国内外交通仿真技术的研究现状

国内外交通仿真技术的研究现状仿真，顾名思义是指对真实事物的模仿，也称为“模拟”，它是指为了求解问题而人为地模拟真实系统的部分或整个运行过程。由于科学研究与实践的对象是兼有方法论与工具意义的系统仿真问题，因此，我们讲的仿真一般也就是指系统仿真。雷诺(T.H.Nayfor)在其专著中定义:仿真是在数字计算机上进行实验的数学化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或系统(或者它们的某些部分)在若干周期内的特征。国内学者认为:系统仿真就是在计算机或实体上建立系统的有效模型(数字的、物理的、数字一物理效应混合的模型)，并在模型上进行系统试验。目前人们普遍接受的观点是:系统仿真是以相似原理、控制理论、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科综合技术。系统仿真是20世纪50年代逐步形成并迅速发展起来的新兴学科。最早的通用仿真器是由美国IBM公司研制的，1%7年更名为通用仿真系统，并增加了许多功能，直至后来发展成应用最广的一种离散系统仿真语言。时至今日，仿真技术发展方兴未艾。我国自20世纪50年代就开展了仿真技术研究，并得到了迅速发展。60年代末，在开展连续系统仿真的同时，已开始对离散事件系统(如交通管理、企业管理)进行仿真研究。70一80年代，在训练仿真器方面获得飞速发展，自行研制的飞行仿真器、舰艇仿真器、火电机组培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、汽车模拟驾驶仿真器相继研制成功并投入使用，在行业操作人员培训中发挥了很大的作用。1989年中国系统仿真学会正式立，标志着仿真学在中国的发展进入了一个崭新的阶段。90年代，我国开始对分布交互式仿真、虚拟现实仿真等先进仿真技术及其应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真[‘2一。系统仿真近些年来发展十分迅速，它综合集成了计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高科技领域的知识。现代仿真系统已经成为任何复杂的系统特别是高新技术产业不可缺少的研究、设计、评价和训练的手段和工具，并在实践中得到了有效的应用。1.3.1国外交通仿真技术的研究现状交通系统仿真技术是随着电子计算机和系统仿真技术的发展而发展起来的。在国外大体上经历了三个发展阶段tl3〕。第一阶段，20世纪40年代末至60年代初，为诞生期。该时期的工作大多讨论的是如何进行交通流仿真，直到大约1%O年，用仿真技术研究交通流状态的可能性和可行性才得到普遍承认，并且开始开发一些交通系统仿真软件。第二阶段，20世纪60年代初至80年代初，为发展期。该时期，发表了大量的论文和专著，主要都是关于交通流仿真方法及其模型建立的内容。与此同时，大量的交通系统仿真应用软件被开发出来，这些软件可以分为两种类型，一类以宏观交通仿真模型为基础，另一类则以微观交通仿真模型为基础。第三阶段，20世纪80年代初至现在，为成熟期。这一时期，交通系统仿真技术在美国已经得到了迅速的发展和广泛的应用。本阶段，交通系统仿真技术的发展呈现如下特征:①系统建模开始突破微观模型与宏观模型，出现了混合模型。一个典型的例子是由schwerdtfeger于1984年提出的DYNEMO仿真模型，采用交通流的一般关系式来描述车流运动，而将每辆车看作是一个基本单元。另外，、乞nAerde于20世纪80年代中期开发的INTEGRATION，混合使用了微观和宏观交通流模型，被认为是准微观模型。②仿真软件开始向大型化、综合性方向发展。例如，由Hubschnelder从1983年开始研制的MlsSION软件，既可用于高速公路，又可用于城市道路;既可用于一般的交通流仿真，又可用于公共交通系统的仿真试验。再如，由英国M琳公司开发的T班PS和美国caliper公司推出的肠anscAD软件包，都是以四阶段模型为基础，用于区域交通规划。值得一提的还有，由英国Quadstone公司从1992年开发奴它ARAMIcs，能够持100万个结点，，_400万个路段，32000个区域的路网。除此之外，这一时期还研制出用于信号交叉口的CALSIG(1988年)、CAPSSI(1986年)、POSIT(1985年)、SIDRA2.2(1986年)、sIGNA乓55(1986年)、soAP一84(1984年)，用于高速公路的CoRQ以及用于乡村道路的TWOPAS等。③研究重点从软件开发逐渐转向了系统模型的改进，包括模型的精炼，如加入优化子模型和加入有效性测定、仿真模型集成、向个人计算机移植等等。于是，己开发出的软件不断推出新的版本，比如，到1983年，sIGOP己上升为SIGOP一111;到1987年，TRANSYT已经上升为TRANSYT7F;到1985年，FREQ已上升为FREQSPE，TRARR己提出了第三版等等。中国智能交通网④新的计算机技术开始用于交通系统仿真，主要表现为仿真界面更加友好，人机交流更加方便。另外，计算机图形技术的应用使得仿真过程更加透明和直观。其中一个典型的例子是德国卡尔斯鲁厄交通运输与规划公司(PTv—planungsburoTransPortandVerkehr，Karlsruhe)于20世纪80年代末开始研制并于90年代逐渐改进的系列软件，它由用于道路网交通分配的Vl一SUM一IV、用于交通需求预测的VlsEM、用于城市道路交通分析的VISSIM和用于公交线路优化的VISUM一OV四个独立的软件组成。这套软件采用了人机交互的图形化界面，特别是1994年7月推出的VlsSIM2.00版，在Windows3.1环境下运行，可以同时观察多个交叉口的交通状态。随着21世纪的到来，国外对智能交通系统JTS(IntelligentTransPo到通tionSysterms)的研究日益深入，世界各国竞相开展以ITS为应用背景的交通仿真软件的研究，并达到了道路交通仿真研究前所未有的高潮，出现了一大批评价和分析rrs系统效益的仿真软件。如西班牙TSS公司开发的AIMSUN2[‘4]，是一个交互式交通仿真模型，主要用于测试和评价新的交通控制系统和交通管理策略，但它同时又能够用于交通状况的预测以及车辆导航系统和其他实时交通信息的应用。1.3.2国内交通仿真技术的研究现状与国外相比，国内在道路交通系统仿真方面研究起步较晚。用系统仿真技术进行道路交通的仿真试验开始于20世纪80年代，并且主要集中在高等院校等研究机构。1984年，北京工业大学就开始了交通仿真的研究工作，在以后几年里用各种应用软件对各种交通行为进行仿真研究[l5一];同济大学在20世纪90年代，先后建立了优先控制T型交叉口车辆运行的仿真模型[22]和名为Microsim的高速公路入口匝道交通仿真软件的对象模型[23]，并研制了相应的仿真软件;东南大学于20世纪90年代中后期进行了城市交通网络研究、城市交通实时模糊控制研究1241，提出了单路口交通实时模糊控制方法，还采用动态微观仿真方法研究了路段通行能力，考虑驾驶员、车辆、道路、环境和交通规则的相互关系对通行能力的影响，从微观角度出发建立了仿真模型125][26];清华大学交通研究所于20世纪90年代末期，在Windows平台以面向对象的设计思想开发了名为肠asimul的仿真软件，用于模拟城市平面交叉口的拥挤特性，为缓解城市平交路口的交通拥挤提供了有力工具127];西南交通大学进行了初步的交通系统仿真及在交通控制中的应用研究，利用仿真技术进行了高速公路车头间隙分布规律及其应用的研究;华南理工大学利用交通仿真分析了信号交叉口的通行能力和服务水平[28][29];上海交通大学建立了宏观交通流分配仿真模型130]，实现了路网中的流量分配;北京理工大学开发了城市交通诱导仿真系统;天津大学利用仿真进行了交通流自组织管理控制研究[3’]，以交通流元细胞自动机模拟和仿真结果说明交通流中自组织现象并进行了理论分析和数学描述;中国科学技术大学进行了基于微粒跃动模型的趁势交通仿真研究[32〕;吉林大学在交通系统仿真方面也开展了一系列的研究，主要是用GPSS仿真语言对交叉口的交通状态进行仿真研究133]。此外，长安大学[7][34一l、西安交通大学、吉林工业大学[38]、交通部公路科学研究所等单位也开展了交通仿真方面的工作。目前，交通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。随着计算机技术的迅猛发展，以计算机为辅助工具，利用其可重复性、可延续性模拟交通运行状况，进行交通运行特性和通行能力研究，已成为交通流理论研究的一个发展方向。在通行能力研究方面，国内外都己有利用仿真模型进行通行能力研究的实例。如美国HCS(HighwayC即acitySoftware)软件系统由美国交通运输研究委员会(TRB)研制开发，与美国《道路通行能力手册》HcM配套使用[39]。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。国内以东南大学为首的一些研究所也开展了对道路路段、交叉口等通行能力的研究。目前，我国道路交通部门正在加紧研究和开发适合中国国情的相关模拟软件，力争使我国的通行能力研究与国际接轨。