微观交通仿真发展综述

微观交通仿真发展综述
1交通仿真的研究意义随着社会的发展，影响交通系统的相关因素越来越多，而我们又总是力求寻找最优解决方案，以期解决各种交通问题，然而，在现实交通环境中，某些领域需要大量资金的投入，某些领域还隐含着很多不安全因素，这就使得寻求最优方案的期望变得很渺茫，甚至是不可能现实的。

此时，应用计算机技术进行交通仿真就成为了一种很有效的技术手段。

交通仿真是计算机技术在交通工程领域的一个重要应用，它不仅可以复现交通流时空变化的技术、为交通道路设计规划提供技术依据，而且还可以对各种参数进行比较和评价，以及环境影响的评价等。

同时，交通仿真系统通过计算机动画手段能够非常直观地表现出路网上车辆的运行情况，动画过程中哪个局部位置的交通拥挤比较突出，哪个地方比较畅通，均可以做到一目了然。

因此，交通仿真就成了交通工程研究人员测试和优化各种道路交通规划、设计方案、描述复杂道路交通现象的一种直观、方便、灵活、有效的交通分析工具。

交通仿真技术作为ITS的一项重要内容，伴随着 ITS 的蓬勃发展，目前已成为国内外交通工程界研究的热点领域之一。

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2交通仿真研究的核心内容要建立一个能尽可能反映真实状况的仿真系统，必须有一个与之匹配的仿真模型，建立的模型要便于仿真系统逼真地模拟实现路网中的各种实际交通行为，如车辆的跟驰行驶、车道变换、超车行驶、道路交叉口信号灯的控制等各种变化情况；另外，为了使仿真系统达到交通规划、评价的性能，还要求模型的建立要便于仿真系统能够随时反应全局路网的动态特性，以及能记录路网中任一实体当前的各种状态和彼此间的关系，以便于获得各种统计参数。

所以，交通仿真模型的建立和交通仿真系统的开发就成了交通仿真研究的两个核心内容。

3交通仿真模型分类根据交通仿真模型对交通系统描述的细节程度不同，可将交通仿真模型划分为宏观、中观(又称准微观)、微观3种。

3.1宏观交通仿真模型宏观交通仿真模型对交通系统的要素、实体、行为及其相互作用的细节描述非常粗糙，例如通过流量密度等关系来描述交通流的一些集聚性的宏观模型，对车道变换之类的细节行为可能根本不予以描述。

宏观模型的重要参数是车辆速度、密度和流量。

宏观交通仿真模型对计算机资源要求较低，它的仿真速度很快，主要用于研究交通基础设施的新建与扩建及宏观管理措施等。

根据目前计算机硬件的发展水平，可以在大规模的路网范围内进行交通宏观仿真。

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3.2中观交通仿真模型相对于宏观模型来说，中观模型对交通系统要素、实体运动和相互作用的细节描述程度要比宏观模型高得多。

例如，中观交通仿真模型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和流出行为，就每辆车而言，车道变换被描述成建立在相关车道的实体基础上的瞬时决策事件，而非细致的车辆间相互作用。

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3.3微观交通仿真模型由于微观交通仿真模型既融合了宏观和中观模型的某些方面，又非常细致地描述了交通系统的交通环境及车辆实体等构成要素，因而它对交通系统的要素及行为等的细节描述程度是3种模型中最高的。

它是以单个车辆为对象，通过一些相对简单但真实的仿真模型来模拟车辆在不同道路和交通条件下的路网上运行，并以动态图像的形式显示出来，在描述和评价路网交通流状况方面具有传统数学模型所无法比拟的优越性。

例如，微观模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为等微观行为都能够非常细致和真实的反映出来。

微观模型的重要参数是每辆车的当前速度和位置。

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微观交通仿真模型的功能交通微观仿真模型模拟的是驾驶员在各种不同情况下的驾驶行为，由于它是以单个车辆为研究对象，所以一般没有复杂的型式和推导过程，而是对驾驶员在实际路网上行驶时在各种道路交通条件下所可能采取的驾驶方式的描述，是由多重判断和规则所组成的。

一般而言，微观交通仿真模型至少应具有以下功能：(1)观察功能：仿真模型可根据实际情况中驾驶员的视觉范围观察周围的道路交通情况，在仿真模型视觉范围内的道路交通状况将影响驾驶员的驾驶行为选择，主要包括其他车辆的运行情况、道路几何情况、交通信号灯、交通标志线的功能，以及不为驾驶员视觉所能观察到的但可通过其他途径所
知晓的交通信息情况；(2)判断和分析功能：实际路网中的道路交通情况复杂多变，如何对所观察到的道路交通情况进行分析并作出判断，则是交通仿真模型所必须具备的核心功能；(3)行为功能：将判断和分析的结果付诸实施，通过这一功能来实现路网交通状态的更新
3.3.2微观交通仿真模型的基本组成微观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、可变信号标示等交通设施；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行为并要根据车型加以区分。

3.3.3微观交通仿真模型的特点微观交通仿真模型的优点：(1)便于模拟分析交叉口中交通流运行情况，特别是各种拓宽和渠化设计方案；(2)对各种信号控制方案提供预先仿真评价工作平台；(3)易于仿真公交专用车道和公交车辆的运行，同时可设计公交线路、发车间距、公共汽车停靠站和公共汽车停站时间；(4)具有与交通环境有关的可变仿真参数和功能；(5)可以作为交通管理系统和道路几何设计方案的评价分析依据；(6)分析道路交通安全性和进行交通工程理论研究；(7)对城市交通污染状况进行评价。

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微观交通仿真模型的不足：(1)对非机动交通流仿真研究有待进一步发展；(2)系统开发功能强大，所以需要专业人士负责。

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3.3.4微观交通仿真模型在 ITS 中的评价应用微观仿真模型可以量化ITS带来的效益，特别是在先进的出行者信息系统（ATIS）和先进的交通管理系统（ATMS）中，这些效益可以通过速度和出行时间等指标来计量。

大致来说，微观仿真模型可以仿真的ITS领域有动态交通控制、事故管理方案、实时路径诱导、交叉口自适应信号控制、匝道和干线控制、收费站、车道控制（车道使用标示、ETC、高占有率车道等）等。

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4交通仿真的研究状况4.1国外交通仿真的发展目前，国外在交通仿真研究方面已经进行了有效的、比较成熟的工作，并开发了众多的交通仿真软件，其中一些软件已经实现了产品化和商业化。

从20世纪60年代开始出现交通仿真以来，综观其整个发展过程，大致经历了60年代，70至80年代，80年代末以来3个较为明显的阶段。

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4.1.1 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，最具代表性的当属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。

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4.1.2 20世纪70～80年代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。

这期间的典型代表是美国联邦公路局开发的TRAF-NETSIM模型，该模型是一个描述单个车辆运动、应用时间扫描法的网络微观交通仿真模型，该模型对道路几何条件的描述也很灵活。

TRAF-NETSIM模型经过多次版本升级，其功能日趋强大，广泛应用于交通控制和管理系统方案优化、交通设计方案优化以及交通工程相关领域的理论研究方面；1971年，E.B.Lieferman建立了用以描述个别车辆运动的 UTCS-1模型；197 年，日本科学警察研究所开发了MISTRAN 模型，用以研究左右转车辆与横穿道路的步行者之间的相互影响；1976年，英国利兹大学开发了用于平面交叉口交通信号控制的SATURN宏观模型。

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4.1.3 20世纪80年代末以后由于早期计算机性能及发展水平限制，当时开发的交通仿真模型主要用在大、中型计算机以及图形工作站上，而且几乎都是采用面向过程的传统的软件开发方法，大多数都是采用Fortran语言或专用的仿真语言为开发工具，仿真模型也很难真正体现复杂的交通现象，系统的通用性、交互性、可维护性、扩展性都较差。

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，如表1所示. p6 R ^" k, p ] r。