1、城市交通系統仿真模型概述文獻標識碼： A1概述 交通系統，是指利用交通基礎設施（如交通樞紐、道路、碼 頭、橋梁等），使用專用動力車輛為旅客或貨物提供運輸服務的 全體，其涉及要素有人（駕駛員、行人、乘客等）、車（機動車 和非機動車等）、路（公路、城市道路、出入口及相關設施）和 環境（路外的景觀、管理設施和氣候條件），等。該系統具有隨 機性、動態性、復雜性和開放性等特征。仿真（ Simulation ），即是模仿真實系統。隨著計算機軟硬 件技術的進步，仿真手段從早期的實物仿真發展到計算機仿真。 交通仿真，開始于上個世紀 60 年代，是計算機仿真技術在交通 工程領域中的應用，采用計算機數字模型來反映

2、并分析交通現 象。仿真的一般步驟如圖 1 所示。交通流是交通系統中的重要元素， 也是研究的重點。 交通仿 真能夠同時再現交通流在時間和空間兩個維度變化。 根據對交通 系統描述的細節程度和分析層次差別， 交通仿真模型可劃分為宏 觀、中觀、微觀 3 類。后文分別敘述了它們的內容和特點。2宏觀模型宏觀（ Macroscopic ）模型以車輛整體流動為研究對象，通 過一些集聚性的宏觀模型（諸如速度、密度和流量等參數）描述交通流，一般為連續( Continuous )時間仿真。該類模型考察系 統狀態的“平均”行為而忽略一些個體細節。 因而該類模型在計 算機的資源方面(如存儲空間和計算能力等)具有一定的優

3、勢； 而對于對交通狀態變化的動態過程無能為力， 也不能兼顧單個要 素(如人、車)的隨機性。故其主要應用于道路網交通狀態的研 究，如城市整體規劃、交通基礎設施的新建、改建以及宏觀管理 措施的制定，等。交通流量分配是宏觀交通仿真中的典型問題之一。 交通分配 ( Traffic Assignment )理論最早應用于交通規劃領域，是指將 通過調查或者預測得到的出行分布(0D矩陣)，按照現有道路網分配到每條道路上， 從而估算各條道路的交通量。 在其實現方 法上，如經典的四階段法， 就是在出行生成 (Trip Generation )、 出行分布( Trip Distribution )、出行方式選擇(

4、 ModeChoice ) 三個步驟的基礎上進行。根據出行0D是否隨時間發生變化，交通流量分配問題可分 為靜態和動態兩種。 描述動態交通流分配的原則有動態系統最優(Dynamic System Optimal，簡稱 DSO和動態用戶最優(Dynamic User Optimal，簡稱DUO。雖然二者都是在所研究時段內，將 交通需求分配到道路網絡中， 但是基于的原則或者考慮的角度卻 有不同，分配的結果當然也就不完全一致。具體來說，DSC原則是按照交通管理部門的意愿進行分配，如實現總旅行時間最小、 總旅行費用最小、平均擁擠度最小、總延誤時間最小，等；而DUO原則卻是根據用戶自身的意愿進行配流，如追

5、求每個用戶自 身的旅行時間最小、自身的旅行費用最小、自身的擁擠度最小、 自身的延誤時間最小，等。3中觀模型中觀（ Mesoscopic ）模型，也稱準微觀模型或者混合模型， 是以若干車輛的集合（如車輛構成的隊列單元）為研究對象，對 每類車輛的速度、 位置等其他屬性進行刻畫。 該類模型能夠在一 定程度上描述車輛之間的相互作用， 較之宏觀模型對交通系統要 素（諸如人、車、路、環境等）及相互作用的描述較為細致（但 又比微觀模型粗放），還可以描述車輛之間的相互作用。因而兼 顧了宏觀模型和微觀模型的優勢， 相當于是二者的折中， 適用于 大中型路網的交通仿真。INTEGRATIONS世界上目前廣泛應用的該

6、類仿真模型，主要 包括六個功能模塊：（ 1）車流分布模塊，細分為車流的啟動、 速度確定、排隊等；（ 2）車輛跟馳模塊；（ 3）車道變更模塊； （4）徑路選擇和交通分配模塊； （5）高速公路模塊，具體有車 流的合流、分流和交織等；（ 6）交叉口信號和由之引起的沖擊 波模塊。 該軟件可以應用在交通信息采集方面， 也可應用于交通 控制，如路段、交叉口、高速公路匝道和收費站的交通流運行情 況模擬，還可應用于公交線路、公交專用道的模擬分析等。4微觀模型微觀（ Microscopic ）模型以單個車輛為研究對象，模擬單個車輛在不同道路條件下的運行， 實質上是模擬駕駛員在各種不 同情況下的駕駛行為。每輛車的

7、當前速度和位置是其重要的參 數。在三類模型中， 該類模型對交通系統的要素及行為 （如跟車、 超車及車道變換等） 的細節描述和真實程度都是最高。 其代價就 是，運算速度及內存需求會隨著車輛數的增多而增大， 因此一般 適用于中小型路網， 具體應用領域有模擬交叉口交通流運行， 信 號控制方案評價，設計公交線路、發車間距、停站位置和時間， 道路幾何設計方案評價，等。微觀仿真模型的基本要素包括： 道路條件（可能不斷變化） ； 車輛到達，每一輛車間隔一段時間（大小可能不等）進入系統； 車輛動力性能， 主要影響了車輛的最高速度和加減速能力； 期望 車速，一般假設與交通量無關，如正態分布等；車輛之間的相互 作

8、用；車道轉換和超車。微觀仿真模型的主要功能包括：（ 1）獲取信息功能：實際 中，駕駛員的駕駛行為受到周圍道路系統交通狀況的影響， 劃分 為兩大類，其一是可視的信息，如其他車輛的運行情況、道路幾 何情況、交通信號燈、交通標識標線等，其二是非可視的信息， 其他途徑（如交通廣播、 城市交通指揮調度中心等） 獲得的信息； （2）決策功能：在獲取實際道路交通情況相關信息的基礎上， 分析堵塞的發生并進行一些控制策略的決策， 如紅綠燈時間、 限 速等，是仿真模型的核心功能；（ 3）行為功能：將分析和決策 的結果付諸實施，將會影響路網中每輛車的狀態。進行微觀交通仿真， 首先要進行實地交通調查， 采集交通數 據

9、并處理，根據交通流的特性選擇仿真數學模型和估計相應參 數；然后設計交通組織方案；進而開發有關模型和仿真場景可視化的程序； 最后構建仿真系統。 遵照仿真的一 般步驟給出其建模流程，如圖 2 所示。常見的微觀交通仿真模型有： 線性跟車模型， 考慮了前車制 動、減速行為對后車加速度的影響；安全距離跟馳( Collision Avoidance )模型，也稱防追尾模型，由經典的運動學理論推導 得到一個特定的跟車距離；刺激 - 反應跟馳模型，后車駕駛員試 圖與前車速度保持一致， 則前車的行為會導致后車對此作出反應 (減速或加速)，形象地稱之為刺激，從刺激到產生反應會在時 間上有一定的延遲； 心理-生理學跟馳模型， 也稱反應點 (Action Point )模型，考慮了人的感覺和反應，從而將刺激抽象為前后 車之間的相對運動， 如引入速度差和距離差指標， 其數值大小度 量了前車對后車的影響程度； 元胞自動機 ( Cellular Automaton ， 簡稱CA)模型，車輛在時間和空間(道路網)都離散化(Discrete ) 的時空網絡中運動， 移動距離與速度有關， 同時遵