个问题比在高速路环境中更为复杂。这个领域中最著 名的例子是瑞典的v n 模型和澳大利亚的t r a r r ，两者均是在2 0 世纪7 0 年代基 本开发完成的。 6 ) 今天大多数交通系统仿真应用是基于车辆之间的相互作用的，在本质上 是微观交通仿真。交通流分析是其中的一个研究领域“1 。宏观交通仿真瞧一直在 使用。大多数著名的宏观应用源于2 0 世纪6 0 年代术或7 0 年代初。英国的 t r a n s y t 项目是城市干线信号控制协调的一个宏观仿真例子。美国的f r e o 项目和f r e f l o 项目与高速路上的应用有关。中观交通仿真方法在一个有无信 号控制的情况下均适用的街道网络分析工具c o n t r a m 中也得到应用。 7 ) 开发开放式环境以便几个分析工具能互相协调地使用从而解决其中每一 个最擅长的问题是目前的研究热点之一。这个方面的一个例子是美国联邦公路管 理局( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ，f h w a ) 的t r a f 系列项目和交通管理实 验室项目，它们的主要目标是开发出一套分布式实时监测系统以仿真a t m s 的 交通条件。一个普通的图形用户界面已被开发出来用于t r a f 系列项目。正在进 行这方面工作的还有芬兰、瑞典和英国科学家合作进行的芬兰h u t s i m 项目， 其目标是开发出一套开放式交通建模环境“1 。 8 ) 与交通安全相关的问题一直是仿真中的一个难点。在传统的仿真项目中， 驾驶员被假定为不会发生碰撞。因此，不存在交通安全问题。确实有过通过仿真 对碰撞情况进行分析的一些尝试，但是解决这个问题的通用方法尚未出现，能广 泛使用的交通仿真工具也尚未出现。交通安全仿真属于以人为中心的仿真领域， 必须描述某些反应不太敏锐的驾驶员的感觉一作用过程。这种方法有时被称为亚 微观仿真，以区别于传统的微观交通仿真。在不同的交通仿真中安全环节和人的 反应长期以来直是使用驾驶仿真系统进行分析的，这里测试对象面对的是人为 设定的在车辆和交通的仿真环境中的驾驶任务。驾驶员必须对给定的交通情况做 出反应。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 技术的发展将促进这方面的研究”1 。 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 另外，曾在t r a n s i m s 和h u t s i m 中使用的基于规则的仿真方法，应川也很普 遍。在这种框架中，使用模糊逻辑很容易描述人的感觉。 9 ) 近年，交通仿真的又一个新领域已经出现，即交通需求仿真。这个领域 中，分析传统已经从重力模型转化到基于个人的分离选择模型。在需求仿真中， 目标是再现某一小区内居民群体的出行类型( 包括数目，时间，目的等) ”1 。这 方面的例子有美国的s a m s 和s m a r t ，两者均尚在开发中。另外，美国的 t r a s i m s 使用了最先进的建模方法，把需求建模与街道和道路上的交通流行为 结合在一起，试图描述一个仿真环境中整个交通系统的行为。 1 0 ) 一个新的应用领域是远距离传输设备在交通中使用和效果的仿真。这一 方面与交通流仿真有关，另一方面还与人的行为和决策过程仿真有关。这个领域 甚至还可以测试完全无人驾驶车辆的效果眦。 微观交通仿真模型研究对象为车辆个体的运动，运算量大，又要求运算速度 快，所以在交通流理论发展的初期没有成为研究重点。近十年来，随着计算机技 术的飞速发展，使得研究微观交通仿真模型和开发微观交通仿真器成为可能。目 前，全球己有一百多个微观交通仿真模型，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。在国外，这些交通仿真模型 和仿真器的研制、开发工作主要由大学、科研机构或大公司承担。比如：麻省理 工学院仿真实验室于1 9 9 3 年开始研制微观交通仿真器m i t s i m l ( m i c r o s c o p i c t r a f f i cs i m u l a t o rl a b o r a t o r y ) ，经过数年的不断改进，已用于斯德歌尔摩等大型城 市的交通仿真。目前，许多著名大学和研究所都开发了自己版本的微观交通仿真 器，如美国的m r r , u c ，b e r k e l e y 、洛斯阿尔莫斯国家实验室、美国的爱丁堡大学、 德国的a a c h e n ，杜依斯堡大学、西班牙及芬兰的大学也有自己的仿真器。微观仿 真系统主要有p a r a m i c s 、i t e r g r a t i o n 、m 1 t s i m 、c o r s i m 、h u t s i m 、 g 叩t m 枷m s u n 2 、v i s s i m 等。 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，主 要集中在高等院校及研究机构。他们采用不同的计算机语言开发了用以研究通行 能力和服务水平、宏观交通流分配、交通流诱导等的仿真模型或仿真系统。9 0 年代以来，同济大学、北方交通大学等高校已经开发了自己的微观交通仿真系统。 仿真系统主要有t j t s 、n i t s 等。 6 浙江大学硕士乎他论义 第一章绪论 1 3 本文的内容 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了城市交通微观仿真系统的研究背景和意义，然后介绍了国内外 这方面的研究现状。 第二章叙述系统所采用的相关仿真模型，包括路网模型、车辆模型、车辆产 生模型、车辆行为模型等。 第三章叙述系统的整体设计以及仿真过程及其可视化。介绍整个系统对交通 的仿真过程和图像显示。 第四章介绍路网的编辑和路网的生成，包括路网的编辑、路网中间文件的格 式、路网的生成等。 第五章介绍对一些相关仿真结果进行分析，得出它对交通网规划和设计的意 义。 第六章对本文进行总结和展望。 浙江大1 。，硕j 学位论文 第二章系统所采用的相关仿真模型 第二章系统所采用的相关仿真模型 交通仿真系统中采用的模型直接代表了交通个体的微观行为过程，模型与 实际情况的吻合度直接关系到仿真结果的可信度，但由于现实中的交通环境太 过复杂多变，而车辆智能及司机智能又直接影响到车辆在行驶中的决策，要建 立一个和现实交通非常吻合的微观模型非常困难，而且代价也过高。这就要求 各种相关模型既要有一定的准确性，又要有一定的抽象和简化。本章将一一列 举在仿真系统中所采用的各种模型。 2 1 路网模型【8 】 路网模型既要反应各个道路之间的相互连接的拓扑关系，还要反应出每条 路的具体位置，另外还要作为车辆的运行载体。为了准确地表示城市道路的空 间信息和拓扑信息，定义以下5 种对象，分别是结点、路段、路段链、交叉口、 车道，交叉口是结点的特殊情况，当结点上的邻接路段数是3 或者4 时，结点 就成了交叉口。为了提高仿真系统的效率，这里专门定义交叉口对象。下面分 别介绍各对象的代表意义： 结点：车辆的出口点或入口点或者几条路段的交汇点，可以是2 4 个路段的交 汇。 路段：以两个结点为端点的直线无向道路，它里面包括一个或多个车道( 如果 为一个车道，表示该路段单向通行) 。 路段链：代表一段非直线道路，它里面包括一个或多个路段。各个直线路段首 尾相接而形成一条没有任何支路和交叉口的非直线道路。 交叉口：3 或4 个路段链的汇聚点，它也包括一些车道，代表交叉口通行方式。 交叉口里面包括信号灯控制方式。 车道：路段或交叉口上有方向的矢量行车道，如果不换道，车辆只能沿车道的 浙江夫学硕匕学位论文 鹕二章系统所采用的相关仿真模型 起点向终点行驶。车道内还有一个字段表示它宅间上的下一个车道，当 车辆运行到本车道终点时将进入下一个车道的起点。 结点的定义如下： 曼、 | 、一j _ i 蓦i i 蓦i 路段 i + ；0 i i 篝 | ：| o 孽曩 i 薅i 薹薯 。鎏j 蔫：； j ；+ 一 | | | | i ； “曩 ； 鬻蠹 善 ” ； ；i i j 誊蠹：； c l a s 掌c v e r t e x ： 叠 p r i v a t e ： i_ 誊蠢曩 结点i d -j 誊蓦o i ；| ；j ；： ； _ 毒 曩曩一 ；j i ；( ： 旁巍毒垂曩 结点坐搦， u n 囊i i j j ； | 蠹i 一 蓦曩参警 、鬟：戮 ； ； 薯毪锺蠹 露和结点蠹起缝成避麟鹣4 零缝点i d 、。i 触n 聚为粪鬻篆藕蠢ii 蓄蚕：鬻：i 薹 孽嚣一舅。簪1 1 ；| | = w 鳓：搿、巧、州鞲i 蠢嘣一誊 i 。 懑拦髫藉| ；| | | _ 蓦 ：；誊誊蕃| ； ；蓦誊誉蔓 书 ； ； ? 鬻i 舞 ； 。：j ：i 鹭_ ：( ； ； 的定义如下，最后两个字段用于统计路段上的车辆平均速度： 路段链的定义如下 c l a s 。s ? 慧黪囊。薹| | | | j i 一j | 一一。二 j 誊i 0 誊誊 _ i 曩_ j 垂， i 囊j 薯i i i ； j i i 矗 | ； ：曼； ； | | | | | ； | | ；| j 豢 窭 p r i v a t e ：1 。 j ：i ：黉i ，i ； ；：； 2 ； “ 1 ；：； ； i i n = t 。i d ；薯： 。； | | 麓骥l 酸； ；”m 、j 淡蔷淤琵i 藤蠢越矗j 警摸囊黧麓爨冀蠹 曩基 i 囊浚醐；黉糕禊羹旗翼 j i i n 、t 嘲绥黼黼囊i 。 ：； ；： 删洳“ j c ：爨e _ 慧g ! 哆i j ， 涮黪渗熊l i 豢缡l | | | 目。| 誓 一 4 目h i j i n t it j o t a l c 。a r s ；_ 。 ，。澎缓；j i | 耋黪总鬻耨鼗鬻一 u ； 碱翰t a l t m a e ；蓦i ： 。醮躐_ 冤隰懑鼹瞅鹫蚓簿蠢 豫。曩嚣蠹”曩蓦1 ； 蓑 懒瓤； ；| 5 l“t | | | ；| ；| ；。； 1 ；蠹 i。 。 ； 黑“ ，i； ； ；，=j ；簿嘏瑚| | ； ； 浙江大学硕f j 学位论史 第一章系统所采用的相关仿真模型 ) ； 交叉r ：l 的定义如下： c l a s sc c r o 鞲 ：| 毒 蠹 o 车道的定义如下 车道的定义中用r o a d _ c r o s s 和n l a n c l d 共同表示自己所属的对象及位置。 设一个有效的车道指针为p l a n e ，如果p l a n e - n l a n e i d = 1 0 0 ，则p w a y 是一个 交叉口上的车道，则有 浙江大学硕l 学位论文 第一章系统所采用的相关仿真模型 ：； ：= p 蚴e = ( ( 。c 蟛s s + 渔细争 薹；2 _ o 曦s 嘲谚零酬咖势 n l a n e i d = t 嘲； 如果p l a n e 一 n 1 a n e l d n e x t o 是从p l a n e 往 左转以后的车道，p l a n e 一 n e x t 【1 】是从p l a n e 往前直行的车道，p l a n e - n e x t 2 是p l a n e 往右转的车道。 图2 1 以一个示例路网来说明这些对象的定义和相应字段的赋值： 图2 1 简单路网示例 图中路网一共有a 、b 、c 、d 、e 、f 等6 个结点，a 、b 、c 、d 、e 、f ， 一共组成5 个路段a b 、a c 、a d 、a e 、e f ，前3 个路段每个路段都单独形 1 l ， 浙江大学硕j 学他论文 第一二章系统所粟用的相关仿真模型 成一个路段链，而a e 和e f 两个路段形成一个路段链。这些结点里面a 是唯 一的交叉口，a 周围有4 个路段链，以逆时针排列，a 的mr o a d l i s t s 数组依次 赋值为指向a d 、a c 、a b 和a e f 。每个路段上有4 个车道，如a c 路段，有 如图2 1 中的0 、1 、2 、3 所示4 个车道，2 、3 车道沿c 往a 方向，进入交叉 口，每个车道都有3 个转移车道，分别沿这些车道再进入交叉口的其他路段。 图中车道3 的转移车道有如黑线所示的3 个，按照左、前、右的顺序分别放入 3 车道的n e x t 数组。而这些转移车道的n e x t 数组却只有第一个值有效，如c a 上的车道3 向右转以后进入a d 路段的最右边车道( 如黑线2 所示) 。交叉口a 一共有4 个邻接路段，每个路段都有2 个车道进入交叉口，每个车道都有相应 的3 条转移车道。于是一个2 2 交叉口一共有2 4 个转移车道。这些车道按照 下面的顺序排列：从路段链m 末端路段的外车道进入交叉口的转_roadlistso 移车道按右、前、左顺序分别是l a n e s o 、l a n e s 2 】、l a n s e 4 ，从m _ r o a d l i s t s o 】 的末端路段的内车道进入交叉口的的转移车道按右、前、左顺序分别是l a n e s 1 、 l a n e s 3 】、l a n e s 5 。推广到m _ r o a d l i s t s i 】( i = 0 ，1 ，2 ，3 ) ，从外车道来的转移车道 分别是l a n e s 6 + i 】、l a n e s 6 + i + 2 】、l a n s e 6 4 i + 4 】，从内车道来的分别是l a n e s 6 + “1 】、 l a n e s 6 * i + 3 1 、l a n s e 6 * i + 5 ，其中i 从0 到3 。如图2 1 中c a 路段上车道3 的 3 个转移通道分别是交叉口对象a 的l a n e s 1 2 、l a n e s 1 4 、l a n e s 1 6 成员。 2 2 车辆对象的定义 车辆表示了交通微观仿真中的运动单元，作为一个运动实体，必须要有位 置、大小、路径( 目的地) 、速度、加速度、最大速度、最大加速度等基本信息， 另外，为了系统管理方便，还加上了一些别的字段。下面给出车辆对象的定义： 譬i i _ ；爱j c l a s sc c a r 薯i 。蠢 j i ；| ； ；ij = ；鬻 鬻= - - 囊；譬i 菱鬻鬻繁ii i 纛? 萋豢 。一蛳i 螽l t 址瓣溱蠛蠹聪 i ：、i 蠢i n tl e n g t h ； 鬻镧豢发 ； ；、耳 _ i i 掣。_ i n t w i d t h ；? j 黛霸舞蕊。量篓誉鬻整 浙江大学硕f 学垃论文 第二章系统所采用的相关仿真模型 成一个路段链，而a e 和e f 两个路段彤成一个路段链。这些结点里面a 是唯 一的交叉口，a 周围有4 个路段链，以逆时针排列，a 的mr o a d l i s t s 数组依次 赋值为指向a d 、a c 、a b 和a e f 。每个路段上有4 个车道，如a c 路段，有 如图2 1 中的0 、1 、2 、3 所示4 个车道，2 、3 车道沿c 往a 方向，进入交叉 口，每个车道都有3 个转移车道，分别沿这些车道再进入交叉口的其他路段。 图中车道3 的转移车道有如黑线所示的3 个，按照左、前、右的顺序分别放入 3 车道的n e x t 数组。而这些转移车道的n e x t 数组却只有第一个值有效，如c a 上的车道3 向右转以后进入a d 路段的最右边车道( 如黑线2 所不) 。交叉口a 一共有4 个邻接路段，每个路段都有2 个车道进入交叉口，每个车道都有相应 的3 条转移车道。于是一个2 2 交叉口一共有2 4 个转移车道。这些车道按照 下面的顺序排列：从路段链m r o a d l i s t s 0 的末端路段的外车道进入交叉口的转 移车道按右、前、左顺序分别是l a n e s o | 、l a n e s 2 1 、1 a r i s e 4 ，从mr o a d l i s t s 0 】 的末端路段的内车道进入交叉口的的转移车道按右、前、左顺序分别是l a n e s 1 、 l a n e s 3 】、l a n e s 5 。推广到m _ r o a d l i s t s i 】( i = o ，1 , 2 ，3 ) ，从外车道来的转移车道 分别是l a n e s 6 4 i 】l a n e s 6 + i + 2 】、l a n s e 6 + i + 4 ，从内车道来的分别是l a n e s 6 + i + 1 j 、 l a n e s 6 i + 3 】、l a n s e 6 + i + 5 j ，其中i 从0 到3 。如图2 1 中c a 路段上车道3 的 3 个转移通道分别是交叉n 对象a 的l a n e s 1 2 、l a n e s 1 4 、l a n e s 1 6 成员。 2 2 车辆对象的定义 车辆表示了交通微观仿真中的运动单元，作为一个运动实体，必须要有位 置、大小、路径( 目的地) 、速度、加速度、最大速度、最大加速度等基本信息， 另外，为了系统管理方便，还加上了一些别的字段。下面给出车辆对象的定义： 另外，为了系统管理方便，还加上了一些别的字段。下面给出车辆对象的定义： 二c l 雏s c ，或；, 爹r l v a t e ； 泌t i d ： 。t i m l e n g t h ； “ 、融w i d t h ” j i i 萋萋；川i ；! 囊臻i 誊? j 。；爨= 瓣黧 。、 誊 ：；i | i 嚣黧 浙江大学硕士学位沧文第一章系统所采用的相关仿真模型 i n tp o s ；相对于车道起点的距离 b o o lu n u s e d ；j 矾袤车辆是否有效i 用二! i ：霉复利用申请过的车辆内在 值是0 、1 或2 在下一个交叉口分别采取左转、往前、右转行为，然后删除链首。 这个链表在车辆产生时根据它的目的地搜索最短路径，然后根据它依次经过的 交叉口的转向取值压入链表。如图2 1 中，如果从c 点产生的车辆目的地是d ， 则搜索到路径为c 一a - d ，链表里面只要存一个值2 ，表示在碰到下一个 交叉口时右转，在车辆运行时马上将链首取出，碰到交叉口a 后根据这个值右 转，然后再取链首，发现为空值，于是在到达车道末端后停止。 对象中l e n g t h 表示车辆的长度，即车辆沿着车道方向上的长度，w i d t h 表 示车辆沿垂直车道方向上的宽度。p o s 表示车辆的当前位置离车道起点的几何 距离。车辆进入车道时p o s 为0 ，p o s 和车长之和超过车道长度时就到了车道末 端。a 和v 分别表示车辆的当前加速度和速度，单位分别是象素仿真时钟平方 和象素每仿真时钟。v 只能是正值，表示车辆不能逆向倒退，a 可以是正也可以 是负，其绝对值分别表示加速度和减速度。不考虑其他因素，车辆运动单个时 钟周期表现为将自己的位置加上它的速度，自己的速度加上加速度，即 p o s o + 1 ) = p o s o ) + v v ( t + 1 ) = v ( t ) + a 即沿车道往前移动相当于自身速度的距离，同时将按加速度的值对车辆进行加 减速。m a x a 和m a x v 分别表示最大加速度和最大速度。加速度的绝对值不能超 浙江大学硕士学位论文 第二帚系统所采用的相关仿真模型 过m a x a ，速度不能超过m a x v 。 p l a n e 表示车辆所在的车道，所以如果某车辆的指针是p c a r ，则有p c a r 在p c a r - p l a n e c a r l i s t 中。w a i t f o r 表示车辆正在等待的车道，当一个车辆想 进入交叉口而当前方向又是红灯时，就将w a i t f o r 赋值成它想要进入的车道， 然后在后续的每个时间片都判断这个车道是否变成畅通。如果w a i t f o r 为空， 则表示它不在等待红灯。 按照这种车辆模型可以让车辆的运动完全沿着车道，否则如果让车辆按横 坐标和纵坐标速度分别运动，由于在方向上的浮点误差累计，很可能在运动中 偏离它原本的车道，造成车辆越过中间线逆向行驶或者越出道路的情况。另外， 这种模型在车辆行为模型上也比采用横纵速度分别运动要简单，只要一个加速 度、一个速度，一个相对位置，在车辆跟驰和换道时可以很方便的计算前后车 辆的速度差和距离。 2 3 车辆跟驰模型【7 】【8 】 车辆跟驰是当车辆比前方紧邻车辆运动速度更快却又无法换道超越的条件 下，被迫减慢速度跟随前方车辆行驶的情况。此时，车辆不考虑其他车辆的影 响，只要保证不和前车发生碰撞而和前方车辆相距一定的安全距离。因此，车 辆必须随时判断前方车辆的运动状况，根据前车运动信息得出自己应该加速还 是减速，并计算出加速度的大小。但由于前车的运动状态需要一定时间才能表 现出来，后车的司机也要有一定的反应时间，这就造成后车的反应要比前车慢 一点，如果前车在t 时刻有了状态改变，那么后车在t + t 时刻才能做出相应反 应，t 就是延迟时间。 跟驰模型主要有基于安全距离的跟驰模型、基于期望间距的跟驰模型、基 于刺激一反应心理的跟驰模型、模糊逻辑模型、神经网络模型等，系统采用的 是基于安全距离的跟驰模型，该模型的指导思想是要保证跟驰过程中当前方车 辆突然以最大减速度减速时自己也能以最大减速度刹车停止并不和前车发生碰 撞。该模型是要根据自己和前方车辆的位置、速度、加速度、最大加速度等信 息计算出自己下一步应该采用什么加速度运动，并且忽略延迟时间。如图2 2 浙江大学硕士学位论文 第二章系统所采用的丰| _ 关仿真模型 所示，本车位置为x ，速度为v ，最大加速度为m ，加速度为a ，设前车位置为 1 ，车长为1 ，速度为。，加速度为8 ，( 可以是负值，表示减速度) ，最大 加速度为m ，。 i l 。 1 | 一1 ， x f l 本车 舻 。l前年 ，8 ：、， 时n t ，f l 本车l 前军 时刻t + 1 s 7 1 一 图2 2 车辆跟驰示意图 设本车以t 时刻的速度v 按最大减速度减速直到停止的运动距离是血，前 车以它的最大减速度减速直到停止运动的距离是幻，则跟驰模型归结为满足 下列不等式： x + l f 薯x f ( 1 ) x + s + 1 f + 厶ssx f + s | + a s f t 2 ) 因为它们只运行了一个时钟周期，显然有： ( 3 ) 3 f = v f + 4 f ( 4 ) 下面要计算血和厶，对于血，由于t 是时刻的速度为v ，以最大减速度 m 减速为0 ，要经过v m 个时钟，于是最终移动的距离 血；! ( 5 ) 2 m 。 1 5 - 浙江大学硕十学位论文 第二蕈系统所采用的相关仿真模型 刘理，对尉军有 a s 一：二l ( 6 ) ，5 寺 将( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 四式代入( 2 ) ，得 口嘶一z + 上一兰叶+ 口，一! ， ( 7 ) 。 m ， 小 取等号就是本车需要采用的加速度，a 的绝对值不能大于车辆的最大加速度， 否刚就萼将a 设詈成与之更靠近的m 或m 。 2 4 车辆换道模型【7 】【8 1 当车辆在跟驰状态下时，要考虑在适当时机换道。系统的换道模型基于以 下规则： 1 ) 只能换到与自己所处车道处于同一路段且同一方向的车道。 2 ) 换道后能使自己的速度明显提高 3 ) 换道不会造成与换道前后车相撞，也不会和换道后的前后车辆相撞。 4 ) 如果需要在不久以后进入交叉口，应该按照交叉e l 的车道占用规则 选择合适的车道，处于不合适车道的车辆应该换道。 5 ) 如果某一路段上有不准换道标志，则不能换道 如图2 3 所示，设有2 个同向相邻车道分别是车道i 和车道i + 1 ，往右为正 向。设当前车辆为车a ，与车a 同一车道的后车为车b ，前车为车c ，相邻车道 i + 1 上离车a 最近的后车为车d ，离车a 最近的前车为车e 。它们之间的距离如 图中所示分别是b g a p ，f g a p ，n e