道路交通仿真模型与方法概要

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1、1,第六章 道路交通仿真,北京交通大学交通运输学院 丁勇 ,2,引言,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。 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(Society for Computer Simulation)，推动了仿真技术在美国的发展和应用。 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。,3,对交通系统的仿真研究可以分为三个层次：宏观仿真

2、、中观仿真与微观仿真。 宏观仿真着重从全局角度来研究系统特性。宏观仿真模型中，交通流被视为一个可压缩的媒体或流体，交通流的运动按照流体机制来处理。宏观仿真通过流量-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。 微观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。 微观模型包括三个重要方面：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。,4,国外道路交通仿真系统,20世纪60年代以来，国外交通仿真系统得到了较大发展。目前，公开发表的道路交通仿真软件已有近百个，有一定应用的软件

3、系统也有数十个。 交通仿真软件的新用途是为智能交通系统(ITS)提供论证手段。ITS应用的一个重要特点是要考察整个网络的全局效果，近年来，针对ITS开发的软件主要有DYNASMART、VISSIM、INTEGRATION、MITSIM、THOREAU、TRANSIMS、WATSIM与PLANSIM-T。,5,交通仿真系统的用户群分类,基础设施的运营者与决策者 地方、公路交通部门当局(政府) 私人停车经营者 公交经营者 车辆控制 驾驶员与乘客 各类货物运输者与货主 设计与咨询机构,6,通用交通仿真软件,要在参考前人文献和研究现有模型的基础上，确定系统的总体设计思想和要达到的主要目标 ; 需要开发

4、具有个性的模型，以实现新的功能或纠正已有模型的缺陷 ; 要对模型所用的参数进行校验和调整，得到符合应用地区的模型和参数。,7,研究型和商业型交通仿真软件的区别,研究型的软件主要是给开发者自己用的，而商业型的软件是给用户用的，两者的区别并不在于是否市场上有得卖。 研究型的软件强调的是想法和模型的创新，而不是软件的用户界面和使用价值。 商业软件的基本要求是：包罗最新交通仿真模型，研究证明了的先进功能和竞争产品所具有的主要功能；能够切实为交通规划和交通工程人员提供一个解决实际问题的仿真工具；提供适用的用户界面和数据接口，方便大多数用户以较低成本把仿真模型作为他们的一种分析工具。,8,9,微观交通仿真

5、软件的适用范围,10,Single Road (SR) Regional (R) Corridor (CO) Project Board (PB) Intersection (I) City (CI) State Wide (SW),11,12,13,14,15,16,应用规模,大部分软件可在PC机或UNIX系统上运行。有个别在VAX 和RE6000机以及SUN机上运行。 微观仿真模型应用规模取决于计算机性能。 小规模：20km, 50个节点， 1000辆车； 大规模：200以上节点， 数千辆车； MICROSIM、PLANSIM-T与PARAMICS可以模拟3000个节点、100万辆车(需用

6、到并行计算机)。 计算速度取决于路网大小和计算机性能。一般来说仿真软件的运行速度为实际时间的15倍。更快一些可达到1520倍，但也有慢于实际时间的。,17,微观仿真软件能够描述的交通现象,18,微观仿真软件能描述的交通控制和管理方式,固定信号控制、自适应控制、匝道汇入控制、静态路径诱导、动态路线诱导、事故处理、公交车优先控制、可变标志控制、收费口、自动道路系统、无人驾驶车辆、停车地诱导等。,19,微观交通仿真系统的功能要求（1）,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； 产生进入路网的不同种类的车辆以及车长、初速度等，获得交通流各种统计数据； 处理车辆在路网上的运行情

7、况，准确反映出车辆间的相互作用； 处理网络内部对车流产生影响的发生点和吸纳点； 跟踪路网内行使的任一辆车，真实地模拟交通控制策略。,20,微观交通仿真系统的功能要求（2）,模拟先进的交通管理策略； 提供与 外部应用程序交互的接口； 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； 应用与一般的路网，包括城市道路和城市间的高速公路； 仿真路网交通流的状况； 模拟公共交通； 提供结果分析的工具和图形化的交互界面。,21,交通仿真的目标是评价交通管理计划的行为效果。交通研究的效果包括5个方面： 一是与出行效率相关的方面，如出行的速度、时间等； 二是与交通安全相关的方面，包括车头时距、事故等；

8、三是与交通环境相关的方面，如各种污染物的排放及振动的产生等； 四是与旅客舒适相关的方面，如停站次数，密度，拥挤水平等；紧张、舒适性等； 五是交通出行的技术性能指标，如费用与燃料消耗。,22,仿真评价指标,23,仿真评价指标(续),24,软件的输入输出界面 描述诸如节点、路段、交通信号、路径、车辆到达率等。但也有少数几个软件提供了路网拓扑结构和几何数据的图形输入界面。大部分软件具有动画演示输出功能，但也有少数模型只提供数据库格式的输出形式。 基本的仿真技术 几乎所有的仿真软件均采用面向对象的编程技术绝大部分采用了时间扫描的描述方式且多为微观仿真。,25,4交通仿真系统的结构,以微观交通仿真系统为

9、例，其结构一般包括3个主要模块： 一是道路网络描述模块，包括交叉口，路段，小区等； 二是车路间的信息通信模块，涉及交通流诱导等问题； 三是车辆动态运行模块。,26,27,仿真系统的输出指标,网络上车辆行驶的信息 如总旅行时间，旅行距离，平均速度； 经过的交通检测设备 如记数器，速度，车道占有情况，点到点时间，车辆类型，突发事件信息等； 路段交通数据 包括路段交通密度，路段平均速度，旅行时间等； 仿真运行中的警告及错误信息； 环境排放与燃料消耗数据； 车辆运行与路段交通数据的图形显示。,28,我国交通仿真系统研究的技术关键,建模过程中的技术关键 我国道路交通运行环境与发达国家不同，主要特点有：

10、(1)混合交通流环境 不同类型，尤其是较大比例的非机动车流与机动车的混行使得车辆跟弛模型与换道模型发生重大变化。 (2)行驶行为不规范 过多的交通不畅使得交通标志和道路行驶的规则对驾驶员和行人、自行车者的约束大打折扣，这对描述这些行为造成了很大困难。 (3)车辆特性差异大 我国道路上行驶车辆种类繁多，性能差异很大。性能较差的车辆增加了道路突发事件概率。,29,要解决的技术关键,(1)建立非机动车与机动车之间的影响模型，包括在交叉口、有隔离路段及无隔离路段的相互作用模型； (2)研究我国国情下道路交通管理计划的计算机描述模型，重点是城市道路交叉口信号配时对机动车与非机动车行驶的描述； (3)研究

11、我国城市道路网络构造模型，重点是对不同类型立交、路面状况及支线街道及车辆行驶特点的定义； (4)行人行为及其对道路交通流运行的影响模型。,30,技术关键,（5）合作与联系 现在，从事交通仿真研究的单位都是从自身情况出发来开展工作，缺乏全国性的统一协作，易造成重复性的研究，从而导致有限资金的浪费； （6）信息技术 已有的仿真软件与模型都是局限于交通环境自身而言的，没有真正与GPS和GIS等与信息技术相关的信息系统联系起来进行仿真研究。,31,仿真过程实施中涉及的主要技术关键,硬件与软件环境 仿真的网络规模及交通实体数量一般受计算机软、硬件制约的。 计算经验 微观仿真中，跟车与换道模型需要的步长一

12、般为1到0.1秒。 用户界面 用户图形界面可显示的信息包括网络、检测器、车辆移动的发生等。 与支持模块的通信 一般需要一个总控模块来协调各模块之间的数据交流。 总控模块 主要功能是对各模块进行协调和实施，模块间的信息交换需要通过处理器之间的通信来完成。,32,33,国外交通仿真模型和系统难以在我国得到推广的主要障碍：,模型参数问题，多数国外模型中的参数不太适合有大量非机动车存在时的我国交通环境； 国外产品没有汉化，外文界面及技术手册使得它们难以在工程技术界得到推广； 软件的价格问题，国内交通企业对软件的认识还没有达到发达国家的水平，真正的软件市场尚未形成。,34,仿真模型,仿真模型开发的要点是

13、了解有哪些方法/技术可以用于建模。 必须要明确建模目的和评价手段。,35,交通仿真模型的10个主要领域,道路物流与一般管理 需求管理 交通管理 停车管理 公交管理 交通信息 出行管理 货运与乘务组管理 车辆控制 内部服务系统,36,既有微观交通模型,37,既有微观交通模型(续1),38,既有微观交通模型(续2),39,既有微观交通模型(续3),40,既有微观交通模型(续4),CORSIM是由TRAF-NETSIM(城市交通)与FRESIM(高速公路)的合并。,41,输入与输出,输出：(1)任何时刻路网各处的车辆密度分布。通行路线。(2)任何观测点的车流量分布形态。 (3)出行车辆到达目的地所需

14、的时间及其分布。 例如，交通预测函数以OD估计为输入，提供预测的交通量作为输出。图形信息可以作为交通模型的输入。,42,关于交通现象的描述方法,天气：通过速度-加速度行为刻画； 停顿车辆：通过特定节点、路段和车辆状态刻画； 发动机模型：通过机械方法或加速率的改变来刻画； 车型：通过车辆尺寸、重量、优先级等刻画； 行人：主要通过转向区及其相互作用来判断； 公交：通过固定车辆行驶线路来刻画； 交通镇静措施：通过限制行驶速度、让行、可变信息标志、线路引导标志刻画； 排队：通过可利用空间约束、跟车及换道刻画； 交织：通过强制换道、特定换道模型、决策规则、换道逻辑等刻画； 环岛：通过车道分段、让行、交织

15、区等刻画。,43,微观仿真模型的基本要素,道路条件 包括：几何参数、路面状况、交通标志、交通信号等。 车辆到达 车辆特征 车辆动力性能(最高车速和加减速能力)、车辆类型特征 车辆间的相互作用 人车单元运动运动只受车辆、道路条件和外部因素影响；除上述影响因素，还有其他人车单元影响。 车辆间的相互作用 驾驶员对来自其他车辆的干扰一般通过调整车速来体现的，当条件允许，转换车道或超车。,44,车辆行驶模型,车辆的生成 车辆状态的确定 车辆的自由行使 车辆的跟驰行驶 车辆的超车 车道变换 车辆停车,45,典型的交通仿真模型,微观仿真中的交通模型 道路微观仿真用到的模型主要有三个系列: 1 跟车模型 2

16、换道模型 3 信号响应逻辑模型 多数软件中采用的跟车模型以Herman等人提出的模型为基础，主要原则是根据后车与前车的关系计算确定后车的加/减速度。,46,47,车辆跟驰特性分析,制约性 车速条件；间距条件。 延迟性 驾驶员对于前车状态改变有一个反应过程，包括：感觉 阶段、认识阶段、判断阶段、执行阶段。 传递性 具有延迟性的向后传递的信息不是平滑连续的，而是象脉冲一样间断连续的。,48,跟车模型,跟车模型以车头时距和前后车的相对速度为基础，一般可以分为三种模式： 自由流模式 跟车模式 紧急减速模式,49,车辆跟驶模型分类,刺激反应模型 安全距离模型 生理心理模型 模糊推理模型 元胞自动机模型,50,同一车道车辆相对运动过程示意图,51,线性跟驰模型,刺激反应方程的一种形式。反应：驾驶员对他前面运行车辆的反作用。,反应(t+T)=灵敏度刺激(t),车辆跟驰：交通规则限制或者邻近车道交通量大驾驶员无法超车 跟着前头车辆行驶。,52,驾驶员分类特征,驾驶员的反应过