交通仿真软件及其应用.docx
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交通仿真软件及其应用
第十二章交通仿真软件及其应用
前言
交通仿真（TrafficSimulation）是系统仿真技术的一个分支，就是用系统模型来复现交通流随时间、空间变化从而表征其行为特征的技术。
交通仿真模型可用于交通系统规划及控制方案的详细评估，更好地理解并掌握交通系统局部和细节，对于较复杂的交通系统尤为适用。
交通仿真技术所具备的功能，使其在以下交通领域得以广泛应用：
1）交通规划方案的详细评估；2）交通控制策略的评估；3）道路几何设计方案的评价分析；4）交通管理系统的评价分析；5）交通新技术和新设想的测试；6）智能交通系统的评价；7）道路交通安全分析；8）交通工程技术人员培训。
当前使用较多的微观交通仿真软件有PARAMICS、VISSIM、TransModeler、AIMSUN、CORSIM、CUBEDYNASIM、TRAFFICWARE等。
本章将介绍系统仿真和交通仿真的原理、方法和常用的交通仿真软件及其应用。
第一节交通系统仿真
一、系统仿真
仿真是当今许多学科广泛应用的先进、安全和经济的技术，军事工业、航空航天、核能等一直是仿真技术应用的主要领域，在军工领域，仿真技术已成为新武器系统研制与试验中的先导技术、校验技术和分析技术。
世界各国几乎所有大型研发项目，如“阿波罗”登月计划、战略防御系统、航天航空器研制、核武器研制等，因其投资和风险巨大，在研制过程中均成功地运用了仿真技术，以较小的代价大幅度降低了风险。
系统仿真技术可应用于系统评价、系统优化、节约经费、降低试验的风险和危险、人员培训、决策支持等。
下面阐述系统仿真的几个基本概念。
（一）基本概念
1）系统
仿真技术应用的对象是系统。
系统的定义很多，通常定义为具有一定功能，按某种规律相互联系又相互作用着的对象之间的有机组合。
社会、经济、交通都是系统，仿真所关注的系统是广义的，泛指人类社会和自然界的一切存在、现象与过程。
任何系统的研究都需要关注三个方面的内容，即实体、属性和活动。
实体是组成系统的具体对象，属性是实体所具有的每一项有效特性（状态和参数），活动是系统内对象随时间推移而发生的状态变化。
由于组成系统的实体之间相互作用而引起的实体属性变化，通常用“状态”的概念来描述。
研究系统，主要就是研究系统状态的改变，即系统的进展或演化。
研究系统除了需要研究系统的实体、属性和活动外，还需要研究系统的环境。
环境是指对系统的活动结果产生影响的外界因素，自然界的一切事物都存在相互联系和相互影响，而系统是在外界因素不断变化的环境中产生活动的，因此，环境因素是必须予以考虑的。
系统与环境的边界是不确定的，随研究的目的不同而异。
2）模型
要进行仿真，首先要抓住问题的本质或主要矛盾，按研究的重点或实际需要对原系统进行简化提炼，也就是建立模型。
模型是对系统某些本质方面的描述，可采用各种可用的形式提供被研究系统的信息，在所研究系统的某一侧面具有与系统相似的数学描述或物理描述，可以在不同的抽象层次上来描述一个系统，是对真实世界中的物体或过程的抽象化和形式化。
模型方法是通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法。
计算机仿真中采用的模型是数学模型。
数学模型是根据物理概念、变化规律、测试结果和经验总结，用数学表达式、逻辑表达式、特性曲线、试验数据等来描述某一系统的表现形式。
数学模型的本质，是关于现实世界一小部分和几个方面抽象的数学“映像”。
这种系统观允许对现实世界中的过程在不同的详尽程度上进行数学描述（编码），从而将各种不同的模型彼此联系起来，并将相互间的关系隐含于数学模型之中。
3）计算机仿真
计算机仿真是建立需研究系统的模型，进而在计算机上对模型进行实验研究的过程。
计算机仿真方法是以计算机仿真为手段，通过在计算机上运行模型来模拟系统的运动过程，从而认识系统规律的一种研究方法。
计算机仿真技术是以计算机科学、系统科学、控制理论和应用领域有关的专业技术为基础，以计算机为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行分析与研究的一门新兴技术。
现代计算机仿真技术综合集成了计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识，是系统分析与研究的重要手段。
计算机仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、可靠、不受外界条件（如气象条件和场地空域）的限制、可多次重复、高效和经济性等特点，近年来发展十分迅速，已经成为当今众多领域技术进步所依托的一种基本手段。
计算机仿真主要步骤有：
问题描述、仿真目标设定、模型建立、数据收集、仿真程序开发、标定和校准、试验设计、运行和结果分析。
（二）系统仿真的分类
系统仿真技术实质上就是建立仿真模型和进行仿真实验的技术。
通常认为，系统仿真是用能代表所研究系统的模型，结合环境（实际的或模拟的）条件进行研究、分析和实验的方法。
系统仿真的过程可通过图12-1所示的系统、模型与计算机三个要素间的三种基本活动来描述。
图12-1系统仿真三要素及三种基本活动
可以从系统模型的角度、仿真时钟与实时时钟的关系对系统仿真加以分类。
1）连续系统仿真和离散事件系统仿真
系统模型按特性可分为两大类：
一类称为连续系统，另一类称为离散事件系统。
由于这两类系统固有运动规律的不同，因而描述其运动规律的形式就有很大的差别，相应地，系统仿真技术也分为连续系统仿真和离散事件系统仿真。
连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统。
但离散时间变化模型中的差分模型可归为连续系统仿真范畴，因为当用数字仿真技术对连续系统仿真时，其原有的连续形式的模型必须进行离散化处理，并最终也变成差分模型。
离散事件系统是指系统状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。
它与连续系统的主要区别在于状态变化发生在随机时间点上，这种引起状态变化的行为称为“事件”，因而这类系统由事件驱动。
而且，“事件”往往发生在随机事件点上，亦称为随机事件，因而离散事件系统一般都具有随机特性，系统的状态变量往往是离散化的。
2）实时仿真、亚实时仿真和超实时仿真
计算机上或实验室里展示天文时间的时钟称为实际时钟，而系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时钟。
根据仿真时钟与实际时钟推进的比例关系，系统仿真分类如下：
（1）实时仿真，即仿真时钟与实际时钟完全一致，也就是仿真中模型推算的速度与实际系统运行的速度相同。
在被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真，例如各种训练仿真器就是这样，有时也称为在线仿真。
（2）亚实时仿真，即仿真时钟慢于实际时钟，也就是仿真中模型推算的速度慢于实际系统运行的速度。
在对仿真速度要求不苛刻的情况下可以用亚实时仿真，例如大多数系统的离线仿真研究与分析，有时也称为离线仿真。
（3）超实时仿真，即仿真时钟快于实际时钟，也就是仿真中模型推算的速度快于实际系统运行的速度。
例如大气环流的仿真、交通系统的仿真等等。
（三）系统仿真算法与仿真软件
仿真算法是将系统的数学模型转换成适合于计算机运行的模型（即计算机仿真模型）的一种算法。
连续系统的动态特性，一般可用微分方程、状态方程或传递函数来描述。
连续系统的数学模型无法直接在计算机上运行，必须将它转变为离散时间的仿真模型（离散时间模型），用于连续系统的仿真算法可分为两大类：
一类是数值积分法；另一类是离散相似法。
离散系统，常常规模较大且结构复杂，往往又是随机的，很难用数学方程描述。
因此，需要直接根据系统的目的要求，以及相关的知识建立其仿真模型。
离散事件系统的仿真模型通常采用流程图或网络图描述，如排队网络模型、Petri网络模型等。
常用的三种仿真建模方法是面向事件的建模方法、面向活动的建模方法、面向进程的建模方法，对应的三种典型仿真策略为时间调度法、活动扫描法和进行交互法。
仿真软件是一种面向仿真用途的专用软件，它既可以使用专业的仿真语言编写，又可以使用通用的计算高级语言编写。
仿真软件包括仿真程序和仿真语言。
仿真程序是仿真软件的初级形式，一般采用计算机高级语言（如C语言）编写，是仿真软件的基本组成部分。
仿真程序用于某些特定问题的仿真，只要仿真对象稍有改变，仿真程序就要重新编制。
随着计算机仿真技术的发展，还出现了专用的计算机仿真语言。
二、交通仿真
（一）交通仿真模型的分类
依据仿真模型对交通系统描述的细节的程度，交通仿真模型可以划分为宏观（Macroscopic）、微观（Microscopic）、中观（Mesoscopic）三种类型。
宏观交通仿真模型对系统实体、行为及相互作用的描述很粗略，仿真速度很快，对计算机资源的要求较低。
它采用集合方式来展现交通流，如交通流量、速度、密度以及它们之间的关系。
宏观模型很少涉及车流内车辆之间的相互作用，如车辆跟驰、车道变换，不考虑个别车辆的运动，而是从统计意义上整体描述车辆的运动，它假定交通流已被合理地分配给各个车道。
宏观交通仿真模型比微观仿真模型的精度低，应用的范围也小，适用于描述系统的总体特性，并试图通过真实反映系统中的所有个体特性来反映系统的总体特性。
宏观仿真模型的重要参数是速度、密度和流量。
微观交通仿真模型非常细致地描述系统实体和它们间相互作用，对计算机资源的要求较高。
微观交通仿真把每辆车作为一个研究对象。
对所有个体车辆都进行标识和定位，在仿真方法上完全不同于宏观交通仿真。
在每一扫描时段，车辆的速度、加速度及其他车辆特性被更新。
微观仿真的基本模型是跟驰模型、超车模型及车道变换模型。
微观水平的车道变换不仅涉及到当前车道中本车对前车的跟驰模型，而且涉及到目标车道的假定前车和后跟车的跟驰模型，还有精细的驾驶员决策行为模拟，甚至整个车道变换的操纵过程也能被模拟出来，因而能非常灵活地反映各种道路和交通条件的影响。
微观仿真模型特别适合于在计算机上精确再现路网上的实际交通状况，常用于交通控制的仿真（如单个交叉口的定时或感应式控制、干道交叉口协调控制等）。
相比宏观仿真模型而言，微观交通的仿真通常需要更多的计算资源。
微观仿真模型的重要参数是每辆车的速度和位置。
中观仿真模型也能够细致地描述大多数系统实体，然而相对于微观模型而言，它对实体运动和相互作用的描述要粗略，例如它采用车队描述模型；对每辆车而言，车道变换则被描述成建立在相关车道实体基础上的瞬时决策事件，而非细致的车辆间相互作用。
中观交通仿真在宏观交通网络的基础上，将个体车辆放入宏观交通流中进行分析，根据模拟的需要，对特定车辆的速度、位置及其他属性进行标识，或对个体车辆分组，再对每组车辆的速度、位置及其他属性进行标识。
对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为单元，描述队列在路段相节点的流入流出行为，对车辆的车道变换之类的行为也可用简单的方式近似描述。
（二）微观交通仿真
由于宏观仿真模型对交通系统的描述比较粗略，计算机技术的进步确保了在微机上也能够实现较大规模的微观仿真，微观交通仿真模型已经成为交通仿真的主流模型。
微观模型基本上由两大部分组成，一部分是路网几何形状的精确描述，包括信号灯、检测器、可变信息标示等交通设施。
另外一部分是每辆车动态交通行为的精确模拟，这种模拟要考虑驾驶员的行为并根据车型加以区分，模拟中涉及对跟驰、车道变换以及路径选择等模型的描述。
总结起来，微观交通仿真系统应具备下面的功能：
（1）清晰地表现路网的几何形状，包括交通设施，如信号灯、车辆检测器等；
（2）清晰地表现驾驶员的行为；
（3）清晰地表现车辆间的相互作用，如跟车、车道变换时的相互作用；
（4）清晰地表现交通控制策略（定周期、自适应、匝道控制等）；
（5）能够模拟先进的交通管理策略，如VMS路径诱导、速度控制和车道控制等；
（6）提供与外部实时应用程序交互的接口；
（7）模拟动态车辆诱导；
（8）能够应用于一般化的路网，包括城市道路和高速公路；
（9）能够细致地仿真路网交通流的状况，例如交通需求的变化，模拟交通设施的功能；
（10）清晰地模拟公共交通；
（11）提供结果分析的工具；
（12）提供图形化的交互界面（GUI）。
微观交通仿真模型基本构成包括车辆行驶行为模型、交通控制状态模型、交通管理状态模型和道路几何状态模型。
其中后三者侧重于对各类方案的描述，并确定前者的约束条件，而前者则通过对车辆在各种约束条件下行驶行为的描述来反映交通路网的交通状态，是模型体系的核心。
跟驰模型、超车模型及变换车道模型是描述车辆行驶行为的基本模型。
第二节常用交通仿真软件
运用交通仿真软件能够比较快速地建立仿真模型，当前使用较多的微观交通仿真软件有PARAMICS、VISSIM、TransModeler、AIMSUN、CORSIM、CUBEDYNASIM、TRAFFICWARE等。
以下逐一介绍它们的主要功能和特点。
一、PARAMICS交通仿真软件
PARAMICS（PARAllelMICroscopicSimulator）是英国Quadstone公司的产品，是一个使用灵活、功能强大、适应面广的三维微观交通仿真软件。
它从1992年开始开发，1996年发布了第一个商用版本，PARAMICS具有实时动态的三维可视化用户界面，对单一车辆进行微观处理的能力，多用户并行计算支持，以及功能强大的应用程序接口。
PARAMICS有两个版本，即Quadstone公司的PARAMICS和SIAS公司的PARAMICS，两者源出于20世纪90年代的同一软件，后来组建了不同公司继续开发PARAMICS，2009年Quadstone发布了PARAMICS6.6和UAF1.1。
PARAMICS在仿真智能交通系统管理控制设施和拥挤道路网方面都有突出表现，能仿真交通信号控制、匝道控制、可变情报板、车内导航和路径诱导等管理和控制措施，还可以通过API函数来添加这些措施的算法或定义其他一些特殊的控制策略。
PARAMICS能够精细地展现各种规模的路网，并以大规模网络模拟和强大的用户编程能力著称，由于采用了并行计算技术，PARAMICS仿真路网规模可以达到100万个节点，400万个路段和32,000个区域。
PARAMICS具有如下的特点：
（1）可视化功能，能在三维空间中精确刻画交通路网中的各主要元素，如道路、车辆、停车场等，在传统仿真软件中，需要估计路段的通行时间和通行能力作为基本输入，但在PARAMICS中，只需要定义路段长度、路口位置、车站位置以及信号控制信息等物理特征，系统会自动计算所需参数；
（2）交互式的路网生成和编辑，交互式的信号控制以及仿真参数设定，这些通过简单的弹出式菜单就可以完成；
（3）功能强大的应用程序接口，通过一定的API函数来添加各种管理和控制措施的算法或定义其他一些特殊的控制策略，从而实现对其的仿真；
（4）高性能的软件技术提升系统功能，提供高精度的仿真结果实现对现实交通路网的动态模拟。
PARAMICS是一个使用灵活、功能强大、适合多种仿真需要的模拟仿真平台，提供了复杂交通控制策略仿真必须具备的功能，包括：
支持简单和复杂的交通控制策略的模拟、支持对路网中的各种要素和设施的模拟、支持在仿真运行的同时编辑和显示路网、支持模拟各种规模的路网（从单一交叉口、城市到区域级的路网）、集成的模型标定和校准工具、输出路网性能指标（用户可自定义的性能指标）报告、提供分析工具、高逼真度的二维和三维仿真。
PARAMICS主要组成模块包括：
①建模器（Modeller）：
PARAMICS的核心模块，用于路网建立、模型显示和微观交通仿真；
②批处理器（Processor）：
利用PARAMICS的核心模型执行批量交通仿真的工具；
③分析器（Analyser）：
分析仿真数据和制作统计报告的工具；
④编程器（Programmer）：
提供了功能强大的应用程序接口（API），利用API可以扩充PARAMICS的功能；
⑤矩阵估计器（Estimator）：
OD矩阵估计工具；
⑥设计器（Designer）：
三维模型构建和编辑工具；
⑦转换器（Converter）：
将其他格式的路网数据转换成PARAMICS的路网数据格式；
⑧排放监视器（Monitor）：
从仿真中收集尾气排放数据，评价基于个体车辆的尾气排放；
⑨城市解析框架（UrbanAnalyticsFramework）：
分析机动车和行人混合交通的分析工具。
其主要应用有：
①城市交通路网的无信号控制交叉路口、信号控制交叉路口、环形交叉口、立体交叉口的仿真；
②城市道路、快速路、高速公路和匝道的仿真；
③公共交通和轨道交通的仿真；
④单点定周期、线控、感应式交通信号控制以及由用户自定义的交通控制逻辑的仿真；
⑤智能交通系统的仿真，如匝道控制、可变信息标志、路径诱导、车道使用、不停车收费、可变限速；
⑥道路施工区、事件管理、交通污染的模拟。
各模块的详细功能如下：
①建模器（Modeller）
建模器是整个系统的核心，提供建立交通路网、交通仿真和统计数据输出等三大功能。
这些功能均支持直观的图形用户界面。
建模器的功能涵盖了实际交通路网的各个方面，包括混合的城市路网和高速路路网、高级交通信号控制、环形交叉口、公共交通、停车场、事故以及重型车和高占用率车道（图12-2）。
建模器既可以细致模拟单个车辆在复杂、拥挤的交通路网中的运行，又能对整体交通状况进行宏观把握。
图12-2PARAMICS的建模器Modeller
②批处理器（Processor）
批处理器用批处理的方式进行仿真计算，得到统计数据输出，常用于敏感性分析和不同参数的测试。
批处理器提供图形用户界面以设定仿真参数、选择输出数据和改变车辆特征。
由于在批处理方式下不显示仿真过程中车辆的位置和路网，因此仿真速度大大加快，而仿真结果与建模器输出的结果是相同的。
批处理器使得交通仿真和分析的过程自动化，减少耗用时间、加速模型开发的速度。
特别当批处理器和分析器配合工作时，有助于简化复杂的交通模型的仿真和统计数据输出。
③分析器（Analyser）
分析器用于显示由建模器或批处理器输出的仿真过程的统计结果，用于仿真结果分析。
它提供灵活易用的图形用户界面将仿真过程中的各种结果进行可视化的输出，包括车辆行驶路线、路段交通流量、最大排队长度、交通密度、速度和延误等，也支持将数据存为文本文件。
支持查看一组数据或者比较多组数据。
分析器提供一系列工具来帮助用户管理数据和获得所需的统计数据。
④OD矩阵估计器（Estimator）
OD矩阵估计器是用来估计OD矩阵的软件模块，用于微观层面上的OD反估，它与PARAMICS的核心程序紧密结合，从而保证了OD矩阵、模型和模拟车辆的路径选择的最大兼容性。
相比于“黑盒”型的传统的OD反估，OD矩阵估计器提供开放、透明、可视化的结构和界面，允许交通工程师把自己的知识、技巧和经验集成估计器的系统内核。
在系统运行时，用户可以与OD估计过程互动，随时作出微调，从而使得OD矩阵估计的过程缩短，压缩传统矩阵估计较长的开发周期。
OD矩阵估计器同时提供API接口，用户可以嵌入自己的反估算法，从而将OD矩阵估计器用于实时OD反估或短期预测OD的反估。
⑤编程器（Programmer）
编程器为用户提供了基于C/C++的应用程序接口（API）。
PARAMICSAPI函数功能强大，使PARAMICS具备更强的可移植性和扩充性，利用API可以扩充PARAMICS的功能，通过加入API程序模块以设计和检验特殊的交通控制和管理策略，增加驾驶员行为模型取代默认的模型，设计新的功能和一些实用的特性，与其他软件和硬件系统的衔接。
用API函数开发的应用程序插件（Plug-in）大大增强了PARAMICS的功能。
⑥设计器（Designer）
设计器是与建模器相配合的三维模型构建和编辑工具，可以展现逼真的三维模型从而使建模器生动地进行交通仿真。
这些三维模型包括大量的车辆外形、房屋、城市景观、街道景观、行人、施工标志、城市照明、交通信号、城市和高速公路标志、机场设施和飞机、树木、收费站等。
⑦转换器（Converter）
转换器实现将其他软件的路网数据转换成基础的PARAMICS路网，但仍然需要对基础路网加工方能形成PARAMICS仿真的路网。
转换器支持的路网数据格式转换包括交通规划软件EMME/2和Cube/TP+/Viper的路网数据，地理信息系统软件Mapinfo和ESRIArcGIS的路网数据，微观交通仿真软件Synchro和CORSIM的路网数据，FlatASCII和CSV格式的路网数据。
可以指示Converter应当如何解释这些路网数据，并通过交互式图形界面编辑基础路网数据。
⑧排放监视器（Monitor）
排放监视器是利用编程工具开发的API插件，它是直接从PARAMICS仿真中收集尾气排放数据的基于单个车辆的尾气排放评价模块，支持计算仿真的交通路网中所有车辆尾气排放的数量，并在仿真过程中进行可视化显示。
尾气水平数据每隔一定时间写入指定的统计文件进行保存，能够模拟的污染物有一氧化碳、二氧化碳、碳氢化物、氮氧化物、燃油消耗、颗粒物。
⑨城市解析框架（UrbanAnalyticsFramework）
这是PARAMICS在2009年最新发布的模块，采用了Agent技术，其特点能够仿真机动车和行人的混合交通，反映机动车交通和行人交通之间的相互作用，提供包括服务水平在内的多种评价指标输出，应用于交通安全评价、行人过街设施分析、交通枢纽仿真、疏散仿真、城市空间设计的评估。
二、VISSIM交通仿真软件
VISSIM是德国PTV公司开发的，是离散的、随机的、以10-1秒为时间步长的微观仿真软件。
车辆的纵向运动采用了心理—生理跟驰模型，横向运动（车道变换）采用了基于规则（Rule-based）的算法。
不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒进型。
VISSIM提供图形化界面，用2D和3D动画向用户直观显示车辆运动，运用动态交通分配进行路径选择。
VISSIM的License对仿真的路网规模进行了限制，其可选模块包括3DGraphics、COMInterface、DynamicAssignment、Emissions、ExternalDriverModel、ExternalSignalControl、NEMA、PublicTransport、TEAPAC/SYNCHRO、VAP、行人仿真模块等。
2009年发布了VISSIM5.2。
VISSIM能够模拟城市内和城市间的交通状况，特别适合模拟各种城市交通控制系统，并提供了与外部交通控制策略的接口，如美国的NEMA，主要应用有：
（1）感应式的信号控制的设计、检验、评价；
（2）公交优先方案的通行能力分析和检验；（3）收费设施的分析；（4）匝道控制运营分析；（5）路径诱导和可变信息标志的影响分析等。
VISSIM软件对智能交通系统的模拟通过其VAP进行，VAP是一种类似于C的交通控制宏语言，它包括一定的语法规则、命令和60多个函数，例如检测器函数、信号组函数等，用户可通过VAP来实现自己定义的控制策略。
VISSIM具有以下特点：
（1）路网编辑易于实现
VISSIM具有简便直观的网络编辑器，可以在栅格和矢量图形格式的底图基础上完成路网编辑，如MrSID（USA），SHP，JPG，DXF，DWG，还可以从别的一些工具软件，如CROSSIG中导入路网结构以及定时交通信号控制方案等（图12-3）。
图12-3VISSIM支持丰富的底图格式
（2）与交通规划软件VISUM的无缝接口
VISSIM可从交通规划软件VISUM导入路网，因此可以快速高效地在VISUM中编辑大型的路网，然后将数据输出到VISSIM进行仿真，仿真结果导出到VISUM进行详细的图形显示。
在VISUM11和VISSIM5之间的数据交换中，由于使用了新的统一的数据交换格式，数据交换更加简单。
（3）车辆驾驶行为模型
VISSIM采用心理—生理的跟驰模型，以10-1秒为时间步长描述城市道路和高速公路上的交通状况，是在德国卡尔斯鲁厄大学
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