交通仿真基础知识
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试验框架
5
2交通仿真模型分类
交通系统的仿真研究可以分为三个层次：
宏观交通仿真 中观交通仿真
微观交通仿真
宏观交通仿真
• 宏观交通仿真着重从全局角度来研究系统特性， 对交通系统的要素和行为的细节描述处于最低 的程度。宏观交通仿真模型中，交通流的运动 按照流体机制来处理。
• 宏观交通仿真通过流量-密度关系来控制交通流 的运行，模型中不追踪单个车辆的移动，对于 车辆换道之类的细节行为可能根本不予以描述。
确定仿真方法的适用性
各种交通分析技术中，系统仿真是否是最适宜的 方法？
• 是否可以用其他方法解决该问题？
• 仿真方法是否可以很好地解决该问题？ • 是否有仿真研究所需要的时间和物质支持？ • 是否真的可以解决？
问题的系统化
构建仿真模型的第一级流程图，包括输 入，处理和输出三个组成部分。
数据的收集与处理
模型确认
实际问题 流程图 模型标定 程序代码 模型校验 有效性检验
• 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。
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。
交通仿真基础理论
交通仿真 交通仿真的分类
国外交通仿真研究概况
交通系统仿真的步骤
典型的交通仿真模型
1、交通仿真
• 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。
• 根据输入、输出需求收集和处理所需数据；
• 制定观测计划，确定满足需要的最小样本量，以便于模型进行标 定和有效性检验； • 对数据进行处理。
构建数学模型
在第一级流程图的基础上，构建第二级流 程图，确定构成处理过程的主要模块及其 相互关系，每一模块的输入输出。
然后建立第三级流程图，对每一个模块功 能进行详细描述。
• 宏观仿真所需计算机内存，计算速度快。
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微观交通仿真
• 微观交通仿真模型以跟车模型为基础，追踪每 个车辆的移动过程。在微观模型中，车辆的移 动由驾驶员的特性、车辆性能、车辆周围的环 境和道路几何条件来决定。
• 微观交通仿真对交通系统的要素和行为的细节 描述程度最高。包括三个重要方面：车辆移动 基本规则(跟车模型与换道模型)、服务优先规 则和信号约束规则。
道路微观仿真用到的模型主要有三个系列:
1 跟车模型 2 换道模型 3 信号响应逻辑模型
多数软件中采用的跟车模型以 Herman 等人提出的模型为基 础，主要原则是根据后车与前车的关系计算确定后车的加/ 减速度。
1、交通仿真
1.1交通仿真概念
• 交通仿真是研究运用现代计算机技术再现实际交通系统的 特性、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。
1.2交通仿真的优点
• 安全性；科学性；可重复性；经济性；
• 可控性；开放性；易用性。
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4、交通系统仿真的步骤
1、明确问题； 2、确定仿真方法的适用性；
3、问题的系统化；4、数据的收集和处理； 5、建立数学模型；6、参数估计 7、模型评价； 9、模型确认； 8、编制程序 10、实验设计
11、仿真结果分析。
明确问题
对研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目 的，划定系统范围和边界。 • 希望得到什么样的输出结果？ • 什么样的输入对输出结果产生影响？ • 是否存在重要的随机因素？ • 是否涉及到排队？是否存在着相互影响的排队？ • 交通条件是否随时间变化？ • 车辆到达和离去是否服从经典的数学分布？
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3、国外交通仿真研究概况
2 0 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，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， 这也是当时的计算机性能决定的。
2 0 世 纪 70～80年代 大多数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、短车道溢出等，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，还可描述诸如油耗、废气排 放等指标。另外，模型对道路几何条件的描述也日益 灵活。 2 0 世纪 80年代末至现在 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。
1.3交通仿真的功能
• 事前评估 ，现状评估、交通事件预警 • 交通流预测、道路交通安全分析、交通工程理论研究
仿真建模
仿真模型建立在大量严格的边界条件约束下，对系统进行 线性或近似处理。交通系统只能做符合条件而不是符合实 际的描述。
数据库 交通生成模型 交通控制模型
交通行为模型 知识库
AI支持
人机交互模型 交通设施模型
交通仿真系统发展趋势
• • • • • • • • 应用规模和范围扩大 新的仿真方法与技术涌现 计算能力增强 编程方法改进 表现方法丰富 开放的仿真环境建立 控制系统仿真、交通需求仿真 面向智能交通仿真系统的开发
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交通仿真技术进展
交通仿真技术进展大致可以分为四类： • 一是仿真建模方法，如离散事件仿真，模糊逻辑，定 性建模等； • 二是数据收集与分析方法，如知识发现，模糊逻辑等； • 三是决策支持方法，如神经网络，遗传算法等； • 四是仿真的运行与计算环境，如GIS，VR，并行处理 等。这些技术的综合运用极大地改善了仿真过程及其 效果。
9
微观交通仿真
• 适用于动态交通现象； • 当交通流中人－车单元作为系统的主要考察对 象； • 对瓶颈路段进行研究时，大型车比例较高，或 车流量变化非常大； • 交叉口交通状况研究。
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中观交通仿真模型
• 中观交通仿真模型既可以描述宏观交通流模型中采用 的时间与空间维状态特性 ( 如密度、流量与速度 ) ，又 可以保留微观模型中的核心数据，如特性各异的单个 车辆的运行结果，如实际速度、旅行时间和旅行距离 等。
仿真结果分析
仿真运行 、结果分析、 形成文档
交 通 系 统 仿 真 的 步 骤
明确问题 仿真方法 是否适用 是 问题的系统化 收集和处理数据 建立数学模型 参数估计 拒绝 拒绝 否
其他交通分析技术
模型评价 接受 编制程序 模型确认 试验设计 仿真结果分析
Байду номын сангаас 5、典型的交通仿真模型
微观仿真中的交通模型
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2交通仿真模型分类
交通系统的仿真研究可以分为三个层次：
宏观交通仿真 中观交通仿真
微观交通仿真
宏观交通仿真
• 宏观交通仿真着重从全局角度来研究系统特性， 对交通系统的要素和行为的细节描述处于最低 的程度。宏观交通仿真模型中，交通流的运动 按照流体机制来处理。
• 宏观交通仿真通过流量-密度关系来控制交通流 的运行，模型中不追踪单个车辆的移动，对于 车辆换道之类的细节行为可能根本不予以描述。
确定仿真方法的适用性
各种交通分析技术中，系统仿真是否是最适宜的 方法？
• 是否可以用其他方法解决该问题？
• 仿真方法是否可以很好地解决该问题？ • 是否有仿真研究所需要的时间和物质支持？ • 是否真的可以解决？
问题的系统化
构建仿真模型的第一级流程图，包括输 入，处理和输出三个组成部分。
数据的收集与处理
模型确认
实际问题 流程图 模型标定 程序代码 模型校验 有效性检验
• 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。
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。
交通仿真基础理论
交通仿真 交通仿真的分类
国外交通仿真研究概况
交通系统仿真的步骤
典型的交通仿真模型
1、交通仿真
• 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。
• 根据输入、输出需求收集和处理所需数据；
• 制定观测计划，确定满足需要的最小样本量，以便于模型进行标 定和有效性检验； • 对数据进行处理。
构建数学模型
在第一级流程图的基础上，构建第二级流 程图，确定构成处理过程的主要模块及其 相互关系，每一模块的输入输出。
然后建立第三级流程图，对每一个模块功 能进行详细描述。
• 宏观仿真所需计算机内存，计算速度快。
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微观交通仿真
• 微观交通仿真模型以跟车模型为基础，追踪每 个车辆的移动过程。在微观模型中，车辆的移 动由驾驶员的特性、车辆性能、车辆周围的环 境和道路几何条件来决定。
• 微观交通仿真对交通系统的要素和行为的细节 描述程度最高。包括三个重要方面：车辆移动 基本规则(跟车模型与换道模型)、服务优先规 则和信号约束规则。
道路微观仿真用到的模型主要有三个系列:
1 跟车模型 2 换道模型 3 信号响应逻辑模型
多数软件中采用的跟车模型以 Herman 等人提出的模型为基 础，主要原则是根据后车与前车的关系计算确定后车的加/ 减速度。
1、交通仿真
1.1交通仿真概念
• 交通仿真是研究运用现代计算机技术再现实际交通系统的 特性、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。
1.2交通仿真的优点
• 安全性；科学性；可重复性；经济性；
• 可控性；开放性；易用性。
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4、交通系统仿真的步骤
1、明确问题； 2、确定仿真方法的适用性；
3、问题的系统化；4、数据的收集和处理； 5、建立数学模型；6、参数估计 7、模型评价； 9、模型确认； 8、编制程序 10、实验设计
11、仿真结果分析。
明确问题
对研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目 的，划定系统范围和边界。 • 希望得到什么样的输出结果？ • 什么样的输入对输出结果产生影响？ • 是否存在重要的随机因素？ • 是否涉及到排队？是否存在着相互影响的排队？ • 交通条件是否随时间变化？ • 车辆到达和离去是否服从经典的数学分布？
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3、国外交通仿真研究概况
2 0 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，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， 这也是当时的计算机性能决定的。
2 0 世 纪 70～80年代 大多数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、短车道溢出等，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，还可描述诸如油耗、废气排 放等指标。另外，模型对道路几何条件的描述也日益 灵活。 2 0 世纪 80年代末至现在 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。
1.3交通仿真的功能
• 事前评估 ，现状评估、交通事件预警 • 交通流预测、道路交通安全分析、交通工程理论研究
仿真建模
仿真模型建立在大量严格的边界条件约束下，对系统进行 线性或近似处理。交通系统只能做符合条件而不是符合实 际的描述。
数据库 交通生成模型 交通控制模型
交通行为模型 知识库
AI支持
人机交互模型 交通设施模型
交通仿真系统发展趋势
• • • • • • • • 应用规模和范围扩大 新的仿真方法与技术涌现 计算能力增强 编程方法改进 表现方法丰富 开放的仿真环境建立 控制系统仿真、交通需求仿真 面向智能交通仿真系统的开发
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交通仿真技术进展
交通仿真技术进展大致可以分为四类： • 一是仿真建模方法，如离散事件仿真，模糊逻辑，定 性建模等； • 二是数据收集与分析方法，如知识发现，模糊逻辑等； • 三是决策支持方法，如神经网络，遗传算法等； • 四是仿真的运行与计算环境，如GIS，VR，并行处理 等。这些技术的综合运用极大地改善了仿真过程及其 效果。
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微观交通仿真
• 适用于动态交通现象； • 当交通流中人－车单元作为系统的主要考察对 象； • 对瓶颈路段进行研究时，大型车比例较高，或 车流量变化非常大； • 交叉口交通状况研究。
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中观交通仿真模型
• 中观交通仿真模型既可以描述宏观交通流模型中采用 的时间与空间维状态特性 ( 如密度、流量与速度 ) ，又 可以保留微观模型中的核心数据，如特性各异的单个 车辆的运行结果，如实际速度、旅行时间和旅行距离 等。
仿真结果分析
仿真运行 、结果分析、 形成文档
交 通 系 统 仿 真 的 步 骤
明确问题 仿真方法 是否适用 是 问题的系统化 收集和处理数据 建立数学模型 参数估计 拒绝 拒绝 否
其他交通分析技术
模型评价 接受 编制程序 模型确认 试验设计 仿真结果分析
Байду номын сангаас 5、典型的交通仿真模型
微观仿真中的交通模型