【正文】 基于面向?qū)ο蟮慕煌ǚ抡嬖O(shè)計畢業(yè)論文0　引言　　隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,城市機動車的保有量逐年上升,城市土地利用和開發(fā)也帶來了城市布局以及環(huán)境的改變,由此引起的城市交通阻塞和混亂情況日益嚴(yán)重。為了有效地提高城市道路的利用率,解決交通擁堵問題,有必要對城市道路的交通現(xiàn)狀做出科學(xué)的分析,找出合理的改善措施。交通流微觀仿真作為交通優(yōu)化設(shè)計的一個重要手段,可以從交叉口的設(shè)計、交通流的組織和渠化以及信號控制等方面來對交通現(xiàn)狀進(jìn)行仿真分析,在費用及時間投入都很少的情況下及時得出評估結(jié)果,提出最優(yōu)方案,改善交通狀況。1. 交通仿真的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 隨著社會的發(fā)展，影響交通系統(tǒng)的相關(guān)因素越來越多，而我們又總是力求尋找最優(yōu)解決方案，以期解決各種交通問題，然而，在現(xiàn)實交通環(huán)境中，某些領(lǐng)域需要大量資金的投入，某些領(lǐng)域還隱含著很多不安全因素，這就使得尋求最優(yōu)方案的期望變得很渺茫，甚至是不可能現(xiàn)實的。此時，應(yīng)用計算機技術(shù)進(jìn)行交通仿真就成為了一種很有效的技術(shù)手段。交通仿真是計算機技術(shù)在交通工程領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用，它不僅可以復(fù)現(xiàn)交通流時空變化的技術(shù)、為交通道路設(shè)計規(guī)劃提供技術(shù)依據(jù)，而且還可以對各種參數(shù)進(jìn)行比較和評價，以及環(huán)境影響的評價等。同時，交通仿真系統(tǒng)通過計算機動畫手段能夠非常直觀地表現(xiàn)出路網(wǎng)上車輛的運行情況，動畫過程中哪個局部位置的交通擁擠比較突出？哪個地方比較暢通，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員測試和優(yōu)化各種道路交通規(guī)劃、設(shè)計方案、描述復(fù)雜道路交通現(xiàn)象的一種直觀、方便、靈活、有效的交通分析工具。 交通仿真技術(shù)作為智能交通運輸系統(tǒng)（ITS）的一項重要內(nèi)容，伴隨著 ITS 的蓬勃發(fā)展，目前已成為國內(nèi)外交通工程界研究的熱點領(lǐng)域之一。要建立一個能盡可能反映真實狀況的仿真系統(tǒng)，必須有一個與之匹配的仿真模型，建立的模型要便于仿真系統(tǒng)逼真地模擬實現(xiàn)路網(wǎng)中的各種實際交通行為，如車輛的跟馳行駛、車道變換、超車行駛、道路交叉口信號燈的控制等各種變化情況；另外，為了使仿真系統(tǒng)達(dá)到交通規(guī)劃、評價的性能，還要求模型的建立要便于仿真系統(tǒng)能夠隨時反應(yīng)全局路網(wǎng)的動態(tài)特性，以及能記錄路網(wǎng)中任一實體當(dāng)前的各種狀態(tài)和彼此間的關(guān)系，以便于獲得各種統(tǒng)計參數(shù)。所以，交通仿真模型的建立和交通仿真系統(tǒng)的開發(fā)就成了交通仿真研究的兩個核心內(nèi)容。 根據(jù)交通仿真模型對交通系統(tǒng)描述的細(xì)節(jié)程度不同， 可將交通仿真模型劃分為宏觀、中觀(又稱準(zhǔn)微觀)、微觀 3 種. 宏觀交通仿真模型對交通系統(tǒng)的要素、實體、行為及其相互作用的細(xì)節(jié)描述非常粗糙，例如通過流密度等關(guān)系來描述交通流的一些集聚性的宏觀模型，對車道變換之類的細(xì)節(jié)行為可能根本不予以描述。宏觀模型的重要參數(shù)是車輛速度、密度和流量。宏觀交通仿真模型對計算機資源要求較低，它的仿真速度很快，主要用于研究交通基礎(chǔ)設(shè)施的新建與擴建及宏觀管理措施等。根據(jù)目前計算機硬件的發(fā)展水平，可以在大規(guī)模的路網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行交通宏觀仿真。 相對于宏觀模型來說，中觀模型對交通系統(tǒng)要素、實體運動和相互作用的細(xì)節(jié)描述程度要比宏觀模型高得多。例如，中觀交通仿真模型對交通流的描述往往以若干輛車構(gòu)成的隊列為單元，能夠描述隊列在路段和節(jié)點的流入和流出行為，就每輛車而言，車道變換被描述成建立在相關(guān)車道的實體基礎(chǔ)上的瞬時決策事件，而非細(xì)致的車輛間相互作用。 由于微觀交通仿真模型既融合了宏觀和中觀模型的某些方面，又非常細(xì)致地描述了交通系統(tǒng)的交通環(huán)境及車輛實體等構(gòu)成要素， 因而它對交通系統(tǒng)的要素及行為等的細(xì)節(jié)描述程度是 3 種模型中最高的。它是以單個車輛為對象，通過一些相對簡單但真實的仿真模型來模擬車輛在不同道路和交通條件下的路網(wǎng)上運行，并以動態(tài)圖像的形式顯示出來，在描述和評價路網(wǎng)交通流狀況方面具有傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型所無法比擬的優(yōu)越性。例如，微觀模型對交通流的描述是以單個車輛為基本單元的，車輛在道路上的跟車、超車及車道變換行為等微觀行為都能夠非常細(xì)致和真實的反映出來。 微觀模型的重要參數(shù)是每輛車的當(dāng)前速度和位置。 當(dāng)前的交通仿真模型在一定程度上基本能滿足仿真的需要 ,但是也存在或多或少的不足之處 ,如大部分的仿真都是理想化的仿真 ,略去了行人和自行車的影響等 ,而這些在實際交通中是具有很大影響力的交通因素 。將來交通仿真的發(fā)展趨勢勢必會向著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和并行計算的方向發(fā)展 ,因為虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著實景仿真的效果 ,并行計算具備處理海量數(shù)據(jù)的能力 。隨著計算機技術(shù)和相關(guān)知識的發(fā)展 ,交通仿真會更加成熟 ,在交通工程領(lǐng)域也必將發(fā)揮著越來越大的作用 。 目前，國外在交通仿真研究方面已經(jīng)進(jìn)行了有效的、比較成熟的工作，并開發(fā)了眾多的交通仿真軟件，其中一些軟件已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化和商業(yè)化。20世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)從交通仿真以來，綜觀其整個發(fā)展過程，大致經(jīng)歷了60年代，70至 80年代，80年代末以來3個較為明顯的階段。20世紀(jì)60年代（起步階段） 這一時期的交通仿真系統(tǒng)主要以優(yōu)化城市道路的信號設(shè)計為應(yīng)用目的，因而宏觀交通仿真模型被廣泛使用，但模型的靈活性和描述能力都較為有限，加上當(dāng)時計算機性能較低，所以仿真結(jié)果的表達(dá)也就不夠理想。在這個階段，最具代表性的當(dāng)屬英國道路與交通研究所（TRRL）的 1967 年開發(fā)的道路交通流仿真軟件 TRANSYT，它主要用于確定定時交通信號參數(shù)的最優(yōu)值；Gerlough 在 1963年建立的用于道路網(wǎng)絡(luò)信號配置的 TRANS 模型；美國聯(lián)邦公路局（FHWA）19561966 年研制的 SIGOP 仿真系統(tǒng)。20 世紀(jì) 70~80 年代（迅速發(fā)展階段） 這階段由于計算機的迅速發(fā)展，計算機仿真模型的精度也得到了提高，功能也更加多樣化了。同時，微觀交通仿真模型也得到了較大的發(fā)展。這期間的典型代表是美國聯(lián)邦公路局開發(fā)的 TRAFNETSIM [4]模型，該模型是一個描述單個車輛運動、應(yīng)用時間掃描法的網(wǎng)絡(luò)微觀交通仿真模型，該模型對道路幾何條件的描述也很靈活。TRAFNETSIM 模型經(jīng)過多次版本升級，其功能日趨強大，廣泛應(yīng)用于交通控制和管理系統(tǒng)方案優(yōu)化、交通設(shè)計方案優(yōu)化以及交通工程相關(guān)領(lǐng)域的理論研究方面；1971年， UTCS1模型；1974 年，日本科學(xué)警察研究所開發(fā)了MISTRAN 模型，用以研究左右轉(zhuǎn)車輛與橫穿道路的步行者之間的相互影響；1976年，英國利茲大學(xué)開發(fā)了用于平面交叉口交通信號控制的 SATURN 宏觀模型。20 世紀(jì) 80 年代末以后（成熟階段） 由于早期計算機性能及發(fā)展水平限制，當(dāng)時開發(fā)的交通仿真模型主要用在大、中型計算機以及圖形工作站上，而且?guī)缀醵际遣捎妹嫦蜻^程的傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法， 大多數(shù)都是采用 Fortran 語言或?qū)Ｓ玫姆抡嬲Z言為開發(fā)工具，仿真模型也很難真正體現(xiàn)復(fù)雜的交通現(xiàn)象，系統(tǒng)的通用性、交互性、可維護性、擴展性都較差。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，20 世紀(jì) 80 年代末以來，ITS 成為了國外研究的熱點，世界各國都展開了以 ITS 為應(yīng)用背景的交通仿真軟件的研究與開發(fā)，從而出現(xiàn)了一大批評價和分析ITS 系統(tǒng)效益的仿真軟件，如表 1 所示。表1 與國外相比，由于我國交通國情的限制，長期以來交通仿真并未引起有關(guān)部門的重視， 隨著 ITS 在世界各國研究的廣泛開展，我國交通界認(rèn)識到了在我國開展 ITS 研究的重要性。與此同時，作為 ITS 核心技術(shù)之一的交通仿真也受到了極大的關(guān)注。目前，同濟大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、北方交通大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、交通部公路科學(xué)研究所等學(xué)校和科研單位都展開了實質(zhì)性的研究工作，并取得了一定的成果。但從總體上來看，現(xiàn)在國內(nèi)的交通仿真研究多是“各自為政”式的自主開發(fā)，而沒有更多的聯(lián)系與合作，顯得比較零散，往往只局限于對單一問題的研究解決， 很少從整個交通環(huán)境的大系統(tǒng)來考慮，比如對多車道通行能力的仿真研究、高速公路入口匝道范圍的仿真、信號交叉口的組織優(yōu)化、超車模型和車道變換模型的仿真研究等等。 下面就我國現(xiàn)有的一些交通仿真現(xiàn)狀作一些簡單介紹。 國內(nèi)交通仿真技術(shù)由于受諸多因素的影響 , 上世紀(jì) 90年代之后才逐漸發(fā)展起來 。目前看來 ,研究單位大多集中于高等院校和一些科研機構(gòu) ,主要有同濟大學(xué) 、浙江大學(xué) 、天津大學(xué) 、山東大學(xué) 、清華大學(xué) 、吉林工業(yè)大學(xué) 、東南大學(xué) 、上海交通大學(xué) 、北方交通大學(xué) 、北京工業(yè)大學(xué) 、西安交通大學(xué) 、交通部公路科學(xué)研究所等 。具體的仿真成果大致有：同濟大學(xué)的鄒智軍 、楊東援開發(fā)的TJTS；浙江大學(xué)的王曉薇 、李平研究的城域混合交通流仿真系統(tǒng)的人機界面設(shè)計實現(xiàn)；同濟大學(xué)的鐘邦秀、楊曉光建立了面向?qū)ο笪⒂^交通仿真系統(tǒng)；山東大學(xué)賈磊 、彭勃等建立的城市交通仿真系統(tǒng)(UTSS)；清華大學(xué)的婁明、張毅研究的基于Java3D技術(shù)的虛擬車輛仿真系統(tǒng)；北京工業(yè)大學(xué)的榮建、向懷坤 、馮天科研究的基于GIS的城市快速路交通仿真模型研究；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫晉文對基于Agent的智能交通控制策略與可視化動態(tài)仿真進(jìn)行了研究等 。 國內(nèi)仿真模型所使用的大多是面向?qū)ο缶幊痰挠嬎銠C語言，具體而言所使用的開發(fā)環(huán)境主要有: V isual Studio. Net、VC+ +、Delphi + +、JBuilder等。 CORSIM CORSI是由美國聯(lián)邦公路局 ( FHWA ) 開發(fā)的、綜合了兩個微觀仿真模型 (用于城市的 N ETSM和用于高速公路的F I SM) ，能夠仿真城市道路和高速公路的交通流。CORSM的目標(biāo)是交通系統(tǒng)管理的開發(fā)和評價。它是一個能夠真實再現(xiàn)動態(tài)交通的隨機交通仿真模型 ,有先進(jìn)的跟車模型和車道變換模型，以 ls為間隔模擬車輛的運動。CORSM提供便于用戶觀察仿真結(jié)果的動畫顯示。1997年 , FHWA 發(fā)行了一個加強版 ,大大增強了 ITS的仿真 ,稱為 TREPGS,主要加強了對高速公路 、干線、交叉口、各種車型 (小汽車、公交車、貨車 ) 、控制策略的模擬。CORSM主要的缺點在于缺少分配算法 ,這使得評價匝道控制、 事故和出行者信息引起的交通量轉(zhuǎn)移難以進(jìn)行。 CORSM模型用于國內(nèi)交通狀況的研究也逐漸展開。 PARAM ICS PARAMICS ( PARAllel M IC roscopic Simulator)是蘇格蘭Quad stone公司的微觀交通仿真產(chǎn)品。由于采用了并行計算技術(shù)，PARAMICS不僅可以對大規(guī)模的路網(wǎng)進(jìn)行仿真，而且在仿真ITS基礎(chǔ)設(shè)施和擁擠道路網(wǎng)方面有突出表現(xiàn)， PARAM ICS主要由 5個主要工具模塊組成 ,分別是建模工具(Modelle r)、處理工具( Processo r)、分析工具(A na lyser)、編程工( Programmer)和監(jiān)視工具(Monitor) , 在新近發(fā)布的版本中增加了OD反估工具( Estimator)。其中建模工具是整個系統(tǒng)的核心，主要用來建立交通路網(wǎng) ,提供3維交通仿真和統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸出 ,并均支持直觀的圖形界面；而編程工具則為用戶提供了基于C + + 的應(yīng)用程序接口 (A P I)，用戶可以通過系統(tǒng)提供的接口函數(shù)來添加 ITS子系統(tǒng)和交通管理措施的算法或定義其他一些特殊的控制策略，描述它們對路網(wǎng)中用戶的駕駛行為的影響，形成應(yīng)用程序模塊并嵌入仿真當(dāng)中，從而對這些交通管理和控制策略進(jìn)行設(shè)計和測試。目前在PARAM ICS的編程工具中可以提供 4大類約 700個左右的接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用。 VISSIM VISSIM 是德國 PTV公司的產(chǎn)品 ,它是一個離散的 、隨機的 、100 s為時間步長的微觀仿真模型 。以車輛的縱向運動采用心理 物理跟馳模型 ( psycho physical car follow ingmodel ) , 橫向運動 (車道變換) 則采用基于規(guī)則 ( rule based ) 的算法. 不同駕駛員行為的模擬分為保守型和冒險型 。VISSIM 提供了圖形化的界面 ,用 2D 和 3D 動畫向用戶直觀顯示車輛運動 ,運用動態(tài)交通分配進(jìn)行路徑選擇。VISSIM能夠模擬許多城市內(nèi)和非城市內(nèi)的交通狀況,特別適合模擬各種城市交通控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用有 : ①由車輛激發(fā)的信號控制的設(shè)計、 檢驗、評價；②公交優(yōu)先方案的通行能力分析和檢驗；③收費設(shè)施的分析；④匝道控制運營分析；⑤路徑誘導(dǎo)和可變信息標(biāo)志的影響分析等。該軟