計算機仿真技術(shù)概述與其在交通仿真領(lǐng)域的應(yīng)用

1、計算機仿真技術(shù)簡介計算機仿真技術(shù)是一門綜合性信息技術(shù)，它通過專用軟件，整合圖像、聲音、動畫等，將三維的現(xiàn)實環(huán)境、物體模擬成多維表現(xiàn)形式的計算機仿真，再由數(shù)字媒介作為載體傳播給人們。當(dāng)人們通過該媒體瀏覽觀賞時就如身臨其境一般。并且可以選擇任意角度，觀看任意范圍內(nèi)的場景或選擇觀看物體的任意角度。正是由于對身臨其境的真實感與對超越現(xiàn)實的虛擬性，以及建立個人能夠沉浸其中、超越其上、進出自如、具有交互作用的多維信息系統(tǒng)的追求，推動了計算機仿真技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展。并且，因其有效性、經(jīng)濟性、安全性、直觀性等特點而受到廣泛的應(yīng)用。它是在計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種仿真應(yīng)用技術(shù)。計算機仿真已成為系

2、統(tǒng)仿真的一個重要分支，系統(tǒng)仿真很大程度上指的就是計算機仿真。計算機仿真技術(shù)的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程及計算機工程的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。一方面，控制工程、系統(tǒng)工程的發(fā)展，促進了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用；另一方面，計算機的出現(xiàn)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，又為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了強大的支撐。工業(yè)方面，計算機仿真一直作為一種必不可少的工具，在減少損失、節(jié)約經(jīng)費開支、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要的作用。綜上所述，計算機仿真技術(shù)是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機與各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。它集成

3、了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖象技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術(shù)領(lǐng)域的知識。計算機仿真技術(shù)原理 對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認(rèn)知與處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質(zhì)，又易于被計算機處理的數(shù)學(xué)模型。關(guān)于研究對象、數(shù)學(xué)模型與計算機之間的關(guān)系，可以用圖1來表示。系統(tǒng) 建模 仿真實驗計算機模型 二次建模 圖1數(shù)學(xué)模型將研究對象的實質(zhì)抽象出來，計算機再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對象的某些特質(zhì)，當(dāng)然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的

4、分析，就可以更加清楚的認(rèn)識研究對象。通過這個關(guān)系還可以看出，數(shù)學(xué)建模的精準(zhǔn)程度是決定計算機仿真精度的最關(guān)鍵因素。從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換與模型的仿真實驗。模型的建立:對于所研究的對象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件與約束條件。在這之后，需要利用各種相關(guān)學(xué)科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學(xué)的表達式描述出來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學(xué)模型”。這個模型是進行計算機仿真的核心。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)時間關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型與混合時間動態(tài)模型；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)

5、描述與變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型與離散事件系統(tǒng)模型。模型的轉(zhuǎn)換:所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是對上一步抽象出來的數(shù)學(xué)表達式通過各種適當(dāng)?shù)乃惴ㄅc計算機語言轉(zhuǎn)換成為計算機能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型”。這個模型是進行計算機仿真的關(guān)鍵。實現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以運用現(xiàn)在市場上已有的仿真軟件。模型的仿真實驗:將上一步得到的仿真模型載入計算機，按照預(yù)先設(shè)置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”。具備了上面的條件之后，仿真實驗是一個很容易的事情。但是，應(yīng)該如何來評價這個仿真的結(jié)果呢？這就需要來分析仿真實驗的可靠性。有專

6、家在論文中提出了檢驗仿真結(jié)果可靠性的兩種方法：置信通道法與仿真過程的反向驗證法。現(xiàn)代仿真技術(shù)現(xiàn)代仿真技術(shù)的重要進展主要體現(xiàn)在:(1)系統(tǒng)建模方面:傳統(tǒng)上,多通過實驗辯識來建立系統(tǒng)模型。近十幾年來,在技術(shù)手段上有系統(tǒng)辯識設(shè)計、系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)辯識、系統(tǒng)模型參數(shù)辯識、系統(tǒng)模型檢驗等。除此之外,近年來還提出了用仿真方法確定實際系統(tǒng)模型的方法;基于模型庫的結(jié)構(gòu)化建模方法:面向?qū)ο蠼７椒ǖ取Ｌ貏e是對象建模,可在類庫基礎(chǔ)上實現(xiàn)模型的拼合與重用。(2)仿真建模方面:除了適應(yīng)計算機軟、硬件環(huán)境的發(fā)展而不斷研究新算法與開發(fā)新軟件外,現(xiàn)代仿真技術(shù)采用模型與實驗分離技術(shù),即模型數(shù)據(jù)驅(qū)動。將模型分為參數(shù)模型與參數(shù)值,以

7、便提高仿真的靈活性與運行效率。(3)仿真實驗方面:現(xiàn)代仿真技術(shù)將實驗框架與仿真運行控制區(qū)分開。其中,實驗架用來定義條件,包括模型參數(shù)、輸入變量、觀測變量、初始條件、輸出說明。這樣,當(dāng)需要不同形式的輸出時,不必重新修改仿真模型,甚至不必重新仿真運行。正是由于現(xiàn)代仿真方法學(xué)的建立,特別是模擬可重用性、面向?qū)ο蠓椒ㄅc應(yīng)用集成等新技術(shù)的應(yīng)用,使得仿真、建模與實驗統(tǒng)一到一個集成環(huán)境這中,構(gòu)成一個與諧的人機交互界面。計算機仿真技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用 計算機仿真的用途非常廣泛已經(jīng)滲透到社會的各個領(lǐng)域，不斷促進了各行各業(yè)的發(fā)展，為各行各業(yè)注入了一股新的活力。與我們息息相關(guān)的有交通領(lǐng)域、制造領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、娛樂設(shè)

8、施領(lǐng)域；國家科技層面的有國防科技研究中的模擬場景、體育戰(zhàn)術(shù)演練中的仿真運用等。 交通仿真是計算機仿真技術(shù)在交通工程領(lǐng)域的應(yīng)用。它不僅可以成功地用于傳統(tǒng)交通系統(tǒng)中的交通分析與規(guī)劃，而且可以有效地進行智能交通系統(tǒng) （ Intelligent Transportation Systems，簡稱 ITS）的效果評價。 目前， 交通仿真已成為國際交通工程領(lǐng)域的研究熱點之一。交通仿真技術(shù)的歷史可以追溯到1955年Gedough在Los Angeles California大學(xué)發(fā)表的文章Simulation of freewaytraffic on ageneralpurpose discrete vari

9、able computer)，而城市交通仿真技術(shù)只是在最近20年才得到廣泛的應(yīng)用。具體來說，交通仿真技術(shù)是研究運用現(xiàn)代計算機技術(shù)建立一個能夠代替現(xiàn)實的交通系統(tǒng)的計算機模型的過程，該模型能再現(xiàn)實際交通系統(tǒng)的特性、分析交通系統(tǒng)在各種設(shè)定條件下的可能行為，通過模型仿真試驗的結(jié)果，以尋求現(xiàn)實交通問題的最優(yōu)解、評價運輸設(shè)施各類設(shè)計方案的效果。同時，它還可以為各種交通產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)與性能優(yōu)化提供直接的技術(shù)支持，為說服交通管理決策層采納新的交通理念提供幫助。 自從20世紀(jì)90年代人類研究ITS(IntelligentTransportation System)以來，交通工程取得了突破性的發(fā)展，作為ITS的兩

10、個重要研究內(nèi)容的ATMS(Advanced Transportation Management System)與ATIS(Advanced TransportationInformation System)，其主要任務(wù)分別是研究交通信號的控制與交通路徑的誘導(dǎo)，研究方法也涉及到模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法等各種智能技術(shù)，采取的方案也多種多樣。方案尋優(yōu)的方法主要有現(xiàn)場試驗與計算機仿真?，F(xiàn)場試驗法要求測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備基本實現(xiàn)，代價昂貴，而且在某些情況下還存在危險性，甚至達不到目的。比如，不可能僅僅為了檢驗?zāi)撤N交通管理系統(tǒng)的控制機制而產(chǎn)生具有特定狀態(tài)的交通流，試驗中可能會發(fā)生交通事故等；

11、而計算機交通仿真提供了一個較為接近真實城市交通狀況的仿真平臺與試驗場景，不僅能夠節(jié)約大量的資金，而且具有可重復(fù)性，是一種交通方案尋優(yōu)的極好選擇。交通仿真的研究概況國外交通仿真研究憑借其先進的計算機技術(shù)取得了卓有成效的工作，縱觀其發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。1、起步階段，20世紀(jì)60年代是國外交通仿真的起步階段，這一階段的工作主要以優(yōu)化城市道路交通信號控制為主要目的，其最具代表性的當(dāng)屬英國道路與交通研究所(TRRL)的DL羅伯遜于1967年開發(fā)的道路交通流仿真軟件TRANSYT，它主要用于確定定時交通信號參數(shù)的最優(yōu)值；Gerlough在1963年建立的用于道路網(wǎng)絡(luò)信號配置的TRANS模型；

12、美國聯(lián)邦公路局(FHWA)19561966年研制的SIGOP仿真系統(tǒng)。但是，這些模型由于受到當(dāng)時計算機發(fā)展水平的影響，仿真效果并不是很理想；2、迅速發(fā)展階段，20世紀(jì)7080年代，由于計算機的迅速發(fā)展，計算機仿真模型精度的提高，交通仿真模型也得到了較大的發(fā)展。這期間的典型代表是美國聯(lián)邦公路局開發(fā)的描述單個車輛運動、應(yīng)用時間掃描法的網(wǎng)絡(luò)微觀交通仿真模型，即TRAFNETSIM模型；1971年，EBLieferman建立了用以描述個別車輛運動的UTCS1模型；1974年，日本科學(xué)警察研究所開發(fā)了MISTRAN模型，用以研究左右轉(zhuǎn)車輛與橫穿道路的步行者之間的相互影響；1976年，英國利茲大學(xué)開發(fā)了用

13、于平面交叉口交通信號控制的SATURN宏觀模型。3、成熟階段，20世紀(jì)80年代末以后，隨著計算機軟件開發(fā)技術(shù)的進步以及世界各國研究ITS的熱潮的到來，出現(xiàn)了大批以評價ITS效益的仿真軟件，并逐漸的形成商品化。典型代表如表1所示。表1 典型交通仿真軟件國外典型仿真軟件簡介CORSIM:CORSIM是由美國聯(lián)邦公路局(FHWA)開發(fā)的、綜合了兩個微觀仿真模型(用于城市的NETSIM與用于高速公路的FI SIM)，能夠仿真城市道路與高速公路的交通流。CORSIM的目標(biāo)是交通系統(tǒng)管理的開發(fā)與評價。它是一個能夠真實再現(xiàn)動態(tài)交通的隨機交通仿真模型，有先進的跟車模型與車道變換模型，以ls為間隔模擬車輛的運動

14、。CORSIM提供便于用戶觀察仿真結(jié)果的動畫顯示。1997年，F(xiàn)HWA發(fā)行了一個加強版，大大增強了ITS的仿真，稱為TREPGS，主要加強了對高速公路、干線、交叉口、各種車型(小汽車、公交車、貨車)、控制策略的模擬。CORSIM主要的缺點在于缺少分配算法，這使得評價匝道控制、事故與出行者信息引起的交通量轉(zhuǎn)移難以進行。CORSIM模型用于國內(nèi)交通狀況的研究也逐漸展開。PARAMICS:PARAMICS(PARAllel MICroscopic Simulator)是蘇格蘭Quadstoue公司的微觀交通仿真產(chǎn)品。由于采用了并行計算技術(shù)，PARAMICS不僅可以對大規(guī)模的路網(wǎng)進行仿真，而且在仿真I

15、TS基礎(chǔ)設(shè)施與擁擠道路網(wǎng)方面有突出表現(xiàn)。PARAMICS主要由5個主要工具模塊組成，分別是建模工具(Modeller)、處理工具(Processor)、分析工具(Analyser)、編程工(Programmer)與監(jiān)視工(Monitor)，在新近發(fā)布的版本中增加了反估工具(Estimator)。其中建模工具是整個系統(tǒng)的核心，主要用來建立交通路網(wǎng)，提供3維交通仿真與統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸出，并均支持直觀的圖形界面；而編程工具則為用戶提供了基于C+的應(yīng)用程序接口(API)，用戶可以通過系統(tǒng)提供的接口函數(shù)來添加ITS子系統(tǒng)與交通管理措施的算法或定義其他一些特殊的控制策略，描述它們對路網(wǎng)中用戶的駕駛行為的影響，形

16、成應(yīng)用程序模塊并嵌入仿真當(dāng)中，從而對這些交通管理與控制策略進行設(shè)計與測試。目前在PARAMIcs的編程工具中可以提供4大類約700個左右的接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用。VISSIM:VISSIM是德國P7公司的產(chǎn)品，它是一個離散的、隨機的、以100s為時間步長的微觀仿真模型。車輛的縱向運動采用心理一物理跟馳模型(psychophysical carfollowingmodel)，橫向運動(車道變換)則采用基于規(guī)則(rulebased)的算法不同駕駛員行為的模擬分為保守型與冒險型。VISSIM提供了圖形化的界面，用2D與3D動畫向用戶直觀顯示車輛運動，運用動態(tài)交通分配進行路徑選擇。VISSIM能夠模擬

17、許多城市內(nèi)與非城市內(nèi)的交通狀況，特別適合模擬。國內(nèi)交通仿真研究由于受諸多因素的影響，上世紀(jì)90年代之后才逐漸發(fā)展起來。目前看來，研究單位大多集中于高等院校與一些科研機構(gòu)，主要有同濟大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)、山東大學(xué)、清華大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、北方交通大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、交通部公路科學(xué)研究所等。具體的仿真成果大致有：同濟大學(xué)的鄒智軍、楊東援開發(fā)的TJTS；浙江大學(xué)的王曉薇、李平研究的城域混合交通流仿真系統(tǒng)的人機界面設(shè)計實現(xiàn)；同濟大學(xué)的鐘邦秀、楊曉光建立了面向?qū)ο笪⒂^交通仿真系統(tǒng)；山東大學(xué)賈磊、彭勃等建立的城市交通仿真系統(tǒng)(UTSS)；清華大學(xué)的婁明、張毅研究的

18、基于Java3D技術(shù)的虛擬車輛仿真系統(tǒng)；北京工業(yè)大學(xué)的榮建、向懷坤、馮天科研究的基于GIS的城市快速路交通仿真模型研究；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫晉文對基于Agent的智能交通控制策略與可視化動態(tài)仿真進行了研究等。國內(nèi)仿真模型所使用的大多是面向?qū)ο缶幊痰挠嬎銠C語言，具體而言所使用的開發(fā)環(huán)境主要有Visual StudioNET、VC+、Delphi+、JBuilder等。在2014年3月29日下午在京舉行的“交通7+1論壇”第三十四次會議以“動態(tài)交通仿真理論應(yīng)用與發(fā)展”將動態(tài)交通仿真列入我國交通研究主要議題，來自國務(wù)院參事、中國交通運輸系統(tǒng)工程學(xué)會、中國工程院、中國智能交通協(xié)會、清華大學(xué)、北京交通大學(xué)、

19、地方政府企業(yè)以及學(xué)術(shù)界的專家領(lǐng)導(dǎo)等齊聚一堂，共同探討了如何把仿真的理論能夠在交通系統(tǒng)當(dāng)中，在智能交通大的范疇中得到應(yīng)用與發(fā)展。在2014年12月27日下午舉行的第三十七次會議中又把大數(shù)據(jù)與交通聯(lián)系起來。我國的交通仿真的核心技術(shù)與產(chǎn)品處于比較落后的狀態(tài)，尤其是自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品是稀缺的，目前主要是引進多種國外交通仿真軟件，并且進行應(yīng)用，而引進的軟件大多數(shù)根據(jù)所在國家當(dāng)?shù)氐慕煌l件所研發(fā)的，他們默認(rèn)的參數(shù)都反映當(dāng)?shù)氐慕煌ǖ奶匦?，而中國道路條件與他們國家卻有著很大的區(qū)別因此在應(yīng)用的時候，非常有必要對這些軟件模型做具體適應(yīng)性的調(diào)整與校驗，而隨著交通管理及新的交通信息感知技術(shù)的發(fā)展，交通檢測器布設(shè)不斷增

20、加，交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)規(guī)模急劇加大，在這樣大數(shù)據(jù)的時代背景下，如何立足國情，運用新技術(shù)手段構(gòu)建具有中國特色的道路交通仿真技術(shù)體系，將是我國智能交通發(fā)展的一個重要的方向。第一、如何持續(xù)提升交通感知智能水平，加強交通大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，創(chuàng)新交通調(diào)查與分析技術(shù)數(shù)據(jù)是交通仿真前提與基礎(chǔ)，目前微波、線圈、GPS、車牌記錄等作為基礎(chǔ)的交通流檢測數(shù)據(jù)，視頻交通監(jiān)控數(shù)據(jù)、移動終端感知數(shù)據(jù)，以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與服務(wù)數(shù)據(jù)等，共同構(gòu)成了海量交通數(shù)據(jù)，交通相關(guān)的量級從TB躍升到PB級別，而交通大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，對于傳統(tǒng)的交通仿真系統(tǒng)帶來重大變化比如說利用傳統(tǒng)的方法，一個城市的OD調(diào)查往往需要幾百人好幾個月挨家挨戶訪問填寫調(diào)查問卷，統(tǒng)計分析，耗費巨大的人力物力，也只能獲得部分抽樣的數(shù)據(jù)，調(diào)查分析的精度未如人意，如今基于手機基站的數(shù)據(jù)，這項工作可能只需要一臺服務(wù)器，在幾個小時就能準(zhǔn)確計算完成，這種變化是革命性的，體現(xiàn)交通大數(shù)據(jù)分析的力量所在因此基于交通大數(shù)據(jù)，創(chuàng)新交通調(diào)查與分析技術(shù)手段，開展在線實時仿真技術(shù)的研究，是今后重要的工作方向。 第二，如何開發(fā)自主創(chuàng)新，適合中國國情的交通仿真軟件，形成中國道路交通仿真技術(shù)體系我國在交通仿真核心技術(shù)方面是比較落后的，還沒有形成商業(yè)化的軟件產(chǎn)品，交通仿真技術(shù)體系還沒有建立起來我國的混合交通特征明顯，有別于歐美等國家，司機駕駛行為與公眾的交通行為也與國外有著很大的