交通仿真技术基础

1、1第二章 交通仿真基础交通仿真基础2交通仿真交通仿真运用现代计算机技术反映复杂交通现象的运用现代计算机技术反映复杂交通现象的交通分交通分析技术和方法析技术和方法。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交通系统的结构、功能、行为以及参与具体的控制者制者人的思维过程和行为特征进行模仿。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

2、有效方法。运输设施各类运用设计方案效果的有效方法。3交通分析技术和方法交通分析技术和方法经验实测法经验实测法 数据来源于现场，可信度高，不需要假设条件，但个别数据来源于现场，可信度高，不需要假设条件，但个别因素的影响很难确定，受环境等外界因素影响干扰大。因素的影响很难确定，受环境等外界因素影响干扰大。 需要大量实测数据，结论可移植性差。需要大量实测数据，结论可移植性差。理论分析法理论分析法 对个别因素的影响有明确数量关系，需要采取基本假设，对个别因素的影响有明确数量关系，需要采取基本假设，与实际存在偏差。与实际存在偏差。系统仿真法系统仿真法 模型是理论推演、抽象出来，基本数据来自现场实测。模型

3、是理论推演、抽象出来，基本数据来自现场实测。4交通仿真在交通管理中的应用交通仿真在交通管理中的应用 5交通系统仿真的特点交通系统仿真的特点仿真对象仿真对象仿真建模仿真建模仿真编程仿真编程仿真试验仿真试验仿真结果仿真结果6仿真对象仿真对象由人、车、路和环境等组成的交通系统；由人、车、路和环境等组成的交通系统；随机、动态、开放和复杂等特点；随机、动态、开放和复杂等特点；交通的产生由人们的出行愿望决定；交通的产生由人们的出行愿望决定；动态过程；动态过程；影响因素很多；影响因素很多；受外部因素影响很大。受外部因素影响很大。7仿真建模仿真建模建模复杂。仿真模型建立在大量严格的边界条件约束下，建模复杂。仿

4、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。而不是符合实际的描述。8交通仿真模型分类交通仿真模型分类仿真追求的两大目标是大型网络与巨量交通流量，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（轨道）网络内建立能够兼顾宏观与微要在道路（轨道）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观模型优点的交通流动态运行模型。 对交通系统的仿真研究可以分为三个层次：对交通系统的仿真研究可以分为三个层次：宏观宏观交通仿真、中观交通仿真与微观交通仿真交通仿真、中观交通仿真与微观交通

5、仿真。微观交通仿真微观交通仿真通过考察单个驾驶员和车辆的及其通过考察单个驾驶员和车辆的及其车辆相互作用特征赖描述系统状态，车辆相互作用特征赖描述系统状态，宏观交通仿宏观交通仿真真通过考察交通流特征，即车队的通过考察交通流特征，即车队的“平均平均”行为行为来描述系统状态。来描述系统状态。9宏观交通仿真宏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，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。按照流体机制来处理。宏观

6、交通仿真通过流量宏观交通仿真通过流量- -密度关系来控制交通流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。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。宏观仿真所需计算机内存，计算速度快。1011微观交通仿真模型微观交通仿真模型以跟车模型为基础，追踪每以跟车模型为基础，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。境和道路几

7、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描述程度最高。包括三个重要方面：车辆移动包括三个重要方面：车辆移动基本规则基本规则( (跟车模型与换道模型跟车模型与换道模型) )、服务优先规、服务优先规则和信号约束规则。则和信号约束规则。 微观交通仿真微观交通仿真12微观交通仿真微观交通仿真适用于动态交通现象；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当交通流中人车单元作为系统的主要考察对象；象；对瓶颈路段进行研究时，大型车比例较高，或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；车流量变化非常大；交叉口交

8、通状况研究。交叉口交通状况研究。1314相对而言，相对而言，宏观仿真模型宏观仿真模型缺乏对道路横纵断面变化和交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，对于各个车辆的随机性通控制与管理特点变化的考虑，对于各个车辆的随机性影响得不到考虑，计算不出各个车辆的交通参数，对于影响得不到考虑，计算不出各个车辆的交通参数，对于交通状态变化的的动态过程缺乏清晰描述。交通状态变化的的动态过程缺乏清晰描述。宏观仿真适宏观仿真适用于道路网交通状态研究。用于道路网交通状态研究。宏观仿真适用于道路网交通宏观仿真适用于道路网交通状态研究。状态研究。微观仿真模型微观仿真模型虽可以研究交通运营过程，评价各类新的

9、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。用性稍差。中观交通仿真模型中观交通仿真模型既可以描述宏观交通流模型中采用的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时间与空间维状态特性(如密度、流量与速度如密度、流量与速度)，又可以，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。运行结果，如实际速度、旅行时间和旅行距离等。15交通规划仿真交通规划仿真基于交通规划基于交通规划“四阶段四阶段”模型

10、，对区域内模型，对区域内出行者的出行行为进行仿真，用以评价交出行者的出行行为进行仿真，用以评价交通线网、路网，属于更大尺度的宏观仿真。通线网、路网，属于更大尺度的宏观仿真。16国外交通仿真研究概况国外交通仿真研究概况美国是仿真技术及系统发展最快、应用最广泛的国家。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年，美国成立了计算机仿真学会(Society for Computer Simulation)，推动了仿真技术在美国的发展，推动了仿真技术在美国的发展和应用。和应用。2 0 世世 纪纪 60年代年代 这一时期的交通仿真系统主要以优化城市道路的这一时期的

11、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，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。这也是当时的计算机性能决定的。17国外交通仿真研究概况国外交通仿真研究概况2 0 世世 纪纪 7080年代年代 大多数常见的交通现象如跟车行驶、变换车道、车流冲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

12、应控制、主控制管理措施如固定信号控制、感应控制、主/次优先控制、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。的描述也日益灵活。 2 0 世纪世纪 80年代末至现在年代末至现在 随着随着 20 世纪世纪80年代末和年代末和90年代初国外工年代初国外工TS研究的日益研究的日益热门，世界各国都展开了以热门，

13、世界各国都展开了以ITS为应用背景的交通仿真软件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价和分析ITS系统效益的仿真软件系统。系统效益的仿真软件系统。18交通仿真系统发展趋势交通仿真系统发展趋势应用规模和范围扩大应用规模和范围扩大新的仿真方法与技术涌现新的仿真方法与技术涌现计算能力增强计算能力增强编程方法改进编程方法改进表现方法丰富表现方法丰富开放的仿真环境建立开放的仿真环境建立控制系统仿真、交通需求仿真控制系统仿真、交通需求仿真面向智能交通仿真系统的开发面向智能交通仿真系统的开发19交通仿真技术进

14、展交通仿真技术进展 从技术角度看，离散事件仿真是最成熟、应用最广泛从技术角度看，离散事件仿真是最成熟、应用最广泛的仿真技术。的仿真技术。(1)有约束规划算法有约束规划算法 有约束规划在交通信号控制参数优有约束规划在交通信号控制参数优化、时刻表编制、路径寻找等领域中得到应用。化、时刻表编制、路径寻找等领域中得到应用。(2)模糊逻辑模糊逻辑 模糊逻辑是将某一给定范畴从传统的模糊逻辑是将某一给定范畴从传统的“全全真真”、“全假全假”模式扩展到模式扩展到“部分真部分真”的中间模式的中间模式的理论。的理论。 (3)定性模型定性模型 定性模型也叫定性推理，产生于定性模型也叫定性推理，产生于20世纪世纪80

15、年代；定性模型主要用于宏观仿真，在网络管理、年代；定性模型主要用于宏观仿真，在网络管理、高速公路仿真、城市仿真领域已有应用高速公路仿真、城市仿真领域已有应用。 20(4)(4)虚拟现实虚拟现实VR 需要运用计算机处理能力、图形显示系统、需要运用计算机处理能力、图形显示系统、视频与音频仿真、人机界面等技术。视频与音频仿真、人机界面等技术。 可以分为四类：可以分为四类：桌面虚拟系统，即利用基于个人计算机建立桌面虚拟系桌面虚拟系统，即利用基于个人计算机建立桌面虚拟系统；统；环境虚拟系统，即在一个封闭的房间里采用墙、天花板环境虚拟系统，即在一个封闭的房间里采用墙、天花板与地板等来表达感觉；与地板等来表

16、达感觉；虚拟现实模拟器，将交互可视模拟作为研究、验证、检虚拟现实模拟器，将交互可视模拟作为研究、验证、检验与培训手段，结合再现运动的技术，它们成为目前虚验与培训手段，结合再现运动的技术，它们成为目前虚拟现实条件下最富有真实感的方法；拟现实条件下最富有真实感的方法；3D3D虚拟系统，在这种虚拟现实系统中，用户感觉成为虚拟系统，在这种虚拟现实系统中，用户感觉成为3D3D环境内部的一部分，与用户的交互是无缝且透明的。相环境内部的一部分，与用户的交互是无缝且透明的。相对而言，桌面虚拟系统中用户的感觉则是外部的。对而言，桌面虚拟系统中用户的感觉则是外部的。 21(5)(5)地理信息系统地理信息系统(GI

17、S) (GIS) 地理信息系统是一种可以地理信息系统是一种可以对空间数据及其相关属性数据进行分析和管理的对空间数据及其相关属性数据进行分析和管理的决策支持系统，它可以全面管理交通网络数据，决策支持系统，它可以全面管理交通网络数据，起到专家系统的作用。起到专家系统的作用。(6)(6)遗传算法遗传算法 遗传算法遗传算法(GA)(GA)是一种从是一种从“适者生存适者生存”的自然进化原理演变而来的、基于随机的搜索技的自然进化原理演变而来的、基于随机的搜索技术。遗传算法适合那些有可计算指标的优化问题。术。遗传算法适合那些有可计算指标的优化问题。GAGA在交通中的最近应用包括三方面：在交通中的最近应用包括

18、三方面： 交通信号的优化与近似优化；交通信号的优化与近似优化； 交通网络的设计问题；交通网络的设计问题； 动态交通分配问题。目前，在微观仿真的交通模型中，动态交通分配问题。目前，在微观仿真的交通模型中，遗传算法已成功应用到路径的动态交通分配。遗传算法已成功应用到路径的动态交通分配。 22(7)神经网络神经网络 在描述交通系统中那些难以用逻辑在描述交通系统中那些难以用逻辑或数学方法处理的模型时作用尤为突出，如交或数学方法处理的模型时作用尤为突出，如交通中的非线性现象，驾驶员行为分析，拥挤交通中的非线性现象，驾驶员行为分析，拥挤交通状态下的复杂时空关系分析，交通控制与图通状态下的复杂时空关系分析，

19、交通控制与图像处理等像处理等。 (8)离散事件并行处理离散事件并行处理 并行处理是指在一台并行并行处理是指在一台并行计算的计算机上运行仿真程序。计算的计算机上运行仿真程序。 23以上技术进展大致可以分为四类：以上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，一是仿真建模方法，如离散事件仿真，模糊逻辑，定性建模等；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，二是数据收集与分析方法，如知识发现，模糊逻辑等；模糊逻辑等；三是决策支持方法，如神经网络，遗传三是决策支持方法，如神经网络，遗传算法等；算法等；四是仿真的运行与计算环境，如四是仿真的运行与计算环境，如GIS，VR，

20、并行处理等。这些技术的综合运用，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。极大地改善了仿真过程及其效果。 24交通系统仿真的步骤交通系统仿真的步骤1、明确问题明确问题； 2、确定仿真方法的适用性确定仿真方法的适用性；3、问题的系统化问题的系统化；4、数据的收集和处理数据的收集和处理；5、建立数学模型建立数学模型；6、参数估计、参数估计7、模型评价；、模型评价； 8、编制程序、编制程序9、模型确认模型确认； 10、实验设计实验设计11、仿真结果分析仿真结果分析。25明确问题明确问题 对研究的问题进行详细的对研究的问题进行详细的了解和描述了解和描述，明确研究，明确研究目的目的，划

21、定系统，划定系统范围和边界范围和边界。希望得到什么样的输出结果？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？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？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？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？车辆到达和离去是否服从经典的数学分布？26确定仿真方法的适用性确定仿真方法的适用性 各种交通分析技术中，系统仿真是否是各种交通分析技术中，系统仿真是否是最适宜最适宜的方法？的方法？是否可以用其他方法解决该问题？是否可以用其他方法

22、解决该问题？仿真方法是否可以很好地解决该问题？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？是否有仿真研究所需要的时间和物质支持？是否真的可以解决？是否真的可以解决？27问题的系统化问题的系统化 构建仿真模型的第一级流程图，包括构建仿真模型的第一级流程图，包括输入输入，处理处理和和输输出三个组成部分。出三个组成部分。28数据的收集与处理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；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，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；以便于模型进行标定和有效性检验；

23、对数据进行处理。对数据进行处理。29 在第一级流程图的基础上，构建第二级流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。相互关系，每一模块的输入输出。 然后建立第三级流程图，对每一个模块功然后建立第三级流程图，对每一个模块功能进行详细描述。能进行详细描述。构建数学模型构建数学模型30模型确认模型确认模型标定模型标定，以现场数据作为输入，检验输出结果，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。实际的观测结果相吻合，重点是输入变量。有效性检验有效性检验，其余未使用的现场数据输入仿

24、真程，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。序，将计算结果与相应的观测结果进行比较。31实验设计实验设计选择控制变量；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限制条件或边界条件；确定每个控制变量的步长；确定每个控制变量的步长；确定控制变量的层次结构；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通过程序的循环语句自动改变初级控制变量的取值；取值；通过搜索子程序自动确定最佳条件。通过搜索子程序自动确定最佳条件。32仿真结果分析仿真结果分析仿真运行仿真运行结果分析结果分析形成文档形成文档33交交通通系系统统仿仿真真的的

25、步步骤骤34高速公路单向交通流高速公路单向交通流仿真程序开发实例仿真程序开发实例35明确问题明确问题仿真模型针对交通高峰期，选取路段有足够长度；仿真模型针对交通高峰期，选取路段有足够长度；只需输入单方向道路和相连匝道的设计参数；只需输入单方向道路和相连匝道的设计参数；确定性的宏观模型；确定性的宏观模型；多时段的研究方法；多时段的研究方法；会产生相互影响的车辆排队现象，模型应对其进会产生相互影响的车辆排队现象，模型应对其进行描述。行描述。36确定仿真方法适用性确定仿真方法适用性理论分析方法，交通流理论；理论分析方法，交通流理论；仿真方法耗费时间和资金；仿真方法耗费时间和资金；分阶段开发。分阶段开

26、发。37问题的系统化问题的系统化38数据的收集和处理数据的收集和处理 观测路段，观测路段，11个入口匝道，个入口匝道，15个出口匝道。观测时将高个出口匝道。观测时将高速公路划分为速公路划分为30个路段，采用流动车法，观测时间选在个路段，采用流动车法，观测时间选在下午高峰。下午高峰。 1、计算出高速公路和匝道的通行能力，进行现场观测，、计算出高速公路和匝道的通行能力，进行现场观测，检验瓶颈处通行能力。检验瓶颈处通行能力。 2、对进入高速公路的车辆进行起迄点调查，、对进入高速公路的车辆进行起迄点调查，15min间隔；间隔； 3、根据观测绘制车速与负荷的关系图；、根据观测绘制车速与负荷的关系图； 4、用流动车法观测高速公路行程时间；、用流动车法观测高速公路行程时间； 5、观测那些已经产生排队的匝道，排队时间通过排队长、观测那些已经产生排队的匝道，排队时间通过排队长度和消散比例推算。度和消散比例推算。 39建立数学模型建立数学模型建立第二级流程图建立第二级流程图 读入输入数据读入输入数据 进入一个新的分析时段，初始化进入一个