交通流微观仿真与驾驶员行为建模理论及方法(王晓原,杨新月,张敬磊著)思维导图
交通流流体力学模型
交通流流体力学模型交通流流体力学模型是研究交通流动的数学模型，通过对交通流的运动规律和特性进行建模和分析，可以帮助我们更好地理解交通系统的运行机理，并提供科学的决策依据。
在交通流流体力学模型中，我们将交通流看作是一种流体，交通参与者（如车辆、行人等）相当于流体粒子，而道路网络则相当于容器。
通过对流体力学的研究方法和理论的运用，可以对交通流的运动进行建模和仿真，从而揭示交通流的行为模式和规律。
交通流流体力学模型主要包括两个方面的内容：宏观模型和微观模型。
宏观模型主要关注整体交通流的运动特性和性能，通过对交通流的密度、速度和流量等宏观指标的研究，来描述交通流的整体行为。
而微观模型则更加注重个体交通参与者的行为和决策过程，通过对车辆运动的微观规则和交互行为的建模，来模拟交通流的微观行为。
在交通流流体力学模型中，我们可以使用诸如流量-密度关系、速度-密度关系和流量-速度关系等基本规律来描述交通流的运动特性。
例如，根据流量-密度关系，当道路上的车辆密度增加时，流量也会增加，但当密度达到一定程度时，流量会出现饱和现象，即流量不再增加。
这种关系可以通过实测数据和统计分析得到，并用数学模型进行描述。
交通流流体力学模型还可以考虑一些特殊情况和因素的影响，如交通信号灯、交叉口的影响等。
通过对这些因素的建模和分析，可以预测交通流的运动状态，并为交通管理和规划提供科学依据。
例如，可以通过模型来优化信号灯的配时方案，以减少交通拥堵和提高交通效率。
交通流流体力学模型的研究对于交通管理和规划具有重要的意义。
通过对交通流动的建模和分析，可以帮助我们更好地理解交通系统的运行机理，为交通管理者提供科学的决策依据。
同时，交通流流体力学模型也可以用来评估交通政策和措施的效果，从而指导交通规划的制定和实施。
交通流流体力学模型是研究交通流动的重要工具和方法，通过对交通流的运动规律和特性进行建模和分析，可以帮助我们更好地理解交通系统的运行机理，并提供科学的决策依据。
道路交通仿真模型与方法_图文
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微观仿真软件能够描述的交通现象
交通现象 排队 路傍停车 交织运行 行人约束 突发事件 天气条件 车辆类别 发动机模型 环岛 停车场搜索 公共交通 自行车/摩托车 交通镇静措施
描述方法 通过可利用空间约束、跟车及换道刻画； 通过特定节点、路段上车辆的状态来刻画；
五是交通出行的技术性能指标，如费用与燃料 消耗。
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仿真评价指标
目标
效率
安全
指标
速度 出行时间 拥挤 出行时间变化率 排队长度 公交管制 方式选择 车头时距 超车 事故数量 事故/速度严重性 离碰撞时的时间间隔 行人作用
提供率
87% 87% 71% 68% 65% 26% 16% 42% 26% 16% 16% 16% 16%
基本的仿真技术
几乎所有的仿真软件均采用面向对象的编程技术 ．绝大部分采用了时间扫描的描述方式．且多为 微观仿真。
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4交通仿真系统的结构
以微观交通仿真系统为例，其结构一般包
括3个主要模块：
一是道路网络描述模块，包括交叉口，路
段，小区等；
二是车路间的信息通信模块，涉及交通流
诱导等问题；
三是车辆动态运行模块。
(3)车辆特性差异大 我国道路上行驶车辆种类繁多，性
能差异很大。性能较差的车辆增加了道路突发事件概率 。
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要解决的技术关键
(1)建立非机动车与机动车之间的影响模型，包括 在交叉口、有隔离路段及无隔离路段的相互作 用模型；
(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；
微观交通仿真综述
微观交通仿真综述随着城市化进程的快速发展，交通问题成为现代城市发展的一大挑战。
传统的交通规划方法主要通过经验和专家判断来进行，往往需要投入大量的人力和物力资源，且容易受到主观因素的影响。
为了更好地解决交通问题，提高交通系统的效率和安全性，微观交通仿真技术逐渐成为交通规划和管理的重要工具。
微观交通仿真是指将交通系统中的个体行为和交通流动过程建立在个体层面的模型中，并模拟其相互交互和影响的过程。
与传统的交通规划方法相比，微观交通仿真能够更真实地反映交通系统的复杂性，包括车辆之间的相互作用、行人行为和交通信号等因素。
微观交通仿真的研究内容主要包括交通流模型、行为模型和仿真平台等。
交通流模型主要描述了车辆和行人在交通网络中的运动规律，其中最常用的模型是基于细胞自动机的模型。
行为模型则主要研究了个体在交通系统中的决策行为，包括车辆的路径选择、行人的目的地选择等。
仿真平台则是通过计算机模拟实现交通系统的运行和演化过程，目前常用的仿真平台有SUMO、VISSIM等。
微观交通仿真技术在交通规划和管理中具有广泛的应用价值。
通过仿真可以更好地理解交通系统的运行特点和问题，为交通规划提供科学依据。
通过仿真可以评估交通规划方案的效果，预测交通系统未来的运行状况。
通过仿真还可以优化交通管理策略，提高交通系统的效率和安全性。
微观交通仿真技术在国内外已经得到了广泛的应用。
国内外许多城市都使用微观交通仿真技术进行交通规划和管理。
上海市采用微观交通仿真技术研究道路规划、信号优化等问题，北京市则使用仿真技术研究公交优先策略等。
而在国外，美国和欧洲许多城市也使用微观交通仿真技术进行交通规划和管理。
美国旧金山市使用仿真技术评估交通规划方案的效果，伦敦市使用仿真技术研究公共交通系统的运行状况等。
尽管微观交通仿真技术已经取得了许多成果，但仍然存在一些问题和挑战。
微观交通仿真的建模复杂，需要大量的数据和计算资源。
微观交通仿真涉及的因素较多，如车辆、行人、信号等，需要综合考虑这些因素的相互影响和交互作用。
微观交通仿真理论与实训 PPT课件(理论篇)第五章 微观仿真模型检验与标定
1.确定设施通行能力测算方法 2.获取模拟设施通行能力
3.选择通行能力影响参数
4.建立标定目标函数
5.寻找最优参数组合
6.参数微调
2
路径选择影响参数标定
全局参数标定和参数微调
3 系统特性标定
用以确定以上标定工作的综合效应
1.确定设施通行 能力测算方法
2.获取模拟设施 通行能力
3.选择通行能力 影响参数
1.确定设施通行 能力测算方法
2.获取模拟设施 通行能力
3.选择通行能力 影响参数
4.建立标定目标 函数
5.寻找最优参数 组合
6.参数微调
1 设施通行能力影响参数标定
微观仿真软件并不能直接输出设施通行能力值，需要仿真研究人员人为设置获取设施 通行能力的方法，然后统计最大小时流率。
例如：可以利用信号灯控制手段使车流排队，以获取饱和车流。 一般来说，仿真模型出现拥堵的地点应该与真实场景相同。 调试方法： ①如果没有产生真实场景中的交通瓶颈点，可以增加交通需求创建与真实场景相同的模拟 条件，标定通行能力影响参数； ②出现瓶颈点与现实场景不同，那么需要调整仿真模型中瓶颈点的通行能力。 设施通行能力的获取方法与第1步相同。
4
步骤四：仿真待标定参数评价
➢ 仿真系统涉及很多可控参数，且每一个参数都有 不同的取值范围，对每一种可能的情况都做相应 的排列组合，显然是很难应用于实际操作的。例 如，如果仿真系统有8个可控参数，每个参数取 值分为5个级别，则需要做的仿真试验有58 （390625）次。
➢ 运用优化算法实现参数的自动标定意义重大。
3
掌握微观仿真软件交通仿真机理
2 检验交通基础数据
观察仿真生成动画场景
5.1 仿真模型的检验
交通仿真课程-百度-03-第三章 交通仿真理论与技术
性能
车辆运营费用
6%
10
3.1.5 微观交通仿真系统简介 自20世纪60年代以来，国内外交通业界在微观 交通仿真领域进行了大量工作，开发了几十种仿 真模型和多种交通仿真软件系统。这些仿真软件 系统广泛应用于定量化评价和分析ITS系统的效 益，尤其是ATMS/ATIS系统中各类方案的效益 评 价 。 典 型 软 件 有 ： 美 国 的 CorSim 、 TranSims，英国的Paramics，德国的Vissim 、Microsim，法国的Nemis、Simdac，日本 的Melrose等。详细参见课本p96。
8
3.1.4 交通仿真评价指标
目标
效率
指标
速度 出行时间 拥挤 出行时间变化率 排队长度 公交管制 方式选择
提供率
87% 87% 71% 68% 65% 26% 16% 42% 26% 16% 16% 16% 16%
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安全
车头时距 超车 事故数量 事故/速度严重性 离碰撞时的时间间隔 行人作用
3.1.4 交通仿真评价指标
（b）二项分布 二项分布的适用条件是车辆比较拥挤、自由行驶机会不多的车流。 其基本公式为：
t t Pk Ck 1 n n
k n
nk
，（k 0，2， ，n) 1，
(3-2)
式中： Pk—在计数间隔 t 内到达 k 辆车的概率； λ—车辆平均到达率， （辆/秒） ；
t—每个计数间隔持续的时间， （秒） 。
其中 p t n 为分布参数，分布的均值 M 和方差 D 分别为
【交通运输】第八讲 道路交通系统仿真模型与方法
用于研究基础设施的新建、扩建及宏观管理措施等。如大 规模的路网范围内进行交通宏观仿真。
中观交通仿真
在宏观交通网络的基础上，将个体车辆放入宏观交通流中 进行分析，根据模拟的需要，对特定车辆的速度、位置及 其它属性进行标识，或对个体车辆分组，再对每组车辆的 速度、位置及其它属性进行标识。
能够产生进入路网的不同种类的车辆以及车长、初速 度等，获得交通流的各种统计数据；
能够处理车辆在路网上的运行情况，准确地反映出车辆 间的相互作用，如跟驰、车道变换时的相互作用，以及 驾驶员的行为；
能够处理网络内部对车流产生影响的发生点和吸纳点 能够跟踪路网内行驶的任何一辆车，真实地模拟交通控
微观交通仿真
微观交通仿真把每辆车作为一个研究对象，对所有个体车 辆都进行标识和定位。在每一扫描时段，车辆的速度、加 速度及其它车辆特性被更新。
微观交通仿真能模拟出短时段内交通流的波动情况。跟驰 模型、超车模型及变换车道模型是微观仿真的基本模型。
对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的,进入路网的 时间、车种、车速的设定及路口的转向都是随机确定的。 微观仿真模型的重要参数是每辆车的速度和位置。
P（h>t）=exp[-λ (t -τ)] t≥τ
随机产生车辆与司机:爱尔朗分布
p(h≥t)
k
1
(
kt
)i
ekt / T
i0 T
i!
当阶数k=1时，爱尔朗分布便化为指数分布，可看成 是完全随机的；当k增大时，爱尔朗分布的图形逐渐变 成对称的；当k≥30时，爱尔朗分布近似于正态分布；
第八章 交通流理论4(流体力学模拟理论)
即： q q d d q k t k d d kx
dk dq 0 dt dx
车流连续 性方程
4
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第八章 交通流理论
车流波动理论
集结波 车流波由低密度状态向高密度状态转变的界面 移动，车流在交叉口遇红灯，车流通过瓶颈路段、桥梁 等都会产生集结波。
疏散波 车流波由高密度状态向低密度状态转变的界面 移动，交叉路口进口引道上红灯期间的排队车辆绿灯时 开始驶离，车流从瓶颈路段驶出等都会产生疏散波。
Ⅰ w1
5km
Ⅱ
w2 Ⅲ
Q1=720 V1=60 K1=12
Q2=1200 V2=30 K2=40
Q3=1250 V3=50 K3=25
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Ⅰ w1
5km
Ⅱ
w2 Ⅲ
Q1=720 V1=60 K1=12
Q2=1200 V2=30 K2=40
Q3=1250 V3=50 K3=25
超限车进入后，车流由状态变Ⅰ为状态Ⅱ ，将产生一
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• 由此可见，在超限车离去的时刻低速车队最长！
因此，最大排队长度为2.14km （为什么？）； • 这2.14km上的车辆数即为最大排队车辆数：
2.14K2=2.14×40=86 （辆） （为什么是K2 ？ ）
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第八章 交通流理论
思考题 已知某道路入口处车速限制为13km/h，对应
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第八章 交通流理论
第四节 流体力学模拟理论
在实际交通观测中，常会发现交通流的某些行为非常 类似流体波的行为。
1
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第八章 交通流理论
1955年,英国学者Lighthill和Whitham将交通流比拟为流 体流，对一条很长的公路隧道，研究了在车流密度高的情况 下的交通流规律，提出了流体动力学模拟理论。
微观交通仿真理论与实训 PPT课件(理论篇)第四章 搭建仿真模型
微观仿真软件一般能够建立模拟现实情况的仿真模型，但并不是所有的现 实情况在软件最初开发的时候都能够预想得到。因此，多数仿真软件都支持 扩展功能以便可以仿真初始开发时没有考虑的情况。仿真研究人员可以在熟 悉微观仿真软件扩展功能的基础上，依据实际情况进行二次开发。
搭建仿真模型
图4 加载底图实例
搭建仿真模型
4.2 搭建路网
当导入底图和画出基本路线之后， 必须还要把道路的物理特性和运行特 性输入到模型中。
参数：车道数量、车道宽度、路段长 度、坡度、曲率、路面条件（干燥、 潮湿等）、视距、公交站位置、人行 横道和其他行人设施、非机动车道或 路径等。
图5 搭建路网实例
根据微观仿真软件的差别，路段的设置参数，需要针对不同的仿真软件具体分析。
图10 定义车辆驾驶行为实例
搭建仿真模型
4.7 设置并激活检查器
进行微观仿真分析的目的是获取分 析仿真方案的分析数据。
设置检测器并激活检测器，选取软 件输出数据是不可或缺的过程。一般 仿真软件均有统计数据输出模块，仿 真研究人员也可以依据自己需求选择 输出原始仿真数据。
图11 设置检测器实例
搭建仿真模型
4.4 设置交通运行管理措施
道路中的交通运行管理设施有很多， 它们对于交通运行起着重要作用，因 此在仿真时也应考虑在内。
交通运行管理设施具体包括警告标 志（事故、车道变化、出口等），指 示标志（限速、可变车速限制、高占 有率车辆（HOV）、绕行、车道渠化、 车道占用等），检测器类型和位置等。
图7 设置让行管理措施实例
4.8 仿真运行数据
仿真软件都有根据特定的模型 需要设定仿真运行的控制参数，但 是这些参数在不同的仿真软件中会 有所不同。
交通仿真技术基础课件
_交通仿真技术基础
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模型确认
实际问题
模型标定
流程图 程序代码
有效性检验 模型校验
模型标定，以现场数据作为输入，检验输出结果 实际的观测结果相吻合，重点是输入变量。
有效性检验，其余未使用的现场数据输入仿真程 序，将计算结果与相应的观测结果进行比较。
_交通仿真技术基础
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实验设计
选择控制变量； 确定每个控制变量的限制条件或边界条件； 确定每个控制变量的步长； 确定控制变量的层次结构； 通过程序的循环语句自动改变初级控制变量的 取值； 通过搜索子程序自动确定最佳条件。
1、计算出高速公路和匝道的通行能力，进行现场观测， 检验瓶颈处通行能力。
2、对进入高速公路的车辆进行起迄点调查，15min间隔； 3、根据观测绘制车速与负荷的关系图； 4、用流动车法观测高速公路行程时间； 5、观测那些已经产生排队的匝道，排队时间通过排队长 度和消散比例推算。
_交通仿真技术基础
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建立数学模型
_交通仿真技术基础
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明确问题
仿真模型针对交通高峰期，选取路段有足够长度； 只需输入单方向道路和相连匝道的设计参数； 确定性的宏观模型； 多时段的研究方法； 会产生相互影响的车辆排队现象，模型应对其进 行描述。
_交通仿真技术基础
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确定仿真方法适用性
理论分析方法，交通流理论； 仿真方法耗费时间和资金； 分阶段开发。
(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。
_交通仿真技术基础
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(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。
交通系统建模与仿真教材
交通系统建模与仿真教材一、交通系统基本概念交通系统是一个复杂的网络系统，包括道路、车辆、交通信号、交通参与者等要素。
交通系统的主要目标是实现安全、高效、便捷的交通运输。
本章节将介绍交通系统的基本概念、组成和特点，为后续章节的学习打下基础。
二、交通流理论交通流理论是研究交通流运动规律和特性的学科。
本章节将介绍交通流的基本参数，如流量、速度、密度等，以及交通流的基本特性，如稳定性、波动性、分散性等。
此外，还将介绍交通流理论的数学模型，如流体动力学模型、跟驰模型等，为后续的交通仿真提供理论支持。
三、车辆行驶特性车辆行驶特性是影响交通流的重要因素之一。
本章节将介绍不同类型车辆的行驶特性，如机动车、非机动车、行人的速度、加速度、行驶轨迹等。
此外，还将分析不同路况下的车辆行驶特性，如拥堵、畅通、弯道等，以便更好地模拟车辆在道路上的行驶行为。
四、道路设计与交通工程道路设计与交通工程是影响交通流的重要因素之一。
本章节将介绍道路设计的基本原则和标准，如车道数、车道宽度、交叉口设计等。
此外，还将介绍交通工程的基本原理和技术，如交通信号控制、交通安全设施等，以便更好地模拟道路和交通工程对交通流的影响。
五、交通仿真软件介绍交通仿真软件是进行交通仿真的重要工具。
本章节将介绍一些常用的交通仿真软件，如SimTraffic、SimulationX等，并比较它们的优缺点。
此外，还将介绍如何使用这些软件进行交通仿真，以便读者能够更好地掌握软件的使用方法和技巧。
六、交通流仿真模型交通流仿真模型是进行交通仿真的核心。
本章节将介绍一些常用的交通流仿真模型，如流体动力学模型、跟驰模型等。
此外，还将介绍如何建立这些模型的数学表达式和计算公式，以便读者能够更好地理解它们的原理和应用。
七、交通控制仿真交通控制仿真是在仿真环境中模拟和控制交通流的方法。
本章节将介绍一些常用的交通控制方法和技术，如信号灯控制、智能交通系统等。
此外，还将介绍如何使用仿真软件进行交通控制仿真的步骤和方法，以便读者能够更好地掌握这一技术的应用。
交通仿真课程-百度-01-第一章 绪论
参考书目
（0）吴娇蓉，辛飞飞.交通系统仿真及应用（第二版）[M].上海：同济大学出 版社，2012. （1）刘运通.交通系统仿真技术[M].北京：人民交通出版社，2002. （2）裴玉龙，张亚平.道路交通系统仿真[M].北京：人民交通出版社，2004. （3）肖田元，范文慧.系统仿真导论（第二版）.北京：清华大学出版社,2010. （4）王晓原，杨新月，张敬磊. 交通流微观仿真与驾驶员行为建模理论及方 法[M]. 北京: 科学出版社,2010. （5）王晓原，苏跃江，张敬磊. 多核网络城市生长与交通系统协调发展—— 以组群城市淄博为例[M]. 济南: 山东大学出版社,2010. （6）刘博航，张通，安桂江.交通仿真实验教程[M].北京：人民交通出版社， 2012. （7）陈杰. MATLAB宝典（第3版）[M]. 北京：电子工业出版社, 2011
§1.2 道路交通系统仿真的概念
控制理论 系 统 仿 真 技 术 基 础
相似技术
仿真技术
系统技术
信息技术
系统仿真是以相似原理、控制理论、系统技术、信息技术及其应 用领域有关专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工 具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多 学科综合性技术。
§1.2 道路交通系统仿真的概念
交通系统仿真课程主要内容
第三篇 MATLAB软件基本操作及仿真
第十二章 MATLAB基础知识 第十三章 数据分析 第十四章 数据可视化 第十五章 MATLAB编程 第十六章 图形用户界面
第十七章 MATLAB仿真
第十八章 MATLAB高级应用 第十九章 用户工具箱
交通流理论(详细版)
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§4-2 交通流的统计分布特性
三、连续型分布
• 车流到达的统计规律除了可用计数分布来描述外， 还可用车头时距分布来描述，这种分布属于连续 型分布。 负指数分布
连续 分布
移位负指数分布
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§4-2 交通流的统计分布特性
1.负指数分布 1.负指数分布
(1) 适用条件
用于描述有充分超车机会的单列车流和密度不大 的多列车流的车头时距分布，它常与计数的泊松 它常与计数的泊松 分布相对应，若车辆到达符合泊松分布，则车头 分布相对应 时距就是负指数分布。
第四章 交通流理论
目录
1 1 2 3 4 5
§4-1 概述 §4-2 交通流的统计分布特性 §4-3 排队论的应用 §4-4 跟驰理论简介 §4-5 流体动力学模拟理论
2
§4-1 概述
一、概念
• 交通流理论，是一门用以解释交通流现象 交通流理论 或特性的理论，运用数学 物理 数学或物理 数学 物理的方法， 从宏观 微观 宏观和微观 宏观 微观描述交通流运行规律。
−
Qt 3600
=e
−
900×7.5 3600
= 0.1534
1h内车头时距次数为900，其中h≥7.5s的车头时 距为可以安全横穿的次数：
900 × 0.1534 = 138
（次）
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目录
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§4-1 概述 §4-2 交通流的统计分布特性 §4-3 排队论的应用 §4-4 跟驰理论简介 §4-5 流体动力学模拟理论
9
§4-2 交通流的统计分布特性
1. 泊松分布
计数间隔t内 平均到达的车 辆数
(3) 递推公式
(λ t ) e Pk = k!