第一讲 交通仿真概述
交通运输-交通仿真 精品
目录1 交通仿真 (2)1.1 国内外交通仿真研究概况 (2)1.1.1 国外研究概况 (2)1.1.2 国内研究现状 (3)1.2 道路交通仿真研究的意义 (3)2 研究思路 (6)2.1 考虑道路交通仿真的研究阶段 (6)2.2 考虑微观交通仿真模型的基本模块 (6)2.2.1 交通网络模块 (6)2.2.2 交通需求模块 (7)2.2.3 车辆行驶模块 (7)2.2.4 交通控制管理方案生成模块 (7)2.2.5 仿真输出模块 (7)2.3 常用微观交通仿真软件简介 (8)2.4 利用微观仿真软件进行交通分析的一般流程 (9)2.4.1 对象界定 (9)2.4.2 选用合适的仿真工具 (9)2.4.3 数据收集 (9)2.4.4 数据输入 (9)2.4.5 模型的校核和标定 (9)2.4.6 仿真输出分析 (9)2.4.7 不同方案的比较分析 (9)3 基于VC++微观城市交通仿真系统的研究与实现 (10)4 VISSIM软件介绍 (12)4.1 系统的模块构成 (12)4.2 系统的功能 (14)4.3 VISSIM的应用领域 (15)4.4 VISSIM的实践应用 (16)4.5 VISSIM关于微观交通仿真的运用 (16)5 结语 (24)致谢 (25)1 交通仿真交通仿真是20世纪60年代以来，随着计算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交通现象的交通分析方法。
交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的一个重要应用，交通仿真是复现交通流时间空间变化的技术，交通仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的开发是交通仿真研究的两个核心内容。
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。
（1）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。
交通仿真基础知识
宏观仿真所需计算机内存，计算速度快。
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➢ 微观交通仿真
微观交通仿真模型以跟车模型为基础，追踪每 个车辆的移动过程。在微观模型中，车辆的移 动由驾驶员的特性、车辆性能、车辆周围的环 境和道路几何条件来决定。
➢ 2 0 世纪 80年代末至现在 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。
➢ 交通仿真系统发展趋势
应用规模和范围扩大 新的仿真方法与技术涌现 计算能力增强 编程方法改进 表现方法丰富 开放的仿真环境建立 控制系统仿真、交通需求仿真 面向智能交通仿真系统的开发
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➢ 中观交通仿真模型
中观交通仿真模型既可以描述宏观交通流模型中采用 的时间与空间维状态特性(如密度、流量与速度)，又 可以保留微观模型中的核心数据，如特性各异的单个 车辆的运行结果，如实际速度、旅行时间和旅行距离 等。
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3、国外交通仿真研究概况
➢ 2 0 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，模型多采用宏观模型，模型的灵活 性和描述能力较为有限，仿真结果的表达也不够理想， 这也是当时的计算机性能决定的。
➢ 模型确认
实际问题
模型标定
流程图 程序代码
有效性检验 模型校验
模型标定，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。
有效性检验，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。
交通仿真技术
4.交通仿真软件介绍
1. 宏观交通仿真软件 2. 中观交通仿真软件 3. 微观交通系统仿真软件 4. 其他交通系统仿真软件
4.1宏观交通仿真软件
编号Байду номын сангаас
软件名称
开发者
1 AUTOS
乔治亚工学研究院，美国
2 CORFLO
联邦公路局，美国
3 METANET/METACOR 慕尼黑工业学院，德国
4 NETFLO1/NETFLO2 联邦公路局，美国
5 PASSER-Ⅱ/PASSER-Ⅳ 得克萨斯交通运输学院，美国
6 TRANSYT-7F
联邦公路局，美国
7 TRANSYT/10
明尼苏达职业协会，美国
8 TEXAS
得克萨斯大学，美国
9 TRIPS
MAV公司，英国
10 TransCAD
Caliper公司，美国
11 EMME/2
INRO咨询公司，加拿大
12 SATURN
利兹大学交通学院，英国
适用 快速路 综合 快速路 信号 信号 信号 信号 信号 交通规划 交通规划 交通规划 路网
4.2 中观交通仿真软件
1.1交通仿真技术的主要用途
交通系统是一个由人、车、路、环境组成的复杂系 统。研究交通问题的一般方法有三种：
1. 经验实测法：需要大量调查数据，结论可移植性差 2. 理论分析法：通常需要假设条件，实际应用性差 3. 计算机仿真方法：具有上述两者优点。
交通仿真主要应用领域
1. 交通工程理论研究 2. 道路几何设计方案评价分析 3. 交通管理系统设计方案评价分析 4. 道路交通安全分析 5. 交通新技术和新设想的测试 6. 智能交通系统中的应用
交通仿真基础知识
交通仿真算法及实现
01
微观交通仿真算法
02
宏观交通仿真算法
关注个体车辆的行为和交互，如跟驰 模型、换道模型等，常用的仿真软件 有VISSIM、PARAMICS等。
关注交通流的整体特性和演化规律， 如流体动力学模型、元胞自动机模型 等，常用的仿真软件有MATSim、 Aimsun等。
03
中观交通仿真算法
交通管理与控制
通过交通仿真技术分析不同交通管理 策略和控制方法对交通流的影响，为 交通管理决策提供支持。
交通安全分析
利用交通仿真技术分析交通事故发生 的原因和规律，为交通安全改善提供 依据。
国内外研究现状及趋势
国内研究现状
国内交通仿真研究起步较晚，但发展迅速，目前已经形成了一批具有自主知识产权的交通仿真软件和系统。
国外研究现状
国外交通仿真技术起步较早，已经形成了较为完善的理论体系和应用体系，涌现出了一批优秀的交通仿真软 件和系统。
发展趋势
未来交通仿真技术将更加注重实时性、动态性和交互性，实现更加精细化的交通仿真和分析；同时，交通仿 真技术将与大数据、人工智能等新技术进行融合，推动交通仿真技术的创新和发展。
02 交通系统建模与仿真方法
数据采集、处理和分析方法
数据采集方法
通过仿真软件输出、传感器采集等方式获取实验 数据。
数据处理方法
对原始数据进行清洗、去噪、归一化等处理，以 便进行后续分析。
数据分析方法
运用统计学、机器学习等方法对处理后的数据进 行深入分析，挖掘数据中的有用信息。
实验结果可视化展示技巧
选择合适的图表类型
根据数据类型和分析目的选择合适的图表类 型，如折线图、柱状图、散点图等。
交通系统建模方法
交通建模仿真
1. VISSIM介绍VISSIM为德国PTV公司开发的微观交通流仿真软件系统，用于交通系统的各种运行分析。
该软件系统能分析在车道类型、交通组成、交通信号控制、停让控制等众多条件下的交通运行情况，具有分析、评价、优化交通网络、设计方案比较等功能，是分析许多交通问题的有效工具。
VISSIM软件系统内部由交通仿真器和信号状态发生器两大程序组成，它们之间通过接口来交换检测器的呼叫和信号状态。
"交通仿真器"是一个微观的交通流仿真模型，它包括跟车模型和车道变换模型。
"信号状态发生器"是一个信号控制软件，它以仿真步长为基础不断地从交通仿真器中获取检测信息，决定下一仿真时刻的信号状态并将这信息传送给交通仿真器。
图1.1交通仿真器和信号状态产生器之间的交流2.仿真模型的说明交通仿真是典型的离散系统仿真，被仿真事件在时间上是离散的、随机的，交通行为的产生整体符合分布规律。
仿真模型是用一系列的数据、逻辑条件表达式和若干公式组成。
2.1．路口描述模型路口描述模型描述了交叉口的形状、车道功能等，是用一组数据表示的静态模型，在仿真过程中保持不变。
模型参数是通过路口参数输入对话框送入的。
参数有：路口名称，路口类型（正十字口，畸形口，丁子口），畸形口中心距，车道数，车道宽，停车线距离，隔离带宽，车辆检测器位置，车道功能选择等。
2．2．车辆描述模型车辆描述模型描述了车辆的形状、位置、颜色、速度、来向、去向、期望速度、车辆反应时间等。
模型参数随着车辆的随机生成而产生，某些参数随着车辆的运行而改变。
车辆描述模型与车辆生成模型、车辆运行模型有着密切的关系，是它们模型算法执行结果的直接反映。
2.3．车辆生成模型车辆生成模型描述了车辆的随机到达数分布，到达车辆的车型分布，到达车辆的流向分布，到达车辆车道选择方法，到达车辆车色分布。
车辆生成模型是交叉口车辆运行模型的基础。
(1)车辆到达数分布模型车辆到达数的分布是离散型的随机分布，又称之计数分布，反映了在某一固定时段内到达给定地点车辆的随机数。
交通系统仿真技术
交通系统仿真技术交通系统仿真技术是一种常用于分析交通系统运行情况的工具，它通过模拟交通场景，分析交通流量、路况、车辆行驶等情况，从而提供决策支持和优化方案。
本文将从交通系统仿真技术的基础、应用、优势和不足四个方面进行论述，以期对该技术的认知有更全面的了解。
一、交通系统仿真技术的基础交通系统仿真技术主要包括以下基本元素：1. 地图：地图是交通场景的基本支撑，它包括道路、交叉口、车流、行人、建筑等要素;2. 车辆模型：车辆模型是交通场景中最基本的元素，它包括车辆的转向、加速度、制动力等参数，用于描述车辆的行驶特征;3. 驾驶行为：驾驶行为是指车辆驾驶员的行为模式，包括车辆与车辆之间的跟驰、并线、减速、加速等过程;4. 交通控制：交通控制是指交通信号灯、标志、标线等设施，用于管理和控制车辆行驶。
二、交通系统仿真技术的应用交通系统仿真技术广泛应用于城市交通规划、道路设计、交通流量控制、交通事故预防、公共交通优化等方面。
这里举几个典型的应用场景：1. 交通规划：仿真技术可以提供城市交通开发规划、路网优化等方案，预测各项指标的变化情况，提升交通系统的效率和安全性;2. 道路设计：仿真技术可以通过道路宽度、车道数量、弯道半径等参数调整，设计出更合适的道路，降低交通压力，提高道路通行能力;3. 交通流量控制：仿真技术可以通过对城市道路交通瓶颈、高峰时段、道路拥堵等情况模拟，预测未来交通流量变化，从而及时采取交通管制措施，优化交通流量;4. 交通事故预防：仿真技术可以模拟预测交通事故发生的概率，提供安全行车建议，针对潜在的交通事故危险进行预防;5. 公共交通优化：仿真技术可以通过优化公共交通车网、改善公交车站等方式，优化公共交通系统的出行速度，提高乘客的出行感受。
三、交通系统仿真技术的优势交通系统仿真技术具有以下优点：1. 安全：交通仿真技术可以对交通运行情况进行模拟分析，模拟出各种可能的交通事故，从而提前采取应对措施，降低事故发生风险，提高交通安全性;2. 节约成本：交通仿真技术可以减少现场实验和试验极端情况的成本和工作量，并进行低成本的试验，不会影响实际道路交通;3. 高效：交通仿真技术能够快速构建交通场景和模型，并进行快速评估，加快决策流程，并提高各种工作效率;4. 可视化：交通仿真技术可以将模拟结果以可视化形式展示出来，对于决策者和公众来说更加直观、易于理解。
第一章 道路交通系统仿真
§1.5 道路交通系统仿真的应用
(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，再现被诱导车辆和交通中心的信息交换；
(8)应用于一般化的路网，包括城市道路和城市间的高速公路；
(9)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)模拟公共交通； (11)提供结果分析的工具；
1.1.2仿真的作用
• 优化系统设计
• 评价系统性能 • 节省经费 • 避免实验的危险性 • 提高预测精度 • 帮助训练系统操作人员 • 为管理决策和技术决策提供依据
§1.1道路交通系统仿真的概念
1.1.3道路交通系统仿真
道路交通系统仿真是以相似原理、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。
• 9．虚拟现实（Virtual Reality）技术的应用
• 10．交通需求仿真的飞速发展 • 11．面向ITS道路交通仿真系统的开发
§1.5 道路交通系统仿真的应用
6. 在智能交通ITS中的应用 (1)清晰地表现路网的几何形状，包括交通设施，如信号灯、 车检器等； (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)模拟先进的交通管理策略，如采用VMS提供的路径重定 向、速度控制和车道控制等；
交通仿真软件提供了一个将道路和交通设计有初
在一起的灵活的试验平台，可以直观地提供各种交通
设计的实施效果，以计算方案实施中的各种交通流参
TransCAD交通仿真介绍
交通生成
交通分布
交通方式划分
交通分配
（一）交通生成预测
交通生成预测的目标是在一个研究地区中每个交通区发生和吸引的出 行量，它是通过对出行个体、交通区域或整个道路网络的出行特征和频率
构建预测模型，分为出行产生预测和出行吸引预测两部分。
1、交通发生预测 在TransCAD中，交通发生预测通过Planning→Trip Productions→Cross
单一路径OD反推
tij 1
f
i j
fij
ij
tij —为种子 O-D 矩阵中交通小区 i 与 j 之间的出行量比重； f ij —为交通小区 i 与 j 之间出行阻抗矩阵中的阻抗值。
（一）交通生成预测
交通生成目的是通过建立小区居民出行产生量和吸引量与小区土地利 用、社会经济特征等变量之间的定量关系，推算规划年各交通小区的居民 出行发生量、吸引量。出行发生有两种单位：一种是以车位单位，另一种 是以人为单位。 只要数据全面，Excel在此阶段的功能也可以与TC媲美。交通发生预 测采用原单位法，即根据居民平均出行次数*居住人口，这里常住人口和 流动人口要分开计算，TC中采用的交叉分类法也是将原单位法分类，更 精细而已；交通吸引预测采用回归分析法，即通过调查相关用地的吸引率
宏观仿真 中观仿真 微观仿真
TransCAD、EMME、VISUM和CUBE等。
没有明确的界定，如TISI、VISSIM、Transmodel
TransModeler、VISSIM、Paramics和MITSIM等
次微观仿真
如智能体Agent、Legison
二、模型构建
（一）基础路网的建立 （二）交通小区的划分
宏观仿真 对交通流的描述是通过集聚行为来表现。
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计算机仿真可以再现一些难以再现的观测结果 （交通事故）
优点 --(1) 灵活性 (不受时间和空间的制约) (2) 可重复性 (克服交通调查的不可再现性) (3) 可进行方案实施前后的比较 (4) 节省人力和时间
缺点 --(1) 容易误导用户 (2) 只是客观系统的模拟，并不是系统的最优化 (3) 难以获得模型标定所需大量数据 (4)仿真结果不易被接受(信任度较低)
第三阶段（20世纪80年代初--）
系统建模突破微观模型与宏观模型界限，出现混合模型 （ INTEGRATION） 仿真软件向大型化、综合性发展（Trips、TransCAD、 Paramics） 从软件开发转向系统模型改进 新的计算机技术应用（仿真界面更友好、人机交互方便） （VISSIM、VISEM、AMSUN） 80年代我国交通仿真开始发展
通用性
容易入门和使用 精确、节省时间
• 宏观
• CORFLO, FREQ , OREMS, METANET, TRANSYT
• 中观
• DYNASMART, DYNAMIT
• 微观
• AIMSUN, CORSIM, MITSIM,
PARAMICS, SimTraffic, TRANSIMS, VISSIM
第一阶段（20世纪40年代末-60年代初）
核防护问题 英国道路研究实验室（TRRL ） 于 1951年完成交叉口 仿真 1953年美国加利福尼亚大学交叉口和高速公路仿真
第二阶段（20世纪60年代初-80年代初）
德国卡尔斯鲁厄大学交通研究所Wiedemann于1974年著 《道路交通流的计算机仿真》 20世纪60年代初，宏观交通仿真 20世纪60年代末，微观交通仿真
对交通系统的描述范围和细致程度
Large Geographic Area Small TRANSIMS Micro-simulation AIMSUN Paramics MITSIM VISSIM CORSIM
SimTraffic
Planning Models
TransCAD Macro-simulation EMME-2
交通系统
•人 •车 •路
---
–高速公路系统
–乡村公路系统 –城市道路系统
•环境
•交通控制设备
• 交通仿真相关模型 --
跟车模型 换车道模型 可接受间距模型 路权模型 加减速模型 排放模型 燃料消耗模型 噪音模型
• 计算机 --
计算速度
动态演示 (3D 演示)
基于道路/交叉口特性对交通流的影响而建立
交通流解析模型
仿真模型中不涉及对单个车辆的模拟 不涉及驾驶行为 交通环境的静态仿真 CORFLO, FREQ , METANET, TRANSYT
仿真标准步长: 10 sec -- 15 minute
车辆以车队的形式按照所在路段或区间的平均 速度行驶
TRANPLAN
FREQ DYNASMART CORFLO
DYNAMIT
Meso-simulation
TRANSYT
High
Level of Detail
Low
• 区别 --
确定性 VS. 随机性 --基于整体 VS. 基于个体 (或类别) --分析范围 VS. 精确性--模型---
交通运输规划 公路设计 交通控制和运营 高速公路交通管理 公共交通运输 智能交通系统（ITS ）评价 交通疏散 研究与开发、改善
在现实中很难凭借单纯分析的手段找到解决问题 的方法
由于交通系统的规模和复杂性，导致不可能建立 一个完全真实再现现实事件的系统 安全和成本因素
假定相同路段或区间内的所有车辆以同一速度行驶
模拟单个车辆的路径选择 车队中各车辆驾驶行为相同 DYNASMART, DYNAMIT
仿真标准步长: 6 sec
模拟交通系统中的各个细节 基于单个车辆和车辆之间运行的多种类型与变 化特性进行模拟 车辆位置根据车辆跟驰逻辑关系与换车道规则 结合随即因素实时更新 仿真中包含对驾驶行为变量与车辆自身动力学 变量的模拟 交叉口车辆间的相互作用，通过设置让行规则、 可接受间隙规则和交通控制逻辑加以实现
交通环境，仿真的对象
Systems System modeling Simulation modeling Modeling
反映仿真对象特性的模型
Simulation experiment
Computer
计算机实现
Figure 1. Three Factors and Three Activities in Computer Simulation
1.
2. 3. 4. 5.
仿真的定义
交通仿真分类 交通仿真范围 交通仿真的动因 仿真的优缺点
6.
国内外仿真技术的发展
仿真---是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技 术等为基础，以计算机系统与相关的物理效应设备及 仿真器为工具，利用模型对已经有的或设想的系统进 行研究、分析、实验与运行的一门综合性技术。 Spriet (1982) --- any activity involving modeling building and model analysis Oren (1984) --- simulation was based on three procedures: modeling, experiment, and analysis 仿真三要素: 系统、模型、计算机