（系统工程专业论文）城市快速路交通仿真系统路网建模技术研究.pdf

摘要 摘要 随着交通问题的日益严重和人们对交通效率、交通安全等要求的同益提高， 智能交通系统的研究在全世界范围内受到广泛重视。微观交通仿真能非常细致 地模拟交通系统的交通环境及车辆实体等构成要素，以单个车辆为基本单元对 交通流进行描述，是目前智能交通系统研究的重要分析、实验和评价工具。 本文以上海市科委2 0 0 6 年度设立的“上海城市综合交通信息平台关键技术 研究与开发 为背景，以“交通综合信息平台城市交通仿真构件技术研究”为 课题，在既定的交通控制与诱导方案下对路网交通进行动态描述，建立可视化 城市交通模型对之模拟仿真，基于对仿真结果的分析产生新的交通控制与诱导 方案。本文在平台的基础上，以上海南北高架等快速道路的路网建模为主要研 究方向，从对现存的交通路网建模技术的分析研究入手，完成了其中数个关键 路网模型的软件设计与实现。全文主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 课题简介与现状分析。介绍了本课题的产生背景和国内外微观交通系统 路网建模研究的现状；概述了城市快速路交通仿真系统体系结构。 ( 2 ) 建模理论与技术研究。介绍了数种类常用仿真软件的路网建模方法，并 对其特点及应用范围进行了分析；介绍了通用文件保存形式与仿真系统间转换模 块的设计与实现；介绍了路网建模中的基本软件设计思想；详述了城市快速路交 通仿真系统的道路及相关元素的建模方法。 ( 3 ) 模型在交通仿真系统中的应用。将设计的道路模型运用于城市快速路交 通仿真系统，通过软件对模型参数进行修正，验证了模型的总体性能和路段性能； 指出模型设计中的不足和进一步研究发展的方向。 关键字：路网建模、地理信息系统、模型导入与存储、模型应用 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h et r a 伍cp r o b l e m sa n dp e o p l e sd e m a n do ft r a 艏c e f f i c i e n c y , t h er e s e a r c ho fi n t e l l e c tt r a n s p o r t a t i o nh a sb e e na c c o r d e dg r e a ti m p o r t a n c e i nt h ew o r l d 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 ns y s t e ms i m u l a t e st h et r a f f i ce n v i r o n m e n t a n dv e h i c l e sv i v i d l y b yt h eb a s i cu n i to fav e h i c l e ，t h i sk i n do fs y s t e mh a sb e e no n e o ft h em o s ti m p o r t a n tt o o l si nt h ef i e l d so fi n t e l l e c tt r a m cr e s e a r c h t h ed e b u to fm i c r o s c o p i ct r a 街cs i m u l a t i o nm o d e l sp r o v i d e sa ne f f e c tw a yt od o t r a m cr e s e a r c hw o r k a n dh a sb e c o m eo n eo fh o ta r e a si nt r a f f i cs i m u l a t i o nr e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do n “r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fk e yt e c h n o l o g i e si n u r b a nt r a f j f i ci n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o n n ”a n dt a k e s “r e s e a r c ho ft r a f f i c i n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o r mu r b a nt r a f h cs i m u l a t i o nc o m p o n e n tt e c h n o l o g y ” a sat o p i c b a s e do nt h ei n f o r m a t i o na n dd a t ap l a t f o r m ，t h ep r o j e c t st a r g e ti st om a k e v i s u a lt 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 ne x p e r i m e n t sa n dt h et r a f f i cg u i d es c h e m e b e y o n dt h e s ee x p e r i m e n t s t h em a i no b j e c t i v eo ft h ea r t i c l ei sr o a dm o d e l i n go f n o r t h - s o u t hh i g h w a yi ns h a n g h a i o nt h eb a s i so ft h ep l a t f o r m ，t h ea r t i c l ef i n i s h e d s e v e r a lk e yr e s e a r c h e si nr o a dm o d e l i n ga n dt h ee v a l u a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o ni n s o f t w a r e t h ew h o l ea r t i c l ec o n t a i n st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h ei n t r o d u c t i o na n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h es u b je c t w ei n t r o d u c e dt h e b a c k g r o u n da n ds i t u a t i o no ft h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc u r r e n t l ya th o m ea n da b r o a d ( 2 ) 1 1 1 er e s e a r c ho fm o d e l i n gt e c h n o l o g y w ei n t r o d u c e ds e v e r a lk e ym o d e l i n g w a y si nc u r r e n tc o m m e r c i a is o f t w a r ea n da n a l y z e dt h e i rc h a r a c t e ra n du t i l i z a t i o n w e i n t r o d u c e dt h er o a dm o d e lt r a n s l a t i n gt e c h n o l o g yf r o mc o m m o ng i sf i l e st oo u r s y s t e ma n dt h eu s a g eo fs o f t w a r ec o m p o n e n tt e c h n o l o g y a n dw es p e c i f i e dt h e m o d e l i n gt e c h n o l o g yo fr o a d sa n dv e h i c l e si nc i t ys i m u l a t i o ns y s t e m ( c t s ) ( 3 ) t h er e a l i z a t i o na n de v a l u a t i o no fm o d e lt e c h n o l o g y w ea p p l yo u rm o d e l si n c t s ，o p t i m i z et h e mi nt h es o f t w a r ee n v i r o n m e n ta n dg a v ea s s e s s m e n to ft h ew h o l e s i m u l a t i o np r o c e s s w 色p o i n t e do u tt h ea d v a n t a g e sa n dd e f i c i e n c i e si nm o d e ld e s i g n a n dt h eo r i e n t a t i o no ff u r t h e rd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：r o a dm o d e l i n g ，g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，m o d e li m p o r ta n d s t o r a g e ，a p p l i c a t i o no fm o d e l s l l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担d 签名：张c 殳 j r 年弓月加日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：张暄 w 产5 矽日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 第1 章概述 第1 章概述 1 1 课题的产生和研究的背景 当今社会，交通运输与社会经济生活的联系越来越紧密，成为经济生活中 最为关键的要素之一。然而随着世界各国的汽车保有量不断上升，路网通行能 力越来越不能满足交通量增长的需要，由此引发的交通拥堵、交通事故、环境 污染以及能源浪费日趋严重，直接影响了人们的生活质量和经济的高速发展。 交通问题己成为全球共同关注的社会问题之一，而且越来越多的实践表明仅仅 依靠修建更多的道路无法从根本上解决交通问题。上个世纪9 0 年代提出了“智 能交通系统”( i m 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 ，i i s ) 的概念即应用信息技术和自 动控制技术向道路使用者及交通管理者提供帮助和服务的系统。i t s 的提出是交 通运输进入信息时代的重要标志，也是2 1 世纪交通运输的发展方向。建设i t s 将有望解决城市道路和城市间高速公路拥挤，提高道路通行能力，提高安全性， 减少环境污染和能源消耗等问题。 以排堵保畅为基本目标，上海市科委于2 0 0 6 度设立“城市综合交通信息平 台关键技术研究课题”，本课题以城市综合交通信息平台实时数据为基础，旨在 完成城市交通仿真机制、系统体系框架设计等关键技术突破。 围绕上海市科委的总课题“城市综合交通信息平台关键技术研究课题”的 研发目标和子课题“交通综合信息平台城市交通仿真构件技术研究”的任务要 求，本课题主要完成以下工作： 1 、以上海市城市快速路为基础，开发完成城市快速路仿真系统。 2 、以交通综合信息平台为基础，实现与g i s t 的无缝对接。 3 、以交通综合信息平台的实时数据为基础，通过二维- - 维技术，实现城市 快速路交通状况的实时仿真再现。 4 、结合对于交通综合信息平台的海量历史数据的分析，基于城市快速路交 通状况的微观交通仿真技术，实现对于定区域内的短时交通状态的预测。 第1 章概述 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 国外研究发展现状 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 s t e m s ，简称i t s ) 是在较完善的 基础设施( 包括道路、港口、机场和通信设施) 之上，将先进的信息技术、通 信技术、控制技术、传感器、计算机技术和系统综合技术集成并应用于地面运 输系统，从而建立起大范围内发挥作用的、实时、准确、高效的运输系统。 从上世纪6 0 年代末期，美国、欧洲、日本等发达国家为了解决共同所面临 的交通问题，相继开始投入大量资金和人力进行智能运输系统的研究试验，经 过近4 0 年的发展，全球正在形成一个新的i t s 产业。 1 9 9 1 年，美国国会通过了冰茶法案i s t e a ( i n t e f m o d a ls u r f a c et r a n s p o r t a t i o n e f f i c i e n c y a c t ) ，以立法形式确立了i t s 研究的地位。1 9 9 5 年3 月美国交通部首 次正式出版了”国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能交通系统的7 大领 域和2 9 个用户服务功能，并确定了到2 0 0 5 年的年度开发计划。其中7 大领域 包括：出行和交通管理系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车 辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。 欧洲的i t s 研究也有很长的历史，但是由于欧洲各国政府的分散投资和各 国的i t s 需求不一致，在整个欧洲建立统一的交通信息服务系统困难重重。然 而在开发先进的旅行信息系( a t i s ) ，先进的车辆控制系统( a v c s ) ，先进的商 业车辆运行系统( a c v o ) ，先进的电子收费系统方面，前景十分诱人。 r d s t m c 通过提供多种语言的信息服务为行驶司机提供即时的交通信 息。共有1 1 个成员国参加了该项目，目前已有德国、法国、荷兰等国开始提供 该项服务。欧洲在i t s 技术研发中特别关注导航和定位技术，e r t i c o 也是伽利 略卫星导航定位计划重要参与者之一。最近，e r t i c o 提出了i t s 要向综合服务 的方向发展，将其研发重点转向交通信息服务方式、导航技术以及公共交通管 理等方面。值得一提的是先进的公共运输系统( a p t s ) 研发工作，各国针对自 己的交通特点，研发了面向不同交通方式的管理系统。乜1 除了欧美以外，新兴的工业国家和发展中国家也丌始i t s 的全面开发和研 究，如韩国由建设交通部牵头制定了全面的i t s 框架结构和发展计划，新加坡 已经在全国开始推行不停车电子收费。世界各国纷纷开展i t s 的研究和开发， 2 第1 章概述 除了解决交通问题的原因之外，另个重要的出发点则是i t s 将成为继军事应 用之后高新技术最大的应用市场。 1 2 2 国内研究发展现状 实际上，我国智能交通事业近年来已经有了很大的发展，特别是在交通信 息检测方面，取得了较大的成绩。北京、上海、沈阳、长春等城市都引入了交 通自适应信号控制系统。目前符合汽车工业标准和中国法律的仅限京、津、沪、 穗，四个城市的汽车导航电子地图产品已投放市场，而且正以这四个城市为中 心向外拓展导航电子地图的覆盖空间。预计到2 0 0 5 年，覆盖全国大部分地区的 导航电子地图产品将面世。我国在大城市已开始进行a t m s 的管理和实践。清 华大学g p s 应用研究室的g p s 车辆导航和管理的研究成果已经应用到“移动机 器人导航”和“农业飞防导航 等领域，取得了良好效果。北京京惠达新技术 公司也开发出车船载电视、便携式计算机等g p s 引导系统。天津、北京已经建 立了无线电数据广播系统( r d s ) ，并随r d s 信号一起播发出g p s 的差分信号。 不少城市已经建立起交通指挥中心、先进的交通信号控制和车辆监控系统。i t s 的研究和应用发展非常迅速。近几年来国内还有不少单位研制开发车载导航系 统，并取得了一定的成果，如国家智能交通研究中心、深圳华强、武汉奥发、 南阳天星、华东师范大学、南京大学等都报道研究成功车载导航系统。但绝大 多数系统仅仅是基于g p s 定位的系统，缺少陀螺仪、速度传感器等装置，在g p s 信号被遮挡或者车辆停止运动时，车载导航系统不能正确工作。更为重要的是， 目前国内所有的车载导航设备都无法处理动态交通信息，所以不能对道路中的 交通堵塞、交通事故做出应急响应。 从总体上看，中国的智能交通系统处于刚刚起步的阶段，在行业范围内建 设的类似综合交通信息平台，满足不同的信息应用需求和应用目标，国内已有 一定数量的成功应用实例，如深圳以视频为主要手段的监控和信息服务平台、 宁波以车载g p s 为主要手段的交通状态信息平台等。建立综合交通信息为对象 的城市公共交通综合信息平台，在部分大城市已开始酝酿、并启动实施，如北 京、广州等制。 第2 章仿真系统路网建模及关键技术 对g i s 采样的蜿蜒道路分段拟合 a g 图2 8 对g i s 采样的蜿蜒道路的分段拟合 h 2 4 本章小结 本章对常见商业交通仿真软件的路网建模方法进行了比较和分析，介绍了 c t s 路网建模系统的一般设计方法和几个关键技术。 ( 1 ) 对s y n c h r os t u d i 0 7 、a i m s u nn g 、v i s s i m 的基本道路结构进行了分析， 指出了各种建模方法的特点。 ( 2 ) 减少了路网模型的软件设计方法。提出了路网模型的面向对象设计思 想；将经典设计模式o b s e r v e r 运用于路网的设计。 ( 3 ) 提出了道路曲线的拟合思想。利用2 3 阶的b 样条曲线运用于路网拟 合以提改善道路模型的视觉效果。 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 3 1c t s 路网建模方法概述 路网是仿真系统的骨架，路网的设计成功与否直接关系到仿真系统的运行 效率与真实程度。对于一个完整的系统而言，必须包括道路、交叉口、交通灯 等多种实体。模型的构建要便于仿真系统逼真地来模拟交通路网中的各种实际 交通行为，比如车辆的行驶、车辆的转向、交通灯控制变化、道路上流量的变 化等等。同时，为了达到微观仿真的目的，需要对各个实体在任意时刻的状态 能够观测、统计，以便于对整个路网的交通状况进行评价分析n 3 h 1 5 1 。 每个路网实体对应一个仿真对象模型，我们可以通过功能与属性的差别将 一个复杂的交通路网分化成一个个具体的对象模型。有些对象模型还可以再细 化为更低一层次的对象模型。总体上高层模型是由基本模型复合而成的，对每 一个宏观对象模型进行系统分解，划分子模型同时定义每一个子模型的功能， 就可以把交通路网中的一切实体以精确的对象模型表示出来n 引。 微观交通仿真系统时，着重考虑以下几点： l 道路模型作为整个复杂交通系统中各种交通要素及实体的载体，必须在 模型上力求真实可靠。 2 模型应具有良好的开放性和扩展性，便于以后功能模块的升级，比如新 的道路种类、新的路面属性等对交通有重要影响的模型的加入。 3 具有良好的性能，在计算机中尽可能占更少的资源，为仿真和预测等上 层系统的运行提供更大的空间“7 1 8 3 。 本章提出的城市快速路交通路网模型将面向对象建模技术应用于交通路网 的建模。在该模型中，交通路网中的实体按照层次关系抽象为逐层继承的对象 模型，模型直接与客观实体相对应，缩小了模型与实际系统间的差距，增强了 仿真研究中的直观性；同时，高层对象模型同时拥有低层对象模型以及与该模 型自身之间的连接关系，从而改善了仿真对象模型的可重用性，提高建模工作 的效率和质量。 图3 1 为该路网基本类结构图，该路网模型已经在上海市科委0 7 年城市交 1 6 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 通仿真平台中得到应用。以下章节对路网设计思想进行较为详细的介绍。 图31 路网粪设计结构图 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 现实中的每条道路都可以认为是由路段组合而成，这样可以把路段抽象为 一个对象模型。于是，道路模型( r o a d ) 可以划分为许多路段子模型路段( s e g m e n t ) ， 这样做既增强了模型与交通实体的对应关系又提高了模型的可重用性。 每条路段都有相反的两个通行方向，而相反的两个方向上的交通流、车道 组合等等交通状况并不相同n 引。由于微观仿真的需要，每个路段模型再细化为 两个子模型，它是一个抽象的对象，比照实际的交通路网可以认为是路段上趋 向一个方向的交通状况。 车到代表的是路段上某一个个方向上的交通情况，它是所有车辆模型的载 体，也是路网模型的基本单元啪1 。所以，一个完整的路网模型可以认为是车道 模型的聚合，而路网对车辆所有的约束关系归根结底即为车道方向矢量对车辆 运行方向的约束。 ， 连接路路是对节点模型的一种优化，连接道路继承了道路所有的地理信息 属性，它可以根据需要任意修改形状，连接道路的基本组成单元仍然是车道 ( l a n e ) 。另外，由于连接路是对节点模型的改进，它也继承了节点模型中对路口 的限制参数，与节点模型类似，车辆在交叉口内运动时，根据它行驶距离于数 据道路的对应关系计算它和冲突车辆到达冲突点的时间，先到达冲突点的车辆 具有较高的优先级。每一步运行都搜寻最近的不可通行的冲突点，并在该点前 停车，如果所有的冲突点都可通行，则按正常速度行驶。 城市交通仿真系统( c t s ) 中的基本路网类型有两种：基本道路与连接路。道路 用于非连接段的普通路网模型，其中包括以下几类属性： l 道路i d 信息。包括道路i d ，名称，类型等道路主要识别信息。 2 地理信息。包括起始坐标，结束坐标，起点高度，终点高度等。 3 车辆相关信息。包括通行类型( 单向双向) ，最大通行能力，最大d , 速 度，车辆种类限制等。 4 车辆始发点采集点相关信息。记录的路网发车点( 车辆产生点) ，车辆速 度采集统计点等。 5 交通设施位置信息。包括信号灯位置、限速区位置、引导牌位置等。 连接路包括所有基本道路的属性，另外还包括： 1 道路连接关系。连接关系的数量与连接路的车道数相等，记录连接的普 通道路的i d 信息。 2 连接起始点，结束点。记录连接点在所属普通道路中的位置。 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 3 连接道路通行规则。用于路口等特殊区域的通行规则的描述。 结合图3 1 ，道路类主要包括以下方法： ap r o t e c t e do v e r r i d ev o i di n i t r o a d 0 道路初始化方法，根据建模时用户输入的参数，构造道路的基本结构。包 括：道路宽度的生成，路段车道的生成。 bp r o t e c t e do v e r r i d ev o i dr e s e t a l l l i n e s 0 道路线段的重置。根据设定的道路边线，轴线的参数重新计算线宽、间隔 等参数，将计算结果存至类的成员变量，在绘图时调用。 cp u b l i co v e r r i d ev o i dr e s c a l e ( f l o a ts c a l e ) 道路缩放方法，供绘图工具p a i n t r o b o t 直接调用。方法中重新计算了道路 各个边界点和轴点，也重新计算了路网比例参数。 dp u b l i co v e r r i d ev o i dd e l e t e r o a d 0 道路删除方法，供绘图工具p a i n t r o b o t 在删除时调用。方法中先对道路的 类型进行判断，若为道路为连接路则直接删除，若为普通道路，则将与它相关 的连接道路同时删除。 ep u b l i co v e r r i d ev o i da d d r o a d h e a d t o l i n k r o a d ( r o a dc o n n e c t r d ) 将普通道路的道路头( 轴点) 加至连接路，该方法在道路绘图或者结点合 并时调用。方法首先取得道路第一个结点的坐标与高度信息，再将坐标信息导 入连接路的结点列表以建立关联关系。 3 2 车道合并与交叉路口建模 基于道路连接的网络模型有着直观、高效、操作便捷的特点。以下介绍了 几种常见的路网建模实例： l 一般车道合并模型 图3 2 为车道合并前的路网，这类道路通常出现在高架道路，2 车道道路为 上闸道与原来的4 车道合并后形成6 车道道路。在c t s 中，我们先建立2 车道 闸道4 车道和6 车道主干道，并设置其起点终点属性信息；再用两段连接路分 别进行4 车道连接和2 车道连接，如图3 3 所示： 1 9 第3 章城市快速路交通仿真系统模耻设计 图32 待连接的闸道与干道图33 通过连接路合并后的道路 c t s 采用的合并道路模型主要有以下优势。首先，由于连接道路本身比较 灵活，可以建立比较长的连接段，使得道路总体比较接近真实情况，具有较好 的视觉感受。第二，采用的连接段由于具有普通道路的属性，可以方便地设置 信号灯、指示牌和其他交通设施。第j ，模型的扩展性能比较强。如果需要更 改车道或者更改车道的连接方法，只需要直接埘连接道路的端点属性进行修改， 而不会影响周围的相关道路。 2 一般交叉路口模型 交叉路口模型一直是交通建模中个比较复杂的问题，结点模型在交叉路 口中往往有灵活性不足的问题。如罔3 4 ，c t s 采用的道路连接方注和交叉路口 设置使其与在外观上与实际道路更加接近；35 为该路口的内部逻辑关系图，通 过逻辑关系图也可以直接对各条连接进行设置和修改。 图34 交叉路口外观图图35 交叉路口内部连接结构 交叉路口的连接模型与v i s s i m 的连接方式类似，从连接路的连接方式上可 以直接看出车辆在交叉口的运动方向。对于有信号灯的交叉口而言，需要对信 号灯进行编组，将同一方向对应位置的信号灯进行同步：对于无信号灯的交叉 口必须定义不同连接路间的关联方法，制定车辆冲突避让规则”。 交叉口的冲突避让规则是建立在连接道路关联的基础上的，首先根据规则 指定冲突区域，计算自身到达冲突区域的时间段从而获得优先等级，再根据优 先等级确定通过次序。基本逻辑如图3 6 所示： 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 l 蕾 图36 交叉口冲突模型计算流程 以上方法本质上一种基于优先权的车辆分配通行权方法。在可能产生冲突 的区域周围，所有经过的车辆都会参加冲突模型的计算。在通过的时间段产生 冲突时，根据优先规则设置通行顺序，其他优先度较低的车辆自动调节车速( 通 常是减速) 。在优先度最高的车辆通过冲突区域后，其他车辆立刻进行下一次循 环，并重新计算通过优先级与车速。 根据实际情况，在以上方法上可以配置一些特殊规则，如：主道上的直行 车辆具有优先权，在通过冲突段时间与其他车辆有交叉时获得较大优先级；车 流量很太时减小冲突区域，以避免排队等待车辆过多造成与实际情况不符等。 第3 章城市快速路变通仿真系统模型计 3 高架道路模型 图37 为南北高架与天目中路高架的交汇处。由于采用了连接道路和道路高 度设置，c t s 可以基本避免平面强化中无法模拟高架道路的问题。 图37 高架道路模型 通过高架路段的位置与高度参数设置，二维模型可以比较真实地表达高架 道路的坡度、弯道、闸道、环路等情况，也可以直接将参数传递至三维仿真模 块通过坐标变换为三维道路建模提供基本参数信息。 与普通道路相比，高架道路的主干道有一定的特殊性。比如高架道路上较 少有信号灯与交警。在车辆换道模型的基础上，高架上的车辆也遵循一些特殊 规则，比如上海高架路中的“交替通行区域”，在这些区域中前有1 0 0 米左右的 提示牌，而进入此区域后，车辆自觉根据齿轮式交替方法合并车道等“。 由于以上的特殊性，高架在建模型时应该用专用的快速路类( e x p r e s s r o a d ) 。 因为高架道路的交通状态与普通公路有比较大的差异。对于闸道，速度相对比 较低、道路上的干扰较大，另外，闸道的通 i 状况也有若非常明显的高峰特征“1 1 。在闸道的设计中，我们采用了开放的闸道调节模式，通过使用信号灯等注 施限制与调节进入高架道路的交通流量，保证与实际情况的符合。 33 车辆的静态与动态模型 交通系统仿真技术对车辆的模型有着极强的依赖性，而要建立系统模型就 必须要对真实系统进行简化和抽象，这必然要引起某种程度上的“失真”。事 实上，这正是系统仿真的固有缺陷，对于道路交通这样一个随机的、动态的、 复杂的大系统，这问题显的尤为突断”。“。正如美国系统科学家z a d e h 在著 名的“不相容定理”中所指出，复杂性和精确性是相互矛盾的，随着系统复杂 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 性的增加人们对其进行精确描述的能力就要下降，直至达到这样一个阐限，即 精确的描述失去了其意义嘶。在这种情况下，人们只能寻求某种“折衷”的办 法，在精确性和有效性之间达成某种妥协。所以在交通仿真建模的时候要兼顾 精确性和有效性，不要求每个模型都做到面面俱到，重要的是使得交通仿真能 在一定的程度上反映感兴趣的交通现象旺 。 车辆模型的设计作为微观交通仿真系统的另一大核心内容大体分为静态模 型和动态模型两大类。静态模型主要指车辆类的设计，动态模型主要指车辆运 动的算法模型。 3 3 1 车辆的静态模型 车辆静态模型的设计是车辆仿真的基础。图3 8 为车辆模型的类关系图，其 中列出了部分车辆类的字段属性和方法。 第3 章城市快速路变通仿真系统模型设计 面、 ；黑叫 f + h b i c h“l 、，。，。，。o 霄f 。1 1 e d ! pg a p f c ” j pi o r c “h ，矛_ e x t d is p l a c t 7 鲆p 。t in i r o d 日方法 。0c h 州e t o l e f t l c h 姐g e t o r i 豳t 图38 车辆静态模型的设计 从结构图中可以发现，车辆类的基类都为t r a f f i c o b j e c t ，它定义了车辆体系 的公共属性，包括坐标方向、单位、交通场景属性等。v e h i c l e 类继承了 t r a f l i c o b j e c t 并直接派生所有车辆实例，图中列出了部分从v e h i c l e 派生的车辆 类型。 v e h i c l e 中包括的字段通常为私有，用属性进行封装并提供必要的访问接口。 主要包括以下几大类。 l 车辆本身属性。这类属性包括车长、车宽、高度、重量等，通常是其他 璺 晏 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 计算的基础。在系统中，车辆属性的所有参数都可以在车辆属性模块中设置， 用户也可以根据需要自定义车辆，重新设置所有属性。 2 道路相关属性。这一层次的所有属性都与道路相关系，其中包括车辆在 道路上的位置、车辆当前所在道路的i d 、车辆是否需要更换车道等。这些属性 大都直接继承自t r a f f i c o b j e c t 均路网的属性密切相关。 3 车辆的仿真相关属性。这类属性也可以称为车辆的动态属性，它们是车 辆类暴露的仿真接口，对车辆进行仿真计算时直接通过这些接口对车辆进行操 作。其中包括车辆生成、车辆位移、车辆换道等。 4 车辆绘制属性。绘制属性直接通过p a i n t r o b o t 操作，负责在仿真面板上 对车辆进行绘制。主要包括车辆的起始点、结束点、多边形区域( p p a t h ) 等。 车辆静态类主要包括以下几个方法： ap u b l i cl a n el e f t l a n e ( l a n el a n e ) 输入参数为当前车道，返回给定车道的左侧车道，如果不存在或者输入车 道为空就返回n u l l 。在路网中，所有的双向道路在建模或者导入时都存储了关联 关系，双向车道中的任意一条都包含与其对应的l e f l l a n e ，即同道路反向车道。 bp u b l i cl a n eg e t n e x t l a n e ( c o n n e c t o rc o n n e c t o r ) 输入参数为当前连接路，返回车辆将进入的下一个车道，不存在返回n u l l 。 由于道路本身并不包括下一车道的信息，在查询的过程中必须先遍历道路中的 所有车辆，获得当前将换道的车辆，再从车辆的路径表中读出的下一车道。 cp u b l i cv o i dc h a n g e t o l e f l l a n e ( ) 将车辆换至左边的车道，该方法在车辆满足自主换道或者强制换道条件时 使用，道路的v e h i c l e l i s t 也将随之更新，将已经换出的车辆r e m o v e 并通知其他 车辆更新车跟车参数。 dp u b l i cv e h i c l ef o r m e r c a r s a m e l a n e ( ) 获得同车道前车。该方法遍历车道的v e h i c l e l i s t ，按照存储的车辆次序取得 前车。 3 3 2 车辆的动态模型 车辆的动态模型也被称为车辆的行为模型，主要有两种，即跟驰模型和换 道模型。 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 l 跟驰模型 如图3 9 所示，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 的车辆受到跟驰作用约束，只能紧跟前车行驶啦引1 。在多车道的路网中，车辆的 跟驰行为同时会受到邻道车辆的影响，而且只要超车条件满足，车辆就可以进 行换道。 一1 一x 甩 v 撑 一1 吼o + 乃 。_ _ l - t 2 时刻 互銎豆丑e ；盛 图3 9 车辆的跟驰 驰模型在行驶过程中，车辆的运动状态受到同道前车的影响。驾驶员希望 以期望速度行驶，但又必须与前车保持一定的安全距离，避免意外发生m 1 。本文 假设后车相对于同道前车之间存在以下三种状态： ( 1 ) 自由驾驶：后车与前车间距大于作用区，此时驾驶员以期望速度或规 则限制速度行驶。 ( 2 ) 紧急状态：后车与前车间距过小，驾驶员将采取必要的减速度以避免 与前车发生碰撞，同时增加车头距； ( 3 ) 跟驰状态：后车与前车间距处于作用区内，此时车辆行驶速度受前车 影响。 当研究车辆的驾驶行为时，已有的跟驰模型普遍认为它只与同道的前车相 关，而与周围车辆无关。通过交通观测和对驾驶员的调查发现，在多车道情况 下，车辆的行驶状态不仅受到同道前车的影响，还会受到左右相邻车道上车辆 的影响。在城市交通中许多道路没有设置隔离带，车辆混行比较严重，邻车对 驾驶员行为的影响尤为严重。为了更合理、更真实地对交通状况进行仿真，必 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 须充分考虑邻车状态对车速的影响。 吒( r + r ) ：c ，；! ! l i ! 三孚【n 一。( r ) 一k ( o l ( 3 1 ) l h 一i 目j 上式为r e s u s e h e l 和p i p e 利用运筹学技术解析出的经典跟车模型“删，其中 t = 如一 为仿真步长，q 为后车的加速度。在实际系统中，我们采用1 9 5 9 年 h e m a n 和p 0 t | s 标定的g m 模型( g e o 髓a l m o t o r ) 认为车问距和加速度之间具有很 好的相关性，同时车头间距对加速度的影响不可忽略。 具体的流程图如图31 0 所示： 图31 0 车辆换道判断流程 2 换道模型 图31 1 为车辆换道判断的基本流程，在多车道路段上，驾驶员为了到达目 的地或是提高车速会选择换道，换道模型正是用于描述驾驶员的换道行为。另 外，当车辆接近路段的出入口时，根据其出行线路或是交通规则而必须采取的 抉道行为称作强制换道。当车辆为了达到期望速度或是回避危险时，驾驶员会 选择合适的相邻车道( 比如超车道) 进行换道。这种换道称为自主换道o ”。车 辆能否完成超车或换道，取决于被选车道上相关车辆的位置能否保障在换道过 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 程中本车的安全驾驶员对目标车道上对应位置的前后车间距进行判断，只有 前后车间距离均满足时，车辆才可以换道至相邻车道。这个判断过程可简单表 述为：如果当前的前车距或者后车距小于最小前后车距，则拒绝在此间距内换 道；如果当前的前车距与后车距均太于最小前后车距，则可以执行换道操作。 图31 1 车辆换道判断流程 如图31 2 所示，车辆的自主换道必须满足的基本条件为：“换后的车道行驶 状态优于当前车道“。在实际系统中，换道于否是由多重因素决定的+ 首 先与车辆的期望速度有关，另外也与换道间隔的限制，道路速度的限制都有密 切的关系。以下为车辆期望速度旷为车辆行驶的平均速度。0 冒险系数，以下 给出车辆期望速度的计算方法和冒险系数公式： = ，0 ( 32 ) 1 0 5 ， l5 = m + ( _ 7 ( r a n d o m o1 】) 璐 ( 33 ) 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 乍道2 主三壶二五；当 v 4、5 3 4 其他交通元素的建模 图31 2 车辆的自主换道 除了道路和车辆建模，在c t s 中还建立了信号灯、限速带、引导牌等多种 交通元素的模型和接口，可阻用户的实际需要进行配置。以下简要介绍其中几 种典型的交通元素模型。 l 信号灯模型 信号灯控制是交通规划中的一项重要内容，也是仿真的主要元素之一。信 号灯的控制是将一个周期内的通行时间划分成两个或多个时间段，每个时间段 称为一个信号相位，在一个相位的时间段内只允许绿色信号灯所控制范围之内 的车辆通行。一般而言交叉口的每个进道口有3 个流向( 直行、左转和右转) 。以最简单的二相位十字交叉口信号灯为例，在一个信号周期中，两个相位是 交替出现的。而在复杂的多相位控制方案中，某个相位在一个周期中可能出现 多次，但所有的相位只有在一个周期中才会出现一个循环。相位和相位配时表 的组合可以唯一地确定在一个周期中的某个时刻所处的相位。从而进一步确定 某个流向的灯色。 判断流程如下：首先，获取当前时刻在信号周期中的位置；然后，查询相 位配时表，信号周期中该时刻绿灯所对应的相位即是当前相位，得到当前的相 位：最后，判断目的流向是否在该相位中是则可通行，不是则不可通行。 2 限速带建模 普通的道路中除了普通的速度限制以外经常还会出现限速区域，在限速 区域中可以对车辆的最大速度、最小速度、跟随车系数等各种仿真参数做进一 第3 章城市快速路交通仿真系统模型设计 步的限制口7 1 。限速带模型不仅可以用于真实情况存在速度限制的区域，也可以作 为系统仿真的补充模型存在。例如：对于高架道路的某下闸道车辆速度较慢， 原因是下闸道长度较断，闸道下有连续的信号灯导致此路段速度较慢。但是系 统的仿真区域可能不包括闸道下的地面路段，这时如果不对下闸道的速度进行 限制可能造成下闸道畅通的情况，与实际不符。此时我们就可以通过在下闸道 处设立限速带以弥补仿真区域的限制d 引。 3 数据采集点 在实际交通系统中，数据的采集通过线圈和摄像头等设备完成，采集后的 数据通过软件处理后存入数据库为日后交通状况的分析提供数据源。作为对这 一采集过程的模拟，数据采集点也仿真系统不可缺少的部分，c t s 中的数据采 集点中包括了采集、处理、传输三大功能，模块中存储了采集计算公式、采集 时间段、范围区间、采集车辆类型、写入文件等信息。我们利用采集点将路面 各种信息导入数据库，同时为预测统计等模块提供数据源钆删。 3 5 本章小结 本章在第二章建模型技术的基础上提出了城市快速路交通仿真系统的道路 和相关设施模型的设计方法。主要包括以下内容： ( 1 ) 概述了城市快速路交通仿真系统基本建模方法，介绍了系统的基本 道路和相关设施。 ( 2 ) 详细介绍了道路的类设计和两种基本道路：c o n n e c t r o a d 、c o n n e c t l i n k 的设计方法。介绍了道路类中了几种较重要的方法。 ( 3 ) 介绍了车辆的静态、动态模型的设计；介绍了信号灯、限速度带等与 道路相关的模型。 第4 章城市快速路仿真系统模型导入与存储技术 第4 章城市快速路交通仿真系统的模型导入与存储技术 实际的建模过程包括大量的绘图和参数输入，这类工作往往比较费时费力。 目前国内外的主流仿真软件一般都提供对外部模型文件的支持h 们h 5 1 ，并将其他 软件定义的文件格式通过一定的转化为可以识别的格式并导入仿真系统中。这 样不仅为建模过程节省了大量的时间，也提高了模型本身的精确度。 目前的模型转换主要有以下大难题，第一是采用的规范不统一，仅道路地 理信息领域就存在多种文件存储形式，保存的信息可能基于平面坐标系或者地 理经纬度。第二，文件格式不公开，很多商业化软件的数据文件往往只提供非 常少的接口或者完全不公开接口，这为这类文件信息的导入造成了很大的困难。 第三，地理信息数据与仿真数据的差异，在地理信息系统中，道路的连接等信 息往往以平面交叉信息存储，不单独提供交叉点等连接处的坐标信息。 在城市快速路交通仿真系统中，我们完成了对a r c g i s 、m a p l n f o 等较