（系统工程专业论文）城市微观交通系统若干仿真技术的研究.pdf

摘要 摘要 近年来我国的机动车急剧增长，城市交通需求也随之急剧增加，i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 的重要性表现的越来越突出，但由于交通系统的复杂性，i t s 的研 究受到经济和环境的制约，为了更好的进行i t s 研究，各种仿真技术逐步应用到智能交通 领域，特别是微观交通仿真的应用在一定程度上推动了i t s 的发展。以前的微观交通仿真 研究主要集中于静态模型，侧重于分析静态状况下的交通流量与密度的关系。现在由于高 速运算计算机的应用以及以为公众服务为目标，使得研究热点逐步转移到微观动态仿真方 面，对交通的研究由交通流的研究逐步转换为对交通组成具体因素的研究，具体因素一般 而言是指车辆或行人等，通过对这些微观因素的研究从而为交通管理和交通状况的预测提 供技术支持。 本文以城市微观交通仿真的建模方法和仿真过程为研究重点，主要做了如下几个方面 的工作： 1 围绕微观层面的交通系统，探讨了基于动态可变环境因素下的仿真技术，然后在此 基础上对微观交通系统进行了初步仿真。 2 以国内外应用较为广泛的v i s s i m 仿真软件为例，对车辆的驾驶行为进行了换车道 和转向两个方面的仿真，对路段仿真所涉及的相关道路属性和相关参数进行了剖析，重点 选取显著影响仿真结果的参数进行多情景实验分析，对比仿真结果与规范值，得出在通常 情况下较为合理的参数取值范围。 3 当前的交通仿真软件主要局限于二维平面内，因此难以描述各仿真要素的三维整体 信息，针对交通仿真的这一局限性，对进行3 d 交通仿真的所需的技术进行了初步的研究， 提出了在地表信息数字化采集的基础上，用t i n 模型来构建交通环境的想法。 4 对仿真结果的输出进行了演示输出，通过实际图形的演示，来验证仿真过程与实际 交通状况的相符合程度。 关键词：城市交通；微观仿真；道路模型；3 d 模型；车道变换 蛮三些盔兰三耋璧圭兰堡垒兰 a b s t r a c t i nt h ep 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 n0 1 1t h es t a t i cm o d e lw h i c hd i s c u s s e st h e r 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 mf l o wa n dd e n s i t y b yr e a s o no ft h eh i g h - s p e e d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e e do ft r a f f i cs i m u l a t i o n , t h ef o c u si st r a n s f e r r e dt od y n a m i c 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 cm o d e lc a l c u l a t e sp o s i t i o n , s p e e da n da c c e l e r a t i o no fe v e r y v e h i c l ea te a c hm o m e n t i tc a no f f e rg r e a td e a lo fi 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 d s 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 cd y n a m i ct r a l 五cm o d e l ；n ga n dm i c r o s c o p i c t r a g 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 p w r o r d m gt ot h em i c r o s c o p i cl e v e lo ft r a f f i cs y s t e m , w ed i s c u s s e dt h e s i m u l a t i o n t e c h n o l o g ya b o u td y n a m i cv a r h b i ee n v i r o n m e n tf a c t o r s a n dt h e n ，w oi m p l e m e m eo ft h e p r e l i m i n a r ys i m u l a t i o no n t h i sb a s i s 2 w et a k eu o f t h ev i s s i m ，w h i c hi sp o p u l a ri nf i e l do f i t s ，s i m u l a t i n gt h el a n e c h a n g e a n do v e r t a k i n gm o d e lo fs e v e r a lv e l l i c k sb e h a v i o r w ed or e s e a r c ho bt h ea t t r i b u t i o na n d p a r a m e t e r so nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n , a n dw ea n a l y s e dt h ek e yp a r a m e t e r sc o n t r a s tt ot h e f a c t d o i n gt h e s et h i n g ，w oc o u l dk n o wt h eq u a l i f i e d t h r e s h o l d 3 c u r r e n tt r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e sf o c u si sa b o u tt w od i m e n s i o n , s oi ti sh a r dt od e s c r i b e o v e r a l li n f o r m a t i o no fs i m u l a t i o nf a c t o r i nl i g h to f t h i sl i m i t a t i o n , w od o8 0 1 1 噼r e s e a r c ha b o u t3 d b a s i ct e c h n o l o g y , s ow ep r o p o s et ou s et i nm o d e lt oc o n s t r u c tt h et r a f f i ce n v i r o n m e n to nt h e b a s i so f s t w f a c ei n f o r m a t i o nd i g i t a ld i g i t a l 。 4 w ei n t r o d u c et h ep a m m e t c ro fv e h i c l cs i m u l a t i o nm o d e la n dt h ee f f e c t 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 ti nt r t 斌ce n g i n e e r i n ga n di 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 t h e k e yp o i n ti nr e s e a r c hi sv a l i d a t i n gt h ea c c o r dw i t ht h eb e h a v i o ri nf a c t ，b yd m g m gt h e p a r a m e t e r k e yw o r d s ：u r b a nt r a m c ；m i c r o c o s m i cs i m u l a t i o n ；i b a dm o d e l ；3 dm o d e l ； l a n e c h a n g eb e h a v i o r 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下 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，不包含本人或其他用途使用过的成 果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归 广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 铆同 昂务易 油萨6 月乡日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市微观交通仿真的概念 1 1 1 概念 仿真指对真实事物的模仿，它是指为了求解问题而人为的模拟真实系统的部分或者整 个运行过程。由于科学研究与实践对象是兼有方法论和工具意义的系统仿真闯题，所以仿 真一般也称为系统仿真。 在国外，自仿真学形成后，道路交通系统就是仿真研究的一个重要应用领域，可以说 道路交通仿真是与仿真技术是同步发展的，在仿真技术刚刚诞生不久的2 0 世纪6 0 年代， 采用计算机数学模型来反映复杂道路交通现象的交通分析仿真技术已经得到初步应用“1 而在国，仿真研究与交通系统仿真是不同步的，国内的仿真研究起步较早，但交通工程方 面的仿真的起步却是直到2 0 世纪9 0 年代初，这时国内交通工程界才开始意识到道路交通 系统微观仿真研究的重要性并予以重视o 】。同济大学、东南大学、北京工业大学、啥尔滨 工业大学、交通部公路科学研究所等一批科研院所开始进行探索性的研究并取得了一定的 成果。 微观仿真是仿真研究的一个方面，自然也就具有仿真学的基本特点。微观交通仿真是 从9 0 年代初的交通流仿真是平面基础上发展起来的，交通流仿真技术所描述的变量主要 体现在宏观特性和交通量、交通流到达分布、车速分布、车型组成等方面，通过对三个主 要实体道路、车辆、驾驶员的研究来确定道路几何特性、道路负载、交通流密度、通行能 力、道路的平纵线形、横断面布置等问题。随着9 0 年代中后期计算机性能的提升，神经 网络和虚拟现实技术的迅速发展，微观仿真技术在交通仿真技术中的应用得到了长足的发 展，使得微观交通仿真逐步成为现实嘲。交通仿真技术研究的重点也从交通流的仿真向微 观交通仿真演变，从交通流仿真向单体仿真方向发展。所谓的单体交通仿真依靠开放式函 数图形库o p e n g l 等，以d e l a u n a y 网格为基础“】，建立交通实体的单体仿真模型，通过虚 拟交通模型在虚拟环境中的运动，对不同交通条件下的交通运行状况进行动态研究。 1 1 2 仿真的作用 仿真技术在应用上的作用主要表现在安全性和经济性两个方面嘲。对于大型或者复杂 l 广东工业大学工学硕士学位论文 性高的开发项目，如卫星发射、三峡截流等，因其有相当的风险，技术难度大，在开发过 程中，均需运用仿真技术，用较小的投资换取风险的大幅度降低。 微观动态仿真技术的优势主要主要体现在： 1 实现了试验的实际可操作性由于道路试验的特殊性，某些试验在进行过程中，会 对交通状况造成较大影响，甚至会造成交通阻塞，所以进行实地试验有一定困难，而可视 化仿真试验使这种试验具有可操作性。 2 直观性微观动态仿真技术可以将交通数据和道路交通状况以动态演示的形式摆 在人们眼前，让观察者对所要研究的目标有直观的认识。 3 优化系统设计仿真可以及时的调节系统指标的参数，也可以根据实际情况减轻和 加重外部作用对系统的影响。 4 节省经费仿真试验只需在可重复使用的模型上进行，所花费的成本远较实物试验 低。 5 为管理决策和技术决策提供技术支持通过仿真可以深化对系统内在规律和外部 联系及相互作用的了解，以采取相应的控制和决策，使系统处于科学化的控制和管理之下。 1 1 3 微观交通仿真的主要研究内容 一般而言，道路交通系统仿真主要包括下列研究内容： ( 1 ) 公路系统交通仿真 ( 2 ) 城市道路网交通仿真 ( 3 ) 行人和非机动车交通仿真 ( 4 ) 交通环境仿真 道路交通系统仿真研究课题的复杂性决定了研究工作的长期性和分阶段性的特点。结合国 外交通仿真研究的发展历程以及国内的研究基础，通常可将仿真研究分为两个阶段。第一 阶段是研制和开发符合常规交通参数的微观仿真仿真系统，该阶段是研制和开发适应常规 交通系统方案评价需求的仿真系统。由于微观交通仿真技术最能体现交通仿真技术的优越 性，对微观仿真模型的开发毫无疑问应是研究的重点。从系统性能研究的角度考虑，在模 型开发方面应首先建立良好的模型结构体系，以模型体系为框架先开发能反映常见交通现 象的核心模型，在核心模型的基础上再开展进一步的建模工作。第二阶段是研制和开发适 应智能交通运输系统( i t s ) 方案评价需求的仿真系统”。交通信息的充分利用是智能交通 运输系统有别于常规交通系统的显著特征，因此，仿真模型系统要适应智能交通运输系统 2 第一章绪论 方案评价的需求，这样就必须增加对系统中围绕交通信息而产生的对象和现象的描述，如 车辆驾驶员对各种交通信息的利用方式、各种交通信息的收集和传输方式、交通控制中心 对交通信息的处理和加工方式等等。 1 2 城市微观交通仿真的目的、意义和特点 1 2 1 目的和意义 微观交通仿真是交通状况分析的有效手段之一，其目的是运用计算机技术再现复杂的 交通现象，迸而对交通状况进行模拟仿真，对可能出现的现象进行解释、分析，找出问题 的症结，最终对所研究的交通系统进行优化嘲。与早期交通仿真中应用比较广泛的交通流 的流体设计只是在总体上把握了交通流与流体的流质之间的相比，由于道路交通流中车型 的多样性和流体的流质之间完全相同的流质特性是不完全吻合的，所以传统的方法虽然在 描述的系统的总体特性上有其独特的优点n ”，但其数学分析模型因其理论基础的局限性， 在满足一些微观层次的交通分析需求时却存在着较为明显的缺陷。另外，由于交通系统本 身的复杂性以及交通工程中新技术、新概念的不断出现，客观上对交通分析工具的功能提 出了更高的要求。在这种情况下，作为交通工程的基础性工具，3 d 仿真技术应运而生并广 泛应用于交通工程的各个领域。 与传统的交通分析工具相比，3 d 微观交通仿真的优点在于： 1 模型机制的可塑性仿真模型对系统内各基本要素的的变化规律及相互作用关系 的描述与系统的实际运行过程紧密对应，有利于形成灵活性较强的模型机制。道路交通仿 真分析注重的是对系统进行全过程的描述，而要做到这一点首先必须在模型机制上与实际 系统运行机制相吻合”。 2 模型描述的准确性微观仿真摸型以交通系统最基本的要素如单个的车辆、车道、 信号灯等为建模单元，因而更准确、灵活反映各种道路和交通条件的影响“。另外，微观 仿真模型虽然形式上一般较为简单，但却是对实际行为的直接描述，因而更能反映客观实 际。 3 交通分析的开放性借助于计算机技术，通过良好的用户输入输出界面，模型的运 输结果可方便的与用户交互，增强了模型应用的实用性和方便性叭。仿真结果动画演示的 直观性使得即使是非专业人员也很容易理解。 4 强大的路网动态交通状态描述功能时间扫描技术为路网的动态交通状态提供了 强有力的支持。交通仿真技术可有效的体现交通流的随机因素，按设想的要求实现交通状 3 广东工业大学工学硕士学位论文 况的重现，从而大大降低了现场试验要求“。它可以应用于道路通行能力、交通事故、交 通管理控制等方面的研究“”，尤其是在交叉口信号控制和交通事故与交通拥挤机理分析方 面具有特别的研究价值。 1 2 2 城市交通系统微观仿真的特点 道路交通系统三维仿真具有以下特点： 1 经济性有些结论性的数据无法通过普通意义上的试验方法获得，或者是试验过程 代价昂贵，在这种情况下，仿真是最佳的求解算法“”。 2 可重复性一旦建立了一个仿真模型，可以任意重复发展过程，这是普通的试验方 法所无法比拟的。 3 可拓展性由于利用计算机模拟是对一种设想进行验证，它可以使某些参数超出实 际调查得出的范围，并且不受天气等客观条件的限制，从而克服了实际观察难以获得理想 数据的缺点，利用计算机模拟预测，对于再现复杂的交通环境下的车流运行特性、弦补观 测数据的不足、解决交通流车速与流量关系的曲线的外延问题等都有着其他方法和手段无 可比拟的优势“”。 4 可见性 可视化设计的最大优点在于它的直观性，具体体现在： ( 1 ) 表现路网的几何形状，包括交通设施，如信号灯、车检器等； ( 2 ) 表现车辆间的相互作用，如跟车、车道变换时的相互作用； ( 3 ) 清晰的表现驾驶员的行为； ( 4 ) 清晰的表现交通控制策略( 定周期、自适应、匝道控制等) ； ( 5 ) 模拟先进的交通管理策略，如采用v i e s 提供的路径重定向，速度控制和车道控制等； ( 6 ) 提供与外部实时应用程序交互的接口； ( 7 ) 模拟动态车辆诱导，再现被诱导车辆和交通中心的信息交换： ( 8 ) 应用于一般化的路网，包括城市道路和城市间的高速公路； ( 9 ) 细致的仿真路网交通流的状况，例如交通需求的变化，模拟交通设施的功能。 1 3 城市交通系统仿真的研究概况 1 3 1 国外研究概况 4 第一章绪论 国外道路交通系统仿真研究基本上经历了2 0 世纪5 0 6 0 年代、7 0 8 0 年代以及9 0 年代以来三个较为明显的发展阶段。 交通仿真所经历的第一个阶段是上个世纪的五六十年代，这一时期的交通仿真主要体 现在宏观方面。主要是集中在在交通流方面。早在1 9 4 9 年，m a s i m o w 和d l g e r l o u g h 便提出了对交通流进行模拟的建议，随后这种建议得到了很好的实施和扩展。随后软件 “g o o d e ”的问世，标志着道路交通仿真的真正开端“”。当时最著名的模型是美国的 “t r a n s y t ，t r a n s y t 模型是目前世界各国流传最广、应用最普遍的一种协调配时仿 真方法，除了t r a n s y t 还有其他一些广为应用的版本，如t r a n s y t - 7 f 、t r a n s y t - 6 n 等，这些都是有t r a n s y t 的某一版本经过修改而派生出来的。t r a n s y t 系统是一种脱 机操作的定时控制系统，系统主要由仿真模型和优化模型两部分组成，建立仿真模型的目 的是用数学方法模拟车流在交通网络上的运行情况，研究配时参数的改变对交通流的影 响，以便客观地评价任一组配时方案的优劣。软件运行过程是将交通信息和初始配时参数 作为原始数据，通过仿真得出系统地性能指标( p e r f o r n m t r 七i n d e x ) 作为配时方案。再把 新的信号配时输入到仿真系统中，反复迭代，最后得到性能指标达到最佳地系统配时方案 e l t o 2 0 世纪七八十年代，随着仿真水平的提高，交通仿真的研究领域逐步扩散到微观领域。 这期间的商品化软件发展速度非常快，出现了以n l 订s i m 、f r e s i m 、h 卫x s y t i i 、 a t m s u n 2 ( 早期版本) 等为代表的一批仿真软件。其中的典型代表当属于美国联邦公路局 开发的n e t s i m u 模型和t r a f 交通仿真系统。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，其对城市道路交通现象的描述精度达到了一个新得高度 “明。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 车道溢出等均可通过仿真软件进行模拟。t r a f 交通仿真系统包括道路网宏观、微观仿真 和高速公路宏观、微观仿真四部分，可以表示任意现有道路设施上的交通情况，在交通和 仿真领域达到了空前水平。 a t m s u n 2 是西班牙t s s 公司的产品，集成在g e t r a m 软件包中。g e t r a m 还包括 图形路网编辑器( t e d i ) 和存储路网信息的数据库。g e t r a m ，a t m s u n 2 都是可以应用 于大量的工程项目中。a t m s u n 2 的主要特点在于：( 1 ) 能够用于不同的路网：城市道路、 高速公路、一般公路、交通干线或混合情况。( 2 ) j 是供两种不f 可方式的仿真：一种是基于交 通流和转弯比例的，一种是基于o d 和路径选择模型的。( 3 ) 能够模拟不同的交通控制：信 号交叉口、无信号交叉口( 4 ) 提供细致的统计输出：流量、速度、出行时间和环境影响 此外为了对i t s 仿真，它还开发了一些扩展功能。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 c o r s i m 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 e r s i m ，因此c r o s i m 能够仿真城市道路和公路的交 通流。c o r s i m 软件的目标是交通系统管理的开发和评价。 9 0 年代初期，受计算机图形学的影响，仿真软件的微观仿真倾向得到了高度的重视， 在单纯的交通仿真基础上出现了一批评价和分析i t s 系统效益的仿真软件系统。如西班牙 开发的a i m s u n 2 仿真系统，该系统主要用于测试和评价新的交通控制系统和交通管理策 略，但它同时又能够用于交通状况的预测以及车流导航系统和其他实时交通信息的应用 0 9 1 。该系统可以对不同类型的交通控制建立相应的模型，例如交通控制信号控制、让路标 志、匝道控制等，在同一个仿真试验中能够处理不同的控制方案。动态车辆导航系统微观 仿真模型包括：路网几何特性的精确模型、详细的单车行为模型、确定性的交通控制方案 等，它需要对模型的参数进行标定，如跟车、可接受间隙、变换车道等，以保证模型能够 生成流量、速度、占用率、出行时间、平均排队长度等参数。这一阶段的模型一般都具有 良好的平面分析能力，部分软件，如p a r a m i c s ，己开始了向3 d 仿真前进的第一步。p a r a m i c s 软件是苏格兰q u a d s t o n el i m i t e d 公司的产品，从1 9 9 2 开始开发，由于采用了并行计算机 技术，路网规模达到1 0 6 个节点、1 0 6 个路段，3 2 0 0 0 个区域，其应用领域包括：( 1 ) 交通 管理和控制。在设计阶段确定信息标志的最佳地点。( 2 ) 交通控制中心仿真，提供交通管理 策略产生的效果。( 3 ) 为出行信息提供预测。( 4 ) 智能化的导航功能。p a r a m i c s 在仿真i t s 基 础设施和拥挤的道路网方面有突出的表现，当前能仿真交通信号、匝道控制、与可变标志 相连的探测器、v m s 和c m s 、车内信息现实装置、车内信息顾问、路径诱导等，用户可 以通过a p i 函数定义特殊的控制策略。 2 0 0 0 年后，交通环境的3 d 可视化的开发和实现已经成为交通仿真的一个重要的研究 方向。3 d 仿真技术的实现逐步开始与两个方面的技术紧密结合在一起，一个方面是虚拟现 实技术( v r ) ，另一个方面是3 d 引擎技术。 1 3 2 国内研究现状 1 理论方面：与国外相比，国内在道路交通系统三维仿真方面的研究起步比较晚，直 到2 0 世纪9 0 年代以后，同济大学、东南大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学等一批重 点院校在交通仿真方面歼始了持续的研究。由于起步时间不长，各科研院所在i t s 开发方 面的研究还是偏重于“点”，大多是侧重于交通领域的某一具体问题的探索和实现。对于 微观交通仿真一体化的研究基本还是处于初级阶段，侧重于理论方面的开拓。当前微观仿 6 第一章绪论 真技术应用比较多的领域是城市地理信息系统，基于细节层次显示技术和视景分块调度技 术，结合虚拟现实技术，通过对图形数据和属性数据库的共同管理、分析及操作，实现数 据可视化 2 0 1 ，也可使用基于图形和基于图像的建模技术对建筑物和其他一些复杂的模型如 树木等进行重建，再利用有理函数模型表示遥感影像与地面之间的构象关系，使用纹理映 射技术，构建具有高度真实感的平面或者三维景观图。或者将城市表面几何对象经过模型 化后，都以数字的形式存储在计算机中，采用纹理和贴图技术、l o d 模型、动态多分辨率 的纹理与影像优化技术，进行微观仿真。 2 软件开发：在软件方面，目前国内比较成功的交通仿真产品有同济大学的邹智军、杨 东援开发的t e s s ：浙江大学的王晓薇、李平研究的城域混合交通流仿真系统的人机界面 设计实现：同济大学的钟邦秀、杨晓光建立的面向对象微观交通仿真系统；清华大学的娄 明、张毅研究的基于j a v a 3 d 技术的虚拟车辆仿真系统；北京工业大学的荣建、向怀坤、 冯天科研究的基于g i s 的城市快速路交通仿真模型研究；中国农业大学的孙晋文对基于 a g e m 的智能交通控制策略与可视化动态仿真进行了研究等。 其中同济交通网络仿真系统t e s s ( t o n g j it r a i f i cn e t w o r ks i m u l a t i o ns y s t e m ) 是比较有 影响的一个产品。t e s s 是同济大学杨晓光教授开发的系列软件系统之一。它是基于h l a ( h i 雩血l e v e la r c h i t e c t u r e ) 的面向i t s 环境下的交通网络仿真系统，系统开发目标是以实 验交通工程e t e ( e x p e r i m e n t a lt r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 学为指导理论，开发i t s 环境下的交 通网络实时评估、预测和优化系统。系统可以满足1 0 0 个上下匝道大约3 万辆车的实时仿 真需要，采用分布式的仿真体系。t e s s 模型的驱动是微观的，包括跟驰模型、换道模型； 汇入以及让行等。t e s s 是用c # 语言编写的，基于n e t 结构，所以具有通用性。t e s s 输 入系统的扩展是与g i s 集成以及考虑活动链的车辆运动，未来可与v i s e m 以及交叉口辅助 设计系统集成。但系统对于三维仿真尚不支持。 总的来说，国内可视化交通仿真方面的成果还不是很多，而且研究方向也侧重于某一 难点的研究，对于交通仿真综合系统的研究还不多。导致这些现象的主要原因是由于我国 智能交通起步较晚，美国和欧洲的智能交通仿真发展已经有四五十年的历史，智能交通方 面的知识积淀已经比较深厚，国内直到上个世纪9 0 年代初才开始对智能交通技术进行研 究。此外，交通是一个复杂的大系统，交通仿真需要考虑的因素也非常多，这就需要大量 的资金投入，原先人们解决道路问题的方式倾向于市内建设高架桥和立交桥，城外铺设高 速路，资金都投入这种更直接的解决道路问题的方面，而对于道路交通仿真方面的研究则 资金投入不足，这间接导致了研究工具的滞后，虚拟现实用于交通仿真现已是公认的一种 交通仿真的可行方式，但相关设备的投入是非常高的，这就影响了仿真的进行。现在国内 7 广东工业大学工学硕士学位论文 的很多实验室采用自己开发的系统进行仿真也是由于资金方面的考虑。 1 3 3 微观仿真的应用前景 微观交通系统是一个由人、车、路、环境组成的复杂系统。一般的研究交通问题的方 法有三种：经验实测法：该法基本的数据来自与观测现场，可信度高，不需要假设条件， 但对于个别因素的影响情况很难确定，且收环境等外界条件和因素的影响和干扰较大，某 些特定条件下的数据难以获取，如饱和流数据；理论分析法：该法对个别因素的影响有 明确的数量关系表示，但通常需要采取一些基本的假设，这些假设受研究者的理论水平限 制，可能不正确，且或多或少的与实际会存在某些偏差；计算机仿真方法：该法兼有上 述两种方法的优点，其模型是理论推演、抽象出来的，一些基本数据不需要现场实测，能 生成实验者所需要的交通仿真数据。 微观交通系统仿真技术的应用领域主要包括； 1 在交通新技术和新设想测试中地应用交通仿真软件提供了一个有效的、直观的仿 真试验平台，各种新的交通技术都可以在这个平台上进行试验；而以往这种新技术、新方 法需通过费用昂贵的真实试验来验证，而且由于实地观测和采集数据的困难，有时并不能 全面的考察和评价这些新技术的优缺点。 2 在智镗交通系统i t s 中的应用随着信息对代豹到来，现代交通已步入一个崭新的 发展时代。3 d 仿真是现代交通发展的方向。面向i t s 的仿真模型需要满足以下条件： ( 1 ) 清晰的表现交通控制策略 ( 2 ) 清晰的表现驾驶员的行为 ( 3 ) 清晰的表现车辆间的相互作用 ( 4 ) 模拟先进的交通管理策略 ( 5 ) 清晰的表现路网的几何形状 3 预览城市规划城市的建设都是“循路而建”，道路的规划在城市规划中为一条条 的线，依线而规划不够直观，在通过可视化仿真，就可以实现在道路筹建阶段。对城市空 间的前景规划有一个直观的认识。 4 ，在道路几何设计方案评价分析中的应用制定道路几何设计方案时往往需要考虑 道路的透视效果。以往，这些工作通过一些设计中心中必须遵循的平纵线形组合及部分绘 制立体透视图来完成。由于人为的差错和透视图绘制的精确性等原因，在道路竣工后，往 8 第一章绪论 往会存在一些不尽如人意的地方，现在，仿真软件提供了一个3 d 平台，可以供设计者在 计算机中观看、检查所设计道路的实际效果，及时发现设计方案的缺陷和局限性，并进行 修改和调整。这样，在设计中可以及时发现和避免一些线形设计上的问题。 5 在交通管理系统设计方案评价分析中的应用交通管理控制方案的制定往往需要 更为细致、准确的交通分析工具以提供更好的决策支持手段，而实际工作中由于缺乏这样 的工具不得不照搬在宏观规划层次中采用的聚集程度较高的交通状态分析工具。系统提供 了一个将道路和交通设计有机结合在一起，“身临其境”的试验平台，可以直观地提供了 各种交通设计地实施效果，并可以计算方案实施中延迟、行程车速、地点车速、流量、密 度等各种交通参数。 1 4 本文的主要工作和章节安排 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( 项且编号：2 0 0 4 8 1 0 1 0 1 0 4 0 ) 。本论文主要着眼于微观交通系统仿真模型的建立及 其验证，通过对仿真与实际状况的演示比较，确定出适合实际交通状况的交通参数的范围。 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； 第二章进行了以十字形交叉口为环境的车辆行为仿真； 第三章针对当前交通仿真过程中，交通参数设置不合理的问题，通过对输出状况的 演示反馈来调整参数，以确定出车辆换车道和转向过程中的车辆的合理参数范围： 第四章鉴于当前二维交通仿真过程中，交通环境和车辆信息表达不完整的问题，初 步探讨了3 d 交通仿真在应用上的实现需要用到的技术。 9 第二章十字形交叉口车辆行为仿真 第二章十字形交叉口车辆行为仿真 交通环境错综复杂，在交通仿真过程中，应该选择具有代表性的区域来进行实验。相 对而言，交叉口要比平直的道路涉及到更多的交通因素，因此对交叉口的仿真要比对线段 式的道路的仿真复杂，但对交叉口仿真需要考虑的因素更丰富，可以考察到交通运行过程 中各个因素彼此之间的相互关系，也就能达到更好的仿真效果。在交叉口的分类中，从车 辆转弯的时序控制角度来说，主要分为t 形交叉口、十字形交叉口和环行交叉口三种，在 这三种道路模型中，十字形交叉口是我们最为常见的交叉口，具有广泛的代表性，所以本 章就以十字形交叉口为道路背景来探讨交通仿真。 2 1 数据输入模块 仿真的基础是交通数据的输入，数据输入模块主要是将交通信息转换为o d 表和几种 重要信号配时参数输入计算机。o d 表，也叫o d 矩阵。o d 表所涉及的信息面广泛，常见 的o d 表的可以是期望值图、交通发生统计图、交通统计量图等【2 1 】。其中期望值图应用较 为广泛，它是连接各某区域中心点的直线，代表了代表了该区域所发生的交通发生状况， 其宽度通常按区域流量( 或进出量) 大小而定。一般的期望值图是以交通路口为中心点来 集中反映交通状况的。 循环周期：循环周期是指一次仿真开始到下一次仿真之间间隔一个完整的时间段，一 个周期时长是具体到演示过程中，个循环周期数值上是若干个帧数的集合。 车辆的初始速度：车辆产生模型中随机出现车辆的初始速度。 车辆的初始坐标；将车辆初始坐标与演示系统中中的像素建立映射关系。车辆的坐标 是准三维坐标，最基本的坐标包括横向和纵向的坐标，如果是在三维视图中，还需要空间 坐标，才能确定物体的准确位置瞄】。 2 2 仿真模块 微观显示系统包括许多类物体如：道路、建筑物、信号灯等，最重要的是不同类型的 车辆。路况信息模型可视化是研究车辆的动态行为的演示、仿真等内容，其坐标是三维模 型显示的基础数据，它是根据采集的区域输入信息，配合线性图形数据，按一定的曲面内 插算法拟合生成的。为了建立较高的拟合度，可以采用初插和加密两步进行。初插获得适 l l 广东工业大学工学硕士学位论文 应精度的规则格网，可作为进一步内插的控制基础；通过加密内插，使得经细化的模型单 元保持平滑过度，加密的决定了生成模型描述地形的精细程度。为此，采取对动态演示 区域的模型用多种精度表示，通过不同的加密内插处理生成多个不同精度的动态模型。 2 3 车辆行为仿真 固2 - 1 仿真总体结构图 f i g2 - 1s i m u l a t i o nw h o l es t r u c t u r e 微观交通模型的基本构成包括车辆行驶行为模型、交通控制状态模型、交通管理状态 模型和道路几何状态模型。其中后三者侧重于对各类方案的描述，并确定前者的约束条件， 而前者则通过对车辆在各种约束条件下行驶行为的描述来反映交通网的交通状态，是模型 体系的核一t j , m l 。车辆行驶行为模型所描述的交通状态结果又可以作为交通管理及道路几何 设计等方案优化模型的输入条件。 第二章十字形交叉口车辆行为仿真 2 3 1 车辆的生成 田2 - 2 车辆行为横量 f i 9 2 - 2 v e h i c l e b e h a v i o r m o d e l 仿真的任务是尽可能的真实反映被仿真对象。但什么时间什么司机驾驶什么车辆以什 么样的车速进入路网是不可预知的，也是没有什么规律性可言的，这便给交通流仿真提出 了难题。为了如实地反映现实世界中的这些不确定现象，就要求仿真程序具有模拟这种现 象地功能，以便尽可能提供准确地信息。 在产生车辆与司机时如何解决这种不确定性呢? 假如按照某种随机分布来产生一些 随机数，并根据这些随机数来确定车辆与司机的种类，那么不管这种分布是服从均匀分布 还是服从正态分布，按照这种特定的随机分布产生出来的随机数不能说是不确定的，因为 毕竟它们还是符合某一特定的随机分布规律的，因此，为了尽可能的准确反映现实世界中 的这种不确定性，就有必要寻找可以随机产生车辆和司机的方法【2 5 1 。 车辆的到达在某种程度上具有随机性，描述这种随机性的统计规律有两种方法：一种是 以概率论中的离散型分布为工具，考虑在一段固定长度的时间内到达某场所的交通数量的 波动性，如使用泊松分布、二项分布、负二项分布等描述车辆的到达；另一种方法是使用 概率论中的连续性分布为工具研究上述事件发生的时间间隔的统计特性，如使用负指数分 布、移位的负指数分布、韦伯尔分布、爱尔朗分布等描述车头时距的统计特性 车辆到达的统计规律可用车头时距的分布来描述，这种分布属于连续性分布。当描述 有充分超车机会的单列车流和密度不大的多列车流的车头时距分布时，常采用负指数分 广东工业大学工学硕士学位论文 布。其基本公式如下： p ( j j j l r ) = e x p ( - a t ) ( 3 1 ) 式中一，( 魄 f ) 车头时距 大于的概率；z 一车流的平均到达率( 辆s ) 如果车流的流量为q 辆h ，那么名= q 1 3 6 0 0 ，于是( 3 1 ) 可以记作 p ( 囊 0 = e x p ( - o t 3 6 0 0 ) 由负指数分布的基本公式可以推出负指数分布的概率密度函数： f ( r ) = p ( 啊r ) = l p ( 啊 ，) = l e x p ( 一a t ) ，( f ) = f ( f ) = 一唧( 一m ) ( 一句= - 2 e x p ( 一a t ) 由负指数分布的概率密度函数可知，车头时距越短，出现的概率越大。这与实际情况 不符合，因为在不能超车的单列车流中车头与车头之间的间隔至少应有一个车长，即应该 存在一个最小的安全车头时距，所以负指数分布局限于多车道的车流啪1 。 在描述不能超车的单列车流的车头时距分布和车流量低的车流的车头时距时，常常选 用移位的负指数分布，基本公式为 p ( h f ) = e x p - a ( t f ) 】( f f ) 服从移位负指数分布的车头时距，愈接近f ，其出现的可能性越大。这在一般情况下 是不符合驾驶员的心理习惯和行为特点的。从统计的角度看，具有中等灵敏度的驾驶员占 有绝大多数，他们行车时实在安全条件下保持较短的车头时距，只有极少数反应特别灵敏 或者冒失的驾驶员才会不顾安全的去追求较小的车间距离。因此车头时距的概率密度曲线 一般总是先升后降的。 2 3 2 车辆状态的确定 确定车辆的状态应根据车辆上一时刻的位置、所在路口引道的位置及引道的具体类型 和具体车道，判断车道左右相邻的车道上同时行驶车辆的类型、位置。若该车位置是在交 叉路口前，则应该判断该车转向及所在引道路权，以及与该引道冲突车流的具体位置，并 根据车辆应采取的加速度、速度计算出下一时刻的位置”1 。 若车辆是在路段上行驶，通过上阶段该车辆位置和前面车辆类型、位置，确定该车辆 是否以自由流速度行驶。若其前行车辆车速比该车车速快，则该车辆按自由流速度计算下 一时刻位置：s = s ( f ) + v t 式中y 一车速，r 一时间扫描步长 若前行车比该车车速低，则两车相对距离大于瓯+ 玎( s o 为安全距离) ，则该车的位 1 4 第二章十字形交叉口车辆行为仿真 置仍按上式计算。若该车与前行车辆相对距离小于瓯+ 门，则应根据前行车辆当时速度， 及其相邻车道上车辆的车型、来向、位置，判断是否可以变换车道，或判断是否满足超车 视距。若满足，则计算该车完成超车需要几个扫描时段。并在这几个时段内计算该车辆的 位置，具体模型按路段超车模型计算。若超车视距不满足，该车应跟随前车减速行驶，减 速模型： 2 ，+ 2 ( v + v 1 ) r 口= ：_ 一 2 u 式中：卜- 前后两车的停车视距，m 一前行车速度 当前后两车以基本相同的速度跟随行驶时，后车应与前车保持必要的时间间隔，以确 保前车紧急刹车时，后车能够及时做出判断和反应，并采取相应的措施避让或者停车，从 而避免追尾撞车事件的发生。设两车的跟车间距为s ，( 前车车尾和后车车头的距离) ，a l 、 a 2 分别为两车的制动减速度，前后车的速度分别为v 。、v ：，后车的停车制动反应时间为t t ， 则两车不发生追尾的条件是： s ) v 2 t 24 - 芸2 一丢 若近似取1 ，= m = v 2 ，则有： p f ：+ 兰( 生兰) z 口l 口， 式中：t 一前后两车的空档时间，其最小值不应小于最小安全时距。 2 3 3 车辆的自由行驶 车辆在道路上的行驶分为自由行驶和跟驰行驶。当车辆的运动不受前面运动车辆的影 响时，称该车作自由行驶，反之则为跟驰行驶。自由行驶又有两种形式，即加速到目标车 速稳速行驶和减速到将车停在既定的位置。 当车辆处于头车位置或与同一车道的前车距离大于跟驰界限的( 一般取车头时速时距 为8 s ) ，车辆处于自由行驶状态。此刻车辆所采用的加速度由车辆的当前速度与期望速度 之间的差距确定。 1 5 广东工业大学工学硕士学位论文 瘟= 筹 式中。 唯自流一自由行驶状态下的加速度( m s 2 ) a 一跟驰车辆的当前加速度( m s 2 ) 畦。，口二扛一分别为跟驰车辆的最大加、减速度( m s 2 ) v 一跟驰车辆的当前速度( k m h ) 望一跟驰车辆的期望速度( k m h ) 2 3 4 车辆的跟驰行驶 多辆汽车行驶在单车道上，在车辆密度大、车间距离较小的情况下，为了不致于发生 碰撞，各车都力求保持一定的安全距离。驾驶员根据前车提供的信息，采取相应的运行方 式。于是，其行驶速度与车头间距就受到前车的制约，处于非自由行驶状态。但是驾驶员 固有的反应特性决定了前后车间的动作改变不是同步的，后车对于前车的加速、减速等运 行状态的改变，需要有一个反应时间，若前车在t 时刻有了动作的改变，那么后车在t + t 时刻才能做出相应的动作反应，因此在时间上产生了一个“滞后”。但当后车在t + t 时刻 基本上达到了与前车t 时刻一致的安全速度时，实际上与前车的距离又发生了变化。为了 维持一个安全的距离，后车驾驶员总是不断的进行试探性地操作，这种试探性操作也必然 向后传递，直至车队的末尾。从上面的分析可知，汽车的跟驰运动具有三个明显的特征， 即制约性、延迟性和传递性。这些特点决定了交通信息沿车队向后传递不是平滑连续的， 而是象脉冲一样间断性连续的。 跟驰模型以驾驶员对道路、交通状态的判断为前提，确定车辆的行驶状态，包括一般 跟驰和紧密跟驰两种情况。驾驶员通过对自身状态的判断，包括车头间距、速度、加速度， 以及前车状态，确定下一时刻采