交通仿真课程-百度--第三章交通仿真理论与技术.ppt

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1、山东理工大学 张敬磊第三章 微观交通仿真理论与技术山东理工大学 张敬磊本章主要内容n3.1 微观交通仿真系统的结构和软件简介n3.2 微观路网模型简介n3.3 交通生成模型n3.4 车辆跟驰模型 n3.5 换车道模型山东理工大学 张敬磊n微观交通仿真系统可以对城市道路改造、交叉口的渠化设计、交叉口控制方法、交通信号配对和公交专用道系统中公交车辆的运行情况等敏感性交通设施进行辅助评价分析，而这些均是城市交通中面临急需解决的问题。n通过仿真交通流的实际状态，不仅可以利用各种原始数据在短时间内得到改善后的交通状况，也可以从系统的运行中得到其他方案所需的数据。山东理工大学 张敬磊n在不同参数情况下，仿

2、真系统的结果可以辅助分析造成交通拥挤问题的原因，而且可以模拟出各种假设交通管理和控制等改进措施对所研究信号交叉口的影响效果。微观仿真系统能在投入和时间相对少的情况下及时得到交通评估结果，更为重要的是对于一些有困难甚至不可能进行现场实验的交通管理和控制措施，可以利用交通流微观仿真系统进行优化和评估。山东理工大学 张敬磊3.1 微观交通仿真系统的结构和软件简介n3.1.1 微观交通仿真系统的结构组成n城市道路微观交通仿真系统模型包含交通网络描述模块、交通需求模块、车辆行驶模块、交通控制管理方案生成模块、仿真输出模块五个基本模块，如下图所示（课本P95，图4-1）：山东理工大学 张敬磊山东理工大学

3、张敬磊n3.1.2 交通仿真系统的特点n交通流微观仿真系统具有以下优点：n（1）便于模拟分析交叉口交通流运行情况，特别适宜于各种拓宽和渠化设计方案。n（2）为各种信号控制方案提供预先仿真评价工作平台。n（3）可仿真研究公交专用道的设计和公交车辆的运营状况，同时为公交线路、站点设计提供评价依据。n（4）具有众多的仿真参数和功能，如可模拟路边停车场等。n（5）把研究成果以动画形式形象地表达出来。n不足之处：非机动交通流和混合交通流的仿真还不完善，系统的开发和维护需要专业人士负责，不利于推广。山东理工大学 张敬磊8 交通仿真的目标是评价交通管理计划的行为效果，效果包括5个方面：一是与出行效率相关的方

4、面，如出行的速度、时间等；二是与交通安全相关的方面，包括车头时距、事故等；三是与交通环境相关的方面，如各种污染物的排放及振动的产生等；四是与旅客舒适相关的方面，如停站次数，密度，拥挤水平等；紧张、舒适性等；五是交通出行的技术性能指标，如费用与燃料消耗。3.1.3 交通仿真的效果山东理工大学 张敬磊93.1.4 交通仿真评价指标交通仿真评价指标目标目标指标指标提供率提供率效率效率速度速度87%出行时间出行时间87%拥挤拥挤71%出行时间变化率出行时间变化率68%排队长度排队长度65%公交管制公交管制26%方式选择方式选择16%安全安全车头时距车头时距42%超车超车26%事故数量事故数量16%事故

5、事故/速度严重性速度严重性16%离碰撞时的时间间隔离碰撞时的时间间隔16%行人作用行人作用16%山东理工大学 张敬磊10目标目标指标指标提供率提供率环境环境排放物排放物52%路傍污染水平路傍污染水平16%噪声噪声13%舒适舒适物理舒适性物理舒适性3%紧张性紧张性0%技术技术燃料消耗燃料消耗48%性能性能车辆运营费用车辆运营费用6%3.1.4 交通仿真评价指标交通仿真评价指标山东理工大学 张敬磊n3.1.5 3.1.5 微观交通仿真系统简介微观交通仿真系统简介n自20世纪60年代以来，国内外交通业界在微观交通仿真领域进行了大量工作，开发了几十种仿真模型和多种交通仿真软件系统。这些仿真软件系统广泛

6、应用于定量化评价和分析ITS系统的效益，尤其是ATMS/ATIS系统中各类方案的效益评 价。典 型 软 件 有：美 国 的 CorSim、TranSims，英国的Paramics，德国的Vissim、Microsim，法国的Nemis、Simdac，日本的Melrose等。详细参见课本p96。山东理工大学 张敬磊n3.2 3.2 微观路网模型简介微观路网模型简介n交通运行网络按照其服务对象可分为三大类（1）机动车路网；（2）非机动车路网；（3）轨道交通线网。其中，机动车和非机动车路网以城市道路网为基础运行，而轨道线网以轨道需求节点为基础构建而成。n机动车路网、非机动车路网共用同一道路路网，以单

7、个车辆为基本单元，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为都能得到较真实的反映。n微观路网构建主要包括：路段路口与宏观路网的映射定义；路段定义；车道定义；路口、路径及路口冲突点的定义。轨道交通线网的构建元素包括轨道路段和轨道站，独立于机动车和非机动车路网，其线网形式单一，驾驶员行为模型单一。山东理工大学 张敬磊3.3 交通生成模型3.3.1 .1 交通流的统计分布交通流的统计分布 3.3.2 .2 随机数的产生随机数的产生 3.3.3 .3 随机变量的产生随机变量的产生山东理工大学 张敬磊3.3 交通生成模型重点：如何得到符合一定概率分布的随机变量。重点：如何得到符合一定概率分布的随机变量。依靠

8、随机数技术产生符合已给定概率分布的车辆依靠随机数技术产生符合已给定概率分布的车辆的状态属性以及交通流参数的状态属性以及交通流参数 功能：在被模拟路段的起始段面产生符合功能：在被模拟路段的起始段面产生符合实际的交通流。实际的交通流。调查交通流参数的统计分布；调查交通流参数的统计分布；将将00，11上的随机数转换为符合交通流参数分上的随机数转换为符合交通流参数分布得随机变量；布得随机变量；生成生成00，11区间上均匀分布的随机数；区间上均匀分布的随机数；山东理工大学 张敬磊3.3.1 交通流的统计分布交通流的统计分布（1 1）车辆到达分布）车辆到达分布 3.3 交通生成模型n在一定的时间间隔内到达

9、的车辆数是随机数，可用泊松分布、二项分布、负二项分布等离散型分布来描述这类随机变量的统计规律，下面对这几种分布作简要介绍。山东理工大学 张敬磊山东理工大学 张敬磊山东理工大学 张敬磊山东理工大学 张敬磊（2 2）车头时距分布）车头时距分布 1 1）负指数分布）负指数分布 描述前后车辆到达之间的车头时距分布。常用连续型分布描述前后车辆到达之间的车头时距分布。常用连续型分布 当车辆到达符合泊松分布时，在计数周期当车辆到达符合泊松分布时，在计数周期t t内无车到内无车到达达(x(x0)0)的概率为：的概率为：3.3.1 交通流的统计分布交通流的统计分布3.3 交通生成模型车车头头时时距距是是交交通通

10、流流中中在在同同一一车车道道上上行行驶驶的的相相邻邻两两辆辆车车的的前前挡挡板板到到达达某某一一指指定定断断面面的的时时刻刻之之差差，车车头头时时距距特特性性是是交交通通流流特特性性研研究究的的一一个个重重要要方方面。面。山东理工大学 张敬磊 上式表明，在具体的时间间隔上式表明，在具体的时间间隔t t内，如无车辆到达，则内，如无车辆到达，则上一辆车到达和下一辆车到达之间车头对距至少有上一辆车到达和下一辆车到达之间车头对距至少有t t秒。秒。换句话说，换句话说，换句话说，换句话说，P(0)P(0)P(0)P(0)也是车头时距等于或大于也是车头时距等于或大于也是车头时距等于或大于也是车头时距等于或

11、大于t t t t秒的概率。秒的概率。秒的概率。秒的概率。而车头时距小于而车头时距小于t t的概率则为：的概率则为：3.3.1 交通流的统计分布交通流的统计分布3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊2 2）位移负指数分布）位移负指数分布 将负指数分布曲线从原点将负指数分布曲线从原点0 0沿沿t t轴向右移一个最小轴向右移一个最小间隔长度间隔长度 ，得到位移负指数分布曲线。表达式为：，得到位移负指数分布曲线。表达式为：3.3.1 交通流的统计分布交通流的统计分布3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊3 3）厄尔兰分布）厄尔兰分布 厄尔兰分布是较为通用的车头时距分布模型，根据厄尔兰分布是较为通

12、用的车头时距分布模型，根据分布函数中参数分布函数中参数 k k 的改变而有不同的分布函数。的改变而有不同的分布函数。当当 时，结果将产生均一的车头时距时，结果将产生均一的车头时距 3.3.1 交通流的统计分布交通流的统计分布3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊 参数参数k k可以反映畅行车流和拥挤车流之间的各种车流可以反映畅行车流和拥挤车流之间的各种车流条件。条件。k k值越大，说明车流越拥挤，驾驶员自由行车越困值越大，说明车流越拥挤，驾驶员自由行车越困难。因此，难。因此，k k值是非随机性程度的粗略表示，非随机性程值是非随机性程度的粗略表示，非随机性程度随着度随着k k值的增加而增加。值

13、的增加而增加。k k 值可用下式估算：值可用下式估算：3.3.1 交通流的统计分布交通流的统计分布3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊3.3.2 随机数的产生随机数的产生n随机数随机数：所谓随机数就是随机变量的样本取样值。：所谓随机数就是随机变量的样本取样值。n均均匀匀分分布布的的随随机机数数：随随机机变变量量x x在在其其可可能能值值范范围围中中的的任任一一区区间间出出现现的的概概率率正正比比于于此此区区间间的的大大小小与与可能值范围的比值。可能值范围的比值。n(0(0，1)1)均均匀匀分分布布随随机机数数：在在各各种种分分布布的的随随机机数数中中，最最常常用用和和最最重重要要的的是是在

14、在(0(0，1)1)区区间间上上的的均均匀匀分分布布随随机机数数。其其他他分分布布的的随随机机数数都都可可以以由由(0(0，1)1)均均匀匀分布随机数经过变换和计算来产生分布随机数经过变换和计算来产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊产生均匀分布随机数的基本方法有如下三种：产生均匀分布随机数的基本方法有如下三种：（1 1）表格法）表格法 利用物理过程可以得到大量随机数，将随机数填入计算机利用物理过程可以得到大量随机数，将随机数填入计算机存储器中，在仿真时顺序调用。存储器中，在仿真时顺序调用。缺点：该方法要求大量的内存和复杂的准备随机数的过程缺点：该方法要求大量的内存和复杂的准备随机数的过

15、程缺点：该方法要求大量的内存和复杂的准备随机数的过程缺点：该方法要求大量的内存和复杂的准备随机数的过程3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊（2 2）物理）物理法法 利用物理随机发生器，通过变换来产生均匀分布的随利用物理随机发生器，通过变换来产生均匀分布的随机数。许多物理过程都可产生均匀分布随机数序列，然后机数。许多物理过程都可产生均匀分布随机数序列，然后通过采样计算得到希望的随机数通过采样计算得到希望的随机数 。如电子噪声发生器、放射源激励计数器等如电子噪声发生器、放射源激励计数器等 缺点：需要一套物理设备，且产生的随机数无法重现缺点：需要一套物理设备，

16、且产生的随机数无法重现缺点：需要一套物理设备，且产生的随机数无法重现缺点：需要一套物理设备，且产生的随机数无法重现3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊（3 3）数学方法）数学方法 通过计算机程序来产生给定范围通过计算机程序来产生给定范围(通常为通常为01)的均匀的均匀分布随机数列。分布随机数列。缺点：由数字所表示的一个数列总是有限的，总会出现缺点：由数字所表示的一个数列总是有限的，总会出现缺点：由数字所表示的一个数列总是有限的，总会出现缺点：由数字所表示的一个数列总是有限的，总会出现周期性。故通常称其为伪随机数。周期性。故通常称其为伪随机数。周期性。故通

17、常称其为伪随机数。周期性。故通常称其为伪随机数。优点：首先，能使计算机程序的调试更加方便；其次，优点：首先，能使计算机程序的调试更加方便；其次，在不同的仿真运行中重复使用相同的随机数列，可以比在不同的仿真运行中重复使用相同的随机数列，可以比较仿真输出的精度。较仿真输出的精度。3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊计算机上用数字方法产生的随机数的一般要求有：计算机上用数字方法产生的随机数的一般要求有：1.1.产产生生的的数数值值序序列列要要具具有有分分布布的的均均匀匀性性、抽抽样样的的随随机性、试验的独立性以及前后的一致性。机性、试验的独立性以及前后的一致性

18、。2.2.产产生生的的随随机机数数要要有有足足够够长长的的周周期期，以以满满足足你你真真的实际需要。的实际需要。3.3.产生随机数的速度要快，占用的内存空间要小。产生随机数的速度要快，占用的内存空间要小。3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊当前应用的大多数随机数发生器是同余发生器，当前应用的大多数随机数发生器是同余发生器，同余法同余法是将一组数据通过一系列特定的数字运算，最后利用一是将一组数据通过一系列特定的数字运算，最后利用一个数字的整除求余，所得的数值就是一个伪随机数。个数字的整除求余，所得的数值就是一个伪随机数。其中其中intint表示取整，初始值

19、表示取整，初始值 称为种子，称为种子，a a为常数，为常数，乘数乘数c c为增量，为增量，m m为模。为模。3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊当当 时，称为混合同余法；当时，称为混合同余法；当 时，称为乘同余法。时，称为乘同余法。由于近年来对混合同余法所期望的性能改善没有获得明由于近年来对混合同余法所期望的性能改善没有获得明显的进展，因此今天所用的大多数线性同系发生器都采用显的进展，因此今天所用的大多数线性同系发生器都采用乘同余法：乘同余法：3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊对二进制计算机，可以按照以下规则选择

20、对二进制计算机，可以按照以下规则选择a a和和m m：取取 ，j j是某个整数，一般是某个整数，一般m m选择在机器所能表示的选择在机器所能表示的数的范围内；同时，还要考虑用上式计算得到的伪随机数数的范围内；同时，还要考虑用上式计算得到的伪随机数序列的周期应大于试验的持续期。序列的周期应大于试验的持续期。a a一般取与一般取与 最接近而又满足最接近而又满足 的那个数，的那个数，其中其中K K为任意整数，为任意整数，p p为机器字长度。为机器字长度。3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊 例例11用乘同余法产生一个用乘同余法产生一个80008000个数的序列

21、个数的序列(最小单位为最小单位为1)1)。确定：确定：m m 和和 a a3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊用上面的递推公式计算出来的伪随机数基本上符合均匀用上面的递推公式计算出来的伪随机数基本上符合均匀分布的统计特性，其概率密度函数为：分布的统计特性，其概率密度函数为：均值和方差分别为：均值和方差分别为：为了得到为了得到为了得到为了得到0 0 0 0到到到到1 1 1 1之间的随机数，之间的随机数，之间的随机数，之间的随机数，用用用用 ）进行归一化处理）进行归一化处理）进行归一化处理）进行归一化处理3.3.2 随机数的产生随机数的产生3.3 交通生成

22、模型山东理工大学 张敬磊反变换法反变换法 假设在区间假设在区间00，11中的均匀随机数列中的均匀随机数列 已经已经存在，其概率密度函数存在，其概率密度函数 和分布函数和分布函数 为：为：3.3 交通生成模型3.3.3 随机变量的产生随机变量的产生山东理工大学 张敬磊3.3.3 随机变量的产生随机变量的产生为了获得各种不同分布的随机变量为了获得各种不同分布的随机变量 要对要对 进行整形。进行整形。定理：如果定理：如果 是一个在是一个在00，11区间均匀分布的随机变量，区间均匀分布的随机变量，它的概率分布为它的概率分布为 ，今要求，今要求 的分布函数为的分布函数为 ，则只要取则只要取 ，即，即 (

23、反函数反函数)即可。即可。3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊3.3.3 随机变量的产生随机变量的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊3.3.3 随机变量的产生随机变量的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊3.3.3 随机变量的产生随机变量的产生3.3 交通生成模型下式山东理工大学 张敬磊3.3.3 随机变量的产生随机变量的产生3.3 交通生成模型得：得：山东理工大学 张敬磊3.3.3 随机变量的产生随机变量的产生3.3 交通生成模型山东理工大学 张敬磊3.4 3.4 车辆车辆跟跟驰驰模型模型 3.4.1 3.4.1 概述概述3 3.4.4.2 2 车辆跟驰特性分析车辆跟驰

24、特性分析 3 3.4.4.3 3 车辆跟驰模型车辆跟驰模型简介简介山东理工大学 张敬磊3.4.1 概述概述3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型是运用动力学方法，探究在无法超车的单是运用动力学方法，探究在无法超车的单一车道上车辆列队行驶时，车辆跟弛状态的理论。一车道上车辆列队行驶时，车辆跟弛状态的理论。由于交通系统的由于交通系统的复杂性复杂性,特别是跟驰行为特别是跟驰行为影响因素的多影响因素的多样性样性，导致没有一个公认的跟驰模型，本文在综述国内外，导致没有一个公认的跟驰模型，本文在综述国内外的研究成果基础上，推荐的研究成果基础

25、上，推荐行为阈值模型行为阈值模型为微观仿真的首选。为微观仿真的首选。车辆跟驰模型车辆跟驰模型是描述交通行为即人是描述交通行为即人车单元行为车单元行为的的动态模型动态模型。山东理工大学 张敬磊发展过程：发展过程：1950 1950年，年，ReuschelReuschel A A开始研究车辆在列队行驶时的开始研究车辆在列队行驶时的运行状态。运行状态。1953 1953年，年，Pipers LPipers LA A建立了车辆跟驰模型并给出建立了车辆跟驰模型并给出解析结果，标志着解析结果，标志着车辆跟驰模型的解析方法研究的开始车辆跟驰模型的解析方法研究的开始。Pipers的车辆跟驰模型源于加利福尼亚机

26、动车法规中的车辆跟驰模型源于加利福尼亚机动车法规中的建议：的建议：在跟随行驶过程中，安全距离至少为一个车身在跟随行驶过程中，安全距离至少为一个车身长度并随速度每增加长度并随速度每增加16km/h，就增加一个车长。，就增加一个车长。（1 1）2020世纪世纪5050年代初（早期）年代初（早期）3.4.1 概述概述3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊优点：模型形式简单，物理意义明确，具有开创意义。优点：模型形式简单，物理意义明确，具有开创意义。优点：模型形式简单，物理意义明确，具有开创意义。优点：模型形式简单，物理意义明确，具有开创意

27、义。缺点：模型精度不能令人满意。缺点：模型精度不能令人满意。缺点：模型精度不能令人满意。缺点：模型精度不能令人满意。3.4.1 概述概述3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊 日本的日本的KomentaniKomentani E E和和Sasaki TSasaki T美国密歇根大学美国密歇根大学的的ForbesForbes，通用汽车公司动力实验室的，通用汽车公司动力实验室的Herman,RotheryHerman,Rothery及及其研究组进行的研究，发展了车辆跟驰模型的研究。其研究组进行的研究，发展了车辆跟驰模型的研究。（2 2）

28、2020世纪世纪5050年代后期到年代后期到6060年代中期年代中期 （3 3）2020世纪世纪7070年代年代 车辆跟驰模型的研究得到了进一步的发展和完善。车辆跟驰模型的研究得到了进一步的发展和完善。3.4.1 概述概述3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊（4 4）2020世纪世纪8080年代年代 研究进展缓慢，主要是对早期研究的一些问题进行了研究进展缓慢，主要是对早期研究的一些问题进行了更深入的探讨。更深入的探讨。（5 5）近代）近代 随着随着智能交通运输系统智能交通运输系统、车辆自动智能巡航系统车辆自动智能巡航系统和和驾驾驶

29、员信息诱导系统驶员信息诱导系统的开发建立，需要对车辆跟驰特性进行的开发建立，需要对车辆跟驰特性进行更加细致研究，车辆跟驰模型的研究再一次成为热点。更加细致研究，车辆跟驰模型的研究再一次成为热点。3.4.1 概述概述3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊3.4.2 车辆跟驰特性分析车辆跟驰特性分析（1 1）制约性）制约性 紧随要求紧随要求紧随要求紧随要求:出于对旅行时间的考虑，后车驾驶员总不愿意出于对旅行时间的考虑，后车驾驶员总不愿意出于对旅行时间的考虑，后车驾驶员总不愿意出于对旅行时间的考虑，后车驾驶员总不愿意落后很多，而是紧随前车

30、前进；落后很多，而是紧随前车前进；落后很多，而是紧随前车前进；落后很多，而是紧随前车前进；车速条件车速条件车速条件车速条件 后车的车速不能长时间大于前车的车速，而只后车的车速不能长时间大于前车的车速，而只后车的车速不能长时间大于前车的车速，而只后车的车速不能长时间大于前车的车速，而只能在前车速度附近摆动，否则会发生碰撞能在前车速度附近摆动，否则会发生碰撞能在前车速度附近摆动，否则会发生碰撞能在前车速度附近摆动，否则会发生碰撞;3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊间距条件间距条件间距条件间距条件 车与车之间必须保持一个安全距离，即前

31、车制车与车之间必须保持一个安全距离，即前车制车与车之间必须保持一个安全距离，即前车制车与车之间必须保持一个安全距离，即前车制动时，两车之间有足够的距离，从而有足够的时间动时，两车之间有足够的距离，从而有足够的时间动时，两车之间有足够的距离，从而有足够的时间动时，两车之间有足够的距离，从而有足够的时间供后车驾驶员做出反应，采取制动措施供后车驾驶员做出反应，采取制动措施供后车驾驶员做出反应，采取制动措施供后车驾驶员做出反应，采取制动措施.紧随要求、车速条件和间距条件构成了一队汽车跟驰行驶紧随要求、车速条件和间距条件构成了一队汽车跟驰行驶紧随要求、车速条件和间距条件构成了一队汽车跟驰行驶紧随要求、车

32、速条件和间距条件构成了一队汽车跟驰行驶的制约性，即前车的车速制约着后车的车速和车头间距。的制约性，即前车的车速制约着后车的车速和车头间距。的制约性，即前车的车速制约着后车的车速和车头间距。的制约性，即前车的车速制约着后车的车速和车头间距。3.4.2 车辆跟驰特性分析车辆跟驰特性分析 3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊（2 2）延迟性）延迟性 由制约性可知，前车改变运行状态后，后车也要改变，由制约性可知，前车改变运行状态后，后车也要改变，由制约性可知，前车改变运行状态后，后车也要改变，由制约性可知，前车改变运行状态后，后车也要改变

33、，但不是同步的，而是但不是同步的，而是但不是同步的，而是但不是同步的，而是后车滞后于前车后车滞后于前车后车滞后于前车后车滞后于前车。这是由于驾驶员对。这是由于驾驶员对。这是由于驾驶员对。这是由于驾驶员对于前车运行状态的改变要有一个反应的过程，包括：于前车运行状态的改变要有一个反应的过程，包括：于前车运行状态的改变要有一个反应的过程，包括：于前车运行状态的改变要有一个反应的过程，包括：感觉阶段感觉阶段感觉阶段感觉阶段:前车运行状态的改变被察觉；前车运行状态的改变被察觉；前车运行状态的改变被察觉；前车运行状态的改变被察觉；认识阶段：对这一改变加以认识；认识阶段：对这一改变加以认识；认识阶段：对这一

34、改变加以认识；认识阶段：对这一改变加以认识；判断阶段：对本车将要采取的措施做出判断；判断阶段：对本车将要采取的措施做出判断；判断阶段：对本车将要采取的措施做出判断；判断阶段：对本车将要采取的措施做出判断；执行阶段：由大脑到手脚的操纵动作。执行阶段：由大脑到手脚的操纵动作。执行阶段：由大脑到手脚的操纵动作。执行阶段：由大脑到手脚的操纵动作。3.4.2 车辆跟驰特性分析车辆跟驰特性分析 3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊 这这4 4个阶段所需要的时间称为反应时间。假个阶段所需要的时间称为反应时间。假设反应时间为设反应时间为T T，前

35、车在，前车在t t时刻的动作，后车要时刻的动作，后车要到到(t+Tt+T)时刻才能做出相应的动作，这就是时刻才能做出相应的动作，这就是延延迟性迟性。3.4.2 车辆跟驰特性分析车辆跟驰特性分析 3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊（3 3）传递性）传递性 由制约性可知，第一辆车的运行状态制约着第二辆车由制约性可知，第一辆车的运行状态制约着第二辆车由制约性可知，第一辆车的运行状态制约着第二辆车由制约性可知，第一辆车的运行状态制约着第二辆车的运行状态，的运行状态，的运行状态，的运行状态，第，第，第，第n n n n车制约着第车制约着第

36、车制约着第车制约着第n+1n+1n+1n+1辆。一旦第一辆车改辆。一旦第一辆车改辆。一旦第一辆车改辆。一旦第一辆车改变运行状态，它的效应将会一辆接一辆的向后传递，直至变运行状态，它的效应将会一辆接一辆的向后传递，直至变运行状态，它的效应将会一辆接一辆的向后传递，直至变运行状态，它的效应将会一辆接一辆的向后传递，直至车队的最后一辆，这就是传递性。车队的最后一辆，这就是传递性。车队的最后一辆，这就是传递性。车队的最后一辆，这就是传递性。制约性、延迟性及传递性构成了车辆跟驰行驶的基本制约性、延迟性及传递性构成了车辆跟驰行驶的基本制约性、延迟性及传递性构成了车辆跟驰行驶的基本制约性、延迟性及传递性构成

37、了车辆跟驰行驶的基本特征，同时也是车辆跟驰模型建立的理论基础。特征，同时也是车辆跟驰模型建立的理论基础。特征，同时也是车辆跟驰模型建立的理论基础。特征，同时也是车辆跟驰模型建立的理论基础。向后传递的信息不是平滑连续，而是像脉冲一样向后传递的信息不是平滑连续，而是像脉冲一样向后传递的信息不是平滑连续，而是像脉冲一样向后传递的信息不是平滑连续，而是像脉冲一样间断连续间断连续间断连续间断连续 3.4.2 车辆跟驰特性分析车辆跟驰特性分析 3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介主要可以分为以下几类

38、：主要可以分为以下几类：刺激刺激-反应模型反应模型、安全距离模型安全距离模型、生理生理-心理模型心理模型。近年来，又涌现出近年来，又涌现出模糊推理模型模糊推理模型和和元胞自动机模型元胞自动机模型。（1 1）刺激）刺激反应模型反应模型 刺激刺激-反应模型重在描述驾驶环境中反应模型重在描述驾驶环境中各种刺激各种刺激对驾驶对驾驶员行为的影响，包括员行为的影响，包括GMGM模型模型和和线性模型线性模型。3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊GM(GeneralGM(General Motor)Motor)模型模型模型模型 在假设车辆在在假设

39、车辆在在假设车辆在在假设车辆在2222222286m(75ft)86m(75ft)86m(75ft)86m(75ft)内末超车或变换车道内末超车或变换车道内末超车或变换车道内末超车或变换车道的状况下，由驾驶动力学模型推导而来，并引入的状况下，由驾驶动力学模型推导而来，并引入的状况下，由驾驶动力学模型推导而来，并引入的状况下，由驾驶动力学模型推导而来，并引入 反应反应反应反应用后车的加速度或减速度表示，用后车的加速度或减速度表示，用后车的加速度或减速度表示，用后车的加速度或减速度表示，刺激刺激刺激刺激用后车与用后车与用后车与用后车与前车的相对速度表示，前车的相对速度表示，前车的相对速度表示，前车

40、的相对速度表示，灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度则视模型的应用特性不同则视模型的应用特性不同则视模型的应用特性不同则视模型的应用特性不同而有所差异而有所差异而有所差异而有所差异 。反应反应(t+Tt+T)=)=灵敏度灵敏度刺激刺激(t)(t)3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊 模型的基本假设为：驾驶员的加速度模型的基本假设为：驾驶员的加速度模型的基本假设为：驾驶员的加速度模型的基本假设为：驾驶员的加速度与两车之间的速与两车之间的速与两车之间的速与两车之间的速度差成正比度差成正比度差成正比度差成

41、正比；与两车的车头间距成反比与两车的车头间距成反比与两车的车头间距成反比与两车的车头间距成反比；同时；同时；同时；同时与自身的速与自身的速与自身的速与自身的速度也存在直接的关系度也存在直接的关系度也存在直接的关系度也存在直接的关系。3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊 当跟驰驾驶员感知到车头间距及相对速度差异过大当跟驰驾驶员感知到车头间距及相对速度差异过大当跟驰驾驶员感知到车头间距及相对速度差异过大当跟驰驾驶员感知到车头间距及相对速度差异过大时，会加速接近前车以缩短车头间距，逐渐由不受影

42、响时，会加速接近前车以缩短车头间距，逐渐由不受影响时，会加速接近前车以缩短车头间距，逐渐由不受影响时，会加速接近前车以缩短车头间距，逐渐由不受影响状态进入受影响状态；当跟驰驾驶员感知到过于接近前状态进入受影响状态；当跟驰驾驶员感知到过于接近前状态进入受影响状态；当跟驰驾驶员感知到过于接近前状态进入受影响状态；当跟驰驾驶员感知到过于接近前车而不安全时，则减速以加大车头间距；减速后的车头车而不安全时，则减速以加大车头间距；减速后的车头车而不安全时，则减速以加大车头间距；减速后的车头车而不安全时，则减速以加大车头间距；减速后的车头间距若不合乎跟驰驾驶者的期望则再加速，整个系统就间距若不合乎跟驰驾驶者

43、的期望则再加速，整个系统就间距若不合乎跟驰驾驶者的期望则再加速，整个系统就间距若不合乎跟驰驾驶者的期望则再加速，整个系统就在年辆不断加减速的自我调整过程中达到稳定跟驰状态。在年辆不断加减速的自我调整过程中达到稳定跟驰状态。在年辆不断加减速的自我调整过程中达到稳定跟驰状态。在年辆不断加减速的自我调整过程中达到稳定跟驰状态。此种驾驶行为会表现出两种独特的跟驰现象：此种驾驶行为会表现出两种独特的跟驰现象：此种驾驶行为会表现出两种独特的跟驰现象：此种驾驶行为会表现出两种独特的跟驰现象：跟驰过程跟驰过程跟驰过程跟驰过程处于一个微幅振荡调整车头间距与速度差的系统中处于一个微幅振荡调整车头间距与速度差的系统

44、中处于一个微幅振荡调整车头间距与速度差的系统中处于一个微幅振荡调整车头间距与速度差的系统中；在在在在各反应状态下，具有如抛物线形式的反应阈值界限各反应状态下，具有如抛物线形式的反应阈值界限各反应状态下，具有如抛物线形式的反应阈值界限各反应状态下，具有如抛物线形式的反应阈值界限。3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊 GMGMGMGM模型形式简单，物理意义明确，作为早期的研究模型形式简单，物理意义明确，作为早期的研究模型形式简单，物理意义明确，作为早期的研究模型形式简单，物理意义明确，作为早

45、期的研究成果，具有开创意义。成果，具有开创意义。成果，具有开创意义。成果，具有开创意义。缺点：模型的通用性较差，现在较少使用缺点：模型的通用性较差，现在较少使用缺点：模型的通用性较差，现在较少使用缺点：模型的通用性较差，现在较少使用GMGMGMGM模型，这是因模型，这是因模型，这是因模型，这是因为在确定为在确定为在确定为在确定m m m m和和和和l l l l的过程中存在大量的矛盾之处。造成矛盾的的过程中存在大量的矛盾之处。造成矛盾的的过程中存在大量的矛盾之处。造成矛盾的的过程中存在大量的矛盾之处。造成矛盾的原因可能有两个：原因可能有两个：原因可能有两个：原因可能有两个：跟驰行为非常易于随着

46、交通条件和交通运行状态的跟驰行为非常易于随着交通条件和交通运行状态的跟驰行为非常易于随着交通条件和交通运行状态的跟驰行为非常易于随着交通条件和交通运行状态的变化而变化；变化而变化；变化而变化；变化而变化；大量的研究和试验是在低速度相停停走走的交通运大量的研究和试验是在低速度相停停走走的交通运大量的研究和试验是在低速度相停停走走的交通运大量的研究和试验是在低速度相停停走走的交通运行状态中进行的，而这种状态的交通流不能很好地反行状态中进行的，而这种状态的交通流不能很好地反行状态中进行的，而这种状态的交通流不能很好地反行状态中进行的，而这种状态的交通流不能很好地反映一般的跟驰行为映一般的跟驰行为映一

47、般的跟驰行为映一般的跟驰行为。3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊（2 2）安全距离模型）安全距离模型 模型的基本关系是模型的基本关系是寻找一个特定的跟驰距离。寻找一个特定的跟驰距离。如果前车驾驶员做了一个后车驾驶员意想不到的如果前车驾驶员做了一个后车驾驶员意想不到的动作，当后车与前车之间的跟驰距离小于某个特定的动作，当后车与前车之间的跟驰距离小于某个特定的跟驰距离时，就有可能发生碰撞。跟驰距离时，就有可能发生碰撞。3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.

48、4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊 第一项由两个限制条件合并而成，即期望车速限第一项由两个限制条件合并而成，即期望车速限制和由汽车动力特性决定的加速度限制，当该项对大制和由汽车动力特性决定的加速度限制，当该项对大多数车辆起作用时，交通流处于自由行驶状态；多数车辆起作用时，交通流处于自由行驶状态；第二项是防止碰撞限制，当它起作用时，交通流第二项是防止碰撞限制，当它起作用时，交通流处于拥挤状态。处于拥挤状态。的取值可以

49、在两式之间平滑的取值可以在两式之间平滑地转换。地转换。3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊 安全距离模型在计算机仿真中有着广泛的应用。安全距离模型在计算机仿真中有着广泛的应用。部分原因在于可以用一些对驾驶行为一般感性假设来部分原因在于可以用一些对驾驶行为一般感性假设来标定模型。大多数情况只需知道驾驶员将采用的最大标定模型。大多数情况只需知道驾驶员将采用的最大制动减速度，就能满足整个模型的需要，尽管该模型制动减速度，就能满足整个模型的需要，尽管该模型能够得出可以令人接受的结果，但仍有许多问

50、题有待能够得出可以令人接受的结果，但仍有许多问题有待解决。解决。避免碰撞的假设在模型的建立中是合乎情理的，但避免碰撞的假设在模型的建立中是合乎情理的，但在实际的交通运行中，驾驶员在很多情况下并没有保持在实际的交通运行中，驾驶员在很多情况下并没有保持安全距离行驶。安全距离行驶。3.4.3 车辆跟驰模型简介车辆跟驰模型简介3.4 3.4 3.4 3.4 车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型车辆跟驰模型山东理工大学 张敬磊613.5 3.5 换车道模型换车道模型n车车辆辆跟跟驰驰模模型型与与换换道道模模型型是是微微观观仿仿真真最最重重要要的的2个个模型，换道模型更复杂，更难用数学方法描述；模型，换道