城市微观交通仿真及其应用培养单位：能源与动力工程学院学科专业：轮机工程研究生：商蕾指导老师：高孝洪教授2003年10月摘要80年代以来，世界各国虽然基本建成了现代化道路网，但随着经济的发展，路网通行能力已经满足不了交通量增长的需要，交通拥堵现象日趋严重。
为了在现有道路条件下实施交通规划和控制，在路网出现拥挤的情况下进行交通诱导和事故处理，必须对交通流的特性有清楚的认识。
因此，在过去的五十年里，出现了大量的交通流理论和模型。
如按细节层次分，交通仿真模型可分为亚微观模型、微观模型、中观模型和宏观模型。
以前的研究主要集中于宏观模型，讨论交通流量及密度的变化。
现在，由于高速运算计算机的发展以及交通仿真的需要，研究热点逐渐转移到微观仿真模型。
微观交通模型在每一时刻均计算每一辆车的位置、车速、加速度等特性，可为交通管理和仿真提供详细的信息。
本文以微观交通仿真建模和城市微观交通仿真系统开发为研究重点，主要完成了如下工作：（1） 建立了车辆行为模型，其中包括跟驰模型、邻车影响模型和换道模型。
模型中充分考虑了邻道车辆对驾驶行为的影响及驾驶员的反应延迟，使模型更符合真实情况；（2） 开发了城市微观交通仿真系统：该系统包括车辆产生模型、路网模型、交通规则模型、信号灯控制模型、车辆行为模型、路径选择模型、路口转向描述模型；（3） 在仿真应用中实现并研究了信号灯周期及其相位按交通需求动态分配的方案，提出该项仿真可用于确定在已知OD下，信号灯控制路口的最大通行能力，并可作为现有控制方案的评估依据。
（4） 在图形工作站OCTANE上实现城市微观交通仿真系统的可视化，可从多角度实时观测交通状况。
（5） 通过对典型路段的交通调查，验证城市微观交通仿真系统的合理性。
关键词： 微观交通模型、仿真、可视化IAbstractSince 80’s, many countries have built modern road networks. With the development of economy, the traffic capacity cannot catch up with the traffic raising. Traffic congestion is being worse and worse. Taking traffic control and accident management under such condition requires a clear understanding of traffic flow characteristics. For this purpose, during the past fifty years, a wide range of traffic flow theories and models has been developed. These models are classified to submicroscopic model, microscopic model, mesoscopic model and macroscopic model according to the level of detail.In the past, the hot point is the macroscopic model, which discusses the relationships among the traffic stream variables----speed, flow and density. Since the development of computer science and need of traffic simulation, the focus is transferred to microscopic models. Microscopic model calculates position, speed and acceleration of every vehicle in net at each moment. It can offer great deal of information to traffic management and simulation.This dissertation focuses on microscopic traffic modeling and urban microscopictraffic simulation system. The main contents are listed as follows:(1) Establish a vehicle action model, including car following model, lanechanging model and nearby vehicle’s effect model. The model takesenough consideration of the nearby vehicle’s influence and drivers’response delay, which makes the model more realistic.(2) Develop an urban microscopic traffic simulation system, which involvesvehicle generation model, network model, traffic regulation model,signal control model, vehicle action model, route choice model andintersection turning model.(3) Realize and Research the method that signal cycle and phases areassigned by the traffic need. When vehicles OD is known, this methodcan be used to decide the maximum traffic capacity of signal-controlledIIintersection and the evaluation reference of current control method.(4) Realize the visual part of the urban microscopic traffic simulation systemon graphic workstation OCTANE, by which we can observe real timetraffic condition from different viewing positions.(5) Evaluate the urban microscopic traffic simulation system according totest data of typical section.Key words: microscopic traffic model, simulation, visualIII目录第1章 绪论 (1)1.1 选题的背景和意义 (1)1.2 交通仿真模型概述 (3)1.2.1 交通仿真模型的分类 (3)1.2.2 交通仿真模型的应用范围 (5)1.3 微观交通仿真模型 (6)1.3.1 微观交通仿真模型概述 (6)1.3.2 微观交通仿真模型与微观交通仿真器的研究现状 (6)1.3.3 典型城市微观交通仿真软件和仿真器简介 (7)1.3.3.1 PARAMICS (7)1.3.3.2 INTEGRATION (8)1.3.3.3 MITSIM (8)1.3.3.4 CORSIM (9)1.3.3.5 HUTSIM (10)1.3.3.6 GETRAM/AIMSUN2 (10)1.3.3.7 VISSIM (11)1.3.3.8 TJTS (12)1.3.3.9 NITS (12)1.3.4 微观交通仿真模型的发展趋势 (14)1.4 本文的主要工作 (14)第2章 城市微观交通仿真模型建模 (16)2.1 微观交通仿真模型的建模特点 (16)2.2 城市微观交通仿真模型框架 (16)2.2.1 车辆产生模型 (17)2.2.1.1 随机数产生 (17)2.2.1.2 车辆产生 (18)IV2.2.2 路网模型 (18)2.2.3 交通规则模型 (20)2.2.4 信号灯控制模型 (21)2.2.5 路径选择模型 (24)2.2.6 路口转向模型 (25)2.2.7 车辆行为模型 (26)2.3 仿真流程 (27)2.4 本章小结 (27)第3章 跟驰及邻车影响模型 (29)3.1 跟驰原理 (29)3.2 跟驰模型简介 (29)3.2.1 两秒跟驰模型 (30)3.2.2 刺激-反应跟驰模型 (31)3.2.3 安全距离跟驰模型 (32)3.2.4 心理-生理学模型 (34)3.2.5 元胞自动机模型 (35)3.2.6 PARAMICS的跟驰模型 (37)3.2.7 MITSIM的跟驰模型 (37)3.3 本文的跟驰模型 (38)3.4 邻车影响模型 (41)3.5 模型验证 (47)3.6 本章小结 (51)第4章 换道模型 (52)4.1 换道行为 (52)4.2 间距接受原理 (52)4.3 HUTSIM的换道模型 (53)4.4 PARAMICS的换道模型 (54)4.5 AIMSUN2的换道模型 (54)4.6 MITSIM的换道模型 (55)4.7 CA模型中的换道模型 (56)V4.8 本文的换道模型建模 (57)4.8.1 间距接受模型 (57)4.8.2 汇流模型 (58)4.8.3 分流模型 (59)4.8.4 换道模型 (59)4.9 换道模型仿真实现 (61)4.10 本章小结 (61)第5章 城市微观交通仿真系统的可视化 (63)5.1 引言 (63)5.2 实时仿真环境Vega (63)5.2.1 Vega的定义 (63)5.2.2 Vega的基本组成 (64)5.3 图形环境LynX (65)5.3.1 LynX的定义 (65)5.3.2 LynX窗体的组成 (65)5.3.3 LynX的主要组 (66)5.3.4 LynX的常用工具 (67)5.4 三维仿真建模工具MultiGen II Pro (67)5.4.1 MultiGen II Pro简介 (67)5.4.2 MultiGen II Pro的主要工具 (68)5.5 城市微观交通仿真模型的视景实现 (69)5.5.1 三维物体的建立 (69)5.5.2 对象抽取 (70)5.5.3 应用定义文件生成 (71)5.5.4 城市微观交通仿真模型与视景的结合 (71)5.5.5 相关图像 (74)5.6 本章小结 (75)第6章 应用实例 (76)6.1 单车道微观交通仿真 (76)6.1.1 车种比例对道路通行能力的影响 (76)VI6.1.2 阻塞的传播 (77)6.2 城市路网微观交通仿真 (79)6.3 十字路口微观交通仿真 (88)6.3.1 引言 (88)6.3.2 仿真实例 (88)6.3.3 改进方案1——信号灯配时改变 (91)6.3.4 改进方案2——信号灯周期及相位按交通需求动态分配926.4 丁字路口微观交通仿真 (96)6.4.1 现状仿真 (96)6.4.2 改进方案1——信号灯配时改变 (98)6.4.3 改进方案2——信号灯周期及相位按交通需求动态分配996.4.4 改进方案3——高架设计 (100)6.4.5 方案比较 (102)6.5 本章小结 (104)第7章 总结与展望 (105)7.1 已完成的工作 (105)7.2 创新点 (106)7.3 展望 (107)致谢 (108)参考文献 (109)攻读博士期间发表的论文及参与的科研活动 (117)VII第1章绪论1.1选题的背景和意义[4][5][9]近二十年来，随着经济的飞速发展，世界各国的汽车保有量不断上升，路网通行能力越来越不能满足交通量增长的需要，由此引发的交通拥堵、交通事故、环境污染以及能源浪费日趋严重，已成为全球共同关注的社会问题之一。