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交通仿真技术

摘要：运用现代计算机技术反映复杂交通现象的交通分析技术和方法。再现交通流时空变化的模拟技术，利用计算机对交通系统的结构、功能、行为以及参与具体的控制者——人的思维过程和行为特征进行模仿。分析交通系统在各种设定条件下的可能行为，以寻求现实交通问题最优解的一种手段，也是评价运输设施各类运用设计方案效果的有效方法。

交通仿真的发展和现状

一、国外交通仿真的发展

第一阶段：20世纪60 年代

    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应用目的，因而宏观交通仿真模型被广泛使用，但模型的灵活性和描述能力都较为有限，加上当时计算机性能较低，所以仿真结果的表达也就不够理想。

在这个阶段，最具代表性的模型有：

    英国道路与交通研究所（TRRL）的D.L.罗伯逊于1967 年开发的道路交通流仿真软件TRANSYT。它主要用于确定定时交通信号参数的最优值；

    Gerlough 在1963年建立的用于道路网络信号配置的TRANS 模型；

    美国联邦公路局（FHWA）1956-1966 年研制的SIGOP 仿真系统。

第二阶段：二十世纪70 至80 年代

    随着 20 世纪80年代末和90年代初国外工TS研究的日益热门，世界各国都展开了以ITS为应用背景的交通仿真软件的研究，交通仿真研究达到前所未有的高，出现了一大批评价和分析ITS系统效益的仿真软件系统。

这阶段由于计算机的迅速发展，计算机仿真模型的精度也得到了提高，功能也更加多样化了。同时，微观交通仿真模型也得到了较大的发展。

这期间的典型代表软件有：

第三阶段：二十世纪80 年代末以来

    随着计算机技术的迅速发展，软件开发技术的进步，20世纪80年代末以来，ITS成为了国外研究的热点，世界各国都展开了以ITS为应用背景的交通仿真软件的研究与开发，从而出现了一大批评价和分析ITS 系统效益的仿真软件。

二、国内交通仿真的发展

    与国外相比，由于我国交通国情的，长期以来交通仿真并未引起有关部门的重视，随着ITS 在世界各国研究的广泛开展，我国交通界认识到了在我国开展ITS 研究的重要性。与此同时，作为ITS 核心技术之一的交通仿真也受到了极大的关注。

20世纪90年代以后，国内交通工程界逐渐注意到交通仿真研究的重要性，但从总体上来看，现在国内的交通仿真研究多是“各自为政”式的自主开发，而没有更多的联系与合作，显得比较零散，往往只局限于对单一问题的研究解决，很少从整个交通环境的大系统来考虑，比如对多车道通行能力的仿真研究、高速公路入口匝道范围的仿真、信号交叉口的组织优化、超车模型和车道变换模型的仿真研究等等。

三、交通仿真技术进展

从技术角度看，离散事件仿真是最成熟、应用最广泛的仿真技术。

(1)有约束规划算法  有约束规划在交通信号控制参数优化、时刻表编制、路径寻找等领域中得到应用。

(2)模糊逻辑  模糊逻辑是将某一给定范畴从传统的“全真”、“全假”模式扩展到“部分真”的中间模式的理论。  

(3)定性模型  定性模型也叫定性推理，产生于20世纪80年代；定性模型主要用于宏观仿真，在网络管理、高速公路仿真、城市仿真领域已有应用。 

(4)虚拟现实VR  需要运用计算机处理能力、图形显示系统、视频与音频仿真、人机界面等技术。 

可以分为四类：

①桌面虚拟系统，即利用基于个人计算机建立桌面虚拟系统；

②环境虚拟系统，即在一个封闭的房间里采用墙、天花板与地板等来表达感觉；

③虚拟现实模拟器，将交互可视模拟作为研究、验证、检验与培训手段，结合再现运动的技术，它们成为目前虚拟现实条件下最富有真实感的方法；

④3D虚拟系统，在这种虚拟现实系统中，用户感觉成为3D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感觉则是外部的。

(5)地理信息系统(GIS)  地理信息系统是一种可以对空间数据及其相关属性数据进行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，起到专家系统的作用。

(6)遗传算法  遗传算法(GA)是一种从“适者生存”的自然进化原理演变而来的、基于随机的搜索技术。遗传算法适合那些有可计算指标的优化问题。GA在交通中的最近应用包括三方面：

①交通信号的优化与近似优化；

②交通网络的设计问题；

③动态交通分配问题。目前，在微观仿真的交通模型中，遗传算法已成功应用到路径的动态交通分配。

(7)神经网络  在描述交通系统中那些难以用逻辑或数学方法处理的模型时作用尤为突出，如交通中的非线性现象，驾驶员行为分析，拥挤交通状态下的复杂时空关系分析，交通控制与图像处理等。 

(8)离散事件并行处理  并行处理是指在一台并行计算的计算机上运行仿真程序。

交通仿真在交通分析中的必要性

交通系统是一个涉及驾驶员—车辆—道路—交通环境相互作用的复杂系统，既有其确定性的一面，又有随机性的一面，同时还有人的行为因素的影响。

一、计算机仿真的优越性

1.可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；

2.可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；

3.可以对无法直接进行实验的系统进行仿真实验研究，从而节省能源和费用。 

二、为什么用交通仿真

1.由交通现象的复杂性决定

在我国大中城市的交通系统，相比较国外的交通系统，其特殊性可以概括为高密度、单层次的机动车和大量非机动车的混合交通，表现为：自行车和公交车在出行中所占比例大；路网结构不合理，交叉口密集；市区人口密度大，出行需求高度集中。

2.方案评价的需要 

交通仿真评价的优点:交通仿真具有低成本、可重用、可控制等优点，在仿真环境中可以构建现实中难以实现甚至无法实现的系统

3.方案比选优化的需要 

在对不同方案进行选择时，往往缺乏一个共同的评价标准和体系。交通仿真系统则可为不同方案提供一个公共、相对客观的评价平台 

三、交通仿真的步骤

1.明确问题。对拟要研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目的，划定系统的范围和边界，以便对各种交通分析技术的适应性作出判断。 

2.确定仿真方法的适用性,选用合适的仿真工具

3.问题的系统化.构造一个仿真模型的第一级流程图，其中包括输入、处理、输出三个组成部分

4.数据的收集和处理

5.建立数学模型.由第一级流程图出发，采用自上而下循序渐进的方法：建立第二级流程图，确定构成处理过程的主要模块及其相互关系、每一模块的输入和输出；建立第三级流程图，对每一个模块的功能进行详细的描述。

6.参数估计。模型中的参数有两种基本类型，即确定型和随机型。对于随机型参数，除给出它的均值和方差外，还要指出其分布形式。

7.模型评价。确定流程中是否出现中断或回路、检验数据输入的适应性和取值范围、检验输出结果的合理性。其次，还需要做出一些判断，如是否修正一些变量或参数，是否对模型的结构进行修改等。若模型本身被拒绝，则需要返回第3或第5步骤，甚至返回第2步骤，以至于可能放弃系统仿真方法。

8.编制程序。一旦所建的模型被接受，便可着手编制计算机程序。

9.模型确认。模型确认包括三项内容，即模型校核、模型标定和有效性检验。

模型校核的目的是确认程序代码所执行的正是流程图所规定的任务，并不涉及拟研究的实际问题。

模型标定是以一部分现场观测数据作为输入，检验输出结果是否与实际的观测结果相吻合，若不一致，则需调整参数直至与实际情况相吻合。

有效性检验是将其余未使用的现场观测数据输入仿真程序，并将计算结果与相应的观测结果进行比较。

9.实验设计。一旦仿真程序通过了有效性检验，便可制定一个详细的实验方案进行仿真实验。

10.仿真结果分析。这一步骤包括三项工作内容，即仿真运行、结果分析和形成文档。

交通仿真的分类及其应用

根据交通仿真模型对交通系统描述的细节程度的不同，交通仿真可分为宏观仿真、中观仿真和微观仿真，交通仿真软件也可相应地分为这3类

一、微观交通仿真软件

微观交通仿真模型其对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高。例如，微观交通仿真模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为等微观行为都能得到较真实的反映。

微观交通仿真模型以跟车模型为基础，追踪每个车辆的移动过程。在微观模型中，车辆的移动由驾驶员的特性、车辆性能、车辆周围的环境和道路几何条件来决定。 

微观交通仿真对交通系统的要素和行为的细节描述程度最高。包括三个重要方面：车辆移动基本规则(跟车模型与换道模型)、服务优先规则和信号约束规则。

二、中观交通仿真软件

    中观交通仿真模型（或准微观模型）其对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。例如，中观交通仿真模型对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为单元的，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以简单的方式近似描述。

三、宏观交通仿真软件

其对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个较低的程度，例如，交通流可以通过流密速关系等一些集聚性的宏观模型来描述，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。

宏观交通仿真着重从全局角度来研究系统特性，对交通系统的要素和行为的细节描述处于最低的程度。宏观交通仿真模型中，交通流的运动按照流体机制来处理。

宏观交通仿真通过流量-密度关系来控制交通流的运行，模型中不追踪单个车辆的移动，对于车辆换道之类的细节行为可能根本不予以描述。

宏观仿真所需计算机内存，计算速度快。

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考虑，对于各个车辆的随机性影响得不到考虑，计算不出各个车辆的交通参数，对于交通状态变化的的动态过程缺乏清晰描述。宏观仿真适用于道路网交通状态研究。宏观仿真适用于道路网交通状态研究。

微观仿真模型虽可以研究交通运营过程，评价各类新的交通控制与管理技术的利弊，但对复杂的实际网络的适用性稍差。

中观交通仿真模型既可以描述宏观交通流模型中采用的时间与空间维状态特性(如密度、流量与速度)，又可以保留微观模型中的核心数据，如特性各异的单个车辆的运行结果，如实际速度、旅行时间和旅行距离等。

总结：上面对目前国内外比较典型的仿真软件和模型作了简单的介绍，尽管上述仿真软件和模型各有其特性和优势，但因其研究定位和重点的不同，在一定程度上都存在或多或少的缺陷与不足。