（计算机应用技术专业论文）信号交叉口配时优化及微观仿真研究.pdf

摘要 随着经济的发展和城市化水平的提高，城市交通问题日益突出，对现有交通 进行有效的管理和控制已成为我国交通运输中迫切需要解决的问题。城市交叉口 把城市道路相互连接起来构成道路网，其通行能力制约着城市道路的通达，是影 响道路畅通的瓶颈。本文在分析交通基本理论的基础上，根据交叉路口的实际情 况，以减小交叉口信号控制的平均延误为目标，提出了平面交叉口多相位模糊控 制算法，并对其进行了仿真，然后定时控制在不同的交通条件下进行了多次仿真 比较，结果表明两级模糊控制的效果明显优于定时控制。然后又用b p 神经网络 对模糊控制器进行参数优化，改善了控制器中的隶属度函数形状及分布，并应用 于城市单交叉路口的多相位信号配时上仿真结果表明该方法能有效降低通行 车辆在交叉口的平均等待时间，明显优于传统控制方法。最后把模糊控制器经由 m a t l a b 的c o l n 接口打包成在v c 中可以直接调用的c o m 组件。通过仿真交叉口车 辆的运行，直观再现交叉口交通流状态，可以直观地看到本课题提出的经由b p 神经网络优化的两级模糊控制方法可以使交通信号随着交通条件的变化而相应 地调整，使交通拥挤得到了缓解。 关键词交通信号控制信号配时模糊控制微观交通仿真 r e s e a r c ho ns i g n a lt i m i n ga n dm i c r o s c o p i c s i m u l a t i o na ti n t e r s e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dr i s ei nl e v e lo fu r b a n i z a t i o n , t h et r a f f i c p r o b l e m sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s i nt r a f f i ce n g i n e e r i n gf i e l d , m o r e i m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt oh o wt om a k et h eb e s tu s eo fe x i s t i n gr o a d , i n c r e a s e t r a f f i cc a p a c i t ya sw e l la sr e d u c ed e l a yi ns i g n a l i z e dj u n c t i o n sa sm u c ha sp o s s i b l eb y m e a n so f s c i e n t i f i cr e a s o n a b l em e a s u r e s c i t yi n t e r s e c t i o ni st h e j o i n to f r o a dn e t w o r k , w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr o a dc a p a c i t ya n ds a v i c e t oi m p r o v et h et r a f f i c c a p a c i t ya n dr e d u c ep a r k i n ga n dd e l a y i n gi nt h ei n t e r s e c t i o na r et h eg o a l so fu r b a n r o a d 仃a 岱c a f t e ra n a l y z i n gt h ec i t y - t r a f f i cd e v e l o p m e n t s , t h eg r a d ec r o s s i n g sc o n 垃 o l t h e o r ya n di t sm e t h o do f e v a l u a t i o n , t h ep a p e rd e s i g n sal x a f f i cs i g n a lt w o - s t a g ef u z z y c o n t r o ls y s t e mf o rs i n g l ei n t e r s e c t i o n , a n ds i m u l a t i o ni nd i f f e r e n tt r a f f i cc o n d i t i o n a p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oo p t i m i z ep a r a m e t e r so ff u z z y c o n t r o l l e r sw i t l lb p a l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mi m p r o v et h es h a p ea n dd i s t r i b u t i o n o fm e m b e r s h i pf u n c t i o n so ft h e c o n t r o l l e r sm a di sa p p l i e dt om u l t i - p h a s et r a f f i c s i g n a lt i m i n gf o rs i n g l ei n t e r s e c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yd e c r e a s et h ea v e r a g ed e l a y i n gt i m ei nt h ei n t e r s e c t i o na n di ss u p e f i o rt ot h e c o n v e n t i o n a lm e t h o d a n dt h e ns t r e s so ni n t r o d u c i n gt h ea p p l i c a t i o no fm a t l a b b u i l d e rt ov cm i x e dp r o g r a m sb ym a k i n gf u z z yc o n 仃o l l e rt h ec o m p o n e n tw h i c hc a n b eu i nv i s u a lc h a n dp r o g r a ms i m u l a t i o ns y s t e mb yu s i n gv i s u a lc + + t h r o u g ht h es i m u l a t i o n , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z ye o n 订o l l e rh a st h ea b i l i t yt o a d j u s ti t ss i g n a lt i m i n g si nl s p o n s et oc h a n g i n gt r a f f i cc o n d i t i o n sa n dt h a tt h ef u z z y c o n t r o l l e rp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sb e l t e ft h a nc t w r e n tf i x e d - t i m ec o n t r o la n d i m p r o v e st h el e v e lo f i n t e r s e c t i o ns i g n a ls e r v i c ec a p a c i t y y uj i n - c h a n g ( c o m p u t e r a p p l i e dt e c h n o l o g ym 旬o r ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gc h e n - x i a n k e yw o r d s ： s i g n a l c o n t r o ls i g n a l t i m i n gf u z z yc o n t r o lm i c r o s c o p i c t r a f f i c s i m u l a l i o n 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期问学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离 校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位 仍然为西安工程大学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位 论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师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，学位论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用 途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 日期： l 绪论 1 绪论 随着城市化速度的加快，机动车日益普及，人们在享受机动车带来的巨大便 利的同时，也面临着交通拥挤的困惑。显然解决交通拥挤的直接办法就是修建更 多的路桥以提高路网的通行能力。然而，修建路桥的巨额资金和城市空间的严格 限制，使这一方法的有效性大打折扣。车辆在平面交叉口处反复的分流、合流及 交叉，交通状况复杂，平面交叉路口是制约城市道路交通功能的瓶颈。对于任何 一个大城市，加强城市道路基础设施建设、改善城市快速干道系统是必要的，但 做好平面交叉口的规划、设计、改建和管理工作无疑具有极其重要的意义。 1 1 道路交通存在的主要问题及危害“ 随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，汽车工业蓬勃发展，汽车的普 及率越来越高。人们在享受机动车带来的巨大的便利的同时，也面临着交通拥挤 的困惑。无论是在发达国家还是发展中国家，交通拥挤加剧、交通事故频繁、交 通环境恶化等问题变得日趋严重。同时由于交通堵塞而并发引起的总体资源浪 费、排放物对环境的污染等问题更是难以计算。其主要表现如下： a 交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁。 b 交通拥塞严重，导致出行时间增加，能源消耗增加。 c 空气污染和噪声污染日益加深。 交通问题还间接造成城市有限的土地资源和能源被无效的使用，公共运输系统的 吸引力下降，运行效率下降，严重影响了人们的生活质量，给环境，经济社会带 来了严重的后果。 1 2 城市交通控制概述 道路交通管理与控制是道路交通工程的一个重要组成部分，它的主要目的， 是根据现有的道路网及其设旖和出行分布状况，对各种出行加以指导性管理，使 整个系统从时间上和空问上尽可能地得到协调。随着城市的快速发展，交通系统 的问题也日渐突出，如市区道路行车延误增大、整体行驶车速过低等，其中最为 关键的是交叉口的车流量已处于饱和状态。分析其原因，主要是由于现有交叉口 的几何条件所限，以及缺少完善的交通管理设施。道路上交通标志不规范，路口 灯控率、十字路口渠划率等衡量城市交通管理水平的重要指标较低等等。为了解 决交通拥挤的问题，许多城市采取了完善路网和改善交通信号控制设施的措施， 也提出了许多新理论和新方法，这在一定程度上缓解了交通拥挤的问题。但是， 交通系统的新理论和新方法受实践限制，不能充分的进行验证或应用于实际中； l 绪论 而道路交叉口或区域的交通控制系统参数的测算，由于计算繁琐和实际情况的变 化也不能达到最佳效果，无法知道动态的情况。因此，需要一种比较简便快捷的 方法来设计交通控制系统或能对其完善性进行评估和验证。通过计算机动态模拟 交通控制系统，可以在一定程度上对道路交通系统进行研究并得到较好的效果。 早在十九世纪人们就开始研究用信号灯指挥道路上的车辆交通。1 8 6 8 年，英 国机械工程师纳伊特伦敦威斯敏特街口安装了最早的交通信号灯，那是一种煤气 灯，在灯前用红、绿玻璃变换信号。但一次煤气爆炸事故使交通信号几乎销声匿 迹了近半个世纪。虽然它毁于事故，但这一燃气灯标志着城市交通信号使用的开 始。1 9 1 4 年以及稍晚一些的时候，在美国俄亥俄州的克利夫市出现了交通信号 灯，它们采用电力发光，与现在现实意义上的信号灯已经相差无几了这标志着 道路交通控制技术发展的开始。1 9 1 8 年，在美国纽约街头出现了红、黄、绿三 色信号灯，后来这种信号灯被普遍采用1 9 2 6 年，英国人在沃尔佛汉普顿安装 了第一座自动交通信号灯：同年，美国的芝加哥市政采用了交通控制方案，每个 交叉口设有唯一的交通灯，适应于单一的交通流。从此，交通控制技术和相关控 制算法得到发展和改善，提高了交通控制的安全性、有效性并减少了对环境的影 响。这个时期，在美国还出现了感应信号机。早期使用的信号控制机都是按照某 种固定不变的周期长度和绿信比来控制交通信号的运行，即固定配时方式。在近 百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动控制到自动控制、无感应控制 到有感应控制、单点控制( 点控) 到干线控制( 线控) 再到区域控制( 面控) 的 过程。 由于固定配时方式无法适应一天当中交通量随时间波动的客观情况，多时 段、多相位的信号控制机应运而生了。它能按事先预定的运行时间表，及时轮换 执行不同的配时方案，使交叉口通行效率大大提高。但随着城市交通的迅速发展， 原始的信号灯已不能胜任越来越复杂的交通控制任务。 1 3 交通仿真技术在解决交通拥堵问题中的作用 一般说来，解决交通拥挤的最直接的办法就是建设更多的道路交通设施，提 高路网的通行能力，但无论是哪个城市，可供修建道路的空间必定有限。同时， 由于交通系统是一个相当复杂的大系统，仅仅从多修道路上入手，难以解决根本 问题。美国的一位交通专家( s t e p h e n s t a r e s ) 曾经对中国与美国的一些大城市路 网作过仔细的对比研究，纠正了原先统计口径上的一些错误，然后得出这样的结 论：“很惊人的是，上海市中心区的道路面积率和华盛顿中心区的道路面积率差 不多相同。”然而，众所用知，上海市中心区路网的承载能力与通行效率却大大 低于华盛顿市中心区的路网埘。纽约、东京、柏林等国际化大都市的面积大都与 i 绪论 北京相当，巴黎市区仅相当于北京的六分之，而这些城市的汽车保有量却是北 京的两倍以上，甚至更多，可是交通堵塞情况却远没有北京那么严重。由此可见 单纯靠扩展道路与道路网的尺度，甚至不惜牺牲环境效益，以极昂贵的代价修筑 高架道路、大立交，并不能真正改善道路系统的容纳能力和运行效率。在这种背 景下，从系统的观点出发，把车辆和道路综合起来考虑，着眼于充分利用现有的 道路交通设施，在不大量兴建新的道路设施的前提下着重提高运行效率，以节约 大量的建设资金和时间，从而运用各种高新技术系统解决交通问题的思想就应运 而生。 为了有效地提高城市道路的利用率，解决交通拥堵问题，有必要对城市道路 的交通现状做出科学的分析，找出合理的改善措施。微观交通仿真作为交通优化 设计的一个重要手段，它利用计算机对所研究对象( 道路交通系统) 的结构功能， 行为以及参与交通控制者一 、的思维过程和行为特征进行较为真实的模仿，采 用计算机数字和图像模型等技术来模拟复杂的道路交通现象，届时交通流状态变 量随时间空间变化的分布规律及其以交通控制变量间的关系，已成为交通参数分 析和交通控制优化的地有力工具，并广泛应用于道路通行能力，交通事故，交通 管理和控制等方面的研究，尤其在交叉口信号控制和交通事故与交通拥挤机理分 析方面特别具有研究价值。1 。它可以从交叉口的设计、交通流的组织和渠化以及 信号控制等方面来对交通现状进行仿真分析。在费用及时问投入都很少的情况下 及时得出评估结果，提出最优方案，改善交通状况。 1 4 论文的主要研究工作及意义 交叉口的研究是道路交通研究中最重要的工作之一。交叉口是城市交通中一 个十分重要的部分，它的功能是把道路连接起来，使其构成道路网，从而实现多 个交通流方向的变换。由于交叉口的存在，提高了人们出行的通达水平，改善了 路网的连通性。但在交叉口处，不同方向车辆的交叉运行，极易造成交叉口处车 辆运行效率的下降。再加之不合理的几何设计与相位设计，使交叉口时常处于及 其混乱的局面。这种情况发生时，一方面，造成交叉口的通行能力下降、车辆延 误增加，同时也带来了相关的环境问题。另方面，有关研究表明，二旦交叉口 发生堵塞，将不仅仅影响交叉口临近路段，还会影响到更远路段交通的有效运行， 并且拥堵的消散时间一般很长。 所以，研究交叉口的交通问题有助于充分利用交叉口的时空资源，降低或消 除其对道路系统的瓶颈影响，提高整个道路系统的通行能力和服务水平。 本文以平面交叉口车辆感应控制及模糊控制理论为基础，研究平面交叉口多 相位模糊控制方法。 1 绪论 a 就平面交叉口的冲突点、交通流特性及延误进行分析。 b 运用模糊理论和模糊控制方法研究多相位交叉口的模糊控制算法。 c 通过建立相应交叉口的交通流仿真模型，设计微观仿真系统。 d 用仿真系统验证模糊控制算法的效果，并与当前的控制算法进行比较。 e 提出了城市道路交通仿真软件系统开发过程中的一些关键技术问题的处 理方法包括：面向对象软件设计技术、系统设计及实现技术等 本文的研究意义在于： 将模糊控制理论与平面交叉口的交通控制相结合，提出一种相对高效的平面 交叉口信号控制方式，完善交通信号控制，以提高平面交叉口的通行能力，为城 市交通管理提供新的方法和实用技术。 另外，由于交通仿真能够提供同样的道路交通条件。可以对各种控制方案进 行比较和评价，本文对交通微观仿真方面的建模及实现技术进行的研究有助于创 建一种直观、方便、有效的单个节点交通分析工具，以评价控制方案的优劣。 2 交通仿真基础 2 1 系统仿真嘲 2 交通仿真基础 仿真，顾名思义是对真实事物的模仿，也称为。模拟”，它是为了解决问题 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的对象是 兼有方法论与工具意义的系统仿真问题，因此，我们讲的仿真一般也就是指的系 统仿真。 国内外仿真界的专家和学者对仿真下过不少定义，综合他们的观点，系统 仿真的定义可以做这样的概括。系统仿真是以相似原理、控制理论、系统技术、 信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备 为工具，利用系统模型对真实的或者设想的系统进行动态研究的- - i 1 多学科综合 性技术。 计算机技术的飞速发展为仿真技术开辟了崭新的途径，这种仿真的特点是： 将实际系统的演化运动规律用数学形式表达出来，它们通常是一组微分方程或差 分方程，然后用计算机来求解这些方程组。与实物仿真相对比，计算机仿真的好 处是：只需要计算机就可以对物理性质截然不同的许多系统进行仿真研究，而且 进行一次仿真研究的准备工作主要是编制程序，这比在实际物理模型上作大量的 安装、接线、调整等准备工作的工作量要小得多，周期也要短得多，所花的费用 也要少得多。由于以上的诸多优点，计算机仿真正在越来越多的代替了实物仿真， 虽然有时为了某种要求还必须有一部分实物介入到仿真系统中去，但仿真系统的 主体已经是计算机了，因此我们现在一讲到仿真都指的是计算机仿真。 2 2 系统仿真的分类 系统仿真是根据被研究真实系统的模型，利用计算机进行实验研究的一种方 法。它建立在系统科学、系统识别、控制理论、计算机技术与控制工程基础上的 一门综合性很强的实验科学技术，是分析综合各类系统，特别是大系统的一种研 究方法和有力的工具。根据模型的不同，系统仿真可分为三种：物理仿真、数学 仿真和数学物理仿真。 物理仿真又称物理效应仿真，是指按照实际系统的物理性质构造系统的物理 模型，并在物理模型上进行实验研究。物理仿真直观、形象、逼真度高，但不如 数学仿真方便。尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模 型也需要花费较大的投资，且周期也较长，此外在物理模型上作试验不易修改系 2 交通仿真基础 统的结构和参数。 数学仿真是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模 型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真由仿真系统的软 件硬件环境，动画与图形显示、输入输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设 计阶段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性和合理性。数学仿真具 有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软 件技术、图形技术、人工智能技术、先进的交互式建模和仿真软硬件技术的发展， 数学仿真必将获得飞速发展。 物理一数学仿真是将系统的一部分写成数学模型，并将它放在计算机上，而 另一部分则构造其物理模型或者直接采用实物，然后将他们连结成系统进行实 验。这种仿真又称为半实物仿真。 早期的仿真以物理仿真为主，当人们开始针对复杂系统进行这种仿真实时， 制造一个模型常常要花费巨大的代价，周期也相当长，同时进行一次实验所需的 准备工作量也十分巨大。计算机的出现为仿真技术的发展提供有力的支持。 2 3 系统仿真过程 系统仿真包括三个要素：系统、模型和计算机。联系这三个要素的有三个基 本活动叫：系统模型的建立、仿真模型的建立及仿真试验。它们之间的关系如图 2 - 1 所示： 图2 - 1 系统仿真的基本步骤 建立系统的数学模型称为一次建模，将建立的数学模型转化为能在计算机上 运行( 或试验) 的模型称为二次建模。仿真试验则指仿真模型的运转和试验。系 统仿真的建立过程就是建立模型并通过模型在计算机上运行来对模型进行检验 和修正，使模型不断的趋于完善的过程。 仿真的主要步骤： a 系统定义根据仿真的目的，规定仿真系统的边界，约束条件。 b 数学建模根据系统试验知识、仿真目的和实验资料来确定系统数学模 2 交通仿真基础 型得到框架，结构和参数。模型的繁简程度应于仿真的目的相匹配。要 确保模型的有效性和仿真的经济性。 c 仿真建模根据数学模型的形式，计算机的类型以及仿真目的将数学模 型转变成仿真模型，建立仿真试验框架。 d 装载利用仿真软件将仿真模型输入计算机。 e 实验根据仿真的目的在模型上进行实验。 f 结果分析根据实验的要求对结果进行分析，整理及文档化。根据仿真 的结果修正数学模型以及仿真模型。 2 。4 交通仿真 交通仿真是2 0 世纪6 0 年代以来随着计算机技术的进步而发展起来的采用计 算机数字模型来反映复杂交通现象的交通分析方法。交通仿真是计算机仿真技术 在交通工程领域的一个重要应用。交通仿真是复现交通流时间空间变化的技术。 交通仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的开发是交通仿真研究的两个核心 内容嘲。 在交通仿真技术出现之前，交通工程师们都是采用经验方法和数学分析方法 来分析交通现象。然而，交通系统是一个典型的复杂系统，系统内要素的状态及 其相互作用规律受多维随机因素的影响，往往难以用经验模型或数学分析模型来 准确地描述。传统交通分析方法的的局限性在6 0 年代的交通信号自动控制系统 出现以后显得尤为突出，当时的交通工程师们希望找到一种更有效的交通分析方 法来优化交通控制的信号参数设计，从而开始了交通仿真的研究。 与传统的交通分析技术相比，交通仿真技术的优点在于哪： a 模型机制的灵活性和柔软性仿真模型对系统内各基本要素的变化规律 及相互作用关系的描述与系统的实际运行过程紧密对应，有利于形成灵活性和柔 软性较强的模型机制。道路交通仿真分析注重的是多系统运行全过程的描述，而 做到这一点必须在模型机制上与实际系统运作机制吻合，这与数学解析方法的重 “结果”轻“过程”是有本质区别的。仿真模型追求的是过程，而解析方法追求 的是结果。 b 模型描述的准确性和灵活性微观交通仿真模型以交通系统最基本的要 素如单个车辆、车道、信号灯等为建模单元，因而能准确灵活的反映各种道路和 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。 c 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， 模型运算的结果可以方便的与用户进行交互，增强了模型应用的实用性和方便 2 交通仿真基础 性。仿真结果动画演示的直观性使得即使非专业人员也很容易理解。 d 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 态描述提供了强有力的支持。 交通仿真技术可有效地体现交通流的随机因素，按照设想要求实现交通状况 的重现，从而大大降低了现场试验的要求，现在已成为分析各种交通参数和优化 交通控制等研究的有力工具。他可以应用于道路通行能力、交通事故、交通控制 等方面的研究，尤其在交叉口信号控制与交通拥挤机理方面特别具有研究价值。 2 5 交通仿真的分类 根据交通仿真模型对交通系统描述的细节程度的不同，交通仿真可分为宏观仿 真、中观仿真和微观仿真。 a 宏观仿真：宏观仿真着重从全局角度来研究系统特性。最早的宏观交通 流计算模型是l i g h t h i l l 与w i t h a m 提出的嘲。宏观仿真模型中，交通流被视 为一个可压缩的媒体或流体，交通流的运动按照流体机制来处理。宏观仿真通过 流量一密度关系来控制交通流的运行，模型中不追踪单个车辆的移动。例如，当 考察路径上的某一固定路段时，在给定时间内交通流的变化按照流入与流出的车 辆数量来推算。宏观模型对于描述整个交通网络的全部流量是有效的，但宏观模 型不能刻画瓶颈的动态变化，也很难兼顾每一车辆驾驶员的行为。典型的宏观仿 真问题有路径出行选择问题、网络流量分配问题等。 b 微观仿真：微观仿真模型以跟车模型为基础，追踪每个车辆的移动过程。 在微观模型中，车辆的移动由驾驶员的特性、车辆性能、车辆周围的环境和道路 几何条件来决定。微观模型考察的重点是单个的“驾驶员车辆元素”在交通网 络环境下的动态变化，它采用的规则包括3 个重要方面：车辆移动基本规则( 跟 车模型与换道模型) 、服务优先规则和信号约束规则。较早的微观模型是g a z i s 提出的距离模型m ，它可以近似地研究车辆的移动行为、人的生理感受以及单个 驾驶员的心理决策过程，也可以用来仿真和评估由交通车辆产生的环境问题( 如 污染物质排放量，噪声等) 。在微观模型中，驾驶员路径选择决策，一般是在路 径诱导系统提供的信息基础上采用概率路径选择模型来刻画。微观模型可以给出 单个车辆的详细结果嘲，包括实际速度、旅行时间、拥挤时间等。不过，这种模 型一定程度上受仿真车辆数量的限制，也取决于计算机的c p u 及内存容量，多数 模型难以在大规模网络上进行在线运行，但随着并行计算技术和计算机性能的提 高，微观仿真的不足可望得到解决。 微观仿真对交通系统的要素及行为描述程度最高。例如微观交通仿真模型对 交通流的描述是一单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟车、超车、车道变 2 交通仿真基础 换行为等微观行为都得到较真实的反映。 微观仿真模型基本上由两大部分组成，一部分是路网几何形状的精确描述， 包括信号灯、检测器、可变信号标示等交通设施；另一部分是每辆车动态交通行 为的精确模拟，这种模拟要考虑驾驶员行为并要根据车型加以区分。 微观交通仿真模型的特点： ( 1 ) 便于模拟分析交叉口中交通流运行情况，特剐是各种拓宽和渠化设 计方案； ( 2 ) 对各种信号控制方案提供预先仿真评价工作平台； ( 3 ) 易于仿真公交专用车道和公交车辆的运行，同时可设计公交线路、 发车间距、公共汽车停靠站和公共汽车停站时间； ( 4 ) 具有与交通环境有关的可变仿真参数和功能； ( 5 ) 可以作为交通管理系统和道路几何设计方案的评价分析依据； ( 6 ) 分析道路交通安全性和进行交通工程理论研究； ( 7 ) 对城市交通污染状况进行评价 微观仿真模型可以量化i t s 带来的效益，特别是在先进的出行者信息系统 ( 勰i s ) 和先进的交通管理系统( a 1 峪) 中，这些效益可以通过速度和出行时间 等指标来计量。大致来说，微观仿真模型可以仿真的i t s 领域有动态交通控制、 事故管理方案、实时路径诱导、交叉口自适应信号控制、匝道和干线控制、收费 站、车道控制( 车道使用标示、e t c 、高占有率车道等) 等。 c 中观仿真：相对而言，宏观仿真模型缺乏对道路横纵断面变化和交通控 制与管理特点变化的考虑，而微观模型虽可以研究交通运营过程，评价各类新的 交通控制与管理技术的利弊，但对复杂的实际网络的适用性稍差。鉴于宏观模型 与微观模型在应用上存在的不足，实际研究中出现了一类中观模型。实际上，仿 真追求的两大目标是大型网络与巨量交通流量，要在道路网络内建立能够兼顾宏 观与微观模型优点的交通流动态运行模型。中观模型既可以描述宏观交通流模型 中采用的时间与空间状态特性( 如密度、流量与速度) ，又可以保留微观模型中的 核心数据，如实际速度、旅行时间和旅行距离等特性各异的单个车辆的运行结果。 最典型的中观建模方法是：将网络中的各链( l i n k 或s t r e t c h ) 根据需要分成多 个路段( s e g m e n t ) ，在这些路段中，车辆的运行按照宏观流模型来运行。在每一 “驾驶员一车辆元素”中，可以加入一些参数来刻画诸如加速度、减速度等动力 学特性以及诸如期望速度等驾驶员的心理特性。不过，与微观模型相比，中观模 型只能部分刻画“车辆一驾驶员元素”的行为。 随着计算机技术的发展，微观仿真模型也许可以在更大的网络上描述更多流 量的交通问题嘲。宏观仿真系统软件，可以评价城市道路、交叉口的总体性能， 2 交通仿真基础 但是不能对城市道路改造、交叉口的渠化设计、交叉口控制方法、交通信号配时 和公交专用道系统中公交车辆的运行情况等敏感性交通设施进行评价分析，而这 些均是城市交通中面l 临急需解决的问题。尤其是城市交叉口，车流量大、路口拥 挤，往往是城市交通的瓶颈。为了对宏观仿真系统的评价效果进行补充，选用交 通流微观仿真系统评价和分析个体车辆在城市交叉口中具体行为，通过仿真交通 流的实际状态，不仅可以利用各种原始数据在短时间内得到改善后的交通状况， 也可以从系统的运行中得到其它方案所需的数据。在不同参数情况下，系统的结 果可以确定造成交通拥挤问题的原因，而且可以随时模拟出在各种假设交通管理 和控制等改进措施下对所研究信号交叉口的影响效果。微观仿真系统能在投入和 时间都很少的情况下及时得到评估结果。更为重要的是对一些有困难不能进行现 场实验的交通管理和控制措施，可以利用交通流微观仿真系统来优化与解决“”。 2 6 国内外交通仿真研究概况 2 6 1 国外交通仿真研究概况 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 - 8 0 年代以 及9 0 年代初以来的3 个较为明显的发展阶段”。 a 2 0 世纪6 0 年代由于交通仿真中存在着大量的数值计算，所以随着2 0 世纪6 0 年代计算机技术的飞速发展，才开始出现交通仿真的研究工作。英国的 d l r o b s o n 于1 9 6 8 年提出了t r a n s y t 模型，它是早期最具有代表性的研究成果 t r a n s y t 模型是一种宏观仿真模型，主要用来确定定时交通信号参数的最优值。 在这一时期，比较典型的研究成果还包括t r a n s 、v t s 、s i g o p 等，这一时期的交 通仿真系统的特点是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，仿真结果过于笼统，难以达到实用的目 标，只能做出一些定性的描述。之所以出现这样的情况，一方面是由于研究尚处 在起步阶段，更重要的受限于当时的计算机的性能。以后的实践表明：交通仿真 技术的发展与计算机技术的进步是息息相关的。 b 2 0 世纪7 0 - 8 0 年代到了2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，由于计算机的迅 速发展，交通仿真模型的精度也迅速提高，功能也更加多样。这期间的典型代表 当属n e t s i m u 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 2 交通仿真基础 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 l j 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 f f o 型仍是目前应用最为广泛的仿真模型。美中不足的是该模型在网络模型的描述功 能上极为有限。 c 9 0 年代以来2 0 世纪9 0 年代以来，随着国外i t s 研究的日益热门，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。 到目前为止，较为成熟并且己具有相当的商业性和通用性的交通仿真软件有 以下几种n 1 1 ： p a r a m i c s 是苏格兰q u a d s t o n el i m i t e d 公司的产品，采用了并行计算技术。 它能够进行交通管理和控制仿真，在设计阶段，确定信息标志的最佳地点，在运 营阶段确定优化战略；能够模拟交通控制中心，描述交通事件的拥挤情况，提供 交通管理策略产生效果的细节描述；能够提供交通状况的预测信息，为出行者提 供优化的路线诱导；具有智能化的导航功能，提供用户控制的路径费用扰动 来模拟驾驶员对路径一费用感知的变动。p a r a m i c s 在仿真i t s 基础设施和拥 挤的道路网时有突出的表现，能仿真交通信号、匝道控制、与可变速度相连的探 测器、车内信息显示装置、车内信息顾问、路线诱导等。并且能够从s a t u r n 、 n e s a 、t r i p s 等读取有关节点和路段的信息。 c o r s i g 由美国联邦公路署( f h w a ) 开发，综合了两个微观仿真模型用 于城市的n e t s i m 和用于高速公路的f r e s i g ，因此c o r s i m 能够仿真城市街道 和高速公路的交通流。c o r s i g 的目标是交通系统管理的开发和评价。它是一个 能够真实再现动态交通的随机交通仿真模型，有先进的跟车模型和车道变换模 型，以1 秒为间隔模拟车辆的运动。它提供了更多指标来量化交通网的性能。 c o r s i m 提供动画显示，以便用户观察仿真结果。i t r a f 是c o r s i m 的图形用户界 面( g u i ) ，用来构建各种不同t r a f 模型的路网。1 9 9 7 年f h w a 发行了一个加强 版，大大增强了对i t s 的仿真，称为t r e p g s ，主要加强了对高速公路、干线、 交叉口、各种车型、控制策略的模拟。c o r s i g 主要的缺点是缺少分配算法，使 得评价匝道控制、事故、出行者信息引起的交通量转移难以进行。 v i s s i m 是德国p t v 公司的产品，它是一个离散的、随机的、以1 0 - 1 秒为时 间步长的微观模型。车辆的纵向运动采用了心理生理跟车模型，横向运动( 车 道变换) 采用了基于规则的算法。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。 v i s s i m 提供了图形化的界面，用2 d 和3 d 动画向用户直观显示车辆运动，运用 2 交通仿真基础 动态交通分配进行路径选择。v i s s i m 能够模拟许多城市内和非城市内的交通状 况，特别适合模拟各种城市交通控制系统。主要应用有：由车辆激发的信号控制 的设计、检验、评价；公交优先方案的通行能力分析和检验；收费设施的分析； 匝道控制运营分析；路径诱导和可变信息标志的影响分析等。 a i m s u n 2 是西班牙t s s 公司的产品，它集成在g e t r a m 软件包中，g e t l 砌还 包括图形路网编辑器( t e d i ) 和储存路网信息的数据库。a i m s u n 2 的特点有：能够 用于各种不同的路网( 城市网络、高速公路、一般公路、公交干线或者混合情况) ； 提供了两种不同方式的仿真，一种是基于输入交通流和转弯比例的，一种是基于 0 d 和路径选择模型的。前者车辆随机地分布于路网，后者车辆在o d 之间被分配 了特定的路径；能够模拟不同的交通控制( 有信号交叉口、无信号交叉口匝道控 制) ；可以模拟可变信息板( v m s ) 上显示的消息对交通行为的影响；提供细致的 统计输出，如流量、速度、出行时间等；还有环境影响，例如燃油消耗和污染排 放。为了对i t s 进行仿真，a i m s u n 2 开发了扩展功能，包括自适应交通信号控制、 交通管理系统和事故管理系统的仿真；车辆导航、燃油消耗和排放的仿真；公交 车辆调度和控制系统的仿真。i t s 被作为外部程序与a i m s u n 2 进行通讯来进行影 响评价，为此a i m s u n 2 开发了一系列的动态链接库( d l l ) ，使得a i m s u n 2 能够 与外部程序进行通讯。 i n t e g r a t i o n 是八十年代中期由乩v a na e r d e 教授开发的，它混合使用了 单车和宏观的交通流理论，因而被认为是中观模型。i n t e g r a t l 0 n 中跟车模型的 算法采用运动学模型，单车的速度是基于自由流、达到通行能力、拥挤时的宏观 交通流参数。i n t e g r a t i o n 能使沿路段的交通流密度连续变化，因此可以模拟车 队的消散。它使用5 种驾驶员类型来模拟实时交通条件下的行为。模型能在路网 上以0 1 秒的水平再现跟车、车道变换、可按受车间距等行为。可以用动态o d 进行高速公路合流、分流、交织、瓶颈的分析。i n t e g r a t i o n 提供了详细的驾驶 员( 或车辆) 行为模拟，能够评价路径诱导系统的有效性，匝道控制和信号控制策 略的影响、事故的模拟等。该模型可以用于交通控制、路径诱导、可变信息标示 等；用户可以修改模型参数，它的弱点是不能进行多路径分配。 s a t u r n ( s i m u l a t i o na n da s s i g n m e n to ft r a f f i ci nu r b a nr o a dn e t w o r k ) 是由英国利兹大学为研究平面交叉口信号控制和交叉口交通管理措施而开发的 交通仿真模型，模型的最大特色是考虑了出行者的路径选择行为。其中，路径选 择模型决定了车辆的运行路径，仿真模型则根据路径选择模型提供的路径使得车 辆在路网上运行，两个模型相互作用，再现了动态用户均衡交通状况。但由于系 统开发的时间较早( 1 9 7 6 年) ，许多的功能必须结合目前交通的问题和发展进一 步进行研究“”。 2 交通仿真基础 t r a n s i m s ( t r a n s p o r t a t i o na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns y s t e m ) 由美国l o s a l a m o s 国家重点实验室开发。作为一个微观仿真模型，系统模拟所有与交通运 输规划有关的出行者行为。该系统是基于点格自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ) 模型 开发的。点格自动机模型是一种以网状方格为空间占用单位的简化车辆运动模 型，简化的道路表示使大规模城市路网模拟成为可能，而点格尺度的统一有利于 随机因素的考察和研究。但由于点格模型难以描述车辆的运行路径问题，所以很 难对交通的网状特性开展进一步的研究。 m i t 在b a m o s h e 等人领导下开发了系列的交通仿真系统，是在交通仿 真领域研究最为深入的研究结构之一。其中s i m l a b 是一今微观的交通流仿真实 验平台，s i i “l a b 集成了各种交通因素并开发了各种相应的交通微观仿真模型。 d y n a m i t 是基于s i i l a b 开发的动态交通仿真系统，该系统开发了在a t i s 的条 件下研究出行者出行行为的动态模型。系统的仿真框架完备，其中状态评价和状 态预测的描述是系统的特色。但该系统目前还仅停留在框架研究和分析阶段，对 于各种相应的模型开发和模型验证还需进一步进行。 d y n a s m a r t 系统是一个由t e x a sa u s t i n 大学开发的中观模拟系统，该系统 在面向城市交通网络的动态交通流特性，在分布并行化的条件下进行仿真。应该 说是对交通仿真方面进行了卓有成效的探讨，并基于该系统进行了出行者日变动 的研究。不过这个模拟系统使用的是中观模型，虽然提高了系统的运行效率，但 由于车流的运行并不是由单个独立的车流构成，车流规律完全由中观模型推出， 所以并不能解释微观模拟中的许多问题。 2 6 2 国内交通仿真研究概况 。 与国外相比，国内在道路交通仿真方面的研究起步较晚。到2 0 世纪9 0 年代 国内交通工程界逐渐注意到交通仿真研究的重要性，以北京工业大学 7 一1 1 同 济大学“、东南大学“、交通部公路科学研究所、吉林工业大学“”以及北方 交通大学o 7 1 等一批科研单位开始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成 果。如高速公路基本路段通行能力仿真研究、双车道公路通行能力的仿真研究、 高速道路入口匝道范围的交通仿真以及优先控制t 型交叉口交通仿真等等。