城市交通流仿真浅谈 （朱江 20106943） 摘 要： 阐述了系统仿真、计算机仿真和交通仿真的基本概念, 介绍了国外道路交通仿真研究的发展历程和趋势以及国内的研究现状, 分析了道路交通仿真研究的意义, 并提出了研究思路。 关键词: 系统仿真; 计算机仿真; 交通仿真

A Comprehensive Review of Road Traffic Simulation Research Abstract : The concept s of system si mu lat i on, computer simulation and traffic simulation are p resented, and the development process and t rend of road traffic simulation research in other count ries are also in roduced, as well as the existing research status in China . Furthermore, the signif icance of the road traffic si mu lat i on research is analyzed and the conceived research plan is put forward . Key words: system simulation; computer simulation; traffic simulation 交通仿真分析技术具有直观、准确、灵活的特点, 是描述复杂道路交通现象的一个有效手段。目前, 道路交通仿真研究已成为国际上交通工程界的研究热点之一。

1 系统仿真、计算机仿真及交通仿真 1.1 系统仿真 系统仿真, 顾名思义就是模仿真实系统。 仿真界专家和学者对仿真下过不少定义, 其中一个比较通俗的描述性定义是: 仿真是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。长期以来, 人们已经充分认识到利用数学模型去描述所研究系统的优越性, 并且逐渐地发展了系统研究和系统分析理论。但是, 由于数学手段的限制, 人们对复杂事物和复杂系统建立数学模型并进行求解的能力是有限的。在19 世纪末20 世纪初工业技术的迅速发展过程, 由于常规数学模型的缺陷对技术的进步的制约作用日益明显, 系统仿真作为一门技术科学也就应运而生。 1.2 计算机仿真 仿真技术发展之初, 由于相关技术条件的限制,人们多采用实物仿真的手段, 例如通过对不同形状飞机模型的风洞实验分析来改进飞机设计。近年来,随着相关技术的发展, 尤其是计算机软、硬件技术的突破, 仿真技术已经由实物仿真发展到数字仿真。由于数字化主要通过计算机来实现, 因而也称计算机仿真。计算机仿真就是采用计算机对数学模型进行仿真实验。 计算机仿真摆脱了实物模型的传统概念, 借助计算机可以对物理性质截然不同的各种系统进行准确、灵活、可靠的研究, 这就使现代科学实验技术提高到一个新的水平。 仿真技术作为分析和研究系统运动行为、揭示系统动态过程和运行规律的一种重要手段和方法,在发展到现代的计算机仿真阶段以后, 其应用领域已从军用转向民用, 从最初的航空、航天、核技术等高新技术领域发展到社会、 经济领域以及广泛的工程领域。现代计算机仿真技术的优越性在于: (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。 1.3 交通仿真 交通仿真是20世纪60年代以来, 随着计算技术的进步而发展起来的采用计算机数字模型来反映复杂交通现象的交通分析方法。交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的一个重要应用。交通仿真是复现交通流时间空间变化的技术。交通仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的开发是交通仿真研究的两个核心内容。 根据交通仿真模型对交通系统描述的细节程度的不同, 交通仿真可分为宏观仿真、 中观仿真和微观仿真。 (1)微观交通仿真模型 其对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高。例如, 微观交通仿真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得到较真实的反映。 (2)中观交通仿真模型 其对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。 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的, 能够描述队列在路段和节点的流入流出行为, 对车辆的车道变换之类的行为也可以简单的方式近似描述。 (3)宏观交通仿真模型 其对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个较低的程度。 例如, 交通流可以通过流密速关系等一些集聚性的宏观模型来描述。像车辆的车道变换之类的细节行为可能根本就不予以描述。

2 国内外交通仿真研究概况 2.1 国外研究概况 国外的交通仿真研究发展阶段基本上经历了20世纪60年代、70年代至80年代以及80年代末90年代初以来的3个较为明显的发展阶段。 2.1.1 20 世纪60 年代 国外交通仿真研究始于20世纪60年代, 其中TRANSYT 交通仿真软件是当时最具代表性的成果。TRAN SYT 模型是由英国的D. L. 罗伯逊于1968 年提出, 以后又经历了8次修改。它是一种宏观仿真模型, 用以确定定时交通信号参数的最优值。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, 这也是由当时的计算机性能所决定的。 2.1.2 20 世纪70～ 80 年代 20世纪70年代至80年代, 由于计算机的迅速发展, 交通仿真模型的精度也迅速提高, 功能也更加多样。这期间的典型代表当属NETSIMU模型。该模型是一个描述单个车辆运动的、时间扫描的网络微观交通仿真模型, 其对城市道路的交通现象的描述精度达到了一个新的高度。大部分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ö 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排队溢出、油耗、废气排放等指标。另外, 模型对道路几何条件的描述也更为灵活。NETSIMU模型经过多次的版本升级, 其功能日趋强大, 广泛应用于交通控制与管理系统方案优化、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,至今为止,NETSIMU模型仍是目前应用最为广泛的仿真模型。 2.1.3 20 世纪80 年代末及90 年代初 随着 20 世纪 80 年代末和 90 年代初国外 ITS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, 并达到了交通仿真研究前所未有的高潮, 出现了一大批的评价和分析ITS 系统效益的仿真软件系统。下面给出了这批仿真软件的一些基本情况: 典型代表 美国: CORS I M、M ITSIMU、PHAROS、SHIVA、TRANSIMS、THORAU 英国:DEACULA、 PADSIM、 PARAMICS、SIGS I M 德国:AU TOBAHN、M ICROSIM、PLANSIM 2T、SIMNET 法国:N EM IS、S I MDAC、S ITRA B+ 、ANATOLL 日本:M ELROSE、 M ICTSTRAN 它们主要描述的是交通现象和对象 、车辆排队及溢出、 车辆交织、 交通事故、 公交运行、 行人冲突、 停泊车辆、 天气状况、 寻找停车场、 自行车、 摩托车等。 描述的交通控制和管理方式为：固定信号控制、 自适应控制、 匝道汇入控制、 静态路线诱导、 动态路线诱导、 事故处理、 公交车优先控制、 可变标志控制、 收费口、 自动道路系统、 无人驾驶车辆、 停车地诱导等 采用的评价指标为：交通运行效益指标: 速度、 行驶时间、 拥挤情况、 行程时间变化性、 公交运行正常率等 安全性指标: 车头时距、 超车、 车辆冲突次数、 车人冲突等 环境指标: 废气排放量、 路旁污染水平、 噪声水平等 舒适性指标: 乘坐舒适度等 技术性指标: 油耗等 2.2 国内研究现状 与国外相比, 国内在交通仿真方面的研究长期处于一种未受重视的状态, 在国内的专业文献中鲜有报道。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, 同济大学、 东南大学、交通部公路科学研究所等一批科研单位开始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成果。但总的来说, 目前国内的仿真研究仍较为零散, 往往只局限于单一问题, 如对二车道公路通行能力的仿真研究、高速道路入口匝道范围交通仿真、优先控制T型交叉口交通仿真等等。深圳交通研究中心于近年成立交通仿真研究中心, 并引进了德国V ISS I M 仿真系统。这是国内交通工程专业机构通过引进国外成熟仿真软件并付诸实际应用来加快中国交通仿真应用的一个重要的尝试。

3 道路交通仿真研究的意义 交通分析作为交通工程的一个基础性工具, 广泛应用于交通工程的各个领域。而不同的应用领域对交通分析工具存在不同的需求。制定道路几何设计方案、交通控制管理方案时往往需要有更为细致、准确的交通分析工观规划层次(如路网规划方案评价)中采用的聚集程度较高的交通状态分析工具。与较为成熟的道路CAD 技术相比, 尚缺乏一个基于计算机辅助的能将道路和交通设计有机结合在一起的灵活的实验平台, 这也是造成目前道路几何设计和交通控制与管理“各自为政”的技术方面的原因之一。交通流的流体假设只是在总体上把握了交通流与真实流体之间存在的相似性, 然而, 道路交通流中具以提供更好的决策支持手段。而实际工作中由于缺乏这样的工具不得不照搬在宏车型的多样性与流体的流质之间完全相同的特性是不完全吻合的, 以及交通流实际情况中经常出现的间断性也与流体的连续特性存在差异。因此, 传统的描述交通流状态的数学分析方法在描述系统的总体特性上有其特