交通仿真课程-百度--第三章交通仿真理论与技术

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,山东理工大学 张敬磊,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,山东理工大学 张敬磊,第三章,微观交通仿真理论与技术,本章主要内容,3.1 微观交通仿真系统的结构和软件简介,3.2 微观路网模型简介,3.3 交通生成模型,3.4 车辆跟驰模型,3.5 换车道模型,微观交通仿真系统可以对城市道路改造、交叉口的渠化设计、交叉口控制方法、交通信号配对和公交专用道系统中公交车辆的运行情况等敏感性交通设施进行辅助评价分析，而这些均是城市交通中面临急需解决的问题。,通过仿真交通流的实际状态，不仅可以利用各种原始数据在短时间内得到改善后的交通状况，也可以从系统的运行中得到其他方案所需的数据。,在不同参数情况下，仿真系统的结果可以辅助分析造成交通拥挤问题的原因，而且可以模拟出各种假设交通管理和控制等改进措施对所研究信号交叉口的影响效果。微观仿真系统能在投入和时间相对少的情况下及时得到交通评估结果，更为重要的是对于一些有困难甚至不可能进行现场实验的交通管理和控制措施，可以利用交通流微观仿真系统进行优化和评估。,3.1,微观交通仿真系统的结构和软件简介,3.1.1,微观交通仿真系统的结构组成,城市道路微观交通仿真系统模型包含交通网络描述模块、交通需求模块、车辆行驶模块、交通控制管理方案生成模块、仿真输出模块五个基本模块，如下图所示（课本,P95,，图,4-1,）：,3.1.2,交通仿真系统的特点,交通流微观仿真系统具有以下优点：,（,1,）便于模拟分析交叉口交通流运行情况，特别适宜于各种拓宽和渠化设计方案。,（,2,）为各种信号控制方案提供预先仿真评价工作平台。,（,3,）可仿真研究公交专用道的设计和公交车辆的运营状况，同时为公交线路、站点设计提供评价依据。,（,4,）具有众多的仿真参数和功能，如可模拟路边停车场等。,（,5,）把研究成果以动画形式形象地表达出来。,不足之处：非机动交通流和混合交通流的仿真还不完善，系统的开发和维护需要专业人士负责，不利于推广。,8,交通仿真的目标是评价交通管理计划的行为效果，效果包括,5,个方面：,一是与出行效率相关的方面，如出行的速度、时间等；,二是与交通安全相关的方面，包括车头时距、事故等；,三是与交通环境相关的方面，如各种污染物的排放及振动的产生等；,四是与旅客舒适相关的方面，如停站次数，密度，拥挤水平等；紧张、舒适性等；,五是交通出行的技术性能指标，如费用与燃料消耗。,3.1.3,交通仿真的效果,9,3.1.4,交通仿真评价指标,目标,指标,提供率,效率,速度,87%,出行时间,87%,拥挤,71%,出行时间变化率,68%,排队长度,65%,公交管制,26%,方式选择,16%,安全,车头时距,42%,超车,26%,事故数量,16%,事故,/,速度严重性,16%,离碰撞时的时间间隔,16%,行人作用,16%,10,目标,指标,提供率,环境,排放物,52%,路傍污染水平,16%,噪声,13%,舒适,物理舒适性,3%,紧张性,0%,技术,燃料消耗,48%,性能,车辆运营费用,6%,3.1.4,交通仿真评价指标,3.1.5,微观交通仿真系统简介,自,20,世纪,60,年代以来，国内外交通业界在微观交通仿真领域进行了大量工作，开发了几十种仿真模型和多种交通仿真软件系统。这些仿真软件系统广泛应用于定量化评价和分析,ITS,系统的效益，尤其是,ATMS/ATIS,系统中各类方案的效益评价。典型软件有：美国的,CorSim,、,TranSims,，英国的,Paramics,，德国的,Vissim,、,Microsim,，法国的,Nemis,、,Simdac,，日本的,Melrose,等。详细参见课本,p96,。,3.2,微观路网模型简介,交通运行网络按照其服务对象可分为三大类,（,1,）机动车路网；（,2,）非机动车路网；（,3,）轨道交通线网,。其中，机动车和非机动车路网以城市道路网为基础运行，而轨道线网以轨道需求节点为基础构建而成。,机动车路网、非机动车路网共用同一道路路网，以单个车辆为基本单元，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为都能得到较真实的反映。,微观路网构建主要包括：,路段路口与宏观路网的映射定义；路段定义；车道定义；路口、路径及路口冲突点的定义。轨道交通线网的构建元素包括轨道路段和轨道站，独立于机动车和非机动车路网，其线网形式单一，驾驶员行为模型单一。,3.3,交通生成模型,3.3,.1,交通流的统计分布,3.3,.2,随机数的产生,3.3,.3,随机变量的产生,3.3,交通生成模型,重点：如何得到符合一定概率分布的随机变量。,依靠随机数技术产生符合已给定概率分布的车辆的状态属性以及交通流参数,功能：在被模拟路段的起始段面产生符合实际的交通流。,调查交通流参数的统计分布；,将,0,，,1,上的随机数转换为符合交通流参数分布得随机变量；,生成,0,，,1,区间上均匀分布的随机数；,3.3.1,交通流的统计分布,（,1,）车辆到达分布,3.3,交通生成模型,在一定的时间间隔内到达的车辆数是随机数，可用泊松分布、二项分布、负二项分布等离散型分布来描述这类随机变量的统计规律，下面对这几种分布作简要介绍。,（,2,）车头时距分布,1,）负指数分布,描述前后车辆到达之间的车头时距分布。常用连续型分布,当车辆到达符合泊松分布时，在计数周期,t,内无车到达,(x,0),的概率为：,3.3.1,交通流的统计分布,3.3,交通生成模型,车头时距是交通流中在同一车道上行驶的相邻两辆车的前挡板到达某一指定断面的时刻之差，车头时距特性是交通流特性研究的一个重要方面。,上式表明，在具体的时间间隔,t,内，如无车辆到达，则上一辆车到达和下一辆车到达之间车头对距至少有,t,秒。,换句话说，,P(0),也是车头时距等于或大于,t,秒的概率。,而车头时距小于,t,的概率则为：,3.3.1,交通流的统计分布,3.3,交通生成模型,2,）位移负指数分布,将负指数分布曲线从原点,0,沿,t,轴向右移一个最小,间隔长度 ，得到位移负指数分布曲线。表达式为：,3.3.1,交通流的统计分布,3.3,交通生成模型,3,）厄尔兰分布,厄尔兰分布是较为通用的车头时距分布模型，根据,分布函数中参数,k,的改变而有不同的分布函数。,当 时，结果将产生均一的车头时距,3.3.1,交通流的统计分布,3.3,交通生成模型,参数,k,可以反映畅行车流和拥挤车流之间的各种车流,条件。,k,值越大，说明车流越拥挤，驾驶员自由行车越困,难。因此，,k,值是非随机性程度的粗略表示，非随机性程,度随着,k,值的增加而增加。,k,值可用下式估算：,3.3.1,交通流的统计分布,3.3,交通生成模型,3.3.2,随机数的产生,随机数,：所谓随机数就是随机变量的样本取样值。,均匀分布的随机数,：随机变量,x,在其可能值范围中的任一区间出现的概率正比于此区间的大小与可能值范围的比值。,(0,，,1),均匀分布随机数,：在各种分布的随机数中，最常用和最重要的是在,(0,，,1),区间上的均匀分布随机数。其他分布的随机数都可以由,(0,，,1),均匀分布随机数经过变换和计算来产生,3.3,交通生成模型,产生均匀分布随机数的基本方法有如下三种：,（,1,）表格法,利用物理过程可以得到大量随机数，将随机数填入计算机存储器中，在仿真时顺序调用。,缺点：该方法要求大量的内存和复杂的准备随机数的过程,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,（,2,）物理法,利用物理随机发生器，通过变换来产生均匀分布的随,机数。许多物理过程都可产生均匀分布随机数序列，然后,通过采样计算得到希望的随机数 。,如电子噪声发生器、放射源激励计数器等,缺点：需要一套物理设备，且产生的随机数无法重现,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,（,3,）数学方法,通过计算机程序来产生给定范围,(,通常为,01,),的均匀,分布随机数列。,缺点：由数字所表示的一个数列总是有限的，总会出现周期性。故通常称其为伪随机数。,优点：首先，能使计算机程序的调试更加方便；其次，在不同的仿真运行中重复使用相同的随机数列，可以比较仿真输出的精度。,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,计算机上用数字方法产生的随机数的一般要求有：,1.,产生的数值序列要具有分布的均匀性、抽样的随机性、试验的独立性以及前后的一致性。,2.,产生的随机数要有足够长的周期，以满足你真的实际需要。,3.,产生随机数的速度要快，占用的内存空间要小。,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,当前应用的大多数随机数发生器是同余发生器，,同余法是将一组数据通过一系列特定的数字运算，最后利用一个数字的整除求余，所得的数值就是一个伪随机数。,其中,int,表示取整，初始值 称为种子，,a,为常数，,乘数,c,为增量，,m,为模。,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,当 时，称为混合同余法；当 时，称为乘同余法。,由于近年来对混合同余法所期望的性能改善没有获得明显的进展，因此今天所用的大多数线性同系发生器都采用乘同余法：,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,对二进制计算机，可以按照以下规则选择,a,和,m,：,取 ，,j,是某个整数，一般,m,选择在机器所能表示的,数的范围内；同时，还要考虑用上式计算得到的伪随机数,序列的周期应大于试验的持续期。,a,一般取与 最接近而又满足 的那个数，,其中,K,为任意整数，,p,为机器字长度。,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,例,1,用乘同余法产生一个,8000,个数的序列,(,最小单位为,1),。,确定：,m,和,a,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,用上面的递推公式计算出来的伪随机数基本上符合均匀,分布的统计特性，其概率密度函数为：,均值和方差分别为：,为了得到,0,到,1,之间的随机数，,用 ）进行归一化处理,3.3.2,随机数的产生,3.3,交通生成模型,反变换法,假设在区间,0,，,1,中的均匀随机数列 已经,存在，其概率密度函数 和分布函数 为：,3.3,交通生成模型,3.3.3,随机变量的产生,3.3.3,随机变量的产生,为了获得各种不同分布的随机变量,要对 进行整形。,定理：如果 是一个在,0,，,1,区间均匀分布的随机变量，它的概率分布为 ，今要求 的分布函数为 ，则只要取 ，即,(,反函数,),即可。,3.3,交通生成模型,3.3.3,随机变量的产生,3.3,交通生成模型,3.3.3,随机变量的产生,3.3,交通生成模型,3.3.3,随机变量的产生,3.3,交通生成模型,下式,3.3.3,随机变量的产生,3.3,交通生成模型,得：,3.3.3,随机变量的产生,3.3,交通生成模型,3.4,车辆跟驰模型,3.4. 1,概述,3,.4.,2,车辆跟驰特性分析,3,.4.,3,车辆跟驰模型,简介,3.4. 1,概述,3.4,车辆跟驰模型,车辆跟驰模型,是运用动力学方法，探究在无法超车的单,一车道上车辆列队行驶时，车辆跟弛状态的理论。,由于交通系统的,复杂性,特别是跟驰行为,影响因素的多,样性,，导致没有一个公认的跟驰模型，本文在综述国内外,的研究成果基础上，推荐,行为阈值模型,为微观仿真的首选。,车辆跟驰模型,是描述交通行为即人,车单元行为,的,动态模型,。,发展过程：,1950,年，,Reuschel A,开始研究车辆在列队行驶时的,运行状态。,1953,年，,Pipers L,A,建立了车辆跟驰模型并给出,解析结果，标志着,车辆跟驰模型的解析方法研究的开始,。,Pipers,的车辆跟驰模型源于加利福尼亚机动车法规中,的建议：,在跟随行驶过程中，安全距离至少为一个车身,长度并随速度每增加,16km/h,，就增加一个车长。,（,1,）,20,世纪,50,年代初（早期）,3.4. 1,概述,3.4,车辆跟驰模型,优点：模型形式简单，物理意义明确，具有开创意义。,缺点：模型精度不能令人满意。,3.4. 1,概述,3.4,车辆跟驰模型,日本的,Komentani E,和,Sasaki T,美国密歇根大学,的,Forbes,，通用汽车公司动力实验室的,Herman,Rothery,及,其研究组进行的研究，发展了车辆跟驰模型的研究。,（,2,）,20,世纪,50,年代后期到,60,年代中期,（,3,）,20,世纪,70,年代,车辆跟驰模型的研究得到了进一步的发展和完善。,3.4. 1,概述,3.4,车辆跟驰模型,（,4,）,20,世纪,80,年代,研究进展缓慢，主要是对早期研究的一些问题进行了,更深入的探讨。,（,5,）近代,随着,智能交通运输系统,、,车辆自动智能巡航系统,和,驾,驶员信息诱导系统,的开发建立，需要对车辆跟驰特性进行,更加细致研究，车辆跟驰模型的研究再一次成为热点。,3.4. 1,概述,3.4,车辆跟驰模型,3.4. 2,车辆跟驰特性分析,（,1,）制约性,紧随要求,:,出于对旅行时间的考虑，后车驾驶员总不愿意落后很多，而是紧随前车前进；,车速条件,后车的车速不能长时间大于前车的车速，而只能在前车速度附近摆动，否则会发生碰撞,;,3.4,车辆跟驰模型,间距条件,车与车之间必须保持一个安全距离，即前车制动时，两车之间有足够的距离，从而有足够的时间供后车驾驶员做出反应，采取制动措施,.,紧随要求、车速条件和间距条件构成了一队汽车跟驰行驶的制约性，即前车的车速制约着后车的车速和车头间距。,3.4. 2,车辆跟驰特性分析,3.4,车辆跟驰模型,（,2,）延迟性,由制约性可知，前车改变运行状态后，后车也要改变，但不是同步的，而是,后车滞后于前车,。这是由于驾驶员对于前车运行状态的改变要有一个反应的过程，包括：,感觉阶段,:,前车运行状态的改变被察觉；,认识阶段：对这一改变加以认识；,判断阶段：对本车将要采取的措施做出判断；,执行阶段：由大脑到手脚的操纵动作。,3.4. 2,车辆跟驰特性分析,3.4,车辆跟驰模型,这,4,个阶段所需要的时间称为反应时间。假设反应时间为,T,，前车在,t,时刻的动作，后车要到,( t+T),时刻才能做出相应的动作，这就是,延迟性,。,3.4. 2,车辆跟驰特性分析,3.4,车辆跟驰模型,（,3,）传递性,由制约性可知，第一辆车的运行状态制约着第二辆车的运行状态，,，第,n,车制约着第,n+1,辆。一旦第一辆车改变运行状态，它的效应将会一辆接一辆的向后传递，直至车队的最后一辆，这就是传递性。,制约性、延迟性及传递性构成了车辆跟驰行驶的基本特征，同时也是车辆跟驰模型建立的理论基础。,向后传递的信息不是平滑连续，而是像脉冲一样,间断连续,3.4. 2,车辆跟驰特性分析,3.4,车辆跟驰模型,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,主要可以分为以下几类：,刺激,-,反应模型,、,安全距离模型,、,生理,-,心理模型,。,近年来，又涌现出,模糊推理模型,和,元胞自动机模型,。,（,1,）刺激,反应模型,刺激,-,反应模型重在描述驾驶环境中,各种刺激,对驾驶员行为的影响，包括,GM,模型,和,线性模型,。,3.4,车辆跟驰模型,GM(General Motor),模型,在假设车辆在,22,86m(75ft),内末超车或变换车道的状况下，由驾驶动力学模型推导而来，并引入,反应,用后车的加速度或减速度表示，,刺激,用后车与前车的相对速度表示，,灵敏度,则视模型的应用特性不同而有所差异,。,反应,(t+T) =,灵敏度,刺激,(t),3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,模型的基本假设为：驾驶员的加速度,与两车之间的速度差成正比,；,与两车的车头间距成反比,；同时,与自身的速度也存在直接的关系,。,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,当跟驰驾驶员感知到车头间距及相对速度差异过大时，会加速接近前车以缩短车头间距，逐渐由不受影响状态进入受影响状态；当跟驰驾驶员感知到过于接近前车而不安全时，则减速以加大车头间距；减速后的车头间距若不合乎跟驰驾驶者的期望则再加速，整个系统就在年辆不断加减速的自我调整过程中达到稳定跟驰状态。此种驾驶行为会表现出两种独特的跟驰现象：,跟驰过程处于一个微幅振荡调整车头间距与速度差的系统中,；,在各反应状态下，具有如抛物线形式的反应阈值界限,。,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,GM,模型形式简单，物理意义明确，作为早期的研究成果，具有开创意义。,缺点：模型的通用性较差，现在较少使用,GM,模型，这是因为在确定,m,和,l,的过程中存在大量的矛盾之处。造成矛盾的原因可能有两个：,跟驰行为非常易于随着交通条件和交通运行状态的变化而变化；,大量的研究和试验是在低速度相停停走走的交通运行状态中进行的，而这种状态的交通流不能很好地反映一般的跟驰行为,。,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,（,2,）安全距离模型,模型的基本关系是,寻找一个特定的跟驰距离。,如果前车驾驶员做了一个后车驾驶员意想不到的动作，当后车与前车之间的跟驰距离小于某个特定的跟驰距离时，就有可能发生碰撞。,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,第一项由两个限制条件合并而成，即期望车速限制和由汽车动力特性决定的加速度限制，当该项对大多数车辆起作用时，交通流处于自由行驶状态；,第二项是防止碰撞限制，当它起作用时，交通流处于拥挤状态。 的取值可以在两式之间平滑地转换。,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,安全距离模型在计算机仿真中有着广泛的应用。,部分原因在于可以用一些对驾驶行为一般感性假设来标定模型。大多数情况只需知道驾驶员将采用的最大制动减速度，就能满足整个模型的需要，尽管该模型能够得出可以令人接受的结果，但仍有许多问题有待解决。,避免碰撞的假设在模型的建立中是合乎情理的，但,在实际的交通运行中，驾驶员在很多情况下并没有保持,安全距离行驶。,3.4. 3,车辆跟驰模型简介,3.4,车辆跟驰模型,61,3.5,换车道模型,车辆,跟驰模型,与,换道模型,是微观仿真最重要的,2,个模型，换道模型更复杂，更难用数学方法描述；,换车道行为,是驾驶员由自身驾驶特征，针对周围车辆,车速、间隙,等周边环境信息刺激，调整并完成自身驾驶目标则略的总和过程。包括信息判断和操作执行。,必需要有大量的微观车辆信息作为基础。,目前最常用的是,Gipps(1986),年提出的。换道的计算主要以,换道概率,、,换道加速度,、,可接受间隙,等指标反映。换道根据需求和类型可分为,强制换道,与,自由换道,。,强制性换道,指具有确定的目标车道，在一定区间内必须实施换道的行为，如匝道的分流、合流车辆，交织区车辆,。,强制换道,包括：,通往下一,目的地,路径所需要的换道；,避免,进入下一,堵塞,/,封锁车道,所需要的换道；,避免,进入某一,限制车道,所需要的换道；,响应,LUS,与,VMS,所需要的换道。,自由换道,是指驾驶员为,追求更高速度,、绕过大型车辆、避免进入与匝道相连接的车道等而采取的换道行为。如超车等。,强制性换道与判断性换道在驾驶方式有很大区别。区别在,换道需求产生,这一环节，是否有明确的目标车道。,（,1,）强制性换道,63,判断性车道变换是指车辆在遇到前方速度较慢的车辆时为了追求更快的车速、更自由的驾驶空间而发生的变换车道行为。,车辆不变换车道也能在原车道上完成其行驶任务，变道不是强制性的。,自由换道条件下，换道决策是以,当前车道,和,邻接车道,的,交通条件,为基础的。它要考虑,期望车道,(,由驾驶员对速度的喜好等因素决定,),、,可接受空隙,等因素。,（,2,）自由换道,(,判断性换道,),64,是否需要更换车道？,司机不满意驾驶状态,在目标车道上行使是否会改善行使状况,?,选择何种换车道方向？,向左转换车道的概率是向右的,4,倍,是否有可能进入目标车道？,满足安全需求。换车道后不至于与目标车道的前车发生冲突，不至于目标车道的后车发生冲突。,（,3,）司机对换车道的判断过程,65,（,4,）判断性换车道过程,由预设的评分机制根据驾驶员特性评价对当前车道是否满意，若不满意，产生换道需求。,由相邻车道的前间隙、后间隙的评价是否能够实现换车道行为。,主车成功汇入目标车道。,需求,评价,执行,66,