VISSIM-仿真课讲稿

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1、微观仿真软件VISSIM操作及应用微观仿真的基本原理1.概述v微观交通仿真把每辆车作为一个研究对象，对所有个体车辆都进行标识和定位。v微观交通仿真能模拟出短时段内交通流的波动情况。v跟驰模型、超车模型及变换车道模型是微观仿真的基本模型。v用于研究交通流与局部的道路设施的相互影响（如车道划分、道路宽度、弯道、坡度及公交站的设置等），也用于交通控制仿真（如交通信号灯控制、让路停车等）。v微观仿真模型的重要参数是每辆车的速度和位置。v2.交通流微观仿真系统的功能要求 v能够建立和处理不同形式的路网，清晰地表现路网的 几何形状，包括交通设施，如信号灯，车辆检测器等；v能够产生进入路网的不同种类的车辆以

2、及车长、初速 度等，获得交通流的各种统计数据；v能够处理车辆在路网上的运行情况，准确地反映出车辆 间的相互作用，如跟驰、车道变换时的相互作用，以及 驾驶员的行为；v能够处理网络内部对车流产生影响的发生点和吸纳点v能够跟踪路网内行驶的任何一辆车，真实地模拟交通控 制策略（定周期、自适应、匝道控制等）；v 能够提供与外部应用程序交互的接口；v 能够模拟动态车辆诱导，再现被诱导车辆和交通中心的信息交换；v 能够应用于一般的路网，包括城市道路和城市间的高速公路；v 能够仿真路网交通流的状况，如交通需求的变化等；v 能够模拟公共交通；v 提供结果分析的工具和图形化的交互界面。3.仿真模型仿真模型微观交通

3、仿真模型基本上由两大部分组成：v一部分是路网几何形状的精确描述，包括信号灯、检测器、可变信息标示等交通设施。v另一部分是每辆车动态交通行为的精确模拟，这种模拟要考虑驾驶员的行为并根据车型加以区分。微观交通仿真模型的基本构成v车辆行驶行为模型v交通控制状态模型v交通管理状态模型v道路几何状态模型v车辆行驶行为模型通过对车辆在各种约束条件下行驶行为的描述来反映路网的交通状态，是模型体系的核心。v后三者侧重于对各类方案的描述，并确定车辆行驶行为模型的约束条件。车辆的生成与到达v车辆的到达在某种程度上具有随机性，统计规律可用车头时距的分布来描述v当描述有充分超车机会的单列车流和密度不大的多列车流的车头

4、时距分布时，常选用负指数分布 P（ht t）=exp（-Qt/3600）v描述不能超车的单列车流的车头时距分布和车流量低的车流的车头时距分布时，常选用移位的负指数分布 P（ht）=exp-(t-)t v随机产生车辆与司机:爱尔朗分布 v当阶数k=1时，爱尔朗分布便化为指数分布，可看成是完全随机的；当k增大时，爱尔朗分布的图形逐渐变成对称的；当k30时，爱尔朗分布近似于正态分布；当k时，爱尔朗分布化为确定型分布 p(ht)!)(/10ieTktTktkii车辆状态的确定v确定车辆的状态应根据该车辆上一时刻的位置、所在路口引道的位置及引道的具体类型（主路或支路）和具体车道，判断该车道左右相邻车道上

5、同时行驶车辆的类型、位置和本车道前、后行驶车辆的类型、位置。v若该车位置是在交叉口前，则应判断该车转向及所在引道路权，以及与该引道冲突车流的具体位置，并根据车辆应采取的加速度、速度计算出下一时刻的位置。车辆的自由行驶v当车辆的运动不受前面运动车辆的影响时，称该车作自由行驶。一般取车头时距为8 秒。车辆的跟驰行驶v跟驰特性：制约性、延迟性和传递性。这些特点决定了交通信息沿车队向后传递不是平滑连续的，而是象脉冲一样间断连续的。v跟驰模型是交通系统仿真中最重要的动态模型，主要用来描述交通行为即人车单元行为。v一般分为：车辆跟驰模型分为线性跟驰模型、非线性跟驰模型 v具体有：刺激反应模型、安全距离模型

6、、生理心理模型、行为阈值模型以及近年来涌现出来的模糊推理模型和元胞自动机模型 车辆的超车v在双向双车道公路上，当车辆处于跟驰状态，并且当前车车速低于后车的期望车速时，车辆试图超车以改变其行驶状态。v判断超车条件：（1）是否需要超车？（2）是否有可能进入对向车道？v当前车速度小于40km/h，前、后车之间的速度差大于5km/h时，驾驶员就会考虑超车；当前车速度大于40km/h，前、后车之间的速度差大于15km/h时，驾驶员才考虑超车。v与对向来车之间的最小距离 2221212211min22avavtvtvS车道变换v车道变换模型描述的内容为车辆车道变换行为的整个过程，包括车辆车道变换意图的产生

7、、车道变换的可行性分析以及车道变换行为的实施。v可能原因：强制性车道变换行为和任意性车道变换行为。v强制性车道变换是指车辆为了完成其正常行驶目的而采取的车道变换行为。v可能的情形有：正前方出现停车车辆；车辆必须在前方交叉口左转；车辆已接近当前车道的尾端而须变换车道；公交车在接近前方停靠站时从内侧车道转至外侧的专用公交停靠车道等。v实现车道变换的关键是车辆必须在前方某一关键点之前完成车道变换行为。也就是说，车辆必须在距前方关键点的某个临界距离之内产生相应的变换车道意图。强制性车道变换v其临界距离可用下述模型表示：v式中，Di为第i种需要变换车道情形相应的临界距离；Di0为第i种需要变换车道情形相

8、应的一常数值；i为一正态分布随机变量。iiiDD0任意性车道变换v任意性车道变换是指车辆在遇到前方速度较慢的车辆时为了追求更快的车速、更自由的驾驶空间而发生车道变换行为。其与强制性车道变换的区别在于，即使车辆不变换车道也能在原车道上完成其行驶任务，因此变换车道行为不是强制性的。v当满足下列条件时，车辆将产生变换车道意图：v式中，为折减系数，其建议值一般取为0.750.85。期望跟车VV车辆的停车v在车辆行驶过程中，若车流中车辆正前方有车辆停车或有慢速车辆，或遇到停车标志时，必须停车或变换车道，描述这一现象的模型就是停车模型。v其基本思想是车辆在行驶过程中，首先要用停车视距扫描前方位置：v若在停

9、车视距范围内扫描到了停车标志，该车就要按一定的减速度停车；v若在停车视距内扫描到了停止车辆或慢速车辆，就要运用变换车道模型判断能否变换车道，若不能变换车道，该车就要按一定的减速度停车。否则就保持一定的自由流速度或加速到自由流速度行驶。二、微观交通仿真软件微观交通仿真软件VISSIM简介简介 VISSIM是德国PTV公司的产品，它是一个离散的、随机的、以1/10s为时间步长的微观仿真模型。车辆的纵向运动采用了心里-生理跟车模型，横向运动（车道变换）采用了基于规则（Rule-based）的算法。不同驾驶员行为模拟分为保守型和冒险型，车辆沿用户定义的或从VISUM输入的数据移动。VISSIM提供了图

10、形化的界面，用2D或3D动画向用户直观显示车辆运动，运用动态交通分配进行路径选择。VISSIM软件可以模拟许多城市和非城市的道路交通状况，特别适合于各种城市交通控制系统，主要应用包括：v(1)由车辆激发的信号控制设计、检验和评价；v(2)公交优先方案的通行能力分析和检验；v(3)收费设施分析；v(4)匝道控制运营分析；v(5)路径诱导和可变信息标志的影响分析vVISSIM软件的优缺点 优 点 可覆盖大范围交通区域 可运行可靠性试验 可在PC机运行 可不断升级并得到在线支持缺 点 没有交通分配算法 输入数据的译码过程花费大量时间vVISSIM交通仿真软件的流程图 vVISSIM采用的仿真模型 V

11、ISSIM采用的是1974年Wiedemann教授 提出的“心理-物理学模型”。这个模型将跟车状态通过六个阈值分为四个区域。在六个阈值的计算中，考虑了每个驾驶员的各个具体的个人反映，如：静止跟车距离：AX=L+k1+k2ZF1,其中L为车长v 动态跟车距离 BX=AX+（k3+k4ZF2）SQRT(v),v是车速v 驾驶员开始注意前方车辆 SDX=AX+EX(BXAX)的跟车距离：EX=2ZF2+NZFv 驾驶员在远距离开始注意 前方车辆的正速度差：2)/)S(CXAXDXSDV)0(),211(5DVZFZFkCXv驾驶员在近距离开始注意前方车辆的正速度差：v驾驶员在近距离开始注意同前方车辆

12、的负速度差：)0(,2DVEXSDVCLDV)76(NFZkkCLDVOPDVv 其中k1-k7位需确定的模型参数，ZF1和ZF2位反映驾驶员特性的介于0，1的正态分布的随机数，NFZ为一个纯数学的介于0，1的正态分布的随机数。v 在四个区域中驾驶员有不同的跟车特性。比如：在“有意识跟踪”状态时，驾驶员将减速。其减速模型为 v其中，B(I)为跟车加速度，B(J)为前车辆的加速度。)()/(5.0)(2JBDXBXDVIBVISSIM仿真中驾驶方式的划分仿真中驾驶方式的划分v自由行驶 所谓自由行驶就是前方行驶的车辆对后面的车辆没有任何影响，在这种条件下，驾驶员会追求达到并且希望保持一个确定的速度

13、，这个速度就是理想速度。事实上，驾驶员不能经常保持自由行驶状态下的车速，由于驾驶员偶尔的操作不当，车辆的自由行驶速度会在理想速度左右波动。v接近前方车辆 这种驾驶行为发生在后面的车辆的车速高于前面车辆的车速，当后面车辆接近前面车辆的时候，为了使两辆车达到相同速度时两辆车保持理想的安全距离，后面的车辆必须减速。v跟驰 这种驾驶行为是指一辆车跟随前面的车辆行驶而没有任何明显的加速或减速。跟驰车的驾驶员尽量保持安全距离，但是，由于驾驶员的操作错误或者判断错误，前后两辆车的速度总是存在微小的差别。v制动 如果前后两辆车的距离低于安全距离时，后面的车辆就会紧急刹车，这往往是由于前面的车辆突然改变车道或者

14、驾驶员发现前面另一辆车突然改变车道。v对于每个方式，加速度是通过速度、速度改变、距离和汽车与驾驶员的个别特征等参数来描述的。一旦车辆到达一个转折点，驾驶员就从一种驾驶方式转到另一种驾驶方式，这个转折点是由速度差别和车辆间的距离决定的。例如，只有在比较短的距离，微小的速度差别才能被人们察觉，而较大的速度差别会强迫正在接近前面车辆的驾驶员更早的做出反应。各个驾驶员判断速度差异和估计距离的能力是个不相同的，比如在判断理想速度和安全距离时。由于驾驶员的判断受到心理方面和物理条件的限制的综合作用，所以这个模型被叫做心里-物理学模型。VISSIM仿真中的车道改变行为仿真中的车道改变行为 v假设在一个多车道

15、公路上，VISSIM采用一系列规则来仿真车道改变。如果前面的车辆以低速行驶而迫使后面的车辆以低于理想速度行驶，驾驶员就会找机会尝试改变车道。首先，驾驶员将查看是否能通过改变车道提高自己的车速，然后，他将查看如果他改变车道会不会引起危险情况发生，如果驾驶员通过以上判断认为可以改变车道，他就试着改变车道VISSIM仿真中的时间步长的确定仿真中的时间步长的确定 v为了进行更详细的仿真，可以增加每一方针步骤的时间。要想观察每一仿真步骤的细节情况，超过一秒的时间步长是不合适的。VISSIM能让使用者在0.1-1s的范围内确定仿真时间步长。仿真时间步长的大小会影响驾驶员的驾驶行为，因为小的时间步长能让驾驶

16、员根据前面车辆更早并且更协调地调整驾驶行为。至于在仿真中采用多大的时间步长，要根据项目要求和仿真人员的经验确定。三、应用实例1.鹤岗市文化广场交叉口改造v文化广场主要存在着交通安全问题，其原因在于：v信号灯的位置设置不当，致使有些方向的驾驶员看不到信号而误闯红灯，造成交通事故。v在东内环路与华夏路交叉口处，允许来自东内环路去禾友路的车辆左转，即失去了文化路环岛的作用，又造成了行车的不安全。v在禾友路去华夏路的路段的车道较多也是造成交通不安全的因素。v针对以上问题对交叉口进行改造，改造后的平面图见下图文 化 广 场华夏路华夏路西 内 环 路东 内 环 路禾 友 路3.53.54.524注：图 中

17、“”代 表 在 路 面 上 划非 机 动 车 道 标 线，即“”。3.5 3.54.533.5331.53.533.5 2442.8 3.2 3.5鹤 岗 市 道 路 交 通 管 理 规 划文 化 广 场应用VISSIM对现状和改造方案进行仿真分析现状仿真演示改造方案的仿真演示v仿真结果对比分析路段路段东解放路到禾友路东解放路到禾友路 华夏路到禾友路华夏路到禾友路 指指 标标延误延误行程时行程时间间延误延误行程时行程时间间1小时小时现状现状181.6435.286.4234.6改善改善方案方案56.8106.240.876.9v从仿真参数来看，行程时间和延误都有明显降低，证明改善方案提高了车辆

18、的运行效率。v从演示可以看到交通秩序有较大改善，车辆的相互干扰现象消失。2.哈尔滨市友谊路线控系统 在友谊路将近二千米的路段上，现状共有9个信号交叉口，这些交叉口周期不同，配时方案各异，缺乏统一的协调与管理，特别是在一面街至中央大街一段信号交叉口密集处，车辆走走停停、延误严重。所以应该在此路上，对各个交叉口进行统一协调管理。v友谊路线控设计编号名称周期相位数相位1相位2相位31友谊路与一面街823友谊路左转（13）友谊路直行（41）一面街通行（19）2友谊路与地段街823友谊路左右转（27）友谊路直行（35）地段街通行（11）改为步行街友谊路与井街3友谊路与尚志大街823友谊路由东向西直左（2

19、4）友谊路直行（37）尚志大街通行（11）4友谊路与中央大街823友谊路左转（17）友谊路直行（39）中央大街通行（17）5友谊路与通江街823友谊路由东向西直右，由西向东直左（54）（黄灯1 秒）通江街通行（22）6友谊路与高谊街822友谊路左转（30）友谊路直行（46）流量太小，不设信号友谊路与九站街7友谊路与经纬街823友谊路由东向西左转，由西向东右转（20）友谊路直行（33）经纬街通行（20）v现状仿真演示v线控系统仿真演示v仿真分析指指 标标平均平均排队排队长度长度最大最大排队排队长度长度停车停车次数次数平均平均排队排队长度长度最大最大排队排队长度长度停车停车次数次数平均平均排队排队

20、长度长度最大最大排队排队长度长度停车停车次数次数中央大街中央大街友谊路友谊路1小时小时现状现状812365752221141958538119改善方改善方案案44113115810383122154160指指 标标平均排平均排队长度队长度最大排最大排队长度队长度停车停车次数次数平均排平均排队长度队长度最大排最大排队长度队长度停车次停车次数数平均平均排队排队长度长度最大排最大排队长度队长度停车次停车次数数友谊路友谊路地段街地段街1小时小时现状现状108508100241911816201263288改善改善方案方案8211821536321708078475友友 谊谊 路路指指 标标延误延误行程

21、时间行程时间延误延误行程时间行程时间1小时小时现状现状260.6435.2160.2334.6改善改善方案方案109.3289.323.8198.3u经过信号协调控制后，经过信号协调控制后，使得行车延误和行程使得行车延误和行程时间大大减少。时间大大减少。地地 段段 街街指指 标标延误延误行程时行程时间间延误延误行程行程时间时间1小时小时现状现状39.284.162.3109.2改善改善方案方案84128.927.473.6友友 谊谊 路路指指 标标延误延误行程时行程时间间延误延误行程时行程时间间1小时小时现状现状260.6435.2160.2334.6改善改善方案方案109.3289.323.

22、8198.33.大庆市东风新村商业广场及周边地区路网改造方案交通现状v路网密度较大，但路况较差，路面宽度不足，通行能力不够；v路段流量不大，但路段行程延误较大；v道路管理措施和力度不够，路边违章停车和占道经营现象严重；v部分路段在上下班高峰时段通勤车多，路段和交叉口压力很大。v路网现状v现状仿真演示v改造方案下述路段封闭，改造成步行街：纬七路（经四经五）纬六路（经四经五）经五街（纬六纬七）产生的交通问题：（1）经五街被隔断，相临南北向的道路交通压力增大；（2）纬六路与纬七路被隔断，相临东西向道路压力增大；（3）给广场周边居民的生活及商场的物资运输带来不便；（4）现有公交路线需要改道。v封闭三条

23、路段后仿真演示v封闭路段后的路网交通负荷仿真分析v对应的交通管理对策及措施（1）改造及小幅度拓宽部分道路 经六街改造为双向四车道，每车道3米；纬五路由8米拓宽至9米，三车道，每车道3米；经四街（纬五纬六）由6米拓宽至9米，三车道每车 道3米；纬九路（经四经七）由8米拓宽至9米，三车道，每车道3米。（2）交叉口增设信号灯 经六纬八，经六纬五，经五纬四和经五纬二四个交叉口增设信号控制；经六纬九，经六纬八和经六纬七实施线控。（3）交叉口进行渠化（4）完善道路标志标线（5）内环路内所有道路禁止路边停车（6）部分路段实施单向交通 纬九路（经四经六，由西向东）纬八路（经四经六，由东向西）纬五路（经四经六，

24、由西向东）纬四路（经四经六，由东向西）经四街（纬六纬五，由北向南）经四支路（纬六纬五，由南向北）v交通组织后仿真演示v交通组织后的路网交通负荷仿真分析行程时间与延误仿真结果分析行程时间与延误仿真结果分析位置位置纬五路纬五路（经五（经五-经六）经六）纬四路纬四路（经五（经五-经六）经六）经五街经五街（纬三（纬三-纬五）纬五）平均平均行程行程时间时间现状现状28.1s28.1s29.9s29.9s37.2s37.2s封路封路264.6s264.6s109.2s109.2s166.6s166.6s组织后组织后43.4s43.4s57.7s57.7s45.2s45.2s平均平均延误延误现状现状2.6s

25、2.6s4.5s4.5s11.0s11.0s封路封路239.8s239.8s84.2s84.2s140.5s140.5s组织后组织后13.4s13.4s18.0s18.0s18.9s18.9s排队长度仿真结果分析排队长度仿真结果分析位置位置纬五经六交纬五经六交叉口西入口叉口西入口纬二经五交叉纬二经五交叉口北入口口北入口纬七经六交叉纬七经六交叉口南入口口南入口现现状状平均排队平均排队94m94m0m0m83m83m最大排队最大排队250m250m21m21m233m233m封封路路平均排队平均排队834m834m2m2m217m217m最大排队最大排队1277m1277m43m43m413m413m组组织织后后平均排队平均排队13m13m0m0m13m13m最大排队最大排队71m71m19m19m78m78m结论 可见，交通仿真能够模仿交通的实际情况，在低风险、低投入的情况下，对各种交通方案进行比较、优化。具有极大的实用价值和发展潜力，必将越来越广泛的应用于交通工程的各种领域。