交通仿真在交通分析中的应用 北京林森科技发展有限公司

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1 交通仿真在交通分析中的应用 北京林森科技发展有限公司 www.simul88.com
作用：交通仿真是智能交通运输系统的一个重要组成部分，是计算机技术在交通工程领域的一个重要应用，它可以动态地、逼真地仿真交通流和交通事故等各种交通现象，复现交通流的时空变化，深入地分析车辆、驾驶员和行人、道路以及交通的特征，有效地进行交通规划、交通组织与管理、交通能源节约与物资运输流量合理化等方面的研究。同时，交通仿真系统通过虚拟现实技术手段，能够非常直观地表现出路网上车辆的运行情况，对某个位置交通是否拥堵、道路是否畅通、有无出现交通事故、以及出现上述情况时采用什么样的解决方案来疏导交通等，在计算机上经济有效且没有风险的仿真出来。 交通仿真在交通分析中的应用 北京林森科技发展有限公司

2 目录 一、概述 二、交通仿真的发展和现状 三、交通仿真在交通分析中的必要性 四、交通仿真的分类及其应用
五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤 六、总结 北京林森科技发展有限公司

3 一、概述 二、交通仿真的发展和现状 三、交通仿真在交通分析中的必要性 四、交通仿真的分类及其应用 五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤
六、总结 北京林森科技发展有限公司

4 一、概述 交通仿真的定义： 交通仿真是20世纪60年代以来,随着计算机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道路交通现象的交通分析技术和方法。 相似原理 信息技术 系统工程 交通工程 从试验角度看, 交通仿真是再现交通流时间和空间变化的模拟技术。交通仿真作为仿真科学在交通领域的应用分支,是随着系统仿真的发展而发展起来的,它以相似原理、信息技术、系统工程和交通工程领域的基本理论和专业技术为基础,以计算机为主要工具,利用系统仿真模型模拟道路交通系统的运行状态,采用数字方式或图形方式来描述动态交通系统,以便更好地把握和控制该系统的一门实用技术。 描述 数字方式 图形方式 动态的交通系统 工具 北京林森科技发展有限公司

5 二、交通仿真的发展和现状 一、概述 三、交通仿真在交通分析中的必要性 四、交通仿真的分类及其应用 五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤
七、总结 北京林森科技发展有限公司

6 国外交通仿真的发展 二、交通仿真的发展和现状
美国是仿真技术及系统发展最快、应用最广泛的国家。1967年，美国成立了计算机仿真学会(Society for Computer Simulation)，推动了仿真技术在美国的发展和应用。 北京林森科技发展有限公司

7 二、交通仿真的发展和现状 二十世纪60 年代 二十世纪70 至80 年代 二十世纪80 年代末以来 第一阶段 第二阶段 第三阶段
目前，国外在交通仿真研究方面已经进行了有效的、比较成熟的工作，并开发了众多的交通仿真软件，其中一些软件已经实现了产品化和商业化。从20 世纪60 年代开始出现交通仿真以来，综观其整个发展过程，大致经历了60 年代，70 至80 年代，80 年代末以来3 个较为明显的阶段。 下面我们来分别了解一下这三个阶段所研究的领域已经各个阶段的比较有代表性的软件。 北京林森科技发展有限公司

8 二、交通仿真的发展和现状 第一阶段：20世纪60 年代
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，因而宏观交通仿真模型被广泛使用，但模型的灵活性和描述能力都较为有限，加上当时计算机性能较低，所以仿真结果的表达也就不够理想。 可以描述的内容： 项目 评价指标 交通现象 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 交通控制管理措施 固定信号控制、感应控制、主/次优先控制、车道关闭等 延误、速度、行程时间、排队长度等常规指标外，油耗、废气排放等指标 这个时期虽然收到诸多条件的限制，但是大多数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/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，还可描述诸如油耗、废气排放等指标。另外，模型对道路几何条件的描述也日益灵活。 交通现象：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。 交通控制管理措施：固定信号控制、感应控制、主/次优先控制、车道关闭等。 评价指标：延误、速度、行程时间、排队长度等常规指标外，油耗、废气排放等指标。 北京林森科技发展有限公司

9 二、交通仿真的发展和现状 在这个阶段，最具代表性的模型有： 英国道路与交通研究所（TRRL）的D.L.罗伯逊于1967 年开发的道路交通流仿真软件TRANSYT。它主要用于确定定时交通信号参数的最优值； Gerlough 在1963年建立的用于道路网络信号配置的TRANS 模型； 美国联邦公路局（FHWA） 年研制的SIGOP 仿真系统。 北京林森科技发展有限公司

10 二、交通仿真的发展和现状 第二阶段：二十世纪70 至80 年代
随着 20 世纪80年代末和90年代初国外工TS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，交通仿真研究达到前所未有的高，出现了一大批评价和分析ITS系统效益的仿真软件系统。 这阶段由于计算机的迅速发展，计算机仿真模型的精度也得到了提高，功能也更加多样化了。同时，微观交通仿真模型也得到了较大的发展。 北京林森科技发展有限公司

11 二、交通仿真的发展和现状 这期间的典型代表软件有： 模型 功能 开发时间 开发者 TRAF-NETSIM模型
描述单个车辆运动、应用时间扫描法的网络微观交通仿真模型 二十世纪七十年代 美国联邦公路局 UTCS-1 模型 描述个别车辆运动 1971 E.B.Lieferman MISTRAN 模型 研究左右转车辆与横穿道路的步行者之间的相互影响 1974 日本科学警察研究所 SATURN 宏观模型 用于平面交叉口交通信号控制 1976 英国利兹大学开发 这期间的典型代表是美国联邦公路局开发的TRAF-NETSIM模型，该模型是一个描述单个车辆运动、应用时间扫描法的网络微观交通仿真模型，该模型对道路几何条件的描述也很灵活。TRAF-NETSIM 模型经过多次版本升级，其功能日趋强大，广泛应用于交通控制和管理系统方案优化、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；1971 年，E.B.Lieferman 建立了用以描述个别车辆运动的UTCS-1 模型；1974 年，日本科学警察研究所开发了MISTRAN 模型，用以研究左右转车辆与横穿道路的步行者之间的相互影响；1976 年，英国利兹大学开发了用于平面交叉口交通信号控制的SATURN 宏观模型。 北京林森科技发展有限公司

12 二、交通仿真的发展和现状 第三阶段：二十世纪80 年代末以来
随着计算机技术的迅速发展，软件开发技术的进步，20世纪80年代末以来，ITS成为了国外研究的热点，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与开发，从而出现了一大批评价和分析ITS 系统效益的仿真软件。 由于早期计算机性能及发展水平限制，当时开发的交通仿真模型主要用在大、中型计算机以及图形工作站上，而且几乎都是采用面向过程的传统的软件开发方法，大多数都是采用Fortran语言或专用的仿真语言为开发工具，仿真模型也很难真正体现复杂的交通现象，系统的通用性、交互性、可维护性、扩展性都较差。 北京林森科技发展有限公司

13 国内交通仿真的发展 二、交通仿真的发展和现状
与国外相比，由于我国交通国情的限制，长期以来交通仿真并未引起有关部门的重视，随着ITS 在世界各国研究的广泛开展，我国交通界认识到了在我国开展ITS 研究的重要性。与此同时，作为ITS 核心技术之一的交通仿真也受到了极大的关注。

14 二、交通仿真的发展和现状 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，目前，国内多所著名院校、交通部公路科学研究所都展开了实质性的研究工作，并取得了一定的成果。 但从总体上来看，现在国内的交通仿真研究多是“各自为政”式的自主开发，而没有更多的联系与合作，显得比较零散，往往只局限于对单一问题的研究解决，很少从整个交通环境的大系统来考虑，比如对多车道通行能力的仿真研究、高速公路入口匝道范围的仿真、信号交叉口的组织优化、超车模型和车道变换模型的仿真研究等等。 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VISSIM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。

15 三、交通仿真在交通分析中的必要性 一、概述 二、交通仿真的发展和现状 四、交通仿真的分类及其应用 五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤
七、总结

16 三、交通仿真在交通分析中的必要性 交通系统
一、交通现象的复杂性决定的 交通 环境 行人 驾驶员 道路 车辆 交通系统 交通系统是一个涉及驾驶员—车辆—道路—交通环境相互作用的复杂系统，既有其确定性的一面，又有随机性的一面，同时还有人的行为因素的影响。

17 高密度、单层次的机动车和大量非机动车的混合交通
三、交通仿真在交通分析中的必要性 自行车和公交车在 出行中所占比例大 复杂性 高密度、单层次的机动车和大量非机动车的混合交通 路网结构不合理， 交叉口密集 不确定性 人的行为因素 尤其在我国大中城市的交通系统，相比较国外的交通系统而言，其复杂性、不确定性、人的行为因素的影响表现得更为突出和集中，其特殊性可以概括为高密度、单层次的机动车和大量非机动车的混合交通，表现为： 1。自行车和公交车在出行中所占比例大； 2。路网结构不合理，交叉口密集； 3。市区人口密度大，出行需求高度集中。 市区人口密度大， 出行需求高度集中

18 三、交通仿真在交通分析中的必要性 交通仿真的特点：
利用交通仿真工具，可以从复杂的现象中，抽象出问题的本质，从而更便利的寻找解决问题的方法。在仿真环境中还可以构建现实中难以实现甚至无法实现的系统。 在仿真环境中可以多次以较低成本地反复试验； 北京林森科技发展有限公司

19 延误、平均速度、出行时间、拥挤、排队长度、公交运行的准点性、停车次数等
三、交通仿真在交通分析中的必要性 二、方案评价的需要 传统的方案评价方法的缺点： 能够评价的指标比较有限 不够生动直观 无法对方案的整体效果进行全面的评价 利用仿真工具则不可以较容易克服以上缺点，可以计算相对较多的指标；微观交通仿真通常可以对以下一些指标进行评价： 能够评价的指标比较有限。（比如，交叉口设计和管理方案评价，比较容易得到的评价指标有通行能力、饱和度、延误，对于排队长度、车速、停车次数，占有率等主要的指标比较难获取） 效益 延误、平均速度、出行时间、拥挤、排队长度、公交运行的准点性、停车次数等 安全 车头时距、超车、事故次数、机动车与行人的冲突 环境 废气排放、路侧污染水平、噪声水平 技术性能 油耗量、舒适性 北京林森科技发展有限公司

20 四、交通仿真的分类及其应用 一、概述 二、交通仿真的发展和现状 三、交通仿真在交通分析中的必要性 五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤
六、总结 北京林森科技发展有限公司

21 四、交通仿真的分类及其应用 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，交通 仿真软件也可相 应地分为这3类 交通 仿真 微观 交通仿真 中观 宏观 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，交通仿真软件也可相应地分为这3类。 北京林森科技发展有限公司

22 一、微观交通仿真软件 四、交通仿真的分类及其应用
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。 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。 北京林森科技发展有限公司

23 下表表示的是各个国家被检索软件数和被分析软件数
四、交通仿真的分类及其应用 下表表示的是各个国家被检索软件数和被分析软件数 由上表可以得出，开发这些软件的国家基本集中在北美、欧洲、日本和澳洲，不管是被检索软件数和被分析软件数，美国居首位，表明交通仿真软件的研究应用领域上，美国出在世界领先位置。除了美国之外，英国，德国，法国和日本在交通仿真软件研发也处在世界前列。 具有代表性的几款微观交通仿真软件－AIMSUN2, CORSIM, NETSIM, PARAMICS和VISSIM等 北京林森科技发展有限公司

24 二、中观交通仿真软件 四、交通仿真的分类及其应用
中观交通仿真模型（或准微观模型）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。 目前比较常见的中观交通仿真模型有：INTEG-RATION, DYNASMART, DYNAMIT、TRANSMO-DELER等国外仿真模型和国内目前正在开发的DYNACASTIM模型 北京林森科技发展有限公司

25 三、宏观交通仿真软件 四、交通仿真的分类及其应用
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，象车辆的车道变换之类的细节行为可能根本就不予以描述。 宏观交通仿真软件（主要是交通规划软件） 国外：TransCAD，CUBE，EMME/2，PTV 国内：TranStar 主要功能： 数据管理 基于GIS的可视化输入输出 需求预测 网络分析 OD矩阵推算 公共交通分析 交通管理方案的评价 相对而言，宏观仿真模型缺乏对道路横纵断面变化和交通控制与管理特点变化的考虑，而微观模型虽可以研究交通运营过程，评价各类新的交通控制与管理技术的利弊，但对复杂的实际网络的适用性稍差。随着计算机技术的发展，微观仿真模型也许可以在更大的网络上描述更多流量的交通问题。 北京林森科技发展有限公司

26 四、交通仿真的分类及其应用 TransCAD TransCAD 北京林森科技发展有限公司

27 四、交通仿真的分类及其应用 cube cube 北京林森科技发展有限公司

28 四、交通仿真的分类及其应用 EMME/2 EMME/2 北京林森科技发展有限公司

29 五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤 一、概述 二、交通仿真的发展和现状 三、交通仿真在交通分析中的必要性 四、交通仿真的分类及其应用
六、总结 北京林森科技发展有限公司

30 五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤 1、明确问题； 2、确定仿真方法的适用性； 3、问题的系统化； 4、数据的收集和处理；
5、建立数学模型； 6、参数估计； 7、模型评价； 8、编制程序； 9、模型确认； 10、实验设计； 11、仿真结果分析。 明确问题 对研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目的，划定系统范围和边界。 希望得到什么样的输出结果？ 什么样的输入对输出结果产生影响？ 是否存在重要的随机因素？ 是否涉及到排队？是否存在着相互影响的排队？ 交通条件是否随时间变化？ 车辆到达和离去是否服从经典的数学分布？ 确定仿真方法的适用性 1各种交通分析技术中，系统仿真是否是最适宜的方法？ 2是否可以用其他方法解决该问题？ 3仿真方法是否可以很好地解决该问题？ 4是否有仿真研究所需要的时间和物质支持？ 5是否真的可以解决？ 问题的系统化 构建仿真模型的第一级流程图，包括输入，处理和输出三个组成部分。 数据的收集与处理 1根据输入、输出需求收集和处理所需数据； 2观测计划，确定满足需要的最小样本量，以便于模型进行标定和有效性检验； 3对数据进行处理。 构建数学模型 1在第一级流程图的基础上，构建第二级流程图，确定构成处理过程的主要模块及其相互关系，每一模块的 输入输出。 2然后建立第三级流程图，对每一个模块功能进行详细描述。 模型确认   标定，以现场数据作为输入，检验输出结果实际的观测结果相吻合，重点是输入变量。 检验，其余未使用的现场数据输入仿真程序，将计算结果与相应的观测结果进行比较。 实验设计 控制变量； 确定每个控制变量的限制条件或边界条件； 确定每个控制变量的步长； 确定控制变量的层次结构； 通过程序的循环语句自动改变初级控制变量的取值； 通过搜索子程序自动确定最佳条件。 仿真结果分析 仿真运行 结果分析 形成文档 北京林森科技发展有限公司

31 一、概述 二、交通仿真的发展和现状 三、交通仿真在交通分析中的必要性 四、交通仿真的分类及其应用 五、交通仿真在交通分析过程中的一般步骤
六、总结 北京林森科技发展有限公司

32 六、实例应用（以vissim和TransCAD为例）
对交叉口设计方案（环岛，有/无信号控制，跨线桥方式）进行比较 分析公交优先和轻轨加速方案 通行能力分析和公交优先方案测试 对于交通流控制，收费道路，路段控制系统，道路进口控制和特殊车道等交通管理系统进行分析 运用动态交通分配对大型道路网络进行可行性分析 完成高度专业的交通工程任务，例如铁路运行闭塞区段通行能力分析， 收费广场或者边境控制管理 对交通平静区的交通仿真 公交集散地的客流仿真与可视化。建立具有三维效果的地下铁路车站和客流模型 利用EXCEL对不同参数对应的车辆延误进行比较 北京林森科技发展有限公司

33 六、实例应用（以vissim和TransCAD为例）
软件以GIS为平台，将地图书记与要素相关的属性数据相链接，使得道路网络的编辑、数据输入与处理，数据分析与管理，分析结果的输出整合于一套系统，提供可有菜单驱动，便于使用的视窗用户界面 软件具有很好的集成能力和数据交换能力，可以接收几乎所有数据库格式数据和绝大多数GIS和CAD格式数据 软件的数据压缩技术可以在非解压条件下执行数据分析和管理从而处理大范围的交通数据 软件提供对矩阵，网络和线性关系等专门针对交通应用的数据处理模块 软件具有OD矩阵分析、网络分析、路径优选、区位分析、交通规划与出行分析、GPS跟踪和数据导入等模型和程序，可以根据路段观测流量对告诉公路很热公交线路的OD出行矩阵进行反推估算 软件多采用县城并可以采取分布式计算，对诸如交通分配和网络线路指标综合计算等耗时较多的交通规划瓶颈步骤，利用高效的算法提高效率 北京林森科技发展有限公司

34 七、总结 上面对目前国内外比较典型的仿真软件和模型作了简单的介绍，尽管上述仿真软件和模型各有其特性和优势，但因其研究定位和重点的不同，在一定程度上都存在或多或少的缺陷与不足。主要表现在以下几个方面： 合作与联系 模型描述 不足 上面对目前国内外比较典型的仿真软件和模型作了简单的介绍，尽管上述仿真软件和模型各有其特性和优势，但因其研究定位和重点的不同，在一定程度上都存在或多或少的缺陷与不足。主要表现在以下几个方面： (1)模型描述：大多数模型都只是局限于单个交叉口的运行情况，不能反映出上、下游路段以及整个路网的动态状况；车辆的运行模型中没有关于自行车等非机动车的描述；没有行人行为的描述；极少有模型考虑交通车辆对环境的影响与评价；模型多局限于交通环境的某一个方面或几个方面，很少涉及到交通的大环境；对于公交优先只考虑了道路优先而没有关于车辆优先的描述； (2)合作与联系：现在，从事交通仿真研究的单位都是从自身情况出发来开展工作，缺乏全国性的统一协作，易造成重复性的研究，从而导致有限资金的浪费； (3)信息技术：已有的仿真软件与模型都是局限于交通环境自身而言的，没有真正与GPS 和GIS 等与信息技术相关的信息系统联系起来进行仿真研究。 信息技术 北京林森科技发展有限公司

35 七、总结 优点 即使交通仿真存在着诸多的缺欠，但是它的应用在交通分析有着很大的优越性，是其他的方法无可替代的 可拓展性 经济性 安全性
可重复性 易用性 可控制性 快速真实性 (1)经济性。有些数据无法通过调研和试验得到,或者这一过程花费的人力、物力过大, 这种情况下,这些数据可以通过交通仿真的方法得到。 ( 2)安全性。利用计算机进行仿真试验,可以避免实地调研和试验(如交通调查)中可能出现的意外伤害。 ( 3)可重复性。一旦建立了一个仿真模型,可以任意重复仿真过程。 (4)易用性。仿真方法比以往的方法更容易应用,不需要太多的数学知识去建立一些解析模型。 (5)可控制性。交通仿真是通过程序控制的,它很容易使某些参数的作用限制在一定范围或特定值。例如,人为地固定一些变量为常数,只改变一些变量以考察它们对道路安全性的影响;还可以事先对一些诸如信号配时、几何形状等因素进行人为优化,采取特定的组合方案进行模拟,进而对不同方案进行比选,评价等。 　 (6)快速真实性。与实际交通调查相比,交通仿真可以快速获得结果,缩短了数据获取周期,还可以避免由于人为因素发生交通中断等干扰而造成的数据丢失或失真。 (7)可拓展性。由于利用计算机模拟是对一种设想进行验证,它可以使某些参数(如车速、交通量等)超出实际调查所能得到的范围。利用交通仿真进行模拟预测还可以再现复杂交通环境条件下的车流运行特性,弥补观测数据的不足。 北京林森科技发展有限公司

36 Thank You ! 北京林森科技发展有限公司