【交通运输】第八讲 道路交通系统仿真模型与方法

实现车道变换的关键是车辆必须在前方某一关键点之前 完成车道变换行为。也就是说，车辆必须在距前方关键 点的某个临界距离之内产生相应的变换车道意图。
强制性车道变换
其临界距离可用下述模型表示：
Di Di0 i
式中，Di为第i种需要变换车道情形相应的临界距离； Di0为第i种需要变换车道情形相应的一常数值；i为一 正态分布随机变量。
基本模型 ❖ 停车排队模型 ❖ 冲突分析模型 ❖ 排队消散模型 参阅：邹智军. 信号灯交叉口微观交通仿真模型研究.
中国公路学报（增刊），2000. 13：93-96
四、中观交通仿真模型
中观交通仿真是在宏观交通网络的基础上，将个体车 辆纳入宏观交通流中进行模拟分析，它不必象微观交 通仿真模型那样，分析个体车辆之间的相互作用与影 响。这一仿真系统可以用来拟定、评价在较大范围进 行交通控制和干预的措施和方法，并最终对交通流进 行最优控制。
1 交通流微观仿真系统的功能要求
能够模拟先进的交通管理策略，如路径重定向、速度控 制和车道控制等；
能够提供与外部应用程序交互的接口； 能够模拟动态车辆诱导，再现被诱导车辆和交通中心
的信息交换； 能够应用于一般的路网，包括城市道路和城市间的高
速公路； 能够仿真路网交通流的状况，如交通需求的变化等； 能够模拟公共交通； 提供结果分析的工具和图形化的交互界面。
中观交通仿真模型对交通系统的要素及行为的细节描述程 度较高。其对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为 单元,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用简单的方式近似描述。
这一仿真系统可以用来拟定、评价在较大范围内进行交通 控制和干预的措施和方法，从而对交通流进行最优控制。 根据目前计算机硬件的发展水平，可以在较大规模的路网 范围内进行交通中观仿真，如ITS中面向诱导的交通仿真。
中观交通仿真目前在我国的应用研究开展较少，下面 仅介绍面向诱导的中观交通仿真。
1 面向交通诱导的仿真系统的功能
相对于各种宏、微观交通仿真系统，面向诱导的中观 交通仿真系统除具有基本的输入输出及道路网建立与 编辑功能外，还应具有以下功能： （1）背景交通流加载功能 （2）在群体车辆中个体车辆交通特性识别功能 （3）多种最短路方式计算功能 （4）交通控制系统识别功能 （5）交通流实时检测及交通控制自适应功能 （6）诱导策略的评价功能
微观交通仿真对计算机资源要求较高，它的仿真速度慢， 用于研究交通流与局部的道路设施的相互影响（如车道划 分、道路宽度、弯道、坡度及公交站的设置等），也用于 交通控制仿真（如交通信号灯控制、让路停车等）。
二、 道路交通系统仿真模型的发展
20世纪60年代：英国的D. L.罗伯逊于1968年提出 TRANSYT（宏观仿真）交通仿真软件是当时最具代表性 的成果，用以确定定时交通信号参数的最优值。
车辆的自由行驶
当车辆的运动不受前面运动车辆的影响时，称该车作 自由行驶。一般取车头时距为8 秒。
两种形式:加速到目标车速稳速行使和减速到将车停在 既定的位置。
V2
mina(, a自由流
amax[1( ) V期望
]
(V期望V)
mina(,
V期望2
amax[1( ) ]
V
(V期望V)
车辆的跟驰行驶
车辆的生成与到达
车辆的到达在某种程度上具有随机性，统计规律可用 车头时距的分布来描述
当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时，常选用负指数分布
P（ht >t）=exp（-Qt/3600）
描述不能超车的单列车流的车头时距分布和车流量低 的车流的车头时距分布时，常选用移位的负指数分布
任意性车道变换
任意性车道变换是指车辆在遇到前方速度较慢的车辆 时为了追求更快的车速、更自由的驾驶空间而发生车 道变换行为。其与强制性车道变换的区别在于，即使 车辆不变换车道也能在原车道上完成其行驶任务，因 此变换车道行为不是强制性的。
当满足下列条件时，车辆将产生变换车道意图：
V跟车 V期望
式中，为折减系数，其建议值一般取为0.75～0.85。
宏观交通仿真模型对交通系统的要素及行为的细节描述程 度较低。同微观仿真相比其精度低，应用的范围也小。
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
制策略（定周期、自适应、匝道控制等）；
与对向来车之间的最小距离 Smi nv1t1v2t22 v1 a2 12 va 22 2
车道变换
车道变换模型描述的内容为车辆车道变换行为的整个过 程，包括车辆车道变换意图的产生、车道变换的可行性 分析以及车道变换行为的实施。强制性车道变换行为和 任意性车道变换行为 。
强制性车道变换是指车辆为了完成其正常行驶目的而采 取的车道变换行为。可能的情形有：正前方出现停车车 辆；车辆必须在前方交叉口左转；车辆已接近当前车道 的尾端而须变换车道；公交车在接近前方停靠站时从内 侧车道转至外侧的专用公交停靠车道等。
交通仿真的发展趋势
目前交通微观仿真模型已有一百多个。其中，多数模 型使用时间步长扫描法，只有少数几种模型采用事件 扫描法。
在现有的交通仿真模型中，以时间扫描作为计算进程 控制的随机性微观仿真模型是当前交通仿真研究的热 点
随着智能运输系统ITS的发展与应用，如何开发支持 ITS影响评价的仿真模型已成为国际流行的发展趋势。
车道宽度 坡度
车辆类型 期望车速 功率重量比 年龄、性别
路
视距
硬路肩
反应时间 驾驶倾向性
段
仿
仿真模块
真
状态
模
交通生成
车速 加速度 自由行驶 跟驰
型
超车
结
输出部分
构
动态 图形显示
结果文件
地点车速 车头时距
通仿真基本模型
车辆由正常路段驶入交叉口范围，须经历停车排队、 冲突分析、排队消散最终驶离交叉口等基本过程。
三、微观交通仿真模型
微观交通仿真模型基本上由两大部分组成： ❖ 一部分是路网几何形状的精确描述，包括信号灯、检
测器、可变信息标示等交通设施。 ❖ 另一部分是每辆车动态交通行为的精确模拟，这种模
拟要考虑驾驶员的行为并根据车型加以区分。
1 交通流微观仿真系统的功能要求
能够建立和处理不同形式的路网，清晰地表现路网的 几何形状，包括交通设施，如信号灯，车辆检测器等；
跟驰特性：制约性、延迟性和传递性。这些特点决定 了交通信息沿车队向后传递不是平滑连续的，而是象 脉冲一样间断连续的。
跟驰模型是交通系统仿真中最重要的动态模型，主要 用来描述交通行为即人—车单元行为。
一般分为：车辆跟驰模型分为线性跟驰模型、非线性 跟驰模型
具体有：刺激—反应模型、安全距离模型、生理—心 理模型、行为阈值模型以及近年来涌现出来的模糊推 理模型和元胞自动机模型
3 路段交通仿真基本模型
模型基本组成 ：道路设施模型、人车模型、交通产生 模型、交通行为模型、交通控制模型和人机交互模型
仿真模型结构包括四个子模块：输入部分、功能模块、 仿真模块、输出部分及其描述
输入部分
交通条件 交通量 车型比例 交通流(自由流或限制流)
功能模块
道路子模块
人车单元子模块
道路宽度 曲线
2 面向交通诱导的交通仿真模型
特点：与以跟驰模型和变换车道模型为基础的微观交 通仿真模型不同的是，面向交通诱导的中观交通仿真 模型以单个车辆行驶状况为基本仿真单元，单个车辆 在路段上按照自由流速度匀速行驶，至交叉口停车线 则根据不同流向进入各自的排队队列，在满足一定的 条件时（如该车是领头车，行驶方向的信号为绿灯， 下游路段未被停车车辆占满），该车辆才能驶离停车 线，并按转向概率或已选定的路径，进入下一路段的 排队队列。
车辆的超车
在双向双车道公路上，当车辆处于跟驰状态，并且当 前车车速低于后车的期望车速时，车辆试图超车以改 变其行驶状态。
判断超车条件：（1）是否需要超车？（2）是否有可 能进入对向车道？
当前车速度小于40km/h，前、后车之间的速度差大于 5km/h时，驾驶员就会考虑超车；当前车速度大于 40km/h，前、后车之间的速度差大于15km/h时，驾驶 员才考虑超车。
车辆的停车
在车辆行驶过程中，若车流中车辆正前方有车辆停车 或有慢速车辆，或遇到停车标志时，必须停车或变换 车道，描述这一现象的模型就是停车模型。
其基本思想是车辆在行驶过程中，首先要用停车视距 扫描前方位置：
❖ 若在停车视距范围内扫描到了停车标志，该车就要按 一定的减速度停车；
❖ 若在停车视距内扫描到了停止车辆或慢速车辆，就要 运用变换车道模型判断能否变换车道，若不能变换车 道，该车就要按一定的减速度停车。否则就保持一定 的自由流速度或加速到自由流速度行驶。
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) k1(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；
当k→∞时，爱尔朗分布化为确定型分布。
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。
2 微观交通仿真基本模型
微观交通仿真模型的基本构成
❖ 车辆行驶行为模型 ❖ 交通控制状态模型 ❖ 交通管理状态模型 ❖ 道路几何状态模型
车辆行驶行为模型通过对车辆在各种约束条件下行驶 行为的描述反映路网交通状态，是模型体系的核心。
后三者侧重于对各类方案的描述，并确定车辆行驶行 为模型的约束条件。
80年代初已形成了CORQ、FREQ、INTRAS、MACK和 SCOT等五大仿真模型，用于高速公路匝道控制和事故 研究。主要以优化城市道路的信号设计为应用目的，多 采用宏观模型。
90年代一些比较知名的交通仿真软件有FRESIM[FHWA （1994)]、CORSIM[FHWA（1996）]等先后相继推出。德 国PTV公司也推出模拟城市道路与城市间高速公路交通 流的微观交通仿真软件VISSIM及用于城市和乡村道路网 短期交通预测的中观交通仿真软件DYNEMO。
车辆状态的确定
确定车辆的状态应根据该车辆上一时刻的位置、所在 路口引道的位置及引道的具体类型（主路或支路）和 具体车道，判断该车道左右相邻车道上同时行驶车辆 的类型、位置和本车道前、后行驶车辆的类型、位置。
若该车位置是在交叉口前，则应判断该车转向及所在 引道路权，以及与该引道冲突车流的具体位置，并根 据车辆应采取的加速度、速度计算出下一时刻的位置。
第八讲 道路交通系统仿 真模型与方法
宏观交通仿真
宏观交通仿真不对某具体车辆的运动过程进行描述，即不 考虑个别车辆的运动，而是从统计意义上成批地考虑车辆 的运动。例如,交通流可以通过流量、密度、速度关系等 一些集聚性的宏观模型来描述，而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。
宏观交通仿真模型适用于描述系统的总体特性，并试图通 过真实反映系统中的所有个体特性来反映系统的总体特性。 对计算机资源要求较低，仿真速度很快。宏观仿真模型的 重要参数是速度、密度和流量。
仿真系统记录下车辆经过该路段（包括交叉口）的行 驶时间和排队延误时间，每隔一时段刷新路段的当前 实际行程时间。