系统建模与仿真

系统建模与仿真作业用于交通运输规划研究的宏观交通仿真系统的

国内外研究与应用现状学院：经济与管理学院专业：物流工程与管理姓名：杨波学号：2012123041二O—三年六月用于交通运输规划研究的宏观交通仿真系统的国内外研究与应用现状摘要交通运输规划关系到城市的未来发展，而宏观交通仿真是设计和评价交通运输规划方案的基术手段。本文根据宏观交通仿真系统在交通运输规划领域的应用，搜集相关资料来说明国内外对其研究与应用的现状，通过对比最终提出国内在完善交通运输规划方面上对宏观交通仿真软件应用的不足,并提出相应的解决措施。ResearchandapplicationoftransportationplanningstudiesofmacroscopictrafficsimulationsysteminChinaandabroadabstractTransportationplanninginrelationtothefutureofthecitydevelopment,andmacrotrafficsimulationistransportationplanningandevaluationofoperationmeans.Basedonmacroscopictrafficsimulationsystemapplicationinthefieldoftransportplanning,collectingrelevantdataathomeandabroadtoillustratetheresearchandapplicationpresentsituation,throughcomparingtheproposeddomestictransportationtransportationplanningintheaspectsofmacrotrafficsimulationsoftwareapplication,andproposesthecorrespondingsolutionmeasures.一、引言20世纪60年代初期起宏观交通仿真模型首先被用于交通系统仿真。1963年，Ger-Lough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TRANS程序，用以评价道路网的信号配置。美国联邦公路局(FederalHighwayAdministration)在1965-1966年间研制的SIGOP系统采用T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。比较重要的宏观交通仿真软件还有用于信号交叉口的Capeal、用于城市干道网的SPANV、MAXBAND、SSTOP、DASSER、TRANSYT以及用于高速公路的FREQ、FRECON等等。20世纪60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。1971年，Lieberman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UTCS用以评价路网的信号配置。到20世纪80年代初，交通系统仿真技术在美国己经得到了迅速的发展和广泛的应用。此时，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与宏观模型的界限，出现了混合模型。一个典型的例子是由Schwerdtfeger1984年提出的DYNEMO仿真模型，采用交通流的一般关系式来描述车流运动，而将每辆车看作是一个基本单元，这一模型应用在车辆驶出高速公路的仿真实验中取得了很好的效果。另外，由VanAerde于20世纪80年代中期开发的INTEGRATION，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、仿真软件开始向大型化、综合性方向发展。例如，由Hubsehneider从1983年开始研制的MISSION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实验。这个软件在1989一1991年间还被成功地运用于欧洲联盟DRIVE计划的研究中。再如，由英国MVA公司开发的TRIPS和美国CALIPER公司推出的TRANSCAD软件包，都是以四阶段模型为基础，用于区域交通规划。值得一提的还有，由英国QUADSTONE公司从1992年开始开发的PARAMICS，能够支持100万个结点，400万个路段，32.000个区域的路网。除此之外，这一时期还研制出用于信号交叉口的CALSIG（1988年）、APSSI（L986年）、0SIT（1985年）、SIDRA2.2（1986年）、SIGNAL85（1986年）、SOAP一84（1984年），用于高速公路的CORQ以及用于乡村道路的TwOPAS等。3、研究重点从软件开发逐渐转向了系统模型的改进，包括模型的精炼，如加人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。于是，己开发出的软件不断推出新的版本，以前面提到的一些软件为例，到1983年，SIGOP已上升为SIGOP-1；到1987年，TRANSYT己上升为TRANSYT7F；1985年，FREQ已上升为FREQSPE，TRARR己提出了第三版等等。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。另外，计算机图形技术的应用使得仿真过程更加透明和直观。其中一个典型的例子是德国卡尔斯鲁厄交通运输与规划公司（PTV-PLANUNGSBUROTransportandverkehrKarLsruhe）于20世纪80年代末开始研制并于90年代逐渐改进的系列软件，它由用于道路网交通分配的VI-SUM-IV、用于交通需求预测的VISEM、用于城市道路交通分析的VISSIM和用于公交线路优化的VISUM-QV四个独立的软件组成。这套软件采用了人机交互的图形化界面，特别是1994年7月推出的VISSIM2.2版，在WIND0WS3.1环境下运行，可以同时观察多个交叉口的交通状态。另外，还有西班牙TSS公司近10年逐步发展起来的AIMSUNZ，为用户提供了十分友好的图形界面。二、相关概念交通仿真是20世纪60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。交通仿真能反映实际交通系统的特性，分析交通系统在各种设定条件下的行为，以寻求现实交通问题的最佳效果。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、中观和微观三个层次【1】。（一）宏观交通仿真模型其对交通系统的要素及行为的细节描述处于一种较低的程度，着重从全局角度来研究交通系统的特性。宏观交通模型通过流量——密度函数来控制交通流的运行，不对单车运行特征进行描述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。（二）中观交通仿真模型其对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。中观交通仿真对流量的描述往往以若干辆车构成的队列为单元的，能够描述队列在路段和节点的流入流出行为，对车辆的车道变换之类的行为也可以简单的方式近似描述。（三）微观交通仿真模型其对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高。微观交通仿真以跟车模型为基础，追踪车辆的移动过程，可以给出单个车辆的详细结果，包括实际速度、运行时间、拥堵时间等。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CPU及内存容量，多数模型难以在大规模网络上进行在线运行。宏观交通仿真模型主要用于研究分析交通基础设施的新建与扩建、宏观管理措施及交通发展政1【1】BoyeeD.APraetitioner，5GuidetoUrbanTravelForeeastingModels[C].InMetroPolitanConferenceonPublicTransPortationResearch;1998:Chieago:1998策等。典型的宏观仿真问题有出行路径选择问题、交通流量分配问题等。宏观交通仿真规划软件通常都是基于“四阶段”交通规划模型进行交通分析。目前常用于交通运输规划的宏观仿真软件包括：EMME/2、TRIPS、TranStar交运之星、VISSUMandVISSIM、AIMSUNNG、PARAMICS、TransCAD等。其在进行交通分析时所遵循的一般流程如下：1)交通网络数据库的建立；2)交通需求分析及预测；3)交通网络交通分析及评价；4)交通网络交通分析及评价结果查看三、国内外研究现状(一)国外研究概况交通仿真系统始于上世纪五六十年代，在交通仿真技术、交通信息的分析、处理并应用到交通控制与决策方面在国外也已开展了大量的研究。在交通仿真方面，起初研究的是宏观仿真模型，该类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，最具有代表性的当数英国道路与交通研究所(TRRL)的D.L.罗伯逊于1967年开发的道路交通流仿真软件TRANSYT，它主要用于确定定时交通信号参数的最优值；Gerlough在1963年建立的用于道路网络信号配置的TRANS模型；美国联邦公路局(FHWA)1956-1966年研制的SIGOP仿真系统。由于伦敦交通研究和芝加哥区域交通研究(CATS)所建立起来的交通仿真系统是公认的第一代综合交通仿真系统，经过半个多世纪的发展，交通仿真系统在国外的应用日趋成熟。美国作为世界经济最发达的国家，是交通仿真系统开发和应用的先行者，同时引领着世界城市交通模型发展的潮流。这里以美国为例，介绍国际交通规划与仿真系统的发展与现状。通过以下几方面可以体现美国在交通运输规划中运用宏观仿真软件的现状：、仿真系统结构与功能根据2007年美国运输研究委员会的调查结果【2】，220万以上人口的城市都建立了交通仿真系统，20万人口以下的小城市中也有85%建立了交通仿真系统。这表明交通仿真系统在美国己经普及。美国城市中除了纽约等三个城市以外，其它城市都采用四阶段模型结构，这也说明近期四阶段模型仍然是交通仿真系统的首选。此外，从系统功能来看，交通仿真系统不再局限于客运交通，货运、污染物排放等因素也被纳入仿真系统统一考虑，使得系统功能更加强大。总体来看，美国各城市的交通仿真系统大都由州交通部组织建立，其基础数据库比较统一，模型结构也比较一致。2、居民出行调查扩样2007年美国运输研究委员会的调查结果显示，70%以上的城市每5年会结合相关调查数据进行一次大规模的模型修正，而100万以上人口的城市这个比例会达到80%以上。模型修正主要集中在出行生成率、出行分布等方面。在出行调查数据方面，不仅有各州和城市自己的出行调查数据，还有全联邦的出行调查数据。全国性出行调查数据包括1969年、1977年、1983年、1990年和1995年的全国个人出行调查州(NationwidepersonalTransportationSurvey,)和2001年及2008年的全国家庭出行调查困(NationalHouseholdTravelsurveyNHTS【【2】WatsonLS.METROPOLITANTRAVELFORCASTINGCurrentPracticeandFutureDireetion,2007.【3【2】WatsonLS.METROPOLITANTRAVELFORCASTINGCurrentPracticeandFutureDireetion,2007.【3】2001NATIONALHOUSEHOLDTRAVELSURVEYUSERSGUIDE,2004.3、时间价值研究国外对行为时间价值研究，通常采用揭示性偏好调查(RevealedPreference,RP)和意愿陈述性偏好调查(StatedPreference，SP)，再通过模型标定获得时间价值。RP是受访者已经发生过的行为，SP是受访者根据各种假设条件所表现出来的选择意向。根据要解决的问题不同，研究对象也不一样，有的研究对象是出行者，也有的是在途车辆。一般来说，既有对象的调查宜采用即调查，而包含新交通方式、新路径等时间价值调查宜采用SP调查，也可以考虑RP与SP相结合的方法。SP调查的时间价值标定一般采用MixedLogit模型°Hess在2004年提出了时间价值估计的MixedLogit模型，避免了使用一般非集计模型估计所导致的时间价值为负的缺点。Bierlaire等人使用即RP/SP融合数据，根据出行距离不同，使用MixedLogit模型标定了时间价值。整的来说，发达国家的时间价值标定技术已经比较成熟，在实际交通规划工作中已得到成功的应用。(二)国内研究概况随着我国经济的飞速发展，交通堵塞问题也口益突出，尤其是在大城市地区上下班高峰期的交通堵塞为人们的出行带来极大的不便。传统的经验已不能解决我国现代化建设所要求的高效交通系统。在90年代初，我国学者已经开始关注国际上ITS的发展，并参加了ITS世界会议的指导委员会和国际标准化组织的部分工作。尤其是在1995年之后，关于ITS的研究、试验和国际交流日益频繁。交通部也将ITS列入了“九五”科技发展计划和2010年长期规划中。国家科学技术部1999年11月批准建立了国家智能交通系统工程技术研究中心(NationalIntelligentTransportSystemsCenterofEngineeringandTechnologyTTSC)全面的研究了中国的ITS的发展需要，完成了“九五”国家重点科技攻关项目“中国智能交通系统体系框架”、国家基础性科研项目“中国ITS标准体系框架研究”。目前大陆城市交通仿真系统建立比较完善的城市主要有北京、上海和广州。而这三个城市建立交通仿真系统的共同特点是始于上个世纪80—90年代，首先与境外公司合作，再经历逐步完善和自主开发的发展过程。在基本理论方面，三个城市都采用了传统的四阶段模型(FourStepsModel)。北京交通仿真系统的开发最早开始于1992年，在英国海外发展署的资助下，MVAAsia咨询公司与北京市城市规划设计研究院合作开展《北京交通规划研究(BeijingTransportPlanningStudy，BTPS)》项目的研究工作，通过该项目建立了第一代城市交通规划系统。1987年上海城市综合交通规划研究所与美国交通咨询公司BartonAschman合作建立的上海市区交通规划模型(UrbanTransportationplanModeling，UTPM)，是上海第一代交通仿真模型。1993年广州市政府与世界银行指定的MVA亚洲公司合作，开展广州市交通规划研究，引进了先进的技术手段——交通战略模型“START”和道路分配模型“TRIPS”并以此为平台，建立了第一代广州交通仿真系统，用于开展第一次广州城市交通研究工作(GuangzhouUrbanTransportStudy,GUTS)。经过多年的维护和修正.，三大城市的交通模型均有了质的飞跃，一方面模型的覆盖范围进一步扩大，另一方面模型的功能也更加强大，基本实现了从宏观到微观的仿真过程，成为整合城市客、货运交通的一体化模型系统。国内应用仿真软件的现状如下：1、统结构与功能目前国内建立了交通仿真系统的城市仍比较少，且大多为沿海城市和省会城市，几乎所有城市都采用四阶段模型结构（新近建立交通仿真系统的城市也不无例外的采用四阶段交通模型），这表明四阶段模型仍是城市宏观仿真的首选。从系统功能来看，交通仿真系统主要还是应用于城市客运系统，包括道路交通、公共交通等方面，部分城市也开始考虑将货运纳入综合模型系统。2、民出行调查国内己经有越来越多的城市开展了居民出行调查，这为建立城市交通仿真系统提供了坚实的基础。广州、北京、上海等城市以此为基础，并结合交通年报及其它一系列调查，建立了模型更新和维护机制，为国内其它城市开展交通仿真研究积累了一定的经验。在居民出行调查数据扩样方面，各城市所采用的方法五花八门，部分城市甚至只进行最简单的按照人口直接扩样，缺少对扩样结果的校准，进而影响模型精度。广州市交通规划研究所在2005年居民出行调查数据处理过程中采用了“户一车一户”的扩样流程，取得了较好的效果，该方法在2007年北京居民出行调查扩样过程中得到了进一步应用。3、时间价值研究国内对时间价值研究主要与交通建设项目的经济效益评价有关，多为资源时间价值研究，也有一些文献对行为的时间价值进行了研究。张天然在国内外时间价值研究的基础上，基于SP调查数据用MixedLogit模型估计了非同质时间价值分布，比较了MixedLogit和NestedLoglt模型对RP/SP融合数据参数估计结果，分析了不同交通方式使用者的时间价值差异。王海洋【4】以甘陕公路和铁路通道两种交通方式为例估算了该通道旅客的平均时间价值为2.2元/小时，约为小时工资的60%。关宏志【5】系统地总结了时间价值估算方法:分布模型法，方式、路径选择法，转换率法，速度选择法，转换价格法，并对这些方法存在的问题进行了分析，结合随机效用理论，介绍了基于Logit模型的估计方法。北京工业大学王方【6】的硕士论文较为详细地分析了行为时间价值的影响因素，并基于消费者经济学原理构建了北京市居民出行行为时间价值简化模型，并将其应用于SP调查情境组合，解决了调查设计者与受访者之间关于调查问题数量的矛盾。四、存在的问题与解决措施（一）存在问题宏观仿真通过描述交通运行宏观规律的参数来设计模型进行仿真。20世纪60年代以来，国内外交通学者相继开发了大量的仿真系统，如TransCAD、Trips、Vissim、Paramics、Transims、Mitsimu、Corsim、Netsim、TranStar和Flowsim等。这些仿真软件可模拟交通控制对交通流产生的影响，以及交通堵塞、停车、拥挤对交通流的影响，可仿真车辆在不同路网结构下的容量、密度、延迟、停4【4】王海洋•客货运输时间价值确定方法研究[D].长安大学;2001.5【5】关宏志.非集计模型—交通行为分析的工具.北京:人民交通出版社;2004.6【6】王方•基于SP调查的行为时间价值研究[D].北京:北京工业大学;2005.车、排队、转弯、换道交通量。基于并行分布式计算城市交通系统仿真（如PARAMICS和TRANSIMS等）是当前的发展趋势，美国的MIT、英国的爱丁堡大学等高校的学者从事着该方面的研究。现状城市交通系统仿真的局限性主要表现在：仿真算法与出行者个体行为及交通智能化的结合力度不足，无法模拟我国特有的混合交通流变化规律。总的来说，与美国城市相比，国内用于交通运输规划研究的宏观交通仿真系统主要有以下不足：1、城市的交通仿真系统处于不断完善和发展过程中，缺少相应的体系规范和标准。标准化程度低，缺少适合中国国情的系统结构标准。目前国内已经有越来越多的城市开展交通仿真系统建立的工作，其理论基础均为“四阶段模型”，但其系统结构千差万别，各系统自成一家。在这种差异下难以建立统一检验标准去评价系统的可靠性。从长期发展的角度看，必须建立能够适应我国国情的“四阶段模型”交通仿真系统标准结构，以促进我国城市交通仿真系统的科学化和规范化。2、数据挖掘技术不足，缺乏系统深入的研究。在居民出行调查数据处理方面，很多城市仅仅完成以人口为基础的直接扩样即认为得到了最终的结果，缺少深层次的分析，忽视沉默需求，使得调查结果与实际情况存在较大的差距，这对居民出行调查数据本身而言一也是莫大的浪费。加之我国城市交通仿真系统所具备的基础数据仍比较少，且由于部门之间沟通不畅，仅有的一些数据也不能得到充分利用。此外，调查数据往往受项目进度影响不能被充分挖掘，进而影响交通仿真的可靠性。3、系统参数标定技术有待提升。虽然我国特大城市都建立了较为完善的交通仿真系统，但由于系统的理论基础源自西方国家，且缺少对系统参数的深入研究，在一段时间内，由于系统精度普遍不高，这使得用户对系统可靠性发生了质疑。因此要提高模型精度必须进行模型参数本土化的研究工作，使系统能够适应国内情况。这当中主要参数包括混合交通流背景下的道路通行能力、记f函数、时间价值等。道路通行能力和VDF函数本身有一定的通用性，通过借鉴国际经验，结合本地实际进行修订，基本可以得到满意的结果，而时间价值则差异很大，发达国家的数据几乎没有借鉴意义:一方面不同人群的差异较大，另一方面即便是同一人群，不同年份其时间价值也存在较大差异。4、前沿新技术缺少应用和实践。近年来，国内大城市交通供求矛盾越来越突出，交通拥挤问题也越来越受到重视，与之相关的交通问题研究也越来越广泛，但结合实际应用的理论研究成果却为凤毛麟角，更多的是浮在空中的“纯理论研究”或“简单算例研究”。在应用环节，仿真系统的核心过程几乎全盘照搬，大多采用国外专用软件的标准流程，缺少本地化的二次开发和改造。（二）解决措施1、建立符合中国国情的“四阶段模型”架构进入21世纪以来，虽然各行各业的信息化程度进一步提高，信息交换渠道也更加丰富和畅通，但总体来说可以用于交通仿真系统的数据还不充分，完全利用欧美国家的四阶段模型结构是不切实际的。为此，必须建立基