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。中观交通仿真在宏观交通网络的基础上，将个体车辆放入宏观交通流中进行分析，根据模拟的需要，对特定车辆的速度、位置及其它属性进行标识，或对个体车辆分组，再对每组车辆的速度、位置及其它属性进行标识。中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高。其对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为单元,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用简单的方式近似描述。这一仿真系统可以用来拟定、评价在较大范围内进行交通控制和干预的措施和方法，从而对交通流进行最优控制。根据目前计算机硬件的发展水平，可以在较大规模的路网范围内进行交通中观仿真，如ITS中面向诱导的交通仿真。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。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FRESIM[FHWA（1994)]、CORSIM[FHWA（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。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、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（h>t）=exp[-λ(t-τ)]t≥τ

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k≥30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(h≥t)

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0.75～0.85。

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

输入部分功能模块仿真模块输出部分交通条件交通量车型比例交通流(自由流或限制流)道路子模块道路宽度车道宽度曲线坡度视距硬路肩人车单元子模块车辆类型期望车速功率重量比年龄、性别反应时间驾驶倾向性交通生成状态车速加速度自由行驶跟驰超车

动态图形显示结果文件地点车速车头时距行程车速超车率延误PCE值路段仿真模型结构

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。

面向交通诱导系统的仿真系统设计框图

路网的建立基础流量加载基础交通状况仿真被诱导车辆路径选择被诱导车辆行驶状况统计交通仿真模型路网交通状况统计诱导策略及被诱导车辆的加入五、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，α、m为参数。α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-FluidTheory）描述城市道路交通流。该理论认为，交通流中的车辆可分为两类：运行车辆和停车车辆，即两股车流（TwoFluid）。后者包括那些在交通流中停止运行的车辆，如遇停车信号或停车标志而停车，由于途中装卸而停车，由于通常的交通拥挤而停车等等，但不包括交通流以外的车辆，如停放在停车场的车辆。

两个基本假设①

路网中车辆的平均运行速度与路网中正处于运动状态的车辆成正比

式中，V

车辆的平均运行速度；Vm平均最大运行速度；T平均行程时间，Tm单位距离最小平均行程时间；

fs

停车车辆占路网总车辆数的比例；n路网的服务水平。

边界条件：当fs=0时，V=

Vm；当fs

=1时，V=0。

用行程时间表示则为：

②被测试车辆在路网中停车时间与运行时间之比等于同一时段路网中所有车辆的平均停车时间与运行时间之比。

双流模型表达式：

对数形式：双流模型中最重要的两个参数为Tm和n。实测数据表明，Tm值在1.5~3.0分钟/英里（0.93~1.86分钟/公里）范围，Tm值越小，说明路网的运行条件越好。n的取值范围一般为0.8~3.0，n值越小，说明路网的运行条件越好。

双流模型参数的计算机仿真

目前大多数仿真均是采用一般网格来表示路网，这样可消除特殊路网对双流模型参数的影响。常用的典型仿真网络为5×5的网格，全部为双向运行交叉口。每个路口均设置交通信号灯。整个路网是封闭的，即所有车辆不允许离开路网，以便保证在仿真运行过程中路网的交通密度保持不变。将路网中所有车辆的出行记录汇总起来，对不同的路网密度（0~60辆/车道/英里或0~80辆/车道/英里）进行5~10次仿真运行，就可以得到估计双流模型参数所需要的观测数据。

六、道路交通系统仿真方法

1仿真模型的选择

（1）从技术、费用、时间、效益、现有可利用的编程技巧和技术支持及风险因子等方面考虑，选择能最大限度地满足问题需求的模型；

（2）明确研究的目的，确定各仿真模型的功能及限制，估算为校验和输入所需数据的采集范围及费用，确定模型的特点是否与所要解决的问题匹配，考虑与其它设施或系统的兼容性；（3）尽量简化模型或减小其规模。在把仿真模型应用到现实系统之前，应首先对过去已知情况进行仿真，通过把仿真结果与实际观测结果进行比较来判断模型是否需要进一步改进；（4）在确定模型的结构时注意模型的可扩展性；（5）如果有可能，应尽量从数学的角度分析模型各部分的正确性。

2交通仿真过程

交通问题的描述系统模型的建立程序设计仿真结果分析数据结构分析、设计程序运行理论分析模型修正是模型标定仿真结果满意否？仿真结果输出否3道路交通仿真系统的实现

仿真语言：面向对象的程序设计

仿真模型的数据结构：车辆的数据结构；

路段的数据结构；路口的数据结构。仿真系统功能模块：路网模块和仿真模块路网模块帮助用户输入路段、路口等信息，以建立一个完整的路网；仿真模块包括：随机数产生模块、车辆初始化模块、车辆处理模块、网内点处理模块、检测器模块。4数字模拟和图像模拟

对于一个仿真系统而言，输出结果是非常重要的。通常有两种输出形式，即数字模拟和图像模拟。数字模拟是将计算结果以数值形式显示出来。图像模拟则是将计算结果以图形或图像形式动态地显示出来。一个完善的交通仿真系统一般应同时具备这两项功能。

数字模拟

（1）系统的描述

（2）系统的数据描述

①

固定交通单元的描述数据，也就是对交通设施的几何特征进行描述。

②

活动交通单元数据，也就是对交通流数据进行描述。③模拟控制数据。主要指模拟时间的设置等。（3）实现数字模拟的编程方法

用户界面交通流模块交叉口模块模拟计算模块结果模块数字模拟程序模块结构图（以交叉口交通运行状况仿真为例）数字模拟交通流模块包括产生交通流的对话框，如道路流率、路口车流的转向比例等输入对话框。交叉口模块描述交叉口的规模、控制方式、车道宽度以及交叉口所处环境。模拟模块包括模拟控制参数，如模拟时间的选择、高峰小时系数、交叉口交通流的产生菜单以及实现模拟模