交通仿真技术

交通仿真技术

摘要：运用现代计算机技术反映复杂交通现象的交通分析技术和方法。再现交通流时空变化的模拟技术，利用计算机对交通系统的结构、功能、行为以及参与具体的控制者——人的思维过程和行为特征进行模仿。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，也是评价运输设施各类运用设计方案效果的有效方法。

交通仿真的发展和现状

一、国外交通仿真的发展

第一阶段：20世纪60 年代

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，因而宏观交通仿真模型被广泛使用，但模型的灵活性和描述能力都较为有限，加上当时计算机性能较低，所以仿真结果的表达也就不够理想。

在这个阶段，最具代表性的模型有：

英国道路与交通研究所（TRRL）的D.L.罗伯逊于1967 年开发的道路交通流仿真软件TRANSYT。它主要用于确定定时交通信号参数的最优值；

Gerlough 在1963年建立的用于道路网络信号配置的TRANS 模型；

美国联邦公路局（FHWA）1956-1966 年研制的SIGOP 仿真系统。

第二阶段：二十世纪70 至80 年代

随着20 世纪80年代末和90年代初国外工TS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，交通仿真研究达到前所未有的高，出现了一大批评价和分析ITS系统效益的仿真软件系统。

这阶段由于计算机的迅速发展，计算机仿真模型的精度也得到了提高，功能也更加多样化了。同时，微观交通仿真模型也得到了较大的发展。

这期间的典型代表软件有：

第三阶段：二十世纪80 年代末以来

随着计算机技术的迅速发展，软件开发技术的进步，20世纪80年代末以来，ITS成为了国外研究的热点，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与开发，从而出现了一大批评价和分析ITS 系统效益的仿真软件。

二、国内交通仿真的发展

与国外相比，由于我国交通国情的限制，长期以来交通仿真并未引起有关部门的重视，随着ITS 在世界各国研究的广泛开展，我国交通界认识到了在我国开展ITS 研究的重要性。与此同时，作为ITS 核心技术之一的交通仿真也受到了极大的关注。

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，但从总体上来看，现在国内的交通仿真研究多是“各自为政”式的自主开发，而没有更多的联系与合作，显得比较零散，往往只局限于对单一问题的研究解决，很少从整个交通环境的大系统来考虑，比如对多车道通行能力的仿真研究、高速公路入口匝道范围的仿真、信号交叉口的组织优化、超车模型和车道变换模型的仿真研究等等。

三、交通仿真技术进展

从技术角度看，离散事件仿真是最成熟、应用最广泛的仿真技术。

(1)有约束规划算法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。

(2)模糊逻辑模糊逻辑是将某一给定范畴从传统的“全真”、“全假”模式扩展到“部分真”的中间模式的理论。

(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。

(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。

可以分为四类：

①桌面虚拟系统，即利用基于个人计算机建立桌面虚拟系统；

②环境虚拟系统，即在一个封闭的房间里采用墙、天花板与地板等来表达感觉；

③虚拟现实模拟器，将交互可视模拟作为研究、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；

④3D虚拟系统，在这种虚拟现实系统中，用户感觉成为3D环境内部的一部分，与用户的交互是无缝且透明的。相对而言，桌面虚拟系统中用户的感觉则是外部的。

(5)地理信息系统(GIS) 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。

(6)遗传算法遗传算法(GA)是一种从“适者生存”的自然进化原理演变而来的、基于随机的搜索技术。遗传算法适合那些有可计算指标的优化问题。GA在交通中的最近应用包括三方面：

①交通信号的优化与近似优化；

②交通网络的设计问题；

③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。

(7)神经网络在描述交通系统中那些难以用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，拥挤交通状态下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。

交通仿真在交通分析中的必要性

交通系统是一个涉及驾驶员—车辆—道路—交通环境相互作用的复杂系统，既有其确定性的一面，又有随机性的一面，同时还有人的行为因素的影响。

一、计算机仿真的优越性

1.可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；

2.可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；

3.可以对无法直接进行实验的系统进行仿真实验研究，从而节省能源和费用。

二、为什么用交通仿真

1.由交通现象的复杂性决定

在我国大中城市的交通系统，相比较国外的交通系统，其特殊性可以概括为高密度、单层次的机动车和大量非机动车的混合交通，表现为：自行车和公交车在出行中所占比例大；路网结构不合理，交叉口密集；市区人口密度大，出行需求高度集中。

2.方案评价的需要

交通仿真评价的优点:交通仿真具有低成本、可重用、可控制等优点，在仿真环境中可以构建现实中难以实现甚至无法实现的系统

3.方案比选优化的需要

在对不同方案进行选择时，往往缺乏一个共同的评价标准和体系。交通仿真系统则可为不同方案提供一个公共、相对客观的评价平台

三、交通仿真的步骤

1.明确问题。对拟要研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目的，划定系统的范围和边界，以便对各种交通分析技术的适应性作出判断。

2.确定仿真方法的适用性,选用合适的仿真工具

3.问题的系统化.构造一个仿真模型的第一级流程图，其中包括输入、处理、输出三个组成部分

4.数据的收集和处理

5.建立数学模型.由第一级流程图出发，采用自上而下循序渐进的方法：建立第二级流程图，确定构成处理过程的主要模块及其相互关系、每一模块的输入和输出；建立第三级流程图，对每一个模块的功能进行详细的描述。