（交通运输规划与管理专业论文）城市微观交通仿真系统研究.pdf

t j q i k t - 业大学硕士学位论文 摘要 计算机仿真是目前人们进行科学研究和解决现实中难以实现问题的种主 要方法。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。在交通理 论、计算机硬件和软件技术、基础交通设施和社会需求不断发展的推动下，交通 仿真研究，尤其是微观交通仿真的研究取得了巨大的发展。 本文以城市道路交通微观仿真建模和相应的仿真软件系统丌发为研究重点， 全文主要工作如下： 1 在了解和学习圆外微观交通仿真研究基础上，对微观交通仿真研究的现 状和存在的不足进行了综述性的分析和评价，并建立了微观交通仿真模型体系结 构，该模型体系结构由交通需求模型、路网描述模型、控制方案描述模型、车辆 行驶模型、交叉口冲突模型、车辆运行轨迹模型、系统评价模型所构成。 2 以宝鸡市4 交叉口为例，介绍了干道多信控交叉口协调控制方法，详细 的介绍了车辆行驶模型、交叉口冲突处理模型以及系统评价指标。 3 j ：发了城市微观交通仿真系统，提出了城市微观交通仿真系统软件丌发 巾一些关键技术问题的处理方法。最后，在v c 6 的开发环境下，运用o p e n g ，i ： 发了微观交通仿真软件系统- - u t s s ，初步实现了上述模型，为以后，1 ：发用于网络 交通分析和控制策略评价的大规模微观交通仿真软件打一f 基础。 最后，总结了全文的工作，并指出了今后进步研究的问题。 关键字：协调控制，信号配时，交通微观仿真 一北l 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni sak i n do fm a i nm e t h o di n s c i e n t i f i e r e s e a r c ha n ds o l v i n gt h er e a l - l i f ep r o b l e md i f f i c u l tt oi m p l e m e n t t r a f f i cs i m u l a t i o ni s a ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h ef i e l do ft r a f f i c e n g i n e e r i n g p e o p l eb e g a nt ou t i l i z et h ec o m p u t e rt oi m i t a t et h et r a f f i cb e h a v i o r s ，t h e r e s e a r c ho ft r a f f i cs i m u l a t i o n ，e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ho f 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 ， h a sm a d ee n o r m o u sp r o g r e s s ，u r g i n gb yo fd e v e l o p m e n to ft r a f f i ct h e o r y , c o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，b a s i ct r a f f i cf a c i l i t ym a ds o c i a ld e m a n d c o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l y f o rs o f t w a r e p r o g r a m m i n g a n d m o d e l i n gt e c h n o l o g y ，a r ed e v e l o p e dr a p i d l yd u r i n g r e c e n td e c a d e s i t s r a p i d d e v e l o p m e n ti sp l a y i n ga ne s s e n t i a lr o l et ot h ed e v e l o p m e n to f t r a f f i cs i m u l a t i o n f h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n sc a nb es u m m e du pa sf o l l o w s ： 1 t h em i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e l i n ga n dt h ed e s i g no ft h er e l e v a n t s i m u l a t i o ns o f t w a r ea r et h er e s e a r c hf o c u si nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n g a n ds t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho f 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 ， s u m m a r i z e dt h e p r e s e n ts i t u a t i o na n de x i s t i n gd e f i c i e n c yi n t h er e s e a r c hf i e l do f 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 2 b u i l daf r a m e w o r ko ft h e m 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 nm o d e l i n g i t c o n s t i t u t e db yt r a f f i cd e m a n dm o d e l ，r o a dn e t w o r km o d e l ，v e h i c l er u n n i n gm o d e l ， i n t e r s e c t i o nc o n f l i c t m o d e l ，v e h i c l er u n n i n g t r a c k m o d c l ，s y s t e m e v a l u a t i o n m o d e l d e s c r i b et h ev e h i c l er u n n i n gm o d e la n di n t e r s e c t i o nc o n f l i c tm o d e lo n e m p h a s i s ，i n c l u d i n gw i t hv e h i c l e - f o l l o w i n gm o d e la n dt h ea c h i e v e m e n t sr e s e a r c h e do n t h i sm o d e l 3 t h es o l v i n gm e t h o d so fs o m ek e yt e c h n o l o g i cp r o b l e mi nt h ed e s i g n e eo f 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 o f t w a r ew e r ed e c r i b e d i nt h ee n d ，t h et h e s i sc o n c l u d e sw i t has u m m a r ya n dp e r s p e c t i v e so ft h ef u t u r e r e s e a r c ho f t h ef j e 】d k e y w o r d s ：c o o r d i n a t e dc o n t r o l ，s i g n a l l i m i n g ，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 两北r 业大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 城市交通发展存在的问题 随着我图国民经济的快速发展，特别是社会主义市场经济的发展，对交通运 输的各种需求明照增长，交通运输与社会经济生活的联系也越来越紧密，使得交 通基础设施建设和交通运输成为经济生活中最活跃的因素之一。交通运输的快 速发展使得车和路的矛盾、交通和环境的矛盾成为不可忽视的社会问题。 交通拥堵是最显著的交通问题，交通拥堵造成城市正常社会生活秩序紊乱， 进而导致社会经济、政治与文化等诸项功能的衰退，而且还引发了城1 1 环境质量 的持续恶化。就能源消耗以及城市道路交通设施的有效利用而言，交通拥堵无疑 导致对资源的严重浪费【2 j l ”j 。 为了解决城市交通扒j 挤问题，除了改善城市建筑群的合理分布、拓宽城市交 通要道、增强人民的交通意t 外，更重要的是要加强城市交通尤其足交叉路口的 管理，从而进一步提高城市道路的利用率。由于城市新建、扩建道路的速度远远 赶不上交通工具的增长速度，因此在现有的城市道路交通条件下，能否建立起先 进的交通管理系统，对交通进行合理的疏导，减少交通搠堵，使车流平稳、有序 运行就显得卜分的重要和紧迫。 1 2 城市微观交通仿真的研究意义 为适应i t s j t - 发和评价的需要【3 】【5 5 1 1 6 9 】，微观仿真模型利用车辆跟驰、车道 变换及，j - 接受问隙的理论，控制网络- ：p 运行单车的行为，能够反映出车辆问的相 互作用，可以描述车流运行的随机行为、车流中车型构成不同时的交通特性和不 同驾驶员蹄径选择偏好，还可以预测出单个车辆的山行时l 州延误、停车次数、尾 气排放等性能指标及其分布。另一方面，计算机本身的发展，电使人们可以使用 典型的p c 机，在微观水平上对高峰段大型路网进行建模、研究，而不影响现实路 网r f i 的交通。这也使得交通工程师可以通过操作试验各种不同的管理控制方案， 以达到对系统研究、评价的目的。 微观交通流仿真模型，可以再现单车驾驶员的行为，应当成为开发、评价i t s 的最基本的工具。而且，由于微观仿真模型在单车水平上进行建模、研究，这就 西北工业大学硕+ 学位论文第一章绪论 使利用仿真软件虚拟现实并使之与真实系统直接相联成为可能，从而避免了对待 评价系统的建模。例如，若要评价引入- n 应的城市交通控制系统，女f l s c 0 0 。r 、 s c a t 等所带来的效益，如果通过现场调查采集数据的方法，则必须保证由这些数 据所反映的交通状况的变化仅与新系统的引入有关，要做到这一点是非常困难 的，而且新系统引入前后路网条件难以保持一致，例如无法强迫出行者在不同日 期同一时间做相同的出行，而路网条件，如天气、意外事件等更难以雨现，但可 以直接与一微观仿真软件相联。这样，微观仿真软件可以将从仿真检测中得到的 车流作为仿真的车辆提供给控制系统，而控制系统又把优化的信号设置反馈给微 观仿真模型。这样，仿真过程中的交通条件可由建模者任意设定，并且保持前后 的一致性。数据采集更是变得简单，而试验可在短时问内多次进行，并给出统计 意义上的结果。 微观仿真模型还可用来丌发新的系统并使之达到优化的目的，并通过输出一 系列评价指标预估新方案所带来的影响，如前面提到的车辆排放等难以实地测量 的指标。模拟现实，对系统操作者及使用者提供类似现实的训练，也是微观仿真 工具的重要作用之一。总之，交通流微观仿真模型具有以f 优点： 1 、刻划网络中运行的单车的行为，反映车辆问的相互作用，可以描述车流 运行的随机行为，车流中车型构成不同时的交通特性和不同驾驶员路径选择偏 好，还可以预测出即个车辆的出行时间延误、停车次数、排放等性能指标及其分 布。 2 、可以不断莺复某利，道路、交通条件下交通流的随机状态，避免研究和数 据采集工作对实际交通的影响，同时减轻了工作负荷。 3 、野外采集的数据标定模型参数后，通过模拟实验可生成大量接近实际的 模拟数据，对实测数据进行合理拓展，填补实测数据的空缺部分。 4 、利用模拟模型，可以和实际系统直接相联，还可很好地控制交通条件、 道路条件，反映个别因素对交通流的影响。 5 、通过动画模拟或虚拟现实，r f j 以直观感受到道路、交通条件变化对交通 流的影响，还可对系统操作者及使用者提供类似现实的训练，帮助理解不问交通 需求下交通流运行状态的变化过程。 与数学分析法相比，仿真模拟分析方法可以细致地描述各个交通实体之间的 差异、再现城市交通全过程，便于从时问和空间两个角度同时研究复杂系统的动 态性能，因此成为越来越多的城市交通研究者的首选方法。 曲北l i , j k 火。颂十学位论文第一章绪论 交通仿真可以分为宏观仿真、中观仿真和微观仿真。如果这个模型以车辆跟 驰理论为基础，研究单个车辆的运动状态，并依据众多单个车辆的组合行为，得 到整个系统的统计特性，则属于微观仿真，其特点是计算量比较大，但能精确描 述出交通状态的变化。如果模型研究的是一群车辆的平均运动状态，并根掘某些 统计参量，仿真得出其它统计特性，则属于宏观仿真。其特点是提高了汁算效率 但降低了表述的精确程度。中观仿真的模型介于上述两者之间，在表述的精确度 和计算性能上保持平衡，属于一种细化的宏观模型或粗化的微观模型。 国外的交通仿真软件较为成熟并且已具有相当的商业性和通用性，但国外 交通仿真软件在我国的应用存在各种问题，主要有以下几个方面： 首先，我国道路交通运行环境与发达国家不同，主要特点有： 混合交通流环境：不同类型，尤其是较大比例的非机动车沆与机动车的混行 使得车辆跟驰模型与换道模型发生重大变化： 行驶行为不规范：过多的交通不畅使得交通标志和道路行驶的规则对驾驶员 和行人、自行车的约束大打折扣，这对描述这些行为造成了很大困难； 车辆特性差异大：我国道路上行驶的车辆种类繁多，性能差异很大。性能较 差的车辆给道路增加了突发事件的呵能性。这就使得国外仿真系统在国内不能完 全适用。 其次，软中t - 价格及培训费用昂贵。 最后，操作困难，难以在国内交通部门推广。 更重要的是困外仿真系统都足以软件形式销售，内部模型及参数我们难以获 得。更加难以进行修正。因此我国有必要开发个内部模型丌放的、易于再次开 发的交通仿真系统。基于以上分板，目前有必要研究适合国内交通环境的模型， 丌发适合罔内交通领域应用的交通微观仿真系统以适应国内交通行业的需要。 1 3 国内外微观交通仿真研究现状 1 3 1 国内发展与现状 在我e 囝，用系统仿真技术进行道路交通的仿真实验开始于2 0 世纪8 0 年代， 并且主要集。+ i 在高等院校等研究机构5 7j 。早在1 9 8 4 年，北京工业大学就”始 了交通仿真的研究工作，为了解直行汽车车队通过信控路口的运行状态，用 b a s i c 语言编制了一个仿真程序，来求解头车运动方程和跟驰方程；1 9 8 5 年， 采用以p a s c a l ，语高编制的程序并基于事件扫描方法对信控路1 5 t 交通特性进行 1 两北t 业大学硕士学位论文第一章绪论 了仿真研究；1 9 9 6 年，在w i n d o w s 环境下以面向对象的程序设计语言v c + + 开 发了用于高速公路基本路段行车仿真研究的软件：近两年来，又丌展了高速公路 基本路段通行能力和道路交织区交通行为的仿真研究。 同济大学在2 0 世纪9 0 年代初期，建立了优先控制t 型交叉口车辆运行的仿 真模型，并研制了相应的仿真软件，用来分析不同道路和交通条件对优先控制的 t 型交叉口通行能力的影响；近年来，利用微观仿真技术对高速公路互通式立交 的通行能力及延误进行了研究：特别是2 0 世纪9 0 年代后期，运用软件工程思想、 对象建模技术( o m t ) $ i j 真实化程序设计的概念，在需求分析的基础上，建立了名 为m i c r o s i m 的高速公路入口匝道交通仿真软件的对象模型，并且进行了 m i c r o s i m 软件系统的开发。 东南大学在交通系统仿真研究方面电取得了一系列研究成果，例如2 0 世纪 9 0 年代中后期进行的城市交通网络研究、城市交通实时模糊控制研究，提出了 单路e l 交通实时模糊控制方法；另外，还采用动态微观仿真方法研究了路段通行 能力，考虑驾驶员、车辆、道路、环境和交通规则的相互关系及对通行能力的影 i 响，从微观的角度出发建立了仿真模型。 清华大学交通研究所于2 0 世纪9 0 年代末期，在w i n d o w s 平台以面向对象 的设计思想开发了名为t r a s i m u l 的仿真软件，用以模拟城市平面交叉口的拥挤 特性，为缓解城市平交路口的交通拥挤提供了有力的工具。 其他还有两南交通大学进行了初步的交通系统仿真及在交通控制中的应用 研究，利用仿真技术进行了高速公路车头间隙分布规律及其应用的研究；华南理 工大学利用交通仿真分析了信号交叉口的通行能力和服务水平：上海交通大学建 立了宏观交通流分配仿真模型，实现了路刚中的流量分配；北京理工大学开发了 城市交通诱导仿真系统；天津大学利用仿真进行了交通流自组织管理控制研究， 以交通元细胞自动机模拟和l 仿真结果说明交通流中自组织现象并进行了理沦分 析与数学描述；中国科学技术大学进行了基于微粒跃动模型的趁势交通仿真研 究。吉林大学在交通系统仿真方面也开展了一系列的研究，主要是用g p s s 仿真 语言对交叉 1 的交通状态进行仿真研究。 总之，交通系统仿真技术在我嗣的应用只有十几年的历史，还远远没有被广 泛接受。并且从已经做过的工作来看，箍本上都是探索性的，迄今为止还没有开 发出一个普遍认可的或能用来解决实际问题的系统仿真软件。虽然也有人试网用 国外的软件来对我国的交通进行仿真实验，但由于国情的不i 刊，也没能得到满意 曲，i u ：业火学硕士学位论文第一章绪论 的结果。因此，可以说，交通系统仿真在我国不仅起步晚，并且发展也很缓慢。 造成这种状况的原因是多方面的，主要有： l 、交通工程技术人员计算机应用水平不高。电子计算机特别是微型电子计 算机大量进入我固只有二十几年的时间，其广泛普及及应用只是近几年的事，因 此许多从事交通工程的科研和技术人员对计算机的功能及程序设计缺乏深入理 解，要么对用计算机研究交通问题的可能性和可行性表示怀疑，要么虽不怀疑但 知难而退。 2 、计算机专业人员缺乏交通工程学的知识。在我国，计算机专业是作为一 个斡独的学科来对待的，与其他学科的交叉融合尚有很大的缺陷。若要计算机专 业毕业的学生改读交通工程专业的研究生，要么是自己不愿意，要么是即使自己 愿意对方也不愿意接纳或很难通过交通工程的号业课考试。 3 、混合交通使系统仿真建模变得十分困难。交通流中机动车与非机动车以 及种类繁多的机动车相互混合行驶是我国道路交通的一大特色，加之公民的现代 交通意识比较薄弱，导致交通秩序混乱。在这种情况下，要建立比较符合实际交 通行为的系统仿真模型确实1 卜分困难，而国外也没有现成的经验可以借鉴。 4 、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而的研究。由于交通工程学在2 0 世纪8 0 年代初才刚刚进入 我冈，至今尚未形成完整的科学体系；而我国开始进入机动化时代也是最近十年 的事。因此，对基础资料的收集和积累还没有引起足够的重视，这就使系统仿真 建模变的格外困难。 综上所述，我国交通系统仿真技术应用的落后状况，尚需交通工程技术人员 和计算机专业人员携手合作，并要付出长期艰苦的努力。 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，丌始应 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。 1 3 2 国外发展与现状 交通系统仿真技术是随着电子计算机和系统仿真技术的发展而发展起来的。 在国外火体一i ：经历了三个发展阶段【7 懈】【7 0 1 | _ 7 1 m 1 【8 l i 。 西- l gz q k 犬学硕士学位论文第一章绪沦 第一阶段，2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初期，为诞生期。 根据己掌握的文献资料，世界上第一例用数字计算机进行的仿真研究是由 v o nn e u m a n n 和u l a m 于2 0 世纪4 0 年代末完成的，用来处理核防护问题，只是因为 问题的试验研究花费巨大并且非常危险，而分析研究又过于复杂。几乎与此同时， 即1 9 4 9 年，在m a s i m o w 与d l g e r l o u g h 进行的非正式讨论中，就提出了交通仿真 的建议。而最早的工作是英国道路研究试验室( r o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 于1 9 5 1 年完成的交叉口交通仿真。在美国，第一份关于交通仿真的研究报告发表于1 9 5 3 年，介绍了加利福尼弧大学络杉矶分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r i aa tl o sa n g e l e s ) 关于交叉口和高速公路的交通仿真模型。 第二阶段，2 0 世纪6 0 年代初至8 0 年代初，为发展期。 交通系统仿真技术在2 0 世纪六七十年代得到了迅速的发展，这一期间，发表 了大量的论文和专著。与此同时，大量的交通系统仿真应用软件被开发出来。 自2 0 世纪6 0 年代初期起，宏观交通仿真模型首先被用于交通仿真系统。1 9 6 3 年，g e r l o u g h 提出随机问题可以用扫描时问可变的扫描法解决，并以此出发推出 了t r a n s 程序，用以评价道路刚的信号配置。美国联邦公路局( f e d e r a l h i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 在1 9 6 51 9 6 6 年州研制的s i g o p 系统采用了宏观的确定性优化模 型，用以研究定时信号参数的最优化问题。 2 0 世纪6 0 年代末以来，基于微观仿真模型的交通系统仿真开始迅速发展起 来。1 9 7 1 年，l i e b e r m a n 以随机时问扫描的方法描述单个车辆的运动，并以此出 发，推出了u t c s 一1 ，用以评价路网的信号配置。1 9 7 7 年，他又在u t c s 一1 的基 础上开发了n e t s i m 系统，并且得到了广泛的应用。这一时期出现的其他比较著 名的微观交通仿真软件还有美国研制的用于信号交叉口的t e x a s 和s i g s i m 、用 于城市干道网的n e t s i m 、用于高速公路的i n t r a s ，以及用于乡村道路的由瑞 典研制的v t i s u 由澳大利亚研制的t r a r r 等等。 这一时期，德困人在微观交通仿真软件的开发研制方面做了大量的工作。早 在1 9 6 8 年，w i e d e m a n n 就推出了s i m 一2 ，用以进行定时信号控制的城市双车道道 路的仿真实验，1 9 6 91 9 7 0 年间，z i e g l e r g 寸其迸行了改进，推 - f 了s i m - - 2 s 。1 9 7 4 年，w i e d e m a n n 提出了车辆运动相互作用的微观模型即l n l a c 并开发了单车道仿 真程序【n r r a c l ，1 9 7 5 1 9 7 8 年间，w i l l m a n n 将其扩展到双车道情况，推出了 i n t a c 一2 。1 9 7 7 年，h u b s c l m e i d e r 对i n t a c 一2 进行了重新标定，强化了其功能， 开发出m i s s i s ，用来对德国高速公路推荐车速1 3 0 k m h f e j 情况进行仿真实验。同 阳北工业大学硕士学何论文 第一章绪论 年，b r i l o n ) l ：发出s i m l a 1 ，用以研究乡村道路平直路段的交通情况，1 9 8 1 1 9 8 3 年问，b r a n n o l t e 将其推广到有曲线和纵坡的情况，推出了s i m l a 2 ，在此之前的 1 9 8 0 年，他还提出了丘陵地区的微观仿真模s t e i g s i m 。1 9 7 5 1 9 8 0 年间，w e t t e r i n g 开发了s i m - - 2 、3 f ，用来分析双车道或三车道公路上豹车道转换规律。 第三阶段，2 0 世纪8 0 年代初至今，为成熟期。 到2 0 世纪8 0 年代初，交通系统仿真技术在美国已得到了迅速的发展和广泛的 应用，为了总结以往的研究成果，确定未来的研究方向，在美国运输局支持下， 由运输研究院( t r b ) 主持召开了一个专题研讨会，会议历时三天，有大约7 5 人 出席。会议的两个主要议题，一是通报一开发出的和将要研制的交通系统仿真软 件的功能和效用；二二是反馈用户需求信息。会议得出结论：交通系统仿真技术已 经具备了强大的功能，并且可以预计，今后仍将进一步发展，其功能还将进一步 加强。这次会议标志着交通系统仿真技术进入了一个新的发展阶段。 到目前为止，较为成熟并且已具有相当的商业性和通用性的交通仿真软件有 以下几种【8 1 1 4 堋4 1 【5 8 】【7 4 】【7 5 i ： 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一费用扰动来 模拟驾驶员对路径一费用感知的变动。p a r a m l c s 在仿真i t s 基硎 设施和拥挤的 道路嘲时有突出的表现，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 等读耿有关节点和路段的信息。 c o r s i m 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 l t s l m 和用于高速公路的f r e s i m ，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 m 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 秒为蒯隔模拟车辆的运动。它提供了更多指标来量化交通网的性能。c o r s i m 提供动丽显示，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，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 r 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 两北工业大学硕士学位论文第一章绪论 型、控制策略的模拟。c o r s i m 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一生理跟车模型，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 干1 1 3 d 动画向用户直观显示车辆运动，运用动 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；收费设施的分柝；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 i 、r a m 还包括图形路网编辑器( t e d i ) $ 1 1 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 种是摹于o d i n 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) ；可以模拟町变信息板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，例如燃油消耗乖i 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。j r s 被作为外部程序与a 1 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 j p 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 是八十年代中期山m v a n a 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 i o 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 r l o n f j 使沿路段的交通流密度连续变化，因此可以模 拟车队的消敞。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 秒的水平辩现跟车、车道变换、可接受车间距等行为。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，瞪道控制和信号控 西北t 业大学硕十学位论文第一章绪论 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；用户司以修改模型参数，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 f t 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而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。但出于系统开 发的时间较 ，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一j 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模型开发的。点格自动机模型 是一种以网状方格为空1 1 1 i j 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 l = | 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f 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 是一个微观的交通流仿真实验 平台，s 1 m l a b 集成了各种交通因素并丌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 m i 。a b 丌发的动态交通仿真系统，该系统开发了在a t i s 的条件 f 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 系统是个l t l t e x a s a u s t i n 大学i ：发的 中观模拟系统，该系统在面向城h 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，并基于陔系 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。 1 4 论文主要工作及安排 综匕所述，交通仿真研究是一项庞大而复杂的系统 i 程。应将道路交通仿真 曲北丁：业大学硕士学位论文第一章，绪论 研究分为长期目标和短期目标两阶段完成。长期目标：开发一个可以较好地模拟 和再现城市混合交通全过程，能对不同的城市交通规划方案和交通管理控制措施 进行模拟、分析和评价，为交通规划者和管理者提供辅助决策的模拟系统。短期 目标：开发一个能够较好的模拟和再现城市平面交通网络中机动车流运行全过 程，能对不同的城市交通管理控制措施进行模拟、分析和评价，为交通管理者提 供辅助决策的交通仿真系统。 本论文建立了一个城市微观交通仿真系统。该系统主要包括车辆产生模型、 路网模型、交通规则模型、信号灯控制模型、车辆行驶模型、路口转向模型、三 维动画显示和数据输出；并在此基础上结合交通调研数据对宝鸡市的4 个交叉口 进行了线性协调控制仿真研究。 本文的章节安排如下： 第一章绪论。首先介绍了交通发展存在的问题，城市微观交通仿真的研究 意义。接着介绍了国内外交通仿真研究的发展和现状，最后给出了本文的研究工 作。 第二章基础知识。介绍了交通流的基本理论，包括交通流基本特性和统计 分布特性、排队理沦、跟驰理沦和流体力学模拟理论；介绍了交通系统仿真的方 法、步骤，微观、宏观交通仿真；还介绍了多线程编程技术，为后续章节的介绍 作了必要的铺垫。 第三章多信控交叉口协调控制设计方法。介绍了交叉口车辆通行能力模型、 交叉口平均延误时间模型、单信控交叉口配时模型，还介绍了千道交通信号协调 控制，包括订算备用配时方案、数解法计算配列方案，详细介绍了多信控交叉口 协调控制的殴计方法，以宝鸡市的4 个交叉口为例进行了方案设计。 第四章城市微观交通仿真模型。这一章详细介绍了整个仿真系统的核心部 分，微观交通仿真模型。洋细介绍了路网表示模型、车辆产生模型、车辆行驶模 型、交叉口冲突模型、4 ：辆运行轨迹模型和系统评价指标。 第五章城市微观交通仿真系统软件设汁。主要介绍了仿真系统软件的总体 结构和各个模块的设计、开发方法和程序流程。 第六章仿真实例分析。运用仿真系统对宝鸡市主干道上的4 个交叉路口进 行了协调控制，对控制前后方案进行了分析和对比，给出了方案的评价。 第七章总结与展望。对沦文工作进行总结，同时刘后续的研究工作进行展 单。 两北工业人学硕士学位论文第二章交通流理论和系统仿真技术 第二章交通流理论和系统仿真技术 2 1 交通流理论 2 1 1 交通流的统计分布特性 在建设或改善交通设施、更新交通方案时，需要预测交通流的某些特性，交 通流的统汁分布特性能够有效的解决这些问题。车辆的到达具有一定程度的随机 性，可以采用概率论中的离散型分布为工具研究，被称为计数分布，也可以采用 连续型分布为工具研究，根据使用场合的不同可分为间隔分布、车头时距分布、 速度分布和可穿越空挡分布等。 2 1 1 1 离散型分布 在一定的时问问隔内到达的车辆数或在一定的路段上分布的车辆数是个随 机变量，常j e i 离散型分布来描述这类随机变量的统计规律。 1 泊松分布 适用条件：车流密度不大，车辆间相互影响微小，其他外界干扰因素基本上 小存在，即车流是随机的。 基本公式圪：筚p “ ( 2 - 1 ) 庀 式中，只为在汁数删隔t 内到达k 辆车的概率，a 为车辆平均到达率( 辆秒) ， f 为每个计数f e i j 隔持续的时间( 秒) ，e 为自然剥数的底。 2 二项分布 适用条件：车辆比较拥挤、自由行驶机会不多的车流。 基本公式 ，j = c ：( 鲁) ”( - 一等) ” ( k = 0 , 1 ，2 ，”) ( 2 2 ) 式中，尸 为在计数刖隔f 内到达k 辆车的概率，a 为车辆平均到达率( 辆秒) t 为每个汁数划隔持续的时问( 秒) ，n 为正整数。 2 1 1 2 连续型分布 连续型分布主要研究某些交通事件发生的问隔时问的统计特性。 1 负指数分布 l l 幽北工业大学硕十学位论文 第二章 交通流理论和系统仿真技术 适用条件：用于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，它常与计数的泊松分布相对应。 基本公式：e ( h t ) = e “ ( 2 3 ) 式中，p ( h r ) 为到达的车头时距h 大于t 秒的概率，旯为车辆平均到达率( 辆 3 ) ) 。 2 移位负指数分布 适用条件：用于描述不能超车的单列车流的车头时距分布和车流量低的 车流的车头时距分布。 基本公式：p ( h r ) = e “。f f ( 2 - 4 ) 式中，r 为车辆车头至车头间距的最小值。 2 1 2 排队理论 2 1 2 1 概论 由于道路发生事故或遇到红绿灯，使该段路上的机动车产生排队等候现象， 其理论依据是排队理论【1 5 1 1 8 1 1 2 3 艄】f 5 5 1 。排队论是研究“服务”系统因“需求”捌 挤而产生等待行列( 即排队) 的现象，以及合理协调“需求”与“服务”关系的 一神数学理论。它是运筹学中以概率论为基础的一门重要分支，又称为“随机服 务系统理论”。 排队沦是上c l = 纪初爿。发展起来的。1 9 0 5 年丹麦哥本哈根电话工程师e r l a n g 最早在电话自动交换机歧计应用了排队论，使电话交换机既要满足通话需求而又 不至于设线过多。 二次大战后，排队沦在很多领域被采用。在交通工程中，对于研究车辆延误、 通行能力、信号灯配时以及停车场、加油站等交通设施的设计与管理方面得到广 泛的应用。 2 1 2 2 基本原理 1 、有关排队理论的概念 排队：等待服务的，不包括正在被服务的车辆； 排队系统：既包括了等待服务的，又包括了正在被服务的车辆： 2 、排队系统的组成部分 a 输入过程：各种类型的“顾客( 车辆或行人) ”按怎样的规律到达。有各式各 州北一业人学硕士学位论文第二章交通流理论币i 系统仿真技术 样的输入过程，例如： 定| 殳输入：顾客( 车辆) 等时距到达； 泊松输入：顾客到达时距符合负指数分布； 爱尔朗输入：顾客到达时距符合爱尔朗分布： b 排队规则：到达的顾客按怎样的次序接受服务。 损失制：顾客到达时，若所有服务台均被占，该顾客就自动消失，永不再来； 等待制：顾客到达时，若所有服务台均被占，它们就排成队伍，等待服务， 服务次序有先到先服务和优先服务权( 如急救车、消防车优先) 等多种规则： 混合制：顾客到达时，若队伍长小于l ，就排入队伍；若队伍长大于或等于 三，顾客就离去，永不再来。 c 服务方式：同时刻有多少服务台可接纳顾客，每一顾客服务了多少时蚓。 每次服务可以接待一擎个顾客，也可以成批接待，例如公共汽车一次就运送大批乘 客。 服务时问的分布主要有如下几种形式： 定长分布：缚一顾客的服务时m 都相等； 负指数分布：各顾窖的服务时问相互独立，服从相同的负指数分布； 爱尔朗分布：各顾客的服务时间相互独立，具有相同的爱尔朗分布。 3 、排队系统的主要数量指标 等待时【i j ：从顾客到达起到其开始接受服务时止这段时间，这在交通流理论 中是一项较为重要的指标； 忙期：服务台连续繁忙的时期，这关系到服务台的服务强度； 队长：有排队顾客数与排队系统中顾客之分，这是排队系统提供的服务水平 的衡量。 2 1 2 3m i m 1 系统的应用 m m 1 系统指泊松输入，负指数分布服务个服务台的排队系统，它是交通 流理论中比较简单又具有代表性的类排队系统。 设车辆平均到达率为丑，则到达的平均时距1 a 。排队从学通道接受服务后 出来的平均服务率为，则平均服务h t i , 1 为1 1 。比率p = 五“n q 做交通强度或 利用系统，可确定各种状态的性质。所谓状态，指的是排队系统的车辆数。如果 p 1 ，并且时涮充分，每个状态都按一定的非零概率反复出现。当p l 时，任 何状态都是不稳定的，而排队的长度将会变得越来越| 殳。因此，要保持稳定状态， n 西北 二业大学硕士学位论文第二章交通流理论乖l 系统仿真技术 即确保但通道排队能够消散的条件是五 i a 。 在系统中设有车辆的概率为p o = 1 一p 在系统中