城市交通计算机通用仿真平台的研究

第２卷第１期　交通运输系统工程与信息　Ｖｏ１　２　Ｎ。．１　芏　。ｕ！　１　０｛！　＆ｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｅｎｇｌｎｅｅｒ［ｎｇ　ａｎｄ　ＩｎｆＯｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂ　２００２　文章编号：１００９—６７４４（２００２）０１—００４５—０４　城市交通计算机通用仿真平台的研究　赵艳娥．杨肇夏，　曲卫民　（北方交通大学交通运输学院，北京　］０００４４）　摘要：　利用计算机模拟方法来研究城市交通流问题，完成了城市交通通用仿真平台的需求分　析和总体设计．该平台采用层次式结构和插件式结构相结台的系统结构模型、具备了路同构造　和管理、交通控制模拟、交通流运行模拟、数据统计分析、开放式交通方案输入等功能，能蒲足城　市交通运输领域绝大多数用户的需求．在最大限度上浦足了完备性和通用性的要求　关键词：城市交通；系统仿真；总体设计　中图分类号：ｕ４１２．３７　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＺＨＡＯ　Ｙａｎ—ｅ，　ＹＡＮＧ　Ｚｈａｏ—ｘｉａ，　ＱＵ　Ｗｅｉ—ｍｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｆｆｉｃ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓ口ｏｒ｜ａｔｊｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｊ［ａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｏｐｔｓ　ａ　ｋｊｎｄ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｈｉｃｂ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ｔｈｅ　ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　ｍｏｄｅ１　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｌｕｇ—ｉｎ　ｍｏｄｅ１．Ｉｔ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｆｏｕｒ　ｓｕｂ－ｓｙｓｔｅｍｓ：ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ．ｔｈｅ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｌｍｕ［ａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｌｌ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｇｅｎｅｒａ　ｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｒｂａｎ　ｔｒａｆｆｉｃ：ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ｝ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ＣＬＣ　ｎｕｍｂｅｒ￡　Ｕ４１　２．３７　动态交通流理论发展到现在已经有了２０多　等发达国家，都已经有一些比较成熟的城市交通　年的历史，在此期间有许多研究人员提出了各种　仿真系统，但在我国，目前还没有比较成熟、进入　解决办法，如数学规划法、最优控制理论方法等　实用阶段的城市交通仿真平台、而且由于我国　但至今为止，这些方法要幺仅适用于多源点单目　城市交通流具有其他发达国家所不具有的特点，　的地的情况，要，厶只能求解简单网络，对于复杂　如交通流混杂（行人、自行车众多）等，因此无法　网络就遇到了维教灾难．或者求解过于复杂．在　应用国外已有的仿真系统，只能自主开发适　实际交通网络中难以应用，或者所提出的模型违　用于本国特点的城市交通仿真平台．　反了ＦＩＦＯ规则，固此该领域仍处于研究探索阶　段，对于多源点多目的地以及多用户类型，还有　１系统需求分析　实际复杂网络的求解方法都没有得到有效的解　本系统应满足如下几个方面的需求．　决　］．计算机模拟方法由于具有可伸缩性、可控　１）辅助制定路网改造方案．主要用于模拟　性、优化性、安全性、经济性、模糊性等特点　，不　路网改造之后的道路交通状况，并计算相应的指　仅能较好地模拟和再现城市交通的全过程，还能　标值，以便与改造前进行比较，评价路网改造的　对不同的城市交通规划方案和交通管理控制措　效果　一方面可以评价道路改造方案的投入一　施进行模拟、分析和比较，为交通规划者和管理　产出比，另一方面，通过模拟也可有效的防止　者提供辅助决策，固此已经成为越来越多的城市　Ｂｒａｓｓｅ现象的发生，即改造后网络总阻抗不但未　交通流研究者的首选方法．在美国、欧洲、日本　减小，反而增加．　收稿日期：２００１—０９—２４修订日期：２００１—１１－１　３　赵艳娥：硕士生　维普资讯 http://www.cqvip.com

４６　变通运输系统工程与信息　２００２年２月　对于路网改造方案的制定者来说，对于路网　高的特点，因此应可以分别实现对于市内交通流　改造方案的考虑是一个分层次的过程：首先考虑　宏观和微观上的模拟过程，以满足不同用户的需　改造的总体构想，即在何处需要改造及改造的模　求．在微观模拟过程中，系统要注重于对组成市　式等，其次才考虑具体的方案，如交叉口或立交　内交通流的每个个体交通特性的模拟．而对于　桥的具体方案及道路设计方案等．因此在对路　宏观过程的模拟，系统则可对个体特性的模拟作　网改造方案模拟与评价的过程中，也应该考虑到　一定简化，而侧重于交通流整体特性的描述．当　从不同层次上对其进行模拟与评价，以适应路网　系统对一完整的交通方案进行模拟和评价时，往　改造不同阶段的需求．　往要将二者结合起来，以达到最佳效果．　２）实现并检验各种交通规划模型．例如对　２）路网的构造、存储和管理．路网是交通　交通流分布模型、交通方式分担模型以及交通量　流模拟环境中最主要，也是最基础的部分　５］．系　分配模型等的实现和评价　．在模拟环境的构造　统应可以完成路网的构造，包括路网的交互式生　过程中，用户可以选择系统提供的各种交通规划　成、修改；路网的永久性存储，即以数据库或外部　模型，也可以选择自己设计的模型，模拟过程结束　数据文件的形式保存路网所包含的各种属性信　后，对模拟结果数据进行相应的处理，根据一定的　息；路网存储文件的管理，用户可以随时打开、修　评价标准分析和评价所采用的交通规划模型．　改和再存储已经建立的路网数据文件．　３）辅助制定交通管理与控制方案．主要用　３）模拟环境的构造．在交通流的模拟过程　于对给定交通管制方案条件下交通流的模拟，以　开始以前，必须首先完成模拟环境的构造．模拟　确定交通管制方案的合理性，同时通过模拟也可　环境包括路网、ＯＤ量、出行路径选择模型、车辆　以辅助交通管理部门分析当前交通管制方案存　微观行驶模型、交通控制配时方案、实时采集的　在的问题并制定出改进措施　‘Ｊ．另外，由于路网　数据类型以及模拟始终点等．　改造时间较长，对交通影响较大，在此之前，可通　４）模拟过程数据的实时采集．本系统可在　过模拟改造期间的交通流及临时管制措施来辅　模拟过程中对各种交通流特性值进行实时采集，　助制定最佳的改造时机及临时管理措施．　包括各交通流个体各个时刻的运行状态参数及　４）辅助交通管理与控制．根据当前交通情　各种交通流特性参数等．其目的主要有２方面：　况对未来一段时间内的交通情况进行模拟，预测　为系统评价作数据准备；为系统模拟过程的准确　未来交通变化情况，提前发现问题，以采取预防　再现作数据准备．　措施，避免交通堵塞，并能在一定程度上减少交　５）模拟过程的实时动画显示．本功能主要　通事故的发生．　是为了使模拟过程更加直观，从而有利于对系统　５）除上述需求外，利用系统的参数输入及图　的模拟过程作出准确的评价．　形显示系统，并辅以适当的硬件，本系统还应可以　６）模拟过程中的人机交互作用．利用本功　满足交通系统监控的需求．另外，在系统中，还应　能．实验人员可以随时得到系统中的各项运行参　提供一定的模型如ＯＤ流模型、运输规划方案组　数，并可对之进行人工修改，以满足实验的需要．　合模型等，以方便用户模拟数据的输入．　７）数据分析与评价功能．利用模拟实验过　程中采集的各种数据，本功能可对特定的交通规　２系统功能设计　划及管制方案进行分析和评价，为各种交通方案　本系统主要是为各种城市交通问题研究提　的制定提供科学依据．　供一个通用的模拟实验平台，即通过应用本系　８）开放式的模拟方案输入．本功能对于系　统，交通研究人员可对各种不同的交通规划及管　统通用性的实现起着非常重要的作用．通过本　制方案等进行模拟和评价，从而为城市交通决策　项功能，实验者可输入各种不同模拟方案，系统　提供科学、高效的辅助工具．　据此选择不同的模拟模型、模拟方法及数据采集　综合以上分析．本系统应具备如下功能．　和评价方式等，以适应不同需要．同时，本功能　１）对交通流的运行变化及信号控制过程进　还为各种新的交通设备的输入提供接口．　行模拟．这是系统最基本的功能，是实现其它各　９）模型库的维护．系统应为用户提供现有　项功能的基础．由于本系统立足于通用性程度　的、常用的、比较成熟的一些交通规划模型和出　维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｌ期　城市交通计算机通用仿真平台的研究　４７　行路径选择模型以及车辆微观行驶模型，并负责　须经过扩展层和外围层进入系统并转化为系统　对这些模型进行实现和管理．用户在模拟开始　内部两层可识别的信息，以进一步控制系统完成　前，可　根据自己的需要选择系统模型库中包含　不同目的和不同方案的模拟．　的模型，以完成交通流的模拟．　系统的核心层、辅助层与外围层即可构成完　整的通用模拟系统，可实现其全部功能，这也是系　３系统结构设计　统开发第ｌ阶段的主要工作．而系统扩展层是选　本系统将采取层次式结构和插件式结构相　取目前较为常见的交通研究模型，将其作为系统　结合的系统结构形式．　的外挂模块，从而使系统功能进一步向外拓展．　３．１层次式结构　３．２插件式结构　为适应上述功能．本系统将采取分层次的结　插件式结构是指将系统的主要部分按照功　构．如图１所示，系统共分为４层，由内向外依　能不同划分为尽量相互的模块（插件），模块　次为核心层、辅助层、外围层和拓展层．　之问通过各种数据库进行数据交换，从而实现功　基础数据管理　能关联．实现插件式结构对构成系统的各个插　ｒ　模型库管理　件之间接口方式要求很高．我们可以借鉴　境构　Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统中有关　即插即用”的思想．　方案分析评竹　＾　在插件之间不存在物理上的接口，只存在虚拟的　ｊｌ　接口．即在插件的物理界面上附加一层虚拟的　接口，而这种虚拟的接ｒａ是系统统一规定的，有　人机交互　统一的实现和表示方式．在设计每个插件时，不　宴时数据采集　必考虑和其他插件的接口问题，只需要按照系统　有关虚拟接口的规定设计自己的虚拟接口即可．　这样在插件和插件之间存在关联时，双方都只需　要调用规定的虚拟接口函数，而不需要知道对方　图１　系统层次式结构图　如何提供这样的接口．这种结构主要体现了　交通流模拟和信号控制模拟作为系统的核　数据为链，以功能为块的思想，有利于系统通用　心层，是系统最基本的部分，系统所完成的各种　性和可扩展性的实现．　模拟，最终都要归结为对城市交通流的模拟和交　主要结构图如图２所示．　通管制方案的模拟．因此，该层是系统模拟运行　过程中的主要部分．　在棱心层外部是模拟辅助层，该层主要目的　是辅助核心层的模拟进程，使模拟过程更加完　整．该层主要可监视模拟进程并可采取手工方　式控制和改变模拟进程，同时，模拟数据的实时　采集也主要由该层来完成．　辅助层外部为外围层，该层主要完成模拟方　案输人、模拟条件初始化和数据分析评价三部分　功能．在模拟进行过程中，该层并不参与操作和　控制．　图２插件式结构图　系统最外面一层为系统扩展层，该层主要功　４子系统划分　能是外挂一些交通研究模型，如运量预测模型、　系统各模块的组成结构如图３所示．　交通流分配模型等，从而为用户的交通研究提供　基础数据管理子系统主要完成各种原始数　更简便的研究手段．　据及模型的输人与保存，以便为系统模拟提供原　在上述各层次中，核心层和辅助层是不与外　始数据．包括路阿数据管理子系统、交通控制数　界环境发生数据交换的，所有外部输人的数据都　据管理子系统、交通管理方案管理子系统、交通　维普资讯 http://www.cqvip.com

４８　交通运输系统工程与信息　２００２年２月　程，同时采集运行过程中的各种数据，为下一步　ｌ城市空通通用仿真平　方案评价作准备．本子系统主要包括模拟环境　初始化模块、交通流控制模块、交通管制模块、通　—＼＼信控制模块、动画显示模块、人机交互模块及数　一一　～．　‘　。　———　———————　一　‘。。　‘‘。。。。。。。。。。一　据采集模块．　掣　㈣　惭　；　评价子系统主要根据模拟过程中所采集的　二＝二　转＾二＝二≥赴理－－－－；：，输出［＝二≥　数据，对不同的模拟方案进行科学地评价．以实　现系统仿真的最终目标．本子系统所评价的内　图３系统组成结构图　容主要包括以下６个方面：路网改造方案评价、　流特性数据管理子系统和模型库管理子系统．　交通控制方案评价、路径选择评价、ＩＴＳ评价，环　这些数据包括路网参数、控制方案、交通流特性　保评价和土地利用评价．　及模型库等．　模拟器子系统主要根据给定的路网、交通流　５系统运行过程设计　及控制方案等参数控制整个模拟系统的运行进　系统运行过程如图４所示　６　结束语　［２］扬肇夏・计算机模拟［Ｍ］－北方交通大学研究生　本文所设计的城市交通通用仿真平台最突　教材，１９９５，　曼竺　毒　口　ＭＬＩｉＵ　。Ｒｏ　　ｎｇ－　ｈｕ　ｉ，　Ｄｉ　。ｒｃ—　ｋ　Ｖ。　。　ｎ。　Ｖ　ｌｉ。ｅ　ｔ，；。ＤａＭｖ。ｉｄ　Ｗ。ａ，ｔ　ｌ备性是指它应该包含路网表示、车辆行驶模拟、　Ｔ　Ⅲ　Ａｎｄ　ｓｉ　ｌ　ｔｉ。　［。ｃ］ｉ“　ｓ　ｊＥ　ｔ．　交通控制模拟、路径选择模拟、并行计算环境以　Ｔｒ８ｎｓｐ。ｒｃａｔｉ。ｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎ。Ｉｏｇｉ　，１　９９８，　及完善美观的交互环境，而通用性是指它应该能　３：６０－－７３．　够为城市交通研究范围内的绝大部分用户提供　［４］Ｐｅｔｅｒ　Ｂｏｎｓａ１１．Ｐａｕｌ　Ｆｉｒｍｉｎ，Ｍｏｎｉｃａ　Ａｎｄｅｒｓｏｎ，　分析．　Ｉａｎ　Ｐａｌｍｅｒ　ａｎｄ　Ｐｅｔｅｒ　Ｂａｌｍｆｏｒｔｈ　ＬＪ］．Ｖａｌｉｄａｔｉｎｇ　参考文献ＴｒａｎｓＤｏ　ｒｔａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅ８ｒｃｂ　Ｃ，５：３７１－－３８７、　［１］陆化普．交通规划理论与方法［Ｍ］．北京：清华太　［ｊ］周学橙－面向城市网状交通流分析的交通模拟模　学ｔｔｌ版社，１９９８．　型体系研究［ｃ］－博士学位论文，１９９９