交通仿真技術(shù)

交通仿真技術(shù)摘要：運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)反映復(fù)雜交通現(xiàn)象的交通分析技術(shù)和方法。再現(xiàn)交通流時(shí)空變化的模擬技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)對交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為以及參與具體的控制者一一人的思維過程和行為特征進(jìn)行模仿。分析交通系統(tǒng)在各種設(shè)定條件下的可能行為，以尋求現(xiàn)實(shí)交通問題最優(yōu)解的一種手段，也是評價(jià)運(yùn)輸設(shè)施各類運(yùn)用設(shè)計(jì)方案效果的有效方法。交通仿真的發(fā)展和現(xiàn)狀一、國外交通仿真的發(fā)展第一階段：20世紀(jì)60年代這一時(shí)期的交通仿真系統(tǒng)主要以優(yōu)化城市道路的信號設(shè)計(jì)為應(yīng)用目的，因而宏觀交通仿真模型被廣泛使用，但模型的靈活性和描述能力都較為有限，加上當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)性能較低，所以仿真結(jié)果的表達(dá)也就不夠理想。在這個(gè)階段，最具代表性的模型有：英國道路與交通研究所（TRRL）的D.L.羅伯遜于1967年開發(fā)的道路交通流仿真軟件TRANSYT。它主要用于確定定時(shí)交通信號參數(shù)的最優(yōu)值；Gerlough在1963年建立的用于道路網(wǎng)絡(luò)信號配置的TRANS模型；美國聯(lián)邦公路局（FHWA）1956-1966年研制的SIGOP仿真系統(tǒng)。第二階段：二十世紀(jì)70至80年代隨著20世紀(jì)80年代末和90年代初國外工TS研究的日益熱門，世界各國都展開了以ITS為應(yīng)用背景的交通仿真軟件的研究，交通仿真研究達(dá)到前所未有的高，出現(xiàn)了一大批評價(jià)和分析ITS系統(tǒng)效益的仿真軟件系統(tǒng)。這階段由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真模型的精度也得到了提高，功能也更加多樣化了。同時(shí)，微觀交通仿真模型也得到了較大的發(fā)展。這期間的典型代表軟件有：模型功能開發(fā)時(shí)間開發(fā)者TRAF-NETSIM?描述單個(gè)朝運(yùn)動(dòng)、二十美國聯(lián)邦公型應(yīng)用時(shí)間掃描法的世紀(jì)路局網(wǎng)絡(luò)微觀交通仿真七十模型年代UTCS-1模型描述個(gè)別軻運(yùn)動(dòng)1971E.B.Liefer1HSTRAN模型man研究左右轉(zhuǎn)車輛與1974日本科學(xué)警橫穿道路的步行者時(shí)究所之間的相互影響SATURN宏觀模用于平面交叉口交1976英國利茲大型通信號控制學(xué)開發(fā)第三階段：二十世紀(jì)80年代末以來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)80年代末以來，ITS成為了國外研究的熱點(diǎn)，世界各國都展開了以ITS為應(yīng)用背景的交通仿真軟件的研究與開發(fā)，從而出現(xiàn)了一大批評價(jià)和分析ITS系統(tǒng)效益的仿真軟件。二、 國內(nèi)交通仿真的發(fā)展與國外相比，由于我國交通國情的限制，長期以來交通仿真并未引起有關(guān)部門的重視，隨著ITS在世界各國研究的廣泛開展，我國交通界認(rèn)識到了在我國開展ITS研究的重要性。與此同時(shí)，作為ITS核心技術(shù)之一的交通仿真也受到了極大的關(guān)注。20世紀(jì)90年代以后，國內(nèi)交通工程界逐漸注意到交通仿真研究的重要性，但從總體上來看，現(xiàn)在國內(nèi)的交通仿真研究多是“各自為政”式的自主開發(fā)，而沒有更多的聯(lián)系與合作，顯得比較零散，往往只局限于對單一問題的研究解決，很少從整個(gè)交通環(huán)境的大系統(tǒng)來考慮，比如對多車道通行能力的仿真研究、高速公路入口匝道范圍的仿真、信號交叉口的組織優(yōu)化、超車模型和車道變換模型的仿真研究等等。三、 交通仿真技術(shù)進(jìn)展從技術(shù)角度看，離散事件仿真是最成熟、應(yīng)用最廣泛的仿真技術(shù)。有約束規(guī)劃算法有約束規(guī)劃在交通信號控制參數(shù)優(yōu)化、時(shí)刻表編制、路徑尋找等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。模糊邏輯模糊邏輯是將某一給定范疇從傳統(tǒng)的“全真”、“全假”模式擴(kuò)展到“部分真”的中間模式的理論。定性模型定性模型也叫定性推理，產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代；定性模型主要用于宏觀仿真，在網(wǎng)絡(luò)管理、高速公路仿真、城市仿真領(lǐng)域已有應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)VR需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理能力、圖形顯示系統(tǒng)、視頻與音頻仿真、人機(jī)界面等技術(shù)?？梢苑譃樗念悾鹤烂嫣摂M系統(tǒng)，即利用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)建立桌面虛擬系統(tǒng)；環(huán)境虛擬系統(tǒng)，即在一個(gè)封閉的房間里采用墻、天花板與地板等來表達(dá)感覺；虛擬現(xiàn)實(shí)模擬器，將交互可視模擬作為研究、驗(yàn)證、檢驗(yàn)與培訓(xùn)手段，結(jié)合再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，它們成為目前虛擬現(xiàn)實(shí)條件下最富有真實(shí)感的方法；3D虛擬系統(tǒng)，在這種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶感覺成為3D環(huán)境內(nèi)部的一部分，與用戶的交互是無縫且透明的。相對而言，桌面虛擬系統(tǒng)中用戶的感覺則是外部的。地理信息系統(tǒng)(GIS)地理信息系統(tǒng)是一種可以對空間數(shù)據(jù)及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理的決策支持系統(tǒng)，它可以全面管理交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，起到專家系統(tǒng)的作用。遺傳算法遺傳算法(GA)是一種從“適者生存”的自然進(jìn)化原理演變而來的、基于隨機(jī)的搜索技術(shù)。遺傳算法適合那些有可計(jì)算指標(biāo)的優(yōu)化問題。GA在交通中的最近應(yīng)用包括三方面：交通信號的優(yōu)化與近似優(yōu)化；交通網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問題；動(dòng)態(tài)交通分配問題。目前，在微觀仿真的交通模型中，遺傳算法已成功應(yīng)用到路徑的動(dòng)態(tài)交通分配。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在描述交通系統(tǒng)中那些難以用邏輯或數(shù)學(xué)方法處理的模型時(shí)作用尤為突出，如交通中的非線性現(xiàn)象，駕駛員行為分析，擁擠交通狀態(tài)下的復(fù)雜時(shí)空關(guān)系分析，交通控制與圖像處理等。離散事件并行處理并行處理是指在一臺(tái)并行計(jì)算的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真程序。交通仿真在交通分析中的必要性交通系統(tǒng)是一個(gè)涉及駕駛員一車輛一道路一交通環(huán)境相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，既有其確定性的一面，又有隨機(jī)性的一面，同時(shí)還有人的行為因素的影響。一、 計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性可以求解許多復(fù)雜而無法用數(shù)學(xué)手段解析求解的問題；可以預(yù)演或再現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)過程；可以對無法直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，從而節(jié)省能源和費(fèi)用。二、 為什么用交通仿真由交通現(xiàn)象的復(fù)雜性決定在我國大中城市的交通系統(tǒng)，相比較國外的交通系統(tǒng)，其特殊性可以概括為高密度、單層次的機(jī)動(dòng)車和大量非機(jī)動(dòng)車的混合交通，表現(xiàn)為：自行車和公交車在出行中所占比例大;路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，交叉口密集；市區(qū)人口密度大，出行需求高度集中。方案評價(jià)的需要交通仿真評價(jià)的優(yōu)點(diǎn):交通仿真具有低成本、可重用、可控制等優(yōu)點(diǎn)，在仿真環(huán)境中可以構(gòu)建現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)甚至無法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)方案比選優(yōu)化的需要在對不同方案進(jìn)行選擇時(shí)，往往缺乏一個(gè)共同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和體系。交通仿真系統(tǒng)則可為不同方案提供一個(gè)公共、相對客觀的評價(jià)平臺(tái)三、交通仿真的步驟明確問題。對擬要研究的問題進(jìn)行詳細(xì)的了解和描述，明確研究目的，劃定系統(tǒng)的范圍和邊界，以便對各種交通分析技術(shù)的適應(yīng)性作出判斷。確定仿真方法的適用性,選用合適的仿真工具問題的系統(tǒng)化.構(gòu)造一個(gè)仿真模型的第一級流程圖，其中包括輸入、處理、輸出三個(gè)組成部分?jǐn)?shù)據(jù)的收集和處理建立數(shù)學(xué)模型.由第一級流程圖出發(fā)，采用自上而下循序漸進(jìn)的方法：建立第二級流程圖，確定構(gòu)成處理過程的主要模塊及其相互關(guān)系、每一模塊的輸入和輸出；建立第三級流程圖，對每一個(gè)模塊的功能進(jìn)行詳細(xì)的描述。參數(shù)估計(jì)。模型中的參數(shù)有兩種基本類型，即確定型和隨機(jī)型。對于隨機(jī)型參數(shù)，除給出它的均值和方差外，還要指出其分布形式。模型評價(jià)。確定流程中是否出現(xiàn)中斷或回路、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入的適應(yīng)性和取值范圍、檢驗(yàn)輸出結(jié)果的合理性。其次，還需要做出一些判斷，如是否修正一些變量或參數(shù)，是否對模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改等。若模型本身被拒絕，則需要返回第3或第5步驟，甚至返回第2步驟，以至于可能放棄系統(tǒng)仿真方法。編制程序。一旦所建的模型被接受，便可著手編制計(jì)算機(jī)程序。模型確認(rèn)。模型確認(rèn)包括三項(xiàng)內(nèi)容，即模型校核、模型標(biāo)定和有效性檢驗(yàn)。模型校核的目的是確認(rèn)程序代碼所執(zhí)行的正是流程圖所規(guī)定的任務(wù)，并不涉及擬研究的實(shí)際問題。模型標(biāo)定是以一部分現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)作為輸入，檢驗(yàn)輸出結(jié)果是否與實(shí)際的觀測結(jié)果相吻合，若不一致，則需調(diào)整參數(shù)直至與實(shí)際情況相吻合。有效性檢驗(yàn)是將其余未使用的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)輸入仿真程序，并將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的觀測結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。一旦仿真程序通過了有效性檢驗(yàn)，便可制定一個(gè)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果分析。這一步驟包括三項(xiàng)工作內(nèi)容，即仿真運(yùn)行、結(jié)果分析和形成文檔。交通仿真的分類及其應(yīng)用根據(jù)交通仿真模型對交通系統(tǒng)描述的細(xì)節(jié)程度的不同，交通仿真可分為宏觀仿真、中觀仿真和微觀仿真，交通仿真軟件也可相應(yīng)地分為這3類一、微觀交通仿真軟件微觀交通仿真模型其對交通系統(tǒng)的要素及行為的細(xì)節(jié)描述程度最高。例如，微觀交通仿真模型對交通流的描述是以單個(gè)車輛為基本單元的，車輛在道路上的跟車、超車及車道變換行為等微觀行為都能得到較真實(shí)的反映。微觀交通仿真模型以跟車模型為基礎(chǔ)，追蹤每個(gè)車輛的移動(dòng)過程。在微觀模型中，車輛的移動(dòng)由駕駛員的特性、車輛性能、車輛周圍的環(huán)境和道路幾何條件來決定。微觀交通仿真對交通系統(tǒng)的要素和行為的細(xì)節(jié)描述程度最高。包括三個(gè)重要方面：車輛移動(dòng)基本規(guī)則（跟車模型與換道模型）、服務(wù)優(yōu)先規(guī)則和信號約束規(guī)則。二、 中觀交通仿真軟件中觀交通仿真模型（或準(zhǔn)微觀模型）其對交通系統(tǒng)的要素及行為的細(xì)節(jié)描述程度較高。例如，中觀交通仿真模型對交通流的描述往往以若干輛車構(gòu)成的隊(duì)列為單元的，能夠描述隊(duì)列在路段和節(jié)點(diǎn)的流入流出行為，對車輛的車道變換之類的行為也可以簡單的方式近似描述。三、 宏觀交通仿真軟件其對交通系統(tǒng)的要素及行為的細(xì)節(jié)描述處于一個(gè)較低的程度，例如，交通流可以通過流密速關(guān)系等一些集聚性的宏觀模型來描述，象車輛的車道變換之類的細(xì)節(jié)行為可能根本就不予以描述。宏觀交通仿真著重從全局角度來研究系統(tǒng)特性，對交通系統(tǒng)的要素和行為的細(xì)節(jié)描述處于最低的程度。宏觀交通仿真模型中，交通流的運(yùn)動(dòng)按照流體機(jī)制來處理。宏觀交通仿真通過流量-密度關(guān)系來控制交通流的運(yùn)行，模型中不追蹤單個(gè)車輛的移動(dòng)，對于車輛換道之類的細(xì)節(jié)行為可能根本不予以描述。宏觀仿真所需計(jì)算機(jī)內(nèi)存，計(jì)算速度快。相對而言，宏觀仿真模型缺乏對道路橫縱斷面變化和交通控制與管理特點(diǎn)變化的考慮，對于各個(gè)車輛的隨機(jī)性影響得不到考慮，計(jì)算不出各個(gè)車輛的交通參數(shù)，對于交通狀態(tài)變化的的動(dòng)態(tài)過程缺乏清晰描述。宏觀仿真適用于道路網(wǎng)交通狀態(tài)研究。宏觀仿真適用于道路網(wǎng)交通狀態(tài)研究。微觀仿真模型雖可以研究交通運(yùn)營過程，評價(jià)各類新的