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交通仿真基础理论 交通仿真 交通仿真的分类 国外交通仿真研究概况 典型的交通仿真模型 交通系统仿真的步骤 运用现代计算机技术反映复杂交通现象的交通分析技术和方法 再现交通流时空变化的模拟技术 利用计算机对交通系统的结构 功能 行为以及参与具体的控制者 人的思维过程和行为特征进行模仿 分析交通系统在各种设定条件下的可能行为 以寻求现实交通问题最优解的一种手段 也是评价运输设施各类运用设计方案效果的有效方法 1 交通仿真 1 交通仿真 交通仿真是研究运用现代计算机技术再现实际交通系统的特性 分析交通系统在各种设定条件下的可能行为以寻求现实交通问题最优解的一种手段 也是评价运输设施各类运用设计方案效果的有效方法 1 1交通仿真概念 1 2交通仿真的优点 安全性 科学性 可重复性 经济性 可控性 开放性 易用性 1 3交通仿真的功能 事前评估 现状评估 交通事件预警交通流预测 道路交通安全分析 交通工程理论研究 5 仿真建模 仿真模型建立在大量严格的边界条件约束下 对系统进行线性或近似处理 交通系统只能做符合条件而不是符合实际的描述 2交通仿真模型分类 交通系统的仿真研究可以分为三个层次 宏观交通仿真 中观交通仿真 微观交通仿真 宏观交通仿真 宏观交通仿真着重从全局角度来研究系统特性 对交通系统的要素和行为的细节描述处于最低的程度 宏观交通仿真模型中 交通流的运动按照流体机制来处理 宏观交通仿真通过流量 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 对于车辆换道之类的细节行为可能根本不予以描述 宏观仿真所需计算机内存 计算速度快 8 9 微观交通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 微观交通仿真对交通系统的要素和行为的细节描述程度最高 包括三个重要方面 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 微观交通仿真 10 微观交通仿真 适用于动态交通现象 当交通流中人 车单元作为系统的主要考察对象 对瓶颈路段进行研究时 大型车比例较高 或车流量变化非常大 交叉口交通状况研究 12 中观交通仿真模型既可以描述宏观交通流模型中采用的时间与空间维状态特性 如密度 流量与速度 又可以保留微观模型中的核心数据 如特性各异的单个车辆的运行结果 如实际速度 旅行时间和旅行距离等 中观交通仿真模型 3 国外交通仿真研究概况 20世纪60年代这一时期的交通仿真系统主要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 仿真结果的表达也不够理想 这也是当时的计算机性能决定的 美国是仿真技术及系统发展最快 应用最广泛的国家 1967年 美国成立了计算机仿真学会 SocietyforComputerSimulation 推动了仿真技术在美国的发展和应用 20世纪80年代末至现在随着20世纪80年代末和90年代初国外工TS研究的日益热门 世界各国都展开了以ITS为应用背景的交通仿真软件的研究 交通仿真研究达到前所未有的高 出现了一大批评价和分析ITS系统效益的仿真软件系统 20世纪70 80年代大多数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 还可描述诸如油耗 废气排放等指标 另外 模型对道路几何条件的描述也日益灵活 15 交通仿真系统发展趋势 应用规模和范围扩大新的仿真方法与技术涌现计算能力增强编程方法改进表现方法丰富开放的仿真环境建立控制系统仿真 交通需求仿真面向智能交通仿真系统的开发 16 交通仿真技术进展大致可以分为四类 一是仿真建模方法 如离散事件仿真 模糊逻辑 定性建模等 二是数据收集与分析方法 如知识发现 模糊逻辑等 三是决策支持方法 如神经网络 遗传算法等 四是仿真的运行与计算环境 如GIS VR 并行处理等 这些技术的综合运用极大地改善了仿真过程及其效果 交通仿真技术进展 4 交通系统仿真的步骤 1 明确问题 2 确定仿真方法的适用性 3 问题的系统化 4 数据的收集和处理 5 建立数学模型 6 参数估计7 模型评价 8 编制程序9 模型确认 10 实验设计11 仿真结果分析 明确问题 对研究的问题进行详细的了解和描述 明确研究目的 划定系统范围和边界 希望得到什么样的输出结果 什么样的输入对输出结果产生影响 是否存在重要的随机因素 是否涉及到排队 是否存在着相互影响的排队 交通条件是否随时间变化 车辆到达和离去是否服从经典的数学分布 确定仿真方法的适用性 各种交通分析技术中 系统仿真是否是最适宜的方法 是否可以用其他方法解决该问题 仿真方法是否可以很好地解决该问题 是否有仿真研究所需要的时间和物质支持 是否真的可以解决 问题的系统化 构建仿真模型的第一级流程图 包括输入 处理和输出三个组成部分 数据的收集与处理 根据输入 输出需求收集和处理所需数据 制定观测计划 确定满足需要的最小样本量 以便于模型进行标定和有效性检验 对数据进行处理 在第一级流程图的基础上 构建第二级流程图 确定构成处理过程的主要模块及其相互关系 每一模块的输入输出 然后建立第三级流程图 对每一个模块功能进行详细描述 构建数学模型 模型确认 模型标定 以现场数据作为输入 检验输出结果实际的观测结果相吻合 重点是输入变量 有效性检验 其余未使用的现场数据输入仿真程序 将计算结果与相应的观测结果进行比较 实验设计 选择控制变量 确定每个控制变量的限制条件或边界条件 确定每个控制变量的步长 确定控制变量的层次结构 通过程序的循环语句自动改变初级控制变量的取值 通过搜索子程序自动确定最佳条件 仿真结果分析 仿真运行 结果分析 形成文档 交通系统仿真的步骤 5 典型的交通仿真模型 多数软件