城市交通系统仿真模型概述

何碧玉

摘 要： 交通仿真是研究交通工程领域的重要技术和方法。在分析交通仿真的一般步骤基础上，重点分析了根据宏观、中观和微观三种不同层次模型的内容、特点和研究方法。

关键词： 交通系统；交通仿真

中图分类号： F49

文献标识码： A

文章编号： 16723198（2013）06015701

1 概述

交通系统，是指利用交通基础设施（如交通枢纽、道路、码头、桥梁等），使用专用动力车辆为旅客或货物提供运输服务的全体，其涉及要素有人（驾驶员、行人、乘客等）、车（机动车和非机动车等）、路（公路、城市道路、出入口及相关设施）和环境（路外的景观、管理设施和气候条件），等。该系统具有随机性、动态性、复杂性和开放性等特征。

仿真（Simulation），即是模仿真实系统。随着计算机软硬件技术的进步，仿真手段从早期的实物仿真发展到计算机仿真。交通仿真，开始于上个世纪60年代，是计算机仿真技术在交通工程领域中的应用，采用计算机数字模型来反映并分析交通现象。仿真的一般步骤如图1所示。

交通流是交通系统中的重要元素，也是研究的重点。交通仿真能够同时再现交通流在时间和空间两个维度变化。根据对交通系统描述的细节程度和分析层次差别，交通仿真模型可划分为宏观、中观、微观3类。后文分别叙述了它们的内容和特点。

2 宏观模型

宏观（Macroscopic）模型以车辆整体流动为研究对象，通过一些集聚性的宏观模型（诸如速度、密度和流量等参数）描述交通流，一般为连续（Continuous）时间仿真。该类模型考察系统状态的“平均”行为而忽略一些个体细节。因而该类模型在计算机的资源方面（如存储空间和计算能力等）具有一定的优势；而对于对交通状态变化的动态过程无能为力，也不能兼顾单个要素（如人、车）的随机性。故其主要应用于道路网交通状态的研究，如城市整体规划、交通基础设施的新建、改建以及宏观管理措施的制定，等。

交通流量分配是宏观交通仿真中的典型问题之一。交通分配（Traffic Assignment）理论最早应用于交通规划领域，是指将通过调查或者预测得到的出行分布（OD矩阵），按照现有道路网分配到每条道路上，从而估算各条道路的交通量。在其实现方法上，如经典的四阶段法，就是在出行生成（Trip Generation）、出行分布（Trip Distribution）、出行方式选择（Mode Choice）三个步骤的基础上进行。

根据出行OD是否随时间发生变化，交通流量分配问题可分为静态和动态两种。描述动态交通流分配的原则有动态系统最优（Dynamic System Optimal，简称DSO）和动态用户最优（Dynamic User Optimal，简称DUO）。虽然二者都是在所研究时段内，将交通需求分配到道路网络中，但是基于的原则或者考虑的角度却有不同，分配的结果当然也就不完全一致。具体来说，DSO原则是按照交通管理部门的意愿进行分配，如实现总旅行时间最小、总旅行费用最小、平均拥挤度最小、总延误时间最小，等；而DUO原则却是根据用户自身的意愿进行配流，如追求每个用户自身的旅行时间最小、自身的旅行费用最小、自身的拥挤度最小、自身的延误时间最小，等。

3 中观模型

中观（Mesoscopic）模型，也称准微观模型或者混合模型，是以若干车辆的集合（如车辆构成的队列单元）为研究对象，对每类车辆的速度、位置等其他属性进行刻画。该类模型能够在一定程度上描述车辆之间的相互作用，较之宏观模型对交通系统要素（诸如人、车、路、环境等）及相互作用的描述较为细致（但又比微观模型粗放），还可以描述车辆之间的相互作用。因而兼顾了宏观模型和微观模型的优势，相当于是二者的折中，适用于大中型路网的交通仿真。

INTEGRATION为世界上目前广泛应用的该类仿真模型，主要包括六个功能模块：（1）车流分布模块，细分为车流的启动、速度确定、排队等；（2）车辆跟驰模块；（3）车道变更模块；（4）径路选择和交通分配模块；（5）高速公路模块，具体有车流的合流、分流和交织等；（6）交叉口信号和由之引起的冲击波模块。该软件可以应用在交通信息采集方面，也可应用于交通控制，如路段、交叉口、高速公路匝道和收费站的交通流运行情况模拟，还可应用于公交线路、公交专用道的模拟分析等。

4 微观模型

微观（Microscopic）模型以单个车辆为研究对象，模拟单个车辆在不同道路条件下的运行，实质上是模拟驾驶员在各种不同情况下的驾驶行为。每辆车的当前速度和位置是其重要的参数。在三类模型中，该类模型对交通系统的要素及行为（如跟车、超车及车道变换等）的细节描述和真实程度都是最高。其代价就是，运算速度及内存需求会随着车辆数的增多而增大，因此一般适用于中小型路网，具体应用领域有模拟交叉口交通流运行，信号控制方案评价，设计公交线路、发车间距、停站位置和时间，道路几何设计方案评价，等。

微观仿真模型的基本要素包括：道路条件（可能不断变化）；车辆到达，每一辆车间隔一段时间（大小可能不等）进入系统；车辆动力性能，主要影响了车辆的最高速度和加减速能力；期望车速，一般假设与交通量无关，如正态分布等；车辆之间的相互作用；车道转换和超车。

微观仿真模型的主要功能包括：（1）获取信息功能：实际中，驾驶员的驾驶行为受到周围道路系统交通状况的影响，划分为两大类，其一是可视的信息，如其他车辆的运行情况、道路几何情况、交通信号灯、交通标识标线等，其二是非可视的信息，其他途径（如交通广播、城市交通指挥调度中心等）获得的信息；（2）决策功能：在获取实际道路交通情况相关信息的基础上，分析堵塞的发生并进行一些控制策略的决策，如红绿灯时间、限速等，是仿真模型的核心功能；（3）行为功能：将分析和决策的结果付诸实施，将会影响路网中每辆车的状态。

进行微观交通仿真，首先要进行实地交通调查，采集交通数据并处理，根据交通流的特性选择仿真数学模型和估计相应参数；然后设计交通组织方案；进而开发有关模型和

仿真场景可视化的程序；最后构建仿真系统。遵照仿真的一般步骤给出其建模流程，如图2所示。

常见的微观交通仿真模型有：线性跟车模型，考虑了前车制动、减速行为对后车加速度的影响；安全距离跟驰（Collision Avoidance）模型，也称防追尾模型，由经典的运动学理论推导得到一个特定的跟车距离；刺激-反应跟驰模型，后车驾驶员试图与前车速度保持一致，则前车的行为会导致后车对此作出反应（减速或加速），形象地称之为刺激，从刺激到产生反应会在时间上有一定的延迟；心理-生理学跟驰模型，也称反应点（Action Point）模型，考虑了人的感觉和反应，从而将刺激抽象为前后车之间的相对运动，如引入速度差和距离差指标，其数值大小度量了前车对后车的影响程度；元胞自动机（Cellular Automaton，简称CA）模型，车辆在时间和空间（道路网）都离散化（Discrete）的时空网络中运动，移动距离与速度有关，同时遵守每一个时空格子上占用的唯一性规则，其算法简单、灵活、且易操作。

5 结语

交通系统尺度大、影响因素多、具有非线性作用机制，而运用交通仿真对其进行描述、分析、评价是一种有效的研究方法。随着智能交通系统的蓬勃发展，以及随着计算机技术的不断进步，交通仿真会更加完善成熟，并在交通工程领域发挥越来越重要的作用。

参考文献

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[2]滕怀龙，于雷，赵慧等.中观交通仿真模型INTEGRATION及其案例应用[J].交通标准化，2008，（1）：148153.

[3]魏丽，孙俊，商蕾.微观交通仿真模型建模及应用[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2010，（4）：793796，800.