仿真技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用.doc

仿真技術(shù)在城市道路交通流上的應(yīng)用專業(yè)：交通運(yùn)輸091姓名： 張宇楠 學(xué)號： 091202026 仿真技術(shù)在城市道路交通流上的應(yīng)用摘要：道路交通系統(tǒng)仿真是應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)研究交通行為，對交通運(yùn)動隨時間和空間的變化進(jìn)行跟蹤描述的技術(shù)。它在道路運(yùn)輸系統(tǒng)及其各組成部分的分析和評價中發(fā)揮著重要的作用。針對交通流仿真的熱點，構(gòu)建城市道路微觀交通仿真模型框架，闡述模型的建模方法。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用面向?qū)ο笏枷牒图夹g(shù)、動態(tài)內(nèi)存管理和實時視景仿真技術(shù)開發(fā)了城市道路微觀交通流仿真原型系統(tǒng)。介紹了該原型系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞：微觀交通流仿真；車輛行為模型；視景仿真1 系統(tǒng)仿真計算機(jī)系統(tǒng)仿真計算機(jī)是系統(tǒng)仿真的主要工具和表現(xiàn)形式，其發(fā)展水平成為系統(tǒng)仿真能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。仿真計算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬計算機(jī)仿真、混合計算機(jī)仿真、實時仿真數(shù)字機(jī)（通用計算機(jī)）、分布交互仿真階段，其中最后兩個階段是隨著信息技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展的。電子模擬計算機(jī)是利用具有各種數(shù)學(xué)特征的典型電路，組成各種典型的基本運(yùn)算部件（如加法器、乘法器、積分器）；這些基本運(yùn)算部件的輸入和輸出是電壓，它們之間可以連接起來以完成更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。因此用模擬計算機(jī)研究仿真一個系統(tǒng)，只要研究這個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即可。電子模擬計算機(jī)是一個并行運(yùn)算的機(jī)器，也就是說其所有的運(yùn)算同時進(jìn)行，所以又稱并行處理器。一個典型的電子模擬計算機(jī)主要由運(yùn)算部件、開關(guān)及無限網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)控制部件、排題版、系統(tǒng)設(shè)計部件、顯示設(shè)備及電源組成。運(yùn)算部件是以高增益、高頻響、低噪聲、低漂移、深度負(fù)反饋的高質(zhì)量運(yùn)算放大器為核心，配合不同的外圍網(wǎng)絡(luò)和控制組件，構(gòu)成不同組建的運(yùn)算器，包括加/減、乘/除、積分、函數(shù)等。混合模擬計算機(jī)是在模擬計算機(jī)中加入大量的數(shù)字邏輯部件、模擬開關(guān)及模擬/數(shù)字混合式部件（如數(shù)控系數(shù)器、數(shù)控積分器、數(shù)控函數(shù)發(fā)生器等）的一種計算機(jī)?；旌夏M機(jī)不僅能完成原有模擬機(jī)功能，而且具有迭代運(yùn)算和描述混合系統(tǒng)模型的能力，其中混合模擬機(jī)的自動參數(shù)、曲線和統(tǒng)計尋優(yōu)功能是系統(tǒng)研究、系統(tǒng)設(shè)計的有力工具?；旌嫌嬎惴抡媸怯赡M機(jī)/混合模擬機(jī)、數(shù)字機(jī)及其接口設(shè)備組成的多臺大規(guī)模計算機(jī)系統(tǒng)，其中數(shù)字計算機(jī)用于執(zhí)行存儲、高精度運(yùn)算等更高級的任務(wù)。隨著計算機(jī)技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，上述兩種計算機(jī)系統(tǒng)不能適應(yīng)系統(tǒng)仿真的需要，就產(chǎn)生了目前廣泛使用的實時仿真數(shù)字機(jī)。2 微觀交通流仿真隨著計算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，交通仿真被越來越多地應(yīng)用于交通系統(tǒng)分析研究和決策支持中。交通仿真可分為宏觀仿真、中觀仿真和微觀仿真三類。其中，微觀交通仿真系統(tǒng)能在單車級上模擬“人-車-路-環(huán)境”的相互作用關(guān)系，反映交通基礎(chǔ)設(shè)施、交通管理手段、交通流控制策略等對交通流的影響。因此，微觀交通仿真建模和系統(tǒng)開發(fā)成為國內(nèi)外的研究熱點。本文在對微觀交通仿真模型建模研究的基礎(chǔ)上，利用面向?qū)ο箝_發(fā)工具和視景仿真環(huán)境，搭建一個微觀交通仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能為城市重點城區(qū)道路網(wǎng)的擴(kuò)建改建、交通管理、交通控制方案的制定、交通事故研究提供仿真分析與評價的平臺。3 交通流仿真模型框架與國外發(fā)達(dá)國家不同，我國的城市交通環(huán)境和駕駛員行為特性有其特殊性。目前，國內(nèi)外尚無成熟的模型和工具來深入分析、研究我國的交通問題，因此，必須建立符合我國交通流特點的交通仿真模型。在此筆者提出如圖1所示的微觀交通仿真模型框架。圖1 微觀交通仿真模型構(gòu)成框架其中：（1）路網(wǎng)描述模型和交通規(guī)則模型屬于靜態(tài)圖1微觀交通仿真模型構(gòu)成框架模型，在進(jìn)入仿真運(yùn)算后，模型各參數(shù)不再發(fā)生變化。路網(wǎng)描述模型通過定義合理的結(jié)構(gòu)體，從點、線、面3個層次來反映路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，幾何特征等。而交通規(guī)則由于往往落實到車道的使用特性上，因此可以通過增加路網(wǎng)描述模型中相應(yīng)的屬性變量來反映。（2）車輛行為模型是整個仿真模型的核心，其有效性直接決定交通流仿真的精度。傳統(tǒng)的車輛行為模型主要由跟馳模型和換道模型構(gòu)成。在單車道或是在不允許超車行為的多車道上，位于后面位置的車輛受到跟馳作用的約束，只能跟著前車行駛。（3）動態(tài)路徑選擇模型可分為最優(yōu)路徑選擇模型和交叉口轉(zhuǎn)向行為模型。其中，最優(yōu)路徑選擇模型用以選擇旅行總時間最短、旅行花費(fèi)最小或是旅途中交叉口最少的路線。為了便于評估交通誘導(dǎo)措施對機(jī)動車駕駛員行為的影響，本文采用的是動態(tài)最優(yōu)路徑選擇模型。交叉口轉(zhuǎn)向行為模型則根據(jù)路徑選擇模型的計算結(jié)果，確定車輛當(dāng)前行駛方向和下一個路段行駛方向的相對位置關(guān)系，以便車輛在路口執(zhí)行正確的轉(zhuǎn)向操作。（4）機(jī)動車排放模型選取IVE模型，并對IVE模型本地化進(jìn)行相關(guān)調(diào)查研究，主要包括：環(huán)境影響因素、I/M制度、燃油使用情況、車輛技術(shù)分布情況等。4 基于實時視景仿真的城市道路交通流仿真系統(tǒng)設(shè)計4.1 開發(fā)環(huán)境選擇軟件主框架和人機(jī)交互界面用VisualC+開發(fā)。對于交通仿真數(shù)據(jù)的存儲和管理，則選用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫進(jìn)行。同時，為了使交通流仿真軟件能夠逼真地再現(xiàn)的三維道路交通流狀況，軟件的可視化部分由三維建模工具Creator和視景仿真環(huán)境Vega來實現(xiàn)。4.2 城市道路交通流仿真系統(tǒng)框架設(shè)計本文開發(fā)的城市道路交通流仿真系統(tǒng)體系框架如圖2所示。可以看到，該原型系統(tǒng)能夠提供較豐富的仿真結(jié)果輸出，包括：車道（路段）平均車速、最大排隊長度、停車延誤、機(jī)動車排放（主要是CO排放量和NOx排放量）。因此，基于自主研發(fā)的微觀交通流仿真模型，本文開發(fā)的城市道路交通流仿真原型系統(tǒng)軟件主要可應(yīng)用于小路網(wǎng)交通管理方案分析與評價，信號控制策略分析，道路基礎(chǔ)設(shè)施改擴(kuò)建實施效果評估。圖2 城市道路交通流仿真系統(tǒng)基本框架4.3 實時視景仿真技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、圖像處理等技術(shù)，將視景仿真引入道路交通流仿真系統(tǒng)中。在以文本、圖像、圖表等二維方式輸出仿真運(yùn)算結(jié)果的同時，將路網(wǎng)內(nèi)每個靜態(tài)、動態(tài)對象的實時狀態(tài)以三維視景方式進(jìn)行顯示，用戶可從直觀觀測交通流運(yùn)行狀態(tài)。通過在Vega環(huán)境中設(shè)置多窗口、多通道的方法，還能使用戶同時監(jiān)控多個重點區(qū)域的交通狀況。5 結(jié)束語本文基于我國城市道路交通流特點，對城市道路微觀交通流仿真的基礎(chǔ)模型進(jìn)行了重點研究。借助計算機(jī)開發(fā)環(huán)境和視景仿真工具，開發(fā)了一個基于三維視景的城市道路微觀交通流仿真系統(tǒng)軟件。該模型仿真系統(tǒng)采用開放式框架體系和模塊化的設(shè)計思路，具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性。仿真案例研究表明，其仿真效果較好。下一階段，在基于混合交通流的車輛行為模型以及增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性方面還有待作更深入的研究。參考文獻(xiàn)1陸化普，李瑞敏，朱茵。智能交能系統(tǒng)概論M。北京：中國鐵道出版社，2004。2陳先橋，嚴(yán)新平，初秀明