第六章

道路交通仿真1引言交通仿真是研究運用現代計算機技術再現實際交通系統的特性、分析交通系統在各種設定條件下的可能行為以尋求現實交通問題最優解的一種手段，也是評價運輸設施各類運用設計方案效果的有效方法。美國是仿真技術及系統發展最快、應用最廣泛的國家。1967年，美國成立了計算機仿真學會(SocietyforComputerSimulation)，推動了仿真技術在美國的發展和應用。仿真追求的兩大目標是大型網絡與巨量交通流量，要在道路網絡內建立能夠兼顧宏觀與微觀模型優點的交通流動態運行模型。

2對交通系統的仿真研究可以分為三個層次：宏觀仿真、中觀仿真與微觀仿真。宏觀仿真著重從全局角度來研究系統特性。宏觀仿真模型中，交通流被視為一個可壓縮的媒體或流體，交通流的運動按照流體機制來處理。宏觀仿真通過流量-密度關系來控制交通流的運行，模型中不追蹤單個車輛的移動。

微觀仿真模型以跟車模型為基礎，追蹤每個車輛的移動過程。在微觀模型中，車輛的移動由駕駛員的特性、車輛性能、車輛周圍的環境和道路幾何條件來決定。微觀模型包括三個重要方面：車輛移動基本規則(跟車模型與換道模型)、服務優先規則和信號約束規則。

3國外道路交通仿真系統

20世紀60年代以來，國外交通仿真系統得到了較大發展。目前，公開發表的道路交通仿真軟件已有近百個，有一定應用的軟件系統也有數十個。交通仿真軟件的新用途是為智能交通系統(ITS)提供論證手段。ITS應用的一個重要特點是要考察整個網絡的全局效果，近年來，針對ITS開發的軟件主要有DYNASMART、VISSIM、INTEGRATION、MITSIM、THOREAU、TRANSIMS、WATSIM與PLANSIM-T。4交通仿真系統的用戶群分類基礎設施的運營者與決策者地方、公路交通部門當局(政府)私人停車經營者公交經營者車輛控制駕駛員與乘客各類貨物運輸者與貨主設計與咨詢機構5通用交通仿真軟件

要在參考前人文獻和研究現有模型的基礎上，確定系統的總體設計思想和要達到的主要目標;需要開發具有個性的模型，以實現新的功能或糾正已有模型的缺陷;要對模型所用的參數進行校驗和調整，得到符合應用地區的模型和參數。

6研究型和商業型交通仿真軟件的區別研究型的軟件主要是給開發者自己用的，而商業型的軟件是給用戶用的，兩者的區別并不在于是否市場上有得賣。研究型的軟件強調的是想法和模型的創新，而不是軟件的用戶界面和使用價值。商業軟件的基本要求是：包羅最新交通仿真模型，研究證明了的先進功能和競爭產品所具有的主要功能；能夠切實為交通規劃和交通工程人員提供一個解決實際問題的仿真工具；提供適用的用戶界面和數據接口，方便大多數用戶以較低成本把仿真模型作為他們的一種分析工具。

7軟件名稱開發單位國家AIMSUN2卡特倫亞理工大學西班牙ANATOLL設備技術研究中心法國AUTOBAHN奔弛咨詢公司德國CASIMIR國家交通研究所法國CORSIM聯邦公路局美國DRACULA利茲大學交通研究所英國DYNEMODeutscheAutomobilgesellschaftmbH德國FRESIM聯邦公路局美國HUTSIM赫爾辛基理工大學芬蘭INTEGRATION皇后大學交通教研室加拿大MICROSIM科隆大學并行計算中心德國MITSIM麻省理工學院美國PARAMICS愛丁堡并行計算中心與卡斯通有限公司英國SUTURN利茲大學交通研究所英國TRANSIMS羅阿拉莫斯國家實驗室美國TRIPSMVA公司英國VISSIMPTV系統軟件與咨詢公司德國8微觀交通仿真軟件的適用范圍城市交通高速公路二者兼有其他CASIMIRAUTOBAHNAIMSUN2ANATOLLDRACULAFREEVUCORSIMPHAROSHUTSIMFRESIMFLEXSYTIISHIVAMICSTRANMIXICINTEGRATIONSIMDACNETSIMSISTMMELROSEPADSIMMICROSIMSIGSIMMITSIMSIMNETPARAMICSSITRA-B+PLANSIM-TSITRASTRANSIMSTHOREAUVISSIMNEMIS91011121314應用規模大部分軟件可在PC機或UNIX系統上運行。有個別在VAX和RE6000機以及SUN機上運行。微觀仿真模型應用規模取決于計算機性能。小規模：20km,50個節點，1000輛車；大規模：200以上節點，數千輛車；MICROSIM、PLANSIM-T與PARAMICS可以模擬3000個節點、100萬輛車(需用到并行計算機)。計算速度取決于路網大小和計算機性能。一般來說仿真軟件的運行速度為實際時間的1～5倍。更快一些可達到15~20倍，但也有慢于實際時間的。15

微觀仿真軟件能夠描述的交通現象交通現象描述方法可仿真模型*排隊通過可利用空間約束、跟車及換道刻畫；87%路傍停車通過特定節點、路段上車輛的狀態來刻畫；35%交織運行通過強制換道、特定換道模型、決策規則、換道邏輯等刻畫；77%行人約束主要通過沖突區及其相互作用來判斷；26%突發事件通過對道路上非期望事件出現的判斷來描述65%天氣條件通過車輛速度-加速度行為刻畫；26%車輛類別通過車輛尺寸、重量、優先級等刻畫；61%發動機模型通過機械方法或加速率的改變來刻畫；19%環島通過車道分段、讓行、交織區等刻畫。58%停車場搜索通過固定地點/區域停車場狀態掃描來刻畫；13%公共交通通過固定某類車輛行駛線路來刻畫；52%自行車/摩托車通過自行車及其對機動車的影響來評價；10%交通鎮靜措施通過限制行駛速度、讓行、可變信息標志、線路引導標志刻畫。42%16微觀仿真軟件能描述的交通控制和管理方式固定信號控制、自適應控制、匝道匯入控制、靜態路徑誘導、動態路線誘導、事故處理、公交車優先控制、可變標志控制、收費口、自動道路系統、無人駕駛車輛、停車地誘導等。17微觀交通仿真系統的功能要求（1）建立和處理不同形式的路網，清晰地表現路網的幾何形狀，包括交通設施；產生進入路網的不同種類的車輛以及車長、初速度等，獲得交通流各種統計數據；處理車輛在路網上的運行情況，準確反映出車輛間的相互作用；處理網絡內部對車流產生影響的發生點和吸納點；跟蹤路網內行使的任一輛車，真實地模擬交通控制策略。18微觀交通仿真系統的功能要求（2）模擬先進的交通管理策略；提供與外部應用程序交互的接口；模擬動態車輛誘導，再現被誘導車輛和交通中心的信息交換；應用于一般的路網，包括城市道路和城市間的高速公路；仿真路網交通流的狀況；模擬公共交通；提供結果分析的工具和圖形化的交互界面。19

交通仿真的目標是評價交通管理計劃的行為效果。交通研究的效果包括5個方面：一是與出行效率相關的方面，如出行的速度、時間等；

二是與交通安全相關的方面，包括車頭時距、事故等；三是與交通環境相關的方面，如各種污染物的排放及振動的產生等；

四是與旅客舒適相關的方面，如停站次數，密度，擁擠水平等；緊張、舒適性等；五是交通出行的技術性能指標，如費用與燃料消耗。

20仿真評價指標目標指標提供率效率速度87%出行時間87%擁擠71%出行時間變化率68%排隊長度65%公交管制26%方式選擇16%安全車頭時距42%超車26%事故數量16%事故/速度嚴重性16%離碰撞時的時間間隔16%行人作用16%21目標指標提供率環境排放物52%路傍污染水平16%噪聲13%舒適物理舒適性3%緊張性0%技術燃料消耗48%性能車輛運營費用6%仿真評價指標(續)22軟件的輸入輸出界面

描述諸如節點、路段、交通信號、路徑、車輛到達率等。但也有少數幾個軟件提供了路網拓撲結構和幾何數據的圖形輸入界面。大部分軟件具有動畫演示輸出功能，但也有少數模型只提供數據庫格式的輸出形式。基本的仿真技術

幾乎所有的仿真軟件均采用面向對象的編程技術．絕大部分采用了時間掃描的描述方式．且多為微觀仿真。

234交通仿真系統的結構以微觀交通仿真系統為例，其結構一般包括3個主要模塊：一是道路網絡描述模塊，包括交叉口，路段，小區等；二是車路間的信息通信模塊，涉及交通流誘導等問題；三是車輛動態運行模塊。

2425仿真系統的輸出指標網絡上車輛行駛的信息

如總旅行時間，旅行距離，平均速度；經過的交通檢測設備

如記數器，速度，車道占有情況，點到點時間，車輛類型，突發事件信息等；路段交通數據包括路段交通密度，路段平均速度，旅行時間等；仿真運行中的警告及錯誤信息；環境排放與燃料消耗數據；車輛運行與路段交通數據的圖形顯示。26我國交通仿真系統研究的技術關鍵建模過程中的技術關鍵我國道路交通運行環境與發達國家不同，主要特點有：(1)混合交通流環境

不同類型，尤其是較大比例的非機動車流與機動車的混行使得車輛跟弛模型與換道模型發生重大變化。(2)行駛行為不規范

過多的交通不暢使得交通標志和道路行駛的規則對駕駛員和行人、自行車者的約束大打折扣，這對描述這些行為造成了很大困難。(3)車輛特性差異大

我國道路上行駛車輛種類繁多，性能差異很大。性能較差的車輛增加了道路突發事件概率。27要解決的技術關鍵(1)建立非機動車與機動車之間的影響模型，包括在交叉口、有隔離路段及無隔離路段的相互作用模型；(2)研究我國國情下道路交通管理計劃的計算機描述模型，重點是城市道路交叉口信號配時對機動車與非機動車行駛的描述；(3)研究我國城市道路網絡構造模型，重點是對不同類型立交、路面狀況及支線街道及車輛行駛特點的定義；(4)行人行為及其對道路交通流運行的影響模型。28技術關鍵（5）合作與聯系

現在，從事交通仿真研究的單位都是從自身情況出發來開展工作，缺乏全國性的統一協作，易造成重復性的研究，從而導致有限資金的浪費；（6）信息技術

已有的仿真軟件與模型都是局限于交通環境自身而言的，沒有真正與GPS和GIS等與信息技術相關的信息系統聯系起來進行仿真研究。29仿真過程實施中涉及的主要技術關鍵

硬件與軟件環境仿真的網絡規模及交通實體數量一般受計算機軟、硬件制約的。計算經驗微觀仿真中，跟車與換道模型需要的步長一般為1到0.1秒。用戶界面用戶圖形界面可顯示的信息包括網絡、檢測器、車輛移動的發生等。與支持模塊的通信一般需要一個總控模塊來協調各模塊之間的數據交流。總控模塊主要功能是對各模塊進行協調和實施，模塊間的信息交換需要通過處理器之間的通信來完成。3031國外交通仿真模型和系統難以在我國得到推廣的主要障礙：

模型參數問題，多數國外模型中的參數不太適合有大量非機動車存在時的我國交通環境；國外產品沒有漢化，外文界面及技術手冊使得它們難以在工程技術界得到推廣；軟件的價格問題，國內交通企業對軟件的認識還沒有達到發達國家的水平，真正的軟件市場尚未形成。326.仿真模型仿真模型開發的要點是了解有哪些方法/技術可以用于建模。必須要明確建模目的和評價手段。33交通仿真模型的10個主要領域道路物流與一般管理需求管理交通管理停車管理公交管理交通信息出行管理貨運與乘務組管理車輛控制內部服務系統34既有微觀交通模型模型研制者國家AIMSUN2卡特倫亞理工大學西班牙ANATOLL設備技術研究中心法國AUTOBAHN奔弛咨詢公司德國CASIMIR國家交通研究所法國CORSIM聯邦公路局美國DRACULA利茲大學交通研究所英國FLEXSYTII運輸部荷蘭35既有微觀交通模型(續1)模型研制者國家FREEVU華鐵盧大學土木系加拿大FRESIM聯邦公路局美國HUTSIM赫爾辛基理工大學芬蘭INTEGRATION皇后大學交通教研室加拿大MELROSE三鈴電氣公司日本MICROSIM科隆大學并行計算中心德國MICSTRAN國家警察科學研究所日本36模型研制者國家MITSIM麻省理工學院美國MIXIC荷蘭應用科學研究組織荷蘭NEMIS都靈自動化研究所意大利PADSIM諾汀漢-特倫特大學英國PARAMICS愛丁堡并行計算中心與卡斯通有限公司英國PHAROS模擬與培訓研究所美國PLANSIM-T科隆大學并行計算中心德國既有微觀交通模型(續2)37模型研制者國家SHIVACMU機器人研究所美國SIGSIM紐爾卡斯大學英國SIMDACToulouse研究中心法國SIMNET柏林技術大學德國SISTM運輸實驗室(TRL)英國SITRAS新南威爾士大學土木系澳大利亞SITRA-B+Toulouse研究中心法國既有微觀交通模型(續3)38模型研制者國家TRANSIMS羅阿拉莫斯國家實驗室美國THOREAUMITRE公司美國TRAF-NETSIM聯邦公路局美國VISSIMPTV系統軟件與咨詢公司德國既有微觀交通模型(續4)CORSIM是由TRAF-NETSIM(城市交通)與FRESIM(高速公路)的合并。39輸入與輸出輸出：(1)任何時刻路網各處的車輛密度分布。通行路線。(2)任何觀測點的車流量分布形態。(3)出行車輛到達目的地所需的時間及其分布。例如，交通預測函數以OD估計為輸入，提供預測的交通量作為輸出。圖形信息可以作為交通模型的輸入。40關于交通現象的描述方法天氣：通過速度-加速度行為刻畫；停頓車輛：通過特定節點、路段和車輛狀態刻畫；發動機模型：通過機械方法或加速率的改變來刻畫；車型：通過車輛尺寸、重量、優先級等刻畫；行人：主要通過轉向區及其相互作用來判斷；公交：通過固定車輛行駛線路來刻畫；交通鎮靜措施：通過限制行駛速度、讓行、可變信息標志、線路引導標志刻畫；排隊：通過可利用空間約束、跟車及換道刻畫；交織：通過強制換道、特定換道模型、決策規則、換道邏輯等刻畫；環島：通過車道分段、讓行、交織區等刻畫。41微觀仿真模型的基本要素道路條件包括：幾何參數、路面狀況、交通標志、交通信號等。車輛到達車輛特征車輛動力性能(最高車速和加減速能力)、車輛類型特征車輛間的相互作用人—車單元運動運動只受車輛、道路條件和外部因素影響；除上述影響因素，還有其他人—車單元影響。車輛間的相互作用駕駛員對來自其他車輛的干擾一般通過調整車速來體現的，當條件允許，轉換車道或超車。42車輛行駛模型車輛的生成車輛狀態的確定車輛的自由行使車輛的跟馳行駛車輛的超車車道變換車輛停車43典型的交通仿真模型微觀仿真中的交通模型道路微觀仿真用到的模型主要有三個系列:1跟車模型2換道模型3信號響應邏輯模型多數軟件中采用的跟車模型以Herman等人提出的模型為基礎，主要原則是根據后車與前車的關系計算確定后車的加/減速度。4445車輛跟馳特性分析制約性

車速條件；間距條件。延遲性

駕駛員對于前車狀態改變有一個反應過程，包括：感覺階段、認識階段、判斷階段、執行階段。傳遞性

具有延遲性的向后傳遞的信息不是平滑連續的，而是象脈沖一樣間斷連續的。46跟車模型跟車模型以車頭時距和前后車的相對速度為基礎，一般可以分為三種模式：自由流模式跟車模式緊急減速模式47車輛跟駛模型分類刺激—反應模型安全距離模型生理—心理模型模糊推理模型元胞自動機模型48線性跟馳模型刺激－反應方程的一種形式。反應：駕駛員對他前面運行車輛的反作用。

反應(t+T)=靈敏度×刺激(t)車輛跟馳：交通規則限制或者鄰近車道交通量大→駕駛員無法超車→跟著前頭車輛行駛。49駕駛員分類特征駕駛員的反應過程包括4個階段：感覺階段、認識階段、判斷階段、執行階段．這4個階段所需要的時間稱為反應時間．例如駕駛員的制動反應時間，它包括接受刺激后大腦的反射時間，腳從加速踏板移到制動踏板的更換時間，踩下制動踏板到制動器起作用的制動傳遞延誤時間，三者總和為制動反應時間．美國各州公路工作者協會建議，對所有車速在確定安全停車距離時，反應時間用2.5s，在確定交叉口視距時用2.0s．一般總的反應時間在0.5～2.2S之間．反應速度的快慢與駕駛員對行車環境的熟悉程度、駕駛經歷、駕駛員的年齡、性別、氣質等有關。50車輛的跟馳位置位置圖假設：路上有多輛車列隊行駛，并且禁止超車。前方車輛:行駛速度發生變化跟隨車輛:駕駛員調整自己車輛的速度，保持安全行車距離。A.Reuschel和L.A.Pipes方程式:

基準點：t時刻車輛n的位置51式中，：車輛ｎ距基準點的距離；：車輛ｎ的速度；：車輛ｎ的加速度；：常數,反應強度。跟馳車輛的加速度與其與相鄰前方車輛的速度差成正比。(1)52上述模型，采用簡單的刺激一反應特性過于簡單，難以反映駕駛員在行車過程中其感知、反應、判斷等心理、生理行為特性及其過程的復雜性，，并且存在如下一些缺陷:前車的刺激與后車的反應是一一對應的關系。而現實的跟車行為是隨交通條件和流量條件的變化而變化的。后車能以確定性的方式對與前車的相對速度的微小變化作出反應，且后車對正負相對速度的敏感程度相同，即相同的相對速度(絕對值)下，后車的加減速度(絕對值)相同。而實際觀測表明當兩車的距離增加或減小時，駕駛員的反應不相同。前后兩車的車速相同時，允許兩車的車頭間距無限減少直至為零等。53安全距離模型安全距離模型也稱防撞模型，該模型最基本的關系是尋找一個特定的跟車距離（通過經典牛頓定律推導出）。大多數情況只需知道駕駛員降采用的最大制動減速度，就能滿足模型的需要。

與實際情況存在著差距，進行能力分析時很難與實際最大交通量吻合。54生理－心理模型也稱反應點模型（AP模型），這類模型用一系列閾值和期望距離體現人的感覺和反應，這些界限值劃定了不同的值域，在不同的值域，后車與前車存在著不同的影響關系。生理－心理模型是一種跟馳決策模型。55車輛跟馳狀態劃分的三個階段兩車的速度差低于速度感知閾值，駕駛員僅通過對距離的感知來確定他是否處于逼近狀態；速度差超過閾值，駕駛員降低車速，從而使視角變化率維持在閾值附近；駕駛員在一個確保車輛駕駛和速度控制的車頭時距下，盡量降相對速度保持為零。56行為閾值模型生理－心理模型的一種類型，理論基礎是駕駛員的生理－心理行為。最深入、最符合實際駕駛行為的是MISSION模型。優點：充分考慮了駕駛員的心理、生理因素對駕駛行為的影響和制約，建模方法上最接近實際情況。缺點：模型的參數較多，子模型之間的相互關系比較復雜。各種閾值的調查觀測比較困難。

57行為閾值模型理論基礎駕駛員的駕駛行為受駕駛員的心理、生理因素的共同制約，表現為：集體特征夾雜著個體行為而表現出隨機性和復雜性。駕駛員對引導性車輛兩種反應：適應性反應和機會形反應。駕駛員對阻止性車輛的反應：預防性反應。在保持車道行使的狀態下，駕駛員只能是適應性反應；在變換車道的狀態中，駕駛員可能是機會性反應，也可能是適應性反應。58模型表述MISSION模型中根據車流狀況及閾值界限分為三個反應區：有意識反應（逼近前車區、制動避禍區、撞車危險區）；無意識反應區（跟車行駛區）；無反應區（反應上限、自由行使區、脫離前車區）；59界限值的劃分（1）AX靜止車輛的期望距離，包括前車的車長和前、后車的期望距離。服從正態分布，分布依賴于駕駛員對安全的需求。ABX

在較小速度差下的最小期望跟駛距離，包括AX和速度依附項。也服從正態分布。實際交通中，這個距離與速度不是完全成正比。60界限值的劃分（2）SDV（量綱為速度）距離較大時速度差的界限值。表示駕駛員有意識的感覺到他正在靠近一輛低速行使的車輛的臨界點。駕駛員減速到前車的速度，并與前車保持ABX。SDX（量綱為距離）跟駛過程中意識到距離變大的界限值，說明駕駛員有意識地感覺自己正在脫離跟駛狀態而離前車越來越遠。SDX1.5~2.5倍ABX變化。61界限值的劃分（3）CLDV（量綱為速度）短距離時意識到很小的速度差并且距離減少的界限值。當以很小速度差跟隨前車行使時，駕駛員意識到正處于一個逼近過程，不得不減小車速避免事故。OPDV（量綱為速度）短距離時意識到很小的速度差存在，并且距離增大的界限值。OPDV約為CLDV的1～3倍。62車輛跟車行駛閾值示意圖63MISSION模型的判斷流程圖64模糊推理模型主要通過駕駛員未來的邏輯推理來研究駕駛行為。最大的特色是將模型的輸入項分為幾個相互部分重疊的模糊集，每個模糊集用來描述各項的隸屬度。車輛跟馳模型使用三角隸屬度函數。兩個輸入變量：前后兩車的相對距離和相對速度。模型的核心仍是刺激—反應關系。65模糊推理模型的分類是通過對現有確定性模型參數的模糊化來反映駕駛員的經驗準則；利用基于駕駛規則的直接自然語言組成的模糊邏輯推理系統。后者更能反應駕駛員在跟車時的決策過程，因此成為目前研究的熱點。66676869元胞自動機元胞自動機的特點是空間、時間和狀態離散化。其運行規則主要有：所有元胞的狀態同時發生變化；且在t十l時刻，第i個元胞的狀態由時刻t的第i個元胞以及相鄰的有限個元胞的狀態共同決定。時間、空間和車輛速度都被整數離散化道路被劃分為等距離的離散的格子，即元胞每個元胞或者是空的，或者被一輛車所占據車輛的速度可以在（0～Vmax）之間取值70基于神經網絡的車輛跟馳模型這類模型的主要特點是:自學習能力強、適時性和容錯性，適于模擬駕駛員感知和決策過程的不確定性數據量大且對數據的平衡性要求較高。71其他跟馳模型基于動力學的改進車輛跟馳模型適用于彎度與坡度的跟馳模型基于期望間距的微觀車輛跟馳