§1.1智能交通系统简介
1.1.1智能交通系统简介
随着社会经济的发展，世界各国均在朝着城市化的方向迈进，汽车的普及率越来越高。无论是在发达国家还是发展中国家，交通拥挤加剧、交通事故频繁、交通环境恶化等问题变得日趋严重。同时由于交通堵塞而并发引起的总体资源浪费、排放物对环境的污染等问题更是难以计算。一般说来，解决交通拥挤的最直接的办法就是建设更多的道路交通设施，提高路网的通行能力，但无论是哪个城市，可供修建道路的空间必定有限。同时，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，仅仅从多修道路上入手，难以解决根本问题。此外，能源和环境问题的严重性也日益为人们所认识。在这种背景下，从系统的观点出发，把车辆和道路综合起来考虑，着眼于充分利用现有的道路交通设施，在不大量兴建新的道路设施的前提下着重提高运行效率，以节约大量的建设资金和时间，从而运用各种高新技术系统解决交通问题的思想就应运而生。智能交通系统（Intelligent Transport System，简称ITS）就是这种思想的产物。
1.1.1.1智能交通系统的含义
目前，世界上对智能交通系统尚没有统一的定义，其大体的含义是将先进的计算机处理技术、信息技术、数据通讯传输技术及自动控制技术等有效地综合运用于整个交通管理体系，将人、路、车有机地结合起来，以达到最佳的和谐统一，从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通管理系统[2]。
1.1.1.2智能交通系统的基本目标
智能交通系统是为解决机动化导致的交通问题及其经济、社会、生态系统外部效益直接下降而产生的，因而智能交通系统的目标应体现社会、经济、生态三个层次的效益提高。
1：提高整个交通系统的管理水平
智能交通可以为交通管理部门和人员及时、准确地提供交通信息，从而使交通管理控制系统有效地适应各种交通状况，运用多种控制系统，在相对宏观的高度合理疏导或调配运力，从而最大效能地发挥交通管理系统在交通监视、交通控制、出入控制、救援管理等方面的准确性和调控性。
2：提高整个交通网络的通行能力
智能交通系统可以为管理者和出行者随时提供各种交通信息，帮助道路使用者合理选择行车路线，避开交通拥挤，减少交通事故，从而极大地增强了路网系统的有效使用潜力和通行能力，提高了整个交通系统的机动性、便利性、安全性和舒适性，整个交通系统的运输效率和经济效益随之增加。
3：降低交通系统对环境的负面影响
由交通量增长引致的空气、噪声污染已越来越被人们广泛重视，智能交通系统通过道路使用者与交通管理部门之间、交通管理部门相互之间、道路使用者相互之间及时地交换信息，增强了道路使用者的道路选择能力，使路网交通流畅，既节约了燃料，也降低了对环境的负面影响[4]。
1.1.1.3智能交通系统的主要内容
智能交通系统内包含着很多子系统，具体如下表所示：
表1.1：智能交通子系统划分
1.1.2智能交通系统的发展与现状
目前，世界上已形成了美国、日本、欧盟三大ITS研究开发基地。除此之外，亚洲的韩国、新加坡和我国的香港特区ITS发展水平也较高，下面分别予以介绍[3]。
1.1.2.1智能交通在美国的发展情况
美国60年代末期，美国的ERGS(ElectronicRoadGuidanceSystem)项目是开始了世界上最早的ITS开发研究。此后，美国集中了国内各种力量，并在政府和国会的参与下，成立了ITS的领导和协调机构，于1991年制订了综合陆上运输效率化法(即所谓的冰茶法案，IS-TEA)，并拟订了20年发展计划，总投资预算400亿美元。目前，美国在智能公共交通领域独树一帜，已建立起相对完善的车队管理(通讯系统、地理信息系统、车辆自动定位系统、乘客自动计数系统、公交运营软件系统、交通信号优先系统)、公交出行信息(出行前公交信息系统、车站/路边的公交信息系统、车上公交信息系统、综合乘客信息系统)、电子收费和交通需求管理技术等四大系统及多个子系统及技术规范标准。并于1997年8月在圣地亚哥到洛杉矶之间建成了第一条长8英里的试验示范线路。
1.1.2.2智能交通在日本的发展情况
日本的智能交通系统起步较晚，但由于政府重视，其发展和推进速度却相当快。日本城市公共交通系统智能化的发展过程经历了3个阶段：70年代末开始应用的公共汽车定位系统，即公共汽车接近显示系统；80年代初开始应用的运行管理系统，其中包括乘客自动统计、运行监视和运行控制；90年代初开始应用的综合管理系统，其中包括后勤业务改进和经营支援系统。日本组成了由四省一厅参加的全国统一智能交通系统开发组织(VERTIS)，并于1996年制定了“推进ITS总体构想”。并推出了一个投资运算7.8兆亿日元，为期长达20年的发展计划，包含了智能子系统部分应用、改善基础设施建设及系统和产品的研究开发。同时、日本国内丰田、三菱、东芝等100多家企业也联合设立智能运输系统的开发和经营机构，加大智能交通产品开发的力度。近年，日本投入了15亿日元开发了全国公路电子地图系统，打开了车辆电子导航市场。
1.1.2.3智能交通在欧洲的发展情况
欧盟对ITS的研究、开发也不甘落后，1985年，欧共体19个成员国为主的政府与民间企业组织合并后，共同推进智能运输系统的发展，并更名为“欧洲道路运输信息技术实施组织”(简称TRICO)，总开发投入50亿美元，实施智能道路和车载设备的研究发展计划。1986年欧洲民间联合操作了欧洲高效安全交通系统计划(PROMETHEUS)，之后在政府介入下于1995年启动了PROMOTE计划。1996年2月底，欧共体事务总局13局第一次公布了T-TAP征集的具体74个子项目。至今，已有相当一部分的研究成果投入到实际的应用当中，并为使用者带来了可观的经济效益。
1.1.2.4智能交通在东亚地区的发展情况
韩国的智能交通系统示范工程选在光州市，该工程预计耗资100亿韩元(1250万美元)，选取了交通感应信号系统、公交车乘客信息系统、动态线路引导系统、自动化管理系统、即时播报系统、电子收费系统、停车预报系统、运行中测重系统、智能交通系统中心建立9项内容进行开发和检测智能交通系统技术和效益，并以此验证智能交通在韩国的适用性。新加坡已拥有先进的城市交通管理系统，该系统除了城市交通控制系统传统的功能如信号控制、交通检测、交通诱导和交通信息外，还包括用电子计费卡控制车流量。它是利用一张插在汽车挡风玻璃上的电子计费卡，当车辆通过要收费的拥挤路段或区域时，装在路口铁架上的扫描器就会产生感应，费用也就自动从卡片的信用额度扣除。在高峰时段和拥挤路段，还可以自动提高通行费，从而尽可能合理地控制道路系统的使用效率。香港早在1977年就在九龙设置了一套电脑化区域交通控制系统，现在全港约有320组交通灯由电脑控制，有利于车辆尽快通过交叉口的时间。此外，香港电台、电视台每天都要发布几次交通信息，为司机提供最新交通资料。公路上所有车辆都配有无线对讲机，随时向公司报告行车情况并接受公司的行车指示。
1.1.2.5智能交通在我国的发展情况
智能交通系统的研究和推进在我国还处于起步阶段，但ITS作为跨世纪经济增长点和交通系统建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重视。1995年中国国家技术监督局认定ISO/IC204在中国的归口部门为交通部门，正式批准成立ISO/TC204中国委员会，该委员会把推进中国ITS标准化为主要任务。1997年在北京召开了智能交通系统发展趋势国际学术研讨会。1998年1月交通部正式批复成立交通智能运输系统工程研究中心(ITSC)。为加强该中心在交通智能交通系统的开发及试验能力，投资1400万元建设交通智能运输系统中心试验室，将为今后国家制定道路交通运输的发展和政策提供科学依据，现已完成了“交通智能运输系统发展战略研究”。1998年2月，在国家科委的领导下，交通智能交通系统工程研究中心还与欧盟合作成立了中欧ITS信息服务中心(STICNISC/ITS)，并于同年7月正式向国际社会提供基于Internet的信息咨询和技术服务。
§1.2系统仿真、计算机仿真与交通仿真
1.2.1系统仿真
自从有了人类社会，也就开始有了科学研究。早期的科学研究只是一些肤浅的对自然现象的总结与验证，由于时代发展的局限性，这些验证工作都是在实际系统上进行的。后来，随着科学技术的不断发展，人们的研究对象变得越来越复杂，研究工作也变得更加抽象，而且由于各种原因，比如：出于安全性、经济性及可靠性的考虑，在实际系统上进行实验往往不容易办到，或不适宜采纳。所以后来就出现了研究人员在与原系统具有关键部分原理相似性的模型上进行实验的尝试。这就是系统仿真的由来。
1.2.1.1系统仿真的概念
国内外仿真界的专家和学者对仿真下过不少定义，综合他们的观点，可以对系统仿真作如下定义：
系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科[5]。
1.2.1.2系统仿真的分类
依据不同的分类标准，可将系统仿真进行不同的分类。例如：
1：根据被研究系统的特征可以分为两大类，连续系统仿真及离散事件系统仿真。
连续系统仿真：是指对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，包括数据采集与处理系统的仿真。这类系统的数学模型包括连续模型（微分方程等），离散时间模型（差分方程等）以及连续—离散混合模型。离散事件系统仿真：是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真试验。这类系统的状态量是由于事件的驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，因而是离散变化的，称之为离散事件系统。这类系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。
2：按仿真实验中所取的时间标尺τ（模型时间）与自然时间（原型）时间标尺T之间的比例关系可将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。若τ／T＝1，则称为实时仿真，否则称为非实时仿真。非实时仿真又分为超实时τ／T > 1和亚实时仿真τ／T < 1 两种。
3：按照参与仿真的模型的种类的不同，将系统仿真分为物理仿真、数学仿真及物理—数学仿真（又称半物理仿真或半实物仿真）。
物理仿真：又称物理效应仿真，是指按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验研究。物理仿真直观、形象、逼真度高，但不如数学仿真方便；尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需要花费较大的投资，且周期也较长，此外在物理模型上作试验不易修改系统的结构和参数。
数学仿真：是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真由仿真系统的软件／硬件环境，动画与图形显示、输入／输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设计阶段是是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性和合理性。数学仿真具有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软件技术、图形技术、人工智能技术、先进的交互式建模和仿真软硬件技术的发展，数学仿真必将获得飞速发展。
物理－数学仿真：又称为半实物仿真，准确称谓是硬件（实物）在回路中的仿真。这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物（或物理模型）方式引入仿真回路。半实物仿真有以下几个特点：
（1）原系统中的若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想效果。在半实物仿真中，可将不易建模的部分以实物代之参与仿真试验，可以避免仿真建模的困难。
（2）利用半实物仿真可以进一步检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性。
（3）利用利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些事物乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统参数和控制规律。在航空航天、武器系统等研究领域，半实物仿真是不可缺少的重要手段。
早期的仿真以物理仿真为主，当人们开始针对复杂系统进行这种仿真实验时，制造一个模型常常要花费巨大的代价，周期也相当长，同时进行一次实验所需的准备工作的工作量也十分巨大。计算机的出现为仿真技术的发展提供了有力的支持。
1.2.1.3系统仿真的步骤
系统仿真的具体步骤如下：
1：问题的提出：描述所研究问题的定义和求解目标。
2：模型的建立：根据所提出的问题及其阐述，将系统抽象为数学上的逻辑关系。
3：数据需求：数据的定义、标识和收集。
4：模型转换：用文字、图形和流程表示的逻辑关系转换为计算机的仿真语句序列。
5：论证和计划：建立仿真模型和实际系统之间的关系，并为使用模型建立实验条件。
6：实验：执行仿真模型，输出实验结果，包括数据、表格和图形等。
7：分析结果：分析仿真输出的结果，求得解决问题的途径。
8：修改和完善模型：根据仿真输出的结果，分析、修改和完善模型，重复地进行实验和分析，直到取得满意的结果为止。
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1.2.2计算机仿真
计算机技术的飞速发展为仿真技术开辟了崭新的途径，这种仿真的特点是：将实际系统的演化运动规律用数学形式表达出来，它们通常是一组微分方程或差分方程，然后用计算机来求解这些方程组。
与实物仿真相对比，计算机仿真的好处是：只需要计算机就可以对物理性质截然不同的许多系统进行仿真研究，而且进行一次仿真研究的准备工作主要是编制程序，这比在实际物理模型上作大量的安装、接线、调整等准备工作的工作量要小得多，周期也要短得多，所花的费用也要少得多。由于以上的诸多优点，计算机仿真正在越来越多的代替了实物仿真，虽然有时为了某种要求还必须有一部分实物介入到仿真系统中去，但仿真系统的主体已经是计算机了，因此我们现在一讲到仿真,都指的是计算机仿真。
计算机仿真大致包含以下四个步骤：
1．写出实际系统的数学模型
2．将该模型转换成能在计算机上进行运转的仿真模型
3．编写仿真程序
4．对仿真模型进行修改、校验。
从上面可以看出，计算机仿真涉及到三个具体的部分：一是实际系统，二是数学模型，三是计算机，并且共有两次模型化。第一次是将实际系统变成数学模型，第二次是将数学模型变成仿真模型。
通常我们将一次模型化的技术称为系统建模及系统辨识技术，而将二次模型化、仿真模型编程、校核的技术称为系统仿真技术，两者虽有十分密切的联系，但仍有所区别。系统建模及系统辨识技术是研究系统与数学模型之间的关系，而系统仿真技术是研究数学模型与计算机之间的关系。
现在可以给仿真下一个定义：
将一个能近似描述实际系统的数学模型进行二次模型化，变成一个仿真模型，然后将它放到计算机上进行运算的过程就称为仿真。
仿真技术作为分析和研究系统运动行为、揭示系统动态过程和运行规律的一种重要手段和方法，在发展到现代的计算机仿真阶段以后，其应用范围已经变得非常广泛。应用领域已从军用转向民用，从最初的航空、航天、核技术等高新技术领域发展到社会、经济领域以及广泛的工程领域。现代计算机仿真技术的优越性在于：
1：可以对无法或应尽量避免进行直接实验的系统进行仿真实验研究，如核爆炸等。从而可以节省大量的能源和费用，或者是避免了环境的污染。
2：求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题。
3：可以预演或再现系统的运动规律或运动过程。
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1.2.3交通仿真
交通仿真是20世纪60年代以来，随着计算机技术的进步而发展起来的采用计算机数字模型来反映复杂交通现象的交通分析方法，属于计算机数字仿真范畴。交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的一个重要应用。
在交通仿真技术出现之前，交通工程师们都是采用经验方法和数学分析方法来分析交通现象。然而，交通系统是一个典型的复杂系统，系统内要素的状态及其相互作用规律受多维随机因素的影响，往往难以用经验模型或数学分析模型来准确地描述。传统交通分析方法的的局限性在60年代的交通信号自动控制系统出现以后显得尤为突出，当时的交通工程师们希望找到一种更有效的交通分析方法来优化交通控制的信号参数设计，从而开始了交通仿真的研究。
交通仿真是复现交通流时间空间变化的技术。交通仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的开发是交通仿真研究的两个核心内容。
由于现在的交通仿真全部都只是研究道路上的汽车流的演化情况，从未包括非机动车和行人，所以交通仿真也称为交通流仿真。
1.2.3.1交通仿真的分类
1：微观仿真和宏观仿真
根据模型描述的详细程度的不同，交通仿真可以分为：宏观仿真和微观仿真。
微观交通仿真：微观交通仿真对交通系统的要素及行为的细节描述程度很高。例如：微观交通仿真对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为等微观行为都能得到较真实的反映。
宏观交通仿真：宏观交通仿真对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个较低的程度，只能给出一个定性的概念性结论。例如：在宏观交通系统中，交通流可以通过流密度与速度间的关系等一些集聚性的宏观模型来描述，而象车道变换之类的细节行为根本就无法描述出来。
2：时间扫描与事件扫描
根据仿真系统演化的驱动方式的不同，仿真系统可以分为：时间扫描仿真、事件扫描仿真。时间扫描仿真法将时间分成等长的确定的时间段；而事件扫描法则以预定事件的出现作为确定仿真步长的依据，用来建立仿真程序的事件，必须是对仿真具有重要意义的事件。
上述两种仿真方法均可用于交通仿真，但由于事件扫描法只反映具有重要意义的事件，因此不适宜于需要更真实地反映网路车辆的连续动态特性的情况。而采用时间扫描法则可描述每一扫描时间段（如1秒或0.1秒）所有车辆的动态，因而能更加真实地反映路网交通状况。
1.2.3.2标准时间与仿真时间
1： 标准时间
是指实际系统中的计时单位，例如：秒、分、时、天、周、月、年。
2： 仿真时间
当采用不同的仿真模型时，仿真系统需要不同的计时单位。一般说来，微观仿真模型的仿真时间的最小计时单位比较小，可以是1秒或更少；而宏观仿真模型的仿真时间的最小计时单位则较大一些，可以是1分钟或更长的时间。仿真时间又称仿真钟，它用于设置仿真的时间变量。仿真计算的过程就是根据当前仿真时刻系统的状态推算出下一仿真时刻系统的状态。仿真钟的最小计时单位称为仿真步长。
§1.3论文的主要工作
交通仿真是一个相当庞大的研究课题，即使是其中的一个子课题的研究也都涉及到大量的知识、包含了极大的工作量。本文的研究是智能交通系统中道路交通设计与管理系统内的一部分，直接运用于交通信号控制方案设计子系统、道路设计评价子系统。具体说来，本文主要作了以下几方面的工作：
1：确立了城市道路交通微观仿真的模型体系结构，该模型体系由初始生成模块、车辆行驶模块、路网描述模块、方案描述模块组成。
2：以微观仿真模型体系结构为框架，提出了一个基于此模型的微观交通流仿真算法。
3：提出了城市道路交通仿真软件系统开发过程中的一些关键技术问题的处理方法。包括：面向对象软件设计技术、系统设计及实现技术等。
4：开发了城市道路微观仿真软件系统—MTS(Micro Traffic Simulation)。
5：例举了两个MITS系统的应用实例，一个是将其应用于道路交叉口信号控制方案设计与对比，以便在仅仅改变信号控制方案的前提下，提高道路通行量；另一个是利用其仿真道路扩建前后系统内的车流情况，以对扩建方案的有效性作出评估。
