李婷婷

(新疆農業(yè)大學交通與物流工程學院 烏魯木齊 830052)

引言

交通系統(tǒng)仿真作為實驗交通工程學重要的組成部分，依靠計算機技術建立相應數(shù)學模型，對交通運輸系統(tǒng)中的人、車、路和環(huán)境進行多因素全方位模擬。交通仿真可以使用系統(tǒng)仿真方法研究不同交通方式的交通行為及相互影響，其以相似技術、控制理論、系統(tǒng)技術、信息技術和仿真技術為基礎，整合交通影響因素，根據(jù)系統(tǒng)仿真需求建立相應模型，利用模型仿真模擬交通運輸系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過計算機技術對數(shù)據(jù)進行處理，以圖片、視頻和動畫等形式反映動態(tài)交通運輸系統(tǒng)，有助于以模擬為基礎，多角度、深層次解釋真實交通運輸系統(tǒng)。交通系統(tǒng)仿真在交通運輸體系綜合效益評價方面起著至關重要的作用，在科學分析交通建設項目對交通系統(tǒng)產生的復雜影響方面有著重要意義[1]。

仿真技術(Simulation technology)也稱模擬技術，在初始研究階段，限制于當時科技發(fā)展條件，無法實現(xiàn)于軍事和工業(yè)等領域。至20世紀40年代的計算機技術興起，成功研制了第一臺電子模擬計算機,之后10年中，仿真技術被應用于核電站及“阿波羅登月計劃”。在軍事和工業(yè)的需求推動下，仿真技術由發(fā)展階段逐漸轉向成熟階段，20世紀70年代中，仿真技術首先運用于軍事領域，并迅速擴展至眾多工業(yè)領域，包括交通運輸中的航空領域,美國的ABB公司、GSE公司和Dynetics公司等生產了一系列設備及系統(tǒng)應用于仿真領域，使得仿真技術由成熟逐漸過渡至產業(yè)化階段。

1 交通系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展

1.1 國內外發(fā)展歷程

國外交通系統(tǒng)仿真技術發(fā)展是以20世紀40年代的計算機技術興起時期為起點，50年代中期有研究者基于計算機技術建立數(shù)學模型，用來解釋能夠反應復雜交通狀況的分析方法。具有代表性的交通仿真技術研究成果包括了1968年英國羅伯遜提出的“TRANSYT”模型，該模型屬于宏觀交通仿真模型，用于定時交通信號確定最優(yōu)參數(shù)值，在多次修改后，成功開發(fā)了“TRANSYT”交通仿真軟件，由于當時計算機發(fā)展的限制，仿真效果不夠理想，且模型的表達能力和靈活程度也有局限性[3]。

在20世紀70年代至80年代中，伴隨著計算機技術的蓬勃發(fā)展，交通仿真技術的精度也在一定程度上得到了提升，交通微觀仿真模型開始快速發(fā)展。美國聯(lián)邦公路局于1970年開發(fā)了“TRAF-NETSIM”模型，可運用時間掃描法來反應具體車輛運動，其描述道路幾何條件的能力較強。之后的微觀仿真模型“UTCS-1”由E.B.Lieferman提出，該模型也具備描述個體車輛運行軌跡的能力。交通宏觀仿真模型如“MISTRAN”模型和“SATURN”模型分別于1974年和1976年被日本和英國提出。

由于國內總體發(fā)展起步較晚，20世紀90年代我國交通領域研究者才開始逐漸重視交通系統(tǒng)仿真技術的重要性。早期研究以東南大學和同濟大學等高校與科研單位針對公路領域的研究為主，雖取得了一些研究成果，但研究局限于解決因素較少的問題。深圳交通科學研究中心于21世紀初從德國引進了VISSIM交通仿真系統(tǒng)，是我國微觀交通仿真系統(tǒng)真正意義上的起點[4]。在參考國外研究成果的基礎上，山東省科學院開發(fā)了“DynaCHINA”模型，用于實時預測交通狀況[5]，同濟大學分別開發(fā)了“TESS”模型[6]和“TJTS”[7]模型。

1.2 研究熱點及發(fā)展趨勢

當前在智能化交通背景下，國內外研究的新方法、新技術不斷涌現(xiàn)，交通系統(tǒng)分析逐漸復雜化、多樣化。由于國內在近年發(fā)展中，吸收國外先進科學技術以及結合自主研發(fā)技術，使得交通系統(tǒng)仿真技術由線下逐漸發(fā)展至線上，實時交通仿真由不可能變?yōu)榭赡芑诂F(xiàn)有技術條件而實現(xiàn)。

沈文超等學者結合RFID定位技術，提出了具有不停車收費、模型車輛誘導、停車誘導、信號控制和電子警察等微型智能交通仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)技術來源于“Net Framework”組件技術，易于擴充和維護[8]。微觀交通仿真模型可以充分利用智能交通技術發(fā)展帶來的效益，例如交通管理系統(tǒng)(ATMS)和出行者信息系統(tǒng)(ATIS),可以通過計量通行速度、出行時間等指標使效益最大化。智能交通系統(tǒng)領域中的事故管理方案、實時路徑誘導、干線和匝道控制、ETC等均可由交通微觀仿真模型進行仿真實現(xiàn)[9]。交通領域引入先進的科學技術，這使得世界各國都加速了基于ITS的交通仿真軟件的研究開發(fā),應用于定量分析評價智能交通系統(tǒng)的效益。經典交通仿真模型和軟件主要有：美國 “CORSIM”、“MITSIM”、“DYNASMART”；德國“VISSIM”、“PLANSIM-T”；日本“MICTSTRAN”、“ELROSE”。由此可見，未來交通系統(tǒng)仿真發(fā)展將是基于ITS的多因素分析軟件開發(fā)[10]，包含虛擬現(xiàn)實技術等發(fā)展趨勢。

2 交通系統(tǒng)仿真技術的應用

2.1 行人運動仿真

在交通系統(tǒng)仿真中，行人運動分析異于車輛的運行，主因是行人運動不受固定道路和速度限制，行人之間無需擔心相互碰撞等行為[11]，且行人行走對路線的選擇具有隨機性，速度變化、方向改變相較于車輛更加靈活。

現(xiàn)針對行人運動仿真研究有兩大類方向：第一類是結合已有交通流模型建立行人運動仿真模型；第二類是通過建立行人與道路環(huán)境或行人之間的仿真模型。行人運動交通仿真模型根據(jù)仿真效果對運行細節(jié)描述程度不同，可分為三類，分別為微觀、中觀、宏觀模型[12],其關系結構見圖1。

圖1 微觀、中觀、宏觀行人仿真模型關系

行人宏觀仿真模型是以全局角度分析仿真系統(tǒng)的特點，其缺點是無法對行人運動的細節(jié)進行深入分析。早期的宏觀模型是1971年由Fruin提出的，以行人密度、行人流量和平均速度為主要參數(shù)，主要針對行人集聚的特點，但無法描述瓶頸段的動態(tài)變化過程。

在外來業(yè)主的帶動下，村民們積極投入鄉(xiāng)村旅游住宿接待服務。專合社將村民們家里長期空余的、愿意對外搞接待的房間一間一間統(tǒng)籌起來，將團隊客人依次給各接待戶分配客源。為了提高接待質量，專合社幫助村民統(tǒng)一采購床上用品，指導村民按照70或80元/間·晚⑥的標準收費。目前，星光村共有40多戶，50多個房間可供住宿接待。

2.2 海上運輸仿真

海上運輸相較于公路運輸較為滯后，原因在于海上運輸過程中船舶交通系統(tǒng)的復雜性，外部通航環(huán)境與船舶的耦合作用難以使用數(shù)學模型精準描述[12]。從改善海上運輸安全的角度分析，海上交通系統(tǒng)仿真不受空間限制，可以任意確定時間，適用于訓練和預測，借助仿真技術對人、船、環(huán)境相互影響的動態(tài)系統(tǒng)進行分析，可為研究航運條件變化規(guī)律和優(yōu)化系統(tǒng)提供科學依據(jù)。

20世紀70年代為國外交通仿真系統(tǒng)運用于海上運輸領域的起點，起初海上交通仿真模型僅能描述單個船舶運動。隨著計算機科技的發(fā)展，模型精度逐漸提高，優(yōu)化模型可仿真船舶常見的避讓操作、追越會遇、交叉會遇和交通容量等，以及分道通航等海上交通管理措施均可使用交通仿真軟件進行模擬仿真[13]。

現(xiàn)階段的海上運輸趨向船舶高速化、專業(yè)化、大型化、智能化和全球化發(fā)展，海上交通仿真研究熱點也轉向智能船舶研究。楊神化等[14]采用Multi-agent系統(tǒng)技術，構建了基于MAS與船舶操縱模擬器的智能港口交通流仿真系統(tǒng)，提出離散事件與船舶自動航行算法，采用Multi-agent仿真將船舶避讓行為整合至海上船舶交通仿真過程中，有效提高了交通仿真的時效性。

動態(tài)數(shù)據(jù)驅動仿真技術(DDDAS)是目前我國海上交通仿真的關鍵技術，該方法立足于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、需求模型、通信方式和船舶交通仿真之間的相互作用，為海上交通從基礎VTS監(jiān)控轉向環(huán)境在線仿真提供了方法。其使用動態(tài)數(shù)據(jù)輸入方式，結合傳感器系統(tǒng)和網格計算等技術，把真實數(shù)據(jù)實時傳送至仿真系統(tǒng)，支撐模型運行和動態(tài)調整。但目前仍缺乏對海上復雜交通系統(tǒng)行為的精準預測和分析能力。

2.3 道路交通仿真

交通系統(tǒng)仿真技術在道路交通領域的應用比較廣泛，美國加州大學洛杉磯分校的D L Gerlough博士1955年提出將計算機技術應用道路交通系統(tǒng)中，在之后的發(fā)展過程中，計算機技術的發(fā)展、編程手段的進步和交通流理論的發(fā)展推動了仿真技術在交通系統(tǒng)中的廣泛運用。

在對交通流的分析過程中，對高速公路的仿真運用多于普通道路，原因為任何道路的車輛超車和排隊均不會依賴交通仿真，還受制于道路環(huán)境因素，包括通信控制及距離。在這個領域較典型的模型是澳大利亞的“TRARR”模型和瑞典的“VTI”模型，二者均在20世紀70年代開發(fā)完成?，F(xiàn)階段的大部分交通系統(tǒng)仿真技術應用本質屬于微觀仿真范疇，可以綜合考慮多種交通方式以及道路影響因素，通過交通系統(tǒng)仿真分析影響因素之間的相互關系及作用,交通信號控制是其中的一個重點研究領域。

在交通信號控制研究領域，早期最為經典的Webster公式是基于排隊理論中一個延遲公式的仿真修正實例。傳統(tǒng)的固定信號控制中，只需考慮交通作用于信號控制，現(xiàn)階段的信號控制與交通呈相互作用的關系，信號控制仿真與車輛運行仿真同等重要。美國的NETISIM和AIMSUM2等技術可將不同信號控制類型的道路交叉口和不同等級的道路綜合分析。

在交通安全研究領域，傳統(tǒng)的仿真模型假定駕駛員駕駛過程中不會發(fā)生碰撞，所以在復雜交通環(huán)境中需考慮交通事故因素，且交通安全仿真是以人為研究對象的仿真領域，要考慮駕駛員反應過程中不敏銳、感知能力差等因素，也稱為亞微觀仿真。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展將加快交通安全研究的進程，HUTSIM和TRANSIMS中使用模糊邏輯可以描述駕駛者的駕駛行為。

3 交通系統(tǒng)仿真模型特性

3.1 宏觀交通仿真模型

宏觀仿真模型可用于描述交通流、交通流密度和速度之間的關系，其仿真對象是以路段為基礎的公路網，無法對單個車輛的車道變換等細節(jié)進行仿真描述。宏觀模型仿真速度較快，且對計算機技術資源要求較低，主要用于交通設施建設及制定管理措施等方面。

宏觀模型的驗證重點主要在于關注道路交通擁堵特點，可結合不同等級道路的不同特點，對道路交通流進行仿真模擬。針對城市道路，模型參數(shù)一般選擇排隊長度、車隊速度、延誤時間和車道數(shù)等參數(shù)為衡量指標；針對高速公路，模型仿真主要在于重現(xiàn)擁堵特征，主要選擇不同時段的等速度圖和交通流運動信息等指標，模型仿真可以針對不同交通網絡的交通流建模分析。Richard[15]將交通流與可壓縮流體的概念相結合，提出了“LWR”宏觀交通仿真模型，之后的學者在此基礎上提出了改進模型，較為典型的如“Payne”模型，其對“LWR”模型中的速度和密度關系假設進行了改進，完善了該假設無法反映非均衡交通流的缺點。

3.2 中觀交通仿真模型

中觀交通仿真模型是以個體車輛運行為研究對象，不同于宏觀模型把交通流視為壓縮流體處理，也無法精密描述車輛的跟馳和換道。中觀交通仿真模型適用于仿真描述精度適中的研究，成為近期較為理想的在線仿真分析方式，結合交通實時監(jiān)測技術的基礎上，中觀模型發(fā)展速度得以大幅提升，如前文所介紹的“DYNAMEQ”、“DynaMIT”和“DYNASMART”等可以在線仿真分析的中觀模型均已開發(fā)運用。

在路網仿真方面，中觀模型采用“路段—節(jié)點”方式，以道路類型、車道數(shù)、路段長度等為路段仿真參數(shù)，將路段細分為多個子路段，可描述路段交通流在不同時段的變化情況，針對節(jié)點方面則僅需確定路段間的連接情況，無需對交叉口車輛行駛軌跡進行描述。如“DynaMIT”將路網中的每個路段分為多個部分，每個部分繼續(xù)細分為兩個組，分別為移動段和排隊段，并且根據(jù)交通流速度與密度的關系確定其平均速度，以此對路段中車輛的位置進行仿真。模型在信號控制仿真方面，中觀交通仿真模型可描述信號控制設備設置的信號動態(tài)變化過程，但僅為基于其控制邏輯的簡要描述，無法完全按照信號機真實控制情況進行仿真。中觀仿真模型只將信號數(shù)據(jù)采集結果輸入模型進行分析，對路網狀態(tài)進行估計、預測[16]。

3.3 微觀交通仿真模型

微觀交通仿真模型以路網中運行的每輛車為單元，通過仿真技術反映車輛在道路上的變道、超車及跟馳等微觀交通行為，模型功能包括：精確描述道路網的幾何形狀，包括檢測器、信息標志和信號控制設備等；精準模擬路網上的每個單元(車輛)的動態(tài)交通行為。微觀交通模型包含了4個種類的分析模型，有交通控制模型、道路幾何狀態(tài)模型、車輛駕駛行為模型和交通管理模型，其中車輛駕駛行為模型可通過描述車輛在受各種因素約束的情況下，車輛的運動行為來反映道路網絡的交通狀態(tài)，也是微觀交通仿真模型的核心。

微觀交通仿真技術中，較為典型的是由德國PTV公司開發(fā)的VISSIM軟件，其使用基于規(guī)則的運算方法對車輛縱向運動進行運算分析，參數(shù)指標具有離散隨機的特點，將駕駛員的駕駛行為分為冒險型和保守型，并分別提供2D、3D的動畫向使用者展示模擬的動態(tài)效果，并根據(jù)動態(tài)的交通分配來模擬車輛對路徑的選擇。另外由我國同濟大學開發(fā)的TJTS微觀仿真系統(tǒng)也是城市道路微觀交通仿真軟件系統(tǒng)的重要組成部分，其原理為提前給定交通需求，按照到達車輛隨機分配使得車輛在各自產生點一輛一輛進入路網，在此基礎上采用時間掃描法反映每輛車從進入路網開始至消失于路網的總過程。

4 結論與展望

綜上所述，關于交通仿真的核心產品和技術，我國仍處于初級階段，自主知識產權更少。目前我國關于仿真的研究多數(shù)處于引進國外交通仿真軟件，因此軟件中大多數(shù)參數(shù)只適用于當?shù)氐缆翻h(huán)境。在未來發(fā)展中，首先應抓住智能交通發(fā)展帶來的優(yōu)勢，引入、自主研發(fā)基于計算機技術的虛擬現(xiàn)實、程序編輯等技術，在各個領域構建完善的交通仿真系統(tǒng)；其次，應該持續(xù)提升智能交通感知，加強對交通大數(shù)據(jù)的分析應用；最后，應該結合我國道路交通實際狀況，進行交通系統(tǒng)仿真研究，推進交通仿真技術的本地化。