（交通信息工程及控制专业论文）城市道路交通流微观仿真系统研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 智能交通系统( 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 ) 实现交通运 输服务和管理智能化，使交通运行处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞，提 高路网的通行能力和整个交通系统的机动性、安全性和效率，因此是解决交 通拥挤问题投资少，见效快的最好方法。微观交通仿真以个体车辆的运行为 研究对象，能模拟人一车一路的相互作用，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，是对i t s 中的各种方案进行测试、优化和性能评 价的有效手段，从而引起国内外的广泛关注。 本文在研究了国内外交通流微观仿真现状的基础上，较系统地分析了交 通流微观仿真的需求，设计了本文的仿真系统系统框架；结合刺激一反应原 理，安全距离跟驰模型和p a r i m i c s 跟驰模型给出了本文的跟驰模型；另外采 用a i m s u n 2 换道模型分区间的思想和h u t s i m 的换道收益模型，建立了本文的 车辆换道模型，并设计了本系统的车辆生成模型，自由行驶模型和交叉口干 线信号控制模型；在理论模型设计的基础上，对系统进行软件设计和实现， 其中设计部分包括仿真总体流程设计、数据类型设计和车辆运行规则中各个 模型实现的流程设计；系统采用c + + 语言在m i c r o s o f ts t u d i o v i s u a lc + + 6 o 环境下实现，可以配置进入路网的车辆类型比例、驾驶员类型比例、交通流 分布等，也可以对信号灯配时重新设置，对交通流参数统计时间间隔进行设 置，通过仿真可以输出仿真过程中道路上的交通流参数信息；最后对微观交 通流仿真的影响因素进行了分析，分析表明进入路网的车辆信息和交通流信 息都很大程度上影响了道路上的交通状态。 关键词智能交通系统；交通流微观仿真；跟驰模型；换道模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t i n t e lli g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( i t s ) i st h eb e s tw a yt os o l v e t r a f f i cc o n g e s t i o np r o b l e m s ，b e c a u s eo fi t sl e s si n v e s t m e n ta n d q u i c kf e a t u r e i t sm a k e st h es e r v i c e sa n dm a n a g e m e n to ft r a n s p o r t a t i o n i n t e lli g e n t ，s ot h a tt h et r a f f i ci sr u n n i n ga ti t sb e s tw a yt os o l v e t h et r a f f i cc o n g e s t i o np r o b l e m ，a n da l s oi ti m p r o v e sr o a dn e t w o r k c a p a c i t ya n dt h em o b i l i t y 、s e c u r i t ya n de f f i c i e n c yo ft h et r a f f i c s y s t e n lm 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 a k e st h e o p e r a t i o no f i n d i v i d u a lv e h i c l e sa si t sr e s e a r c ho b j e c t s i tc a ns i m u l a t et h e h u m a n v e h i c l e - r o a di n t e r a c t i o n ，r e p r o d u c et h er e a ls t a t eo ft r a f f i c f l o wa n dd e s c r i b et h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fv a r i o u st r a f f i c c o n t r o ls t r a t e g i e s i t sa ne f f e c t i v em e a n so ft e s t i n g ，o p t i m i z a t i o n a n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nf o ri t sp r o g r a n ls o i tc a u s e sw i d e s p r e a d c o n c e r nb o t ha th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r ，a t f i r s t ，c u r r e n ts i t u a t o no ft r a f f i cf l o w m i c r o s c o p i c s i m u l a t i o no fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li ss t u d i e d ，t h e n as y s t e mf r a m e w o r ki sd e s i g n e da f t e ra n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n to f t r a f f i cf l o w m i c r o s c o p i c s i m u l a t i o n s y s t e m a t i c a ll y t h e c a r f o l l o w i n gm o d e lc o m b i n e dt h e s t i m u l u s r e s p o n s ep r i n c i p l e ， s a f e d i s t a n c ea n dp a r i m i c sc a r f o l l o w i n gm o d e l i sp r e s e n t e d i n a d d i t i o n ，b yu s i n gt h ei d e ao fi n t e r - s u b - d i s t r i c to fa i m s u n 2a n d h u t s i mb e n e f i ta n a l y s i so fl a n e c h a n g i n gm o d e l ，al a n e - c h a n g i n gm o d e l i se s t a b l i s h e sa n dt h eo t h e rm o d e l si n c l u d i n gt h ec a r - c r e a t i n g ，f r e e m o v i n ga n dr o a d i n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o lm o d e l b a s e do nr o u t e c o n t r o li sd e s i g n e d s y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o ni s d o n ea f t e rt h ed e s i g no ft h e o r e t i c a lm o d e 。s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e s t h eg e n i a ld e s i g nf l o wc h a r t ，t y p e so fd a t aa n d r u l e so fc a rr u n n i n g t h es y s t e mi sr e a l i z e du s i n gc + + l a n g u a g ei nm i c r o s o f ts t u d i ov i s u a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 洲0e n v i r o n m e n t i tc a nc o n f i g u r et h ep r o p o r t i o no fv e h i c l et y p e ， d r i v e rt y p et h a tw i l le n t e rt h er o a dn e t w o r ka n dt h ed i s t r i b u t i o no f t r a f f i cf l o wa n dc a nr e s e ts i g n a ld i s t r i b u t i o n i ti si m p o r t a n tt h a t t h es y s t e mc a ns e tt h et i m ei n t e r v a lo fs t a t i s t i c so nt r a f f i cf l o w p a r a m e t e r s a n d t h r o u g h t h es i m u l a t i o ns o m er o a dt r a f f i cf l o w p a r a m e t e r sc a nb eo u t p u t e d ，s u c ha st r a f f i cf l o w ，a v e r a g ev e l o c i t y a n dt r a f f i cf l o wd e n s i t y f i n a l l y ，s o m ei m p a c tf a c t o r so nm i c r o s c o p i c t r a f f i cf l o ws i m u l a t i o na r ea n a l y z e d a n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tt h e t r a f f i co nr o a di sa f f e c t e db yt h ei n f o r m a t i o no fc a r a n dt r a f f i cf l o w t h a te n t e rt h er o a dn e t w o r kt oal a r g ee x t e n t k e y w o r d si t s ；t r a f f i cf l o wm i c r o s i m u l a t i o n ；c a r f o ll 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 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 。 ( 1 ) 较系统地分析了微观交通流仿真的需求，设计了本文的微观交通仿 真系统框架。融合了多种经典的跟驰、换道模型，设计了本文的的跟驰模 型和换道模型，并设计了本文的车辆生成模型、自由行驶模型和交叉口信 号控制模型。 ( 2 ) 在理论的基础上，设计了交通仿真中所用到的数据结构和各种模型 实现的软件流程。在v c 6 0 下实现了所设计的交通流微观仿真系统。 ( 3 ) 交通流微观仿真的影响因素分析。主要分析了仿真过程中，车辆类 型和驾驶员类型对交通流仿真结果的影响。 桶丑骧 矽7 。厶彦 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密区使用本授权书。 ( i f f 在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：栖立柴 日期：硼9 指导老师签名：口步；乙以、 日期：刎f ) 、6 导 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 论文选题的背景及意义 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，路网通行能力越来越不能满足交通增长的需要，特别是因地铁施工道 路改建等市政工程，使得城市局部地区交通问题更加突出。和发达国家相比， 我国城市人口众多，车流和人流量大，交通工具多样化且性能差异大，使得 交通矛盾更加尖锐，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，交通拥挤问 题严重影响到人们的生活，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“棚 针对当前的严峻形势，交通管理部门正在积极地筹划对策，以期缓解交 通供需矛盾。但不管是交通管理和控制手段的设计和调整，还是道路基础设 施的新建或改建，都需要一个长期的研究、论证和对比过程。因此，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 径来改善城市交通问题。智能交通系统应运而生，它采用信息技术，通信技 术，计算机技术，控制技术等对传统的交通运输系统进行深入的改造，形成 的一种实时，准确，高效，大范围，全方位发挥作用的综合运输管理系统， 提高路网通行能力和整个交通系统的机动性，安全性和效率。作为i t s 两个 重要组成部分的先进的出行者信息系统( a t i s ) 和先进的交通管理系统 ( t m s ) ，其主要任务分别是驾驶员进行合理的路径诱导和进行交通信号( 包 括交通信号灯、可变信息指示牌等) 的控制。对a t i s 和a t m s 中各种方案进 行性能评价，一种有效的手段就是仿真实验叫。 交通系统的特点，也决定了交通仿真的必要性、重要性和发展前景。交 通系统是一个由人、车、路和环境组成的复杂系统，兼有工程系统与非工程 系统的特点。通常研究交通问题有三种方法：实测法、理论分析法和计算机 仿真法。计算机仿真法它兼有前两种方法的优点，其模型是理论推演、抽象 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 出来的，可以根据现场实测的一些数据生成试验者所需要的交通仿真数据。 采用计算机仿真技术，建立城市交通仿真系统，就能够快速地利用仿真的输 出结果进行设计方案的测试、优化、对比、优选等，节省大量时间和经费开 销啊。 早期受计算机水平和交通理论知识的限制，研究主要集中在宏观模型， 评价交通网络的总体性能。近年来，由于高速运算计算机的发展以及交通仿 真的需要，微观交通仿真成为各国研究的热点。国外已有一些成熟的商用软 件，比如英国的p a r i m i c s 、美国的m i t s i m 和德国的v i s s i m 等，而国内在这 方面起步较晚，发展适应我国城市交通现状的交通仿真技术意义深远，责任 重大弧。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在国外，已有很多商用的微观交通仿真软件可以进行城市交通仿真，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。以下介绍国外的几种典型的交通仿真软件。 ( 1 ) m i t s i m m i t s i m 是m i t 开发的s i m l a b ( s i m u l a t i o nl a b o r a t o r y ) 软件的核心模 块之一，它由麻省理工学院的杨齐博士等开发，主要包含三大部分，即路网 描述、驾驶行为和出行需求及路径选择，该软件可用于交通管理策略的检验 和评价。m i t s i m 也能对交通基础设施的设计参数作敏感度分析和评价，如： 道路曲率、坡度、车道数和匝道长度等n 川。 ( 2 ) a i m s u n 2 a i m s u n 2 ( a d v a n c e di n t e r a c t i v em i c r o s c o p i cs i m u l a t o rf o ru r b a na n d n o n - u r b a nn e t w o r k s ) 是西班牙t s s 公司开发的产品，被集成到 g e t r a m ( g e n e r i ce n v i r o n m e n tf o rt r a f f i ca n a l y s i sa n dm o d e li n g ) 软件 包中，因此有时也被称为g e t r a m a i m s u n 2 。在这一软件包中，同时还包括图 形路网编辑器( t e d i ) 和路网信息存储数据库。 a i m s u n 2 能模拟车载信息系统对驾驶员行为的影响，对仿真中的每一辆 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 车都根据跟驰理论、车道变化理论和车头时距理论等驾驶行为准则进行详细 描述；提供两种不同方式的交通仿真，即基于o d 的路径选择和基于输入交通 流和转向比例交通仿真方式；可以模拟不同的交通控制方式，如有、无信号 灯的交叉路口、干道入口以及交织冲突等；提供三维图形显示，适用于不同 类型的路网；提供流量分布、速度分布、出行时间等统计输出。a i m s u n 2 已 经可以应用于工程项目，用于各种交通规划和管理控制方案的评价_ 。 ( 3 ) v i s s i m v i s s i m ( v i s i o ns i m u l a t i o n ) 是由德国p t v 公司开发的微观交通仿真软 件，它的仿真时间步长为o 1 秒。v i s s i m 中将驾驶员分为冒险性和保守型两 种，车辆横向运动采用基于i f - t h e n 规则的算法，纵向运动采用心理一生理 学模型。v i s s i m 提供图形化的界面，以二维和三维动画方式直接显示车辆的 运动状态，并能生成离线文件，文件中包含平均车速、停车延误、路口排队 长度等统计数据，特别适合模拟各种城市管理控制系统“。 ( 4 ) c o r s i m c o r s i m ( c o n t i n o u st r a f f i ca s s i g m e n tm o d e l ) 软件由美国联邦公路局 ( f h w a ) 开发，综合了两个微观仿真模型，即用于城市的n e t s i m 和用于高 速公路的f r e s i m ，因此c o r s i m 能够仿真城市道路和公路的交通流。c o r s i m 以1 秒为仿真周期动态刷新车辆运动状态并实时显示动态效果。c o r s i m 软件 的目标是交通系统的开发和评价氓氓埔。 ( 5 ) p a r a m i c s p a r a m i c s ( p a r a ll e lm i c r o s c o p i cs i m u l a t i o n ) 软件是英国q u a d s o n e l i m i t e d 公司1 9 9 2 年开始开发的产品。自1 9 9 6 年发布了第一个商用版本以 来，已经在微观交通仿真市场占有重要地位。p a r a m i c s 实时动态的三维可视 化用户界面，对单一车辆进行微观处理的能力，多用户并行计算支持，以及 功能强大的应用程序接口，使得它从发行就在交通仿真软件市场上产生重大 反响。它的路网规模能达到1 0 6 个节点、4 ，i c1 0 6 个路段、3 2 0 0 0 个区域。主要 应用于交通管理和控制；交通控制中心仿真；为出行信息提供预测和智能化 的导航功能n “一。 ( 6 ) 唧t s i m 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 刖t s i m ( m i c r o s i m u l a t o rd e v e l o p e db yh e l s i n k iu n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y ) 是芬兰的一个面向对象的微观交通仿真软件包。该软件可用于 服务水平评估，交通运输管理及预测等。但是没有考虑动态路径诱导啁。 、1 2 2 国内研究现状 与国外相比，国内在道路交通系统仿真方面的研究起步较晚。直至2 0 世纪8 0 年代以后，国内交通工程界逐渐意识到道路交通系统仿真研究的重 要性并于以重视，这些实验主要集中在高等院校等研究机构嘲。例如同济大 学、武汉理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、西南交通 大学、北京理工大学、天津大学、华南理工大学、吉林大学、长安大学、西 安交通大学、交通部公路科学研究所等一批科研所都进行探索性的研究删， 如西南交通大学的城市主干道交通流微观仿真研究啪、哈尔滨工业大学的城 市信号控制交叉口交通微观仿真研究嘲、北京工业大学的信号交叉口优化设 计及其微观仿真研究咖、同济大学的高速道路入口匝道交通仿真与入口匝道 控制研究嘲、武汉理工大学的基于t s i s 的城市道路交通流仿真研究叫、华南 理工大学的基于地理信息系统( g i s ) 和城市混合交通的交通流仿真系统嘲、西 南交通大学的跟随车安全距离的分析嘲等等，取得了一定的成果嘲。 目前国内道路交通系统仿真研究基本上是探索性的，迄今为止还没有开 发出一个被普遍认可或用来解决实际问题的交通系统仿真软件，也有很多研 究是基于国外的交通仿真系统进行改善绷，以适应我国的交通，取得了一 定的成果。总之，交通仿真在我国起步晚，并且发展缓慢。要改变我国交通 系统仿真技术应用落后状况，尚需要交通工程技术人员和计算机专业人员相 互合作，长期努力。 1 3 本文主要工作 1 3 1 论文研究目标 理论上说，微观交通仿真以单个交通实体为研究对象，可以精确反映道 路上的交通状态以及出行者面临各种交通管理措施、交通事件时的决策行 为，被认为是当今分析解决许多交通问题最精确、有效的方法。但是微观交 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 通仿真包含的交通运行逻辑细节较多，复杂性较高，而且影响因素繁多，因 此要研究微观交通仿真，核心工作仍然是交通微观仿真核心模型的研究和影 响因素的分析。只有影响因素考虑全面，模型精确，才能准确反映实际的交 通运行，也才能使微观交通仿真在各个领域发挥作用。 本论文的研究目标主要是对微观交通仿真中三个重要的模型：车辆生成 模型、车辆跟驰模型以及车辆换道模型进行深入研究，设计出本文的仿真模 型，并在系统中实现。 1 3 2 主要研究内容 l 、微观交通仿真模型研究 在城市道路交通流微观仿真框架的基础上，主要研究车辆生成模型、跟 驰模型和换道模型已有的经典方法，考虑安全及影响因素的前提下设计出本 文的仿真模型。 2 、微观交通仿真系统的设计和实现 微观交通仿真系统框架设计，以及仿真中路网模型、车辆模型和各个功 能模块的设计和实现。 3 、微观交通仿真影响因素研究 微观交通仿真系统是一个人一车一路结合的多影响因素的仿真系统，本文 主要分析了驾驶员类型和车辆类型对交通流仿真的影响。 1 3 3 论文结构 第一章介绍本文选题背景意义，国内外研究现状以及本文的研究目标 及主要研究内容。 第二章在交通流基本概念和较系统分析了微观交通仿真需求的基础 上，建立了本文的交通流微观仿真系统框架。 第三章在研究交通流微观仿真经典模型的基础上，给出本文的跟驰模 型和换道模型以及本系统采用的车辆生成模型和信号灯配时模型。 第四、五章在理论的基础上，设计微观交通仿真系统软件并实现。 第六章根据微观交通仿真的特点，对仿真的影响因素进行分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章交通流仿真系统框架设计 2 1 交通流基本概念 从宏观上看，道路上通行的车辆和行人具有类似气体和液体的流动性， 可以用流量、速度和密度等物理量进行描述。因此在道路上通行的车流和人 流统称为交通流。 交通流运行状态的定性定量特征称为交通流特性。表征交通流特性的三 个基本参数分别是交通量q ，行车速度v 和交通密度c 嘲。 交通量是指单位时间内，通过道路指定地点或断面的车辆数。 行车速度指车辆在单位时间内通过的距离。微观上，速度包括瞬时速度、 平均行驶速度和平均行程速度。瞬时速度也称为即时速度，它是指车辆通过 某一地点( 或在某一时刻) 时的瞬间速度，可用作道路设计、交通管制和规 划的依据。 交通密度是指在某一瞬间，单位道路长度上存在的车辆数，即c = n l ， 式中，瞅通密度( 辆千米车道) ；噼辆数( 辆) ；l _ 观测路段 长度( 千米) 。 交通量q 是一个随机量，随时间和空间而变化。通常取某一时间段内的 平均值作为该时间的代表交通量。速度和密度反应交通流从道路上获得的服 务质量，交通量可以度量车流的数量和对交通工程设施的需要情况。三个参 数之间的关系可表示为： q = y c( 2 一1 ) 式中q ，v ，c 的单位分别是辆小时，千米小时，和辆千米。此关系称为 交通流基本模型。 除了以上三个交通流参数外，还有一个常用的表征交通流特性的参数是 车头时距 ，。车头时距是一个时间量度，即前后车通过同一个地点时的时间 差。平均车头时距和流量的关系如式( 2 - 2 ) 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 流l ( v e l ) - 霸3 而6 0 0 ( i s 丽h ) 万 2 2 ) 2 2 微观交通仿真系统需求分析及框架设计 2 2 1 微观交通仿真系统需求分析 在仿真之前，必须先建立起仿真环境。仿真环境的设计和实现主要依赖 于微观仿真的需求。微观仿真的目标是：一方面动态显示个体车辆运行情况， 即车辆受周围环境的影响而做出相应反应的动态过程，另一方面要能记录运 行过程中道路上的交通流运行参数，用以对仿真结果分析、对设计方案的评 价蝴。而路网信息、交通管制方案、车辆类型、驾驶员类型比例等参数都 是影响交通流微观仿真的因素，因此对这些因素进行设置也是必须的。总之， 道路交通微观仿真设计主要包括输入、输出以及运行期间的仿真模型。 l 、输入 在交通流仿真过程开始之前，必须首先完成仿真环境输入信息的构造。 仿真环境的输入信息包括路网、交通管制方案、交通需求信息等。 ( 1 ) 路网信息的构造。路网包括道路参数信息和交叉口的参数信息。路 网信息在仿真开始以后不再发生变化。 ( 2 ) 交通管制方案信息。交通管制方案是交通参与者遵守的规则，主要 包括交叉口信号控制配时方案和交通规则，此过程完成交通管制方案的输 入。 ( 3 ) 交通需求信息，本系统主要包括车辆信息和交通流信息。车辆信息 包括车辆类型、驾驶员类型、驾驶员期望速度，车辆起始、目的地等信息。 交通流信息主要指路网中的车流量信息，车流量决定了生成车辆的车头时 距。该部分由车辆生成模型完成，由人机界面输入进入路网的车辆类型比例， 驾驶员类型比例和仿真过程中不同时间段的车流量信息以及具体车辆的车 辆等。 2 、仿真规则 包括交叉口转弯规则和车辆运行规则，它决定了车辆在路网中如何运 行、仿真过程中车辆个体相互影响、作用的过程以及仿真效果，是交通流微 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 观仿真的核心。主要的运行规则设计在第三章中。 3 、输出 输出主要包含两个部分：一是对交通流的运行变化及信号控制过程进行 实时动画显示；另一方面对运行过程中的一些交通流参数进行实时统计记 录，包括道路编号、统计的道路方向、单位时间内的车流量、车道上车辆的 平均速度等、车流密度和统计的时间，也可以形成文件以供参考对比，用来 对交通系统的运行过程做出评价。 2 2 2 微观交通仿真系统框架设计 车辆生成模型 路网信息 交通管制方案 e i ：ji 。 誓 ：。? ：。 ：“： 冀磐参：交通规髂置量：i ：0 车辆信息坐戚釜_ ： 二：；道路傍0 誊：一警i j：0 j ：。：j ： = ：j j：j j ： ：i ：i 褒蠲l 溅信息生成，i ： ! 。； ：j 交叉盛僭崴i 霉0 ：j ： 斑叉口信号灯控制规援步 ： ! ；：! ： ： 交通流微观仿真输入 ，专 k ；群a 飞杪 强：j ：= = = 蔓 自由行驶粳型：j 陲 车辆 o 陵麓? 竺了黧塞习 运行 | 。i ?：? 。i i i ： 规贝u ；0 ：埔峨棋望黔：! ： 0 ： 模型 篁 擞= i 麓模型： ： 仿真规则 睡绸 微观仿真输出 ： j ： 匿墓毒霉霹j ；i ：i | 交通流参数 ；绣i f 参数界面查看j ；! 统计信息 绕计参数保存定件；：j 瞄? - 奠： ：j一 ：；：l t ：! ；： 图2 1 仿真系统总体框架图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 微观交通仿真模型是运用数学方法对城市道路交通系统的抽象，根据微 观交通仿真的需求，本文所设计的仿真系统框架如图2 一l 所示。 1 、车辆生成模型 车辆生成模型也称为发车模型，用以解决仿真中的交通流输入问题，是 微观交通仿真中的一个最基本的模型。车辆生成模型包含两部分信息：车辆 信息和交通流信息呱蜘。其实质反映了系统初始化的两个随机性，即车辆个 体的随机性和路段入口车辆到达的随机性。车辆生成模型中常用的分布形式 包括离散型经验分布、负指数分布和移位负指数分布等。 2 、路网模型 该模型通过定义合理的结构，反映路网的拓扑关系，描述道路的几何特 征。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。 一般情况下路网包含交叉口和道路，道路又包含一条或多条车道，本文设计 的路网模型如图2 - 2 所示。 图2 - 2 路网模型示例 交叉口：表示车辆的入口出口点或有信号灯的交叉路口，如图中节点9 、 l o 、l l 为有信号灯的交叉路口，节点1 至节点8 为车辆的入口出口点，即 车辆生成和消失点。 车道：车道为有向的，能容纳一辆车通行的路。包含车道号，类型，限 速，转向限制等数据成员。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 道路：道路即为两个节点之间，可以容纳一辆或更多车辆车在其上行驶 的路。可以分为单向道路和双向道路，对于单向道路，它可以有一条或两条 车道，这两条车道方向相同，若是双向道路，至少包括两条彼此平行但方向 相反的并行车道。 3 、信号灯控制模型 交叉口是城市道路网络的重要元素，信号灯控制模型则决定了车辆在交 叉口通行权力，对城市道路交通实行控制，最重要的是要对各个交叉路口的 交通状况进行恰当的控制，因此交通仿真必须建立信号灯控制模型。 4 、交通规则模型 交通规则是对驾驶员期望驾驶行为的一种限制，为了真实地反映车辆的 行驶状态，必须建立准确的交通规则模型。常见的城市交通规则包括红绿灯 以及车道转向限制、车道车辆类型限制、车道限速等，后者可以通过车道的 描述变量来反映。本文的交通规则主要包括车道限速和车道的转向限制，比 如车道是左转车道还是直行右转车道等盯一。 5 、交叉口转弯模型 当车辆行驶到某路段末时，如果还未到达目的地，则需要对车辆在路口 的转向情况做出分析判断，以便做出正确的换道操作，保证在路口完成转向。 本文用东、南、西、北这四个方向来描述车道方向和车辆行驶方向。以正北 方向为基准，将这四个方向分别编号为：北= o ，东- - 9 0 ，南= 1 8 0 ，西= 2 7 0 。 本系统设计在车辆生成时，为车辆生车起始点和目的点，根据查询 车辆经过的转弯数组，即是到达每一个交叉口时车辆的转弯情况。例如路网 结构图2 - 2 中节点l 到节点4 的路径转弯数组为：直行一直行一左转。 表2 - 1 交叉口车辆转弯关系表 下一个路段车道的行驶方向 北( o )东( 9 0 )南( 1 8 0 )西( 2 7 0 ) 北( o )直行右转掉头左转 当前车道东( 9 0 )左转 直行右转 掉头 行驶方向南( 1 8 0 )掉头 左转直行 右转 西( 2 7 0 )右转掉头左转直行 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 6 、车辆运行规则模型 在讨论车辆运行规则模型之前先解释两个名词：前导车和后随车。前导 车和后随车是两个相对的概念，把在同车道上目标车辆的前行车辆称为目标 车辆的前导车，而把紧跟目标车辆行驶的后行车称为目标车辆的后随车肌鲫。 车辆运行规则模型主要有三种，即自由行驶、跟驰模型和换道模型。自 由行驶即是车道上车辆很少，车辆的运行不受其它车限制的一种运行状态； 在单车道或是在不允许超车行为的多车道上，位于后面位置的车辆受到前导 车约束，只能跟着前导车行驶的运行状态称为跟驰行为，描述这种行为的模 型为跟驰模型。在多车道的路网中，车辆的跟驰行为受到相邻车道上车辆的 影响，只要超车条件满足，车辆就可以换道行驶称为换道行为，相对应的模 型为车辆换道模型h 湛眦蝴。车辆运行规则模型在第三章详细介绍。 2 3 本章小节 本章首先介绍交通流仿真中的几个概念，然后较系统地分析了微观交通 流仿真的需求，设计了本文的微观交通仿真系统框架，框架包含车辆的生成 模型、路网模型、信号灯控制模型、交通规则模型、交叉口转弯关系模型以 及车辆运行规则模型，并对各个模型的功能做了简单的介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章交通流微观仿真模型设计 第二章中已经概括讲了微观交通仿真的各个模块的理论知识，在本章 中，重点对车辆运行规则模型中的跟驰模型和换道模型进行分析研究，设计 出本文的仿真模型。 3 1 车辆生成模型 车辆生成模型包含两部分信息：车辆信息和交通流信息。本节就从这两 个方面设计。 3 1 1 随机数生成 生成服从一定规律的车辆信息和车流信息需要生成服从一定概率分布 的随机变量，而从随机过程中产生随机变量，都需要独立均匀分布的u ( o ， 1 ) 随机变量源。本文采用线性同余随机数发生器获得所需变量m 。产生0 到 m _ l 之间的随机整数序列x 1 ，x 2 ，的计算公式如下： 毛“一( z 砗+ c ) m o d ( m ) ( 3 一1 ) 公式( 3 - 1 ) 中各常数、系数的取法： ( 1 ) m 一2 j ，其中j 是整数，满足随机数序列的周期m 4 大于实验持续 周期； ( 2 ) a 为整数，取8 k - 3 而又与a 2 2 最接近，k 为任意整数，p 为机器 字长； ( 3 ) 取小于m 的奇数，作为随机数生成的起点，c 取奇数。 文中取j = p = 1 5 ，x o = 1 1 ，c = 5 ，可得到满足要求的随机数。 3 1 2 车辆信息生成模型 本系统中将车辆类型分为大型车、中型车和小型车三种，见表3 - 1 m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表3 1 车型参数表 = j i 车蛩 ： 长m )宽( m )最大加速度( m s 2 )最大减速度( m s z ) i 新车 3 7 4 小型车 普通车 422 8 7 3 旧车 2 97 0 新车 26 2 中型车普通车 8 21 96 1 旧车 1 86 0 新车 1 55 5 大型车普通车 1 231 45 4 旧车 1 35 3 对于车辆信息中的车辆类型、驾驶员类型和车辆图片( 决定车辆的颜色) 的生成，采用离散经验分布模型。 例如假设冒险型驾驶员为x = o ，普通型为x - 1 ，保守性为x = 2 ，随机变量所 占的比例分别为a ，p 2 ，p a ，岛+ p 2 + 见一l ，即是随机变量x 的概率密度 函数为： 一 f p x ；o 昌p 1 x 寮 p x 皇1 = p 2 ( 3 - 2 ) lp x = 2 = p 3 用以下公式生成所需要的变量： f o ，0 ，sp a 戈= 1 ，a rsp l + p 2 ( 3 - 3 ) i2 ，n + p 2 e 一，比如安全距离跟驰模型堋和心理一生理学模型眦一。前一种方 法在没有交通事故等影响的条件下可用，但是考虑到交通事故或者交叉口的 排队等影响，只是按时间间隔不能准确判断是否自由行驶的条件成立，因此 本论文采用后一种计算方法。 本文采用m i t s i m 的加速度模型眦，。在自由行驶状态下，车辆与其它车辆 之间不存在交互作用，此时车辆总是希望尽快达到期望速度。如果车辆的当 前速度低于它的目标速度屹帆d ，则它以最大加速度加速以达到目标速度； 如果当前速度高于目标速度，则车辆以正常减速度减速到目标速速度。 其加速度为： 口_ 。 式中：车辆的加速度；口。+ 最大加速度；口。一正常减速度，取最 大减速度的0 6 倍；屹一当前速度；一哪矗车辆自由行驶目标速度。 在自由行驶状态，车辆加速到目标速度后匀速行驶。本论文中每个车辆 期望的目标速度根据车辆的类型和驾驶员类型来决定，其他条件相同的条件 下，小型车的目标速度大于大型车的目标速度，而冒险型驾驶员的目标速度 大于保守性驾驶员的目标速度。在模拟过程中车道上车辆自由行驶的目标速 6 一 g 甜 甜 哪 甜 哪 。懈o 、， 屹 ， 一 ， + 矿 一 再 ， 露 口0 口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 度为驾驶员期望的目标速度、车道限定速度和车辆最大限速三者的最小值。 自由行驶模型是三个车辆运行规则模型中最简单的一个。 3 3 跟驰模型 在行驶过程中，当前导车车尾与后随车车头之间物理距离满足 q o ) 妇。，这时目标车辆的运动受到前导车的影响，驾驶员一方面希望 以目标速度行驶，另一方面又必须与前车保持一定的安全距离，则认为该车 处于跟驰行驶阶段，如下图3 - 3 所示。 车速 车速、孓l 行驶方向 图3 - 3 车辆跟驰刁惹图 3 3 1 跟驰模型分析 ( 1 ) 刺激一反应跟驰模型 刺激一反应跟驰模型的基本原理是：驾驶员试图与前车保持一致，即是 只要有前车的刺激，后车就会对此做出反应。各种刺激对后车驾驶员行为的 影响，可表达为：反应= 灵密度，i c 刺激。该模型描述了驾驶员在受到前导 车影响时的一个反应过程，即感知一 决定一 行动。通常，“反应 是指后车 所做的减速或加速动作，需要一个延迟时间t 。刺激一反应模型的一般表达 式为： a i ( ，+ t ) 一r ( v 1 - ( f ) 一y ，( f ) ) ( 3 7 ) ，一c o j o + r ) 艉) 心1 ( t ) - x ，o ( 3 8 ) 式中。刺激一为前后车辆的速度差。其中：t 为反应延迟时间，口j o ) 和 y ，o ) 分别表示车辆j 在时刻t 的加速度和速度；，表示驾驶员的灵密度，o ) 为车辆j 在时刻t 的位置，c ，m ，l 均为常数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 该模型的优点是清楚地反映出车辆跟驰行驶的制约性、延迟性和传递 性；缺点是：l 、模型假设无论前后车相距多远，都存在影响关系，即是将 自由行驶的状态也包括在内；2 、没有安全距离，当前后两车车速相同时， 模型允许两车的车头距无限减少甚至为零；3 、模型的通用性差，模型参数m 与1 有多种组合版本，存在争议；4 、模型中假设交通状态性质均匀，对所 有的车辆类型和所有车道都采用相同的参数卧蝴。 ( 2 ) 安全距离跟驰模型 安全距离模型最初由k o m e t a n i 和s a s a k i 提出，也称防撞模型，目的是 寻找一个特定的安全距离，在前导车发生事故或前导车的驾驶员采取一个意 想不到的操作时，只要与前导车之间间距大于这个特定距离，就会避免发生 碰撞。 最简单的安全距离模型是1 9 5 3 年的p i p e s 模型，它源于加州机动车法 规中对驾驶员跟驰行驶的建议，表示式如下： 出一z j o + v 1 6 1 ) ( 3 9 ) ，式中：如表示车辆j 在车速为l ，时，与前车应保持的最小安全距离；z 。表 示车辆j 的车长。公式表示在跟驰行驶过程中，安全距离至少为一个车身长 度，并随着车速每增加1 6 1 k m h 就增加一个车身长n “取_ 。 ( 3 ) p a r a m i c s 的跟驰模型 p a r a m i c s 仿真器中，车辆提速受到前车车速、接近交叉路口必须减速、 车道限速和车辆最大速度( 性能决定) 的制约，取四个中最小值作为车辆的 限制速度，即戈。o ) 。 p a r a m i c s 的跟驰模型为： 如，o ) 一x ，1 ( t ) - x ，( t ) - l ( j ) + j i - o ) a t 一出 ( 3 1 0 ) 引小篱 浯 其中：o ) 为车辆j 在时刻t 的位置，岛一o ) 为车辆j - 1 在时刻t 的 速度，d s 是车辆在停止状态下的安全间距，弓o ) 为车辆j 在时刻t 的加速 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 度，童，o ) 为车辆的限制速度一。 该模型认为车辆的行驶速度取决于交通规则、前车车速、本车车速及两 车的车头距等多种因素，考虑比较全面。但是该模型的安全距离是车辆在停 车时的安全距离，没有考虑车辆当前的速度，对于高速行驶的车辆来说，这 个安全距离明显太小。 除了以上三种典型跟驰模型外，还有很多跟驰模型，包括：l 、心理一生 理模型，将车辆跟驰状态划分为五个区域n 洌；2 、近年来的元胞自动机模 型，将街道分割成一个个单元，每个单元要么包含一辆车要么为空，车辆的 运动是以离散方式从一个单元跳到另一个单元啪。 纵观以上各种跟驰模型，各有各的优缺点和偏重点，然而各模型都直接 或间接的应用了刺激一