基于MultiGen的高速公路交通流仿真技术研究_郭倩.docx

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1、 Classification code: TP391.9 UDC: 004.9 Confidentiality level: Open University code: 10712 Postgraduate number: S060456 Thesis for Masters Degree Northwest A 占 F University in 2009 THE RESEARCH OF EXPRESSWAY TRANFIC FLOW SIMULATION BASED ON MULTIGEN Major: Computer Application Technology Research f

2、ield: Computer Application based on Web Name of Postgraduate: Guo Qian Adviser: Huang Lin (Professor) Date of submission: May, 2009 Yangling Shaanxi China 研究生学位论文的独创性声明 本人声明：所呈交的学历硕士学位论文是我个人在导师指导下独立进行的研究 工作及取得的研究结果；论文中的研究数据及结果是按学校关于规范西北农林科 技大学研究生学术道德的暂行规定获得的，如果违反此规定，一切后果与法律责任 均由本人承担。 尽我所知，除了文中特别加以标注

3、和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究结果，也不包含其他人和自己本人已获得西北农林科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文的致谢中作了明确的说明并表示了谢意。 本人承诺：我的学历硕士研究生 #屬 所呈交的学历硕士学位论文是在我指导 下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现岗职务工作的结果，并严格按照 学校 关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暫行规定而获得的研究结果。 如果违反学校关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定 ,我必须接 受按学校有关规定的处罚处理并承担相应导师连带责任。 关于其他单

4、位与人员对研究生学位论文使用授权的说明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人未经本论文作者的导师授权，不 得有对本论文进行复制、修改、发行 .出租、改编等侵犯著作权的行为，否则，按 违背中华人民共和国著作权法有关规定处理并追究法律责任， 经本论文作者的导师同意，授权西北农林科技大学可向主管上级有关单位送交 论文的纸质件和电子文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用复印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文；否则，按违背中华人民共和国著作权法有关规 定处理并追究法律责任。 导师指导研究生学位论文的承诺 基于 MultiGen的高速公路交通流仿真技术研究 摘要 随着高速公路规模的扩大和路网系统

5、的不断完善，在高速公路的运行现状中，出现 了许多亟待解决的问题。高速公路上车流运行状况的分析与评价已开始引起高速公路管 理者及道路使用者的广泛关注。 高速公路安全高效的运作依赖于合理的设计、规划和管理，传统的经验实测法和理 论分析方法能解决一些问题，但由于高速公路系统道路和交通条件的复杂性，这些方法 都有其巨大的局限性。交通仿真克服了传统方法的局限，为高速公路的研究提供了一种 新的高效便利的研究手段。交通仿真能直观高效地研究高速公路交通状态，具有节省费 用、安全、快速、研究范围广、可控制、可重复等优点。本文主要对高速公路微观交通 流仿真技术进行了研究，主要研究内容如下： (1) 分析了高速公路

6、各路段（基本路段、匝道、收费站）交通流中驾驶员的交通特 性、车辆的交通 特性、道路的交通特性和车流运行的几种基本状态（自由行驶、跟驰行 驶、车道转换行为）的特点以及车流运行的影响因素。 (2) 利用国外建模软件 MultiGen建立了高速公路三维仿真视景模型；立足于高速公 路微观交通流的计算机仿真，确立了微观交通流各仿真模型，如：发车模型、跟驰模型， 换车道模型，排队模型，匝道合流与分流模型等。 (3) 在模型建立的基础上设计开发高速公路动态交通流仿真系统，利用 VC+编程 工具和MultiGen软件对仿真系统进行了实现，仿真系统由输入模块、仿真模块、输出 模块三个部分构成。 (4) 结合高速

7、公路的实测 数据对仿真数据作了统计分析和效果比较，仿真结果及分 析表明系统仿真结果合理有效，对研究高速公路通行能力，以及解决交通拥挤、交通事 件检测等问题具有重要的实际意义。 通过本文所述的研究工作，基本上完成了交通流模型的实现和高速公路路网的微观 交通流仿真，找到了运用 VC+和 MuWGen对微观交通流进行仿真的方法，并从程序上 实现了微观交通流的三维仿真工作，为今后交通流仿真的继续研究打下了较好的基础。 关键词 ：高速公路；交通流特性；仿真模型；仿真系统 THE RESEARCH OF EXPRESSWAY TRAFFIC FLOW SIMULATION BASED ON MULTIGE

8、N ABSTRACT With the enlargement of the scale of the freeway network system, a lot of new problems appear. The operation conditions of traffic flow have already begun to cause the extensive concern of the circle of domestic and international expressway. To operate the expressway safely and efficientl

9、y depends on rational design, programming and management. The traditional methods such as experience field measurement and theoretical analysis can deal with some issue, but because of the complex traffic condition of the expressway systems, the scope they can manage is highly limited. The traffic s

10、imulation is able to study the complex expressway traffic situation intuitively and efficiently. It has many advantages such as saving costs, safe, rapid, able control, repeated and so on. The main research field of this paper is microcosmic traffic flow simulation, the main research work is as foll

11、ows: (1) The traffic flow characteristic of drivers, cars and roads on some segments (basic segment, ramp, toll station) of expressway, and the basic state of vehicle in running, free driving, follow run, lane changing and its influence are analyzed. (2) A three-dimensional simulation model is set u

12、p with foreign software MultiGen, and the models of microcosmic traffic flow, such as: car send out model, following model, changing driveway model, queuing model, adding and diverting traffic flow model, are established based upon computer simulation of microcosmic traffic flow. (3) The expressway

13、simulation system is designed and developed, this simulation program is complied by VC+ programming language and MultiGen software, the main frame of simulation system is composed by input module, simulation module, and output module. (4) The simulation result data is compared with the actual data m

14、easured in expressway. The result shows that the simulation system is valuable. The study is important for settling the traffic jam, incident and expressway traffic problem. Through the research work of which stated in this paper, microcosmic traffic flow models and its assignment in the net of free

15、way are realized. The method osimulation with VC+ and MultiGen is founded. Traffic flow microcosmic simulation is accomplished with programming. All of this has made a good foundation of continuing the research work of traffic flow simulation in the future. KEYWORDS: expressway, traffic flow charact

16、eristic, simulation model, simulation system 目 录 m-M 绪论 . 1 i.i研究背景 . 1 1.2国内外研究现状 . 1 1.2.1仿真技术研究概况 . 1 1.2.2国外交通流仿真技术研究概况 . 2 1.2.3国内交通流仿真技术研究概况 . 3 1.3仿真开发平台 . 4 1.4研究内容 . 5 1.5论文结构安排 . 6 第二章高速公路交通流特性分析 . 7 2.1高速公路交通流运行特性 . 7 2.1.1高速公路车辆运行特性 . 7 2.1.2高速公路交通流运行特性 . 7 2.1.3影响高速公路车流运行的因素 . 8 2.2高速公路

17、基本路段交通流运行特性 . 8 2.3高速公路匝道口交通流运行特性 . 10 2.3.1入口匝道车辆运行特性 . 10 2.3.2出口匝道车辆运行特性 . 10 2.4高速公路收费站交通流运行特性 . 11 2.5本章小结 . 11 第三章三维仿真模型的建立 . 12 3.1仿真软件简介 . 12 3.1.1 MultiGen Creator 视景建模软件 . 12 3.1.2 MultiGen Vega 视景驱动软件 . 13 3.2仿真模型的建立 . 13 3.2.1道路模型建立 . 14 3.2.2车辆模型建立 . 15 3.2.3背景模型建立 . 16 3.3三维视景驱动 . 16 3

18、.4本章小结 . 17 第四章高速公路交通流数学仿真模型建立 . 18 4.1车辆生成模型 . 18 4.1.1随机数的产生 . 18 4.1.2车型分布 . 19 4.1.3车头时距分布 . 19 4.1.4初始车速分布 . 20 4.1.5驾驶员特性分布 . 20 4.2车量跟驰模型 . 21 4.2.1跟驰行驶 . 22 4.2.2紧急跟驰 . 22 4.2.3减速停车 . 22 4.2.4重新启动 . 22 4.2.5最小反应时间 . 23 4.3换车道模型 . 23 4.3.1强制性换车道模型 . 23 4.3.2判断性换车道模型 . 24 4.4匝道模型 . 27 4.4.1合流模

19、型 . 27 4.4.2分流模型 . 29 4.5收费站服务模型 . 31 4.5.1排队系统分析 . 31 4.5.2本系统排队论模型 . 32 4.6本章小结 . 32 第五章仿真程序设计及实现 . 33 5.1系统开发工具 . 33 5.2系统开发流程 . 33 5.3模拟程序总体设计 . 33 5.3.1模拟对象及模拟内容 . 33 5.3.2模拟系统整体框架 . 33 5.4输入模块 . 34 5.5仿真模块的实现 . 34 5.5.1基于 Vega的仿真驱动的实现 . 35 5.5.2车辆模型 . 36 5.5.3车辆生成模型 . 37 5.5.4车辆跟驰模型 . 37 5.5.5

20、车辆换车道模型 . 38 5.5.6匝道模型 . 38 5.5.7收费站模型 . 39 5.5.8车辆到达消失模块 . 40 5.6输出模块 . 40 5.7本章 小结 . 40 第六章交通流仿真试验数据分析及效果评定 .41 6.1模拟试验 . 41 6.1.1自由流交通状况模拟 . 41 6.1.2稳定流交通状况模拟 . 42 6.1.3拥挤交通状况模拟 . 42 6.2数据分析比较 . 42 6.2.1数据来源 . 43 6.2.2数据分析 . 44 6.3本章小结 . 44 第七章结论与展望 .45 7.1研究成果 . 45 7.2研究展望 . 45 第一章绪论 1. 1研究背景 高速

21、公路是连接大中城市的主干通道，在国民经济的发展中发挥着十分重要的作 用。随着高速公路规模的扩大和路网系统的不断完善，在高速公路的运行现状中，出现 了许多亟待解决的问题：例如各种不同类型、不同运行速度的车辆混合行驶导致车流不 稳定及通行能力下降；交通流量分布不均勻导致个别路段出现交通拥挤，而且个别路段 通行能力尚未充分利用等等 1。如何解决这些问题，保持高速公路良好的通行能力是交 通管理部门面临的巨大挑战。 高速公路交通流特性 是研究通行能力、进行高速公路规划和管理最基本、最关键的 环节。通过对高速公路交通流特性进行研究，对高速公路进行合理的设计、规划和管理， 能够提高路网运输效益，缓解道路交通

22、矛盾，增加交通安全，保障道路畅通。我国高速 公路交通流特性的研究一直是一个薄弱环节，早期交通流特性研究采用的是最基本的方 法，主要是通过对实际道路交通进行观测，根据大量的观测数据建立符合实际交通运行 特性的交通流模型，从而得到道路的通行能力，这种研究方法需要花费大量的人力、物 力和时间。而且得到的交通流模型仅适用于特定的道路条件和交通组成， 针对同一条道 路因交通发展和车辆组成的变化，交通流模型可能不再适用，因此人们需要找到一个能 够对各种道路和交通条件下的交通流运行特性进行研究的途径。 随着计算机技术的发展与成熟，利用计算机技术进行交通流仿真己成为当今研究交 通问题的一种重要手段 2。通过对

23、现场实测的基本数据进行理论推导和抽象建立计算机 仿真模型，从而产生大量的与实测数据相似的仿真数据。采用交通流仿真技术可以通过 虚拟手段建立、研究各种道路结构，对复杂交通系统的整体研究具有很大的优势。在仿 真过程中，只需正确建立符合交通系统真实情况的模型，就可以利用计算机的重复性、 实时性、延续性、易控制等特点，真实地再现各种交通条件下的车流运行状况，模拟未 来或某种特殊道路交通条件下的交通流状况，深入地分析车辆、驾驶员、道路以及交通 流的交通特性，有效地进行道路通行能力、交通规划、交通组织与管理、交通系统运行、 交通能源节约、区域运输流量合理化等方面的研究，大大降低了现场调查的工作量，现 已成

24、为分析各种交通流、检验各种拟定交通设施、制定交通控制方案的有力工具。 1.2国内外研究现状 1.2.1仿真技术研究概 况 仿真技术作为一门独立的科学已有 40年的发展历史，特别是近 20年来，随着计算 技术、软件工程、系统论、人工智能技术的迅速发展，仿真技术越来越广泛地应用于各 1 个领域。仿真结果的表现形式分为数值结果和图形结果，数值结果用于对仿真过程中的 各种数据进行统计和分析，图形结果用于图形演示分析即图形模拟。图形模拟是最生动 的表现形式，并且可以利用它更直观的检验数值结果的可靠性，找出仿真过程中存在的 问题，改进仿真算法中存在的错误 3。 美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界

25、面、后台软件和硬件四个方面。 美国宇航局 （ NASA)研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上，他们大量运用了面 向座舱的飞行模拟技术。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室 (HIT Lab) 进行感觉、知觉、认知和运动控制能力的研究 。 Dave Sims等人研制出虚拟现实撤退模 型来观看系统如何运作。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系 统。美国 Wright-Patterson空军基地的 “3 D图像和计算机图形实验室 ” 是在 SGI4D/400 工作站上建立了空间卫星的虚拟环境来仿真近地空间和描述 3D图形卫星模型环绕地球 轨道的运行状态，使得仿真者对仿真对

26、象信息的把握更加充分 4。 德国 Damastadt的 Fraunhofe计算机图形学研究所开发一种名为 “ 虚拟设计 ” 的组 合工具，可使得图像伴随声音实时显示。德国国家数学与计算机研究中心 (GMD)专门成 立了一个部门，研究虚拟现实表演，冲突检测，装订在箱子中的物体的移动，高速变换 以及运动控制。英国的 Bristol有限公司发现虚拟现实应用的焦点应该集中在软件与整体 综合技术上，该公司将 VIZ分成三大 类别：实际环境检测、虚拟环境控制、虚拟环境显 /J、 日本是当前虚拟视景仿真技术的研究与开发领先的国家之一，主要致力于建立大规 模虚拟现实知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究

27、也做了很多工作。东京技 术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。东京大学的广獭 研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，现在己经有了 4项成果：一个类似 CAVE的系 统、用 HMD在建筑群中漫游、人体测量和飞行仿真器。 我国和一些发达国家相比在该领域还有一定的差距。自 20世纪 50年代开始，我国 在自动控制领 域开始采用仿真技术。 20世纪 70年代，我国训练仿真器获得迅速发展， 我国自行设计的飞行模拟器、舰艇模拟器、火电机组培训仿真系统、化工过程培训仿真 系统、机车培训仿真器、坦克模拟器、汽车模拟器等相继研制成功。 20世纪 90年代， 我国开始对分布交互仿真、虚拟现实

28、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 5。 1.2.2国外交通流仿真技术研究概况 早在 20世纪 40年代，国外就开始了对高速公路交通流仿真的研究。 1951年，由英 国交通道路研究实验室承担的交叉口微观仿真是最早的交通仿真研究项目 。 1953年，洛 杉矶加利福尼亚大学开发了美国第一个交通仿真项目一交叉口和高速公路的仿真模型。 可以说欧洲和美国在这方面发展的最早。随着计算机的发展，以及人们对交通问题的深 2 入研究，仿真技术日益成为研究交通问题的重要手段。许多国家的交通工程师在这方面 做了很多工作，以美国发展得最为成熟。到 80年代初形成了两大类高速公路仿真模型，

29、微观仿真模型和宏观仿真模型。宏观模型对系统实体、行为及相互作用的描述非常粗糙， 例如：以某种集合方式交通流量、速度、密度等展现交通流，假定交通流已被合理地分 配给各车道，不涉及车道变换；微观模型非常细致地描述系统实体和它们之间的相互作 用，例如：微观仿真模型中的车道变换不仅涉及到两个车道间车辆的相互影响，而且涉 及到精细的驾驶员决策行为模拟，能够够将整 个车道变换的操纵过程模拟出来。其中微 观模型有 INTRAS、 FRESIM、 WEAVSIM、 CARSIM 等，宏观模型由 CORQ、 FREQ、 MACK 和 SCOT 等 6。 INTRAS(Integrated Traffic Sim

30、ulationy*91,该模型是美国最为成功的微观交通仿真模 型。起先主要应用于高速公路事件研究及交通控制，到 80年代初该模型已成为能对城 市道路和高速公路进行微观仿真和宏观分析的综合交通仿真系统。当今流行的综合微观 交通仿真软件 TSIS中采用的就是 INTRAS的改进模型。 ?1811()是按结构化设计技术对 INTRAS模型的改进，它可以仿真复杂的高速公 路几何结构，比如车道的増加减少、辅助车道、变化坡度、曲线的超高和不同的半径。 可以说是一个比较完善的高速公路微观仿真模型。 CARSIM， WEAVSIM11P是基于 INTRAS模型之上的，但强调特殊用途 。 CARSIM 提供额外

31、的模拟功能，如在跟驰逻辑上，表现高速公路上车辆停车再启动的过程；而 WEAVSIM则专门用来研究交织区的动态交通流。 FREQ 美国加利福尼亚大学自 1968年开始连续开发 FREQ模型。至今已开发到了 第十代。用来估算特定高速公路上有限进口控制和一般进口控制。最先是用于高速公路 改建评价的，以后每一代都有新的功能。 FREQ主要的弱点是路线选择策略过于简单。 随着计算机的迅猛发展，计算机运行速度和存储空间已不再是仿真模型的主要障 碍。因此，将研究焦点集中在逼近现实，所以微观仿真倍受青睐。研究的主要问题除了 逼真的驾驶行为模型外，还包括对不同模型的集成化和仿真交通流的网络化，如美国 FHWA

32、开发的 TSIS(Traffic Software Integrated System)、 加拿大 的 INTEGRATION 以及 MIT开发的 MITSIM软件都是该研究方向的优秀代表。 国外仿真研究发展较早，也相对成熟。由于经过长时间的发展，这些模型可较好地 描述相应的车辆行为。这些模型的建模方式和考虑因素值得我们学习和借鉴。但是国外 的仿真模型大都根据本国道路、交通状况开发，而我国的道路和交通状况有自己的特点， 因此国外的仿真模型在某些程度上不能很好适应我国的情况。 1.2.3国内交通流仿真技术研究概况 我国交通仿真方面的研究起步稍晚，开始于 20世纪 80年代，并且主要集中在高等 院

33、校等研究机构。目前 我国对高速公路交通流仿真方面的研究主要集中在对交通流模型 3 的研究上，各研究机构主要针对不同的研究目的研发了一系列简单交通状况下的交通流 仿真软件，还没能研发出复杂交通状况下效果逼真的高速公路交通流仿真软件。 早在 1984年，北京工业大学就开始了交通仿真的研究工作，开发出了高速公路基 本路段仿真软件 BESS12，建立了高速公路基本路段的仿真模型，得出了理想条件下， 我国现阶段高速公路基本路段的通行能力值。 同济大学在 20世纪 90年代初，建立了优先控制 T型交叉口车辆运行的仿真模型， 并研制了相应的仿真软件，用来分析不同道路和交通条件对优先控制的 T型交叉口通行 能力的影响；近年来，利用微观仿真对高速公路互通式立交的通行能力及延误进行了研 究，开发了以高速公路匝道控制为研究对象的微观交通仿真软件 MicroSm1 东南大学在交通系统仿真研究方面也取得了一系列的研究成果，例如 20世纪 90年 代中后期进行的城市交通网络研究、城市交通实时模糊控制研究、提出了单路口交通实 时模糊控制方法；另外，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及对通行能力的影响，从微观的