仿真技术在交通运输领域的应用

仿真技术在城市道路交通流上的应用

专业：交通运输091

姓名：张宇楠

学号： 091202026

仿真技术在城市道路交通流上的应用

摘要：道路交通系统仿真是应用系统仿真技术研究交通行为，对交通运动随时间和空间的变化进行跟踪描述的技术。它在道路运输系统及其各组成部分的分析和评价中发挥着重要的作用。针对交通流仿真的热点，构建城市道路微观交通仿真模型框架，阐述模型的建模方法。在此基础上，运用面向对象思想和技术、动态内存管理和实时视景仿真技术开发了城市道路微观交通流仿真原型系统。介绍了该原型系统软件的体系结构及关键技术。

关键词：微观交通流仿真；车辆行为模型；视景仿真

1系统仿真计算机

系统仿真计算机是系统仿真的主要工具和表现形式，其发展水平成为系统仿真能否实现的关键。仿真计算机的发展经历了模拟计算机仿真、混合计算机仿真、实时仿真数字机（通用计算机）、分布交互仿真阶段，其中最后两个阶段是随着信息技术特别是网络技术的发展而逐步发展的。

电子模拟计算机是利用具有各种数学特征的典型电路，组成各种典型的基本运算部件（如加法器、乘法器、积分器）；这些基本运算部件的输入和输出是电压，它们之间可以连接起来以完成更复杂的数学运算。因此用模拟计算机研究仿真一个系统，只要研究这个系统的数学模型即可。电子模拟计算机是一个并行运算的机器，也就是说其所有的运算同时进行，所以又称并行处理器。

一个典型的电子模拟计算机主要由运算部件、开关及无限网络、状态控制部件、排题版、系统设计部件、显示设备及电源组成。运算部件是以高增益、高频响、低噪声、低漂移、深度负反馈的高质量运算放大器为核心，配合不同的外围网络和控制组件，构成不同组建的运算器，包括加/减、乘/除、积分、函数等。

混合模拟计算机是在模拟计算机中加入大量的数字逻辑部件、模拟开关及模拟/数字混合式部件（如数控系数器、数控积分器、数控函数发生器等）的一种计算机。混合模拟机不仅能完成原有模拟机功能，而且具有迭代运算和描述混合系统模型的能力，其中混合模拟机的自动参数、曲线和统计寻优功能是系统研究、系统设计的有力工具。混合计算仿真是由模拟机/混合模拟机、数字机及其接口设备组成的多台大规模计算机系统，其中数字计算机用于执行存储、高精度运算等更高级的任务。

随着计算机技术与信息网络技术的发展，上述两种计算机系统不能适应系统仿真的需要，就产生了目前广泛使用的实时仿真数字机。

2微观交通流仿真

随着计算机科学的飞速发展，交通仿真被越来越多地应用于交通系统分析研究和决策支持中。交通仿真可分为宏观仿真、中观仿真和微观仿真三类。其中，微观交通仿真系统能在单车级上模拟“人-车-路-环境”的相互作用关系，反映交通基础设施、交通管理手段、交通流控制策略等对交通流的影响。因此，微观交通仿真建模和系统开发成为国内外的研究热点。本文在对微观交

通仿真模型建模研究的基础上，利用面向对象开发工具和视景仿真环境，搭建一个微观交通仿真系统。该系统能为城市重点城区道路网的扩建改建、交通管理、交通控制方案的制定、交通事故研究提供仿真分析与评价的平台。

3交通流仿真模型框架

与国外发达国家不同，我国的城市交通环境和驾驶员行为特性有其特殊性。目前，国内外尚无成熟的模型和工具来深入分析、研究我国的交通问题，因此，必须建立符合我国交通流特点的交通仿真模型。在此笔者提出如图1所示的微观交通仿真模型框架。

图1 微观交通仿真模型构成框架

其中：（1）路网描述模型和交通规则模型属于静态图1微观交通仿真模型构成框架模型，在进入仿真运算后，模型各参数不再发生变化。路网描述模型通过定义合理的结构体，从点、线、面3个层次来反映路网拓扑关系，几何特征等。而交通规则由于往往落实到车道的使用特性上，因此可以通过增加路网描述模型中相应的属性变量来反映。（2）车辆行为模型是整个仿真模型的核心，其有效性直接决定交通流仿真的精度。传统的车辆行为模型主要由跟驰模型和换道模型构成。在单车道或是在不允许超车行为的多车道上，位于后面位置的车辆受到跟驰作用的约束，只能跟着前车行驶。（3）动态路径选择模型可分为最优路径选择模型和交叉口转向行为模型。其中，最优路径选择模型用以选择旅行总时间最短、旅行花费最小或是旅途中交叉口最少的路线。为了便于评估交通诱导措施对机动车驾驶员行为的影响，本文采用的是动态最优路径选择模型。交叉口转向行为模型则根据路径选择模型的计算结果，确定车辆当前行驶方向和下一个路段行驶方向的相对位置关系，以便车辆在路口执行正确的转向操作。（4）机动车排放模型选取IVE模型，并对IVE模型本地化进行相关调查研究，主要包括：环境影响因素、I/M制度、燃油使用情况、车辆技术分布

情况等。

4基于实时视景仿真的城市道路交通流仿真系统设计4.1 开发环境选择

软件主框架和人机交互界面用VisualC++开发[。对于交通仿真数据的存储和管理，则选用MicrosoftAccess数据库进行。同时，为了使交

通流仿真软件能够逼真地再现的三维道路交通流状况，软件的可视化部分由三维建模工具Creator和视景仿真环境Vega来实现。

4.2 城市道路交通流仿真系统框架设计

本文开发的城市道路交通流仿真系统体系框架如图2所示。可以看到，该原型系统能够提供较丰富的仿真结果输出，包括：车道（路段）平均车速、最大排队长度、停车延误、机动车排放（主要是CO排放量和NOx排放量）。因此，基于自主研发的微观交通流仿真模型，本文开发的城市道路交通流仿真原型系统软件主要可应用于小路网交通管理方案分析与评价，信号控制策略分析，道路基础设施改扩建实施效果评估。

图2 城市道路交通流仿真系统基本框架

4.3 实时视景仿真技术的应用

结合虚拟现实技术、图像处理等技术，将视景仿真引入道路交通流仿真系统中。在以文本、图像、图表等二维方式输出仿真运算结果的同时，将路网内每个静态、动态对象的实时状态以三维视景方式进行显示，用户可从直观观测交通流运行状态。通过在Vega环境中设置多窗口、多通道的方法，还能使用户同时监控

多个重点区域的交通状况。