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1、第八讲 道路交通系统仿真模型与方法,主要内容,一、系统仿真模型的分类 二、道路交通系统仿真模型的发展 三、微观交通仿真模型 四、中观交通仿真模型 五、宏观交通仿真模型 六、道路交通系统仿真方法,一、系统仿真模型的分类,模型种类：物理仿真和数学仿真 时间：动态仿真模型和静态仿真模型 状态变量的取值：连续性模型和离散性模型 模型参数：确定性仿真和随机性仿真 仿真输出结果：数字仿真与图像仿真 交通系统描述细节程度：宏观仿真、中观仿真和微观仿真,宏观交通仿真,宏观交通仿真不对某具体车辆的运动过程进行描述，即不考虑个别车辆的运动，而是从统计意义上成批地考虑车辆的运动。例如,交通流可以通过流量、密度、速度
2、关系等一些集聚性的宏观模型来描述，而象车辆的车道变换之类的细节行为可能根本就不予以描述。 宏观交通仿真模型适用于描述系统的总体特性，并试图通过真实反映系统中的所有个体特性来反映系统的总体特性。对计算机资源要求较低，仿真速度很快。宏观仿真模型的重要参数是速度、密度和流量。 宏观交通仿真模型对交通系统的要素及行为的细节描述程度较低。同微观仿真相比其精度低，应用的范围也小。 用于研究基础设施的新建、扩建及宏观管理措施等。如大规模的路网范围内进行交通宏观仿真。,微观交通仿真,微观交通仿真把每辆车作为一个研究对象，对所有个体车辆都进行标识和定位。在每一扫描时段，车辆的速度、加速度及其它车辆特性被更新。
3、微观交通仿真能模拟出短时段内交通流的波动情况。跟驰模型、超车模型及变换车道模型是微观仿真的基本模型。 对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的,进入路网的时间、车种、车速的设定及路口的转向都是随机确定的。微观仿真模型的重要参数是每辆车的速度和位置。 微观交通仿真对计算机资源要求较高，它的仿真速度慢，用于研究交通流与局部的道路设施的相互影响（如车道划分、道路宽度、弯道、坡度及公交站的设置等），也用于交通控制仿真（如交通信号灯控制、让路停车等）。,二、 道路交通系统仿真模型的发展,20世纪60年代：英国的D. L.罗伯逊于1968年提出TRANSYT（宏观仿真）交通仿真软件是当时最具代表性的成果，用
4、以确定定时交通信号参数的最优值。 80年代初已形成了CORQ、FREQ、INTRAS、MACK和SCOT等五大仿真模型，用于高速公路匝道控制和事故研究。主要以优化城市道路的信号设计为应用目的，多采用宏观模型。 90年代一些比较知名的交通仿真软件有FRESIMFHWA（1994)、CORSIMFHWA（1996）等先后相继推出。德国PTV公司也推出模拟城市道路与城市间高速公路交通流的微观交通仿真软件VISSIM及用于城市和乡村道路网短期交通预测的中观交通仿真软件DYNEMO。,交通仿真的发展趋势,目前交通微观仿真模型已有一百多个。其中，多数模型使用时间步长扫描法，只有少数几种模型采用事件扫描法。
5、 在现有的交通仿真模型中，以时间扫描作为计算进程控制的随机性微观仿真模型是当前交通仿真研究的热点 随着智能运输系统ITS的发展与应用，如何开发支持ITS影响评价的仿真模型已成为国际流行的发展趋势。,三、微观交通仿真模型,微观交通仿真模型基本上由两大部分组成： 一部分是路网几何形状的精确描述，包括信号灯、检测器、可变信息标示等交通设施。 另一部分是每辆车动态交通行为的精确模拟，这种模拟要考虑驾驶员的行为并根据车型加以区分。,1 交通流微观仿真系统的功能要求,能够建立和处理不同形式的路网，清晰地表现路网的 几何形状，包括交通设施，如信号灯，车辆检测器等； 能够产生进入路网的不同种类的车辆以及车长、
6、初速 度等，获得交通流的各种统计数据； 能够处理车辆在路网上的运行情况，准确地反映出车辆 间的相互作用，如跟驰、车道变换时的相互作用，以及 驾驶员的行为； 能够处理网络内部对车流产生影响的发生点和吸纳点 能够跟踪路网内行驶的任何一辆车，真实地模拟交通控 制策略（定周期、自适应、匝道控制等）；,能够模拟先进的交通管理策略，如路径重定向、速度控制和车道控制等； 能够提供与外部应用程序交互的接口； 能够模拟动态车辆诱导，再现被诱导车辆和交通中心 的信息交换； 能够应用于一般的路网，包括城市道路和城市间的高 速公路； 能够仿真路网交通流的状况，如交通需求的变化等； 能够模拟公共交通； 提供结果分析的工
7、具和图形化的交互界面。,1 交通流微观仿真系统的功能要求,2 微观交通仿真基本模型,微观交通仿真模型的基本构成 车辆行驶行为模型 交通控制状态模型 交通管理状态模型 道路几何状态模型 车辆行驶行为模型通过对车辆在各种约束条件下行驶行为的描述反映路网交通状态，是模型体系的核心。 后三者侧重于对各类方案的描述，并确定车辆行驶行为模型的约束条件。,车辆的生成与到达,车辆的到达在某种程度上具有随机性，统计规律可用车头时距的分布来描述 当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时，常选用负指数分布 P（ht t）=exp（-Qt/3600） 描述不能超车的单列车流的车头时距分布和车
8、流量低的车流的车头时距分布时，常选用移位的负指数分布 P（ht）=exp-(t -) t,随机产生车辆与司机:爱尔朗分布 当阶数k=1时，爱尔朗分布便化为指数分布，可看成是完全随机的；当k增大时，爱尔朗分布的图形逐渐变成对称的；当k30时，爱尔朗分布近似于正态分布；当k时，爱尔朗分布化为确定型分布。,p(ht),车辆状态的确定,确定车辆的状态应根据该车辆上一时刻的位置、所在路口引道的位置及引道的具体类型（主路或支路）和具体车道，判断该车道左右相邻车道上同时行驶车辆的类型、位置和本车道前、后行驶车辆的类型、位置。 若该车位置是在交叉口前，则应判断该车转向及所在引道路权，以及与该引道冲突车流的具体
9、位置，并根据车辆应采取的加速度、速度计算出下一时刻的位置。,车辆的自由行驶,当车辆的运动不受前面运动车辆的影响时，称该车作自由行驶。一般取车头时距为8 秒。 两种形式:加速到目标车速稳速行使和减速到将车停在既定的位置。,车辆的跟驰行驶,跟驰特性：制约性、延迟性和传递性。这些特点决定了交通信息沿车队向后传递不是平滑连续的，而是象脉冲一样间断连续的。 跟驰模型是交通系统仿真中最重要的动态模型，主要用来描述交通行为即人车单元行为。 一般分为：车辆跟驰模型分为线性跟驰模型、非线性跟驰模型 具体有：刺激反应模型、安全距离模型、生理心理模型、行为阈值模型以及近年来涌现出来的模糊推理模型和元胞自动机模型,车
10、辆的超车,在双向双车道公路上，当车辆处于跟驰状态，并且当前车车速低于后车的期望车速时，车辆试图超车以改变其行驶状态。 判断超车条件：（1）是否需要超车？（2）是否有可能进入对向车道？ 当前车速度小于40km/h，前、后车之间的速度差大于5km/h时，驾驶员就会考虑超车；当前车速度大于40km/h，前、后车之间的速度差大于15km/h时，驾驶员才考虑超车。 与对向来车之间的最小距离,车道变换,车道变换模型描述的内容为车辆车道变换行为的整个过程，包括车辆车道变换意图的产生、车道变换的可行性分析以及车道变换行为的实施。强制性车道变换行为和任意性车道变换行为 。 强制性车道变换是指车辆为了完成其正常行
11、驶目的而采取的车道变换行为。可能的情形有：正前方出现停车车辆；车辆必须在前方交叉口左转；车辆已接近当前车道的尾端而须变换车道；公交车在接近前方停靠站时从内侧车道转至外侧的专用公交停靠车道等。 实现车道变换的关键是车辆必须在前方某一关键点之前完成车道变换行为。也就是说，车辆必须在距前方关键点的某个临界距离之内产生相应的变换车道意图。,强制性车道变换,其临界距离可用下述模型表示： 式中，Di为第i种需要变换车道情形相应的临界距离；Di0为第i种需要变换车道情形相应的一常数值；i为一正态分布随机变量。,任意性车道变换,任意性车道变换是指车辆在遇到前方速度较慢的车辆时为了追求更快的车速、更自由的驾驶空
12、间而发生车道变换行为。其与强制性车道变换的区别在于，即使车辆不变换车道也能在原车道上完成其行驶任务，因此变换车道行为不是强制性的。 当满足下列条件时，车辆将产生变换车道意图： 式中，为折减系数，其建议值一般取为0.750.85。,车辆的停车,在车辆行驶过程中，若车流中车辆正前方有车辆停车或有慢速车辆，或遇到停车标志时，必须停车或变换车道，描述这一现象的模型就是停车模型。 其基本思想是车辆在行驶过程中，首先要用停车视距扫描前方位置： 若在停车视距范围内扫描到了停车标志，该车就要按一定的减速度停车； 若在停车视距内扫描到了停止车辆或慢速车辆，就要运用变换车道模型判断能否变换车道，若不能变换车道，该
13、车就要按一定的减速度停车。否则就保持一定的自由流速度或加速到自由流速度行驶。,3 路段交通仿真基本模型,模型基本组成 ：道路设施模型、人车模型、交通产生模型、交通行为模型、交通控制模型和人机交互模型 仿真模型结构包括四个子模块：输入部分、功能模块、仿真模块、输出部分及其描述,路段仿真模型结构,4 交叉口交通仿真基本模型,车辆由正常路段驶入交叉口范围，须经历停车排队、冲突分析、排队消散最终驶离交叉口等基本过程。 基本模型 停车排队模型 冲突分析模型 排队消散模型 参阅：邹智军. 信号灯交叉口微观交通仿真模型研究. 中国公路学报（增刊），2000. 13：93-96,四、中观交通仿真模型,中观交通
14、仿真是在宏观交通网络的基础上，将个体车辆纳入宏观交通流中进行模拟分析，它不必象微观交通仿真模型那样，分析个体车辆之间的相互作用与影响。这一仿真系统可以用来拟定、评价在较大范围进行交通控制和干预的措施和方法，并最终对交通流进行最优控制。 中观交通仿真目前在我国的应用研究开展较少，下面仅介绍面向诱导的中观交通仿真。,1 面向交通诱导的仿真系统的功能,相对于各种宏、微观交通仿真系统，面向诱导的中观 交通仿真系统除具有基本的输入输出及道路网建立与 编辑功能外，还应具有以下功能： （1）背景交通流加载功能 （2）在群体车辆中个体车辆交通特性识别功能 （3）多种最短路方式计算功能 （4）交通控制系统识别功
15、能 （5）交通流实时检测及交通控制自适应功能 （6）诱导策略的评价功能,2 面向交通诱导的交通仿真模型,特点：与以跟驰模型和变换车道模型为基础的微观交通仿真模型不同的是，面向交通诱导的中观交通仿真模型以单个车辆行驶状况为基本仿真单元，单个车辆在路段上按照自由流速度匀速行驶，至交叉口停车线则根据不同流向进入各自的排队队列，在满足一定的条件时（如该车是领头车，行驶方向的信号为绿灯，下游路段未被停车车辆占满），该车辆才能驶离停车线，并按转向概率或已选定的路径，进入下一路段的排队队列。 仿真系统记录下车辆经过该路段（包括交叉口）的行驶时间和排队延误时间，每隔一时段刷新路段的当前实际行程时间。,面向交通
16、诱导系统的仿真系统设计框图,五、宏观交通仿真模型,宏观交通流模型又可分为静态模型和动态模型。 交通流静态模型：当交通流变量与时间无关而仅与地点有关时，其建立的交通流模型。 交通流动态模型：描述交通流随空间和时间的变化规律。 两者相比较，宏观动态交通流模型能更精确地描述交通流的真实行为，因此常用于交通流的实时控制和仿真。,1 连续流模型,（1）基本连续性方程 （2）引入动量方程的流体力学模型 （3）多车道公路动态连续流模型,2 路网性能模型,（1）一般路网模型,式中，交通强度I（单位区域的出行距离）、道路密度R（单位区域道路长度或道路面积）、空间平均速度v，、m为参数 。值受路网物理特性，如道路宽度、交叉口密度等的影响。该值作为路网特性和交通性能综合效果的一个度量指标，还与空间平均速度密切相关，与路网密度也有很强的相关性，可用来反映服务水平。,（2）双流模型,双流理论 1979年，Herman 和 Prigogine 提出双流理论（Two-Fluid Theory）描述城市道路交通流。 该理论认为，交通
