计算机仿真技术概述及其在交通仿真领域的应用

计算机仿真技术简介

计算机仿真技术是一门综合性信息技术，它通过专用软件，整合图像、声音、动画等，将三维的现实环境、物体模拟成多维表现形式的计算机仿真，再由数字媒介作为载体传播给人们。当人们通过该媒体浏览观赏时就如身临其境一般。并且可以选择任意角度，观看任意范围内的场景或选择观看物体的任意角度。正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性，以及建立个人能够沉浸其中、超越其上、进出自如、具有交互作用的多维信息系统的追求，推动了计算机仿真技术在各个领域中的应用与发展。并且，因其有效性、经济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。它是在计算机图形学基础上发展起来的一种仿真应用技术。

计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。工业方面，计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。

综上所述，计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它集成了计算机技术、网络技术、图形图象技术、面向对象技术、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。

计算机仿真技术原理

对于需要研究的对象，计算机一般是不能直接认知和处理的，这就要求为之建立一个既能反映所研究对象的实质，又易于被计算机处理的数学模型。关于研究对象、数学模型和计算机之间的关系，可以用图1来表示。

图1

数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质，当然，这种展现可以是三维立体的。由于三维显示更加清晰直观，已为越来越多的研究者所采用。通过对这些输出量的分析，就可以更加清楚的认识研究对象。通过这个关系还可以看出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。从模型这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤：模型的建立、模型的转换和模型的仿真实验。

模型的建立:对于所研究的对象或问题，首先需要根据仿真所要达到的目的抽象出一个确定的系统，并且要给出这个系统的边界条件和约束条件。在这之后，需要利用各种相关学科的知识，把所抽象出来的系统用数学的表达式描述出来，描述的内容，就是所谓的“数学模型”。这个模型是进行计算机仿真的核心。

系统的数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型；根据系统的状态描述和变化方式可划分为连续变量系统模型和离散事件系统模型。

模型的转换:所谓模型的转换，即是对上一步抽象出来的数学表达式通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理的形式，这种形式所表现的内容，就是所谓的“仿真模型”。这个模型是进行计算机仿真的关键。实现这一过程，既可以自行开发一个新的系统，也可以运用现在市场上已有的仿真软件。

模型的仿真实验:将上一步得到的仿真模型载入计算机，按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果，这就是所谓的“模型的仿真实验”。

具备了上面的条件之后，仿真实验是一个很容易的事情。但是，应该如何来评价这个仿真的结果呢？这就需要来分析仿真实验的可靠性。有专家在论文中提出了检验仿真结果可靠性的两种方法：置信通道法和仿真过程的反向验证法。

现代仿真技术

现代仿真技术的重要进展主要体现在:

(1)系统建模方面: 传统上,多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来, 在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。除此之外, 近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法; 基于模型库的结构化建模方法: 面向对象建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。

(2)仿真建模方面: 除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究新算法和开发新软件外, 现代仿真技术采用模型与实验分离技术, 即模型数据驱动。将模型分为参数模型和参数值, 以便提高仿真的灵活性和运行效率。

(3)仿真实验方面: 现代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开。其中, 实验架用来定义条件, 包括模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、输出说明。这样, 当需要不同形式的输出时, 不必重新修改仿真模型, 甚至不必重新仿真运行。正是由于现代仿真方法学的建立, 特别是模拟可重用性、面向对象方法和应用集成等新技术的应用, 使得仿真、建模与实验统一到一个集成环境这中, 构成一个和谐的人机交互界面。

计算机仿真技术在交通领域的应用

计算机仿真的用途非常广泛已经渗透到社会的各个领域，不断促进了各行各业的发展，为各行各业注入了一股新的活力。与我们息息相关的有交通领域、制造领域、教育领域、娱乐设施领域；国家科技层面的有国防科技研究中的模拟场景、体育战术演练中的仿真运用等。

交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的应用。它不仅可以成功地用于传统交通系统中的交通分析和规划，而且可以有效地进行智能交通系统

（ Intelligent Transportation Systems，简称 ITS）的效果评价。目前，交通仿真已成为国际交通工程领域的研究热点之一。

交通仿真技术的历史可以追溯到1955年Gedough在Los Angeles California大学发表的文章{Simulation of freewaytraffic on ageneral—purpose discrete variable computer)，而城市交通仿真技术只是在最近20年才得到广泛的应用。具体来说，交通仿真技术是研究运用现代计算机技术建立一个能够代替现实的交通系统的计算机模型的过程，该模型能再现实际交通系统的特性、分析交通系统在各种设定条件下的可能行为，通过模型仿真试验的结果，以寻求现实交通问题的最优解、评价运输设施各类设计方案的效果。同时，它还可以为各种交通产品的设计开发和性能优化提供直接的技术支持，为说服交通管理决策层采纳新的交通理念提供帮助。

自从20世纪90年代人类研究ITS(IntelligentTransportation System)以来，交通工程取得了突破性的发展，作为ITS的两个重要研究内容的ATMS(Advanced Transpor—tation Management System)和ATIS(Advanced TransportationInformation System)，其主要任务分别是研究交通信号的控制和交通路径的诱导，研究方法也涉及到模糊控制、神经网络、遗传算法、蚁群算法等各种智能技术，采取的方案也多种多样。方案寻优的方法主要有现场试验和计算机仿真。现场试验法要求测试系统的软硬件设备基本实现，代价昂贵，而且在某些情况下还存在危险性，甚至达不到目的。比如，不可能仅仅为了检验某种交通管理系统的控制机制而产生具有特定状态的交通流，试验中可能会发生交通事故等；而计算机交通仿真提供了一个较为接近真实城市交通状况的仿真平台和试验场景，不仅能够节约大量的资金，而且具有可重复性，是一种交通方案寻优的极好选择。

交通仿真的研究概况

国外交通仿真研究凭借其先进的计算机技术取得了卓有成效的工作，纵观其发展历程，大致经历了三个发展阶段。1、起步阶段，20世纪60年代是国外交通仿真的起步阶段，这一阶段的工作主要以优化城市道路交通信号控制为主要目的，其最具代表性的当属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；Ger—lough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)1956—1966年研制的SIGOP仿真系统。但是，这些模型由于受到当时计算机发展水平的影响，仿真效果并不是很理想；2、迅速发展阶段，20世纪70—80年代，由于计算机的迅速发展，计算机仿真模型精度的提高，交通仿真模型也得到了较大的发展。这期间的典型代表是美国联邦公路局开发的描述单个车辆运动、应用时间扫描法的网络微观交通仿真模型，即TRAF—NETSIM 模型；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。3、成熟阶段，20世纪80年代末以后，随着计算机软件开发技术的进步以及世界各国研究ITS的热潮的到来，出现了大批以评价ITS效益的仿真软件，并逐渐的形成商品化。典型代表如表1所示。

表1 典型交通仿真软件

国外典型仿真软件简介

CORSIM:CORSIM是由美国联邦公路局(FHWA)开发的、综合了两个微观仿真模型(用于城市的NETSIM和用于高速公路的FI SIM)，能够仿真城市道路和高速公路的交通流。CORSIM的目标是交通系统管理的开发和评价。它是一个能够真实再现动态交通的随机交通仿真模型，有先进的跟车模型和车道变换模型，以ls为间隔模拟车辆的运动。CORSIM提供便于用户观察仿真结果的动画显示。1997年，FHWA发行了一个加强版，大大增强了ITS的仿真，称为TREPGS，主要加强了对高速公路、干线、交叉口、各种车型(小汽车、公交车、货车)、控制策略的模拟。CORSIM主要的缺点在于缺少分配算法，这使得评价匝道控制、事故和出行者信息引起的交通量转移难以进行。CORSIM模型用于国内交通状况的研究也逐渐展开。

PARAMICS:PARAMICS(PARAllel MICroscopic Simulator)是苏格兰Quadstoue公司的微观交通仿真产品。由于采用了并行计算技术，PARAMICS不仅可以对大规模的路网进行仿真，而且在仿真ITS基础设施和拥挤道路网方面有突出表现。PARAMICS主要由5个主要工具模块组成，分别是建模工具(Modeller)、处理工具(Processor)、分析工具(Analyser)、编程工(Programmer)和监视工(Monitor)，在新近发布的版本中增加了反估工具(Estimator)。其中建模工具是整个系统的核心，主要用来建立交通路网，提供3维交通仿真和统计数据输出，并均支持直观的图形界面；而编程工具则为用户提供了基于C++的应用程序接口(API)，用户可以通过系统提供的接口函数来添加ITS子系统和交通管理措施的算法或定义其他一些特殊的控制策略，描述它们对路网中用户的驾驶行为的影响，形成应用程序模块并嵌入仿真当中，从而对这些交通管理和控制策略进行设计和测试。目前在PARAMIcs的编程工具中可以提供4大类约700个左右的接口函数供用户程序调用。

VISSIM:VISSIM是德国P7Ⅳ公司的产品，它是一个离散的、随机的、以100s为时间步长的微观仿真模型。车辆的纵向运动采用心理一物理跟驰模型(psycho—physical car—followingmodel)，横向运动(车道变换)则采用基于规则(rule —based)的算法．不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。VISSIM提供了图形化的界面，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能够模拟许多城市内和非城市内的交通状况，特别适合模拟。

国内交通仿真研究由于受诸多因素的影响，上世纪90年代之后才逐渐发展起来。目前看来，研究单位大多集中于高等院校和一些科研机构，主要有同济大学、浙江大学、天津大学、山东大学、清华大学、吉林工业大学、东南大学、上海交通大学、北方交通大学、北京工业大学、西安交通大学、交通部公路科学研究所等。具体的仿真成果大致有：同济大学的邹智军、杨东援开发的TJTS；浙江大学的王晓薇、李平研究的城域混合交通流仿真系统的人机界面设计实现；同济大学的钟邦秀、杨晓光建立了面向对象微观交通仿真系统；山东大学贾磊、彭勃等建立的城市交通仿真系统(UTSS)；清华大学的娄明、张毅研究的基于Java3D技术的虚拟车辆仿真系统；北京工业大学的荣建、向怀坤、冯天科研究的基于GIS 的城市快速路交通仿真模型研究；中国农业大学的孙晋文对基于Agent的智能交通控制策略与可视化动态仿真进行了研究等。国内仿真模型所使用的大多是面向对象编程的计算机语言，具体而言所使用的开发环境主要有Visual Studio．NET、VC++、Delphi++、JBuilder等。

在2014年3月29日下午在京举行的“交通7+1论坛”第三十四次会议以“动态交通仿真理论应用与发展”将动态交通仿真列入我国交通研究主要议题，来自国务院参事、中国交通运输系统工程学会、中国工程院、中国智能交通协会、清华大学、北京交通大学、地方政府企业以及学术界的专家领导等齐聚一堂，共同探讨了如何把仿真的理论能够在交通系统当中，在智能交通大的范畴中得到应用与发展。在2014年12月27日下午举行的第三十七次会议中又把大数据和交通联系起来。

我国的交通仿真的核心技术和产品处于比较落后的状态，尤其是自主知识产权的产品是稀缺的，目前主要是引进多种国外交通仿真软件，并且进行应用，而引进的软件大多数根据所在国家当地的交通条件所研发的，他们默认的参数都反映当地的交通的特性，而中国道路条件和他们国家却有着很大的区别．因此在应用的时候，非常有必要对这些软件模型做具体适应性的调整和校验，而随着交通管理及新的交通信息感知技术的发展，交通检测器布设不断增加，交通基础数据规模急剧加大，在这样大数据的时代背景下，如何立足国情，运用新技术手段构

建具有中国特色的道路交通仿真技术体系，将是我国智能交通发展的一个重要的方向。

第一、如何持续提升交通感知智能水平，加强交通大数据分析应用，创新交通调查与分析技术．数据是交通仿真前提和基础，目前微波、线圈、GPS、车牌记录等作为基础的交通流检测数据，视频交通监控数据、移动终端感知数据，以及业务系统数据和服务数据等，共同构成了海量交通数据，交通相关的量级从TB跃升到PB级别，而交通大数据分析技术的发展，对于传统的交通仿真系统带来重大变化．比如说利用传统的方法，一个城市的OD调查往往需要几百人好几个月挨家挨户访问填写调查问卷，统计分析，耗费巨大的人力物力，也只能获得部分抽样的数据，调查分析的精度未如人意，如今基于手机基站的数据，这项工作可能只需要一台服务器，在几个小时就能准确计算完成，这种变化是革命性的，体现交通大数据分析的力量所在．因此基于交通大数据，创新交通调查与分析技术手段，开展在线实时仿真技术的研究，是今后重要的工作方向。

第二，如何开发自主创新，适合中国国情的交通仿真软件，形成中国道路交通仿真技术体系．我国在交通仿真核心技术方面是比较落后的，还没有形成商业化的软件产品，交通仿真技术体系还没有建立起来．我国的混合交通特征明显，有别于欧美等国家，司机驾驶行为和公众的交通行为也和国外有着很大的不同，基于我国道路交通流的特征和交通行为的特点，如何借鉴国际上交通仿真系统软件技术，开发自主创新，适合中国国情的交通仿真软件，形成具有自主知识产权的技术体系，将是今后一项重要的任务。

第三，结合我国道路交通管理的实际需求，开展交通仿真技术的应用的研究，推进交通仿真技术的实际应用．伴随着我国经济快速的发展，交通出行需求迅速增长，由于城市的总体规划和交通规划的不太完善，交通综合运输体系不太健全，路网结构不够合理，使得城市道路交通矛盾越来越突出．交通仿真技术通过交通数据调查，交通运行状况分析，交通组织方案评价，揭示交通流在时间和空间上的变化规律，从而实现对交叉口路段，以及区域路网交通组织优化方案的设计和量化评估，是提升道路交通资源效率的有效科学手段．积极推进交通仿真技术的实际应用，为交通组织的科学化、动态化和精细化提供强有力技术支持，为

交通管理决策提供科学依据，将会有效缓解道路交通拥堵，改善生态环境，提升道路交通管理的现代化和智能化水平。

发展方向展望

当前的交通仿真模型在一定程度上基本能满足仿真的需要，但是也存在或多或少的不足之处，如大部分的仿真都是理想化的仿真，略去了行人和自行车的影响等，而这些在实际交通中是具有很大影响力的交通因素。将来交通仿真的发展趋势势必会向着虚拟现实技术和并行计算的方向发展，因为虚拟现实技术有着实景仿真的效果，并行计算具备处理海量数据的能力。随着计算机技术和大数据在交通仿真方面的运用，交通仿真会更加成熟，在交通工程领域也必将发挥着越来越大的。而未来的发展方向也必然是大数据+动态交通仿真相结合的研究方式，希望我国自主研发的适合我国交通实况的交通仿真系统能尽快出现！