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道路交通仿真技术与系统研究

时间:2012-06-01


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第2 6卷 第 5期 















报 
RS 工   

Vo . 6 No 5 12   .  Oc .2 0   t 02

笙!  

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OF NOR   THERN 儿AO1[NG 刀 、 ) I 

文章编号 :0 01 0 (0 2 0 —0 71  1 0 —56 20 )50 3 —0

道 路 交 通 仿 真 技 术 与 系统 研 究 
毛保 华  杨肇夏  陈海 波2 , ,  
( . 方交通 大学 交通运输 学院 , 京 1 0 4 ; . 1北 北 0 0 4 2 利兹大学交通研究所 , 利兹 L 29T) S  J  



要 : 结 回顾 了仿 真 技 术在 交通 运 输领 域 内的 应 用进展 , 总 简要 介 绍 了国 外几 类不 同的 交通 

仿 真 系统 的功 能特 点 , 分析 了这 些模 型在 我 国应 用的 障碍 , 出了不 同层 次 交通仿 真模 型研 究  指 的技 术要 点 以及 构建微 观 交通仿 真模 型 的 一般 思路 . 文从 我 国城 市交通 的 实际 出发 , 讨 了 论 探   在 我 国城 市 交通领 域 内开展 交通仿 真 研 究 的建模 重 点与 相 关技 术 关键 , 出 了 目前 我 国 交通  提
仿 真 系统研 制应 采取 的技 术路 线 和对 策 .   关键 词 : 系统仿 真 ; 市 交通 ; 观 仿 真 ; 城 微 交通 流理 论 
中图分 类 号 : 9 .2   U4 1 1 3 文 献标 识码 :   A

Re i w  f Ro d S m u a i n Te h l g e   n   y t m s v e o   a   i l to   c no o i s a d S s e  
M AO  oh a Ba - u  , YAN G  h ox a C E   i o Z a — i , H N Ha —   b
( . c o l f rf ca dTr so tt n o h r   a t n   i ri , e i  0 0 4 C ia  1 S h o o  af  n   a p r i ,N r en J oo gUnv s y B in 1 0 4 , hn ;   T i n ao t i e t jg

2 Un e i  f ed ,L es S  J UK) . i r t o  es ed  29T, vs y L L  

Ab ta tThsp p rrve  h   rg eso i lt n tc n lge  p l d i r n p r  y tms sr c : i a e e iwst e p o rs  fsmuai  eh oo isa pi  n ta s o ts se     o e a d s pya ay e h i  n t n  fv ro sit r ain l i ltr .I lod cie h  b t— n  i l n lzst erf ci so a iu   en t a  muao s tas  e rb st eo sa  m u o n o s s ce  ft es uao swhl p lig i  ieeta s r  ln iga d taf   n g me t u h l o  h  i lt r  i a pyn  nCh n s rn p tpa nn  n  rfi ma a e n ,s c   s m e o c
a  n p r p it  a a t r ,c m p ia e   d l g me h n s a d n n Ch n s   o u e t t n, si a p o r e p r me e s o l t d mo e i   c a i a c n m  n   o — i e e d c m n a i   o

a da v n e  h   e   it f h   to oo i  d p e    r n p r s uains se  n   e — n  d a c st ek y p n so  emeh o t d lge a o td i ta s t i lto  y tmsa dg n   s n o  m ea r e r   fmirso i s r l a wo k o  co c pc i ltr .Ba d o  h  r fi e vrn e to   ia,t ep p r fm   muao s e s   n t e tafc n i m n  fChn   o h   ae  hg l h sisds u s n o   d eig a d o g nz t n r ltd t  e eo ig smuao sfru b   ihi t t  ic si   n mo l   n   r a i i  eae  o d v lp n  i ltr o   r a g o n ao n

taf   a a e n  dta s r  ln ig.A eiso  l i   n   e s rme t  a eb e  tt  rfi m n g me ta  r n p t a nn c n o p sr  fp i e a dm a u e n sh v   e n sa — e o cs e   rt ed v lp n  fmo eef in  i uao s d f  h   e e me to  r fi e ts lt r . o o c m  
Ke   r s s se  i lt n;u b n ta s r ;m i o c pcsmuain;taf  lw h o y ywo d :y tm smua i o r a  r n p t o cs o i i lt r   o rfi f c o ter 

1 问题 的 提 出 
现代科技进步使得仿真技术已经成为改善各行业规划 、 设计和运营工作的重要工具 , 最典型的例子是  波音公司在飞机设计 、 制造和生产过程利用仿真技术 , 大幅度地缩短了生产周期 , 降低 了成本 . 国是仿真  美
技术 及 系统 发展 最 快 、 用 最 广 泛 的 国 家 . 97年 , 国 成 立 了 计 算 机 仿 真 学 会 (oit  rC mptr 应 16 美 S c yf   o ue  e o

S l i )推动 了仿真技术在美国的发展和应用 . i ao , mu t n 目前 , 无论是工业 界还是科技 与教育界都大量使用仿  真工具 , 仿真已经成为各行业、 各部 门降低成本 、 保持技术优势的重要手段  . J  
交通 仿 真是 研究 运 用 现代计 算 机技 术再 现 实 际交通 系统 的特性 、 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 , 是 评 价 运 输 设 施 各 类 运 用 设 计 方 案 效 果 的 有 效  也
收 稿 日期 :0 20 —6 2 0 —82 

基 金项 目 : 国家 自然科学基金资助项 目(0 7 0 4 ; 7 13 1 ) 交通 运输 系统模 拟实验室项 目( 0 1 1  2 00 ) 作者简介 : 毛保华( 9 3 )男 , 1 6 一 , 湖南祁 阳人 , 教授 , 士.nalb r o e trnt.d .n 博 e t :hr @cne.j eu e  i m u

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第 2 6卷 

方法l .   

对 交通 系统 的仿 真研 究 可 以分 为 3个层 次 : 观仿 真 、 观仿 真与 微 观仿 真 . 宏 中  

宏观仿真着重从全局角度来研究 系统特性 . 最早的宏 观交通流计算模型是 Lg ti 与 Wi a 提出 i hl h l tm h   的 3.   宏观仿真模型 中, 交通流被视为一个 可压缩 的媒体或流体 , 交通流的运动按照流体机制来处理 . 宏 
观仿 真通 过 流量 一 密度 关 系 来控 制交 通 流 的运行 , 型 中不追 踪 单个 车辆 的移 动 . 如 , 模 例 当考察 路 径 上 的 

某一 固定路段时 , 在给定时间内交通流的变化按照流人与流出的车辆数量来推算. 宏观模 型对于描述整个 
交通 网络 的全部 流 量是 有 效 的 , 但宏 观模 型不 能 刻 画 瓶 颈 的 动态 变 化 , 很 难 兼 顾 每 一 车 辆 驾 驶 员 的行  也

为. 典型的宏观仿真问题有路径出行选择问题 、 网络流量分配问题等 .   微 观仿 真模 型 以跟 车模 型为基 础 , 踪 每个 车辆 的 移动 过 程 . 微 观模 型 中 , 辆 的 移 动 由驾 驶 员 的  追 在 车 特性 、 车辆性能 、 车辆周 围的环境和道路几何条件来决定 . 微观模型考察 的重点是单个 的“ 驾驶员一车辆元  素” 在交通网络环境下的动态变化 , 它采用的规则包括 3 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 . 、 较早 的微 观模 型是 Gai提 出的距 离 模 型 _ , 可 以近 似地 研 究 车  z s 4它 j
辆 的移动 行 为 、 的生理 感 受 以及单 个 驾驶 员 的心 理决 策 过程 , 可 以用来 仿 真 和评估 由交通 车 辆产 生 的  人 也

环境问题 ( 如污染物质排放量 , 噪声等)在微观模 型中, . 驾驶员路径选择决策 , 一般是在路径诱导系统提供  的信息基础上采用概率路径选择模型来刻画. 微观模 型可以给出单个车辆的详细结果 _ 包括实际速度 、 5, 5 _   旅行时间、 拥挤时间等. 不过 , 这种模型一定程度上受仿真车辆数量 的限制 , 也取决于计算机的 C U及 内 P   存容量 , 多数模 型难 以在 大规 模 网络 上进 行 在线 运行 .  
相对 而 言 , 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 , 微 观模 型虽  宏 而

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 .  
鉴于宏 观模 型与微 观模 型在 应用 上存 在 的 明显 不足 , 际研 究 中 出现 了一 类 中观 模 型 . 际 上 , 真  实 实 仿

追求的两大 目 标是大型网络与巨量交通流量 , 要在道路 网络内建立能够兼顾宏观与微观模 型优点 的交通  流 动态 运行 模 型 . 中观 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 ( 密 度 、 量 与  如 流 速度 )又可以保 留微观模型中的核心数据 , , 如实际速度、 旅行时间和旅行距离等特性各异的单个车辆 的运  行结 果 .  
最典 型 的 中观建 模 方 法是 : 网络 中的各链 ( ik或 Srth根 据需 要 分成 多 个 路段 (emet , 这  将 Ln t c) e Sg n)在

些路段中 , 车辆的运行按照宏观流模型来运行 . 在每一“ 驾驶员一车辆元素” 可以加入一些参数来刻画  中, 诸如加速度 、 减速度等动力学特性以及诸如期望速度 、 道路能力期望裕量等驾驶员 的心理特性 . 不过 , 与微  观模型相比, 中观模型只能部分刻画“ 车辆一驾驶员元素” 的行为. 随着计算机技术的发展 , 微观仿 真模 型  也许 可 以在更 大 的 网络 上 描述 更多 流量 的交 通 问题 .   早期 的交 通 仿真 模 型 注重 交通 管理 措 施 的测 试 、 验 和 改 善 .0世 纪 9 检 2 0年 代 以后 , 通 仿 真 向 IS 交 T  应用方 向发展 , 在干线交通控制 、 线路实时诱导 、 突发事件管理等领域取 得成功应用  典型 的例子有 中 3.   观模 型 D AS YN MAR T与 I NTE A ON、 观模 型 MI I 及 TH E GR TI 微 TSM OR AU[ ̄ 0. 6l     J
图 1描述 了交 通 仿 真在 交通 管理 中应用 的逻 辑 关 系 . 目前 , 交通 仿真 技术 已经成 为 评 价智 能交 通 系统  (TS 策 略 的一种 重 要工 具 . I )  

图 1 以交通管理计划仿 真为 目的的应用   

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毛保 华等 : 道路交通仿 真技术与系统研 究 

2 仿 真 技 术 的 进 展 
从 技术 角度 看 , 散事 件仿 真 ( E ) 最成 熟 、 用最 广 泛 的仿真 技术 . 离 D S是 应 近年 来 , 着 计算 机 技 术 的 发  随

展与算法水平的提高 , 组合仿真也越来越普及 . 总的来看 , 近年交通仿真技术上 的进展为 :   ( ) 约束 规划 算 法 . 1有 有约 束 规划是 按 照 约束满 意 问题 ( ) 描 述 的 , 包 括 3方 面 : 是 有 限 变量  C  来 它 一 集; 二是变量域 的定义 ; 三是约束条件集. 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 .  

( ) 糊逻 辑 . 糊 逻 辑是 将某 一 给定 范 畴从 传 统 的 “ 真 ”“ 2模 模 全 、全假 ” 式 扩 展 到 “ 分 真 ” 中 间模 式  模 部 的 的理论 . 糊逻 辑 理论 以模 糊 集概 念 为基 础 , 模 在描 述 交通 流 与 驾 驶 员行 为 的模 型 中已 获 得 重要 应 用 , 如美  国 L s 1m( 国家实 验 室开 发 的 T ANSMS9软 件 . o  a ) A s R I L j   ( ) 性模 型 . 3定 定性 模 型 ( ) 叫定 性 推 理 , OM 也 产生 于 2 纪 8 0世 0年 代 _ 是 一 种人 工智 能 研 究 方 法 . 1  ,   它 是 在传 统建模 方 法 与推 理机 制 基础 上发 展 的 . 定性 模 型 主要用 于宏 观 仿 真 , 网络管 理 、 速公 路仿 真 、 在 高   城 市仿 真领 域 已有 应用 .  

() 4 虚拟现实 . 虚拟现实( r a R at) Viul ely 通过交通通讯与即时反应 , t   i 使用户能在一个计算机产生 的三 
维 环境 下观 测 和操 纵该 环境 中 的内容 . 拟现 实 需要 运 用 计算 机 处 理 能力 、 虚 图形 显 示 系统 、 视频 与音 频 仿  真、 人机 界 面 等技术 . VR可 以分 为 4类 : 桌 面 虚 拟 系统 , 利用 基 于 个 人 计 算 机 建 立 桌 面 虚 拟 系 统 ; ① 即 ②  环 境 虚拟 系统 , 即在一 个封 闭 的房 间 里采 用墙 、 花板 与 地板 等 来表 达感 觉 ; 虚拟 现 实模 拟器 , 交 互可  天 ③ 将

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 ; D虚 拟 系统 , 这种 虚 拟 现 实 系 统 中 , 户感 觉 成 为 3 环境 内 部 的 一 部 分 , 用 户 的交 互  @3 在 用 D 与
是 无缝 且透 明的 . 相对 而 言 , 面 虚拟 系统 中用 户 的感 觉 则是 外 部 的 . 桌   交通仿 真 中 , 虚拟 现实 技术 可 以再 现 真实 、 整 的交 通 案 例 . 与微 观 交 通 仿 真 的 结 合 可 以 改善 计 算  完 它
系统 与用 户之 间 的交互 界 面 , 3 在 D环 境下 表 达 、 拟 和提 供输 出结 果 . 模  

( ) 理信 息 系统 ( S . 5地 GI)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 . 此外 , I 可 以较静态链一节点数据  GS 模 型 提供 更细 致 的路径 数 据描 述 . GI , 以分 析 车 辆 、 通 量 与事 故 数 量 和 空 气 质 量 间 的 关 系 . 在 S中 可 交 数 
据 库 中可 以包 含 网络结 构 数据 ( 纵 断面 、 平 交叉 口等 ) 出行数 据 ( 、 起讫 点 、 路径 等 )交 通 属性 ( 度 、 、 速 流量 与 

事故等)运营属性 ( 号、 志 、 面等 ) 目前 , 多交通 仿 真软件 已经有 与 G S接 口, E 、 信 标 路 . 许 I 如 MME 2  /、
T ANP A 等 . R LN  

( ) 传算 法 . 传 算法 ( 6遗 遗 GA) 一 种 从 “ 者 生存 ” 自然 进 化 原 理 演 变 而 来 的 、 于 随 机 的搜 索 技  是 适 的 基

术. 遗传算法适合那些有可计算指标 的优化问题 . A在交通 中的最近应用包括 3方面 : G 一是交通信号 的   优化与近似优化 ; 二是交通 网络的设计问题 ; 三是动态交通分配问题 . 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 .   ( ) 经 网络 . 7神 神经 网络方 法 是一 个广 义 的术 语 , 它覆 盖 了不 同 的框 架 和 范 畴 . 经 网络 方法 通过 大 量  神 简 化 的神 经元 及转 换 函数 来推 算 系统 输 出 , 网络 可 以按采 用 的学 习规 则 分 为 3类 : 督 型 ( thNisn  监 Hec t e o , l 18 ) 自组织 型 ( o oe ,98 与 加强 型 ( pid 18 )神经 网络方 法 在 描 述 交 通 系 统 中那 些 难 以用  99 、 K h nn 18 ) Ho fl,92 . e 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 , 挤 交 通 状 态 下  拥 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 . 传统上 , 交通仿真程  序 中的事件 具 有 固定 的时 间 间隔 . 在每 一 间 隔的结 束 , 有 车 辆 的状 态 是 已知 的 , 于 事件 的仿 真 方 法 可  所 基 以改善 交通 仿 真 的行 为 . 散 时 间并行 处 理可 以减 少 处理 时 间 , 于 大规模 路 网具 有 很 好 效 果 _ 1 为 成  离 对 1. l较
功 的案 例是 微观 动 态交 通模 型 S E R与 P A IS, 有 评价 各类 交 通 管理 策 略 的效果 . T E AR M C 具   ( ) 向 目标 的规划 方 法 . 向 目标 的规划 方法 是 一 种 通 过更 “ 9面 面 自然 ” 的方 式 来 解 决 问题 的新 方 法 .   目

标规划将研究重点放在事件发生的 目 标而非事件本身 , 强调事件的类及其属性 , 是由经典 的结构化分析方  法 向规 划方 法 的一种 自然进 化 .   以上 技术进 展 大致 可 以分 为 4类 : 是仿 真建 模 方 法 , 离散 事 件 仿 真 , 糊 逻 辑 , 性 建模 等 ; 是  一 如 模 定 二

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数据收集 与分析方法 , 如知识发现 , 模糊逻辑等 ; 三是决策支持方法 , 如神经网络 , 遗传算法等 ; 四是仿真的 
运 行 与计 算 环境 , GI、 如 S VR、 并行 处 理等 . 些 技术 的综 合运 用 极 大地 改善 了仿 真过程 及 其效 果 . 这  

3 国外道 路交通仿真 系统   
2 世纪 6 0 0年代 以来 , 国外交通仿真系统得到了较大发展 . 目前 , 公开发表 的道路交通仿真软件 已有 
近百个 , 一 定应 用 的软 件 系统 也有 数 十个 . 有   如前 所述 , 通 仿真 软件 的新 用 途是 为 I 交 TS提 供论 证 手段 .TS应用 的一个 重要 特 点是 要 考察 整 个 网  I 络 的全局 效果 , 而能 够 满足 这 一 目标 的传 统 软件 并 不 太 多 . 近年 来 , 对 I 针 TS开 发 的软 件 主要 有 D NAS  Y —
MAR VIS M 、NTE T、 S I I GR盯 I ON、 TS M、 MI I THO AU、 RA I 、 RE T NS MS WAT I 与 P NS M— D   SM LA I T. Y—

N S R A MA T与 I T G A O N E R TI N采用的模型多数属于中观范畴 , 可研究动态交通分配 问题 . L N I T   P A SM— 、 P A IS与 I TE A TI 由于采 用 了并行 处 理技 术 , 用于 大规 模道 路 网 络 的仿 真 . AR M C N GR ON 可  
传 统 软件 中 ,0世 纪 7 2 0年代 由 F HwA( eeaHih yAd nsrt n 资 助开 发 的 C SM( OR— F drI g wa  mii ai )   t o OR I C   r o SMuain是 美 国 乃 至 全 世 界 运 用 最 广 泛 的 微 观 交 通 仿 真 模 型 之 一 l . 近 , O I 已经 与  i r I lt ) d o  j最 C RSM

T I ( r f ot a   t rt  yt 结合 , 以为用户提供一体化的、 SS T a iS f r I e ae S s m) fc w e n g d e 可 界面良好的交通仿真环境 .   麻省理工学院( T) MI 建立了一个关于动态交通管理措施 的行为评估和优化实验系统[]该 系统包括  1, 3 4 个部分 : 一是交通管理仿真器 , 模拟线 路诱导 、 交通信号和标志 的生成 ; 二是交通 流仿 真 , 模拟基于实时  交通 信 息 的单个 车辆 移 动和 驾驶 员 线路 选择 行 为决 策 ; 三是 系 统监 督模 块 , 责通 过感 应 器 收集 实时 交通  负
数据 , 明 网络 上 的交通 量 ; 查 四是 控 制模 块 , 负责 加 载 由待 评价 的交 通 管理 系 统 产 生 的 控 制 策 略 和线 路 诱 

导结果 . 该系统在一个 13 4 个节点 、7 条链 、0 余个车道的网络上按 0 1 步长运行 1 高峰小时所需  11 70 .S   个 要 的时 问为 2   n  9mi.
3 1 交通 仿 真软 件 的 目的与 分布  .

英 国利兹 大学 交通 研究 所 在 19 曾调 查 分析 了全 球发 表 的微 观交 通 仿真 软件 , 研 究 检索 到 全球  9 9年 该

l 个 国家的 5 个 比较有名的仿真器 , 2 8 并分析 了其 中 3 2个系统  在检索到的 5 8. 8个微观仿真模 型中, 美  国有 l 软件 , 国有 l 个 软件 , 国有 9个 软件 . l 5个 英 1 德 表 列举 了 目前 在交 通 领域 内应 用 的部 分 软件 
表 1 知 名 道 路 交通 仿 真 软 件 及 其 开发 单 位   

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毛保华 等 : 道路 交通仿真技 术与系统研究 

不难看出, 上述系统的开发商可 以分为 3 : 类 一是交通研究机构 ; 二是大学 ; 三是从事交通领域相关工  作的公司 . 上述系统中 , 有一半 已成为有一定用户规模的商用软件 , 并在不断开发 和升级 , A MS N , 如 I U 2 
F E S T I F E I , L X Y I, R S M HUTS M ,NT GR TI N, AR M IS, HOR A I I E A O P A C T E U,S UR D AC A 及  UT N、 R UL

VISM 等 . SI 另外 一 些软 件 多数 是正 在 开发 和试 运 行 的研 究 型软件 .  

对微观交通仿真系统 , 一般可 以根据道路交通仿真系统的功能 , 从城市交通 、 公路交通角度对既有系 
统进 行 分类 . 2列 出 了不 同领域 内的各 类模 型 . 表  
表 2 微观 交通仿真软件 的适 用范围 

可 以看 出, 以交通管理计划研究为重点的微观交通仿真软件的主要市场是城市交通领域 , 完全面向高  速公路的软件主要是为汽车与道路设计服务 的. 这一现象也说 明了 目前 城市交通 中问题 较多 , 需要有先  进、 科学 的手段 来加 以分 析 .  
3 2 交通 仿真 软件 的 功 能分析  .

对 道路 交通 来说 , 通 软件 的功 能是 以它 能描 述 的交 通现 象 以及 能够 评价 的交通 性 能为 基础 的 . 观  交 微 的交 通 现象 有很 多 , 3统 计 了既有 软件 的功 能 . 表  
表 3 微 观仿真软件能够 描述的交通现 象[  7 】

从 表 3可 以看 出 , 数微 观软 件 可 以刻 画交 通 流的运 行 , 对 于停 车场 、 多 但 行人 的描述 仍 不够 . 国外对 自  

行车的描述实际上侧重 自行车对机动车行驶的影响( 约束)这种 自行车运行优先的模式 比较适合 自行车  , 流量 较 少 的情景 . 些 软件 在描 述 自行 车 与 自行 车之 间 、 这 自行 车 /亍 对 道 路 通 行 能力 的影 响 等方 面远 远  彳人
不 能满 足需 求 .  

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3 3 交通 行 为评 价  .

如前 所 述 , 交通 仿 真 的 目标 是 评价 交 通管 理 计划 的行 为效 果 . 通 研 究 的效 果 包 括 5个 方 面 : 是 与  交 一 出行 效率 相 关 的方 面 , 出行 的速 度 、 间等 ; 如 时 二是 与 交通 安全 相 关 的方 面 , 包括 车 头 时距 、 故等 ; 是 与  事 三 交 通 环境 相关 的方 面 , 如各 种 污染 物 的排放 及 振 动 的产生 等 ; 四是 与旅 客 舒适 相 关 的方 面 , 如停 站 次 数 , 密  度 , 挤程 度 , 拥 紧张 、 舒适 性 等 ; 五是 交通 出行 的技 术性 能 指标 , 费用 与燃 料 消 耗等 . 如  

表4 列举了微观交通仿真系统可评价的行为指标 . 从表 4中可知 , 多数微观交通软件可以描述交通出   行 的效率 , 但能描述方式选择 的微观交通软件却不多 , 主要是因为方式选择属于宏观/ 中观交通软件 的研  究范畴. 例如 , 中观软件 S T R 宏/ U U N可以描述交通分配问题 , 而微观软件 D A UL R C A则只能在给定路径  条件下实施仿真 . 环境排放近年受到普遍关注 , 多数软件 已可以描述 出行的环境行 为. 目前 的微观软件对 
舒 适性 的描述 仍 乏善 可 陈 .  
表 4 微观交通仿真 系统可评价 的行 为指标[] 8   目 标 指 速 拥 效 率  标  度  挤  8  7 8  7 7  1 6  8 6  5 2  6 1  6 安 全  目 标 指 标  4  2 2  6 1  6 1  6 1  6 1  6

车头 时距  超 车  事故数量  事故/ 度严重性  速 离碰撞时 的时间间隔  行人作用 

出行时间  出行时间变化率  排 队长度  公 交管制  方式选 择 

环境 路污水    傍染平 排物 放  噪声  
4 交 通 仿 真 系统 的 结构 

5 舒适 物 性 2     羹   1 技性  车 霎 3 术能   用    
1  6

以微 观 交通 仿 真系 统 为例 , 其结 构一 般 包括 3 主要 模 块 : 道 路 网 络描 述 模 块 , 括 交叉 口 , 段 , 个 ① 包 路   小 区等 ; 车路 间 的信息 通 信模 块 , ② 涉及 交 通流诱 导 等 问题 ; 车辆 动态 运 行模 块 . ③  
4 1 道 路 网络描 述 模块  .

网络 是 交通 流运 行 的基 础 . 根据 用途 , 网络 可 以分 为公路 干 线 网络 与城 市 网络 . 目前 , 不少 仿 真系 统 可  以 同时具 有 公路 干线 网络与 城 市 网络描 述 功能 , MI SM 等 . 般地 , 通仿 真 系统 中网络 定 义 由网 络  如 T I 一 交 编辑器 完 成并 形成 仿 真需 要 的数 据 库 . 基 本 的 网络 数 据 包 括 节 点 ( d )链 ( ik或 Srth 、 路 段  最 Noe 、 Ln t c )子 e (emet和 车道 ( ae4类信 息 . Sg n) L n)  
4 2 车 路 间信息 通信 模 块  . 包 括 以下 两个 子 模块 :  

() 1感应器 . 用来摄取网络上交通流的信息. 它又可分为 4类 : 点交通 流量检测感应器 ( 摄取观测点 的   交通量 、 负荷及速度、 间隔)点交通实体信息检测感应器 ( ; 摄取单个车辆信 息 , 如类 型、 属性等 )点到点数  ; 据检测感应器 ( 网络中两点之间旅行时间等信息) 区域范 围感应器( ; 雷达检测及视频照相设备等) .   ( ) 通控 制设 备 . 括 交叉 口控 制设 备 、 2交 包 匝道 控 制 ( 匝 道截 流 ) 备 、 线 控 制 设 备 ( 车 道 利 用 标  如 设 干 如 志( US , L )可变速度限制标志( L )可变信息标志( Ms , Vs S , V )隧道人 口标志) 以及 电子线路诱导设备等 .   交 通控 制设 备 可 以是 全路 段 的 , 可 以是 特定 车道 的 . 也 控制 装 置 可 以按地 点 、 型 、 始状 态 及 可视性   类 初 来刻画 . 例如 , 交通信号 的状态可以是红 、 、 黄 绿及停用等.   比较 有 名 的线 路诱 导 系统 有德 国 的 E O-C UR S OUT 系统 . 真研 究 表 明[ ]该 系统 可 以使 整 个 道 路  仿 1: 4 网络 车辆 的平 均 速度 提 高 3 %、 8 出行 时 间减少 1 % ,O排 放减 少 1 % ,  排 放 减少 3 % . 9 C 8 NO 9  
4 3 微 观仿 真 中 的交通 模 型  .

道路 交 通微 观仿 真 中需 要用 到 的模 型 主要 有跟 车 、 换道 和信 号 响应 逻 辑 3个 系列 的模 型 . 多数 软件 中 

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毛保华等 : 道路交通仿 真技术与系统研究 

采用的跟车模型以 H r n e ma 等人提出的模型[  ]  , 为基础 , 主要是根据后车与前车 的关系计算确定后 车的  加 饿 速度 . 跟车模型中需要计算的要素包括 : 当两个及以上车道合并到一支交通流时 , 后车需要确定一个 
前行车 ; 避让 另 一辆 车进 入 本 车道 .   跟车 模 型 以车 头时 距 和前 后 车 的相对 速度 为 基 础 , 一般 可 以分 为 3种 模 式 : 由流模 式 、 车模 式 和  自 跟 紧急 减速 模式 .   自由流模 式 下 的加 速 度值 为 
f  n < 

a = 0      

=  

() 1 

l  " > n : U   n
式 中, 是车辆  的加速率 , :是最大加速度 ,  是正常减速度 , 是当前速度 , a a a     当后行 车辆与前车距离小于某一预设值时 , 采用紧急跟车模型  是最大速度 .  

f  1  .  
n  : 

㈣n   1  

一—  

( 一 一) 一     1   l  



" U n  

、  

() 2  

l  

mi{  ln } n口 , : 

≤   一  l

式 中 ,  l a 一为前 车 的加 速度 , 为离前 车 车尾 的 空 间间距 , g  


l 前 车速 度 . 为  

般情 况 下 的跟 车模 型 为 
: 。    一 (   。   )   () 3 

这 里 a 口与 7为 与驾 驶 员行 为 相关 的模 型参 数 , +” 、 “ 表示加 速 度 , 一” “ 表示 减 速 度 .  

有信号条件下需要计算红灯停车距离 、 减速度及绿灯加速度 3 个指标 .   目 前最常用 的换道模型是 Gps18 i ,96年提出的[ ]换道 的计算 主要 以换道概率 、 p ”. 换道加速度 、 可接 
受 间 隙等 指标 反 映 . 道 根据 需 求 和类 型可分 为 强制 换 道 与 自由换 道 . 制 换 道包 括 : 通 往 下一 目的地  换 强 ① 路 径所 需要 的换 道 ; 避免 进 入下 一堵 塞 / 锁车 道所 需 要 的 换道 ; 避免 进 入 某 一 限 制 车道 所 需 要 的换  ② 封 ③

道; ④响应 L S与 V U MS所需要的换道 . 自由换道是指驾驶员 为追求更 高速度 、 绕过大型车辆 、 避免进入  与 匝道 相连 接 的 车道 等而 采取 的换 道 行 为 .  
强 制换 道时 , 车辆  的驾 驶员 在 离下 一 节点 ( 突发 事件 点 、 或 堵塞 车 道 点 、 色 L 红 US点 等 ) 离 z 距  处 
的换 道 概率 为 

1 pz一 o I [  x    ( e x ) 1  

z≤ X0  X   X >0 n  

‘  4

, 、  

式中 ,  z 是距下一节点或突发事件点或堵塞车道点的距离 ; o z 是临界距离 , 与特定信息标志有关 ( 如最后  的出 口标志 )  = a ; o+a  l m + aK, 中 , 2 其 m 是 车辆 进 入 目标 车道 需要 越 过 的车 道数 量 , 为该 路 段  K
的交 通 密度 ,o a 、 2 为参 数 . a - la 等 ,   自由换 道条 件 下 , 道 决策 是 以当前 车道 和邻 接 车道 的交 通条 件 为 基 础 的 , 需 要 考 虑 期 望 车 道 (   换 它 由 驾驶 员对 速 度 的喜 好等 因素决 定 )可接 受 空 隙等 因素 . 、   图 2是微 观 交 通仿 真 系统 的一 般 流程 图 .  
4 4 仿 真 系统 的输 出指 标  .

输出仿真指标是反映仿真系统功能的重要方面 , 也是充分发挥交通仿真器作用的重要步骤. 交通仿真  系统的输 出指标一般包括以下几方面 : ①网络上车辆行驶 的信息 , 如总旅行 时间, 旅行距 离, 平均速度 ; ②  经过的交通检测设备 , 如记数器 , 速度 , 车道 占有情况 , 点到点时间 , 车辆类型 , 突发事件信息等 ; ③路段交  通 数 据 , 括路 段 交通 密 度 , 包 路段 平 均速 度 , 旅行 时 间等 ; 仿 真 运行 中 的警 告 及 错 误 信 息 ; 环境 排 放 与  ④ ⑤ 燃 料 消耗 数据 ; 车辆 运行 与路 段 交通数 据 的 图形 显示 . ⑥  

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第2 6卷 

图 2 典 型 的微 观 仿 真 模 型 流 程  

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毛 保华等 : 道路交通仿真技术 与系统研究 

4  

5 我 国 交通 仿 真 系统 研 究 的 技 术 关 键 
5 1 仿 真 建模 的技 术 关键  .

我 国道 路 交通 运行 环 境 与发 达 国家 不 同 , 要 特点 有 lJ① 混 合 交 通 流 环 境 . 同类 型 , 其 是 较 大  主 l:   8 不 尤 比例 的非 机动 车 流与 机 动车 的混 行 使得 车 辆跟 弛模 型 与换 道模 型 发生 重 大变 化 . ②行 驶 行 为不 规范 . 多  过 的交通 不 畅使 得交 通 标 志和 道路 行 驶 的规则 对 驾驶 员 和行 人 、 自行 车 者 的约 束大 打折 扣 , 对 描述 这些 行  这 为 造成 了很 大 困难 . ③车 辆特 性差 异大 . 国道 路上 行 驶 的车辆 种 类繁 多 , 能差 异很 大 . 能 较差 的 车辆  我 性 性 给 道路 增 加 了突 发事 件 的可 能性 .   为此 , 开发 交通 仿 真模 型 的 同时 , 在 要研 究解 决 以下技 术 关 键 : 建立 非 机 动车 与 机 动 车 之 间 的影 响  ① 模型 , 包括 在交 叉 口[]有 隔 离路 段及 无 隔离 路段 的相互 作用 模 型 ; 1、 9 ②研 究我 国国情 下 道 路 交通 管 理 计 划 

的计算机描述模型, 重点是城市道路交叉 口信号配时对机动车与非机动车行驶 的描述 ; ③研究我 国城市道  路 网络 的构造 模 型 , 点是 对 不 同类 型立 交 、 面状 况 及 支线 街 道 及 车辆 行 驶 特 点 的定 义 ; 行 人 行 为 及  重 路 ④
其 对道 路 交通 流运 行 的影 响模 型 .  
5 2 仿真 过 程的 实施 要点  .

整 个交 通仿 真 系统 一 般需 要 在一 个分 布 式计 算 环境 下实 施 , 各模 块 在一 个 总控 模块 下 实施 . 真过 程  仿 实施 中涉及 的主要 技术 关键 有 : 硬件 与 软件 环 境 . 真 的 网络规 模 及 交通 实体 数 量 一 般 受 计 算 机 软 、 ① 仿 硬  件 制约 的 . ②计 算 经验 . 观仿 真 中 , 车 与换 道模 型 需要 的步 长 一 般 为 l . . 用 户 界 面 . 户 图形  微 跟 ~0 1S③ 用

界面可显示的信息包括 网络 、 检测 器 、 车辆移动 的发生 等. 与支持模 块 的通 信 . 以采 用并行 虚拟机  ④ 可 (Ⅵ  ) 进行 这类 通 信 _ 一 般 需要 一 个 总控 模 块 来 协 调 各 模 块 之 间 的 数 据 交 流 . 总 控 模 块 . 要 功  P 来 2  , ⑤ 主 能是对各模块进行协调和实施 , 模块间的信息交换需要通过处理器之间的通信来完成 .  
图 3描 述 了一 个成 功 软件 开发 的过程 及其 所 涉及 到 的要 素 .   、  

成 功软件 

图 3 系 统 开 发 的过 程 及 要 素 描 述   

经 验表 明 : 真系统 运 用 的失 败往 往 是 由 于经 费不 足 , 者 是 用 户 与 开 发 商 对 模 型 及 其 复 杂 性 的认  仿 或 识 、 析 和理解 不 够 . 分  

6 小 结 
本 文 回顾 了国外交 通 仿真 技术 的最新 进 展 , 总结 了既有仿 真 模 型 的功能 特点 , 出 了我 国道 路 交通 仿  指 真研究的要点. 国外 的交通仿 真模型和系统难 以在我国得到推广 , 主要障碍有 以下 3 方面 : 一是模型参数  问题 , 多数 国外 模型 中的参数 不 太适 合 有 大量非 机 动 车存 在 时 的 我 国交 通 环 境 ; 是 国外 产 品 没 有 汉化 , 二   外 文 界 面及 技术 手册 使 得它 们难 以在工 程技 术 界 得到 推广 ; 是 软件 的价 格 问题 , 三 国内交 通 企业 对 软件 的  认 识 还没 有 达 到发 达 国家 的水 平 , 正 的 软件市 场 尚未 形成 , 国加入 WTO后 , 真 我 这一 情 况会 有 所改 观 .   我 国道路交通问题多_ 交通仿真系统 的研究有很强 的需求背景和应用领域[ 2 2  , 2 .0世纪 9 年代 以 2 J 0   来 , 国对 仿 真 系统研 究也 逐 渐增 多  但 多数研 究 是 短 期 的 , 层 次 的重 复研 究 过 多 , 以产 生优 势 产  我 引, 低 难

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报 

第 2 6卷 

品. 目前需要仔细研究我 国城市道路交通的具体特点 , 尽快攻克机动车驾驶行为建模 、 非机动车出行行为 
描述及非机动车与行人对道路交通流的影响模型等技术难关 , 为实施科学 的道路交通管理计 划提供有效 
手段 .  

参 考文 献 :  
[ ]杨肇夏 . 算机模拟 [ .北京 : 1 计 M] 中国铁 道出版社 ,9 9  19 .
[ ] s r aa , ti  h , seB nAkv . vlai  f a  o t l gf l   s gMirs pc rfc i l — 2 Mamo  sn Mi l J a Moh e— i E a t no  mpC nr   oi - U i   coc iT af   mu   H h  ̄h a u o R o Al t m u n o   iS a

t n J . rnp r t nR sac £   i [ jT a sot i   eerhPL C:E rigT c nl i o ao n me n   eh o g ̄,2 0 ,0 3 : 2 —2 6  g o 02 1() 2 9 5 . [ ]Lg ti M , ta     .   nmai   v Ⅱ. Thoy f rfcFo o  o gC o e  asA] P e 3 ihhl J Wi m G B OnKi l   h e tswa  c A  e r    af  l nL n  rwddr d[ . r .R. o  o T i w  o o Sc [ ] o n o  e. C .L dnS t A:17 ( 2 ) 19 .3 7 4 . 18 29 ,9 5 1 —3 5   1 j z   C.C rF lwigTh r f taySaeTrfc l J . .O e. e,9 1 9 : 4 —5 7  4  iD  Ga s a  oo n   e yo  ed  tt a iFo ] J prR s1 6 ,( ) 5 5 6 . l o S   f   w[ [ ] rh r  , ot n   . af i l i  f o n ao t i S t r n [ . rce i so te 0 0Witr i lt n 5 B n adW P r e ma nP Trfc mua o o  u dbusn w z l d A] P oedn  fh   0   ne  mu i   iS tn R    i e a g   2 S ao o frneC]US a i ,ai r a 2 0 . 1 8 1 3  C neec [ . A SnDeo C lo i, 0 0 14 —15 . g fn [ ]Y n   ,K uspuo  6 a gQj oto l H.A Mi ocpcT af   i l o o  vl t no  y a cT af   ngmetsse [ ] o s   c so i rfcSmu trfrE a ai  fD nmi rfcMaa e n yt r   i a u o   i ms J .  
T a s r t nReerhC,9 6 4 3 :13—19  rnp t i   sac  1 9 , ( ) 1 o ao 2.

[ ]Ln   e a, et rci   n a[ B/ ] t : / 7 idG,t l B s Pat eMa ulE 0L .ht / w Ⅳ i . esa.k s r s,1 9 .     c p . s1 d .cu /mat t 9 9  t e e

[ jAg r S e 1 ei  f c -i l i   d e [ B 0L . t : / w.t 1 d .cu /mats,1 9 . 8  le   ,t .R v w o  r Smua o Mo l E / ] ht / ww i .e sa .k s r t 9 7  s a e i M o tn s p s e e [ ]D u hr   F xK,C l   9 og et M, o  y lp u i M,e a.Teh i l d ac ThtI ato  coi l t nMo en [ ] t 1 c nc   vnm  a mp c nMi s ai   dl g J .Trnpr R 一   aA   r mu o i as t e  o  
e s 2 0 ,0 2 :4 —1 1 w , 0 02()15 7 .  

[0 eb gD, e nceA,h esvV,da.M coadMar-i l i  f re yT a [] Mahmai ln  o ue  1 ]H li   H n ek  S vt   e  i r n  cos a o o  ewa  rmcJ . te ta  dC mp t n o 1 mu t n F c a r
Mo e i , 0 2 3 ( —6 :1 d ln 2 0 ,5 5 )5 7—5 7 lg 4.  

[1 1 ]王力劭 , 毛保 华 . 模拟 与分布式局部并行算 法实现拥挤 网络 的交通分 配 [ . 0 0年海 峡两岸 交通 大学交 通与环 保学  A]2 0 术研讨 会论文集 [ ] 成 都 : C. 西南 交通大学 ,0 0 5 —6 . 2 0 .4 1  [2 1 ]Ow nLE, hn   R oL,t 1 TrfcFo Smu t nUs gC RSM[ .Poednso  e 0 0Wi e i l   e    Z a gY, a  e a. af  l   i w i l i   i  0 I A] rce i  f h  0   n r mu — ao n g t 2 t S a t nC neec [ . A a   eoC lo i, 0 0 14 —1 4 . i   frneC]US SnD g ai r a 2 0 . 13 17  o o i f n
[3 e — kv  E,K uspuo  1 ]B nA i M  a o t o l H,Mi a n R,e a.S l inL b rt yfrE a ai   y a i T a i Maae n  o s sl i h a  t   1 i a o   a ao     vl t gD n c rf c ngmet mu t o r o u n m   f 

S s msJ . or ao Trnp r t nE gn r g 19 ,1 3 4 :8 —2 9  yt [] Junl f as t i n i i ,97 2 ( )2 3 8 . e   o ao e n [4 h nQ, tusH J E a aigT af f t o  R ue i ne yt b y a c i lt nJ . i l t n rci   1 ]C e Sas  . v l t u n rfcEf s f o t Gu a c S se yD nmiSmu i [] Smu i P at e i e   a c d m  ao ao c
a dTh oy ,9 7 ( ) 7 3 0 . n   e r 1 9 , 5 : 9 —8 4 

[5 1 ]Hema  r nR,Mo t lE W ,P t   nr l   o  ot R,e a. af  y a i  ̄A a s  f tblyi C rflw n [ ] p rt n  — s t TrfcD n c   1 i m s n l i o  a it    a— l g J .O eai sRe ys S i n oo i o  
s rh 9 9 1 7 :6—1 6 e c ,1 5 , ( ) 8 a 0.  

[6 1 ]Hema  R te     . a- lw n  n  t d tt lw[ .T er f a i Fo S mp s m  r ednsC] r nR, ohr R W C r oo ga dSe ySaeFo A] h o o  fc l y fl i a y Tr f   w y oi Po eig[ . u c  
16 . 9 3 1— 1 . 3 

[7 ip   A  d efr h t cue f n h n gI s n J . as r t n sac  9 6 2 ( ) 4 3—4 4 1 ]G ps G. Mo l   e r tr    eC aNn   P   t Su o oL a  ̄Si [] Trnp t i   erhB,18 , 0 5 : 0 o o a o Re 1.   [8 1 ]Ma  ah a i   upn , uH n .Bcc   ee p n  o c n e  x   rfcE v n n fC iaJ .A S oB o u ,Xa G li X   o g i l D vl metP lyu drMie T a i n i me t   h [] I TS   o g ye o i d f  r o o n
R sac ,9 9 ,2 2 : 2 9 eerh 1 9 2 ( ) 6 —6 .  

[9 1 ]李建新 , 毛保华 .混合交通环境下有 信号交叉 口通行能力研究 []交 通运输 系统 工程与信息 ,0 1 12 :1 J. 2 0 , ( ) 19—1 3  2. [0 e t B g enA, og ar , t 1 VM: aal  ru   c i - sr’ ud n   uoi  r t re aa— 2 ]G i  e ul  D ng r J e a.P s A, i a   P r e Vi a Mahn aues G i a dT t a f   wok P l   l l tl e e r o Ne l d r
l  mp t g M ] M I P e , a r g ,19 . eC l o ui [ . T r s C mb d e 9 4  n s i

[1 2 ]毛保华 , 杨方 , 刘海东 , . 国道路 交通拥挤成 因及 解决策略探讨 [] 道路交通 与安全 ,0 1 ( ) 2 —2 . 等 我 J. 2 0 ,2 : 0 2 
[2 2 ]邹智军 ,杨东援 . 道路交通仿真研 究综述 []交通运输 工程学报 ,2 0 , ( )8 J. 0 1 1 2 :8—9 . 1  [3 2 ]马小毅 , 王炜 . 拟方法在主路优先 交叉 口通行能力研 究 中的应用 [] 东南大学学报 ,9 7 2 ( ) 7 —7 . 模 J. 19 ,7 5 ,1 5  


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