交通仿真技术在交通工程学中的应用研究

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摘要：城市建设不断发展，现有的交通资源已经越来越不能够满通需求的增长，针对当前严峻的形势，交通管理部门首先采用交通仿真技术来模拟道路上的交通流状况。该研究首先具体介绍了三种仿真软件VISSIM、Synchro、TSIS，并利用这三种软件对扬州市一个城市交叉口进行仿真研究，根据相关指标对这三种软件进行比较，并且与理论计算值进行对比，找出最接近真实情况的仿真软件，综合各方面的结果显示，VISSIM仿真最为接近现实，文章最后再对仿真技术的发展前景进行展望。

关键词：模拟；交通仿真技术；城市交叉口

简介：陈秋香，女，硕士研究生，研究方向为道路交通网络

1.研究背景

随着城市建设不断发展和交通需求的持续增长，路网通行能力越来越不能够满通增长的需要，由此造成的交通拥挤、堵塞、事故不断等已问题严重影响到人们的生活，不仅导致了社会问题和环境问题，也严重制约了经济的发展[1、2]。针对这些问题，交通部门正寻求一种有效的方法来缓解这种紧张的交通局面，在找到合适的方法之前，如何真实的反映道路上的交通流状况又成了必须首先的解决的问题，于是有关人士将目标锁定在了交通仿真技术上。本文重点介绍三种微观交通仿真软件，分别是德国PTV公司开发的VISSIM，美国Trafficware公司开发的Synchro，以及美国联邦公路局(FHWA)开发的TSIS仿真软件，在此基础之上，利用这三种仿真软件进行实例仿真并分析其结果，最后对三种仿真软件的前景进行展望。

2.三种仿真软件的简介

VISSIM软件是德国PTV公司的产品，它是一种离散的、随机的、以s为时间步长的微观仿真软件。车辆的纵向运动采用了Wiedemann于1974年建立的心理―生理跟车模型，该模型的基本思路是：一旦后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理（安全）距离时，后车驾驶员开始减速。由于后车驾驶员无法准确判断前车车速，后车车速会在一段时间内低于前车车速，直到前后车间的距离达到另一个心理（安全）距离时，后车驾驶员开始缓慢地加速，由此周而复始，形成一个加速、减速的循环迭代的过程。横向运动（车道变换 ）采用了基于规则的算法。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。VISSIM软件提供了图形化的界面，采用2D和3D动画向用户直观显示车辆运动状态，应用动态交通分配进行路径选择。该软件系统内部由交通仿真器和信号状态发生器两大程序组成，它们之间通过接口来交换检测器的呼叫和信号状态[4]。

Synchro是美国Trafficware公司根据美国交通部标准HCM规范研发的，该标准中的参数是根据汽车性能、驾驶员的行为习惯、交通法规等设定的，计算得出的某些结果(如延误时间、服务水平、废气排放等)，作为方案比较的相对参数，具有重要参考价值，信号配时也非常合理[5]。

TSIS（Traffic Software Integrated System）是最早的基于窗口的微观交通仿真系统，该仿真模型综合了应用于高速公路连续流仿真的FRESIM和用于城市间断流仿真的NETSIM的特点。它一个大型的集成化的交通仿真工具箱，目前的版本可以在Windows 95、Windows98、Windows NT4.0、Windows2000 系统下运行。TSIS适用于信号控制的城市道路、高速公路，或者由信号系统与高速公路所组成的更复杂的路网系统。与其他仿真软件相比，它能够模拟各种交通条件下的诸多细节问题[6]。

3.实例概况以及理论计算结果

此次研究采用扬州市邗江区开发西路与邗江中路交叉口为实例进行交通仿真软件的应用，从而进行几种仿真软件的对比分析。

该交叉口地处扬州市邗江区，其北面三百米处是扬州市汽车西站，其余三个方向均为各个企业以及工厂。该交叉口有公交车37路、30路、39路、16路、18路经过，每10―15分钟发一班车。此处行人极少，因此在调查时忽略这一影响因素。信号灯采用定时控制，分为两个相位，周期为68秒，其中绿灯时长31秒，黄灯时长3秒，红灯时长34秒。

另外，经过调查，南进口道以及北进口道处限速50km/h，以及设置了禁止低速货车和电动三轮车通行的标志。东西进口道为两车道，分别为直左、直右方向，其中西进口直右车道宽度为3.9米，直左车道宽度3.75米，东进口两条车道均为3.7米。南北进口道为四车道，两条直行，一条左转，一条右转，各车道宽度为3米，其中左转专用车道为拓宽车道，各进口道与出口道之间并没有分隔带，而是以双黄标线隔离。

4.实例仿真结果分析

通过对邗江中路与开发西路交叉口的数据分析分别建立路网模型，对仿真结果进行分析，选取排队长度、延误时间以及服务水平三个指标来进行比较。

1）排队长度。作为衡量交叉口通行能力的主要参数，在交通仿真中三种软件都能对四个进口道的排队长度进行检测，现取最大排队长度对仿真结果分析如下：

从结果看出，Synchro对于单点交叉口的最大排队长度与观察所得的现状更为接近，主要在于VISSIM虽然定义了车辆行驶的道路，却少考虑了各个车辆间的干扰，而Synchro在车辆间的干扰方面比VISSIM设定更为细致，因此对于单点交叉口更能反映出实际情况，另外由于TSIS模拟仿真时，未将公交车与货车等车辆分开，导致所有的大车都变成公交车辆，因此在港湾式停靠站时，比实际公交数量多，产生更大程度的道路拥挤，也使得排队长度进一步变大。

2）延误时间。在延误时间参数上VISSIM是根据设定的行程时间检测区段来统计延误的，与Synchro一样，既可以统计每个进口道的延误，也能反映出每条车道的延误，为了便于与TSIS比较，于是采用整个交叉口的延误作为评价指标。

从结果得知，VISSIM与Synchro仿真结果与理论计算结果相差不大，而TSIS的输出结果则相差较大，分析原因同最大排队长度的形成因素，最终才使得总延误时间偏大。

3）服务水平。在服务水平方面，Synchro能更为直接的得出该数值，而TSIS与VISSIM都需要统计大量数据得到。Synchro的输出结果为该交叉口饱和度为0.79，交叉口服务水平为B，VISSIM统计得到的数据也可得出交叉口服务水平为B，与实际情况接近，而TSIS统计数据后得到服务水平为D，与实际相差较大。

综上所述，对于单点交叉口，在交通量不大、服务水平较高的情况下，Synchro与VISSIM的仿真结果相差不是太大，与实际情况也相对来说比较吻合，而TSIS的仿真结果较易失真，综合各方面来看，最接近交叉口真实情况的为VISSIM软件。

5.前景展望

对于交通仿真技术的研究是智能交通研究的课题之一，当前国内外对于交通仿真的研究开展的很多，也发展到了一定的程度[9]。然而伴随着对交通问题的深入了解及对其核心内容的把握，研究的重点在不断强化，在本文对VISSIM、Synchro和TSIS三个仿真软件进行研究的过程中，发现有些方面还需要改善：

1）必须要研究符合我国国情的交通仿真软件。现在比较流行的用的比较多的仿真软件都是国外研究的成果，而这些仿真都是建立在对国外交通流状况的研究基础上，并不能真实的反映我国道路的车流运行情况，因此研究出一款专属于我国的仿真软件已经刻不容缓。

2）应对各种仿真软件进一步优化。通过对实际交通流的调查以及研究、对系统的准确性进一步定义，精确建立仿真参数校正体系，对仿真系统进一步优化，从而得到较真实的交通流状况。

3）目前的仿真软件缺乏对非机动车的研究。在国外道路交通是以机动车为主，而我国的交通属于混杂交通，除了机动车外非机动车作为交通工具上已经占了很大的比例，而仅仅对机动车进行仿真并不准确，因此在下一步研究中应加大对非机动车同机动车相互影响的分析，同时需要建立他们之间的影响模型[3、10]。

再者，通过此次对交叉口进行的仿真，再一次见证了交通仿真软件的作用巨大，尤其是VISSIM，这款软件不管在路网构建、流量动态分配方面都比其他两个软件都完善许多，虽然还会有一些小缺点，但总的来说，已经相当实用，相信这款软件以后会有很好的发展。

近年来，计算机技术也已经快速发展，再加上交通研究方面的人才也是越来越多，将这两方面结合起来就能开发出越来越好的交通仿真软件，不管是在宏观、中观还是微观模型仿真方面，这都将大大有利于交通学科的发展，也能更好的为解决城市道路拥堵、降低事故发生率等方面以及为高速公路、城市道路的正常运行作出更大的贡献。

参考文献：

[1]魏明,杨方廷,曹正清.交通仿真的发展及研究现状[J].系统仿真学报,2003

[2]张国华.微观交通工程技术在城市交通改善中的应用探讨[J].技术与方法,2001

[3]裴玉龙,张亚平.道路交通系统仿真[M].北京:人民交通出版社,2004

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。