交通仿真第二章交通仿真技术基础ppt课件

1、第二章 交通仿真根底交通仿真交通仿真运用现代计算机技术反映复杂交通景象的交通分运用现代计算机技术反映复杂交通景象的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构造、功能、行为以及参与详细的控交通系统的构造、功能、行为以及参与详细的控制者制者人的思想过程和行为特征进展模拟。人的思想过程和行为特征进展模拟。分析交通系统在各种设定条件下的能够行为，以分析交通系统在各种设定条件下的能够行为，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，也是评价运输设备各类运用设计方案效果的有效方法。运输

2、设备各类运用设计方案效果的有效方法。交通分析技术和方法交通分析技术和方法阅历实测法阅历实测法 数据来源于现场，可信度高，不需求假设条数据来源于现场，可信度高，不需求假设条件，但个别要素的影响很难确定，受环境等外件，但个别要素的影响很难确定，受环境等外界要素影响干扰大。界要素影响干扰大。 需求大量实测数据，结论可移植性差。需求大量实测数据，结论可移植性差。实际分析法实际分析法 对个别要素的影响有明确数量关系，需求采对个别要素的影响有明确数量关系，需求采取根本假设，与实践存在偏向。取根本假设，与实践存在偏向。系统仿真法系统仿真法 模型是实际推演、笼统出来，根本数据来自模型是实际推演、笼统出来，根本

3、数据来自现场实测。现场实测。交通仿真在交通管理中的运用交通仿真在交通管理中的运用 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实验仿真实验仿真结果仿真结果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议；交通的产生由人们的出行愿望决议；动态过程；动态过程；影响要素很多；影响要素很多；受外部要素影响很大。受外部要素影响很大。仿真建模仿真建模建模复杂。仿真模型建立在大量严厉的边境条件约束下，建模复杂。仿真模型建立在大量严厉的边

4、境条件约束下，对系统进展线性或近似处置。交通系统只能做符合条件对系统进展线性或近似处置。交通系统只能做符合条件而不是符合实践的描画。而不是符合实践的描画。交通仿真模型分类交通仿真模型分类仿真追求的两大目的是大型网络与巨量交通流量，仿真追求的两大目的是大型网络与巨量交通流量，要在道路轨道网络内建立可以兼顾宏观与微要在道路轨道网络内建立可以兼顾宏观与微观模型优点的交通流动态运转模型。观模型优点的交通流动态运转模型。 对交通系统的仿真研讨可以分为三个层次：宏观对交通系统的仿真研讨可以分为三个层次：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仿真。微观交通仿真经过调查单个

5、驾驶员和车辆的及其微观交通仿真经过调查单个驾驶员和车辆的及其车辆相互作用特征赖描画系统形状，宏观交通仿车辆相互作用特征赖描画系统形状，宏观交通仿真经过调查交通流特征，即车队的真经过调查交通流特征，即车队的“平均行为平均行为来描画系统形状。来描画系统形状。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讨系统特性，宏观交通仿真着重从全局角度来研讨系统特性，对交通系统的要素和行为的细节描画处于最低对交通系统的要素和行为的细节描画处于最低的程度。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置。按照流体机制来处置。宏观交通仿真经过流量宏观交通仿真经过流

6、量- -密度关系来控制交通流密度关系来控制交通流的运转，模型中不追踪单个车辆的挪动，对于的运转，模型中不追踪单个车辆的挪动，对于车辆换道之类的细节行为能够根本不予以描画。车辆换道之类的细节行为能够根本不予以描画。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。微观交通仿真模型以跟车模型为根底，追踪每微观交通仿真模型以跟车模型为根底，追踪每个车辆的挪动过程。在微观模型中，车辆的挪个车辆的挪动过程。在微观模型中，车辆的挪动由驾驶员的特性、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议。境和道路几何条件来决议。 微观交通仿真对交通系统的要

7、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画程度最高。包括三个重要方面：车辆挪动描画程度最高。包括三个重要方面：车辆挪动根本规那么根本规那么( (跟车模型与换道模型跟车模型与换道模型) )、效力优先、效力优先规那么和信号约束规那么。规那么和信号约束规那么。 微观交通仿真微观交通仿真微观交通仿真微观交通仿真适用于动态交通景象；适用于动态交通景象；当交通流中人车单元作为系统的主要调查对当交通流中人车单元作为系统的主要调查对象；象；对瓶颈路段进展研讨时，大型车比例较高，或对瓶颈路段进展研讨时，大型车比例较高，或车流量变化非常大；车流量变化非常大；交叉口交通情况研讨。交叉口交通情况研讨。

8、相对而言，宏观仿真模型缺乏对道路横纵断面变化和交相对而言，宏观仿真模型缺乏对道路横纵断面变化和交通控制与管理特点变化的思索，对于各个车辆的随机性通控制与管理特点变化的思索，对于各个车辆的随机性影响得不到思索，计算不出各个车辆的交通参数，对于影响得不到思索，计算不出各个车辆的交通参数，对于交通形状变化的的动态过程缺乏明晰描画。宏观仿真适交通形状变化的的动态过程缺乏明晰描画。宏观仿真适用于道路网交通形状研讨。宏观仿真适用于道路网交通用于道路网交通形状研讨。宏观仿真适用于道路网交通形状研讨。形状研讨。微观仿真模型虽可以研讨交通运营过程，评价各类新的微观仿真模型虽可以研讨交通运营过程，评价各类新的交通

9、控制与管理技术的利弊，但对复杂的实践网络的适交通控制与管理技术的利弊，但对复杂的实践网络的适用性稍差。用性稍差。中观交通仿真模型既可以描画宏观交通流模型中采用的中观交通仿真模型既可以描画宏观交通流模型中采用的时间与空间维形状特性时间与空间维形状特性( (如密度、流量与速度如密度、流量与速度) )，又可以，又可以保管微观模型中的中心数据，如特性各异的单个车辆的保管微观模型中的中心数据，如特性各异的单个车辆的运转结果，照实践速度、游览时间和游览间隔等。运转结果，照实践速度、游览时间和游览间隔等。交通规划仿真交通规划仿真基于交通规划基于交通规划“四阶段模型，对区域四阶段模型，对区域内出行者的出行行为

10、进展仿真，用以评价内出行者的出行行为进展仿真，用以评价交通线网、路网，属于更大尺度的宏观仿交通线网、路网，属于更大尺度的宏观仿真。真。国外交通仿真研讨概略国外交通仿真研讨概略美国是仿真技术及系统开展最快、运用最广泛的国家。美国是仿真技术及系统开展最快、运用最广泛的国家。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)，推进了仿真技术在美国的开展，推进了仿真技术在美国的开展和运用。和运用。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交通仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为

11、运用目的，模型多采用宏观模型，模型的灵信号设计为运用目的，模型多采用宏观模型，模型的灵敏性和描画才干较为有限，仿真结果的表达也不够理想，敏性和描画才干较为有限，仿真结果的表达也不够理想，这也是当时的计算机性能决议的。这也是当时的计算机性能决议的。国外交通仿真研讨概略国外交通仿真研讨概略2 0 世世 纪纪 7080年代年代 大多数常见的交通景象如跟车行驶、变大多数常见的交通景象如跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运转、行人冲突、短换车道、车流冲突、公交运转、行人冲突、短车道溢出等，以及常见的交通控制管理措施如车道溢出等，以及常见的交通控制管理措施如固定信号控制、感应控制、主固定信号控制、感应控制

12、、主/次优先控制、车次优先控制、车道封锁等均可经过仿真软件进展模拟。评价目道封锁等均可经过仿真软件进展模拟。评价目的除了常规的延误、速度、行程时间、排队长的除了常规的延误、速度、行程时间、排队长度等常规目的外，还可描画诸如油耗、废气排度等常规目的外，还可描画诸如油耗、废气排放等目的。另外，模型对道路几何条件的描画放等目的。另外，模型对道路几何条件的描画也日益灵敏。也日益灵敏。 2 0 世纪世纪 80年代末至如今年代末至如今 随着随着 20 世纪世纪80年代末和年代末和90年代初国外年代初国外工工TS研讨的日益抢手，世界各国都展开了以研讨的日益抢手，世界各国都展开了以ITS为运用背景的交通仿真软

13、件的研讨，交通仿为运用背景的交通仿真软件的研讨，交通仿真研讨到达前所未有的高，出现了一大批判价真研讨到达前所未有的高，出现了一大批判价和分析和分析ITS系统效益的仿真软件系统。系统效益的仿真软件系统。交通仿真系统开展趋势交通仿真系统开展趋势运用规模和范围扩展运用规模和范围扩展新的仿真方法与技术涌现新的仿真方法与技术涌现计算才干加强计算才干加强编程方法改良编程方法改良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交通仿真技术进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

14、、运用最广泛从技术角度看，离散事件仿真是最成熟、运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 有约束规划在交通讯号控制参数优有约束规划在交通讯号控制参数优化、时辰表编制、途径寻觅等领域中得到运用。化、时辰表编制、途径寻觅等领域中得到运用。(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、“全假方式扩展到全假方式扩展到“部分真的中间方式部分真的中间方式的实际。的实际。 (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

15、主要用于宏观仿真，在网络管理、高速公路仿真、城市仿真领域已有运用。高速公路仿真、城市仿真领域已有运用。 (4)(4)虚拟现实虚拟现实VR VR 需求运用计算机处置才干、图形显示系统、需求运用计算机处置才干、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，即在一个封锁的房间里采用墙、天花板环境虚拟系统，即在一个封锁的房间里采用墙、天花板与地板等来表达觉得；与地板等来表达觉得；虚拟现实模拟器，将交互可视模拟作为研讨、验证、

16、检虚拟现实模拟器，将交互可视模拟作为研讨、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，用户觉得成为虚拟系统，在这种虚拟现实系统中，用户觉得成为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觉得那么是外部的。对而言，桌面虚拟系统中用户的觉得那么是外部的。 (5)(5)地理信息系统地理信息系统(GIS) (GIS) 地理信息系统是一种可以地理信息系统是

17、一种可以对空间数据及其相关属性数据进展分析和管理的对空间数据及其相关属性数据进展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化而来的、基于随机的搜索技的自然进化原理演化而来的、基于随机的搜索技术。遗传算法适宜那些有可计算目的的优化问题。术。遗传算法适宜那些有可计算目的的优化问题。GAGA在交通中的最近运用包括三方面：在交通中的最近运用包括三方面： 交通讯号的优化与近似优化；交通讯号的优化与近似

18、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，遗传算法已胜利运用到途径的动态交通模型中，遗传算法已胜利运用到途径的动态交通分配。分配。 (7)神经网络神经网络 在描画交通系统中那些难以用在描画交通系统中那些难以用逻辑或数学方法处置的模型时作用尤为突逻辑或数学方法处置的模型时作用尤为突出，如交通中的非线性景象，驾驶员行为出，如交通中的非线性景象，驾驶员行为分析，拥堵交通形状下的复杂时空关系分分析，拥堵交通形状下的复杂时空关系分析，交通控制与图像处置等。析，交通控制与图像处置等。 (8)离散事件并行处置离散

19、事件并行处置 并行处置是指在一台并行处置是指在一台并行计算的计算机上运转仿真程序。并行计算的计算机上运转仿真程序。 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；二是数据搜集与分析方法，如知识发现，二是数据搜集与分析方法，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；四是仿真的运转与计算环境，如四是仿真的运转与计算环境，如GISGIS，VRVR，并行处置等。这些技术的综合运用，并行处置等。这些技术

20、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。 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、数据的搜集和处置；、数据的搜集和处置；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。明确问题明确问题 对研讨的问题进展详细的了解和描画，明确研讨对研讨的问题进展详细的了解和描画，明确研讨目的，划定系统范围和边境。目的，划定系统范

21、围和边境。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？能否存在重要的随机要素？能否存在重要的随机要素？能否涉及到排队？能否存在着相互影响的排队？能否涉及到排队？能否存在着相互影响的排队？交通条件能否随时间变化？交通条件能否随时间变化？车辆到达和离去能否服从经典的数学分布？车辆到达和离去能否服从经典的数学分布？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，系统仿真能否是最适宜各种交通分析技术中，系统仿真能否是最适宜的方法？的方法？能否可以用其他方法处理该问题？能否可以用其他方法处理该问题？仿真方法能否可以很好

22、地处理该问题？仿真方法能否可以很好地处理该问题？能否有仿真研讨所需求的时间和物质支持？能否有仿真研讨所需求的时间和物质支持？能否真的可以处理？能否真的可以处理？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，包括输入，处置和输出三个组成部分。数据的搜集与处置数据的搜集与处置根据输入、输出需求搜集和处置所需数据；根据输入、输出需求搜集和处置所需数据；制定观测方案，确定满足需求的最小样本量，制定观测方案，确定满足需求的最小样本量，以便于模型进展标定和有效性检验；以便于模型进展标定和有效性检验；对数据进展处置。对数据进展处置。 在第一级流程图的根底上，构建第二级流在第一级流程图的根底上，构建第

23、二级流程图，确定构成处置过程的主要模块及其程图，确定构成处置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展详细描画。能进展详细描画。构建数学模型构建数学模型模型确认模型确认模型标定，以现场数据作为输入，检验输出结果模型标定，以现场数据作为输入，检验输出结果实践的观测结果相吻合，重点是输入变量。实践的观测结果相吻合，重点是输入变量。有效性检验，其他未运用的现场数据输入仿真程有效性检验，其他未运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展比较。序，将计算结果与相应的观测结果进

24、展比较。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境条件；确定每个控制变量的限制条件或边境条件；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构造；确定控制变量的层次构造；经过程序的循环语句自动改动初级控制变量的经过程序的循环语句自动改动初级控制变量的取值；取值；经过搜索子程序自动确定最正确条件。经过搜索子程序自动确定最正确条件。仿真结果分析仿真结果分析仿真运转仿真运转结果分析结果分析构成文档构成文档交交通通系系统统仿仿真真的的步步骤骤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明确问题明确问题仿真模型针对交通顶峰期，

25、选取路段有足够长度；仿真模型针对交通顶峰期，选取路段有足够长度；只需输入一方向道路和相连匝道的设计参数；只需输入一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；多时段的研讨方法；多时段的研讨方法；会产生相互影响的车辆排队景象，模型应对其进会产生相互影响的车辆排队景象，模型应对其进展描画。展描画。确定仿真方法适用性确定仿真方法适用性实际分析方法，交通流实际；实际分析方法，交通流实际；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。分阶段开发。问题的系统化问题的系统化数据的搜集和处置数据的搜集和处置 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

26、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，观测时间选在下午顶峰。下午顶峰。 1、计算出高速公路和匝道的通行才干，进展现场观测，、计算出高速公路和匝道的通行才干，进展现场观测，检验瓶颈处通行才干。检验瓶颈处通行才干。 2、对进入高速公路的车辆进展起迄点调查，、对进入高速公路的车辆进展起迄点调查，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、观测那些曾经产生排队的匝道，排队时间经过排队长、观测那些曾经产生排队的匝道，排队时间经过排队长度和散失比例推算。度和散失比例推算。 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，进入一个新的分析时段，