（计算机软件与理论专业论文）基于vissim的路网自动生成系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着交通仿真技术的发展，交通仿真软件已经成为交通工程研究人员测试和 优化各种道路交通规划、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。v i s s i m 作为其中一种微观、基于时间间隔和驾驶 行为的仿真建模工具，在世界各地，特别是国内被广泛的应用。利用v i s s i m 进行仿真评估，需要设定相应区域的路网。虽然v i s s i m 自身提供了几种方法对 城市路网进行标定，但这些方法都难以准确的再现真实状况，且费工费时，效率 较低。本文针对这一问题，研究了v i s s i m 路网的自动生成和评价的方法。 本文首先简单介绍交通仿真的研究现状，对国内外交通仿真的研究成果进行 了回顾与总结，提出研究v i s s i m 路网的自动生成系统的重要意义。 其次，论文对v i s s i m 交通仿真软件的基本特点进行了研究，介绍了使用 v i s s i m 进行交通仿真的流程，分析了v i s s i m 交通仿真模型的建立方法，包括 数据采集、仿真路网建立和行驶规则设定等三个步骤。 论文的第三部分根据v i s s i m 路网文件的特点，结合v i s s i m 提供的c o m 接口， 详细的介绍了v i s s i m 路网的自动生成系统的设计思想和实现方法。一般情况下， 停车区域的设计方案往往不只一个，为了从中选取最优秀的设计方案，论文对相 对效率的d e a 评价方法进行了研究。在对设计方案建立模型并仿真的基础上， 结合停车场实际情况，使用数学软件m a t l a b 实现了停车场的d e a 评估方法。 最后，针对燕莎o u t l e t s 商场附近的停车场实例，使用停车场路网自动生成 系统快速地生成路网模型。实验结果表明，使用该系统可以将设计者从那些繁琐、 低效的工作中解脱出来，快速、准确地设计出最优的停车场路网，大大的提高工 作效率。 关键词交通仿真；微观交通仿真；v i s s i m ；d e a a b s t r a c t j | 皇l i i 。 iiii _ a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i n gt e c h n o l o g y ，i th a sb e c o m ea l l i n t u i t i o n i s t i c ，c o n v e n i e n t ，f l e x i b l ea n de f f e c t i v et r a n s p o r t a t i o na n a l y z i n gi m p l e m e n tt o t e s ta n do p t i m i z ev a r i o u st r a f f i cp r o g r a m m i n ga n dt od e s c r i b et h ec o m p l e xl l a f 五c p h e n o m e n o nb yt h et r a f f i cp r o g r a mr e s e a r c h e r s a sam i c r os i m u l a t i o nm o d e l i n gt o o l b a s e d0 1 1t h et i m ei n t e r v a l sa n dt h ed r i v i n gb e h a v i o r s ，v i s s i mi sw i d e l yu s e di nt h e w o r l d ，e s p e c i a l l yi no u ro w nc o u n t r y u s i n gv i s s m t om a k es i m u l a t i n ge v a l u a t i o n n e e d ss e t t i n gu pt h er o a dn e to ft h ec o r r e s p o n d i n gd i s t r i c t a l t h o u g hv i s s i mi t s e l f p r o v i d e ss e v e r a lm e a l 1 s t od e m a r c a t et h eu r b a nr o a dn e t ，i ti sh a r dt om a k e r e a p p e a r a n c e o ft h er e a ls t a t u s e x a c t l ya n dt h e s em e t h o d sa r et i m e - a n d - l a b o r c o n s u m i n ga n di n e f f i c i e n t t ot h i sq u e s t i o n , t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ev i s s i mr o a d n e ta u t o g e n e r a t i n ga n de v a l u a t i n gm e t h o d s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h er e s e a r c ha c t u a l i t yo ft h et r a f f i ce m u l a t i o n , m a d ea r e v i e wo ft h er e s u l t so ft h e s er e s e a r c h e sa n dp u tf o r w a r dt h es i g n i f i c a n c eo ft h e r e s e a r c hi n t ot h em e t h o d so fv i s s i mr o a dn e ta u t o g e n e r a t i o na n de v a l u a t i o n s e c o n d l y ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h eb a s i cc h a r a c t e ro ft h ev i s s i mt r a f f i cs i m u l a t i n g t e c h n o l o g y ，p r e s e n t e dt h ep r o g r e s su s i n gv i s s i mt om a k eat r a f f i ce m u l a t i o na n d a n a l y z e dt h em e a n sw h e r et h ed a t as e l e c t i n g ，r o a dn e tb u i l d i n ga n dd r i v i n gr u l e s e n a c t i n ga r ei n c l u d e dt os e tu pv i s s i mt r a f f i cs i m u l a t i n gm o d e l s g e n e r a l l y ，t h e r ew a so f t e nm o r et h a no n ed e s i g n i n gs c h e m ef o rt h ep a r k i n ga r e a i n o r d e rt os e l e c tt h eb e s to n e t h et i l i r dp a r to ft h i sp a p e rm a d ear e s e a r c ho ft h ed e a m e t h o dw h i c hw a su s e dt oe v a l u a t et h er e l a t i v ee f f i c i e n c y o nt h eb a s i so fb u i l d i n g m o d e l sa n dm a k i n ge m u l a t i o n so ft h ed e s i g n i n gs c h e m e s ，w ec o m p i l e dt h ed e a e v a l u a t i n ga r i t h m e t i cu s i n gt h em a t hs o f b , v a r e 队t l a bi nc o m b i n a t i o nw i t l lt h er e a l s t a t u so ft h ep a r k i n gl o t s l a s t l y ，a sf o rt h ep a r k i n ga r e an e a rt h ey a n s h ao u t l e t sm a r k e t p l a c e ，w eu s e dt h e p a r k i n gl o tr o a dn e ta u t o g e n e r a t i n gs y s t e mt og e n e r a t et h er o a dn e tm o d e lq u i c k l y t h er e s u l ts h o w e dt h a tu s i n gt h i ss y s t e mc o u l dr e l e a s et h ed e s i g n e r sf r o mt h ec o m p l e x a n di n e f f i c i e n tw o r kt od e s i g nt h eb e s tr o a dn e t w o r ko ft h ep a r k i n gl o tw i t he f f i c i e n c y m u c hi n c r e a s e d k e y w o r d st r a f f i cs i m u l a t i o n ；m i c r ot r a f f i cs i m u l a t i o n ；v i s s i m ；d e a i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 签名：互葛日期：6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：堕导师签名： 日期：与匝j 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 城市交通现状 随着中国经济的飞速发展，城市化的步伐日益加快，已经有越来越多的家庭 或个人拥有车辆，给人们的出行带来了很大的方便。而已有的路网通行能力无法 满足交通量日益增长的需要，道路交通拥挤导致的车辆旅行时间延误增大、交通 事故增多、环境污染加剧、燃油损耗上升等状况日益加剧。 当前北京市的经济建设、城市建设飞速发展，城市的交通基础设施也有了很 大的发展，截止到2 0 0 7 年道路总里程已达1 9 0 0 0 公里，其中城市道路4 0 1 0 公里、 郊区城镇道路5 2 7 公里、公路1 4 6 3 0 公里( 高速公路5 2 5 公里，一级公路5 6 0 公 里，二级公路2 1 9 8 公里) 。然而，北京市的机动车发展却更加迅猛，截至2 0 0 8 年6 月，北京市机动车保有量已经近3 3 0 万辆，从2 0 0 0 年起，年均增长率约1 0 4 。 预计到2 0 1 0 年，全市机动车保有量将可能超过3 5 0 万辆。道路建设的增长速度 仍跟不上机动车数量的增长速度，造成路网的交通容量始终无法满足不断加速增 长的交通需求。交通堵塞日趋严重，交通安全状况不断恶化。 人们解决交通问题使用的传统方法是扩建道路。建设新路会占用较大面积的 土地，事实上可供修建道路的土地和空间有限，道路建成后路网形成新的交通格 局，新路上的交通需求、交通流量大大增加，形成交通流量和道路容量之间新的 矛盾乜1 。另外，新建道路和其它各种交通设施的增多，在为初行者提供了更大的 出行路线选择余地的同时，也增大了出行的复杂性。因此只靠修建道路的无法从 根本上解决目前所面临的严重的交通问题。 国内外实践经验证明，单纯依靠修建道路交通设施和传统的管理方式来解决 城市交通问题，不仅成本昂贵，环境污染严重，而且缓解交通拥堵的效果也十分 有斟驯。随着现代科技的发展，人们开始将一些先进的信息技术、计算机技术、 通讯技术、自动控制技术运用到交通系统中，形成一种定时、准时、高效的智能 交通系统( 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 a e m ，简称i t s ) 。智能交通系统为交通管理 提供了解决交通问题新思路和新手段，对提高交通的机动性、安全性、有序化， 最大限度地发挥现有道路系统的交通效率提供了技术支持，其最终目标是解决交 通运输的相关问题、提高人们的出行质量h 3 。发达国家交通发展实践表明，采用 智能交通系统是解决当前交通拥堵、减少交通事故、防止交通污染提高交通管理 水平的最有效的方法和手段。 面对如此现实，北京市在加强基础设施建设的同时，选择了建设智能交通系 统。通过有效整合现有交通信息资源，最大限度地利用现有交通资源，为出行者 北京t 业大学工学硕士学位论文 提供便利、高效、直观的交通诱导方式，将对充分发挥现有路网的效率、缓解城 市交通拥堵，增强城市应变能力，实现北京市交通科学管理、合理控制，对进一 步改善北京市道路交通状况具有十分重要的意义。 1 1 2 仿真技术在交通领域的运用 仿真利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来 研究存在的或设计中的系统，以此了解、解释或预测真实系统的行为表现哺1 。2 0 世纪初仿真技术已得到应用，6 0 年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供 了先进的工具，加速了仿真技术的发展。仿真技术是继理论研究、实验科学之后 更具生命力的新技术，其优势在于，更加简单，运作起来不昂贵，而且更灵活， 尤其方便用于对还未成形的系统或对已有系统在不真正改变其特征的情况下进 行实验。 对于交通工程师来说，交通仿真是运用现代计算机技术模拟现实交通系统建 立计算模型的过程，是设计、分析和评价交通方案的重要技术方法之一呻3 。从交 通仿真所采用的技术手段以及所具有的本质特征来看，交通仿真是一门在计算机 上进行交通实验的技术，通过对交通系统的仿真研究，可以得到交通流状态变量 随时间与空间的变化、分布规律及其与交通控制变量间的关系。交通仿真作为一 个交通模拟的手段，在道路运输系统及其各组成部分的分析和评价中发挥着重要 的作用，可以有效地体现交通系统中交通运行的复杂过程，可按试验要求实现交 通状况的再现，大大降低了现场调查的工作量，现已成为分析各种交通流、检验 各种拟定交通设施、交通控制方案的有力工具，尽管通过仿真得到的数据有一定 误差，但是仍具有指导意义。 依据仿真模型对交通系统描述的细节的程度，仿真模型可以划分为宏观 ( m a c r o s c o p i c ) 、微观( m i c r o s c o p i c ) 、中观( m e s o s c o p i c ) 三种h 1 。宏观仿真 模型研究的是一群车辆的平均运动状态，并根据某些统计参量，仿真得出其它统 计特性，其计算效率较高。微观仿真模型以车辆跟驰理论为基础，研究单个车辆 的运动状态，并依据众多单个车辆的组合行为，得到整个系统的统计特性，它的 特点是提高了表述的精确程度，但是计算效率有所降低。中观仿真模型介于上述 两者之间，在表述的精确度和计算性能上保持平衡，属于一种细化的宏观模型或 粗化的微观模型口8 9 1 0 1 。 交通仿真分析技术在交通管理系统中有着广泛的应用，通过交通仿真实验的 分析，对交通管理系统系统中的各种交通控制方案、管理方案、诱导方案等提供 方案前的评价，以便发现可能存在的问题，并进行方案的改进。另外，交通仿真 模型还可以与真实系统相联，根据道路交通状态的实时监测情况，进行在线仿真 评价分析，为动态制定各种交通控制管理方案，诱导方案等提供实时的决策支持。 目前，由于仿真系统运算速度的限制，有关实时数据获取的困难以及交通预 2 第1 章绪论 测的关键技术实时动态交通分配技术还不够成熟等原因，对交通管理系统系统的 实时仿真评价还存在较大的技术难点。因此，大部分交通仿真系统是以方案的事 先评价为应用目标的。 基于仿真实验的交通管理系统系统方案评价总体上可分为如下四个连续的 过程： 1 ) 确定交通管理系统的目标：制定诸如提高系统运营效率、增强安全性、降 低排放、增强路网可靠度等等的预期目标； 2 ) 确定改进方案：根据对前一轮方案的性能分析，提出进一步的改进方案； 3 ) 仿真实验：在仿真实验系统中对所确定的改进方案进行仿真分析，并输出 相应的性能指标： 4 ) 性能分析：将仿真实验输出的性能指标与预期目标做比较分析，同时也结 合交通工程师的经验判断，确定是否还需对现方案做进一步的改进。 1 2 国内外研究现状 自2 0 世纪6 0 年代以来，国内外交通业界在微观交通仿真领域进行卓有成效 的研究工作，开发了几十种微观交通仿真模型和多种交通仿真软件系统，其中最 主要的有7 种：美国m c t r a n s 公司的s y n c h r o s i m t r a f f i c ，由美国i v ri n d u s t r i e s 开发的t s i s c o r s i m ，德国p t v 公司的v i s s i m ，英国q u a d - s t o n e 公司的p a r a m i c s ， 西班牙t s s 公司a i m s u n n g ，由美国麻省理工学院开发m i t s i i l l l a b m i t s i m ，美 国c a li p e r 公司t r a n sm o d e l e r 哺1 。这7 种微观交通仿真系统各具特色， s y n c h r o s i m t r a f f i c 具有极强的交叉口仿真性能，但当仿真范围扩大到较大规 模路网时仿真效能要比其他仿真模型差，因此，它适用于小规模的交叉口仿真； t s i s c o r s i m 在交叉口仿真方面比其他模型稍差，但对较大规模路网仿真的效果 较好。v i s s i m ，p a r a m i c s ，a i m s u n n g 无论在交叉口仿真还是在较大规模路网仿真， 都具有较高的效率；m i t s i m l a b m i t s i m 模型结构合理，更适应于交通分配评价和 交通流疏导，t r a n s m o d e l e r 继承了m i t s i i i l l a b m i t s i m 的优势，增加了公交运输 等模型，微观仿真能力较高。 v i s s i m 能有效地体现交通系统中交通运行的复杂过程，可按实验要求实现 交通状况的再现，大大降低了现场调查的工作量。许多的交通规划管理部门将 v i s s i m 作为解决交通问题的一种有效的辅助工具，用来分析各种交通流，检验 各种拟定交通设施、交通控制方案。以下列举了v i s s i m 的一些主要的用途心1 别： 1 ) 评价不同的控制方法。利用仿真可以设置不同的实验环境和交通条件， 对比分析交通设计方案，包括信号控制交叉口和停车标志控制交叉口、环交、和 立交的设计。 2 ) 测试新设计。交通基础设施是高价格的投资，仿真可以在进行交通基础 设施投资前，对不同的道路几何设计的交通性能进行定量分析。 北京工业大学工学硕上学位论文 3 ) 作为设计过程的一部分。仿真对经典的概念性设计，评价和设计优化的 递归处理的反复设计过程范例非常有用。这里仿真模型可以用于评价、详细的统 计数据，可以形成对设计缺点和局限的基本了解。这些统计数据和仿真的动态演 示可以为交通工程师改善设计和完成设计提供无价的指导 4 ) 可嵌入其它工具之中。仿真模型可以集成在具有其它功能的软件工具中。 5 ) 安全分析。仿真模型重现事故场景己成为建立更安全的车辆和道路的不 可少的工具。 我国部分城市( 北京、上海、广州、哈尔滨、武汉、昆明等) 的科研单位或院 所也先后引进了v i s s i m 系统，分别应用于高速公路、公路及城市立交系统、城 市道路及交叉口综合改善方案的设计、评价与优化等方面，取得了直观、令人满 意的结果。v i s s i m 是世界上少有的几个同时综合了城市道路和高速公路、常规 交通和公交等一系列交通情形的一个微观仿真模型，拥有全面的车辆驾驶行为模 型，并且能对仿真结果进行全面分析和有效展示。基于这样的特点，本课题选择 v i s s i m 作为交通仿真模型自动生成的研究平台。 1 3 研究意义 机动车的出行除了需要道路用地之外，还需要提供停驶用地n3 1 。但长期以来， 由于我国各个城市对基础设施，尤其是停车设施的建设投入不大，对停车设施没 有进行合理的规划和必要的建设，停车泊位严重不足，导致停车困难现象日益凸 显，己成为影响和制约城市发展的一个重要因素，因此停车难成了人们在城市交 通规划中必须要着重考虑解决的问题之一。为了解决这个问题，一方面需要在城 市交通规划中增加停车场的数量，另一方面需要通过交通仿真技术，合理利用现 有的停车场，提高停车场的有效性n 钔，以适应日益增长的停车场需求。 在用v i s s i m 对现实交通状况进行仿真、评价之前，首先要建立交通模型。 停车场的道路交通模型十分复杂，以一个拥有1 0 0 个停车位的停车场为例，在 v i s s i m 中就需要至少3 0 0 个路段和4 0 0 个连接器。另外，为了使设计的路网能 够正常的仿真运行，还需要增加必要的辅助路段和优先规则等路网元素。 本课题正是为了解决这些工程人员在使用v i s s i m 时遇到的问题，通过对 v l s s i m 自身文件的研究，结合路网绘制的特点，实现停车场路网的自动生成， 这样可以大大降低路网绘制的难度，提高工程人员的工作效率。 1 4 本文主要研究内容 本文在对v i s s i m 交通仿真软件进行深入研究的基础上，分析v i s s i m 主要 数据元素在其道路数据文件中的结构，给出停车场路网文件快速生成及评价系统 的具体设计和实现，并以北京东四环工大桥附近的燕莎o u t l e t s 购物广场周边的 停车场为例，对该系统进行测试，给出实验结果。 4 第1 鼋绪论 第二章，简要的介绍v i s s i m 交通仿真软件的基本原理，分析仿真模型的流 程及基本方法，以及在建立模型的过程中，如何设定行驶规则等信息，确保仿真 结果的真实有效，重点介绍各个环节所要注意的问题。 第三章，介绍d e a 评估方法的一些核心概念，探讨在停车场设计方案的评 估中引入d e a 评估方法的可行性，最后，分析d e a 方法模型的建立方法和一般 步骤。 第四章，在对v i s s i m 道路数据文件分析的基础之上，主要介绍系统的详细 设计和实现。通过对v i s s i m 路网文件的分析，提取出停车场路网元素的基本特 征，设计相应的模块，根据用户输入的参数，生成多个道路数据文件。然后通过 调用v i s s i m 提供的c o m 接口，对生成的路网进行仿真，得到评价信息文件， 并将这些评价结果信息提取出来，以向量的形式存入指定文件中，并使用数学软 件m a t l a b 根据这些输入输出向量，运用d e a 交叉评价的方法，对设计方案 进行排序，然后根据评价结果选出最优的设计方案。最后使用该系统，再现工大 桥附近的燕莎o u t l e t s 商场周边的停车场，获取相应的仿真数据，并设计新的停 车场方案，运用d e a 方法对两种设计方案进行评价。使用结果表明，该系统可 以提高停车场路网的生成效率。 最后，对全文工作进行总结，并给出需进一步研究的问题。 5 第2 章v i s s i m 交通仿真系统 第2 章v i s s i m 交通仿真系统 v i s s i m 是一种微观、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用以城市 和公路的交通建模，它对交通流的描述是以单个车辆为基本单元，车辆在公路上 的跟车、超车以及车道变换等微观行为都能得到较真实的反映n 毛1 4 1 。除了可以模 拟私人交通外，还可以模拟铁路交通以及公共交通。它可以分析各种交通条件下 ( 车道设置、交通构成、交通信号、公交站点等) ，城市交通和公共交通的运行 状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具n 羽。 本论文所讨论的问题是在v i s s i m 交通仿真系统的基础上，为交通工程规划人 员提供快速生成停车场仿真模型的辅助工具，因此需要了解v i s s i m 仿真软件的基 础知识和仿真模型的建立过程，下面对这两方面分别进行介绍。 2 1v i s s i m 简介 2 1 1v i s s i m 仿真的基本原理 交通仿真的核心部分是它所采用的描述交通行为的模型，交通仿真模型的精 确程度本质上取决于车辆模型和车辆在路网中的移动方法的质量。v i s s i m 采用 了较为成功的德国k a r l s r u h e 大学w i e d e m a n n 教授的基于驾驶员生理心理过程 的阀值交通仿真模型。该模型是一个基于时间的、离散、随机的微观模型，它以 驾驶员车辆单元为基本实体。 根据w i e d e m a n n 模型的基本观点可以把驾驶员行驶状态分为四种类型n 羽： 1 ) 自由行驶( f r e ed r i v i n g ) ：后车驾驶行为不受前车的影响。此种驾驶模式 下，驾驶员努力达到并维持一定的车速( 期望车速) 。实际上，此时的车速很难 保持恒定，而是在期望车速附近摆动。 2 ) 减速靠近( a p p r o a c h i n g ) ：后车驾驶员减慢车速，以适应前车的车速。 当后车接近前车时，后车驾驶员刹车减速以便到达他的期望安全距离，此时，前 后车的速度差为“o ”。 3 ) 跟近行驶( f o l l o w i n g ) ：后车驾驶员跟随前车，没有意图加速或是减速。 后车驾驶员基本保持恒定的与前车的安全距离，实际上，前后车的速度差在o 附 近摆动。 。 4 ) 制动( b r a k i n g ) ：当前后车间的距离小于期望安全距离时，后车驾驶员 刹车减速，减速度从中等到最大值。这种情况发生在：( 1 ) 前车车速突然变化( 2 ) 后车前方的第三辆车( 非紧随的前车) 变化车道。 该模型的基本思路是：一旦后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理 ( 安全) 距离时，后车驾驶员开始减速。由于后车驾驶员无法准确判断前车车速， 7 北京t 业大学工学硕士学位论文 后车车速会在一段时间内低于前车车速，直到前后车间的距离达到另一个心理 ( 安全) 距离时，后车驾驶员开始缓慢地加速，由此周而复始，形成一个加速、 减速的迭代过程，如下图2 1 所示： 图2 - 1 车辆跟驰基本过程l l 1 f i g u r e2 - 1t h eb a s i cp r o c e s so f c a rf o l l o w i n g 1 5 】 v i s s i m 可在车道配置、交通组织、交通信号、运输站等的约束下分析交通 与运输业务，因此基于运输工程和计划方案的可行性，。使其用作不同备选方案的 评估工具。 v i s s i m 作为高效工具可解决不同的运输问题。下面列出了v i s s i m 的主要 特性羽： 1 ) 通行信号优先权逻辑的开发、评估和微调。 2 ) v i s s i m 可使用不同的信号控制逻辑类型。 3 ) v i s s i m 可以在路网中通过调整交通信号配时来评估和优化交通方案。 4 ) v i s s i m 可以轻松比较每个备选设计方案，包括信号控制的路口、迂回道 路和分级的复式立体交叉口。 5 ) 通过内置的动力分配模块，v i s s i m 可回答路线选择问题。 2 1 2v j s s i m 仿真系统的组成 v i s s i m 内部由两部分组成，它们之间通过接口交换检测器数据和信号状态信 息。v i s s i m 既可以在线生成可视化的交通运行状况，也可以离线输出各种统计数 据，如：行程时间、排队长度等n 射。 v i s s i m 的交通仿真器是一个微观交通仿真模型，包括跟车模型和车道变换 模型。信号状态产生器是一个信号控制软件，可以通过程序实现交通流的控制逻 辑。在每一个时间间隔( 约为1 1 0 秒) 内从交通仿真器中提取检测器数据，用以 确定下一仿真秒的信号状态。同时，将信号状态信息回传给交通仿真器，其过程 如下图2 - 2 所示： 8 ! ；! 鉴娑；塑i 鍪 圈2 - 2 交通仿真器和信号状态产生器之间的交流”4 f i g u r e 2 - 2c o r a m u n i c a t i o nb e l w n t m f e i u l a t o la n d s i g n a lg 【a k g e n e r a t o r l 2 】 2 1 3v i s s l m 交通仿真流程 根据v i s s i m 交通仿真模型的特点，有一套标准的仿真流程。首先，建立变通 路网的计算机模型，反映真实世界的交通状况，一旦模型构成，交通工程师就可 以尝试不同的控制配置，确定其对系统的影响程度“，并根据仿真结果，调整 设计方案。具体步骤如图2 3 所示： 2 2v l s s l m 交遗仿真模型的建立 v i s s i m 交通仿真模型的建立，是利用v i s s i m 仿真模型进行方案评价及优化最 基本也是最重要的一环。因此，在使用v i s s i m 仿真系统对路段交通流模拟之前， 要建立设讨方案对应的仿真模型，用户设计的不同方案的仿真模型在v i s s i m 中会 有相应的道路数据文件( 1 n p 文件) 与之对应。为实现路网真实可靠的微观交通 仿真，必须针对仿真目标( 路段、交叉口公交枢纽或路网等) ，建立准确的仿真 模型。只有确保仿真模型的准确性，才能产生真实可靠的仿真结果，进而对目标 路网进行有效的现状分析、问题提出、优化方案的提出和综合比选。 北京工业大学工学硕f 二学位论文 图2 3v i s s i m 仿真流程 f i g u r e2 - 3t h ef l o wc a r to fv i s s i ms i m u l a t i n g 2 2 1 数据采集 在任何的分析开始之前，需要通过各种渠道获取研究对象的数据信息。建立 较好的交通仿真模型，数据采集尤为关键。而数据采集的合理与否，除了采用适 当的收集方法之外，对系统的分析也很重要。仿真目的不同，建模的侧重点也不 一致，因此数据采集和系统分析是一个交相呼应，循环往复的过程。建立微观交 通仿真模型，主要需要以下数据n 引： 1 ) 几何数据，包括路段名称、车道宽度、车道个数、停车场的宽度及位置、 交叉口和出入口的位置等信息； 2 ) 交通控制数据，包括车速、交通标志和信号控制等； 3 ) 交通流数据，包括容积率、平均延迟和和排队长度。 1 0 第2 章v i s s i m 交通仿真系统 2 2 2 建立仿真路网 v i s s i m 使用两个基本的组件( l i n k 和c o n n e c t o r ) 来描述一条连续的车辆行 驶路径，整个路网则是由各种各样的路径来描述的。为了建立一个精确的v i s s i m 模型，需要一张具有比例尺的放映显示路网的背景图片或者c a d 图，通过背景图 片可以确定v i s s i m 路段和连接器的位置坐标。 在用l i n k 和c o n n e c t o r 建立交叉口和路网时，是用一个l i n k 表示一条车道 还是多条车道、c o n n e c t o r 如何连接等问题都要结合实际的道路情况而定。针对 停车场的特殊情况，在建立路网模型的过程中需要处理好进口道l i n k 、c o n n e c t o r 的设置、停车位所在l i n k 的位置、进出口道与停车道的连接等关键问题。 2 2 3 仿真路网的行驶规则设定 在建立了仿真路网后，需要进行交通流特性参数及行驶规则的设置，以便真 实地模拟实际车流在路网中的运行。行驶规则应与实际路网上的标志标线等交通 控制和管理措施对应。 道路设施运行的交通流，往往受道路交通设施物理条件的约束、受相邻车辆 的行驶约束、以及交通规则和标志标线的约束。由于交通规则随时间和地点的不 同会发生变化，因此，在对仿真分析之前，必须对各种交通规则进行设定和描述。 本文所探讨的停车场仿真模型中基本的车辆行驶规则包括：停让规则、优先 规则u 羽。 1 ) 停让规则 停让规则是指车辆在交叉口停车让路的规则。当次要交通流车辆到达交叉口 时，无论主要交通流车辆之间的车头时距是否允许穿越或合流，次要交通车流都 必须先停车，然后再根据优先规则来判断主要车流的车头时距和车头空距是否允 许穿越或合流。停让规则需要定义的选项有：停让规则标志牌所在位置和停车时 间分布的设定。 2 ) 优先规则 在建立路网过程中，特别是在设置不同车流路径( 例如公交线路) 时，经常 会出现路段重叠的情况。由于软件不能自动识别这种情况，因此在这里的机动车 会穿越其他车辆，这与实际是不相符的。为了减小这种现象的发生，在建立模型 的过程中，必须在这些点设置优先规则。 2 3 本章小结 本章主要对v i s s i m 交通仿真软件进行了深入的研究，介绍了v i s s i m 仿真 的基本原理以及v i s s i m 交通仿真流程，着重分析了v i s s i m 交通仿真模型的建 立过程，包括路网数据信息的采集、几何路网的建立方法和行驶规则的设定。 第3 章相对有效性的评估方法d e a 第3 章相对有效性的评估方法d e a 在停车场的设计或优化过程中，设计方案往往不止一个，需要根据停车场的 特点选择合适的评估方法。本课题根据停车场设计自身的特点，选用数据包络分 析( d a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s ，简称d e a ) 的方法对停车场设计方案进行评估。 3 1d e a 方法简介 在人们的生产活动和社会活动中常常会遇到这样的问题：经过一段时间之 后，需要对一个系统内部具有相同类型的部门或单位( 称为决策单元) 进行评价， 其评价的依据是决策单元的“输入 数据和“输出 数据，输入数据是指决策单 元在某种活动中需要消耗的某些资源，例如投入的资金总额，投入的总劳动力数， 占地面积等等；输出数据是决策单元经过一定的输入之后，产生的表明该活动成 效的某些信息量，例如不同类型的产品数量，产品的质量，经济效益等等。 1 9 7 8 年著名的运筹学家a c h a r n e s ，w w c o o p e r 和e r h o d e s 在“相对效率 评价 概念的基础上，首先提出了一种被称为d e a 的方法，去评价决策单元间的 相对有效性( 因此被称为d e a 有效) ，他们的第一个模型被命名为c 2 尺模型n9 剜。 从生产函数角度看，这一模型是用来研究具有多个输入、特别是具有多个输出的 “生产部门同时为“规模有效 与“技术有效 的十分理想且卓有成效的方法。 1 9 8 4 年r d b a n k e r ，a c h a r n e s 和w w c o o p e r 给出了一个被称为b c c 的模型。 1 9 8 5 年c h a r n e s ，c o o p e r 和b g o l a n y ，l s e i f o r d ，j s t u t z 给出了另一个模 型( 称为c c g s s 模型) ，这两个模型是用来研究生产部门的间的“技术有效 性 的。1 9 8 6 年c h a r n e s ，c o o p e r 和魏权龄为了进一步地估计“有效生产前沿面 ， 利用c h a r n e s ，c o o p e r 和k k o r t a n e k 于1 9 6 2 年首先提出的半无限规划理论，研 究了具有无穷多个决策单元的情况，给出了一个新的数据包络模型_ c w 模型。 1 9 8 7 年c h a r n e s ，c o o p e r ，魏权龄和黄志民又得到了称为锥比率的数据包络模型 叫c w h 模型。这一模型可以用来处理具有过多的输入及输出的情况，而且锥 的选取可以体现决策者的“偏好。灵活的应用这一模型，可以将c 2 r 模型中确 定出的d e a 有效决策单元进行分类或排队等等。这些模型以及新的模型正在被不 断地进行完善和进一步发展乜“捌。 d e a 方法是根据一组输入输出的实际观察值来估计有效生产前沿面，然后 通过各决策单元与之比较得出各单元的相对有效值，并以此为依据进行比较、评 价口3 ，2 钔。运用d e a 方法进行多指标评价的优势在于各个评价对象的相对有效性是 在对大量实际原始数据进行定量分析的基础上得来的，从而避免了人为主观确定 权重的缺点，并且利用数据包络分析进行评价无需对输人输出指标进行无量纲化 北京工业犬掌t 掌帧士学位论文 处理乜3 2 瓦毓2 。d e a 方法不仅可以用线性规划来判断决策单元对应的点是否位于 有效生产前沿面上，同时又可获得许多有用的管理信息。事实证明，该方法已成 为管理科学、系统工程和决策分析、评价技术等领域一种重要的分析工具和手段 【船】 对于本文重点探讨的停车场设计方案，行程时间、延误、排队长度等是主要 的参考数据。为了充分考虑影响停车场规划的各种因素，并使评价结果更加合理、 公正，这里使用了d e a 方法。采用这种效率评估的方法，可以清晰的反映出某个 设计方案的停车位个数、平均行程时间以及停车次数等输出数据与为获得这些产 出所占用的土地面积、开辟的出入口个数、最大输入流量之间的比例关系。 基于上述观点，在停车场设计方案评估中使用d e a 评估方法是完全必要的。 对停车场设计方案进行相对有效性评价( 设计方案的相对效率水平比较) ，首先 必须对其工具叫a e 方法有一个深入而全面的认识，同时，还必须对停车场设 计方案自身的特点予以明确，并考虑如何使这些特点在d a e 方法中得到突出。 3 2d e a 方法中的几个重要概念 在探讨d e a 方法应用于停车场设计方案评估之前，有必要对该方法做一些必 要的阐释，尤其是其中几个重要的核心概念。 3 2 1 决策单元 d e a 方法中，一项活动或一个经济系统可以看作是该系统( 一个单元) 在一定 范围内，通过投入一定数量的“生产要素并产出一定数量的“产出 的过程。 为了使该项活动或动态系统取得最大的“效益，这一过程需经过一系列的决策。 换句话说，“产出 是决策的结果，所以将这样的系统( 单元) 称为决策单元 ( d e c i s i o nm a k i n gu n i t s ，简称d m u ) 。因此，可以认为，每个d m u 都代表或 表现出一定的经济意义，它的基本特点是具有一定的输入和输出，并在把输入转 化成输出的过程中，努力实现自身的决策目标口羽。 设有1 3 个决策单元，每个决策单元都有m 种类型的“输入( 表示该单位对 “资源的消耗) 以及s 种类型的“输出 ( 表示该单位在消耗了“资源 之后的 产出) ，为第f 种类型输入的种度量( 或称权) ，v 0 ，扛1 ，2 ，聊，u 为对 第，种类型输出的一种度量( 或称权) ，以0 ，= 1 ，2 ，s 。这n 个决策单元及 其输入一输出关系如下l 伽： 1 4 第3 章相对有效性的评估方法一d e a 输入 输出 12 1 i v 1 而l 而2 毛j 毛。 v 2x ：lx , 2 而，屯月 x m l 2 “ly l lm 2 y l j 咒月 “2 虼iy 2 2 儿月 u sy , iy , 2 y s j y 铆 在d e a 方法中，决策单元是一个基本概念。该概念是广义的，它可以是一个 企业，也可以是一个大学，甚至可以是某一单位一段时间内的状态。一般而言， 一个系统内部，只要具有“相同类型的部门或单位，具有输入、输出指标，都 可视为决策单元汹髑3 。 在许多情况下，评估是在同类型的d m u 之间进行的，所谓同类型d m u ， 是指具有以下三个特征的d m u 集合乜2 1 ： 1 、它们具有相同的目标和任务； 2 、它们具有相同的外部环境； 3 、他们具有相同类型的输入和输出指标。 在停车场设计方案评估的研究中，我们选定的评估对象是一组对某一区域的 停车场的不同的设计方案，因此，从数据包络分析的角度看，该组d m u 完全具 备d e a 方法所要求的三个特征。这正是停车场设计方案评估可选用d e a 方法的基 本原因之一。 3 2 2 生产可能集 作为首先应用于经济领域的d e a 方法，其另一个重要概念是生产可能集。某 个d m u 在一项“生产 活动中的输入向量为x = ( 而，x 2 ，) ，输出向量 y = ( m ，y 2 ，只) r ，我们可以简单地用( x ，y ) 来表示这个d m