（系统工程专业论文）城市微观交通流的模型建立与仿真研究.pdf

摘要 以前的研究主要集中于宏观模型，讨论交通流量及密度的变化。现 在，由于高速运算计算机的发展以及交通仿真的需要，研究热点逐渐转 移到微观仿真模型。微观交通模型在每一时刻均计算每一辆车的位置、 车速、加速度等特性，可为交通管理和仿真提供详细的信息。 本文以微观交通建模和城市微观交通仿真为研究重点，主要完成了 如下工作： 1 进行了基于高层体系结构的城市微观交通仿真系统研究，提出了用高 层体系结构开发城市微观交通仿真系统，构造了城市微观交通仿真组 网联邦模型，实现其初步的分布式仿真。论述了基于粗糙集分类的联 邦成员模型，以及联邦的开发过程和联邦f o m s o m 结构。最后对系 统进行了初步仿真，并对结果进行了分析和比较，得到了用h l a 技 术开发城市微观交通仿真系统是一种可行的方法这一结论。 2 建立了基于a r c g i s 的城市道路仿真模型，通过对现有城市道路模型 的分析，提出构建城市道路的三维仿真模型。利用a r e g i s 软件，针 对道路几何模块，建立了基于节点、路段、节段和路面的二维和三维 模型，同时也兼顾了交通检测模块和控制管理模块。与其它道路模型 比，该模型能更准确、细致地反映道路网的拓扑关系和道路几何条件。 3 建立了基于交通流参数统计分布的发车模型，并根据实际测量情况， 将含有车辆数、时间、概率三个变量的泊松分布得出在微观交通仿真 中使用的发车模型，并给出计算机实现的算法；建立了在v i s s i m 环 境下的行为阈值换车道仿真模型，并且应用计算机对模型进行了仿真 研究，结果表明本研究所建模型能够比较真实的描述城市道路的车辆 换车道特性。 4 进行了基于驾驶行为的车辆跟驰模型仿真参数研究，利用多层次灰色 评估方法，对驾驶行为作了初步的研究，并对a p 模型中基于驾驶行 为的仿真参数进行了标定，通过仿真试验，得到了基本与实际交通流 广东工业大学工学硕士学位论文 相符合的仿真模型。 关键词：城市交通；微观仿真；道路模型：发车模型：换车道模型 跟驰模型 a b s t r a c t i nt h e p a s tt h er e s e a r c hm a i n l yf i x e da t t e n t i o no nt h em a c r o s c o p i c m o d e l ，w h i c hd i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ec h a n g eo ft r a f f i cs t r e a m f l o wa n dd e n s i t y b yr e a s o no ft h e h i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r s c i e n c ea n dn e e do ft r a f f i cs i m u l a t i o n 。t h e f o c u si st r a n s f e r r e dt o m i c r o s c o p i cm o d e l s m i c r o s c o p i c m o d e lc a l c u l a t e s p o s i t i o n ，s p e e d a n d a c c e l e r a t i o no fe v e r yv e h i c l ea te a c hm o m e n t i tc a no f f e r g r e a td e a l o f i n f o r m a t i o nt ot r a f f i cm a n a g e m e n ta n ds i m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nm i c r o s c o p i ct r a f f i c m o d e l i n ga n du r b a n m 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 t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 t h es e c o n d c h a p t e rp r e s e n t s an e wm e t h o d ，a d o p t i n g h i g h l e v e l a r c h i t e c t u r e ( h l a ) t e c h n o l o g y f o rd e v e l o p i n gu r b a nm i c r o s c o p i ct r a f f i c s i m u l a t i o n s y s t e m s ，w ed e v e l o p e d af e d e r a t i o n p r o t o t y p e o ft r a f f i c n e t w o r k ，w h i c hc a nb a s i c a l l yi m p l e m e n td i s t r i b u t e ds i m u l a t i o no ft h e u r b a nm i c r o s c o p i ct r a f f i cs y s t e m w ed i s s e r t a t e dt h et h e o r yf o rf e d e r a t e m e m b e r sb a s eo n r o u g h c l a s s i f i c a t i o n m e t h o d ，i n t r o d u c e d t h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so f f e d e r a t i o na n da l s ot h ef e d e r a t i o n0 b j e c tm o d e l ( f o m ) a n ds i m u l a t i o n o b j e c tm o d e l ( s o m ) i na d d i t i o n ，w e p e r f o r m e de l e m e n t a r ys i m u l a t i o nh e r e i n ，w h o s er e s u l t sa r ec o m p a r e d a n d a n a l y z e d w h i c hs h o w st h a t i ti saf e a s i b l e a p p r o a c ht o r e s e a r c ha n d d e v e l o pu r b a nm i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e m sw i t hu s i n g h l a 2 a f t e ra n a l y z i n go fc u r r e n t l ye x i s t i n gu r b a nt r a f f i cm o d e l ，i nt h et h i r d c h a p t e rt h en e w u r b a nt r a f f i co ft h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e li s p u tf o r w a r d b y a r c g i sw cc r e a t e dt h et w oa n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s w i t hn o d e ，s e c t i o n ，s e g m e n t ，l a n ea sf u n d a m e n t a le l e m e n t s a tt h es a m e t i m e ，t h em o d u l e so ft r a f f i ci n s p e c t i o na n dc o n t r o la d m i n i s t r a t i o na r e i n t r o d u c e dt o o c o m p a r i n gw i t hf o r e p a s s e du r b a nt r a f f i cm o d e l ，t h e s e h i j 乐i 业大学工学硕士学位论文 m o d e l sg i v eam o r ea c c u r a t ea n dm o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h er o a d n e t w o r kt o p o l o g ya n dg e o m e t r y , a n de s t a b l i s hs o l i df o u n d a t i o nf o rt h e t r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e l s sf a c t u a l l y r e f l e c t i n gt h en e t w o r kt r a f f i cs t a t e 3 a f t e ra n a l y s i so fp r o b a b i l i t y & s t a t i s t i c so ft r a f f i cf l o w i nt h ef o u r t h c h a p t e r ，f i r s t l y ，w eb r i n gf o r w a r dt h es e c t i o nv e h i c l ed i s p a t c hm o d e l a n dv e h i c l ea r r i v a l m o d e l ，w h i c h d e r i v e sf r o m u s i n g p o i s s o n d i s t r i b u t i o nb a s i n go nt h r e ep a r a m e t e r si n c l u d i n gv e h i c l en u m b e r ，t i m e a n dp r o b a b i l i t yi nm i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o na c c o r d i n gt of a c t u a l m e a s u r i n g d a t a m o r e o v e rw e g i v e t h e a l g o r i t h m f o r c o m p u t e r r e a l i z a t i o n s e c o n d l y , w ec r e a t e dl a n ec h a n g i n gm o d e li nv i s s i mb a s e d o nb e h a v i o r a lt h r e s h o l d t h i sp a r tb u i l d s u p ab e h a v i o r a lt h r e s h o l d m o d e lf o ru r b a nr o a dc o n s i d e r i n gt h er e a l i t yo fc h i n a u t i l i z i n gt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h es t a t i s t i c a la n a l y s i st h em o d e li sv a l i d a t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h em o d e lr e f l e c t sc h a r a c t e r i s t i c so fc a rl a n e c h a n g i n go nu r b a n r o a d 4 i nt h ef i f t h c h a p t e rw ei n t r o d u c e t h a tv e h i c l ef o l l o w i n gs i m u l a t i o n m o d e l i th a sb e e n b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nt r a f f i c e n g i n e e r i n g a n di n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m t h ek e yp o i n t i n r e s e a r c hi sa b o u tm e a s u r e m e n to fd r i v i n gb e h a v i o r i nt h i sp a p e r ，w e p e r f o r m e dt h ep r i m a r ys t u d yo f t h ed r i v i n gb e h a v i o ru s i n gt h ea h pa n d g r a ye v a l u a t i o nt h e o r y w ec a l i b r a t e dt h ep a r a m e t e r so f t h ea pm o d e l b a s i n go nd r i v i n gb e h a v i o r a n ds i m u l a t e d ，f i n a l l yw eg a i nt h es i m u l a t i o n m o d e lm a t c h i n gw i t ht h er e a lt r a f f i cf l o w k e y w o r d s ：u r b a nt r a f f i c ；m i c r o c o s m i cs i m u l a t i o n ；r o a dm o d e l ；s e c t i o n v e h i c l ed i s p a t c hm o d e l ；l a n e c h a n g eb e h a v i o r ；c a r - - f o l l o w b e h a v i o r i v 1 1 系统仿真的概念 第一章绪论 仿真是指对真实事物的模仿。“仿真”一词另外一个常见的提法是“模 拟”。根据“国际标准化组织( i s o ) 标准”中数据处理词汇部分名 词解释，“模拟( s i m u l a t i o n ) ”与“仿真( e m u l a t i o n ) ”两次的含义分别 为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系 统来表示它们的过程；“仿真”即用另一数据处理系统，主要是用硬件来 全部或部分的模仿某一数据处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的 系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。鉴于目 前实际上已将上述“模拟”和“仿真”两者所含的内容都同归于“仿真” 的范畴，而且都是用英文s i m u l a t i o n 一词来表达，因此，本论文所讨论 的仿真概念也就这样泛指。 系统仿真则是模仿现有系统或未来系统运行状态的一种技术手段。 这里所说的系统是广义的。系统是指相互联系又相互作用着的对象之间 的有机结合。这种比较概括的含义包含所有工程的及非工程的系统。机 械、电子、水利、声学系统等都属于工程系统；社会、经济、交通、管 理系统等都属于非工程系统。 系统的分类方法很多，其中最重要的种分类方法是按其状态变化 是否连续分为连续系统和离散系统两种。 若一个系统的状态是随时间连续变化的，就称为连续系统。这类系 统的动态特性可以用微分方程或一组状态方程来描述，也可以用差分方 程或一组离散状态方程来描述。无论是用微分方程还是用差分方程来描 述，只要实际状态变化是连续的，都应归为连续系统一类。究竟采用哪 一种方法描述，取决于研究者是对系统状态随时间连续变化的整个过程 都感兴趣，还是仅对某些时间点感兴趣，或者是所能得到的数据资料仅 仅限于某些时间点。例如，在一些社会经济系统中。往往所能得到的统 计数据也只能按月、季度，甚至按年的，尽管这类系统实际的状态变化 第1 页 广东工业大学工学硕士学位论文 是连续的，但也只能用差分方程来描述。 另外还有一种系统，其状态变化只是在离散时刻发生，而且往往又 是随机的，通常用“事件”来表征这种变化，所以又叫离散事件系统。 在工程系统和非工程系统中都有许多这类系统，如通信系统、交通管理 系统等。这些系统通常规模庞大、结构复杂，一般很难用解析法求得结 果，因此，更有必要用系统仿真技术系统分析或设计。 系统仿真研究的目的在于对现有系统或未来系统的行为进行再现或 预先把握。当人们需要了解某一系统在特定条件或环境下的运行状态时， 将该系统置于该特定条件或环境下，对系统本身作完攘的实际运行，当 然可以得到系统的运行特性和主要参数，但是，这往往需要付出昂贵的 代价。而对于某些正在设计的系统，如规划的道路网系统、社会经济系 统或具有灾难性后果的系统，如道路交通事故的再现等，甚至根本无法 进行系统的实际运行。于是，对系统进行仿真研究，在不需要现有参数 参与或未来系统存在的情况下，利用仿真模型进行仿真实验，通过对仿 真结果的分析、对比和评估来获得系统的行为表现，无疑是一种经济可 行的方法，并已引起人们的广泛关注。 因此，系统仿真的概念可以表述为：所谓系统仿真，是以控制论、 相似原理和计算机技术基础，借助系统模型对现有系统或未来系统进行 实验研究的一门综合性新兴技术。利用系统仿真技术，研究系统的运行 状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得 到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断现有系统 或未来系统的真是参数和真是性能，这个过程称之为系统仿真过程。 从上述论述可以看出，系统仿真具有如下特征： 1 系统仿真是一种有效地“实验”手段，它为一些复杂系统创造了 一种计算机实验环境，使系统以往的和未来的行为及其长期动态特征， 能在极短的时间内在计算机上得到重现和预见。 2 为了有效地进行仿真实验，需要建立仿真模型。仿真模型是对实 际过程或实际问题的抽象和简化，通常包含系统中的逻辑关系和数学关 系。 3 系统仿真的输出结果是在仿真运行过程中，有仿真软件自动的、 第2 页 第一覃绪论 不断的对系统行为和系统状态进行观察和统计得出的。每次仿真运行只 是对系统行为的一次随机抽样，因此，一次完整的仿真实验往往由多次 独立的重复仿真运行所组成。 4 系统仿真的目的通常是要对具有多种随机因素的复杂系统做出 综合评估。而仿真对于现有系统或未来系统而言，每一次仿真计算的结 果，都只是基于仿真实验所使用样本的随机抽样。因此还需要通过必要 的统计推断，才能得出对现有系统或未来系统真实性能的估计。 从科学领域上划分，系统仿真是运筹学的一个重要分支，它与线性 规划和网络技术一起并称为运筹学的三大支柱。在复杂系统的求解中， 系统仿真具有如下优点： 1 许多复杂的、受多种随机因素影响的系统，往往很难用数学模型 进行精确的描述，或者即使建立了相应的数学模型，也无法求解。系统 仿真则可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向系统的实际过程 和系统行为来构造模型，从而得到复杂随机系统的解。这是系统仿真技 术得以广泛应用的最基本的原因。 2 系统仿真具有直接面向问题的特点，这使得仿真模型与实际过程 在形式上和内容上有着对应性和直观性，从而避免了建立抽象数学模型 的困难，大大简化了建模过程，使仿真研究的注意力可以集中在所讨论 问题或过程本身。由于这一特点，使广大的非计算机专业的人员都能成 为系统仿真技术的直接使用者。 3 应用系统仿真技术，可以直接控制实验条件或输入参数，得到系 统的不同结果或考察系统的极限状态下的特殊行为。当有多个备选方案 时，还可以从中进行选优。因此，系统仿真为系统分析和决策人员提供 了一种有效的实验环境。 然而，任何事物都不会十全十美，系统仿真技术也存在着固有的缺 点，如： 1 仿真实验需要进行大蠡独立的、重复的运行，需要占用较大的计 算机内存并耗费较多的机时。 2 系统仿真本身不具有优化功能，每次仿真实验只能给出实际问题 的一个可行解，而要获得问题的最优解或满意解，通常需要进行反复多 第3 页 妄童三些盔耋三兰塑圭耋堡兰三 次的仿真实验，因此带有枚举法的弱点。 3 构建仿真模型是直接面向问题的建模过程，对于同一个实际问 题，由于建模人员自身素质的差异或对问题的把握了解的深度不同，往 往会构造出不同的仿真模型，其仿真运行结果自然也就不同。因此，仿 真建模常被称为非精确建模，从某种意义上说，仿真建模是一种“艺术” 而不是技术。 1 2 交通系统仿真的定义及其分类 w i h e i ml e u t z b a c h 和r a i n e rw i e d e m a n n b i 将交通仿真定义为用数学 模型复现交通流时间和空间变化的技术。也就是利用计算机技术，对所 研究交通系统的结构、功能、行为以及参与交通控制者一人的思维过程 和行为特征进行比较真实的重现。 根据以上定义可知，交通仿真的关键点在于数学模型，而模型是交 通系统某种特定性能的一种抽象形式，用来描述系统的本质和内在关系。 对于交通仿真模型而言，依据其技术实现的手段可将它分为三个基本类 别：宏观、中观和微观模型【2 1 。 宏观交通仿真：对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个较低 的程度，适用于描述系统的总体特性。例如，交通流可以通过流密度关 系等一些集聚性的宏观模型来描述。像车辆的车道变换之类的细节行为 可能根本就不予以描述。 中观交通仿真：对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。例 如，中观交通仿真模型对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为单 元的，能够描述队列在路段和节点的流入流出行为，对车辆的车道变换 之类的行为也可以简单的方式近似描述。 微观交通仿真：对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高，并 试图通过真实反映系统中的所有个体的特性来反映系统的总体特性。例 如，微观交通仿真模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车 辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为等微观行为都能得到较真实的 反映。 第4 页 第一章绪论 随着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 智能交通系统) 技术的 提出，微观交通仿真更是成为热点。而这些微观仿真模型中又以描述司 机在不同交通信息、道路信息下驾驶反应的微观生理心理模型居多，并 取得了长足的发展而日趋完善。如w i e d e m a n n 模型【3 1 ，c a r s i m 跟车模 型【4 1 ，m r s 模型【5 1 ，a a s i m t 6 1 模型等。这是因为人们认识到无论多复杂 的交通流，都是由单个的人车单元在不同的道路信息，周围的车辆信息 下，遵循一定的反应机制，相互作用，相互影响形成的。与宏观的仿真 模型不同，它完全不用考虑具体的交通流情况如何，也不必关心复杂交 通流下紊态多变杂乱无章的交通流参数，将宏观的交通流分割成一个个 相对独立的人车单元，这一个个人车单元获取其周围相关车辆的相关信 息，由模型加工处理，生成自身的驾驶策略。这些人车单元在宏观上会 自然形成实际的交通流。 现在的微观仿真模型的应用范围越来越广，不仅可以应用于基本路 段，还可以应用于匝道，交织区，甚至于极度开放，复杂的路网。当然， 宏观仿真模型也有自己的优势所在，不仅研制费用低，相对于微观仿真 模型，其仿真结果的相对灵敏度低，不会因模型中某一参量的失真而造 成仿真结果上的重大失真。 1 3 交通系统仿真技术在国外的发展与现状 国外的交通仿真研究发展阶段基本上经历了2 0 世纪6 0 年代、7 0 年 代至8 0 年代以及8 0 年代末9 0 年代初以来的3 个较为明显的发展阶段。 2 0 世纪6 0 年代：国外交通仿真研究始于2 0 世纪6 0 年代，其中 t r a n s y t 7 罐】和g e r l o u g h 9 】交通仿真软件是当时最具代表性的成果。 t r a n s y t 模型是由英国的d l 罗伯逊于1 9 6 8 年提出，以后又经历了8 次修改。它是一种宏观仿真模型，用以确定定时交通信号参数的最优值。 这一时期的交通仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为应用目的， 模型多采用宏观模型，模型的灵活性和描述能力较为有限，仿真结果的 表达也不够理想，这也是由当时的计算机性能所决定的。 2 0 世纪7 0 一8 0 年代：由于计算机的迅速发展，交通仿真模型的精 第5 页 厂东工业大学工学硕士学位论文 度也迅速提高。功能也更加多样。这期间的典型代表当属n e t s i m l l o i 1 1 模型。该模型是一个描述单个车辆运动的、时间扫描的网络微观交通仿 真模型，其对城市道路的交通现象的描述精度达到了一个新的高度。大 部分常见的交通现象如跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行 人冲突、短车道溢出等，以及常见的交通控制管理措施如固定信号控制、 感应控制、主次优先控制、车道关闭等均可通过仿真软件进行模拟。评 价指标除了常规的延误、速度、行程时间、排队长度等常规指标外，还 可描述诸如排队溢出、油耗、废气排放等指标。另外，模型对道路几何 条件的描述也更为灵活。n e t s i m 模型经过多次的版本升级，其功能日 趋强大，广泛应用于交通控制与管理系统方案优化、交通设计方案优化 以及交通工程相关领域的理论研究方面，至今为止，n e t s i m 模型仍是 目前应用最为广泛的仿真模型。 2 0 世纪8 0 年代末及9 0 年代初：随着国外i t s 研究的日益升温，世 界各国都展开了以i t s 为应用背景的交通仿真软件的研究，并达到了交 通仿真研究前所未有的高潮，出现了一大批的评价和分析i t s 系统效益 的仿真软件系统。其中比较典型的有：美国的u r b a n s i m 、m i t s i m u 等 系统，见【1 2 2 3 】；英国的c o n t r a m t 24 1 、s a t u r n 2 5 i ：德国的 m i c r o s i m t 26 1 、m i s s i o n t 2 7 。2 引；法国的n e m i s 、s i m d a c ；日本的 m e l r o s e 、m i c t s t r a n ；澳大利亚的s i d r a 2 9 3 1 1 等等。表1 1 综合给 出了这批仿真系统的一些基本情况。 定量化评价和分析i t s 系统的效益，尤其是a t m s ，a t i s 系 应用领域 统中各种方案的效益评价。 描述的交车辆排队及溢出、车辆交织、交通事故、公交运行、行人冲车辆排队及溢出、车辆交织、交通事故、公交运行、行人冲 通现象和突、停泊车辆、天气状况、寻找停车场、自行车摩托车等。突、停泊车辆、天气状况、寻找停车场、自行车摩托车等。 对象 描述的交固定信号控制、自适应控制、匝道汇入控制、静态路径诱导、 通控制和动态路线诱导、事故处理、公交车优先控制、可变标志控制、 管理方式收费口、自动道路系统、无人驾驶车辆、停车地诱导等。 第6 页 第一章绪论 l 、运行效益指标：行驶速度、行驶时间、拥挤程度、行程 时间变化性、公交运行正常率等； 2 、安全性指标：车头时距、超车、车辆冲突次数、车辆与 行人冲突等； 评价指标 3 、环境指标：尾气排放量、路旁污染程度、噪声水平、空 气质量等； 4 、舒适性指标：乘坐舒适性等； 5 、技术性指标：油耗等； 软件的输大部分软件采用文本输入格式来描述诸如节点、路段、交通 入输出界信号、路径、车辆到达率等，但也有少数几个软件提供了路 面网拓扑结构和凡何数据的图形输入界面： 大部分软件可在p c 机或u n i x 系统上运行，有个别在v a x 硬件条件 和r e 6 0 0 0 机以及s u n 枫上运行。 路网大小从5 0 个节点、1 0 0 0 辆车，到2 0 0 个节点、上万辆 路网大小车，有的甚至可处理3 0 0 0 个节点、1 0 0 万辆车，但采用的是 并行处理机制。 取决于路网大小和计算机性能。一般来说仿真软件的运行速 运行速度度为实际时问的1 5 倍，更快一些可达到1 5 2 0 倍，但也 有慢于实际时间的。 基本的仿几乎所有的仿真软件均采用面向对象的编程技术，绝大部分 真技术采用了时间扫描的描述方式，且多为微观仿真。 表1 i ：典型交通仿真软件及模型 t a b l e1 1 ：t h er e p r e s e n t a t i v es o f t w a r ea n dm o d e lo ft r a f f i cs i m u l a t i o n 国外的这些优秀软件系统都已经经历了数十年的开发使用，均已比 较成熟。但由于发达国家与我国道路交通运行环境不同，主要体现在： ( 1 ) 国外的交通流主要为单一交通流，不存在大规模的非机动车流与机 动车的混行：( 2 ) 国外的车辆行驶比较规范，这就使得交通标志和道路 行驶的规则对驾驶员和行人有很强的约束作用；( 3 ) 国外车辆特性没有 很大的差异，因此不用考虑性能较差的车辆对整个交通的影响。因此我 第7 页 广东工业大学工学硕士学位论文 们不能完全照搬西方发达国家得这些交通仿真软件系统，而只能作为借 鉴a 同时，国外的仿真软件系统也存在仿真界面比较单一的弱点，仿真 界面大都为一些复杂专业的图表，或者是比较简单的二维几何图像。 1 4 交通系统仿真技术在国内的发展与现状 与国外相比，由于我国交通国情的限制，长期以来交通仿真并未引 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，我国也意识 到了在开展i t s 研究的重要性。与此同时，作为i t s 核心技术之一的交 通仿真也受到了极大的关注。其中同济大学开发了t j t s ( t o n g j i t r a f f i c s i m u l a t i o n ) 系统 3 2 1 ，该系统可以在给定的交通需求情况下，按照一定 的随机分布使车辆在其各自的产生点一辆一辆地进入路网，然后用时间 扫描法描述每一扫描时段内每一辆车在路网上行驶的情况直至车辆到达 目的地后从路网中消失。系统中的车辆是由相应的仿真模型来产生的， 如车辆的跟车行为、变化车道行为、在信号交叉口的排队等候、排队消 散、在公交站台的停靠等都是由相应的仿真模型来进行描述的。除了描 述车辆具体的行驶行为之外，该模型还包括对影响车辆行驶行为的约束 条件的描述，如道路的几何条件、路网的拓扑结构、交通控制管理方案 等。北方交通大学开发的n i t s ( n e t w o r ki n t e g r a t e du r b a nt r a m c s i m u l a t i o n s y s t e m ) 系统 3 3 - 3 4 是一个将交通流分配、交通控制、车辆运 行、路网结构和道路通行能力集成一体化，面向网络化的大规模城市交 通仿真系统。该系统对以下几个方面进行了重点研究：( 1 ) 面向大规模 城市交通的道路表示模型以及相应的微观车辆行驶模型；( 2 ) 微观层次 的配流、控制、运行集成化方案；( 3 ) 面向大规模路网，考虑各种管制 措施影响的车辆路径动态选择模型：( 4 ) 用并行算法对交通流进行计算 研究。 此外，我国研究学者也在交通仿真领域作了一些理论研究工作，其 中，西南交通大学的王太平重点研究了交通系统仿真及其在交通控制系 统中的应用：上海交通大学的刘天兵建立了宏观交通流分配仿真模型等 等。 第8 页 第苹绪论 总之，从国内的研究情况来看，因研究定位和重点的不同，其结果 各具特点和优势，但也存在着一些许多不足之处。主要表现为以下几方 面：( 1 ) 模型描述。例如没有描述超车现象、对车辆在近交叉口路段的 描述较为粗略、没有描述行人和自行车、没有描述全程路线选择、假设 了驾驶员对诱导信息的完全接受、没有描述公交车和其它具有高通行权 的车辆、模型不支持环交、对车辆的废气排放模式的描述需要进一步加 强、没有描述轨道车辆、没有描述区域性的自适应交通控制系统、没有 描述事故发生后的路线诱导、没有直接描述车道宽度的减少对车辆运行 的影响等等；( 2 ) 系统运行性能。例如大路网模型耗时太长、目前只能 在s u n 工作站上运行；( 3 ) 信息系统集成不足。已有的仿真软件与模型 大都局限于交通环境自身而言的，没有真正与g p s 和g i 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 ) 模型役有得到充分的标定； ( 5 ) 仿真界面单一。现有的仿真软件的仿真界面都很单一，大都为一些 复杂专业的图表，或比较简单的二维几何图像。不难看出，我国基于电 子、通信、网络以及可视化技术等现代技术的交通仿真系统正处于刚刚 起步阶段，尚存在许多空白之处。 1 5 交通系统仿真技术的前景与展望 据统计，近年国内城市小车平均保有量正按照每年1 5 以上的速度 递增，未来可能更快。而道路平均年增加量仅仅4 一5 ，道路的增长 远远赶不上汽车的增长。这表明，主要城市交通堵塞状况( 尤其是在上 下班高峰期间) 将有恶化的趋势。这种现象不但将成为一个全国性的难 题，而且对一座大城市来说也是一个必须长期面对的课题。这在经济较 为发达的珠江三角洲尤为突出。以深圳为例，其小汽车保有量以每年2 0 以上的速度不断膨胀，但是中心城区路网建设相对缓慢，全市路网交通 形势不容乐观。据预测，如果再不采取措施，深圳车辆出行总量在未来 3 年内将增长6 0 ，现有路网将面临“大堵塞”局面。事实上。随着全 国各地g d p 的增长，城市拥有的资源越多，就会更多地投入到基础设旌 建设尤其是交通上来。近三年来，作为华南中心城市的广州每年投入超 第9 页 广东工业大学工学硕士学位论文 过1 5 0 亿元进行城市改造，全面整治交通、绿化和环境。目前广州市区 道路总长2 0 0 0 多公里，交通堵塞大大缓解，市中心区道路的通行能力平 均提高了2 0 以上，机动车平均速度从原来的1 6 公里d 时提高至2 5 公 里d 时以上。而深圳近年来也投入巨资建设城市交通网络，全市现有市 政道路已有近千公里，公路通车里程近2 0 0 0 公里，其中公路网密度达 7 4 8 公里百平方公里。但土地资源是有限的，我们不可能无止境地去修 建道路。其实，改善交通仅仅依靠增设道路是不够的，政府除了随着城 市发展水平的需要对人们的交通需求加以有效的弓i 导，及时调熬路网结 构，大力发展公共交通，使其发挥更大的效用外，还必须逐步提高交通 管理水平、技术水平，尤其是在城市交通仿真过程中提高信息化水平和 科学决策水平。利用城市交通仿真平台，人们可以动态、逼真地观察交 通流和交通事故等各种交通现象，深入地分析车辆、驾驶员和行人、道 路以及交通流的交通特征，有效地进行交通规划、交通组织和管理等研 究。此外，通过仿真的方法，可以避免一些费用昂贵且周期长的交通调 查和现场试验，以很小的代价获得难以调查的数据，并再现多种交通现 象，是研究道路交通的有效手段，为城市交通的仿真提供理论依据。 对于现有的计算机交通仿真模型，主要开发于7 0 - 8 0 年代，由于当 时微机性能的影响，主要用在大、中型计算机以及工作站上；另外，由 于当时计算机软件发展水平的限制，仿真模型也主要采用面向过程的传 统的软件开发方法，大多数采用f o r t r a n 或专用的仿真语言为开发工具， 其界面简单粗糙，仿真模型也很难真正直观体现复杂的交通现象，系统 的交互性、通用性、可维护性、扩展性较差，随着计算机技术的飞速发 展，微型计算机性能的大大提高，软件开发技术的进步，特别是三维仿 真技术的成熟，采用最新的计算机技术进行仿真，已成为发展的必然趋 势。 随着相关技术的成熟和系统的实用化，交通仿真将扮演越来越重要 的角色。与此同时，还将带出庞大一批与计算机、通讯、自动控制系统、 汽车产业相匹配的效能电子电器通讯新产业，具有巨大的经济效益和社 会效益。可以预料这类仿真将成为2 l 世纪现代化地面运输仿真体系的模 式和发展方向，成为交通运输进入信息时代的重要标志。 第1 0 页 第一章绪论 1 6 本论文的主要研究工作 本论文来源于广东省科技计划项目：城市动态路径诱导微观可视化 三维仿真平台的研究与开发( 项目编号：2 0 0 4 8 1 0 1 0 1 0 4 0 ) 。本论文主要 着眼于仿真模型的建立及其验证，建立了如下子模型：道路模型、发车 模型、换车道模型、跟驰模型，并在此基础上进行了整个仿真系统的初 步研究。 本文主要介绍了以下几个部分： 第一章简要地叙述了与本文有关的背景状况； 第二章进行了基于高层体系结构的城市微观交通仿真系统的初步 研究； 第三章建立了基于a r c g l s 的城市道路仿真模型； 第四章建立了基于交通流参数统计分布的发车模型和基于 v i s s i m 仿真软件的换车道模型； 第五章进行了基于驾驶行为的车辆跟驰模型仿真参数研究 第1 1 页 = - - 。；。， 奎三兰盔兰三兰璺圭兰堡篁兰 第二章 基于高层体系结构的城市微观交通仿真 2 1 高层体系结构h l a 系统研究 随着计算机网络的广泛应用，城市微观交通仿真系统需要对网络有 很好的支持，高层体系结构( h l a ：h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 正是基于 此而诞生的。基于h l a 的城市微观交通仿真系统通过对车辆、行人、道 路、控制设备进行建模，在网络环境下按照标准接口规范可以实现大规 模的仿真推演，从而为各种用户提供准确、直观的信息服务。 h l a 3 5 1 是美国国防部d o d 于1 9 9 5 年提出的一个新的仿真技术框 架，其目的是为了解决在国防领域内所有类型的模型、仿真和c 4 i 的互 操作性和重用性问题，其显著的特点就是通过运行支撑环境( r u nt i m e i n f r a s t r u c t u r e ，r t i ) 提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将仿真应 用同底层支撑环境功能分离。2 0 0 0 年9 月h l a 成为i e e e 标准，即i e e e 1 5 1 6 。我们改进后的h l a 的结构如图2 1 所示。 超级联邦成员超级联邦成员超级联邦成员 联邦成员| | 联帮成员联邦成员i i 联邦成员联邦成员l l 联邦成员 丽嗣i 厩嗣厩嗣而翮而蚓i l f f 嗣 lflfiflflfll 运行时阆支撑系统r t i 通信网络l a n w a n 图2 1 ：改进的h l a 结构示意图 f i g u r e2 1 ：t h es t r u c t u r em 印o f a m e l i o r a t i v eh l a h l a 主要由三部分组成【3 6 。3 8 1 ： 第1 2 页 耋三耋量王奎呈竺垂篁垫墼篓要丝堡圣鎏望塞至釜至耋 1 h l a 规则( t h er u l e s ) ：h l a 共定义了十条规则，描述r t i 和联 邦成员的职责及关系，以确保一个联邦内仿真的正确交互。 2 h l a 对象模型模板o m t ( o b j e c t m o d e l t e m p l a t e ) ：o m t 定义了 描述h l a 对象模型信息的通用方法，它提供一种标准的纪录对象模型的 格式，及联邦对象模型f o m ( f e d e r a t i o n o b j e c t m o d e l ) 和仿真对象模型 s o m ( s i m u l a t i o n o b j e c tm o d e l ) 。 3 h l a 接口规范说明( i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) ：是对h l a 的运行 时间支撑系统r t i 的接口规范的描述。它定义r t i 的六大服务，即联邦 管理、对象管理、声明管理、时间管理、所有权管理和数据分发管理， 并确立在仿真中每个联邦成员必须提供的回调功能。 2 2 联邦设计 基于h l a 的城市交通微观仿真系统的开发和执行过程是一项复杂 的系统工程。美国国防部建模与仿真办公室( d m s o ) 提出联邦开发和 执行过程模型f e d e p ( f e d e r a t i o nd e v e l o p m e n ta n de x e c u t ep r o c e s s m o d e l ) 3 5 1 ，通过一定的步骤，把用户需要解决的问题从抽象的逻辑概 念初步转化为具体的物理实现。 在具体开发仿真系统时，我们设计了一种超级联邦成员，可以在其 基础上方便地扩展成符合或类似自己需要的联邦成员。通过分析总结， 分别设计了四个超级联邦成员：车辆类超级联邦成员、行人类超级联邦 成员、路段类超级联邦成员以及控制设备类超级联邦成员，它们是其他 联邦成员的原形。 2 2 1 联邦成员的设计 在联邦成员的设计方面，u l r i c h k l e i n ，t h o m a ss c h u l z e 等人曾采用 的方法是分别将信号灯、行人、汽车等建立成一个联邦成员【3 9 1 ，这样做 的结果是建立的联邦模型很简单，联邦成员数较少，但给控制每一个信 号灯的状态、汽车的行驶状态等带