[科普中國]-交通仿真

交通仿真指用仿真技術來研究交通行為，是一門對交通運動隨時間和空間的變化進行跟蹤描述的技術。其含有隨機特性，可以是微觀的，也可以是宏觀的，并且涉及描述交通運輸系統(tǒng)在一定期間實時運動的數(shù)學模型。1

作用特點交通仿真的作用在于對現(xiàn)有系統(tǒng)或未來系統(tǒng)的交通運行狀況進行再現(xiàn)或預先把握，從而對復雜的交通現(xiàn)象進行解釋、分析、找出問題的癥結，最終對所研究的交通系統(tǒng)進行優(yōu)化。

與傳統(tǒng)的交通分析技術相比，交通仿真技術的優(yōu)點在于：

1．模型機制的靈活性和柔軟性

仿真模型對系統(tǒng)內(nèi)各基本要素的變化規(guī)律及相互作用關系的描述與系統(tǒng)的實際運行過程緊密對應，具有靈活性和柔軟性較強的模型機制。

2．模型描述的準確性和靈活性

微觀仿真模型以交通系統(tǒng)最基本的要素，如單個的車輛、車道、信號燈等為建模單元，因而能準確、靈活地反映各種道路和交通條件的影響。

3．交通分析的開放性

借助于計算機技術，通過良好的用戶輸入輸出界面，模型的運算結果可方便地與用戶交互，增強了模型應用的實用性和方便性。

4．強大的路網(wǎng)動態(tài)交通狀態(tài)描述功能

交通仿真技術可有效地體現(xiàn)交通流的隨機因素，按設想要求實現(xiàn)對動態(tài)交通狀況的重現(xiàn)，從而大大降低了現(xiàn)場試驗要求。1

構成交通仿真一般由仿真對象、仿真建模、仿真編程、仿真實驗及仿真結果組成。

1．仿真對象

交通仿真的對象為道路交通系統(tǒng)，是一個隨機的、動態(tài)的、復雜的、開放的系統(tǒng)，涉及人、車、路及環(huán)境等諸多方面。

2．仿真建模

交通仿真以道路交通系統(tǒng)中相對獨立的實體或行為進行建模，描述各實體的行為及相互作用。

3．仿真編程

仿真程序的編制通常采用兩種類型的編程語言，一種是通用高級編程語言，如FORTRAN、PASCAL、C等；一種是專用仿真語言，如由FORTRAN演變而來的SI。MSCRIPT和SLAM，由ALGOL演化而來的SIMULA等。專用仿真語言將一些系統(tǒng)仿真中常見的工作制成了函數(shù)，使編程工作簡化，但也存在許多限制。相反，通用編程語言雖然要花費一定的時間去學習，編程工作量較大，但它能提供專用仿真語言所缺乏的靈活性和功能。

4．仿真實驗

交通仿真技術常常用來對不同的道路新建或改建方案進行評價和比選，這就要求仿真實驗過程反復提供同樣的交通條件和環(huán)境條件，檢驗方案在同等條件下的運行狀況。

5．仿真結果

通過交通仿真最終得到所需的結果，但交通仿真若處理不當會造成“失真”。因此需要注意在仿真實驗開始前對模型進行標定，并在仿真實驗完成后對模型進行有效性檢驗。1

分類根據(jù)交通仿真模型對研究對象描述程度的不同，可以分為微觀仿真、中觀仿真、宏觀仿真和交通規(guī)劃仿真。

(1)微觀交通仿真

其對交通系統(tǒng)的要素及行為的細節(jié)描述程度最高。例如，微觀交通仿真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、超車及車道變換等微觀行為都能得到較真實的反映。

(2)中觀交通仿真

對交通系統(tǒng)的要素及行為的細節(jié)描述程度較高。例如，中觀交通仿真模型對交通流的描述往往是以若干輛車構成的隊列為單元的，能夠描述隊列在路段和節(jié)點的流入流出行為，對車輛的車道變換之類的行為也可以用簡單的方式近似描述。中觀交通流模型一般采用隊列模型為基礎，常見的有DYNASMART模型、FASTLAN模型和DTAsQ模型。此外，中艦交通流模型比較適合進行分布式并行計算。

(3)宏觀變通仿真

對交通系統(tǒng)的要素及行為的細節(jié)描述處于一個較低的程度。例如，交通流可以通過流量、速度、密度關系等一些集聚性的宏觀模型來描述。對于車輛的車道變換之類的細節(jié)行為不描述。

(4)交通規(guī)劃仿真

基于交通規(guī)劃模型，對區(qū)域內(nèi)出行者的出行行為進行仿真，用以評價現(xiàn)狀和規(guī)劃的道路網(wǎng)絡、公交線網(wǎng)的總體性能。2

步驟交通仿真本身是一個復雜的系統(tǒng)工程。它包括問題分析、模型建立、數(shù)據(jù)采集、程序編制、仿真運行、輸出結果處理等過程，必須按一定的程序和步驟進行。

其包括11個基本步驟，對此將在下面分別進行討論。需要注意的是，這11個基本步驟不是一成不變的。

1．明確問題

交通仿真的第一個步驟是對擬要研究的問題進行詳細的了解和描述，明確研究目的，劃定系統(tǒng)的范圍和邊界，以便對各種交通分析技術的適應性作出判斷。

2．確定仿真方法的適用性

這一步工作的核心是確定在各種交通系統(tǒng)分析技術中，系統(tǒng)仿真對于所討論問題是最適宜的方法。

3．問題的系統(tǒng)化

構造一個仿真模型的第一級流程圖，其中包括輸入、處理、輸出三個組成部分，特別要對輸入和輸出進行詳盡的說明，以便下一步的數(shù)據(jù)收集和處理。輸入數(shù)據(jù)包括交通設施設計參數(shù)、交通需求方式、運行規(guī)則、控制類型、環(huán)境條件等。而輸出數(shù)據(jù)則依賴于所討論問題的類型，通常包括行程時間、延誤、排隊長度、停車次數(shù)、交通事故、燃油消耗、尾氣污染、交通噪聲等。

4．數(shù)據(jù)的收集和處理

根據(jù)輸入和輸出要求收集和處理所需的數(shù)據(jù)，應當制定觀測計劃，確保滿足最小樣本量要求，以便對模型進行標定和有效性檢驗。接下來是對所收集的數(shù)據(jù)進行處理，使之符合仿真模型的需要。數(shù)據(jù)處理通常包括計算均值和方差、確定分布形式和相互關系、進行回歸分析和單位轉換等。

5．建立數(shù)學模型

建立數(shù)學模型是系統(tǒng)仿真中最關鍵的一步，通常采用自上而下循序漸進的方法進行。以前面提到的第一級流程圖出發(fā)，將注意力放在連接輸入和輸出的處理過程上，建立第二級流程圖，確定構成處理過程的主要模塊及其相互關系，以及每一模塊的輸入和輸出。然后，建立第三級流程圖，對每一個模塊的功能進行詳細的描述。

6．參數(shù)估計

模型中的參數(shù)有兩種基本類型，即確定型和隨機型。確定型參數(shù)可以是常數(shù)，也可以根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的不同，對應于一組常數(shù)中的某個值，或者按某種回歸規(guī)律在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的值。對于隨機型參數(shù)，除給出它的均值和方差外，還要指出其分布形式。

7．模型評價

首先，確定流程中是否出現(xiàn)中斷或回路、檢驗數(shù)據(jù)輸入的適應性和取值范圍、檢驗最終的和中間的輸出結果的合理性。

其次，檢查是否有必要增加、刪除或改變一些變量；是否有必要修正一些確定型或隨機型參數(shù)；是否有必要對模型的結構進行修改等。如果僅僅是需要修正某些變量或參數(shù)，則相對來說要簡單，而一旦模型本身被拒絕，則需要返回前面的第三或第五個步驟，有時甚至返回第二個步驟，以至于可能放棄系統(tǒng)仿真方法。

8．編制程序

一旦所建的模型被接受，便可著手編制計算機程序。這步工作中最重要的一點是對編程語言和計算機設備的選擇。應考慮的因素有：開發(fā)人員對各種編程語言包括通用高級語言和專用仿真語言的熟悉程度、計算機編輯器的能力、模型的特征與仿真語言的相容性、仿真程序的可擴展性等。如果所編制的程序將推廣應用，例如作為商業(yè)軟件出售，則要考慮留出修改和擴充的余地，同時還要加入必要的注釋。

9．模型確認

模型確認包括三項內(nèi)容，即模型校核、模型標定和有效性檢驗。

(1)模型校核：確認程序代碼所執(zhí)行的正是流程圖所規(guī)定的任務。

(2)模型標定：以現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)作為輸入，檢驗輸出結果是否與實際的觀測結果相吻合，檢驗的重點為輸入變量。

(3)有效性檢驗：將其余未使用的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)輸入仿真程序，并將計算結果與相應的觀測結果進行比較。輸出結果與實際觀測之間的差異表明了整個仿真程序在所檢驗條件下的誤差。誤差可接受，說明仿真程序是可用的，否則就要重新進行標定和有效性檢驗。

10．實驗設計

實驗設計指的是制定一個詳細的實驗方案，通常包括如下內(nèi)容：

(1)選擇控制變量。

(2)確定每個控制變量的限制條件或邊界條件。

(3)確定每個控制變量的步長。

(4)確定控制變量的層次結構，可考慮先改變初級控制變量，而保持次級變量為常數(shù)。

(5)如何通過仿真程序中的循環(huán)語句自動改變初級控制變量的取值。

(6)如何通過仿真程序中的搜索子程序自動確定最佳條件。

11．仿真結果分析

這一步驟包括三項工作內(nèi)容，即仿真運行、結果分析和形成文檔。

仿真運行：詳細記錄過程，同時對輸出結果加以辨識標記，以便于對其進行分析。

結果分析：發(fā)現(xiàn)仿真程序中的缺陷，可能還要借助輔助程序輸出圖形，對仿真結果進行統(tǒng)計檢驗，或生成文本文件。

形成文檔：一個完善的仿真軟件，應當具備齊全的文檔，包括用戶使用手冊和技術文檔。1

應用交通仿真技術作為一種交通分析工具，已經(jīng)滲透到交通工程領域的方方面面。其應用領域主要包括：

1．在交通工程理論研究中的應用

仿真軟件在交通工程理論研究中的應用主要集中在交通流理論方面。如美國HCS（Highway Capacity Software）軟件系統(tǒng)由美國交通運輸研究委員會（冊）研制開發(fā)，與美國《道路通行能力手冊》（HCM）配套使用。該軟件由交叉口、干道、公路網(wǎng)等模塊組成。數(shù)據(jù)輸入包括交通設施幾何參數(shù)（車道數(shù)和車道寬度等）及交通和道路條件（交通流量、自由流速度、地形條件、道路等級、橫向干擾、大車混入率等）；輸出結果為各種交通設施通行能力及其相應服務水平和相關圖表。HCS系統(tǒng)軟件為美國道路運輸與交通工程設計、規(guī)劃與控制提供了良好的服務，發(fā)揮了巨大的效用。

2．在道路幾何設計方案評價分析中的應用

仿真軟件通過提供一個3D平臺，可以供設計者在計算機中觀看、檢查所設計道路的實際效果，及時發(fā)現(xiàn)設計方案的缺陷和局限性，并進行修改或調整。這樣，在設計中可以及時發(fā)現(xiàn)和避免一些線形設計上的問題。

3．在交通管理系統(tǒng)設計方案評價分析中的應用

交通仿真軟件提供一個將道路和交通設計有機結合在一起的靈活的試驗平臺，可以直觀地提供各種交通設計的實施效果，并可以計算方案實施中的各種交通流參數(shù)。如德國的VISSIM仿真軟件，該軟件可以提供諸如延誤、行程車速、地點車速、流量、密度等一系列可用于定量評價交通設計效果的指標。

4．在道路交通安全分析中的應用

利用仿真軟件提供的直觀的圖形界面，設計者可以通過運行仿真軟件來檢查道路各個部分上的交通隱患，尤其是在信號設計中，可以直觀地通過查看是否有車輛在通過交叉口時發(fā)生沖突，以此來評價信號配時方案是否保證了交叉口的通行安全。在交通安全與事故分析中，仿真模型可“再現(xiàn)”交通事故發(fā)生的全過程，是分析事故成因、制定交通安全保障措施的有力工具。

5．在交通新技術和新設想測試中的應用

交通仿真軟件提供了一個有效的、直觀的仿真試驗平臺，各種新的交通技術和設想都可以在這個平臺上進行試驗；而以往這種新技術、新方法需通過費用高昂的真實試驗來驗證，而且由于實地觀測和采集數(shù)據(jù)的困難，有時并不能全面地考察和評價這些新技術的優(yōu)缺點。

6．在智能交通系統(tǒng)ITS中的應用

交通仿真模型是ITS中進行交通分析的重要手段和方法，但并非所有的仿真模型都適用于ITS的分析。一般而言，面向ITS的仿真模型需要滿足以下條件：

(1)清晰地表現(xiàn)路網(wǎng)的幾何形狀，包括交通設施，如信號燈、車檢器等；

(2)清晰地表現(xiàn)駕駛員的行為；

(3)清晰地表現(xiàn)車輛問的相互作用，如跟車、車道變換時的相互作用；

(4)清晰地表現(xiàn)交通控制策略（定周期、自適應、匝道控制等）；

(5)模擬先進的交通管理策略，如采用可變信息標志提供的路徑重定向、速度控制和車道控制等；

(6)提供與外部實時應用程序交互的接口；

(7)模擬動態(tài)車輛誘導，再現(xiàn)被誘導車輛和交通中心的信息交換；

(8)應用于一般化的路網(wǎng)，包括城市道路和城市間的高速公路；

(9)細致地仿真路網(wǎng)交通流的狀況，例如交通需求的變化，模擬交通設施的功能；

(10)模擬公共交通；

(11)提供結果分析的工具；

(12)提供圖形化的交互界面（GUI）。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學