交通模擬

交通模擬的作用在於對現有系統或未來系統的交通運行狀況進行再現或預先把握，從而對複雜的交通現象進行解釋、分析、找出問題的癥結，最終對所研究的交通系統進行優化。

與傳統的交通分析技術相比，交通模擬技術的優點在於：

1．模型機制的靈活性和柔軟性

模擬模型對系統內各基本要素的變化規律及相互作用關係的描述與系統的實際運行過程緊密對應，具有靈活性和柔軟性較強的模型機制。

2．模型描述的準確性和靈活性

微觀模擬模型以交通系統最基本的要素，如單個的車輛、車道、信號燈等為建模單元，因而能準確、靈活地反映各種道路和交通條件的影響。

3．交通分析的開放性

藉助於計算機技術，通過良好的用戶輸入輸出界面，模型的運算結果可方便地與用戶交互，增強了模型應用的實用性和方便性。

4．強大的路網動態交通狀態描述功能

交通模擬技術可有效地體現交通流的隨機因素，按設想要求實現對動態交通狀況的重現，從而大大降低了現場試驗要求。

交通模擬一般由模擬對象、模擬建模、模擬編程、模擬實驗及模擬結果組成。

1．模擬對象

交通模擬的對象為道路交通系統，是一個隨機的、動態的、複雜的、開放的系統，涉及人、車、路及環境等諸多方面。

2．模擬建模

交通模擬以道路交通系統中相對獨立的實體或行為進行建模，描述各實體的行為及相互作用。

3．模擬編程

模擬程序的編製通常採用兩種類型的編程語言，一種是通用高級編程語言，如FORTRAN、PASCAL、C等；一種是專用模擬語言，如由FORTRAN演變而來的SI。MSCRIPT和SLAM，由ALGOL演化而來的SIMULA等。專用模擬語言將一些系統模擬中常見的工作製成了函數，使編程工作簡化，但也存在許多限制。相反，通用編程語言雖然要花費一定的時間去學習，編程工作量較大，但它能提供專用模擬語言所缺乏的靈活性和功能。

4．模擬實驗

交通模擬技術常常用來對不同的道路新建或改建方案進行評價和比選，這就要求模擬實驗過程反覆提供同樣的交通條件和環境條件，檢驗方案在同等條件下的運行狀況。

5．模擬結果

通過交通模擬最終得到所需的結果，但交通模擬若處理不當會造成“失真”。因此需要注意在模擬實驗開始前對模型進行標定，並在模擬實驗完成後對模型進行有效性檢驗。

根據交通模擬模型對研究對象描述程度的不同，可以分為微觀模擬、中觀模擬、宏觀模擬和交通規劃模擬。

(1)微觀交通模擬

其對交通系統的要素及行為的細節描述程度最高。例如，微觀交通模擬模型對交通流的描述是以單個車輛為基本單元的，車輛在道路上的跟車、超車及車道變換等微觀行為都能得到較真實的反映。

(2)中觀交通模擬

對交通系統的要素及行為的細節描述程度較高。例如，中觀交通模擬模型對交通流的描述往往是以若干輛車構成的隊列為單元的，能夠描述隊列在路段和節點的流入流出行為，對車輛的車道變換之類的行為也可以用簡單的方式近似描述。中觀交通流模型一般採用隊列模型為基礎，常見的有DYNASMART模型、FASTLAN模型和DTAsQ模型。此外，中艦交通流模型比較適合進行分散式并行計算。

(3)宏觀變通模擬

對交通系統的要素及行為的細節描述處於一個較低的程度。例如，交通流可以通過流量、速度、密度關係等一些集聚性的宏觀模型來描述。對於車輛的車道變換之類的細節行為不描述。

(4)交通規劃模擬

基於交通規劃模型，對區域內出行者的出行行為進行模擬，用以評價現狀和規劃的道路網路、公交線網的總體性能。

交通模擬本身是一個複雜的系統工程。它包括問題分析、模型建立、數據採集、程序編製、模擬運行、輸出結果處理等過程，必須按一定的程序和步驟進行。

其包括11個基本步驟，對此將在下面分別進行討論。需要注意的是，這11個基本步驟不是一成不變的。

1．明確問題

交通模擬的第一個步驟是對擬要研究的問題進行詳細的了解和描述，明確研究目的，劃定系統的範圍和邊界，以便對各種交通分析技術的適應性作出判斷。

2．確定模擬方法的適用性

這一步工作的核心是確定在各種交通系統分析技術中，系統模擬對於所討論問題是最適宜的方法。

3．問題的系統化

構造一個模擬模型的第一級流程圖，其中包括輸入、處理、輸出三個組成部分，特別要對輸入和輸出進行詳盡的說明，以便下一步的數據收集和處理。輸入數據包括交通設施設計參數、交通需求方式、運行規則、控制類型、環境條件等。而輸出數據則依賴於所討論問題的類型，通常包括行程時間、延誤、排隊長度、停車次數、交通事故、燃油消耗、尾氣污染、交通雜訊等。

4．數據的收集和處理

根據輸入和輸出要求收集和處理所需的數據，應當制定觀測計劃，確保滿足最小樣本量要求，以便對模型進行標定和有效性檢驗。接下來是對所收集的數據進行處理，使之符合模擬模型的需要。數據處理通常包括計算均值和方差、確定分佈形式和相互關係、進行回歸分析和單位轉換等。

5．建立數學模型

建立數學模型是系統模擬中最關鍵的一步，通常採用自上而下循序漸進的方法進行。以前面提到的第一級流程圖出發，將注意力放在連接輸入和輸出的處理過程上，建立第二級流程圖，確定構成處理過程的主要模塊及其相互關係，以及每一模塊的輸入和輸出。然後，建立第三級流程圖，對每一個模塊的功能進行詳細的描述。

6．參數估計

模型中的參數有兩種基本類型，即確定型和隨機型。確定型參數可以是常數，也可以根據系統狀態的不同，對應於一組常數中的某個值，或者按某種回歸規律在一定範圍內連續變化的值。對於隨機型參數，除給出它的均值和方差外，還要指出其分佈形式。

7．模型評價

首先，確定流程中是否出現中斷或迴路、檢驗數據輸入的適應性和取值範圍、檢驗最終的和中間的輸出結果的合理性。

其次，檢查是否有必要增加、刪除或改變一些變數；是否有必要修正一些確定型或隨機型參數；是否有必要對模型的結構進行修改等。如果僅僅是需要修正某些變數或參數，則相對來說要簡單，而一旦模型本身被拒絕，則需要返回前面的第三或第五個步驟，有時甚至返回第二個步驟，以至於可能放棄系統模擬方法。

8．編製程序

一旦所建的模型被接受，便可著手編製計算機程序。這步工作中最重要的一點是對編程語言和計算機設備的選擇。應考慮的因素有：開發人員對各種編程語言包括通用高級語言和專用模擬語言的熟悉程度、計算機編輯器的能力、模型的特徵與模擬語言的相容性、模擬程序的可擴展性等。如果所編製的程序將推廣應用，例如作為商業軟體出售，則要考慮留出修改和擴充的餘地，同時還要加入必要的註釋。

9．模型確認

模型確認包括三項內容，即模型校核、模型標定和有效性檢驗。

(1)模型校核：確認程序代碼所執行的正是流程圖所規定的任務。

(2)模型標定：以現場觀測數據作為輸入，檢驗輸出結果是否與實際的觀測結果相吻合，檢驗的重點為輸入變數。

(3)有效性檢驗：將其餘未使用的現場觀測數據輸入模擬程序，並將計算結果與相應的觀測結果進行比較。輸出結果與實際觀測之間的差異表明了整個模擬程序在所檢驗條件下的誤差。誤差可接受，說明模擬程序是可用的，否則就要重新進行標定和有效性檢驗。

10．實驗設計

實驗設計指的是制定一個詳細的實驗方案，通常包括如下內容：

(1)選擇控制變數。

(2)確定每個控制變數的限制條件或邊界條件。

(3)確定每個控制變數的步長。

(4)確定控制變數的層次結構，可考慮先改變初級控制變數，而保持次級變數為常數。

(5)如何通過模擬程序中的循環語句自動改變初級控制變數的取值。

(6)如何通過模擬程序中的搜索子程序自動確定最佳條件。

11．模擬結果分析

這一步驟包括三項工作內容，即模擬運行、結果分析和形成文檔。

模擬運行：詳細記錄過程，同時對輸出結果加以辨識標記，以便於對其進行分析。

結果分析：發現模擬程序中的缺陷，可能還要藉助輔助程序輸出圖形，對模擬結果進行統計檢驗，或生成文本文件。

形成文檔：一個完善的模擬軟體，應當具備齊全的文檔，包括用戶使用手冊和技術文檔。

交通模擬技術作為一種交通分析工具，已經滲透到交通工程領域的方方面面。其應用領域主要包括：

1．在交通工程理論研究中的應用

模擬軟體在交通工程理論研究中的應用主要集中在交通流理論方面。如美國HCS（Highway Capacity Software）軟體系統由美國交通運輸研究委員會（冊）研製開發，與美國《道路通行能力手冊》（HCM）配套使用。該軟體由交叉口、幹道、公路網等模塊組成。數據輸入包括交通設施幾何參數（車道數和車道寬度等）及交通和道路條件（交通流量、自由流速度、地形條件、道路等級、橫向干擾、大車混入率等）；輸出結果為各種交通設施通行能力及其相應服務水平和相關圖表。HCS系統軟體為美國道路運輸與交通工程設計、規劃與控制提供了良好的服務，發揮了巨大的效用。

2．在道路幾何設計方案評價分析中的應用

模擬軟體通過提供一個3D平台，可以供設計者在計算機中觀看、檢查所設計道路的實際效果，及時發現設計方案的缺陷和局限性，並進行修改或調整。這樣，在設計中可以及時發現和避免一些線形設計上的問題。

3．在交通管理系統設計方案評價分析中的應用

交通模擬軟體提供一個將道路和交通設計有機結合在一起的靈活的試驗平台，可以直觀地提供各種交通設計的實施效果，並可以計算方案實施中的各種交通流參數。如德國的VISSIM模擬軟體，該軟體可以提供諸如延誤、行程車速、地點車速、流量、密度等一系列可用於定量評價交通設計效果的指標。

4．在道路交通安全分析中的應用

利用模擬軟體提供的直觀的圖形界面，設計者可以通過運行模擬軟體來檢查道路各個部分上的交通隱患，尤其是在信號設計中，可以直觀地通過查看是否有車輛在通過交叉口時發生衝突，以此來評價信號配時方案是否保證了交叉口的通行安全。在交通安全與事故分析中，模擬模型可“再現”交通事故發生的全過程，是分析事故成因、制定交通安全保障措施的有力工具。

5．在交通新技術和新設想測試中的應用

交通模擬軟體提供了一個有效的、直觀的模擬試驗平台，各種新的交通技術和設想都可以在這個平台上進行試驗；而以往這種新技術、新方法需通過費用高昂的真實試驗來驗證，而且由於實地觀測和採集數據的困難，有時並不能全面地考察和評價這些新技術的優缺點。

6．在智能交通系統ITS中的應用

交通模擬模型是ITS中進行交通分析的重要手段和方法，但並非所有的模擬模型都適用於ITS的分析。一般而言，面向ITS的模擬模型需要滿足以下條件：

(1)清晰地表現路網的幾何形狀，包括交通設施，如信號燈、車檢器等；

(2)清晰地表現駕駛員的行為；

(3)清晰地表現車輛問的相互作用，如跟車、車道變換時的相互作用；

(4)清晰地表現交通控制策略（定周期、自適應、匝道控制等）；

(5)模擬先進的交通管理策略，如採用可變信息標誌提供的路徑重定向、速度控制和車道控制等；

(6)提供與外部實時應用程序交互的介面；

(7)模擬動態車輛誘導，再現被誘導車輛和交通中心的信息交換；

(8)應用於一般化的路網，包括城市道路和城市間的高速公路；

(9)細緻地模擬路網交通流的狀況，例如交通需求的變化，模擬交通設施的功能；

(10)模擬公共交通；

(11)提供結果分析的工具；

(12)提供圖形化的交互界面（GUI）。