（系统工程专业论文）城市道路交通流微观模拟模型研究及程序设计.pdf

摘要y 3 | ( 随着人类文明的发展，城市交通越来越成为人们日常生活中 至关重要的组成部分。然而，一方面，人们对交通条件的要求越 来越高；另一方面，交通管理水平却一直没能跟上需求的发展，从 而导致了现有交通能力的浪费，供需很难平衡，堵塞现象时有发 生，交通事故也颇为频繁。对于北京市而言，上述问题显得尤为 突出，亟待解决。歹， 本论文是在参加北京市城市道路交通流模拟显示系统课 题的基础上撰写的。该课题的研究目的在于建立一套完整的适合 北京市交通特点的城市道路交通流模拟显示系统，以便于进行交 通管理及评价，使城市的交通管理更具有科学性和可操作性，为 城市交通管理决策提供依据。 本论文翻译了十几万字的国外最新微观模拟研究资料，分析、 比较了其优缺点；同时阐述了与交通流模拟相关的理论。在此基 础上结合我国道路交通流的特点，以研究路段及交叉口车辆的微 观运行关系为出发点，以车辆跟驶理论为主要理论基础，结合车 辆的随机发生器的设计，全面构造了车辆的跟车、变换车道、交 叉口冲突等各种运行状态的数学模型：并采用v i s u a lc + + 语言， 以二维动画的方式模拟车辆的运行，比较真实的再现了车辆在道 路网络上的行驶过程。 论文第一章介绍了课题的研究背景，阐述了本微观模拟系统 在进行交通管理及评价中的重要作用。 第二章介绍了交通流微观模拟在国内、国外的研究状况，总 结了我国在微观模拟系统方面的理论研究成果；同时详细介绍了 国外在该领域中的成果，以及值得我国借鉴的经验与启示。 第三章描述了系统目标和系统模块构成阐述了本系统的设 计目标和实现环境。 第四章介绍了交通流模拟的相关理论，提出了建立交通流微 观模拟模型的理论依据。 第五章车辆动态随机发生模型介绍了在随机系统模拟中，以 简易的方法产生统计上理想的各种随机事件以及各种分布随机变 量的模型，以及随机产生公交车、普通车的具体实现方法与框图。 第六章车辆动态行驶模型是本模拟系统的核心部分，该部分 结合第二章介绍的国外交通流模拟系统的模型和第四章介绍的交 通流模拟理论，全面构造了本系统采用的车辆跟车模型、变换车 道模型、交叉口冲突模型等各种运行状态的数学模型。 第七章交通流微观模拟的程序设计，该部分介绍了本模拟系 统的程序运行步骤、面向对象的类及函数的设计以及最终呈现给 用户的主要界面、运行效果，本部分并采用v i s u a lc 十+ 语言，以 二维动画的方式模拟车辆的运行，比较真实的再现了车辆在道路 网络上的行驶过程。 论文的第八章是对论文工作的总结，将论文的主要研究成果 用简明的语言加以归纳总结和阐述，并对论文的不足之处及今后 应加以完善的部分进行了总结她 关键字：交通流微观模拟 随机数扛器 跟车模型换 车道模型交叉口冲突模型 v i s u 爽l c + + 程浔缦舛 a b s t r a c t t h i s p a p e r i sw r i t t e no r l ”b e i j i n gt r a f f i c f l o w s i m u l a t i o na n dd i s p l a y i n gs y s t e m i t sa i mi st ou n d e r s t a n d h o wa nt r a f f i cs y s t e mw o u l dp e r f o r mu n d e rv a r i o u sc o q t r o l p o l i e i e s i nt e r m so fh i g h w a yc a p a c i t y ，t r a f f i cf l o w ，a n d o t h e rp e r f o r m a n c em e a s u r e so fi n t e r e s t t o t r a n s p o r t a t i o n s y s t e mp l a n n e r s a n de n g i n e e r s t h i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h r e em o d e l ：c a rf o l l o w i n g m o d e l m u l t i l a n ec h a n g i n gm o d e l ，c r o s s e di n t e r s e c t i o n s m o d e l a n dt h e nt h i sp a p e rd e s c r i b e sam i c r o s c o p i cc o m p u t e r s o f t w a r e p r o g r a m t h a ts i m u l a t e si n d i v i d u a lv e h i c u l a r b e h a v i o ri nr e s p o n s e t o a n y o ra 1 1s u c hf a c t o r ss u c ha s t r a f f i cv o l u m e ，s i g n a lo p e r a t i o n s ，t u r n i n gm o v e m e n t s ，b u s o p e r a t io i l s ，a n ds oo n k e y w o r d ：m i c r o s i m u l a t i o n o fr o a dt r a f t l i c s y s t e m ， g e n e r a t e ro fr a n d o mn u m b e r s ，c a rf o l l o w i n gm o d e l ，m u l t i l a n ec h a n g i n gm o d e l c r o s s e di n t e r s e c t i o n sm o d e l ，v i s u a lc 十+ 北方交通_ 人学坝l 毕业论史 第一章选题的背景及意义 可以说，人类文明与城市结下了不解之缘，快速、方便、安 全的交通系统是一个城市富有活力的必要条件，快节奏的现代文 明使得生产力达到了昔日人梦寐难求的程度。但它又如同阿波罗 的太阳车难以驾驭，人类在用缰绳时还显得有些手忙脚乱。仅就 城市交通而言，由于城市人口和车辆的急剧增加，道路不适应交 通需求的矛盾非常尖锐，由此把人们推入了一个尴尬的境地：交 通堵塞，公共交通车辆拥挤不堪，车祸频繁，环境污染严重等。 面对严重的交通问题，当然不会有条便宜的诺罗亚方舟来使 人们脱离困境，要有效地解决交通问题最终要落实到一些硬措施 上。人们必须结合自己所处城市的具体情况，具体分析，找出有 效的改善方案，以满足日益增长的交通流量。人类文明是不断向 前发展的，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、迸取，才能推动现代交通的发展， 以为人类的文明“扫清道路”。 长期以来，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，其正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，造成直接经济损失和许多 实际问题。 同时，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，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在落后水平上。这就好比 一个人，他整天都在叫嚷自己多么多么贫困，入不敷出，钱不够 笫一章选题的背景及意义 花，但同时他又铺张浪费，钱不能花到关键的地方。同样多的钱， 会理财的人能用它办很多事，而不会理财的人，就像这个人却只 能用它办成很少的事。可见管理是十分重要，社会生活的各方面 都不能忽略它的重要性，对城市交通来说，尤是如此。 国内外交通状况较好的城市的经验和教训表明，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，下大力气研究最大限度地挖掘现有设 施的潜力，提高交通出行及设施使用效率的方法。 近几年，北京市在城市道路交通管理上也作了不少努力，如： 建立面控系统，绿波带，制定单行线，设定限制转弯标志，路口 渠化以及为均衡道路交通量的时空分布采取的各种限制措施。虽 然这些措施在事先也经过一些调查研究，但由于缺少必要的分析 手段，无法将个个局部的交通组织方案置于整个市区道路交通 大系统中作定量的预评价。因此，无法在实施之前对这些方案的 可行性作出预评估，难免实施效果不尽人意。 随着城市建设的高速发展，城市道路交通面瞄前所未有的压 力，对各种交通管理、交通组织进行系统分析和评价，为城市道 路规划、建设、管理提供科学的决策依据，是当前城市道路交通 科学亟待解决的课题。 本论文是在参加北京市城市道路交通流模拟显示系统课 题的基础上撰写的。北京市城市道路交通流模拟显示系统为北 京市城市交通管理及评价模型研究总课题所属的专题研究课题 之一。北京市城市交通管理及评价模型研究是北京市市政管理 委员会下达的并在北京市科学技术委员会立项的科研项目。项目 旨在提高北京市中心区交通管理水平，挖掘现有设施潜力，提高 既有设施利用率，减少中心区交通拥挤，改善环境。此项目研究 的目的在于建立一套完整的适合北京城市交通特点的城市道路交 通管理及评价模型，使城市的交通管理更具有科学性和可操作性， 北方交通大学硕：e 毕业论文 为城市交通管理决策提供依据，增强对城市交通运转的快速反应 能力，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。使现有道路网能更有效地发挥效益。 而该专题则是为开发微观动态的交通分析软件，以对交通流 的微观运行状态进行详细的分析。本系统通过在计算机上建立道 路交通流的模拟模型，充分利用计算机存储容量大，运算速度快 的特点，以快捷、安全、经济的方法获得决策者所需的数据图形 结果，大大提高了工作效率。 北方交通大学硕j 毕业论文 第二章国内外研究现状 第一节国内研究状况 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。 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。 我国在这方面的独立研究尚处于起步阶段。国内对城市交通 的研究多集中于宏观交通参数关系的研究，亦有少数微观模拟的 研究，但尚未见到完整的微观交通模拟及显示系统。对其中涉及 到的各部分内容，例如司机的驾驶行为、路径选择行为、交叉口 控制方式、对高速公里基本路段车辆行驶的模拟等都有一些相关 的研究成果，下面做些简单介绍： 在参考文献 1 中，段进宇阐述了名为m i c r o s i m 的高速道路 微观交通仿真系统中的车辆生成模型和车辆般行驶模型，着重 讨论了仿真所得到的交通流基本关系图式，并考虑了取样时间尺 度的影响。 在参考文献 2 中，葛颖恩，杨佩昆评述了在实时动态管理城 市交通时，对路线选择和交叉口控制组合问题的研究思路，并对 不同的数学模型进行了分析评价。 在参考文献 3 中，陆秉崆分析了平交路口左转车辆与其他车 辆的冲突情况，并以实测数据分析了左转车辆的运行规律。 4 第二章国内外聊f 究现状 在参考文献 4 中，荣建，刘小明等以不同于一般的以车头时 距为基础的建模方法，建立了以司机的判断过程为基础的模拟模 型，并提出了模型结构、加速度判断过程、换车道判断过程的框 架。 在参考文献 5 中，黄必亮，杨家本基于点格自动机的原理， 提出一种比较切合实际的改进点格自动机交通网络模型，该模型 把交通网络分为道路和路口，用队列来模拟车流，车流密度分为 三档。在此模型基础上，研究了不同情况下交通系统中的自组织 现象，理论上分析了自组织形成的动态过程。 在参考文献 6 中，赵炳强对驾驶行为进行了研究，分析了驾 驶员动态视觉特征的变化规律及其影响因素。 在参考文献 7 中，刘小明，杨琪等论述了b p 网络事件探测 软件的系统目标和功能特性，通过分析b p 网络探测事件的优点和 缺陷，提出人工神经元网络和传统事件探测方法各有优劣。 在参考文献e 8 3 中，罗霞，陈应文，霍娅敏以我国混合车流 作为高等级公路交通流的基本构成，分析混合车流的交通特性， 采用实地采集数据和计算机模拟仿真相结合的手段，得到了不经 换算的混合车流条件下不同交通总量和不同车型比例速度、密度 和流量三大参数的偌模图。 在参考文献 9 中，潘军，祝精美，崔健通过建立济南市 城市综合交通的计算机模拟模型，、对济南城市交通状况进行了全 面的定性与定量的综合分析。文末结合分析结果，对济南城市交 通发展提出了几点建议。 在参考文献 1 0 中，严宝杰李小俊在概略阐述了系统的工 作原理、运作方式、基本特点与功能的基础上，详细介绍了其总 体布置、程序结构及内容，重点探讨了其中的“车流运行模拟程 序”。信号交叉口的通行能力及延误，是交通工程的重要研究课题 之一。本文作者开发的“信号交叉口通行能力及延误仿真系统”， 以研究信号交叉口车辆俩俩之间的微观运行关系为出发点，以车 北方交通大学硕士毕业论文 辆跟驶理论为主要理论基础，结合车辆的到达、转向等随机分布， 全面构造了车辆的到达、排队、跟驶、冲突等各种运行状态的数 学模型，采用二维动画的方式模拟车辆的运行。同时，以正交试 验的方法安排模拟进程，对交叉口条件进行了正交优化。系统运 用计算机仿真的方法实现了对信号交叉口的通行能力、延误、信 号配时的全面综合研究。 在参考文献 1 1 中，杨晓光在系统分析城市快速道路交通流 特征的基础上，运用流体与离散型模型结合的方法，并考虑到智 能交通系统技术发展的趋势，构筑了集进出口匝道的通行能力和 进出快速道路的交通流影响要素( o d 分布、驾驶员路径选择行 为) ，以及快速道路网上的交通状态变化于一体的动态仿真模型。 在参考文献 1 2 中，高尚，徐岩涛基于v r g s ( 车辆线路引导 系统) 的交通流微观仿真软件对交通网络引入v r g s 后的交通流进 行仿真。本文阐述仿真模型的设计思想，介绍模型的框架结构， 说明采用v i s u a b a s i cf o rw i n d o w s 的程序实现方法。 在参考文献 1 3 中，林丽，研究了无控交叉口冲突点处的交 通运行状况，提出了无控交叉口相冲突车流轮流占用冲突点资源 的观点；从理论分析的角度提出了无控交叉口冲突点延误的计算 模型。通过实例计算分析，认为无控交叉口冲突点延误主要与相 冲突车流的流量有关。 在参考文献 1 4 中，王建军，周伟运用流体力学车流波理论， 提出在线性模型下高速公路交通事故所引起的冲击波以及干涉作 用所引起的冲击波以及它们相互作用的一系列车流波公式，为了 解排队的形成、最大排队长度和时间以及排队的消散找到了理论 依据。 在参考文献 1 5 中，贺国光，刘豹采用复合概率、模糊逻辑 等方法建立了描述交通流中不确定性因素、车辆的到达、在路段 上行驶以及通过路口的微观仿真模型，并利用面向对象的方法设 计实现了一种基于上述模型的通用城市道路交通流微观仿真系 第二童国内外研究现状 统，比较真实地再现了车辆在道路网络的行驶过程 北方交通犬学硕士毕业论文 第二节国外研究状况 在软件和模型研究方面，自六十年代以后，随着计算机技术 的发展，英美等国先后研制了若干可以进行交通规划和交通分析 的软件。目前国外已有t r a n s y t ，c o n t r a m ，n e t s i m 等软件广泛应用 于微观交通运行状况的分析。特别是近几年，有关基于交通行为 理论的一些微观动态的交通分析模型的研究非常活跃，例如： p a r a b i i c s ，t r a n s i m ，v i s s i mt r a f n e t s i m 等。这些系统在处理问 题上各有长处，但对运行环境要求较高，需多台计算机并行处理， 软件成本高。下面对国外有关交通流模拟的相关理论及成熟的模 拟系统做一简单介绍： 一多车道换车道模型 在参考文献 1 6 论述了车道变换模型。该文是基于点格自动 技术，其主要研究内容是：针对德国这样的国家，其车道分为超 车车道和普通车道两类时，其车道变换的模型。即当模拟的道路， 其车道分为超车车道和普通车道两类，因此其模型也分为超车车 道向普通车道变换模型和普通车道向超车车道变换模型两类。由 于超车车道通常为左车道，普通车道通常为右车道，所以又分为 左车道阿右车道变换模型，和右车道向左车道变换模型。下面分 别进行阐述。 ( - - ) 右车道向左车道变换模型( 普通车道向超车车道变换模型) v ”“x “一1 ( 变换车道后不会影响后面车的行驶)( 1 ) v m a * a x 一1( 不能快速行驶) ( 2 ) a x 。a x( 目标车道运行条件较好) ( 3 ) 第二章周内外研究现状 v m ；l x a x 一卜v j ( 左车道前方无人) ( 4 ) v 。 x “l v 。 ( 右车道前2 翩i a ) ( 5 ) “o 表示目标车道”； “b ”表示该车后面； “x ”表示车头距； v 。表示车流状态，当流量较大时，v 。较小，流量较小时，v 。， 较大。 ( 二) 左车道向右车道变换模型 由于左车道为超车车道，所以左车道时常拥挤。于是有些车 辆想换回右车道，但由于公式( 4 ) 中v 。较小，所以无法满足条 件。因此当左车道向右车道变换时，给出随机数p 。= o 0 2 ，然 后在进行以下判断，如满足条件则允许变换车道。 v 。- 6 x “l 1 ( 变换车道后不会影响后面车的行驶) ( 1 ) v x l ( 不能快速行驶)( 3 ) x 。x( 目标车道运行条件较好)( 4 ) 此外，还在右车道引入一个超车速度限制v 。( 该系统设置 为3 ) ，只有在这个速度以内才能超车，这样大大减少右车道的超 车现象。 二由于右转弯导致的车辆的延迟 在参考文献 1 7 中，作者描述了由于主要街道上右转行为造 成的主要街道直行车的延迟预测模型。该延迟过程是用主要街道 的交通流量的时间间隔提出模拟的。右转轨迹和跟随直行车辆被 评价以决定直行车的平均延迟。右转车轨迹是从商行车道外侧波 峰点开始。如果下一辆直行车紧接着这辆车，那它不得不减速以 北方变通人学硕卜毕业论文 避免与其相撞。第二辆、第三辆、第四辆等直行车也不得不减速 以保持与它前一辆直行车所必须的最小距离。发生在每辆直行车 上的延迟，以在轨迹上时间的落后和左转行为最初发生时计算。 模拟过程是在一辆右转车到达时开始，在下一辆右转车到达时结 束，这两辆右转车之间任一直行车都会延迟，如果他们紧跟着慢 行的右转车，这个过程相对持续较短。没有车辆停止，发生在每 个司机身上的延迟仅几秒钟( 由于加减速过程) ，由于这些原因， 则假定直行车司机为避免让右转车缓行的车所做的车道变换在过 程中是可忽略的。上述过程模型的改进在两部分中进行，第一部 分描述发生在第一个直行车上的延迟，假定这种延迟是一右转车 造成的：第二部分描述紧接着的那辆直行车的延迟，假定他们也 延迟，这两种情况在第三部分用一个预想的决定延迟可能性的有 效方法进行综合。 三公共随机数在交通网络减少变化方面的应用 在参考文献 1 9 中描述并展示了用于微观模拟模型中基于公 共随机数的随机数的效能。以往的微观模拟模型中，对所有随机 过程使用同一个随机数种子。但由于车流模型中有许多独立的随 机过程，如车辆生成，转弯决定，司机和车辆特性的生成等等， 而在模拟过程中仅使用单个随机数源，独立性无法保证，同时车 流模拟模型无法准确模拟出现实状况。因此，本文采用公共随机 数( c r n ) 来实现模拟。经过测试随着多随机数种子的使用，单 个随机数种子用于所有随机过程的局限性消失了，车流模拟模型 可以更有效地进行模拟实验，并正确分析和解释模拟输出。 四t r a f - n e t s i m 模型系统 ( 一) 简介 1 0 第二章罔内外研究现状 在参考文献 1 9 中描述了n e t s i m 系统。n e t s i m ( 网络模拟) 是一个城市道路交通网运行的微观的随机的模拟模型。该项计划 ( 以前称u t c s 1 ) 已被工程人员和研究人员广泛应用于许多领 域，成为应用最广泛的交通模拟模型。n e t s i m 的应用领域涵盖了 从用于单个交叉路口的信号计时评估到象纽约市交通计量影响评 估这样复杂的问题。 最早的n e t s i m 由美国联邦公路局于1 9 7 l 发布，之后于1 9 7 3 年和1 9 7 8 年两次更新，而后在8 0 年代早期并入t r a f ( 完整的交通 模拟模型) 。这样，目前的模拟计划就成了t r a f n e t s i m 模型。作 为t r a f 整合和测试活动的一部分。 t r a f 州e t s i m 已经在1 3 0 多个地区和大洲的有关部门使用 过。它是基于某一特定时段和具体事件的模拟方法，因此可以动 态的显示城市道路网上的车辆运行情况。这种周期性的模拟方法 以秒为单位，没有分流模块。 t r a f n e t s i m 中并入了车辆跟随模型和换道模型。车辆从入口 和源点进入路网。根据交通控制装置的信号指示来引导车流和行 人。前面的车也会影响后一车的驾驶行为。t r a f n e t s i m 可以模 拟小至简单的起停信号控制路口，大至动态( 实时) 控制系统。 信号控制器即可以是定时的也可以是随机的。交通阻塞对车流造 成的影响可以较详细的方式模拟出来。无论是单个路口还是各条 道路的车流量，无论是某小片地区还是整个公路网的运行情况， 都能测试出来。 t r a f - n e t s i m 一个主要的改进是通过系列流量提供了生成 可展示相似的路径模式和驾驶员一车辆特性的交通流量的能力。 这样，用户可通过保持初始运行的交通流量做出一系列模拟流量， 在连续的流动中通过不同的交通控制，容量或其他操作条件进行 模拟。当此模型被用来比较候选系统设计或执行计划时，这一特 性可用于减少变化的过程。 匕方交通大学硕士毕业论文 ( 二) t r a f n e t s i m 模拟模型概览 t r a p n e t s i m 是基于f o r t r a n 语言的，可以在微机上运行。 整个系统使用的是美国测绘标准。其测试结果可以图形的方式显 示在屏幕上。它详述了运行于道路网表面的交通工具的操作性能， 它是动态交通运行的离散模拟模型。交通工具的代表物( 小汽车， 公共汽车，卡车等多达1 6 种不同操作性能和特性的交通工具类 型) ，以及驾驶员行为特性( 温和，正常，急燥) 的操作性能每秒 钟由一个目录唯一地决定并识别。驾驶员一车辆特性( 如转向，流 速，减速前进和平均车距等) ，和其他性能和行为属性一样，是随 机分配的。 t r a f - n e t s i m 的物理环境用一个边点组成的网络代表。通常， 网络中的节点代表十字路口，边代表城市街道，车辆通过入口进 入网络并每秒跟随车流流动，并对交通控制设备，行人，公共汽 车和其它影响司机行为的因素做出相应的反应。 t r a f n e t s i m 可以模拟交通控制产生的影响，从受控十字路 口“停”到动态实时控制系统，信号控制可以固定的多次显示或 受激时显示。模型模拟的阻塞，停车，倒车，拥挤及其它交通行 为在路面上的影响是相当详细的。 模型的输出包括许多表现效能的方法( 如容量，密度，延迟， 倒车，排队，转弯等) 和在每条边上，边的入口处，在用户规定 的时间间隔内对燃料消耗和排气等情况的估计。 ( 三) 对t r a f n e t s i m 的改进 在参考文献 2 0 中描述了曼谷对t r a f n e t s i m 的改进。泰国 的首都曼谷，无论从经济方面还是从汽车拥有量方面来看，均属世 界发展最快的城市之列。随之而来的交通阻塞现象也日益严重城 市道路网的入口车道多达2 0 条，高峰时期的信号循环周期长达 笫一章罔内外埘f 究现状 7 一l o 分钟，其中一个主要的问题是逆流路口造成的阻塞现象。该 文使用t r a f - n e t s i m 的3 0 版本来分析路口车辆的排列行为。然 而标准t r a f n e t s i m 不能模拟车辆在遇到障碍时绕过出事路口的 驾驶行为。为了达到这个目的，该文将原程序作了以下改进。 i 道路状况： ( i )增加十字路口和t 形路口的长度，增加双向系统的车道数 量，无信号机制的路口以及停车线和人行道之间的空间大小。 ( 2 )制定允许车辆驶出停车线进入路口直到阻塞发生的规则， 以反映其交通行为。 ( 3 )十字路口队列对首先通过的车辆的影响。 ( 4 )在公路网上运行的车辆数由1 5 0 0 增加到2 5 0 0 以适应所研 究的道路网。 ( 5 )根据在实地观察到的数据，路口信号的最大循环周期由2 0 0 秒增至6 0 0 秒。 ( 6 )每条车道每小时的最大车流量从7 0 0 0 辆增到9 0 0 0 辆。 ( 7 )道路阻塞影响车道选择的最远距离从2 5 0 公尺减至1 0 0 公 尺。 2 功能模块： ( 1 )解决车辆如何越过障碍以及如何在道路阻塞时选择其它通 路的机制。 ( 2 )车辆启动前根据前行车辆转换左行机制( 在美国是右行) 。 ( 3 )曼谷停车线的位置在人行横道前二十公尺，而不是和人行 横道相连。 改进后的版本经过在虚拟道路网上的测试基本达到预期目 标。后来，这两个版本被分别用在曼谷的b a n g k a p i 地区。对平均 速度，平均队列长度，最长队列长度的研究结果表明：1 ) 改进后 的t r a f n e t s i m 系统模拟出的结果比标准的更接近实际情况。2 ) 对实际情况中不同的循环周期和时段的模拟结果还有待进一步的 研究。因此，如果想得到更有意义的结果，必须使系统具有结合 北方交通大学硕卜毕业论文 各地道路网和驾驶行为的特点来模拟的能力。 五t r a n s i m s 微观模拟系统 ( 一) 概述 t r a n s i m s 微观模拟系统眙”是由美国l o sa l a m o s 国家实验室 于1 9 9 8 年开发研制的。其基本特点是并行运算。即该系统运行于 并行计算机上，比如多台工作站、多台桌面处理器、或超级计算 机，并行的划分是依据地理位置来划分的，也就是说，对不同地 区的模拟用不同的计算机。不同计算机处理的边界总是在道路中， 它的逻辑计算复杂程度要比边界选择交叉口的逻辑计算程度小许 多。 ( 二) 模型介绍 1 速度模块 本模拟系统把道路看作由网格组成的系统，每一网格要么空， 要么被占有。车的移动是从一网格移入另一网格，因此其速 度也一定是一整数，即从当前网格到前面任一网格所通过的网格 数。 系统约定：一个网格的长度= l p 。= 7 5 m( p 如是拥挤车流 密度) 步次( t i m es t e p ) = 1s e c 最大速度= 5 网格步次= 5 7 5m s e c = 1 3 5 k m h 速度模块依据以下原则： ( i )如果某一车辆当前速度v ；大于或等于此车与前车的间距 g a p i ，则根据随机数p 。确定其速度是v 。= g a p 。一i 或v ，= g a p 、，即表示该车处于跟随或刹车； ( 2 ) 如果某一车辆当前速度v ；小于此车与前车的间距g a p ，同 第二帝周内外研究现状 时v 小于此车最大速度v 。，则根据随机数p 。确定其速度 是v = v i 或v 。= v 。十1 ( 每次只能加速一个网格) ，即表示 该车处于加速； ( 3 )如果某一车辆v i = v 并且v 。g a p ，则根据随机数p 。 确定其速度是v 。= v 。，一1 或v 。= v 。，即表示该车处于自 由行驶： 2 车道变换模块 变换车道依据以下原则： ( 1 )当某一车离交叉口距离较远时，如前车运行速度较慢，且 相邻车道前后车间距较大时，变换车道的可能性较大； ( 2 )当某一车离交叉口距离较近时，无论该车处于何种运行状 态，其车道变换的可能性较大； ( 3 )由于在多车道系统中变换车道时，两边车道有可能同时向 中间车道进行变换，这会产生冲突，因此本系统采取下面这 样一种方法，即奇数时刻允许自左向右方向的变换车道：偶 数时刻允许自右向左方向的变换车道，这样就避免了冲突。 3 有信号灯交叉路口模块 在t r a n s i m s 系统中把交叉路口分为有信号灯的交叉路口和 无信号灯交叉路口，在有信号灯交叉路口中各车道优先权随时间 受信号灯控制；在无信号灯交叉路口中各车道优先权是固定的。 当一辆模拟车辆驶入有信号灯交叉路口时，算法首先根据其 现在的车速判断其能否离开网络线( 即：其速度是大于或等于网 络线剩余的网络格数) 如果它可以离开网络线，则算法继续检查 交通信号灯的状态，如遇红灯，则它不能离开网络线，也无进 步的行为；如遇绿灯，则可离开网络线( 直行、左行或右行) ，左 行时还得检查对向车辆距交叉口的距离是否大于或等于3 倍的将 驶入交叉口的对向车道行驶车的速度，如是则可左行。 ：七方交通大学硕士毕业论文 当车辆允许进入交叉口后，该车就被列入“交叉口队列”中 ( 每一将要驶入的车道都有一“交叉口队列”，这一队列模拟了在 交叉口车的驾驶行为) ，车辆首先得到一个“时间标记”，该“时 间标记”记录了此车离开交叉口所需的时间，在此“时间标记” 到达之前，车辆不允许离开。“交叉口队列”有一容量，超过该容 量，则车辆就得在网络线上排队。一旦车辆准备离开交叉路口， 它就移到它最可能到达的目标网络线的第一个网格上，其速度等 于它进入“交叉口队列”中的速度。 注意左拐的车在进入“交叉口队列”时，就开始进行判断， 而不是在其离开“交叉口队列”才判断，这样当一辆进入“交叉 口队列”的车经过判断后，其结果是该车允许左拐，但由于该车 在队列中可能不是处于队列的最前端，也就是说，该车前面还有 车，于是系统会尽快完成对前车的操作，然后再对该车进行左拐 处理。注意此时有可能会同对向车发生互相穿过的现象。在本系 统中为了简化运算，按以上算法进行，一般而言，这种算法大部 分情况下都是正确的。 4 无信号灯交叉路口模块 无信号灯交叉路口同有信号灯交叉路口的差别是：( 1 ) 其内部无队列；( 2 ) 它不是先进入网络线的最前端，它是只要其 速度允许就直接到达目的网络线。 5 停车场位置模块 在模拟系统中，每一网格线( 除了高速路匝道、高速路网络 线和一些虚拟网络线) 都至少有一个停车场位置。车辆起始及终 止都从停车场位置点出发和终止的，停车场位置模块执行的步骤 如下： ( 1 ) 每一辆车有一套完整的行车路线和起始时间，模拟开始始， 车辆线被加到一队列中，当该车到达对列头时，它开始进入 第一章国内外州究现状 网络线，其方式如同在无信号灯交叉路口一样，也就是说， 同在无信号灯交叉路口一样进行同样的判断： ( 2 )当某一辆车到达其目的地后( 某一停车位置) ，该车即在模 拟系统中消失。 六p a r a m i c s 微观模拟系统 ( 一) 概述 p a r a m i c s 微观交通模拟软件包雎”，开始是由爱丁堡并行计算 中心( e p c c ) 同s i a s 公司共同开发与研制的，此后于1 9 9 4 年又 由q u a d s t o n e 进行修改并制成现在的商业软件。 最初p a r a m i c s 系统通过利用t h i n k i n g m a c h i n e s c o r p o r a t i o n ( t m c ) 的c m 一2 0 0 、1 6 k 的处理器和一个d a t av a u l t 快 速存储装置，在苏格兰道路交通网上准确的模拟单车的运行状况， 并以一秒为单位进行模拟。p a r a m i c s 可同时模拟2 0 0 ，0 0 0 辆的 车和7 ，0 0 0 条网络线。每个计算机处理相应的模拟范围，同时多 个计算机之间又通过严格的单步指令进行协作。其计算机语言为 c 木，它是c 语言的一个扩充，更适合于本系统计算机进行编程。 而现在的商业软件则可在各种操作系统平台上进行处理，并 已在许多国家进行了应用。比如：在日本p a r a m i c s 系统用于东京 一高速路的模拟中及东京高速路的合流问题；在新加坡p a r a m i c s 用于城市交通计划及交通影响评价中；在阿根廷p a r a m i c s 用于 b u e n o sa i r e s 的交通影响评价及高速路建设项目的交通计划中。 而在美国、德国、法国则用于大学中的研究工作。 ( 二) 系统的并行化 系统是通过建立与单方向网络线有关的队列来进行并行化处 理的，也就是说把交通网分割成为由许多队列组成的系统，每一 北方交姬大学坝i 一毕业论文 个队列包含有相同数目的车位数，一个车位只可放一辆车或不放 车，这个车位包含有被放在该处的车的所有信息( 比如：该车的 速度、o d 矩阵、路径、前车的数据等等) ，每一条单向网络线由 一个或多个这样的队列组成( 根据该网络线的车流大小决定) 。每 一台计算机处理一个这样的队列，这样许多台计算机可以并行运 算。 ( 三) 系统的组成部分 1 司机及车辆行为特性 p a r a m i c s 对单个车辆的模拟是通过车辆跟随模块、车头间隔 可插程度模块、车道变换模块构成的。每一车辆都动态的携带着 有关司机及车辆行为特性的数据。通过较少的数据来反映车辆的 性质是本系统的指导方针。因此，司机行为特性通过把驾驶员划 分为冲动型和保守型硒类来表示( 根据英国交通实验室t r l 研究 表明这两类可完全表示车头间隔可插程度、最高速度、车头间隔、 变换车道的趋势等数据特性) 。 注意车辆的物理特性及驾驶远行为都是由随机数发生器产生 的。 2 路网定义 p a t a m i c s 的用户可自己定义以下路网的物理特性：车道宽 度、车道使用控制、停车点及缘石线位置、公共汽车停车位置、 进出口限制、影响车辆运行的停车街道区域、交叉口信号灯控 制时间、人行横道位置。 车辆的车速受车辆间相互影响及道路地理位置限制。如果需 要的话网络线的平均速度、网络线的承载能力、交叉口的转弯能 力都可生成。但这些数据都不是本系统所产生的输出，它们是由 传统的模型所产生的。 第章国内外研究现状 3 交叉路口 同网络线上行驶的车辆一样，在交叉口的车辆同样受到驾驶 员行为、车辆特性和路网加给该车的限制所影响。 p a r a m i c s 系统能否运行良好很大程度上要依靠交叉口数据的 准确程度及细致程度，因此其数据通常包括交叉口类型、车道宽 度、转弯率、和冲突类型等等。 4 需求模型 同其它交通模型不同之处是，本模型服从于交通出行矩阵， 而该矩阵可由用户来定义。随机数发生器根据该交通出行矩阵产 生车辆。 5 车辆停车场模型 每个地区可分配一个或多个停车场或没有停车场，而每一 个停车场可限制用户，比如，服务性停车场、街道公共停车场、 非街道公共停车场、私人非居住性停车场、私人居住性停车场等。 驾驶员选则使行程时间最段的停车场，这样如果所选择的停 车场使空闲的话，驾驶员不必在另选路径。p a r a m i c s 在模拟过程 中可调节每个停车场的满载情况。 6 事故模块 英国交通事故主要发生在多车道干道上，尽管交通事故是英 国交通的主要特点，但它还未被人们了解。而p a r a m i c s 能利用最 近的交通情况产生出事故模块，用以减小事故隐患、理解事故 分配模型。事故模块要求的数据包括：事故位置、事故发生的频 率和事故的长度。 7 公共交通模块 1 9 北方交通大学硕l 毕业论文 p a r a m i c s 标准化并压缩了公共汽车的类型，而且模拟了由于 公共汽车停车位置及专用公共汽车车道对其它用户的影响。 在模拟过程中，如果需要公共汽车也同样要变换车道，并且 要求在停车站附近渐渐停下来。停车时间由该停车站所定义的乘 客上车率和上一公共汽车所留下的时间丽定。 公共汽车同其它车样服从车辆跟随模块、车头间隔可插程 度模块、车道变换模块，只不过它是按照即定的路线行驶并在相 应的位置停车。多个公共汽车如果同时到站达同一车站，它们不 能同时停车，而是排队停车。p a r a m i c s 模拟了单个公共汽车的承 载能力，当以到达最高承载能力时禁止乘客上车。 p h r a m i c s 需要以下公共汽车数据： ( 1 )即定的公共汽车路线； ( 2 )公共汽车时刻表和频率； ( 3 )每一停车路线的停车位置； ( 4 )每条路线公共汽车的平均承载能力； ( 5 )每一车站的乘客到达率( 人，j 、时) ： ( 6 )每一路线在每一停车站的平均乘客下车率； ( 7 )公共汽车优先检测的位置，包括激活公共汽车控制交通信 号的细节定义。 8 交通量分配 在p a r a m i c s 系统中，出行路线的选择是以广义费用( 结合了 时间、距离及其它因素的综合) 最小为原则。一个反馈闭环机制 用于对出行路线的选择，它把在交叉口的延误反馈给分配算法。 每一辆车都带有广义费用，该费用根据不同车的不同类别分别进 行计算。也就是说对同样一条路径来说，不同类别的车有不同的 广义费用；不同的网络线其广义费用也不同；不同的驾驶员( 驾 驶员的熟练程度) 其广义费用也不同。 p a r a m i c s 不是一个平衡模块，也没有对分配问题进行预处 第一常阁内外研究现状 理，也就是c 兑在本模块中，相同0 d 点的辆车到达目的地的时间不 同，即使有着相同的路径。这是由于模拟时间主要受当时的路网 条件、车辆和驾驶员的不同特所决定的。 分配过程需要以下数据： ( 1 )时间、距离和广义费用： ( 2 )不同用户类别的干扰因素； ( 3 )不同类别的有关费用因素； ( 4 )主道、支道和r a tr u n s 的s i g n p o s t e dr o u t e s 的定义： ( 5 ) 注意：本系统还包括行人模块及自行车模块，但这两部分 还未在本系统中实现，现在只是把它们作为对车辆的运行影 响因素来考虑。 北方交通大学硬士毕业论文 第三节国外研究成果的比较与分析 我国国内在微观模拟方面的研究尚处于起步阶段。尚未见到 完整的微观交通模拟及显示系统。仅仅是对微观模拟中涉及到的 各部分内容进行了理论的研究，例如司机的驾驶行为、路径选择 行为、交叉口控制方式、对高速公里基本路段车辆行驶的模拟等 都有一些相关的研究成果。 下面主要对国外的成型的模拟系统t r a f n e t s i m 系统、 t r a n s i m s 系统、p a r a m i c s 系统进行一些比较与分析。 一t r a 卜n e t s i m 系统 ( 一) 优点： t r a f n e t s i m 中交通阻塞对车流造成的影响可以较详细的方 式模拟出来。无论是路口的车流量还是各条道路的车流量，无论 是某小片地区还是整个公路网的运行情况，都能测试出来。 ( 二) 缺点： 有些交通行为不能为现有的包括t r a f n e t s i b l 在内的模型所 描述，特别是车辆如何越过障碍以及如何在道路阻塞时选择其它 通路的机制。 二t r a n s i m s 系统 ( 一) 优点： 模型简单，没有加速模型，只有速度模型，通过速度模型反 映车辆的跟随、加速、减速等驾驶行为；车道变换模型也较为简 单。 第二章周内外研究现状 ( 二) 缺点： 1 在有信号交叉路口，有可能产生左拐车辆同对向行驶的车辆发 生相互穿过的现象； 2 无信号交叉路口中，由于交叉路口中没有网格，因此会发生车 辆直接跳过交叉路口的现象，没有中间拐弯的状态。 总之，该系统在网络线上对实际状况模拟的效果较好；而在 交叉路口模拟的效果不太好。 三p a r a m i c s 系统 ( 一) 优点： 1 对实际情况模拟效果比较真实； 2 交叉路口中，车辆有渐拐的模拟现象。 ( 二) 缺点： 系统的模型复杂，计算量大； 四结论 通过对t r a f n e t s i m 系统、p a r a m i c s 系统和t r a n s i m s 系统 的比较和优选，本模拟系统可分别借鉴这三种系统的优点。也就 是说，整个系统结构采用p a r a m i c s 系统模型为基础，核心技术采 用t r a n s i m s 系统的技术，如速度模型和变换车道模型也采用 t r a n s i m s 系统的模型；而交叉路口的模型则借鉴t r a f n e t s i m 系 统的思想，并根据我国实际情况来修正该模型。 北方交通大学硕一i 毕业论文 第三章系统概述 第一节系统目标 本系统要实现的目标是：开发后的成果能被政府部门和有关 研究单位使用，能使交通管理部门方便地操纵模型，并通过计算 机直观地显示不同交通管理方案的效果，辅助交通管理决策。 根据以上目标，本系统应具有的功能有： 1 通过在计算机上动态模拟单个车辆在路段及交叉路口的行驶行 为，能够真实再现所选定道路的交通流实时动态变化状况，模 拟机动车在路口、路段相互干扰的行驶状况。 2 在简洁、明了、自然的屏幕菜单向导下，通过人机交互方式修 改控制参数( 红绿灯控制方式及绿信比，路口的通过特性参数， 路段的准入、准出口参数等) ，确定信号配时、排队长度、延误 等因素的模拟关系，再现修改控制参数后的交通流实时动态变 化状况，包括车流在路段和路口的运动规律。 3 能够在动态模拟过程中实时记录、显示各种车流量统计数据， 并能以图形及表格的方式显示或打印输出。 第三章系统概述 第二节系统构成及模块功能 城市道路交通流计