交通仿真论文

目录
1 交通仿真 (2)
1.1 国内外交通仿真研究概况 (2)
1.1.1 国外研究概况 (2)
1.1.2 国内研究现状 (3)
1.2 道路交通仿真研究的意义 (3)
2 研究思路 (6)
2.1 考虑道路交通仿真的研究阶段 (6)
2.2 考虑微观交通仿真模型的基本模块 (6)
2.2.1 交通网络模块 (6)
2.2.2 交通需求模块 (7)
2.2.3 车辆行驶模块 (7)
2.2.4 交通控制管理方案生成模块 (7)
2.2.5 仿真输出模块 (7)
2.3 常用微观交通仿真软件简介 (8)
2.4 利用微观仿真软件进行交通分析的一般流程 (9)
2.4.1 对象界定 (9)
2.4.2 选用合适的仿真工具 (9)
2.4.3 数据收集 (9)
2.4.4 数据输入 (9)
2.4.5 模型的校核和标定 (9)
2.4.6 仿真输出分析 (9)
2.4.7 不同方案的比较分析 (9)
3 基于VC++微观城市交通仿真系统的研究与实现 (10)
4 VISSIM软件介绍 (11)
4.1 系统的模块构成 (11)
4.2 系统的功能 (13)
4.3 VISSIM的应用领域 (14)
4.4 VISSIM的实践应用 (15)
4.5 VISSIM关于微观交通仿真的运用 (15)
5 结语 (23)
致谢 (24)
1 交通仿真
交通仿真是20世纪60年代以来，随着计算技术的进步而发展起来的采用计算机数字模型来反映复杂交通现象的交通分析方法。

交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的一个重要应用，交通仿真是复现交通流时间空间变化的技术，交通仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的开发是交通仿真研究的两个核心内容。

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。

（1）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。

（2）中观交通仿真模型
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（3）宏观交通仿真模型
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。

1.1 国内外交通仿真研究概况
1.1.1 国外研究概况
国外的交通仿真研究发展阶段基本上经历了20世纪60年代，70年代至80年代以及80年代末90年代初以来的3个较为明显的发展阶段。

（1）20世纪60年代
国外交通仿真研究始于20世纪60年代，其中TRANSYT交通仿真软件是当时最具代表性的成果。

TRANSYT模型是由英国的D.L.罗伯逊于1968年提出，以后又经历了8次修改。

它是一种宏观仿真模型，用以确定定时交通信号参数的最优值。

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，模型多采用宏观模型，模型的灵活性和描述能力较为有限，仿真结果的表达也不够理想，这也是由当时的计算机性能所决定的。

（2）20世纪70~80年代
20世纪70年代至80年代，由于计算机的迅速发展，交通仿真模型的精度也迅速提高，功能也更加多样。

这期间的典型代表当属NETSIMU模型。

该模型是
一个描述单个车辆运动的,时间扫描的网络微观交通仿真模型,其对城市道路的交通现象的描述精度达到了一个新的高度。

大部分常见的交通现象如跟车行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行人冲突等，以及常见的交通控制管理措施如固定信号控制、感应控制、主/次优先控制、车道关闭等均可通过仿真软件进行模拟。

评价指标除了常规的延误、速度、行程时间、排队长度等常规指标外，还可描述诸如排队溢出、油耗、废气排放等指标。

另外，模型对道路几何条件的描述也更为灵活。

NETSIMU模型经过多次的版本升级，其功能日趋强大，广泛应用于交通控制与管理系统方案优化、交通设计方案优化以及交通工程相关领域的理论研究方面，至今为止，NETSIMU模型仍是目前应用最为广泛的仿真模型。

（3）20世纪80年代末及90年代初
随着20世纪80年代末和90年代初国外ITS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，并达到了交通仿真研究前所未有的高潮，出现了一大批的评价和分析ITS系统效益的仿真软件系统。

1.1.2 国内研究现状
与国外相比，国内在交通仿真方面的研究长期处于一种未受重视的状态，在国内的专业文献中鲜有报道。

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，同济大学、东南大学、交通部公路科学研究所等一批科研单位开始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成果。

但总的来说，目前国内的仿真研究仍较为零散，往往只局限于解决单一问题，如对二车道公路通行能力的仿真研究、高速道路入口匝道范围交通仿真、优先控制T型交叉口交通仿真等等。

深圳交通研究中心于近年成立交通仿真研究中心，并引进了德国VISSIM仿真系统。

这是国内交通工程专业机构通过引进国外成熟仿真软件并付诸实际应用来加快中国交通仿真应用的一个重要的尝试。

1.2 道路交通仿真研究的意义
交通系统是一个复杂、不确定、受人的行为因素影响巨大的系统，利用交通仿真工具，在仿真环境中构建现实中难以实现甚至无法实现的系统，多次以较低成本反复地试验：从复杂的现象中，抽象出问题的本质。

方案评价的需要。

传统的方案评价方法具有诸多缺点：如评价的指标比较有限、不够生动直观、无法对方案的整体效果进行全面的评价。

利用仿真工具则可以较容易克服以上缺点：尤其可以对风险比较大、或争议比较大的方案在计算机上进行模拟实施，既降低实施风险，也可以发现方案的不足。

交通拥挤和阻塞成为现代生活的一大难题，对于这一世界性的难题，人们己经达成了解决的共识：发展智能交通系统(ITS},使现有的道路交通设施更好地发
挥效益。

相应地，必须开发新的城市交通控制系统(UTC)。

该系统的一个基本特征是，系统可以对路网交通条件的变化做出实时反应，系统中各个组成元素可以进行实时的信息交流，因此为了有效地评估城市交通控制系统以及智能交通系统(ITS)的效益，需要一个合适的工具，能够对单个车辆一驾驶员这样的微观层面的各种相互作用进行建模分析。

微观交通仿真器能够描述各个车辆一驾驶员单元的特性及其行为，可以模拟出一个近似真实世界的交通环境；微观交通仿真器还有一个很重要的优点，它可以直接和现实中待评估的系统接口，从而不需要构筑该系统的模型。

如需要评估城市交通控制系统(UTC)，可以直接把UTC系统和微观交通仿真器连接。

所以，微观交通仿真是评价城市交通控制系统以及智能交通系统((ITS)效益的一个重要工具。

交通分析作为交通工程的一个基础性工具,广泛应用于交通工程的各个领域。

而不同的应用领域对交通分析工具存在不同的需求。

制定道路几何设计方案、交通控制管理方案时往往需要有更为细致、准确的交通分析工具以提供更好的决策支持手段。

而实际工作中由于缺乏这样的工具不得不照搬在宏观规划层次（如路网规划方案评价）中采用的聚集程度较高的交通状态分析工具。

与较为成熟的道路CAD技术相比，尚缺乏一个基于计算机辅助的能将道路和交通设计有机结合在一起的灵活的实验平台，这也是造成目前道路几何设计和交通控制与管理措施“各自为政”的技术方面的原因之一。

交通流的流体假设只是在总体上把握了交通流与真实流体之间存在的相似性，然而，道路交通流中车型的多样性与流体的流质之间完全相同的特性是不完全吻合的，以及交通流实际情况中经常出现的间断性也与流体的连续特性存在差异。

因此，传统的描述交通流状态的数学分析方法在描述系统的总体特性上有其特有的优点。

然而，数学分析模型因其理论基础的局限性，在满足一些微观层次的交通分析需求时存在着较为明显的缺陷。

另外，由于交通系统本身的复杂性以及交通工程的新技术、新概念的不断出现，客观上对交通分析工具的功能提出了更高的要求。

与传统的交通分析技术相比，计算机交通仿真技术，尤其是微观交通仿真技术具有非常明显的优势，主要体现在以下几方面：
（1）模型机制与交通系统的实际运作机制紧密对应
交通仿真分析注重的是对系统运行全过程的描述，而要做到这一点首先必须在模型机制上与实际系统运作机制吻合，这与数学解析方法的重“结果”轻“过程”是有本质区别的。

（2）模型描述的准确性和灵活性
微观仿真模型以交通系统最基本的要素如单个的车辆、车道、信号灯等为建模单元，因而能准确、灵活地反映各种道路和交通条件的影响。

（3）交通分析的开放性
借助于计算机技术，通过良好的用户输入输出界面，模型的运算结果可方便地与用户交互，增强了模型应用的实用性和方便性。

仿真结果的动画演示的直观性使得即使是非专业人员也能很容易理解；
（4）强大的路网动态交通状态描述能力
时间扫描技术为路网的动态交通状态描述提供了最大的支持。

交通仿真技术的优势，是使它能更好地满足以下交通工程应用领域的交通分析需求：
（1）交通管理系统设计方案的评价分析；
（2）道路几何设计方案的评价分析；
（3）交通工程理论研究；
（4）道路交通安全分析；
（5）新交通技术和新设想的测试；
（6）交通工程技术人员培训。

仿真技术以其高效、优质、低廉体现了它强大的生命力和潜在的能力。

在国外交通仿真技术的研究和实用交通仿真系统的开发日益广泛。

今天，中国的交通仿真研究尚处启蒙阶段。

因此，在一方面引进国外交通仿真软件的同时，很有必要在改变目前国内零散研究现状的同时，加强系统性的研制，开展国内交通仿真系统的研究工作。

2 研究思路
2.1 考虑道路交通仿真的研究阶段
道路交通仿真研究课题的复杂性决定了研究工作的长期性和分阶段性的特点。

结合国外交通仿真研究的发展历程以及国内的研究基础，可将该课题的研究分为两个阶段，即：
第一阶段、适应常规交通系统方案评价需求的仿真系统的研究和开发
该阶段的研发工作是仿真系统研究的基础，其研究成果也最易实用化。

由于微观仿真技术最能体现交通仿真技术的优越性，对微观仿真模型的开发毫无疑问应是研究的重点。

从系统性研究的角度考虑，在模型开发方面应首先注重建立较好的模型结构体系，以模型体系为框架先开发能反映常见交通现象的核心模型，在核心模型的基础上再展开进一步的建模工作。

另外，在仿真软件系统的开发方面，应特别注重软件功能的可扩展性。

第二阶段、适应智能交通系统（ITS）方案评价需求的仿真系统研究和开发面向ITS应用是交通仿真技术更高层次的应用。

交通信息的充分利用是智能交通系统有别于常规交通系统的显著特征。

因此，仿真模型系统要适应智能交通系统方案评价的需求，就必须增加对系统中围绕交通信息而产生的对象和现象的描述，如车辆驾驶员对各种交通信息的利用方式、各种交通信息的收集和传输方式、交通控制中心对交通信息的处理和加工方式等等。

另外，还应展开用于路网交通预测的中观或宏观交通仿真器的研究。

2.2 考虑微观交通仿真模型的基本模块
城市道路微观交通仿真模型应包含五个基本模块：交通网络模块、交通需求模块、车辆行驶模块、交通控制管理模块、仿真输出模块。

各模块的基本内容及功能描述如下。

2.2.1 交通网络模块
路网模块是车辆运行的基本载体和平台：路网模块由道路几何设施、交通检测和控制管理设施组成。

(I)道路几何设施由节点、路段、节段和车道构成。

通过路网编辑器和CAD 解释器，用户可以方便地构筑道路设施：车道、各种类型的交叉口、停靠站、人行横道等道路交通设施。

(2)交通检测设施包括各类检测装置，如采集网络中固定地点的交通量、占有率、车速等指标的交通流传感器、采集车辆类型和车辆牌照等车辆属性的车辆传感器、由调查车辆或检侧器获取诸如网络中点到点的出行时间的点到点传感器、收集区域范围车辆信息系统的区域传感器。

(3)交通控制管理设施：包括静态交通管理设施，如车道功能划分标志、限
制转弯标志、让路标志、停车标志、特殊的交通组织标志等：动态的交通管理设施，如交叉口信号控制设备、限速设备、可变信息板控制管理设施。

这些设施的状态由交通控制管理方案生成模块动态更新。

2.2.2 交通需求模块
交通需求模块主要包含出行方式、出行时间、出行路径和OD需求。

该模块的基本功能：基于OD矩阵的流量分配模型/路径选择模型，把OD表转化为路网流量,作为车辆行驶模块的输入。

包括驾驶员一车辆属性、OD矩阵、出行时间、出行路径等内容。

2.2.3 车辆行驶模块
车辆行驶模块可以分为路段上的多阶段跟车模型、车道变换模型和交又口模型。

(1)多阶段跟车模型。

对于车辆在路段上同一车道的驾驶行为通常划分为三种状态：自由行驶、跟车行驶和紧急减速三种状态；
(2)车道变换模型。

驾驶员的车道变换行为可以分为两类，即强制性的车道变换 MLC(Mandato Lane Change)和自由车道变换DLC(Discretionary Lane Change)（GIPPS P G, 1986； AHMED,1996； YANGQL 1998)。

强制性车道变换指按照交通规则和驾驶员的出行计划，驾驶员不得不变换车道的情况；自由车道变换指驾驶员为了避免撞车、车速减慢、道路交通瓶颈等而变换车道的行为。

其根本的目的是为了减少延误、获取速度优势、增加驾驶的舒适性。

另一种界于强制性车道变换和自由车道变换之间的驾驶员变换车道的行为—：优先车道变换PLC(Preemptive Lane Change)，特指该情形：当车辆将要在下一交叉口的下游(即下下一个或更下游的交叉口)转弯时，车辆有可能提前变换到期望的车道，这种变换车道的行为称为优先变换车道。

(3)交叉口模型。

可以把交叉口模型划分为三个子模型：车辆到达模型、车辆驶离模型和车道选择模型。

车辆到达模型又可以划分为远交叉口到达模型和近交叉口到达模型：在车辆驶离模型中，如果在交叉口不同流向的机动车流之间存在冲突，则还包含冲突待行模型和冲突模型：当车辆转弯进入相邻道路时，驾驶员根据其出行路径计划。

将会选择最合适的车道(最外侧车道/中间车道/边缘车道),因此交叉口模型中还应包含车道选择模型。

2.2.4 交通控制管理方案生成模块
该模块的主要功能：根据交通流仿真模块和交通检测系统产生的数据，生成交通控制管理方案，从而更新路网交通控制和管理设备状态。

2.2.5 仿真输出模块
仿真输出模块应包含以下两方面的内容：仿真动画输出和评价指标输出两部
分。

通过动画演示模拟出进入路网的每一辆车的运动情形，用户可以点击车辆获取驾驶员一车辆属性参教和运动状态(当前速度、加速度、位置、OD等)。

主要的评价指标有：交通效益方面的指标：平均延误、停车次数、排队长度、拥挤度、平均速度、饱和度；交通安全方面的指标：平均车头时距、事故次数；交通环境方面的指标：油耗盘、废气排放、嗓声水平。

2.3 常用微观交通仿真软件简介
鉴于国内微观交通仿真的研究和开发与国外同行之间的巨大差距，在此对美国和欧洲已开发并得到较成功应用的微观仿真软件进行简要的介绍。

VISSIM(德国)：针对城市交通以及城市间交通的微观仿真，是一个多目标仿真器。

其仿真结果可以用来优化感应式信号控制策略、侧试复杂交叉口的交通设计方案、公交停靠站的位置、站场的选址、收费站的可行性论证、确定高速道路交织区车道的布置等。

CORSIM(美国)：由两个仿真器集成：城市道路仿真器NETSIM和高速道路仿真器。

FRESIM：用于开发和评价运输系统管理(TSM)策略。

NETSIM主要用于评价城市道路交通改善方案 (包括交通控制系统、运输系统管理策略、道路交通设计等改善方案)；FRESIM用于高速道路的线形设计方案、匝道控制方案、高速道路管理方案的评价。

能够仿真高速道路入口匝道多种不同的控制方式模型特征：驾驶员可以对下游道路几何线形的变化作出反应；用户还可以在事故地点、进出口匝道的地方设置预警标志，从而影响驾驶员的变换车道行为。

MITSIM(美国)：是MIT交通仿真实脸室(SIMLAB)的两个核心组成部分之一，(SIMLAB的另一个核心组成部分是交通管理仿真器（TSM))。

用来评价和测试交通管理策略，尤其适合研究实时路径诱导条件下的动态交通控制和事故管理方案、感应式交叉口控制、匝道和主线控制、车道控制，还可以用其来评估交通设计参数(车道数、道路曲线和坡度、变换车道规则等)的影响和敏感性。

MITSIM 描述驾驶员行为的参数非常丰富，可以适应不同地区，但也导致了一个问题：收集数据、估计和标定这些参数较为困难。

PARAMICS(英国)：是一组高性能的微观交通仿真软件，可应用于交通规划、设计和交通评价；尤其适用于道路网络的交通拥挤分析以及ITS设施的效益评价，包括交通信号的影响、匝道控制、可变速度标志及其检侧线圈、车载系统(包括网络交通状态的显示、网络交通事故的提示、出行中路径的调整建议)等的仿真。

模型特征：采用并行计算技术。

仿真能力强大，可以同时仿真20万辆车的移动；提供了其他系统的接口(如可以直接从SATURN、TRIPS等宏观分析系统加载路网数据、OD矩阵)具有从微观仿真扩展到宏观仿真的潜力：具有很好的用户友好性，强大的虚拟现实和多样式的输出功能。

AIMSUNZ(西班牙)：城市和城市间交通，包含大规模的先进交通检侧和控制系统；用途：评价和测试各种交通控制系统、交通管理策略(路径诱导、VMS)、还可以用于道路设计方案的评价。

交通控制模型：交通值号灯、停车让路标志、匝道控制。

其它特征：具有图形编辑和动画仿真输出功能；可以与外部系统(城市感应控制系统)实现对接。

2.4 利用微观仿真软件进行交通分析的一般流程
2.4.1 对象界定
首先要正确地界定问题和研究的目的，有必要弄清楚：仿真的路网组成、道路网络大小及其拓扑结构、是否考虑过饱和交通流情形、期望的仿真输出的模式以及详细程度、仿真输入、模型标定和校核所需的数据信息；等等。

2.4.2 选用合适的仿真工具
每一个模型都有其优点和缺点，有必要把用户需求同模型特征对照起来，决定哪一个模型最有助于解决待分析的问题。

在选取模型时有必要考虑以下标准：模型功能(包括路网的大小、形态、交通控制模式、模型的输出)、模型所需数据、数据来源、使用的便利性。

2.4.3 数据收集
根据用户需求，按以上标准选定模型之后，收集模型所需的数据。

2.4.4 数据输入
所需的数据收集完全之后，根据所选模型的输入格式建立输入文件。

通常有三种方式建立输入文件：从交通数据库中输入、从其他模型转换、手工输入。

2.4.5 模型的校核和标定
为了使模型更合理的接近现实，需要对模型进行标定和校核。

用户首先得在选定的仿真模型上运行已有的路网和交通方案；然后对仿真结果和现场收集的数据进行比较，调整模型的相关参数。

从而使得模型与真实的交通条件尽量一致。

2.4.6 仿真输出分析
对模型的输入、校核标定后，对待评价的方案进行仿真及仿真结果分析。

2.4.7 不同方案的比较分析
对不同的备选方案进行仿真，对仿真结果进行比较分析。

最后确定最合理的方案。

3 基于VC++微观城市交通仿真系统的研究与实现
(1)基于VC++微观交通仿真面向对象建模分析
面向对象技术并不只是一种程序设计方法，更重要的是一种与人们认识客观世界的自然过程相类似的思维方式。

其主要思想是客观世界中的一切事物均可抽象为对象，具有相同性质的对象抽象为类，对象之间的联系由消息传递实现。

城市交通仿真系统的基本运作过程是在给定的交通需求情况下，按照一定的随机分布使车辆在其各自的产生点一辆一辆地进人路网，然后用时间扫描法描述每一扫描时段内每一辆车在路网上行驶的状态，直至车辆到达其终点后从路网上消失，根据城市交通的实际状况和仿真系统各模块的功能，城市道路交通微观仿真模型主要包括路网模型、车辆产生模型、车辆行驶模型和信号灯模型四种模型。

信号灯模型、车辆产生模型和车辆行驶模型定义各自的定时器，以体现它们各自的独立性。

另外，为达到某些特殊参数可设定的功能，要为系统增加人机界面模块，这些模块均可视为单独的类。

(2)基于VC++车辆行驶模型与程序实现
车辆行驶模型分为车辆在路段行驶和车辆过路口行驶两个模块，在这两个模块中行驶的车辆都要检测相邻车辆来加速、减速或停止运行以防撞车外，各个模块还有各自所具有的因素，例如，在路段上行驶时，车辆要考虑变更车道问题；在过路口是，车辆要考虑拐弯和避免冲突问题。

①路段行驶模型
车辆在正常路段上行驶时将受到很多因素的影响，在建立其相应的动态对象模型时，可以将这些因素分为必然约束和非必然约束两类。

必然约束就是最为常见的约束，例如，当前车辆的前方车辆；非必然约束可能对当前的车辆产生影响，也可能不产生影响，例如，交通标线、交通标志和公交车停靠站等。

对于必然约束方式，通过检索与当前车辆在同一车道上前一辆车的距离和速度及加速度可以获得相应的约束条件；对于非必然约束方式，由施加约束的对象去检索影响范围内的车辆，从而来约束影响范围内的车辆，行驶的动态对象模型如图1所示。

在城市交通中，路段通常有专用的左行车道，直行车道和右行车道的区分不是很严格。

在仿真中，车辆在路段中行驶时判断前方与本路段相连接的是路口、路段或是终节点，如果是路口则根据该路口的通车量来随机确定车辆行驶的方向，然后根据实际路段的车道(左行车道、直行车道和右行车道)来变更车道。

变更车道模型基于如图2所示流程。