微观交通仿真平台的地理信息系统支持能力分析 - 图文-

第33卷第2期测绘科学V01.33No.22008年3月ScienceofSurveyingandMappingMar.微观交通仿真平台的地理信息系统支持能力分析臧志刚①②,陆锋②,李海峰③,崔海燕①(①中国矿业大学,北京100083;②中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京100101;③交通部规划研究院交通仿真与决策支持研究中心,北京100029【摘要】动态交通信息服务是社会化特征显著的智能交通系统理念中的重要组成部分之一,也是提高基于位置服务可用性的核心所在。动态交通信息服务的实现,需要在实时交通信息获取与微观交通仿真技术的基础上,构造各种应用模型和算法,并与地理信息系统环境下的交通信息管理与发布平台相结合,提供满足公众需求的信息服务,为公众出行、交通管理、物流运输等应用提供有效支持。目前业界存在几十种微观交通仿真模型和对应开发的微观交通仿真平台。这些模型和平台有着各自不同的特性,对地理信息系统的支持能力也存在很大差异。本文分析了SimTraffic、CORSim、VisSim、Paramics、AIMSUN、MITSimLab和TransMMeier等7种几种业界成熟的微观交通仿真平台的技术特性,评价了它们对地理信息系统的支持能力。可为动态交通信息服务应用的研发提供有效参考。【关键词】微观交通仿真;地理信息系统;动态交通;交通信息服务【中图分类号】P208【文献标识码】A【文章编号】1009—2307(200802-0038-04DOI:10.3771/j.issn.1009-2307.2008.02.0141引言由于交通系统具有强烈的动态性、复杂性和随机性…,难以建立精确有效的数学模型对大规模路网交通流进行模拟和预测口冉1;目前的GIS-T在实际应用中主要基于静态交通信息提供决策支持服务。基于静态交通信息的服务无法真实反映实际交通状况,难以满足实际应用需求BJ。因此,基于实时交通仿真和预测的动态交通信息服务目前正逐渐成为GIS.T的研究热点¨,4J。随着交通仿真技术的发展和日趋成熟,为GIS.T动态信息服务提供了一条现实可行的有效途径。微观交通仿真技术能够利用有限的实时交通信息,非常细致地描述道路、交叉口及车辆的产生、运动、消失以及它们之间的相互作用‘9’”J,准确地反映交通控制策略(红绿灯信号、交通管制等,准确再现大规模路网交通状况,克服交通信息采集设备不完备的条件限制,同时能够进行准确的短期交通预测和合理的较长时间交通预测¨o,在一定程度上突破动态交通信息服务的技术局限,为GIS—T动态信息服务提供有效的技术支撑。2微观交通仿真平台及其与GIS结合2.1微观交通仿真平台自20世纪60年代以来,国际交通领域在微观交通仿真方面已经开展了长期的、卓有成效的研究工作,发展了几十种微观交通仿真模型,并开发了众多的交通仿真软件平台,一些已经实现了产品化和商业化。其中应用较广泛的有:SimTraffic、CorSim,VisSim、Paramics,AIMSUN,MITSim、TransModeler等m141。Synchro/SimTraffic,由美国TrafficWare公司开发,最初是作者简介:臧志刚(1978一,男,籍贯山东,硕士,研究方向:交通地理信息系统。E-mail:Zangzg@收稿日期:2006-12-06基金项目:本研究由国家863项目(2006AAl22209与中国科学院知识创新工程前沿项目(CXIOG-D04-02资助为了交通建模和信号优化配置而开发的软件包,随着技术的发展,SimTraffic增加了对高速公路、匝道、和环形交叉口的建模功能,逐渐发展成为—个功能全面的微观交通仿真平台。TSIS/CorSim,由美国联邦公路署(FHWA开发,是最早的基于窗口的微观仿真平台。CorSim仿真模型综合了两个微观仿真模型,即用于城市的NetSim和用于高速公路的FreSim。CorSim有先进的跟车模型和车道变化模型,以ls为间隔模拟车辆的运动,能模拟定时、动态和协同绿波控制信号、车辆排队、高速公路交织区域以及停车让行控制交叉口等等。VisSim是德国PⅣ公司的产品。它采用离散的、随机的、以0.Is为时间步长的微观仿真模型。在VisSim中,车辆的纵向运动采用了心理一生理跟车模型,横向运动采用了基于规则(Rule-based的算法,采用动态交通分配进行路径选择。Paramics是英国Quadstone公司的微观交通仿真产品。Pa-ramic￥能够适应各种规模的路网,从单节点到全国规模的路网,能支持100万个节点、400万个路段、32000个区域。Pa-聊llics具有实时动画的三维可视化用户界面。可以实现单一车辆微观处理,支持多用户并行计算,具有功能强大的应用程序接口。AIMSUNNG是西班牙TSS公司的微观交通仿真产品。AJ.MSUNSimulator可以处理各种类型的交通网络,包括城市街道网络、高速公路、一般公路、环形道路、干线道路以及混合道路网络。作为有效的交通分析工具,AIM.SUNSimulator能够模拟自适应交通控制系统,先进的交通管理系统,车辆引导系统,公交车辆行程安排和控制系统;以及进行环境污染评估和能源消耗等等。MITSindab由美国麻省理工学院开发,主要模块包括微观交通仿真模型MITSim和交通分配仿真模型TMS。其中TMS还包含—个准微观仿真模型MesoTS。TMS通过MesoTS预测交通网络状况,产生路线引导和信号控制策略,并可将MITSim输出的仿真结果作为输入,从而为路线引导和信号控制策略提供数据服务。TransModeler是由MI髑iIIILab的主要研究人员开发的微观交通仿真平台。它继承了MITSimI.ab模型结构合理清晰的特点,增加了MITSimLab所不具备的功能。TransModeler实现了微观仿真、准微观仿真和宏观仿真的无缝集成,可依据网络范围和仿真解析度来选择合适的仿真模型。最为重要的是,TransModeler将交通仿真模型和GIS.T有机结合起来,路网等空间数据存储与管理完全采用GIS数据处理方式,并且可通过微观交通仿真平台的地理信息系统支持能力分析作者:臧志刚,陆锋,李海峰,崔海燕,ZANGZhi-gang,LUFeng,LIHai-feng,CUIHai-yan作者单位:臧志刚,ZANGZhi-gang(中国矿业大学,北京,100083;中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京,100101,陆锋,LUFeng(中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室,北京,100101,李海峰,LIHai-feng(交通部规划研究院交通仿真与决策支持研究中心,北京,100029,崔海燕,CUIHai-yan(中国矿业大学,北京,100083刊名:测绘科学英文刊名:SCIENCEOFSURVEYINGANDMAPPING年,卷(期:2008,33(2被引用次数:0次参考文献(20条1.陈述彭.陆锋.何建邦城市化与城市地理信息系统19992.高自友.任华玲城市动态交通流分配模型与算法20053.杨兆升城市交通流诱导系统20044.苏永云.晏克非.黄翔.朱培康车辆导航系统的动态最优路径搜索方法研究[期刊论文]-系统工程2000(045.Jun-SeokDynamicrouteguidanceandnetworktrafficmanagement:Theoreticalevaluationandpracticalapplicationissues20026.J.WahleAdynamicrouteguidancesystembasedonrealtrafficdata2001(027.斐玉龙.张亚平道路交通系统仿真20048.StevenChien.XiaoboLiuTheDevelopmentofDynamicTravelTimePredictionModelsforSouthJerseyReal-TimeMotoristInformationSystem20029.SharonAdamsBoxill.LeiYuAnEvaluationofTrafficSimulationModelsforSupportingITSDevelopment200010.胡明伟.史其信支持ITS影响评价的交通仿真模型研究200511.魏明.杨方廷.曹正清交通仿真的发展及研究现状[期刊论文]-系统仿真学报2003(1512.InstituteofTransportationEngineersCaliforniaBorderSectionHighwayCapacityTaskForce.AreportontheuseoftrafficsimulationmodelsintheSanDiegoregion200413.EmilyDSterzinModelingInfluencingFactorsinaMicroscopicTrafficSimulator200414.盖春英VISSIM微观仿真系统及在道路交通中的应用[期刊论文]-公路2005(0815.QiYangASimulationLaboratoryforEvaluationofDynamicTrafficManagementSystems199716.CaliperCorpTrafficSimulationModeler200617.DouglasGettman.LarryHeadSurrogateSafetyMeasuresFromTrafficSimulationModels,FinalReport200318.BBrianParkDevelopmentandevaluationofacalibrationandvalidationprocedureformicroscopicsimulationmodels200419.JaimeBarceloSimulationReport199920.庄焰.胡明伟.李德宏微观交通仿真软件PARAMICS在ITS模拟和评价中的应用[期刊论文]-系统仿真学报2003(07相似文献(10条1.学位论文赵宾植基于GIS的微观交通仿真路网数据模型研究2009微观交通仿真作为ITS应用和策略的重要测试与评价平台，已广泛应用于城市道路规划、交通理论研究、交通管理方案评价、交通控制优化配时等诸多方面。道路基础设施和交通路网是微观交通仿真的基础，但目前大部分的微观交通仿真系统侧重于车辆跟驰、车辆变道、驾驶行为等仿真数学模型的设计与实现，缺乏对大规模路网及复杂拓扑关系的建模能力，对具有典型空间分布特性的交通路网空间数据难以进行高效、便捷地存储、编辑、建模和分析，大量重复的空间数据处理大大降低了微观交通仿真的效率。

近年来，GIS在城市交通管理领域得到了广泛的应用和发展。GIS强大的数据存储、管理、分析及可视化表现功能、丰富的交通场景数据，为微观交通仿真提供了强有力的空间数据处理支持。但由于绝大多数GIS和微观交通仿真系统是相互封闭、孤立的系统，缺乏统一的数据标准，导致目前大多数微观交通仿真系统不能直接与GIS进行数据交换。因此，与GIS的数据共享与集成应用，是当前国内外微观交通仿真研究与应用的一个重要发展趋势，将微观交通仿真系统集成于GIS平台被认为是解决上述问题的有效方法之一。

本文针对微观交通仿真与GIS数据共享存在的问题，提出一种基于GIS的微观交通仿真路网数据模型，并基于ArcGIS的GeoDatabase实现了该模型。该模型参考MITSIM的路网模型，结合UNETRANS分层抽象及面向对象的思想，对微观交通仿真的路网对象进行微观级的概念抽象，并采用UML建模语言进行描述，为微观交通仿真与GIS的集成应用奠定数据基础。论文的主要工作包括：

(1对GIS及其开发技术进行分析和研究，重点研究了基于ArcGIS平台的GIS开发技术。

(2对GIS空间数据进行分析和研究，重点研究ESRI的Geodatabase数据模型和UNETRANS数据模型。

(3以FLOWSIM、MITSIM为具体研究对象，对微观交通仿真系统进行分析和研究，分析了FLOWSIM、MITSIM的路网数据模型。

(4提出一种基于GIS的微观交通路网数据模型，并基于ArcGIS平台实现了该模型。

(5对微观交通仿真路网对象进行微观级的概念抽象，并采用UML建模语言进行描述。

(6对数据模型进行数据库实现，包括在Geodatabase中实现数据模型，进行数据导入等。2.学位论文周园基于GIS的微观交通仿真研究2008微观交通仿真系统作为ITS(IntelligentTransportationSystems策略的重要测试与评价平台，已广泛应用于城市道路规划、交通组织、管理方案评价、交通控制优化配时等诸多领域。路网数据是微观交通仿真的基础，但目前，大多数微观交通仿真系统仅侧重于仿真模型的设计与实现，路网建模功能相对薄弱，仅提供简单的交通路网建模工具，难以对复杂的路网进行建模。大量繁重的路网建模工作，大大降低了仿真系统的效率。GIS—T(GeographicalInformationSystemforTransportation作为地理信息系统研究与应用的一个重要分支，已积累了丰富的交通路网场景数据。GIS-T以其丰富的交通地理数据库管理功能、空间分析功能、空间数据可视化展示功能，为微观交通仿真提供了强有力的交通地理数据支持，微观交通仿真所需的大量基础路网信息存在于GIS-T中。由于目前绝大多数GIS-T与微观交通仿真系统是相互封闭、独立的、缺乏统一的空间数据标准，所采用的数据格式互不兼容，导致目前大多数微观交通仿真系统不能直接与GIS-T进行数据交换。本文针对上述存在的问题，研究GIS与微观交通仿真系统的集成与数据共享问题，采用基于GIS平台开发和集成微观交通仿真模块的方式，实现异构平台的数据共享。本文的主要工作包括以下几个方面：(1对微观交通仿真模型、微观交通仿真系统，以及基于ArcGISEngine的GIS二次开发技术进行深入分析和研究；并基于典型的微观交通仿真平台MITSIM，对微观交通仿真的仿真流程和仿真模型(主要包括车辆产生模型、跟驰模型、换道模型、交通控制模型进行分析和研究；(2对GIS-T数据模型UNTRANCE与MITSIM的静态路网模型进行比较和分析，提出面向GIS与微观交通仿真集成应用的静态路网数据模型；(3提出基于ArcGIS平台和MITSIM的GIS与微观交通仿真系统集成框架；(4提出GIS与微观交通仿真系统集成框架中，时闻序列的产生、动态仿真模型及时空数据图层的构建方式。采用JAVA语言和ArcGISEngine开发技术开发了一个基本的GIS与微观交通仿真集成系统，并实现部分可视化仿真过程。研究结果表明，通过直接集成的方式实现GIS与微观交通仿真的数据共享，拓宽了GIS的应用领域，可直接利用GIS丰富的多源、多格式路网数据，有效提高仿真效率。3.期刊论文梁虹.吴建平.冯涛.程满.LIANGHong.WUJian-ping.FENGTao.CHENGMan微观交通仿真与GIS数据共享-计算机应用2008,28(2为实现微观交通仿真与GIS空间数据共享与交换,提出微观交通仿真标准化数据模型和一种新的微观交通仿真标识语言(MTML,给出标准化数据模型的包结构、MTML的Shcema关系及MTMLType类定义.提出基于MTML的微观交通仿真与GIS数据共享平台,阐述共享平台的设计与实现.该平台具有良好的开放性、平台无关性及可扩展性,可实现微观交通仿真与GIS数据互操作与共享,有效提高微观交通仿真的效率.4.学位论文冯涛基于GML的微观交通仿真与GIS-T空间数据共享平台研究2007微观交通仿真作为ITS策略的重要测试与评价平台，己广泛应用于道路规划、交通组织管理方案评价、交通控制优化配时、社会经济效益评价等诸多领域。而GIS-T(交通地理信息系统作为GIS(地理信息系统的一个重要分支，经过多年的发展，已经积累了大量的交通场景数据，这些空间数据正是数据匮乏的微观交通仿真系统所渴望的。由于绝大多数GIS-T和微观交通仿真系统是相互封闭、孤立的，缺乏统一的空间数据标准，所采用的空间数据格式互不兼容，且空间数据模型存在差异，导致目前大多数交通仿真软件不能直接与GIS-T进行数据交换。因此，研究和开发空间数据共享平台，实现GIS-T和微观交通仿真系统空间数据共享与交换，具有十分重要的意义。本文在对微观交通仿真地理数据模型、XML及GML(地理标记语言核心技术进行深入研究和分析的基础上，提出用于描述微观交通仿真数据的MTML(微观交通标识语言。MTML遵循GML编码标准、面向微观交通仿真系统，符合面向对象的建模思想。在MTML的基础上，本文提出微观交通仿真与GIS-T数据共享平台，采用JAXP技术实现了数据共享平台的空间数据模型标准化模块、MTML解释器等应用程序模块，并以国际主流GIS平台ARCGIS、MapInfo的数据格式为例，验证了将GIS数据标准化为MTML数据的可行性，为微观交通仿真与GIS-T数据共享平台的实现奠定了基础。5.学位论文李伯建交通地理信息系统及其在交通路口仿真系统中的应用研究2006交通信息与地理空间数据密切相关，将GIS技术应用于交通领域中，研究交通地理信息系统具有极高的现实意义。基于GIS的分组建模方法通过对对象实体进行分组再用面对对象的思想来建模，建立的模型结构清晰，描述的信息完全而精确。对于城市道路交通而言，交叉路口成为整个道路交通的瓶颈地带。交通路口微观仿真系统克服了交通系统现场实验代价大、实施困难的缺点，为交通路口的研究与管理提供科学可靠的依据。本论文以智能交通系统和交通地理信息系统为研究背景，以交通路口微观仿真系统(TiSS及仿真场景模型为研究开发对象，主要完成了以下工作：1.在分析GIS应用开发的三种模式的基础上研究基于ArcObjects(以下简称AO的组件式开发技术，详细研究了可以应用于智能交通领域中的基于AO进行独立应用程序开发的关键技术。2.对微观交通仿真场景的数据建模进行研究，提出基于GIS的仿真场景建模方法，详细分析了设计思想及建模方法，并根据这种建模方法实现了一个建模实例，对这个实例的背景及模型结构做了详细说明并给出了实例界面。3.对仿真场景数据的组织与存储进行研究，分析地理数据库的原理与体系结构，研究空间数据库引擎和空间索引技术，详细阐述了仿真场景地理数据库的设计方法并介绍一个运用这种方法实现仿真场景地理数据库的例子。4.结合笔者所在团队开发的交通路口微观仿真系统(TrafficIntersectionSimulationSystem，简称TiSS所做的工作，介绍了TiSS的开发背景与意义，详细分析了系统结构与功能，并结合前文完成的研究工作，重点介绍了仿真场景中数据结构及数据库的设计与开发工作。最后，总结了全文的工作，并指出了若干有待于今后进一步研究的问题。6.会议论文李伯建.李平GIS在微观交通仿真路网建模中的应用2006微观路网建模是微观交通仿真系统开发的基础.通过基础参考网络、位置参考、关系、事件及拓扑等五部分内容的建模,GIS可以实现对交通路网中各元素的位置、几何图形、交通属性及拓扑等信息的表达,从而为微观交通仿真系统提供了方便良好的前端可视化界面及后端数据存储功能.本文提出了一种新的微观路网模型,将其应用于微观交通仿真路网建模中,并以实际系统的建立作为实例,最后进行总结.7.期刊论文王春.李文.马纯永.韩勇.陈戈.MargaretHorne.WANGChun.LIWen.MAChun-Yong.HANYong.CHENGe.MargaretHorne基于VRGIS的城市道路交通微观仿真系统研究-中国海洋大学学报(自然科学版2010,40(7将GIS技术和虚拟现实技术运用到城市交通仿真系统的微观仿真研究中,在城域景观VRGIS一体化仿真平台基础上建立了城市道路交通微观仿真系统,通过标准化数据模型完成GIS输入交通仿真数据,利用VR技术实现交通仿真的三维可视化,以一种人机交互模式实现虚拟城市环境中的交通微观仿真.该系统用于英国纽卡斯尔市中心重建项目的方案评价中,通过对3种规划方案的优劣对比,为交通管理部门提供一定的决策支持.8.学位论文李媛基于GPS数据的城市小汽车行驶特性研究2008随着ITS的深入研究与发展，作为其核心内容之一的微观交通仿真正在成为国内外交通工程领域研究的热点。在微观交通仿真系统中，车辆行驶行为模型的真实性决定了仿真系统的成败。而要建立切合实际的交通仿真模型，有必要对实际交通流中的车辆行驶行为进行深入地研究。本文以北京交通发展研究中心项目《基于GPS的数据采集与分析系统研究》为依托，主要完成以下工作。(1回顾城市道路交通流以及驾驶行为的发展与研究现状，并进行客观评价，发现已有研究中不足，选定研究的突破方向，确定了从“实际应用出发、依靠高新设备采集跟车数据，运用科学的理论方法，结合计算机技术”的研究思路和技术路线。(2阐述了地理信息系统(GIS技术和全球定位系统(GPS技术，以及它们在实际中的应用现状。介绍了云理论的相关基础知识及其在不确定性知识表示中的优势。(3利用路网中获得的车辆行驶GPS数据，结合地理信息系统工具，构建基于GPS/GIS的车辆跟踪显示以及数据处理系统。选取城市主干道——学院路和快速路——西土城路作为数据提取的路段，提取历史数据。引入概念“短行程”，采用C＃编写程序，首先根据短行程的定义将数据划分为数据区间分别保存，之后利用数据中的时间、经纬度结合速度信息进行计算，求得车辆的加速度值以及基于行驶时间和行驶距离的加速度频率。(4在对车辆行驶GPS数据编程处理的基础上，从微观角度深入研究北京市不同路段的车辆行驶行为特性。比较了短行程基于行驶时间和行驶距离的加速度频率；研究了在整体封闭的快速路和有信号交叉口的主干道上行驶的车辆速度、加速度时间序列图，总结车辆在不同交通状况下的车辆行驶行为特性。(5引入云理论描述车辆行驶中加速度变化的不确定性和随机性。在MATLAB软件中编程实现了隶属云的正向云发生器和逆向云发生器，得到“稳定跟驰状态”、“加速状态”和“减速状态”的加速度隶属云图，较好的吻合了加速度值的变化特性。9.学位论文沙建鹤基于MAS的微观交通仿真系统研究2007交通问题是全球普遍关注的重要问题，交通仿真技术是研究交通问题的重要手段。由于我国交通状况与国外相比有许多不同特点，而现有的大部分交通仿真软件无法真实仿真这一状况。针对这种情况，本文根据交通运输工程学的研究成果，利用计算机仿真技术及多智能体技术，开发了基于MAS的城市微观交通仿真系统，为研究交通问题提供了新的思路和方法。首先，本文在深入研究多智能体理论和城市交通系统特点的基础上，以车辆、路段、交叉口、信号灯和交通控制中心五个主要智能体为核心，建立了基于多智能体的微观交通仿真系统的三层框架模型。在此基础上，本文结合模糊控制技术的优势，将模糊决策方法运用到车辆Agent的各种驾驶行为决策中。针对目前对车辆过交叉口驾驶行为研究的欠缺，创新性地提出了车辆Agent过交叉口防碰撞驾驶的模糊决策方法。其次，针对目前智能交通信号控制研究的不足，创新性地提出了信号灯Agent的模糊自适应控制策略。该策略通过模拟区域控制中心的人工指挥特点，使信号灯Agent能根据当前路口各相位排队车辆数和相邻路口同方向排队车辆数来自主进行信号的实时智能控制。这种控制方法使整个控制系统能够更加灵活地适应交通系统复杂多变的特点，为真正实现交通系统的实时智能控制提供了可能。然后，本文分析了采用面向对象技术进行Agent应用开发的可行性，并以Java为开发工具，开发了基于MAS的开放性城市微观交通仿真系统。该仿真系统可根据用户的不同需求利用地理信息系统完成仿真路网的自动绘制，且仿真路网和城市的路网重合，从而能够实现大规模城市路网的微观交通仿真；该系统还能完成车辆各种交通行为的仿真，以及车辆在路网上行驶时各种交通信息的自动统计；同时它还为各种交通控制和交通规划仿真实验提供了编程接口，具有非常好的可重用性、灵活性、可扩展性。最后，本文还利用开发的城市微观交通仿真系统进行了交通控制仿真实验，将本文提出的新交通控制策略分别与定时控制和普通的模糊控制策略进行了比较分析，仿真结果表明：与定时控制和普通模糊交通信号控制方法相比，新的交通控制策