[科普中国]-交通仿真

交通仿真指用仿真技术来研究交通行为，是一门对交通运动随时间和空间的变化进行跟踪描述的技术。其含有随机特性，可以是微观的，也可以是宏观的，并且涉及描述交通运输系统在一定期间实时运动的数学模型。1

作用特点交通仿真的作用在于对现有系统或未来系统的交通运行状况进行再现或预先把握，从而对复杂的交通现象进行解释、分析、找出问题的症结，最终对所研究的交通系统进行优化。

与传统的交通分析技术相比，交通仿真技术的优点在于：

1．模型机制的灵活性和柔软性

仿真模型对系统内各基本要素的变化规律及相互作用关系的描述与系统的实际运行过程紧密对应，具有灵活性和柔软性较强的模型机制。

2．模型描述的准确性和灵活性

微观仿真模型以交通系统最基本的要素，如单个的车辆、车道、信号灯等为建模单元，因而能准确、灵活地反映各种道路和交通条件的影响。

3．交通分析的开放性

借助于计算机技术，通过良好的用户输入输出界面，模型的运算结果可方便地与用户交互，增强了模型应用的实用性和方便性。

4．强大的路网动态交通状态描述功能

交通仿真技术可有效地体现交通流的随机因素，按设想要求实现对动态交通状况的重现，从而大大降低了现场试验要求。1

构成交通仿真一般由仿真对象、仿真建模、仿真编程、仿真实验及仿真结果组成。

1．仿真对象

交通仿真的对象为道路交通系统，是一个随机的、动态的、复杂的、开放的系统，涉及人、车、路及环境等诸多方面。

2．仿真建模

交通仿真以道路交通系统中相对独立的实体或行为进行建模，描述各实体的行为及相互作用。

3．仿真编程

仿真程序的编制通常采用两种类型的编程语言，一种是通用高级编程语言，如FORTRAN、PASCAL、C等；一种是专用仿真语言，如由FORTRAN演变而来的SI。MSCRIPT和SLAM，由ALGOL演化而来的SIMULA等。专用仿真语言将一些系统仿真中常见的工作制成了函数，使编程工作简化，但也存在许多限制。相反，通用编程语言虽然要花费一定的时间去学习，编程工作量较大，但它能提供专用仿真语言所缺乏的灵活性和功能。

4．仿真实验

交通仿真技术常常用来对不同的道路新建或改建方案进行评价和比选，这就要求仿真实验过程反复提供同样的交通条件和环境条件，检验方案在同等条件下的运行状况。

5．仿真结果

通过交通仿真最终得到所需的结果，但交通仿真若处理不当会造成“失真”。因此需要注意在仿真实验开始前对模型进行标定，并在仿真实验完成后对模型进行有效性检验。1

分类根据交通仿真模型对研究对象描述程度的不同，可以分为微观仿真、中观仿真、宏观仿真和交通规划仿真。

(1)微观交通仿真

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、超车及车道变换等微观行为都能得到较真实的反映。

(2)中观交通仿真

对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。例如，中观交通仿真模型对交通流的描述往往是以若干辆车构成的队列为单元的，能够描述队列在路段和节点的流入流出行为，对车辆的车道变换之类的行为也可以用简单的方式近似描述。中观交通流模型一般采用队列模型为基础，常见的有DYNASMART模型、FASTLAN模型和DTAsQ模型。此外，中舰交通流模型比较适合进行分布式并行计算。

(3)宏观变通仿真

对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个较低的程度。例如，交通流可以通过流量、速度、密度关系等一些集聚性的宏观模型来描述。对于车辆的车道变换之类的细节行为不描述。

(4)交通规划仿真

基于交通规划模型，对区域内出行者的出行行为进行仿真，用以评价现状和规划的道路网络、公交线网的总体性能。2

步骤交通仿真本身是一个复杂的系统工程。它包括问题分析、模型建立、数据采集、程序编制、仿真运行、输出结果处理等过程，必须按一定的程序和步骤进行。

其包括11个基本步骤，对此将在下面分别进行讨论。需要注意的是，这11个基本步骤不是一成不变的。

1．明确问题

交通仿真的第一个步骤是对拟要研究的问题进行详细的了解和描述，明确研究目的，划定系统的范围和边界，以便对各种交通分析技术的适应性作出判断。

2．确定仿真方法的适用性

这一步工作的核心是确定在各种交通系统分析技术中，系统仿真对于所讨论问题是最适宜的方法。

3．问题的系统化

构造一个仿真模型的第一级流程图，其中包括输入、处理、输出三个组成部分，特别要对输入和输出进行详尽的说明，以便下一步的数据收集和处理。输入数据包括交通设施设计参数、交通需求方式、运行规则、控制类型、环境条件等。而输出数据则依赖于所讨论问题的类型，通常包括行程时间、延误、排队长度、停车次数、交通事故、燃油消耗、尾气污染、交通噪声等。

4．数据的收集和处理

根据输入和输出要求收集和处理所需的数据，应当制定观测计划，确保满足最小样本量要求，以便对模型进行标定和有效性检验。接下来是对所收集的数据进行处理，使之符合仿真模型的需要。数据处理通常包括计算均值和方差、确定分布形式和相互关系、进行回归分析和单位转换等。

5．建立数学模型

建立数学模型是系统仿真中最关键的一步，通常采用自上而下循序渐进的方法进行。以前面提到的第一级流程图出发，将注意力放在连接输入和输出的处理过程上，建立第二级流程图，确定构成处理过程的主要模块及其相互关系，以及每一模块的输入和输出。然后，建立第三级流程图，对每一个模块的功能进行详细的描述。

6．参数估计

模型中的参数有两种基本类型，即确定型和随机型。确定型参数可以是常数，也可以根据系统状态的不同，对应于一组常数中的某个值，或者按某种回归规律在一定范围内连续变化的值。对于随机型参数，除给出它的均值和方差外，还要指出其分布形式。

7．模型评价

首先，确定流程中是否出现中断或回路、检验数据输入的适应性和取值范围、检验最终的和中间的输出结果的合理性。

其次，检查是否有必要增加、删除或改变一些变量；是否有必要修正一些确定型或随机型参数；是否有必要对模型的结构进行修改等。如果仅仅是需要修正某些变量或参数，则相对来说要简单，而一旦模型本身被拒绝，则需要返回前面的第三或第五个步骤，有时甚至返回第二个步骤，以至于可能放弃系统仿真方法。

8．编制程序

一旦所建的模型被接受，便可着手编制计算机程序。这步工作中最重要的一点是对编程语言和计算机设备的选择。应考虑的因素有：开发人员对各种编程语言包括通用高级语言和专用仿真语言的熟悉程度、计算机编辑器的能力、模型的特征与仿真语言的相容性、仿真程序的可扩展性等。如果所编制的程序将推广应用，例如作为商业软件出售，则要考虑留出修改和扩充的余地，同时还要加入必要的注释。

9．模型确认

模型确认包括三项内容，即模型校核、模型标定和有效性检验。

(1)模型校核：确认程序代码所执行的正是流程图所规定的任务。

(2)模型标定：以现场观测数据作为输入，检验输出结果是否与实际的观测结果相吻合，检验的重点为输入变量。

(3)有效性检验：将其余未使用的现场观测数据输入仿真程序，并将计算结果与相应的观测结果进行比较。输出结果与实际观测之间的差异表明了整个仿真程序在所检验条件下的误差。误差可接受，说明仿真程序是可用的，否则就要重新进行标定和有效性检验。

10．实验设计

实验设计指的是制定一个详细的实验方案，通常包括如下内容：

(1)选择控制变量。

(2)确定每个控制变量的限制条件或边界条件。

(3)确定每个控制变量的步长。

(4)确定控制变量的层次结构，可考虑先改变初级控制变量，而保持次级变量为常数。

(5)如何通过仿真程序中的循环语句自动改变初级控制变量的取值。

(6)如何通过仿真程序中的搜索子程序自动确定最佳条件。

11．仿真结果分析

这一步骤包括三项工作内容，即仿真运行、结果分析和形成文档。

仿真运行：详细记录过程，同时对输出结果加以辨识标记，以便于对其进行分析。

结果分析：发现仿真程序中的缺陷，可能还要借助辅助程序输出图形，对仿真结果进行统计检验，或生成文本文件。

形成文档：一个完善的仿真软件，应当具备齐全的文档，包括用户使用手册和技术文档。1

应用交通仿真技术作为一种交通分析工具，已经渗透到交通工程领域的方方面面。其应用领域主要包括：

1．在交通工程理论研究中的应用

仿真软件在交通工程理论研究中的应用主要集中在交通流理论方面。如美国HCS（Highway Capacity Software）软件系统由美国交通运输研究委员会（册）研制开发，与美国《道路通行能力手册》（HCM）配套使用。该软件由交叉口、干道、公路网等模块组成。数据输入包括交通设施几何参数（车道数和车道宽度等）及交通和道路条件（交通流量、自由流速度、地形条件、道路等级、横向干扰、大车混入率等）；输出结果为各种交通设施通行能力及其相应服务水平和相关图表。HCS系统软件为美国道路运输与交通工程设计、规划与控制提供了良好的服务，发挥了巨大的效用。

2．在道路几何设计方案评价分析中的应用

仿真软件通过提供一个3D平台，可以供设计者在计算机中观看、检查所设计道路的实际效果，及时发现设计方案的缺陷和局限性，并进行修改或调整。这样，在设计中可以及时发现和避免一些线形设计上的问题。

3．在交通管理系统设计方案评价分析中的应用

交通仿真软件提供一个将道路和交通设计有机结合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，并可以计算方案实施中的各种交通流参数。如德国的VISSIM仿真软件，该软件可以提供诸如延误、行程车速、地点车速、流量、密度等一系列可用于定量评价交通设计效果的指标。

4．在道路交通安全分析中的应用

利用仿真软件提供的直观的图形界面，设计者可以通过运行仿真软件来检查道路各个部分上的交通隐患，尤其是在信号设计中，可以直观地通过查看是否有车辆在通过交叉口时发生冲突，以此来评价信号配时方案是否保证了交叉口的通行安全。在交通安全与事故分析中，仿真模型可“再现”交通事故发生的全过程，是分析事故成因、制定交通安全保障措施的有力工具。

5．在交通新技术和新设想测试中的应用

交通仿真软件提供了一个有效的、直观的仿真试验平台，各种新的交通技术和设想都可以在这个平台上进行试验；而以往这种新技术、新方法需通过费用高昂的真实试验来验证，而且由于实地观测和采集数据的困难，有时并不能全面地考察和评价这些新技术的优缺点。

6．在智能交通系统ITS中的应用

交通仿真模型是ITS中进行交通分析的重要手段和方法，但并非所有的仿真模型都适用于ITS的分析。一般而言，面向ITS的仿真模型需要满足以下条件：

(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)清晰地表现车辆问的相互作用，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，如采用可变信息标志提供的路径重定向、速度控制和车道控制等；

(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；

(12)提供图形化的交互界面（GUI）。1

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学