第十一章-計算機交通模擬技術(shù)課件

第十一章1計算機交通模擬技術(shù)簡介交通模擬技術(shù)在分析、評價公路運輸系統(tǒng)及其構(gòu)成單元中起主要角色。它們通常與其它諸如供給—需求分析、通行能力分析、交通流模型、跟車理論、波動理論等分析方法相結(jié)合來構(gòu)造復(fù)雜的公路運輸子系統(tǒng)，或一些子系統(tǒng)經(jīng)過相互作用而組成的大系統(tǒng)的模擬框架。這些子系統(tǒng)可以是單個的信號交叉口、無信號交叉口、居住區(qū)或商業(yè)中心區(qū)的交通密集路網(wǎng)、線控或網(wǎng)控信號系統(tǒng)、高速公路、鄉(xiāng)村雙車道公路或多車道公路系統(tǒng)。2應(yīng)用3應(yīng)用于停車場、客貨運站、機場等與道路運輸方式有關(guān)的結(jié)合部研究的模擬軟件。在公交運輸系統(tǒng)、軌道運輸系統(tǒng)、鐵路運輸系統(tǒng)、空中運輸系統(tǒng)、水運系統(tǒng)、港口系統(tǒng)、行人及垂直運輸系統(tǒng)之中都有應(yīng)用。§11-1

概述4一、計算機模擬的定義從廣義的角度上看，模擬是對實物的模仿、語言描述、圖形、照片或關(guān)系式等。所謂計算機模擬，就是利用一定的模型讓計算機自動產(chǎn)生與實際待模擬系統(tǒng)具有相同分布特征的偽隨機數(shù)。并且通過對偽隨機數(shù)的排序、檢驗形成隨時間變化而變化的隨機變量，經(jīng)過計算機的數(shù)字運算、邏輯推演來模仿真實系統(tǒng)，由此形成系統(tǒng)中諸影響因素間的數(shù)值關(guān)系或動態(tài)再現(xiàn)。二、計算機模擬產(chǎn)生的背景及意義5物理模型——實物模型：如設(shè)計道路的設(shè)計圖、設(shè)計信號配時的時-空圖等；符號模型——數(shù)學(xué)模型：在道路設(shè)施的通行能力分析、信號配時、交通分配等交通工程的專門研究領(lǐng)域用此類模擬方法較多。計算機模擬技術(shù)：由一個交叉口、一條道路等局部交通網(wǎng)絡(luò)上一個點的問題，發(fā)展到多個交叉

口及其相關(guān)聯(lián)道路所組成的局部交通網(wǎng)絡(luò)問題。交通問題研究的三種方法6經(jīng)驗實測方法、理論分析方法、計算機模擬方法。由于計算機模擬模型是理論推演、抽象出來的，而一些基本數(shù)據(jù)則來自現(xiàn)場實測，而且利用計算機模擬方法能產(chǎn)生很多象實測法那樣得到的交通數(shù)據(jù)。五方面的優(yōu)點7①

節(jié)省巨額調(diào)查費用；②

安全性；③

快速真實性；④

擴展研究范圍；⑤

可控制性。交通模擬技術(shù)可以使用于其他分析方法都不能奏效的交通問題。能脫離真實系統(tǒng)，而不是必須在現(xiàn)實系統(tǒng)中反復(fù)進行交通試驗。可以實現(xiàn)實驗在當(dāng)前系統(tǒng)中還不存在的新情況、新條件等。能夠詳細地說明具體變量的重要作用，并產(chǎn)生具體變量變化而導(dǎo)致的變化結(jié)果，從而演示個別具體變量如何作用于系統(tǒng)。不僅能夠得到關(guān)于時空序列方面的平均值，而且還能得到其具體變化值?？梢栽谡鎸崟r間環(huán)境下研究系統(tǒng)，還可以在改變了時間的環(huán)境下研究系統(tǒng)。例如既可以壓縮時間，又可以擴展時間。具有危險性的實驗過程，可以通過模擬使操作者在沒有危險的環(huán)境下完成。8為公正合理地評價、比較提出某些改進措施后的結(jié)果，可以重復(fù)性地產(chǎn)生改進前后交通、環(huán)境等方面的基本條件。在運營分析研究中，能夠解決諸如“如果…，會發(fā)生…”型問題對系統(tǒng)的影響?？梢蕴幚斫煌髟谂抨犨^程中的相互作用問題。可以將排隊過程中，接受服務(wù)后的交通流自然地轉(zhuǎn)到下一階段。可以處理隨時間或空間因素變化而變化的需求。還可以建立獨特的模型來處理不服從傳統(tǒng)數(shù)學(xué)分布規(guī)律而不常用的到達分布、服務(wù)時間分布等交通流構(gòu)形。9三、計算機模擬的形式10按模型分類：數(shù)學(xué)模型的模擬和物理模型的模擬。數(shù)學(xué)模型中若含有時間因素，則稱之為動態(tài)模型，否則稱為靜態(tài)模型。模型的建立方法，實測數(shù)據(jù)回歸關(guān)系式或理論推演。模擬按模型參數(shù)的可否預(yù)先確定，可劃分為確定性模擬和隨機性模擬。模擬按模型參數(shù)的規(guī)?？煞譃楹暧^模型模擬或微觀模型模擬；模擬按其驅(qū)動(或掃描)變量可分為：時間驅(qū)動模擬與事件驅(qū)動模擬，也就是說計算進程控制是按時間控制或是按事件控制。模擬按其輸出結(jié)果可劃分為數(shù)字模擬與圖像模擬兩種。四、計算機模擬的發(fā)展回顧公路運輸系統(tǒng)中計算機模擬工作最出現(xiàn)在20世紀50年代。50年代以研究交叉口延誤為目標(biāo)的確定性、微觀、時間驅(qū)動軟件“GOOD”的問世，標(biāo)志著人們已經(jīng)著手用計算機進行交通模擬。60年代(單一行為的模擬),1962年出現(xiàn)了模擬交通流行為(TrafficPerformance)的宏觀確定性模擬軟件NPL；模擬交通控制(TrafficContro1)的隨機性微觀時間驅(qū)動程序LWEIS；模擬車輛延誤(VehicularDelay)的隨機性微觀時間驅(qū)動程序KELL；1963年出現(xiàn)了模擬T型交叉口排隊(Queuingat“T”Junction)的模擬程序ArlKEN；模擬停車信號下排隊情況的EVANS程序；70年代(模擬多個目標(biāo)的優(yōu)化軟件),關(guān)于交叉口模擬軟件方面出現(xiàn)了具有代表性的SOAP軟件和TEXAS系統(tǒng)。11進入80年代后，人們致力于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)。這時期的代表性軟件是1982年美國聯(lián)邦公路局開發(fā)的TRAF模擬系統(tǒng)。進入90年代后，隨著計算機計算速度及內(nèi)存的增加，計算機操作系統(tǒng)Windows的出現(xiàn)，計算機模擬程序著重于友好界面及集成系統(tǒng)的開發(fā)。TSIS系統(tǒng)能動化演示城市路網(wǎng)、公路網(wǎng)及城鄉(xiāng)道路一體化路網(wǎng)的交通情況和計算具體的有效度量指標(biāo)。12§11-2

交通模擬的方法和一般步驟一、交通模擬的方法①

問題描述；②

用模擬術(shù)語描述系統(tǒng)；③

確定測度指標(biāo)；④

建立問題的數(shù)學(xué)模型；⑤

開發(fā)模擬模型及模擬軟件；⑥

模型校驗(標(biāo)定)；⑦

應(yīng)用模擬軟件對所研究的交通系統(tǒng)進行模擬運算；⑧

對模擬結(jié)果進行分析、解釋；⑨

建立軟件的使用手冊；13二、交通模擬的一般步驟14⑴

待模擬問題的宏觀描述;⑵研究經(jīng)驗描述;⑶

研究問題的數(shù)量刻畫。著重處理相互關(guān)聯(lián)的三個問題：①輸入；②處理過程；③輸出。輸入數(shù)據(jù)通常包括交通設(shè)施的設(shè)計因素、交通流的組成、交通行為的準(zhǔn)則和控制類型、環(huán)境條件。輸出結(jié)果數(shù)據(jù)很明顯是根據(jù)不同問題而確定的一些不同的有效測度

指標(biāo)。通常會包括如下有效測度指標(biāo)的一個或若干個：運行時間、延誤、通行能力、服務(wù)水平、油耗、事故數(shù)、事故率、尾氣污染、噪聲污染、

排隊長度、停車次數(shù)、停車率等。⑷收集數(shù)據(jù)；⑸建立問題的數(shù)學(xué)模型；⑹確定參數(shù)類型；⑺模型的手工校驗；⑻模擬軟件開發(fā)；⑼模擬軟件的有效性檢驗；⑽交通模擬實驗設(shè)計；⑾試驗結(jié)果的分析；⑿編寫軟件使用手冊。15§11-3無信號控制平面交叉口通行能力的數(shù)字模擬對于一個給定幾何形狀、交通條件下的平面無信號控制十字型交叉口，在交叉口上運行的交通流有兩種運行情況：一種是道路有主次之分交叉口(或者稱為優(yōu)先式交叉口)的運行情況；另一種是道路沒有主次之分交叉口(或稱自由式交叉口)的運行情況。161．主路優(yōu)先式十字交叉口交通流運行分析沿優(yōu)先通行權(quán)主要道路行駛的車輛通過十字交叉口時不用停車,其通行能力按路段計算。次要道路行駛的車輛通過交叉口時要觀察主要道路上車流所提供的空檔，并利用這些空檔穿越交叉口，其通行能力的大小要受主要道路上車頭時距α的大小、次要道路上司機的反應(yīng)時間等人為因素及交叉口大小、車輛的性能、次要道路上車流到達程度等影響。17一、十字型交叉口交通流運行分析tc次為次要道路上車輛的臨界間隙，它與交叉口大小、車速、司機的反應(yīng)特征等因素有關(guān)。tf次為次路車輛相繼連續(xù)通過交叉口時的隨車時距；182．自由式十字交叉口交通流運行分析19無信號控制平面交叉口，當(dāng)交通流量較大時，如高峰小時或接近高峰小時時，車流經(jīng)過交叉口時具有明顯的車

隊特征，即兩路車流以車隊形式交替穿越通過，也就是說，當(dāng)一路車流通過時，另一路與之沖突的車流的到達車輛需要排隊等候。當(dāng)正在通過的一路車流(假設(shè)A車流)出現(xiàn)可接受間隙時，另一路車流(假設(shè)B車流)才能通行，并且通過一隊車輛，直到B車流中出現(xiàn)可供A車流穿越間隙時，A車流方可再次通行。這樣A、B兩車流以車隊形式交替通行，循環(huán)往復(fù)。二、十字交叉口系統(tǒng)模擬的數(shù)據(jù)描述20要描述一個十字交叉口上車流的運行系統(tǒng)需三類數(shù)據(jù)。固定交通單元的數(shù)據(jù)描述描述交叉口的幾何形狀、車道數(shù)目、車道寬度、所連接道路的級別等。活動交通單元數(shù)據(jù)描述描述交通流數(shù)據(jù)；模擬控制數(shù)據(jù)描述主要指模擬時間的設(shè)置、車型換算當(dāng)量系數(shù)等等。21三、十字交叉口模擬系統(tǒng)交通流數(shù)據(jù)的產(chǎn)生22計算機模擬的關(guān)鍵是產(chǎn)生一組與實際情況相符合的隨機數(shù)據(jù)，模擬能否成功的關(guān)鍵是要檢驗所產(chǎn)生的隨機數(shù)據(jù)能否反映模擬系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)。I．車輛到達時刻與到達間隙的隨機數(shù)據(jù)按一定的分布規(guī)律產(chǎn)生n個隨機數(shù)，讓它代表n+1輛車輛

的車頭時距。如果按特定分布產(chǎn)生這n個車頭時距之和大于給定的模擬時段，也就是說在這個模擬時段內(nèi)沒有這么多車輛。這時，我們可以用保證這n個車輛在模擬時間內(nèi)出現(xiàn)這一條件去檢驗這n個隨機數(shù)。假設(shè)這n個隨機數(shù)為xl，x2，…，xn，模擬開始時間為t0，模擬時間段為T，則這n+1個車的到達時

間為t0，t0+x1，t0+xl+x2，…，t0+≤T，保留這n個隨機數(shù)，否則放棄這個隨機數(shù)，重新產(chǎn)生。2．滿足車型比例和轉(zhuǎn)向比例的車輛標(biāo)定23對于上面產(chǎn)生的n個隨機數(shù)，再產(chǎn)生兩組n個從1到100均勻分布的隨機數(shù)，對于第一個均勻分布的隨機數(shù)組，用100dl、100d2來標(biāo)定大、中、小車型，使上述產(chǎn)生的前n個車輛的車型確定下來，即對隨機數(shù)小于

100d；的對應(yīng)車輛所對應(yīng)車型為大型車，大于等于

l00d；而小于l00d；的為中型車，其余為小型車。同樣道理，用第二個均勻分布的隨機數(shù)組、l00Ldi及100R／2來標(biāo)定交通流中的左轉(zhuǎn)車輛、右轉(zhuǎn)車輛與直行車輛。四、十字交叉口通行能力數(shù)字模擬模型24十字交叉口的整體通行能力為4個入口各流向通行能力的和。為了開發(fā)十字交叉口通行能力的數(shù)字模擬模型，首先需要考慮影響通行能力大小的因素。1．十字交叉口通行能力的影響因素十字交叉口的幾何形狀對其通行能力的影響較大。就車道數(shù)目而言，數(shù)目多就意味著可以同時通過交叉口車輛的機會多，對通行能力是有利的。2．十字交叉口通行能力數(shù)字模擬模型(1)主路優(yōu)先式十字交叉口通行能力模擬模型nj為j級別車流流向的通行能力;tcj、tfj為j車流的臨界間隙和隨車時距，若tcj>αi，說明該主路間隙αi不能被j車流接受，而

=-1，表示主路間隙αi內(nèi)沒有一輛車輛通過。[x]為比x小而大于-2的最大整數(shù)。對于次要道路(或低級別)流向，它的通行能力值取決于較它優(yōu)先級別高的其他車流所提供的公共間隙，若這些公共間隙為α1，α2，…αn2526(2)自由式交叉口通行能力模擬模型對于自由式交叉口，其模擬計算過程主要采取類似信號交叉口下沖突車流間的相互影響關(guān)系，各沖突車流處于平等地位。自由式交叉口計算模式27五、實現(xiàn)模擬模型的編程方法28模擬程序主控函數(shù)結(jié)構(gòu)圖29§11-4現(xiàn)有交通模擬軟件簡介30一、交叉口類已經(jīng)開發(fā)出可以用于單個交叉口的模擬軟件所依據(jù)的模擬模型既有宏觀的，也有微觀的。微觀模型有：NETSIM、SIC．SIM、TEXAS等。宏觀模擬模型有很多，它們中有一部分較為流行，如：CALSlG、CAPCAL、CAPSSI、POSIT、SIDRA、SOGNAL、SOAP-84等。二、城市主干道類這類模擬軟件所基于的模擬模型大多為宏觀模型，僅有NETSIM

為微觀模型。宏觀模型有MAXBAND、PASSERⅡ、PASSERm、SIGOP等。三、高速公路類早在20

世紀60

年代，國外就開始對高速公路進行交通模擬研究。根據(jù)不同的研究目的開發(fā)了多種模擬軟件，但多數(shù)是基于宏觀的模擬模型，如

coaQ2、FRECON2、KRONOS4等，基于微觀模擬模型的模擬軟件有

1NTRAS、FRESIM等。四、鄉(xiāng)村公路類在鄉(xiāng)村公路的已有模擬軟件中，微觀模型有