（系统工程专业论文）基于构件技术的城市快速路微观交通仿真系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 近年来随着经济的发展，交通运输业正以前所未有的速度迅猛发展着。与 交通相关的问题也日益严重。一方面，城市交通路网结构日趋复杂，给交通部 门统筹规划增加了难度。另一方面，道路的交通容量始终无法满足不断加速增 长的交通需求，造成堵车现象日益严重。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。 为此，上海市科委启动了2 0 0 6 年社会发展重大专项项目“上海城市综合交 通信息平台关键技术研究与开发”，其中的“交通综合信息平台城市交通仿真构 件技术研究”便是我们团队研究的课题。研究的内容是以上海综合交通信息平 台为基础，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。本文的主要内容是，以微观交通仿真的理论为指导，参照构件化技 术标准，对快速路的微观交通仿真技术进行研究，并开发相应的仿真系统。全 文主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 介绍了课题选题的背景及研究目的，并对国内外研究现状进行了介绍。 ( 2 ) 对软件构件化技术以及计算机的仿真技术做了一定介绍，同时详细介绍 了交通仿真的相关理论，特别是微观交通仿真中所涉及到的相关技术。特别是对 两种不同的仿真机制进行了探讨。 ( 3 ) 详细介绍了仿真系统的功能需求、设计思路以及系统采用的主要技术。 ( 4 ) 最后对仿真系统进行了分析和评估，在总结的同时，也提出了一定的展 望。 关键字：微观交通仿真、软件构件技术、仿真机制、系统设计 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c n o m i e ，t h et r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o na r e d e v e l o p i n gv e r yf a s ti nr e c e n ty e a r s a tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mw h i c hi sr e l a t e d t o t h et r a f f i ch a sb e c o m ev e r ys e r i o u s o no n eh a n d ，t h er o a d n e t w o r ko ft h ec i t yi s b e c o m i n gc o m p l i c a t e d i ti sm o r ed i f f i c u l tf o rt r a f f i cd e p a r t m e n tt od e s i g na n d m a n a g e o nt h eo t h e rh a n d , t h ec a p a c i t yo ft a f f i cc a nn o tm e e tt h et r a f f i cr e q u i r e m e n t w h i c hi n c r e a s er a p i d l y t h et r a f f i cj a l ni sb e c o m i n gm o r es e r i o u s 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 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 ta n dv e h i c l e sv i v i d l y b yt h eb a s i c u 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 eo ft h em o s ti m p o r t a n tt o o l si nt h e f i e l d so fi n t e l l e c tt r a 伍cr e s e a r c h i n2 0 0 6 ，s h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o ns t a r tt h e “r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fk e yt e c h n o l o g yo fs h a n g h a ic i t yc o m p o s i t i v et r a f f i ci n f o r m a t i o n p l a t f o r m a sa ni m p o r t a n tp r o j e c t o u rp r o j e c ti s r e s e a r c ho ft r a f f i cc o m p o s i t i v e i n f o r m a t i o np l a t f o r mc i t yt r a f f i 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 b a s e do nt h e w a f f l ei n f o r m a t i o np 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 ev 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 r a f f i cg u i d es c h e m eb 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 st os t u d yt h em i c r o t r a f f i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a n dd e v e l o pt h es i m u l a t i o ns y s t e mb a s eo nt h em i c r o - t r a f f i cs i m u l a t i o nt h e o r ya n d c o m p o n e n tt e c h n o l o g y t h 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 ) i n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n dt a r g e to ft h ep a p e r st i t l e m e a n w h i l e , g i v ea b r i e f i n t r o d u c t i o no f t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e c e n ts i t u a t i o no f r e s e a r c h ( 2 ) g i v eab r i e fi n t r o d u c t i o no fs o f l v c a r ec o m p e n e tt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e , g i v ead e t a i li n t r o d u c t i o no ft r a f f i c s i m u l a t i o nt h e o r y , e s p e c i a l l ya b o u tt h et e c h n o l o g yi nt h em i c r o - t 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 a l ka b o u tt h et w od i f f n e n ts i m u l a t i o nm e c h a n i s m s ( 3 ) i n t r o d u c et h er e q u i m e n t s ，t h ew a yo fd e s i g n i n gt h es o f t w a r ea n dt h em a i n t e c h n o l o g yw h i c hw eu s ei n t h es o f t w a r e ( 4 m a k ea na n a l y s i sa n de v a l u a t i o n t ot h es i m u l a t i o ns y s t e m g i v et h e c o n c l u s i o na n de x p e c t i o no ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h i sp a p e r k e y w o r d s ：m i c r o - t r a f f i cs i m u l a t i o n , s o f t w a r ec o m p o n e n tt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n m e c h a n i s m , s y s t e md e s i g n m e n t 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：郅捱 2 彩年3 月多日 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 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，均已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。 签名：卸抱 劲p 易年弓只s e l 第1 章引言 1 1 课题选题背景 第1 章引言 近年来随着经济的发展，交通运输业正以前所未有的速度迅猛发展着。新建 道路和其它各种交通设施越来越多，单行线、交叉口转向限制等交通管理措施也 越来越广泛地被采用。这些对于出行者来说，一方面为他们提供了更大的出行路 线选择余地，有助于维持路网的畅通，另一方面也增大了出行的复杂性。另外， 道路建设每年都以较快的速度增长，却仍无法跟上机动车数量的增长速度，造成 路网的交通容量始终无法满足不断加速增长的交通需求。交通堵塞日趋严重，交 通安全状况不断恶化。 为了更好的缓解交通堵塞和避免交通事故、尽可能的减少因堵塞和事故带来 的经济损失，更好的规划路网使出行者能够安全、便利、快捷地到达目的地。为 此，上海市科委启动了2 0 0 6 年社会发展重大专项项目“上海城市综合交通信息 平台关键技术研究与开发”，其中包括交通仿真技术与数据挖掘技术两项关键技 术的研究与实现。前者便是我们团队研究的课题“交通综合信息平台城市交 通仿真构件技术研究”。其中我负责的是交通仿真技术的研究和交通仿真系统的 实现。 1 2 研究目的和意义 1 2 1 研究目的 对微观交通仿真技术进行研究，实现交通仿真平台软件。在此平台上可以虚 拟化地进行路网模型的设计和规划，设置车辆的发车模型，跟车模型。进而，根 据当前设计的路网，进行动态的可视化仿真，获得仿真数据。对实际的道路建设 产生指导意义。并且以上海的南北高架快速路段为基础，可以对其进行历史交通 运行状况再现和一定时间段的交通情况预测，为交通部门发布交通信息提供指导 意见。 1 2 2 研究意义 1 理论意义 第1 章引言 系统综合了交通方面的相关理论和计算机方面的许多理论。包括微观交通仿 真中的仿真模型的研究和仿真算法实现。计算机方面的图论，面向对象的理论， 构件化的技术研究，图形设备接口技术的研究，这些都是实现仿真系统的重要理 论和技术支撑。 2 实际应用价值 一方面，以综合信息平台接入数据为基础，导入现有的地图信息。相关的交 通道路设计人员可以在原有路网模型的基础上，可视化地设计新的道路，改造现 有道路以及一些路口交通设备的安放。通过随后的针对不同车辆模型的仿真模 拟，评价当前交通路网的合理性。由此得到的路网设计方案，对于实际的道路建 设，改造，具有非常重大的参考意义。 另一方面，仿真平台可以通过多种接口，取得交通运行的实时数据。并且， 通过数据挖掘的处理，综合分析现有数据和历史数据，对未来某段时段内的交通 状况进行预测、模拟、仿真。为交通部门的调度，居民的出行提供建设性的指导 意见。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内发展现状 在我国，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， 并且主要集中在高等院校等研究机构。1 9 8 4 年，北京工业大学就开始了交通仿 真的研究工作，为了解直行汽车车队通过灯管路口的运行状态，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【l 】；1 9 8 5 年，采用以 p a s c a l 语言编制的程序并基于事件扫描方法对于灯控路口交通特性进行了仿 真研列2 1 ，2 0 世纪9 0 年代初采用c 语言编制的程序对高速公路路段通行能力进 行了计算机仿到习；1 9 9 6 年，在w m d o w s 环境下以面向对象的程序设计语言 v i s u a lc 抖开发了用于高速公路基本路段行车仿真研究的软件【4 】；近两年来，又 开展了高速公路基本路段通行能力【5 】和道路交织区交通行为【6 】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r n ，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，利用微观交通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、对象建模技术和真实化程序设计的概念，在需求分析的基础上，建 2 第l 章引言 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弘j ，并且进行 了m i c r o s i m 软件的系统开发。 东南大学在交通系统仿真研究方面也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【9 】，提出了 单路口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【1 0 1 ，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 1 m 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【l ，为缓解城市平交路的交通拥挤提供了有力的工具。 其他还有西安公路交通大学进行了信号交叉口通行能力及延误仿真系统的 开发及研究【1 刁；上海交通大学建立了宏观交通流分配仿真模型【1 3 】，实现了路网 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【1 4 】，以交通流元细胞自动机模拟和仿真结果 说明交通流中自组织现象并进行了理论分析和数学描述。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 仿真语言对交叉口的交通状态进 行仿真研究。此外，长安大学、西南交通大学、中国科学技术大学、华南理工大 学、交通部公路科学研究所等单位也开展了交通仿真方面的研究工作。特别是近 几年，我国各单位院校对于交通仿真的研究更为深刻和广泛，不仅对于通行能力、 交通流模型、跟车模型、换车道模型、交叉口有关模型、匝道控制等等各自做了 深入研究，还研究了如微观交通仿真中的行人干扰模型【1 5 1 、不同流量条件下的 车道利用率【1 6 】、公共汽车交通专用道及其停靠站最佳布置方法【l 刀、城市轨道交 通列车自动运行仿真模型1 8 】、交通仿真软件在线控系统中的应用研究【1 9 1 、公交 优先模型r o 等等。 总之，交通系统仿真技术在我国的应用只有十几年的历史，还远远没有被广 泛接受。并且从己经做过的工作来看，基本上都是探索性的，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。虽然也有人试图用 国外的软件来对我国的交通进行仿真实验，但由于国情的不同，也没能得到满意 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 算机大量进入我国只有二十几年的时间，其广泛普及和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 3 第1 章引言 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 个单独的学科对待的，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专业课考试。 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十分困难，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面的研究。由于交通工程学在2 0 世纪8 0 年代初才刚刚进入 我国，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，开始应 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 国外发展现状 国外的交通仿真研究大体经历了三个发展阶段：2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代 初的诞生期、6 0 年代初至8 0 年代初的发展期以及8 0 年代初至现在的成熟期。 2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初。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，提出了交通仿真的建议。而最早的工作是英国道路研究实验 室于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 亚大学洛杉矶分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n 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。紧随其后，密执根大学( u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n ) 进行了交 叉口交通仿真；在菲尔科( p h i l c o ) 进行了主干道交通仿真；纽约港务局( p o r to f n e wy o r k a u t h o d t y ) 进行了公交终端站车辆跟驰的仿真研究；中西部研究所 ( m i d w e s t r c s e a r c hi n s t i t u t e ) 应用仿真技术开展了有关高速公路立交桥和匝道汇 4 第1 章引言 流交通的研究。 上述工作主要涉及如何进行交通流仿真，直到1 9 6 0 年前后，用仿真技术研 究交通流状态的可能性和可行性才得到普遍承认，并开始开发一些交通系统仿真 软件。 6 0 年代初至8 0 年代初。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。 在美国，g e r l o u g h 和c a p e l l e 于1 9 6 4 年出版了名为交通流理论导论的专 题论著，其中一章专门论述了交通流仿真。1 9 6 7 年，f o x 和l e h m a n 在交通季 刊上发表了一篇科学技术发展动态的文章【2 l 】，介绍了交通系统仿真的发展情 况。1 9 7 5 年，加利福尼亚大学伯克力分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i aa tb e r k e l e y ) 出版了关于运输系统计算机仿真应用的文献汇编，并于1 9 7 7 年进行了增补和修 订。 在欧洲，这一期间有三本重要的专题论著汇编，一本是w i g a n 编著的文献汇 编 2 2 1 ，于1 9 6 9 年由英国道路研究实验室出版；第二本文献汇编 2 3 1 于1 9 7 2 年由 经济合作与发展组织( o e c d o r g a n i z a t i o nf o re c o n o m i cc o o p e r a t i o na n d d e v e l o p m e n t ) 出版；第三本是德国卡尔斯鲁厄大学交通研究所的w i e d e m a n 于 1 9 7 4 年所著的道路交通流的计算机仿真一书，该书系统地介绍了交通流仿 真方法及其模型建立。 与此同时，大量的交通系统仿真应用软件被开发出来，这些软件可以分为两 种类型，一类以宏观交通仿真模型为基础，另一类则以微观交通仿真模型为基础。 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系统仿真。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间可变的时间扫描法解决，并以此出发 推出了t r a n s 程序，用以评价道路网的信号配置。美国联邦公路局在1 9 6 5 1 9 6 6 年间研制的s i g o p 2 4 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。其他比较重要的宏观交通仿真软件还有用于信号交叉口的 c a p c a l 、用于城市干道网的s p a n ，m a x b a n d ，s s t o p , d a s s e r , t r a n s y t 以及用于高速公路的f r e q 2 5 1 ，f r e c o n 等等。 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 提出了以随机时间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 1 ，用以评价路网的信号配置。1 9 7 7 年，他又在u t c s 1 的基础上开发了n e t s i m l 6 1 系统。这一时期出现的其他比较著名的微观交通仿 真硕士学位论文软件还有由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 2 6 1 、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 n 和由澳大利亚研制的t r a r r 等等。 5 第1 章引言 这一时期，德国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 - 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 9 1 9 7 0 年间，z i e g l e r 对其进行了改进，推出s l m 2 s 。1 9 7 4 年，w i e d e m a n n 将其扩展到双车道情况，推出了i n t a c 2 。1 9 7 7 年，h u b s c l m e i d e r 对i n t a c 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 的情况进行仿真实验。同年，b r i l o n 开发出s i m l a 1 ，用 以研究乡村道路平直路段的交通状况，1 9 8 1 1 9 8 3 年间，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 洲2 ，在此之前的1 9 8 0 年，他还提出了丘陵地 区高速公路的微观仿真模型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的车道转换规律。 随着2 0 世纪8 0 年代国外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。 这个时期，交通系统仿真技术的发展呈现如下特征： ( 1 ) 系统建模开始突破微观模型和宏观模型的界限，出现了混合模型。一 个典型的的例子是有s c h w e r d f f e g e r l 9 8 4 年提出的d y n e m o 仿真模型，采用交通 流的一般关系式来描述车流运动，将每辆车看作一个基本单元，这一模型应用在 车辆驶出高速公路的仿真试验中取得了很好的效果。另外，由v a na e r d e 于2 0 世纪8 0 年代中期开发的i n t e g r a t i o n ，混合使用了微观和宏观交通流模型， 被认为是准微观模型。 ( 2 ) 仿真模型开始向大型化，综合化方向发展。如，由h u b s c l m e i d e 从1 9 8 3 年开始研制的m i s s i o n 软件，既可用于高速公路，又可用于城市道路；既可用 于一般的交通流仿真，又可用于公共交通系统的仿真试验；由英国m v a 公司开 发的t r i p s 用于区域交通规划。另外还有由英国q u a d s t o n e 公司从1 9 9 2 年开始 开发的p a r a m i c s ，能够支持1 0 0 万个结点，4 0 0 万个路段，3 2 0 0 0 个区域的大 型路网。除此之外，这一时期还研制出用于信号交叉口的c a l s i g ( 1 9 8 8 年) 、 c a p s s i ( 1 9 8 6 年) 、p o s i t ( 1 9 8 5 年) 、s d 黜墟2 ( 1 9 8 6 年) 、s o a p 8 4 ( 1 9 8 4 年) ，用于高速公路的c o r q 以及用于乡村道路的t w o p a s 等。 ，( 3 ) 研究重点从单纯的软件开发逐渐转向了系统模型的改进，包括模型的 精交通仿真技术在道路交通工程中的应用研究，如加入优化子模型和加入有效性 测定、仿真模型集成、向个人计算机移植等等。己开发的软件不断吸收最新的交 通流理论以及先进的建模技术，将版本更新、升级，使之满足实际研究的需要。 如，到1 9 8 3 年，s i g o p 已上升为s i g o p m ；到1 9 8 7 年，t r a n s y l 已上升为 t r a n s y t 7 f ：1 9 8 5 年，f m q 已上升为f r e q 8 p e ：2 0 0 1 年，美国联邦公路局 6 第1 章引言 开发的t s i s 已经上升到5 1 版。 ( 4 ) 新的计算机技术开始用于交通系统仿真，主要表现在仿真界面更加友 好，人机交互更加方便，计算机图形技术的应用使得仿真过程更加透明和直观。 如德国卡尔斯鲁厄交通运输与规划公司推出的v i s s i m 、西班牙t s s 公司近1 0 年研发的a i m s u n 2 、美国联邦公路局开发的t s i s 等等。 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： 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 c 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 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 m 由美国联邦公路署( f 肼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 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，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1 1 r s 的仿真，称为1 r i 迮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 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 ，r 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 和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。 7 第1 章引言 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 r a m 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o 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( 有信号交义口、 无信号交叉口匝道控制) ；可以模拟可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 耗和污染排放。为了对一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 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，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 f t r a f f i ci nu r b a nr 0 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，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。 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 i ls 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。 第1 章引言 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 1 1 r 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 是一个微观的交通流仿真实验 平台，s i m 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 m 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。 1 4 本文完成的主要工作 综上所述，可以看到，交通仿真系统是一个复杂的仿真系统。其中涉及到了 许多计算机方面的技术，又有大量的交通方面的理论知识。本论文主要工作有下 列几方面： ( 1 ) 阐述论文的选题背景、研究目的及意义、国内外的研究现状。 ( 2 ) 研究构件化技术，以此为基础，使得所设计的软件能够有良好的扩展 性，达到高内聚、低耦合。各个组件可以相对独立，达到较高的复用性。研究采 用的平台技术，特别是开发语言所提供的图形接口，使得可视化的仿真系统有一 个比较高效的性能。 ( 3 ) 分析交通仿真的理论及技术，特别是微观交通仿真的相关理论基础。 简单描述主要的交通仿真模型，及其数学描述。同时对两类仿真机制作了详细分 析和研究。 ( 4 ) 简单介绍了仿真系统功能需求，详细描述了系统的架构设计，各模块 设计，以及系统所采用的些关键的技术。 ( 5 ) 对仿真系统进行一定的分析和评估，其中主要包括功能和性能两方面 的分析。对系统的优点和缺点进行总结。 ( 6 ) 最后，进行总结并对今后的工作提出展望。 9 第2 章构件化技术和计算机仿真技术 第2 章构件化技术和计算机仿真技术 2 1 构件技术 2 1 1 构件技术的概念 构件是用于复用的软件实体。根据复用阶段、复用方式的不同，与之相对应 的构件表现形式也不同，例如分析文档、详细设计、代码实现等等。这一节的讨 论主要以目标代码构件为主。 1 构件的定义 构件( c o m p o n e n t ) 是在d o m ( d o c u m e n to b j e c tm o d e l ) 基础上提出的，是 分布对象技术的一个重要概念。构件是一块独立可重用的二进制代码，它具有特 定功能支持灵活的即插即用，可以方便地插入到网络、语言、应用、工具、操作 系统中工作。它类似于集成电路( i c ) ，来自不同厂商的i c 可以组合起来形成一 定功能的模块，构件可看作软件i c 。 定义l 构件是指功能相对独立的、封装的、接口通信的、具有严格的描述的 软件成分。 构件的定义包含三个方面： 构件是封装的、可复用的、自包含的、独立于具体应用的软件对象模块； 构件只能通过其接口来访问； 构件不直接与别的构件通信； 其中构件的封装性有两层含义鲫：一层指数据和操作的封装：另一层是指没 有操作下的数据属性的封装，这一层的封装可以认为是数据和操作封装的一种特 例，即操作为空的特殊封装。像a d a 的p a c k a g e ，s m a l l t a l k - 8 0 的o b j e c t ，c - 卜+ 的 c l a s s 和数据类型都可属于构件范畴。但是，操作集合、过程、函数即使可以重 用也不能成为一个构件。 2 构件的特点 一个构件有如下的特点 2 8 11 2 9 1 ： 可插用是现成的可打包的软件部件，可以将构件像硬件的i c 一样直 接集成到应用系统中； 可维护构件是足够小的，因而易于维护和升级； 1 0 第2 章构件化技术和计算机仿真技术 有功能一构件是足够大的，能提供相对独立的功能，并以它所期望的 方式工作； 有特点构件是设计用于执行某种特定任务的，它代表了整个应用程 序中的一个部件。这个部件可以是细颗粒、中颗粒或大颗粒的； 没有与别的构件直接通信的路径不直接通信是构件可维护和可升级 的必要条件。此外，它使得构件可被用于分布式环境； 自我可描述构件能向系统的其余部分描述它提供的服务。这种描述 通常是通过说明性的、与实现无关的接口定义语言来提供的； 目标框架一构件通常是为一特殊的框架所建立的，这种构件不能在其 它框架中运行。例如：j a v ab e a n 构件不能直接用于a c t i v e x 环境； 目标对象总线直接与某一对象总线接口相联的构件或许不能与另一 对象总线一起使用。要用网关来提供不同对象总线之间的可互操作性； 上述构件特征提供了将一个应用程序划分成若干构件的机制。每个构件提供 了一个特定功能，并向框架的其余部分描述自己，使别的构件能访问它的功能。 这种描述是通过说明性语言实现的。构件的描述通常被称为构件的元数据，每个 构件都拥有各自的元数据。构件必须是可以浏览的，即可以由工具将各个可复用 构件的元数据列出来，使复用者了解到关于构件的必要信息。一个构件具有若千 个接口，每个接口代表构件的某个属性或方法。其他构件或应用程序可以设置或 调用这些属性和方法来进行特定的逻辑处理。构件和应用程序的连接是通过其接 口来实现的。负责集成的开发人员无需了解构件的功能的具体实现，而只需简单 的创建构件对象，并和其接口建立连接。这种方法的本质是把构件的接口和实现 分离开来，这种分离对构件在分布式环境中运行及保证构件的复用性至关重要。 在保证接口一致性的前提下，可以调换构件、更新版本；也可以把构件安插在不 同的应用系统中。 3 构件问的关系 为了更清楚的描述构件间的关系我们现在给出几个定义t 划： 定义2 一个构件的协作构件是为该构件提供功能服务的其它构件。 定义3 原子构件为内部不包含任何协作构件的构件。 定义4 复合构件为内部至少包含一个协作构件的构件。 原子构件和复合构件反映了构件内