（交通运输规划与管理专业论文）CORSIM和SIMTRAFFIC模型在北京的适用性研究.pdf

摘要 摘要 对于城市道路而言，交叉口是城市交通的关键。由于各种流向的交通流汇 集到交叉口，并需要通过交叉口进行转向，因此，交叉口自然成为城市道路的 瓶颈地带。为维持城市交通正常运转，各职能部门通过大量的实践工作，不断 地加强交通管理，积极开展对信号交叉路口的研究，交通仿真是研究交叉口的 一种强有力的手段。由于目前国内缺乏成熟的仿真模型，在实际工作中常使用 国外的仿真模型，但对国外仿真模型应用于我国的适用性却缺乏研究。本文就 针对目前存在这一问题，研究目前国际上流行的，在国内也广泛使用的c o r s i m ( t s i s 4 3 2 ) 和s i m t r a f f i c ( s y n c h r o5 o ) 模型的适用性。 论文不仅从车辆到达、离散和速度变化规律三方面验证了c 0 r s i m 和 s i m t r a f f i c 模型中机动车行为在北京市信号交叉口的适用性，还采用实测数 据一模型标定一仿真试验一模型验证一适用性结论这一技术路线，以平均排队 长度、最大排队长度、延误时间和通过的交通量为指标，通过多次仿真试验深 入研究c 0 r s i m 和s i m t r a j f f i c 中行人、自行车模型在北京市交叉口的适用性。 研究发现c o r s i m 和s i m t r a f f i c 模型中的机动车模型在北京交叉口是适用的， 与实测值的误差在3 0 范围内。但行人、自行车模型不能完全准确的描述交叉 口的运行状况，当每小时行人、自行车的总流量大于11 5 0 辆人小时时，模型的 仿真结果与实测数据问有大的偏差，相对误差最高达到8 8 。为此，今后开发 仿真模型时应注重非机动车和行人特性描述，机动车、非机动车和行人之间的 影响模型，而机动车行为描述则可以借鉴国外的模型。 为了更深入的研究模型，本文还介绍了c o r s i m 和s i m t r a f f i c 中的跟车模 型、换车道模型以及影响评价指标的各因素。 关键词交通仿真；c o r s i m 模型：s i m t r a f f i c 模型；适用性 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei m e r s e c t i o ni st h ek e yo fm el l r b a l lr o a d a ut r a 伍cs 廿e a m sc o n v e r g ea 1 1 d t u ma ti n t c r s e c t i o n s ， w h i c ho r e nm a k et h e mb e c o m et h eb o t t l e n e c k so ft h eu r b a n r o a d t o k e e p t h e n o h l l a l仃a m c m o v e m e n t ，t r a n s p o n a t l o n r e s e a r c h e r sa n d p r a c t m o n e r sc a r r yo u tal o to fs t u d ya i na n a l y s i so f i n t e r s e c t i o n sb a s e do n p m c t i c e t r a 伍cs i m u l a t i o ni sa i li m p o r t a n tt 0 0 1 a t p r e s e n t ，f o r e i g ns i m l l l a t i o nm o d e l s a r eu s e d 、v i d e l yb e c a u s eo ft l l el a c ko f m a t u r es i m u l a t i o nm o d e l si nc h i n a b u tt 1 1 e 印p l i c a b i l i t yo ff o r e 谵ns i m u l a t i o n m o d e l si sap r o b i e m 、v i m o u tr e i a t e dr e s e a r c h t h i sp 印e ra t t e m p t st oh a v es o m e c o n l n b u t i o no n i t a i m i n g a tt h e p r o b l e m ，b e i n g t v ，or e p r e s e n t a t i v ea n dw i d c l yu s e d m i c r o s c o p i c t r a 伍cs i m u l a t i o n m o d e l s ，t h e 印p l i c a b i l i t yo f c o r s i m ( t s i s 4 3 2 ) a 1 1 d s i m t r a f f i c ( s y n c h r o5 o ) i ss t u d i e di nt h i sp a p e r i nt l l i sp 印盯，b o t ht h em o t o 卜v e l l i c l e sm o d e l sa n dn o n m o t o 卜v e h i c l e sm o d e l s a r es 州乩1 1 1 ea p p l i c a b i l 蚵o fn o n - m o t o r v e | l i c l e sm o d e l sa r ee v a l u a t e da i l d c o m p 8 r e d 谢m 出e 矗e l ds u n ，e yi 1 1 t l l r e ea s p e c t s ：a r r i v a lo fv e h i c l e s ， d i s c h a r g eo f v e h i c l e sa n dc 城a g eo f v e l o c i t y t h e 印p l i c a b i l i t yo f n o n m o t o r v e h i c l e sm o d e l sa r e e v a l u a t e da n dc o m p a r e d 谢mt h ef i e l ds u r v e yi nf o u ra s p e c t s ：a v e r a g eq u e u e ， m a x i m 啪 q u e u e ，d e i a y a n dv o l 啪e t h es i m u l a t i o nr c s u l ts h o w st h a tm e m o t o 卜v e h i c l e sm o d a l so fc o r s i ma 1 1 ds i m t r a f f i cc a i la p p l yt ob e 巧m 舀b mt 1 1 e m o d e l so fp e d e s 证a 1 1a 1 1 d b i c y c l e s a r en o t p e r f e c t w h e n 山et o t a ln u 玎小e ro f p e d c s t r i a n sa n db i c y c l e sr e a c h1 1 5 0 ( b i k e sp e d s ，h ) a sar e s u l t ，d e v e l o p i n gas c to f 仃a f f i cm o d e l sb a s e do nm i x e dt m 伍ci si nu r g e mn e e d i na d d i t i o n ，m ec a r - f o l l o 、v i n gm o d e la 1 1 dl a n e c h a i l g i n gm o d e lo fc o r s i m a n d s i m t r a f f i ca r ed r e s e n t e d i i 摘要 k e y w o r d s 仃a f h cs i m u l a t i o n ；c o r s i m ；s i m t r a f f i c ；印p l i c a b i l i t y i i i 第l 章概述 第一章概述 1 1 立题依据 在我国，由于近年机动车保有量迅速增加、交通设施建设滞后以及管理措 施不够完善等原因，致使平面交叉路口的交通堵塞现象日趋严重。从而影响到 城市路网通行能力的发挥。对于城市道路而言，交叉口是城市交通的关键。由 于各种流向的交通流汇集到交叉口，并需要通过交叉口进行转向，因此，交叉 口自然成为城市道路的瓶颈地带。交叉口的交通运行状态与整个城市的交通运 行状态密切相关，特别是一些关键的交叉口，往往成为城市交通畅通运行的制 约因素。如何采用有效的控制手段合理地分配交叉口的时空资源是交通工程师 长期追求的目标。 我国城市交叉口的交通特性相当复杂。由于自行车交通的大量存在，尽管 在路段上可以实现各行其道，但是在没有立体设施的交叉口，机动车和非机动 车都只能使用同一空间，导致我国交叉口的交通问题变得十分复杂；即使是已 经设置信号的交叉口，由于自行车交通和行人的大量存在，也使得信号灯控制 在这些交叉口显得力不从心。从而形成自行车、行人相互争夺行驶空间的局面。 为维持城市交通正常运转，各职能部门通过大量的实践工作，不断地加强 交通管理，积极开展对信号交叉路口的研究，努力提高交叉路口的通行能力。 同时，国外也针对以机动车流为主的交通开发了多种信号优化系统，但是，由 于北京市交叉口交通流以及路口渠化的复杂性，使国外的优化系统不能很好的 解决北京市的问题，对于复杂的交叉口优化还是只能依靠交通工程师的经验和 主观判断，结果往往是不可预料的，交叉口的问题仍然不断涌现。 综上，对于具有我国特有交通流特性的交叉口优化，存在两个方面的主要 问题：一是缺乏对我国信号交叉口特有交通流特性的研究，如行人、自行车以 及混合车流的宏观、微观交通特性；另外一个主要问题是缺乏有效的分析工具 北京工业大学工学硕士学位论文 对信号交叉口进行高效的优化研究。因此，在北京市科委“奥运科技行动”中， 在“智能交通系统规划及实施方案”项目中设置了“信号交叉口仿真决策系统” 的研究课题。拟以北京市交叉口交通特性为基础，深入研究信号交叉口中自行 车和行人的交通特性，开发混合交通流的信号交叉口仿真决策系统。深入研究 北京市信号交叉口独有的交通流特性，并建立仿真决策系统，为提高交通管理 水平，实现智能交通管理系统提供科学、高效、实用的分析工具。 本论文即为“信号交叉口仿真决策系统”中的子课题一。研究国外仿真模 型在北京的适用性。 1 2 研究的意义 为解决日益严重的交通问题，交通工作者们进行了很多研究工作，而始于 4 0 年代的交通仿真技术，通过计算机仿真方法，人们可以动态、逼真的仿真交 通流、交通事故等各种交通现象，深入的车辆、驾驶员和行人、道路以及交通 流的特性，有效的进行交通规划、交通组织与管理、交通能源以及物资运输流 量合理化等方面的研究。可以避免进行一些费用昂贵而周期长的交通调查和现 场试验，以很小的代价获得难以调查的数据，并再现多种交通现象，即可以从 一个崭新的视角展开对问题的研究。 由于道路交通通常具有不可再现性和不可实验性，或即使可以再现或实验， 却需要付出巨大的耗费、承担巨大的风险。而模拟技术可有效地体现交通流的 随机因素，可按设想要求实现交通状况的重现。大大降低了现场试验要求，现 已经成为分析各种交通参数和优化交通控制等的有力研究工具【i 】。 交通仿真技术的优势，使其能更好地满足以下交通工程应用领域的交通分 析需求：( 1 ) 交通管理系统设计方案的评价分析；( 2 ) 道路几何设计方案的 评价分析；( 3 ) 交通工程理论研究；( 4 ) 道路交通安全分析：( 5 ) 新交通技 术和新设想的测试；( 6 ) 交通工程技术人员培训 2 】【引。 综上所述，由于交通仿真技术具有的优势，在近几十年来，国内外开展了 2 第1 章概述 许多研究工作，国外开发了许多优秀的仿真模型，我国虽也进行了研究，但只 是初步的，还有很多问题有待于解决。对计算机模拟研究不够深入、不够系统。 至今还没有开发出种用于实际的软件产品。因此在实际中较多地借鉴国外成 熟的交通仿真模型，但是，我国公路上车辆性能差异很大，路面等外界条件与 国外也不尽相同，并且交通流量的构成也不同于国外，如果对国外的交通仿真 模型应用不当，很容易造成仿真结果失真等问题。因此，我们必须研究国外交 通仿真模型的适用性。从而对国外的交通仿真模型进行验证、标定和有效性检 验，如果忽视了这一点，仿真结果将会失实。同时，通过适用性研究，了解国 外模型与北京交通流特性的根本差别，为自主开发混合交通仿真模型指明方向， 奠定基础。可见，本课题的研究具有明显的现实意义。 1 3 主要的研究内容和方法 本论文在讨论国外交通仿真模型的适用性时，以北京的有代表性的交叉口 作为研究实例，分别运用两种当今流行的国外交通仿真软件t s i s ( 4 3 2 ) 和 s y n c h r op l u s ( 5 o ) 对交叉口的交通状况进行仿真，在认真对比分析国内外 交叉口交通特点的基础上，对国外的交通仿真模型进行适当的标定，以交叉口 的延误、交通量、平均排队长度、最大排队长度为指标，对比分析仿真结果与 实测数据的差异，分别验证c o r s i m 和s i m t r a f f i c 模型对国内交叉口交通流状 况的仿真精度，还可以通过动画演示功能直观地观测交通现象。 论文主要的研究的内容包括： 国内外交通状况的异同研究； 验证国外仿真模型在仿真北京交叉口交通流状况的精度； 总结国外模型的局限性、优势，为自主开发仿真模型寻求突破点。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 主要结论 通过本课题的研究，发现在用国外仿真模型对北京市信号交叉口的仿真过 程中，在行人、自行车总流量小于1 1 5 0 辆人川、时时，能够较好的描述。但当行 人、自行车总流量大于1 1 5 0 辆人小时时，对机动车的干扰较大，甚至在交叉口 内会影响机动车流，造成机动车流有效绿灯时间的损失，对于这种常出现在北 京交叉口内的现象，通过研究发现他们无法描述。 为此，今后开发仿真模型时应注重非机动车和行人特性描述，机动车、非 机动车和行人之间的影响模型，而机动车行为描述则可以借鉴国外的模型。 第2 章交通仿真概述 第二章交通仿真概述 2 1 什么是交通仿真 仿真界专家和学者对仿真下过不少定义，其中比较通俗的描述性定义是： 仿真是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。不管是物理 仿真还是利用计算机仿真，都不是用数学解析方法或物理实验方法，而是利用 模拟模型产生一个人为的系统的运行过程，虚拟的表现真实系统的结构和行为。 对于简单的系统，我们可以通过微积分、概率论、代数方程等解析方法求解； 对于复杂的系统，解析方程难以建立或未知量过于复杂难以求解，此时通常借 助仿真求解【4 】【5 1 。 仿真技术在交通工程领域有着广泛的应用，从6 0 年代起，国外就开始利用 计算机对交通现象和交通流进行模拟，到现在仿真技术与理论已趋于成熟，并 进入商业开发与实用阶段。交通仿真可以动态、逼真的模拟交通流和各种交通 现象，深入分析道路环境、车辆、司机行为、控制设施、交通流的综合特征， 有效的进行交通规划、交通管理与组织、交通安全、能源交通等方面的研究。 相对于其他交通分析技术，交通系统仿真技术具有许多优点，如： 1 不需要真实系统的参与，因此特别适用于对尚不存在的如规划中的交通 系统行为的研究。 2 通过系统仿真，能清楚地了解交通流中哪些变量是重要的，以及它们是 如何相互作用的。 3 不仅能提供交通流参数的均值和方差，还能提供时间一空间的序列值。 4 系统动态模型的时间标尺可以与实际系统的时间标尺不同，因此即可以 进行实时仿真，又可以进行欠时仿真或超时仿真。 5 对于交通系统中的某些危险情况或灾难性后果，系统仿真是很有效的研 北京工业大学工学硕士学位论文 究手段，如道路交通事故的仿真研究等。 6 能重复提供同样的道路交通条件，从而可以对不同的规划设计方案进 行公正的比选。 7 能不断改变系统运行条件，从而可以预测道路交通系统在各种情况下的 行为。 8 能够随时间和空间改变交通需求，从而对道路交通拥堵作出预报。 9 能够处理相互影响相互作用的复杂的排队过程。 l o 当交通到达和离去方式不服从传统的数学分布时，可以用系统仿真来解 决。 11 当其他的交通分析技术不适用时，系统仿真往往能有效地解决问题。 尽管交通系统仿真技术有许多优点，但它绝不是包治百病的万灵药，也有 许多缺陷和局限性，如： 1 需要花费大量的财力和时间，对此不可低估。 2 仿真模型需要大量的输入数据，对于某些实际问题，这些数据很难或根 本无法获得。 3 仿真模型需要验证、标定、进行有效性检验，如果忽视了这点，仿真 结果将会失实。 4 建立仿真模型不仅需要大量的知识，如交通流理论、计算机程序设计、 概率论、决策论、统计分析等等，而且需要对所研究的道路交通系统有充分的 了解。 5 当仿真软件文档资料不完整或缺乏与之相适应的计算机设备时，将给使 用者造成很大的困难。 6 一些仿真软件的使用者只懂得简单地套用其数据模型，而对于模型的限 制条件和基本假设并不清楚，或将其视为“黑箱”，对其含义并不了解，这将 极可能导致错误的结论【6 1 。 第2 章交通仿真概述 2 2 交通仿真的分类 2 2 1 根据模型描述程度不同分为微观模型、中观模型和宏观模型 根据模型描述程度的不同，交通仿真可以分为微观仿真、中观仿真和宏观 仿真： 微观模型：对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高，并试图通过真 实反映系统中的所有个体的特性来反映系统的总体特性。例如，微观交通仿真 模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，细致反映车辆在道路上的跟 车、超车及车道变换行为等微观行为，以车辆单元间的相互制约关系为函数关 系，确定车辆某一时刻具体的位置、速度、加速度等车辆参数： 中观模型：对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。例如，中观交 通仿真模型对交通流的描述往往以若干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f 2 j 【3 】f 卯。 宏观模型：对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个较低的程度，适 用于描述系统的总体特性。车辆间相互作用被认为是一维粒子碰撞，用动力学 模型描述。以流体动力学中的速度一密度的连续性函数关系，确定关于一系列 密度参量的速度密度微分方程，由微分方程的数值解法，确定车辆某一时刻的 速度与位置。其动力学方程与波尔兹曼方程有相似的结构。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【8 】。 微观模型、中观模型与宏观模型的主要区别是从各自不同的角度和方法来 描述交通流： 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。微观模型考察的重点是单个的“驾驶员一车辆元素”在交通网络环境 下的动态变化，它采用的规则包括3 个重要方面：车辆移动基本规则( 跟车模型 北京工业大学工学硕士学位论文 与换道模型) 、服务优先规则和信号约束规则。较早的微观模型是g a z i s 提出的 距离模型1 9 】，它可以近似地研究车辆的移动行为、人的生理感受以及单个驾驶 员的心理决策过程，也可以用来仿真和评估由交通车辆产生的环境问题( 如污 染物质排放量，噪声等) 。在微观模型中，驾驶员路径选择决策，一般是在路 径诱导系统提供的信息基础上采用概率路径选择模型来刻画。微观模型可以给 出单个车辆的详细结果【1 0 】，包括实际速度、旅行时间、拥挤时间等。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c p u 及内存容量， 多数模型难以在大规模网络上进行在线运行。 宏观仿真着重从全局角度来研究系统特性。最早的宏观交通流计算模型是 l i 曲t l l i l l 与w i t l l 锄提出的【l l 】。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。宏观仿真通过流量一密度关系 来控制交通流的运行，模型中不追踪单个车辆的移动。例如，当考察路径上的 某一固定路段时，在给定时间内交通流的变化按照流入与流出的车辆数量来推 算。宏观模型对于描述整个交通网络的全部流量是有效的，但宏观模型不能刻 画瓶颈的动态变化，也很难兼顾每一车辆驾驶员的行为。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。 中观模型对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。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，如实际速度、旅行时间和旅行距离等特性各异的 单个车辆的运行结果。最典型的中观建模方法是：将网络中的各链( l i l l k 或 s t r e t c h ) 根据需要分成多个路段( s e g m e n t ) ，在这些路段中，车辆的运行按照 宏观流模型来运行。在每一“驾驶员一车辆元素”中，可以加入一些参数来刻 画诸如加速度、减速度等动力学特性以及诸如期望速度、道路能力期望裕量等 驾驶员的心理特性。不过，与微观模型相比，中观模型只能部分刻画“车辆一 驾驶员元素”的行为【l z j 。 三者各有利弊，有各自不同的应用范围。总的来说，宏观模型的微分关系 第2 章变通仿真概述 式可以解释一些交通特征，如不同的组织结构引起的交通流动态波一样的紊乱 传播，但其数学关系及其复杂的非线性微积分方程一方面难以应用，另外能否 突破被研究对象的局限性，全面深刻的揭示同样复杂的的交通流无从验证。而 中观模型只能部分刻画“车辆一驾驶员元素”的行为。微观仿真模型可以突破 上述缺陷，实践证明，当我们没有真正认识到交通流的复杂逻辑关系，或是逻 辑关系太过复杂以致有太多的参数无法标定时，微观仿真结果会比宏观仿真结 果准确的多。 微观交通仿真技术的优势，主要体现在以下几方面： 模型机制与交通系统的实际运作机制紧密对应。 交通仿真分析注重的是对系统运行全过程的描述，而要做到这一点首先必 须在模型机制上与实际系统运作机制吻合，这与数学解析方法的重“结果”轻 “过程”是有本质区别的。 模型描述的准确性和灵活性。 微观仿真模型以交通系统最基本的要素如单个的车辆、车道、信号灯等为 建模单元，因而能准确、灵活地反映各种道路和交通条件的影响。 交通分析的开放性。 借助子计算机技术，通过良好的用户输入输出界面，模型的运算结果可方 便地与用户交互，增强了模型应用的实用性和方便性。仿真结果的动画演示的 直观性使得即使是非专业人员也能很容易理解； 强大的路网动态交通状态描述能力【8 1 正是由于微观模型的上述优势，近年来的交通仿真趋势越来越倾向于微观 模型。 2 2 2 根据扫描方式不同，分为时间推进和事件推进 时间推进方式：以等长的时段为时间扫描步长，每一步长对系统更新一次， 不断推进车辆单元的运行以实现动态的交通流。时间扫描法是微观交通仿真的 基本方法。时间扫描仿真法将仿真时段分隔为若干个微小时间间隔，车辆行驶 北京工业大学工学硕士学位论文 行为的微观仿真模型则描述每一辆车在每一微小时间间隔内如何根据其本身的 行车状态、周围其它车辆的行车状态以及其它的道路交通约束条件来决定其在 下一时刻的行驶行为，也由此确定其在下一时间间隔内的行车状态。车辆的行 车状态通过车辆的属性变量来反映，如车速、加速度、位置等。一般情况下， 由车辆行驶仿真模型来确定车辆在下一时刻的加速度，再根据当前时刻车辆的 车速和位置即可确定车辆在下一时刻的速度和位置。对车辆位置的描述是基于 车道的，即由车道的编号及沿车道行车方向的纵向距离来表示。显然，如果车 辆进行车道变换后，则车辆位置的变化不仅是纵向距离的变化，还包括车道编 号的变化。 事件推进方式：以预定的事件出现作为确定仿真步长的依据，事件不出现， 系统不更新。建立仿真程序的事件，必须是对仿真具有重要意义的事件。 由上看出，事件扫描法只反映具有重要意义的事件，因此具有一定的局限 性不适宜于需要更真实的反映路网车辆连续动态特性的情况；而时间扫描法不 存在这样的缺陷，可以描述每一步长所有车辆的动态特性，能更真实的反映路 网交通状况。 2 3 交通仿真模型的结构 一般来说，一个成功的交通仿真模型应满足下述三个条件： 仿真结果要“真”，即仿真结果与实澳0 交通流的结果相一致： 仿真输出结果具有可操作性。评价指标的选择要有典型性和适用性，输出 结果具有直观性和方便性； 仿真耗费的c p u 时间尽量短【1 3 】。 城市道路微观交通仿真模型包含以下五个基本模块：交通网络描述模块、 交通需求模块、车辆行驶模块、交通控制管理方案生成模块、仿真输出模块， 如图2 t 所示。各模块的基本内容及功能描述如下。 ( 1 ) 交通网络模块 o 第2 章交通仿真概述 路网模块是车辆运行的基本载体和平台：路网模块由道路几何网络、交通 检测和控制管理设施组成。 交 通 仿 真 模 型 交通网络模块 交通需求模块 车辆行驶模块 交通控制管理方案 生成模块 道路几何网络 交通检测设备 控制管理设施 驾驶员一车辆属性 o d 矩阵 出行时间 出行路径 图2 1 微观交通仿真模型结构图 f i g l i r e 2 - l 胁eo f m i c r o s c o p i c s n u l a t i o nm o d e l ( i ) 道路几何网络由节点、路段、节段和车道构成。节点( n o d e ) ：指所 有段的连接点( 含起始点、交叉口以及其他段的连接点) ；路段( l i n k ) ：仅 仅在逻辑上有含义，即交叉口节点或起始节点间的路段，主要目的是为了标注 道路类型；节段( s e g m e n t ) ：具有同一几何属性的最小骨干单元，在显示路网 中具有重要的作用，也是直接与车道相关的元素；车道( l a n e ) ：微观仿真的 最小几何单元，隶属于节段。通过以上基本的单元，用户可以构筑出待评价分 北京工业大学工学硕士学位论文 析的交通网络图。在新一代的微观交通仿真系统中，为了使用户更加方便构造 仿真路网图，使用“所见即所得”( w y s w y g ) 的可视化编辑方式，开发了专 门的路网编辑器，负责可视化方式编辑仿真路网图。为了从其他c a d 路网中分 析得到具体路网的骨架信息，实现资源的共享，需要c a d 解释器( c a dw r 印p e r ) 把其它路网数据转换为所需要的数据格式。通过路网编辑器和c a d 解释器，用 户可以方便地构筑道路设施：车道、各种类型的交叉口、停靠站、人行横道等 道路交通设施。 ( i i ) 交通检测设旌包括各类检测装置如采集网络中固定地点的交通量、占 有率、车速等指标的交通流传感器、采集车辆类型和车辆牌照等车辆属性的车 辆传感器、由调查车辆或检测器获取诸如网络中点到点的出行时间的点到点传 感器、收集区域范围的车辆信息系的区域传感器。 ( i i i ) 交通控制管理设施：包括静态交通管理设旌，如车道功能划分标志、 限制转弯标志、让路标志、停车标志、特殊的交通组织标志等：动态的交通管 理设脑，如交叉口信号控制设备、限速设备、可变信息板控制管理设施。这些 设施的状态由交通控制管理方案生成模块动态更新。 ( 2 ) 交通需求模块交通需求模块主要包含出行方式、出行时间、出行路径 和o d 需求。该模块的基本功能：基于0 d 矩阵的流量分配模型路径选择模型， 把o d 表转化为路网流量，作为车辆行驶模块的输入。 ( i ) 驾驶员一车辆属性。驾驶员属性：通过随机数发生器，将驾驶员行为 参数( 如期望车速、目标车速、跟随慢车的忍耐程度、驾驶员反应时间、驾驶 员敏感性、变换车道时的可接受空当、对交通信号和交通标志的屈从程度等) 按某一分布( 由调查数据获得) 随机地赋给每一个驾驶员；车辆属性：根据调 查所得的分布，将车辆种类、车辆性能等参数随机地赋予每一辆车辆。车辆种 类包括：根据车身长度或载重进行车辆等级的分类、智能诱导车辆和非智能 非诱导车辆等分类。相应的车辆性能包括：最大加速度、最大减速度、正常加 速度、正常减速度。 第2 章交通仿真概述 ( i i ) 0 d 矩阵。一般来说，交通控制系统根据其发展的历程可以分为以下 三种：定时交通控制系统、被动自适应交通控制系统和主动自适应交通控制系 统。通常，在定时交通控制系统仿真中，直接把调查分析所得的o d 矩阵输入到 仿真系统中：在被动自适应交通控制系统仿真中，根据系统检测到的实时交通 信息，以及历史的累积信息，利用o d 估计模型估算现状实时的0 d 矩阵。在主 动自适应交通控制系统中，根据系统检测到的实时交通数据和系统提供的动态 诱导信息，以及历史的累积交通数据，以o d 估计模型估算得出的现状实时o d 矩阵为输入，预测下一仿真时间间隔的o d 矩阵需求。 不论哪一种o d 需求，0 d 矩阵都包含一些下列基本信息：调用该0 d 矩阵表 的时刻、仿真路网中所有的0 d 对、每一o d 对所包含的车辆数。在自适应控制 系统中，每张按时间序列排列的o d 表之间的间隔可以不一样，在高峰时段的间 隔比低峰时段要小。在调用0 d 表的同时，赋予每o d 表中每一0 d 对相应的驾 驶员一车辆属性。 ( i i i ) 出行时间。当某一时段内调用相应的0 d 表时，在没有诱导信息的情 况下，每一车辆的发车时间由该时段内车辆的车头时距概率分布函数来确定， 该分布函数可以由调查数据来标定。在系统提供诱导信息的情况下，出行者对 出行时间的选择可能会受诱导信息的影响，在原来的出行时间的基础上进行修 正，如改在上一或下一仿真时段内出行。 ( i i i i ) 出行路径。对于一些特殊出行目的的车辆( 如公交车) 需要按固定 的路径出行，对于非固定路径出行的车辆，在定时交通控制系统仿真中，车辆 路径的选择一般基于传统的静态交通分配模型，甚至由用户指定交叉口车流的 转向比例来确定车辆的路径。在动态交通控制和诱导系统仿真中，每隔一定的 时间间隔，系统会计算每条路径的时间费用值。这样，对于非智能月e 诱导车辆， 由于其无法获得该更新的信息，只能根据历史数据，计算时间费用最短的路径； 对于智能，诱导车辆，则根据其获得的更新的信息，动态计算各条路径出行的时 间费用指标，再根据驾驶员对诱导信息的接受特征，由选路模型来确定各个车 北京工业大学工学硕士学位论文 辆的出行路径。 ( 3 ) 车辆行驶模块车辆行驶模块可以分为路段上的多阶段跟车模型、车 道变换模型和交叉口模型。 ( i ) 多阶段跟车模型。对于车辆在路段上同一车道的驾驶行为的划分，学 者提出了不同的看法，如y a n gq i 把这种驾驶行划分为三种状态：自由行驶、 跟车行驶和紧急减速三种状态；k a z i 贝0 划分为两种状态：自由行驶和跟车行驶 ( 跟车模型包含了紧急减速状态) ，但这些划分方法本质上是一致的。通常 划分路段上不同行车状态的阎值用前后相邻两车的车头时距来界定。当同一车 道相邻两车的车头时距大于某一阀值时，后车的行驶状态已经不受前车的影响， 该车处于自由行驶状态，这里的“自由行驶”指不受前车的约束，但仍然受到 道路条件、交通管理法规、车辆性能、驾驶员的驾驶习惯的约束和影响：在这 种情形下，假设驾驶员会调整加速度，达到其目标车速。当同一车道相邻两车 的车头时距小于该阀值时，车辆处于跟驶状态；通常的跟车模型基于刺激一反 应模式，跟随车辆改变其驾驶行为( 加速度) 的直接刺激来自于前后车的速度 差，反应的灵敏度随当前车速度的增加而增加，随前后车距离的增加而变小。 当车头时距小于设定的最小值时，车辆处于紧急制动状态，避免与前车相撞。 ( i i ) 车道变换模型。驾驶员的车道变换行为可以分为两类，即强制性的车 道变换m l c ( m a i l d a t o r y l a i l ec l l a l l g e ) 和自由车道变换d l c ( d i s c r e t i o n a r yl a n e c h a n g e ) ( g i p p s p g ，1 9 8 6 ；a h m e d ，1 9 9 6 ：y a n gq i ，1 9 9 8 ) 。强制性车 道变换指按照交通规则和驾驶员的出行计划，驾驶员不得不变换车道的情形； 自由车道变换指驾驶员为了避免撞车、车速减慢、道路交通瓶颈等而变换车道 的行为，其根本的目的是为了减少延误、获取速度优势、增加驾驶的舒适性。 h e n g w e i & j o e l e e ( 2 0 0 0 ) 通过对驾驶员变换车道行为的现场观测和分析， 提出了一种界于强制性车道变换和自由车道变换之间的驾驶员变换车道的行为 优先车道变换p l c ( p r c e m p t i v el a n ec h a l l g e ) ，特指该情形：当车辆将要在 下一交叉口的下游( 即下下一个或更下游的交叉口) 转弯时，车辆有可能提前 1 4 第2 章交通仿真概述 变换到期望的车道，这种变换车道的行为称为优先变换车道。 驾驶员车道变换主要包含以下三个过程( 子模型) ：决定是否变换车道( 车 道变换决策模型) 、寻找可接受的空当( 变换车道条件模型) 、车道变换的具 体策略( 变换车道执行策略模型) 。这三个过程在实际中是连续反复执行的： 首先，驾驶员判断当前车道的属性，根据驾驶员的动机决定是否变换车道；作 为决策的结果，驾驶员将确定是否变换车道以及变换车道的形式：即强制变换 车道、优先变换车道或自由变换车道；在强制变换车道中有一种特殊的情形一 挤压车道变换( f o r c i n gl a i l e c h a n g i n g ) ，指在通常的变换车道条件不具备的情 况下，当前车驾驶员通过挤压相邻车道的车流，迫使某一空当的后车减速，从 而挤压出可接受的空当来变换车道的行为。一旦做出以上决策之后，驾驶员将 检查是否具备变换车道的条件，即相邻车道是否有可接受的前空当和后空当。 如果变换车道的条件具备，驾驶员将执行车道变换。 ( i i i ) 交叉口模型。在交叉口，除了受前车驾驶员的驾驶行为的约束之外， 驾驶员还受交叉口交通控制和管理设旖或措施的影响，此时交叉口车辆的行驶 状态与路段车辆的行驶状态既有着共同点又有着很大的差别。不论在路段还是 在交叉口，车辆的行驶的主要约束仍来自于前车：但这两种情形下的跟车状态 是不一样的：在交叉口区域内，车辆受信号灯和交叉口其它通行规则的约束， 其跟车状态更多地表现为停车一启动状态，因此路段的跟车模型已不适应于交 叉口。根据交叉口区域范围的划分，可以把交叉口模型划分为三个子模型：车 辆到达模型、车辆驶离模型和车道选择模型。车辆到达模型又可以划分为远交 叉口到达模型和近交叉口到达模型；在车辆驶离模型中，如果在交叉口不同流 向的机动车流之间存在冲突，则还包含冲突待行模型和冲突模型；当车辆转弯 进入相邻道路时，驾驶员根据其出行路径计划，将会选择最合适的车道( 最外 侧车道中间车道边缘车道? ) ，因此交叉口模型中还应包含车道选择模型。 ( 4 ) 交通控制管理方案生成模块该模块的主要功能：根据交通流仿真模 块和交通检测系统产生的数据，生成交通控制管理方案，从而更新路网交通控 北京工业大学工学硕士学位论文 制和管理设备状态。交通控制系统仿真中，交通控制管理方案的生成通常有两 种形式：仿真系统本身嵌入了交通控制和管理策略以及模型模块；另一种是仿 真系统不包含交通控制和管理方案生成模块，交通控制和管理方案由外接的交 通控制和管理系统产生，作为仿真系统的输入，仿真系统为控制系统提供仿真 所得的“实时”交通信息。 ( 5 ) 仿真输出模块仿真输出模块应包含以下两方面的内容：仿真动画输出 和评价指标输出两部分。通过动画演示模拟出进入路网的每一辆车的运动情形， 用户可以点击车辆获取驾驶员一车辆属性参数和运动状态( 当前速度、加速度、 位置、o d 等) 。主要的评价指标有：交通效益方面的指标：平均延误、停车次 数、排队长度、拥挤度、平均速度、饱和度；交通安全方面的指标：平均车头 时距、事故次数；交通环境方面的指标：油耗量、废气排放、噪声水平【1 4 】【1 5 】【1 6 】1 1 7 1 。 2 4 交通仿真的发展方向 近年来，计算机软硬件的技术发展非常迅速，给各个发展中的学科以巨大 的冲击，无论普通的仿真学还是其在交通工程学中的分支一交通仿真都无一例 外。今后，交通仿真学将朝以下方向发展： 1 应用范围的扩大。 国际上对于交通仿真模型的开发正方兴未艾，我国交通工程学界也开始重 视对交通仿真的研究。目前开发的模型大多限于交通流理论，少数涉及到综合 交通规划，今后随着仿真方法的进一步成熟，其在运输工程领域将会得到越来 越广泛的应用。 2 表现手法的丰富。 计算机技术的发展使得仿真程序的表现手法更加丰富，将来的仿真程序将 朝着三维、动画、多媒体的方向发展： 3 计算能力的增强。 在计算机软硬件技术的强大支持下，微型计算机的计算能力得到大大提高， 1 6 第2 苹交通仿真概述 这使得仿真在交通工程领域的应用更加向纵深发展，从单独的交叉路口和路段 转向城市局部路网，甚至城市整体路网，从粗略转向微观、细部。 4 编程方法的改进。 近年来，软件工程学得到长足的发展，程序设计理论本身的研究也有了可 喜的进展，这样，程序的设计、维护和更新将更加容易，这意味着交通仿真模 型将成为真正的商品走向市场【3 】【1 引。 2 5 本章小结 本章从定义、分类、结构和发展方向几个方面对交通仿真进行了描述。 北京工业大学工学硕士学位论文 第三章交通仿真模型的国内外研究状况 3 1 交通仿真的国外研究状况 随着计算机技术的迅速发展，利用计算机模拟方法研究交通问题已经成为 一种国际潮流和研究交通问题的重要手段，到目前为止，国外开发了众多的仿 真模型，这些模型很好地融合了许多功能，但是，在交通设施的设计、分析过 程中起主要角色的还是一些诸如延误、排队队长、停车次数、油耗、车辆废气 排放量等测度指标。这些指标正是交通模拟软件的输出结果。下面简要介绍目 前一些主要的国外仿真模型。 c 0 r s i m 是t r a m cs o f c w a r ei n t e g r a t e ds y s t e m 交通软件集合系统( 简称t s i s ) 中功能强大的路网综合微观交通仿真模型，执行交通仿真任务和输出仿真结果。 由美国联邦公路局f e d e r a lh i 曲、v a ya d m i i l i s 乜a t i o n ( f h w a ) 开发，是当今最优 秀的专业交通仿真软件之一。它综合了两个微观仿真模型，用于城市交通的微 观随机仿真的n e t s i m 和应用于高速公路的微观随机仿真的f l 砸s i m ，因此 c o r s i m 能够仿真城市街道和高速公路的交通流。c o r s i m 的目标是交通系统管 理的开发和评价。它是一个能够真实再现动态交通的随机交通仿真模型，由先 进的跟车模型和车道变换模型，以一秒为间隔模拟车辆的运动。它提供了更多 指标来量化交通网的性能。它能以动画的方式再现交通仿真过程，可方便的得 到各种交通仿真结果。它的主要缺点是缺少分配算法，使得评价匝道控制、事 故、出行者信息引起的交通量转移无法进行【1 9 】。 s i m t r a f f i c 是信号交叉口模拟和优化软件包s q c h r o 中的核心模型，在 驾驶员和车辆性能的定义方面和c o r s i m 相同，但它数据输入简单，结果输出 较快，可逼真的模拟车辆和行人的运行状况。它还可以优化交叉口的绿信比、 周期长和相位差。仿真步长为0 1 秒，模拟结果更准确，是当今交叉口信号优化 第3 章交通仿真模型的国内外研究状况 方面最快捷、最精确的模型之一【2 0 】【2 ”。 a i m s u n 2 ( a d v a n c e d1 1 1 t e r a c t i v em i c r o s c o p i cs i m u l a t i o nf o ru r b a na 1 1 d n o n u r b a i ln e 州o r k s ) 是西班牙开发的一个交互式交通仿真模型，它主要用于测 试和评价新的交通控制系统和交通管理策略，但它同时能够用于交通状况的预 测以及车辆导航系统和其它实时交通信息的应用。 削m s u n 2 沿用了一般微观交通仿真的方法，这就是说路网中每一个单一车 辆的行为在整个仿真过程中都会连续不断地进行模拟，这些行为通过一系列地 驾驶员行为模型( 跟车、换车道、可接受间隙等) 进行描述。可以应用于包括 城市道路、高速公路、一般公路、环路、主干线以及它们之间的任何组合所形 成的路网。 p 触m i c s 是由英国q u a d s t o n e 公司开发的用于微观交通仿真的软件包，它 为交通工程师和研究人员提供了一个崭新的计算工具，用于理解、模拟和分析 实际的道路交通状况。p a r a m i c s 的实时动态三维可视化用户界面、对单一车辆进 行微观处理的能力、多用户并行计算支持、以及功能强大的应用程序接口，使 得它从发行伊始就在交通仿真软件市场上引人瞩目，无论学术界还是工程界都 将它视为主流的高级软件工具。到2 0 0 0 年为止，p a r a l l l i c s 的最新版本是v e r s i o n 3 o ，可以在所有通常使用的计算机系统上运行，操作系统可以是w i n d o w s 9 5 9 8 ，2 0 0 0 、w i n d o w sn t 、或u n ，硬件平台可以是p c 机或s u n 工作站。 p a r a m i c s 在仿真i t s 基础设施和拥挤的道路网中有突出的表现。目前能仿 真交通信号、匝道控制、与可变速度标志相连的探测器、v m s 和c m s 、车内信 息显示装置、车内信息咨询、路径诱导等。并且用户可以通过a p i 函数定义特殊 的控制策略。它还能够从s a n j r n 、n e s a 、t r j p s 等读取有关结点和路段的信 息吼 t r a n s y