§3.1概述
道路交通流的仿真可以分为两种：基于宏观模型下的仿真和基于微观模型下的仿真。这两种模型既有很多共性，又有一些差别。共性主要表现在：它们对路网和方案的描述基本一致，系统的驱动方式也都是时间。差别表现在：微观模型中输出的是每个汽车的个体行为，而宏观模型中输出的是一段时间内具有某些共性的汽车的数量。
由于本论文研究的目的是为了提供对道路建设方案和信号控制方案进行评价的工具，所以需要仿真系统能够提供务必详尽准确的资料，以便于进行各种方案的分析对比。宏观仿真系统难以做到这一点，而这又恰恰是微观模型的优点所在，所以本论文从微观交通仿真入手。
在仿真过程中，考虑到城市中基本实现了快慢车分道，所以忽略了人和自行车对汽车流的影响，仅仅从信号灯、路段设置、汽车流间的相互影响这几点来进行研究。
§3.2微观交通流仿真研究
3.2.1微观交通流仿真模型
3.2.1.1概述
城市道路交通仿真模型是根据仿真技术的特点对城市道路交通系统进行的抽象,，其中包括：道路交通系统的基本组成要素，这些要素之间的相互作用关系及变化过程。
城市道路交通系统的复杂性决定了其仿真模型的复杂性，由于微观仿真模型详尽地描述了系统内的各个要素，因而又是格外的复杂。
本文建立了微观仿真模型的体系结构，它既是本文中仿真模型的开发框架，又是今后进一步完善仿真模型的基础。在具体的模型开发方面，本文着眼于实现道路交通微观仿真系统最基本的功能：即模拟汽车流在路网中的行进过程与演变。围绕着这个目的，本文对系统中的其他一些无关因素都作了忽略。具体细节在随后的各个子模型的介绍中作出说明。为了叙述上的方便，本文将所开发的微观交通仿真模型称为MITS(Micro Traffic Simulation)。
3.2.1.2 MITS模型的体系结构
MITS模型包括交通需求模块、车辆行驶模块、路网描述模块、方案描述模块。各模块的描述功能如下：
交通需求模块：描述动态交通需求以及车辆的产生。
车辆行驶模块：描述车辆在各种道路和交通信号条件下的行驶行为。
路网描述模块：描述道路几何条件及路网拓扑关系。
方案描述模块：描述各类交通控制与管理方案。
下图给出MITS模型的体系结构图：
1：初始生成模块
1.1车辆产生模型
在MITS中，只有作为系统入口的各条道路才可以产生作为系统输入量的汽车流，其它的道路都无法产生汽车。这些汽车的产生时间和产生数量都是由随机函数来确定的。为了方便表述，先作出如下的定义：单位时间内产生的汽车数量称为汽车产生密度。汽车产生密度是个经常发生变化的数值，白天大于夜晚，上下班时间大于其它时间。在MITS中，可以通过设置一个这样的频率参数来对汽车产生的频率进行控制，参数越大，单位时间内产生的汽车的数量就越多，反之越少。当参数为最大值1的时候，汽车是一辆接一辆地进入系统，当参数为最小值0的时候，就没有车辆进入系统。虽然可以对系统中的每一条入口道路都设置这样一个参数，各个参数彼此独立，但在本系统中，为了更直观的了解系统的运行过程，同时也为了简化参数设置，本文实际上是用一个总的参数来进行控制的。此外，特别需要说明的是：这个参数值的设定并不是完全随心所欲、不受控制的，此值不可能长时间地处于大数值状态，只是在仿真系统处于初始化这段时间内可以暂时的稳定于这一状态。
车辆产生模型是通过两个随机函数实现的，用第一个随机函数决定汽车流的产生密度。具体的实现方法是：第一个随机函数采用能产生均匀随机数的随机函数发生器，它产生的所有在0和1之间的数值都是均匀分布的，此随机函数的产生值与用作阈值的频率参数相比较，如果比阈值小，则此时刻应当产生一辆新的汽车，否则就不产生汽车。这样，当频率参数设置的越大的时候，产生汽车的频率也就越大。第二个随机函数用来确定产生的汽车的行经路线，事先将所有可能的路线都列出来，用随机函数产生离散的整数数值，每一个数值都对应着唯一的一条路线。这样，当这些车辆产生的时候，就已经附带产生了它们各自的行车路线，并且将这些数据都记录在一个初始的数据库中。此后，这些车辆的每一步都可以被准确地记录下来。鉴于记录每一步的意义并不是很大，所以为了提高系统的运行速度，实际上只是记录了这些车辆到达每一条路段首端的时间。
1.2交通需求模型
在一个大的城市当中，会有数量众多的道路，这些道路由于各自所处的位置的不同，其上的交通流量也是差别甚大，这一点可以通过设定不同路段在备选的初始路段数据库中的比例而得到实现。此外，所有道路上的交通流量的大小还与时间段有密切的联系，一般说来，在上下班的时间段，道路上的汽车量为最大。对不同的时间段设定不同的用于控制产生汽车数量多少的频率参数，就可以体现出不同的交通需求。这个时间段的时间间隔的长短并不固定，可以根据实际情况而定。
2：路网描述模块
道路网是车辆运行的载体，对道路网拓扑关系及道路几何条件的真实描述是微观交通仿真系统真实描述交通状态的基础。交通分析模型一般采用节点和直线段来简化描述道路路网,其中节点表示交叉口，直线段表示实际路网中的路段。一个实际的路网可以抽象成由有向边和节点组成的路网，有向边可以有长度、等级、走向等属性。由于城市中的道路的等级都差不多，所以本系统中的有向边只具有长度和类型属性，类型属性包括：入口道路、出口道路、普通路段。
2.1路段描述模型
为了规范用词，下面把道路交通仿真系统中经常用到的名词的含义作出解释。
A：概念：
- 单行道路：宽度为只能容纳一辆车通行的路,是有向的。
- 并行道路：同一个前进方向上的几条单行道组成的路,是有向的 。
- 候车道：单行道路中的一种，位于单行道路上紧邻道路出口的地方。
- 道路：可以容纳两辆或更多车辆车在其上并行行驶的道路，它包括两条彼此平行但方向相反的并行道路。
- 路段：两个交叉路口之间的一条并行道路,是有向的。
- 车格：路段的一小部分，一条路段分为很多个车格，其长度为若干辆车的车长（在此路段内行驶的各类车辆的统计平均车长）再加上安全行驶时的平均间距。
- 路段入口：路段上驶入车辆的端口。
- 路段出口：路段上驶出车辆的端口。
- 路段端口：指路段入口或者是路段出口。
- 道路端口：道路的一端，具有一个路段入口和一个路段出口。
- 系统入口：一种特殊的路段入口，车辆由此进入仿真系统内的路段。
- 系统出口：一种特殊的路段入口，车辆由此驶离仿真系统内的路段。
- 系统端口：同时具有系统入口和系统出口的道路端口。
- 交叉路口：三个或三个以上的道路端口汇聚的地方。
- 出口类路段：包含有系统出口的路段。
- 非出口类路段：不包含系统出口的路段。
- 节点：系统端口和交叉路口的总称。
- 周期：是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、黄、绿灯时间之和。
- 相位：即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一个或几个交通流的序列组。
- 相位差：具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时间差，称为相位差。
- 绿信比：是指在周期长内的各相位绿灯时间与周期长之比。
- 饱和流量：是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路口的最大车流量。
- 流量系数：是实际流量与饱和流量的比值。既是计算信号配时的重要参数，又是衡量路口阻塞程度的一个尺度。
- 绿灯间隔时间：是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。
- 有效绿灯时间：是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。
- 时延：是指交通冲突或信号控制设施的限制给车辆带来的时间损失。它是计算信号配时和衡量路口通行效果的一个重要参数，也常作为确定信号控制系统性能的重要参量。
- B：约定
- 候车道的种类
在本系统中，默认所有的道路都是双向的，而且每一个并行道路都是由两条单行道路组成的。在临近交叉路口的地方，并行道路由两条变成了三条，它们分别作为驶向左方、正前方和右方的车辆的候车道，当驶往左方和正前方的车辆遇到红灯信号时，则会在候车道上停留，以等待绿灯信号时再通过。驶往右方的车辆，无论信号灯处于什么状态，只要目标路段的首个车格是空的，就可以转换行车路段。 - 路段的分类
路段有两种：一种是驶向交叉路口的路段，即前面定义的“非出口类路段”；一种是驶向系统出口的路段，即前面定义的“出口类路段”。二者的区别在于路段的出口是否含有信号灯，这种结构上的区别体现在它们的组成上稍有不同：对于驶向交叉路口的路段，其由两部分组成：候车道、车格序列；对于驶向系统出口的路段，其仅仅由车格序列组成。 - 车格序列的命名
车格是微观道路交通仿真系统中最基本的路段计量单位，它是微观仿真最直接的体现，系统中的每一个车格都具有两个最基本的属性，一个是用来唯一表征路段的“路号”属性，另一个是用来区别同一路段上不同车格的“车格号”属性。通过这两个属性，所有的车格都有一个二维的唯一标识符，它反映了此车格在道路交通网中的准确位置。在本系统中，车格采用如下的表示方法：grid [101，1] 。其中，101表示这个车格处于101号路段上，1表示这个车格是第一个车格，即路段入口。依次类推，当汽车驶出这个车格后，就进入了grid [101，2] 。
2.2节点描述模型
节点与路段是反映路网拓扑关系的两个基本要素。节点既可以是道路交叉口，也可以是系统端口，这两者的区别在于：道路交叉口是三条或三条以上的道路交汇的地方，此处必须设置信号灯，因而也就有相应的用于停车的候车道，由于来自不同路段上的车辆在此转换路段，所以在任何时刻，都是有些方向上的车辆可以通行，另外一些方向上的车辆不能通行。相比之下，作为系统端口的节点则要简单的多，一般说来此处没有信号灯，由此进入系统的车辆，只要路段的首个车格上是空的，就可以进入；而由此驶离系统的车辆，则是畅通无阻。这些系统端点又可以称作是车辆产生消失点。
3：车辆行驶模块
3.1跟车模型
因为交通法则限定了市内行车的速度，同时又要保证道路的通畅，所以在城市内道路上行驶的汽车一般都是速度相近的，既不能太快，又不能太慢，再加上道路宽度的限制，所以市内道路上很少有超车行为。
(1) 约定：
本系统采用基于以下各项约定的车辆贯行跟车模型
a. 路段上的所有车辆依次而行，不允许超车。
b.系统内的所有车辆只有两种状态：行驶与静止。在行驶状态时，所有车辆的速度均是相同的。
c.系统仿真钟每前进一步，根据行车规则可以行驶的车辆都前进一个车格。
由于本仿真系统的主要目的是评价当系统内的车流密度很大的时候，不同的控制策略对缓解交通拥挤的效果。所以，在车流密度大的情况下，实际情况与上述约定也基本一致。
其中，i表示路段编号，j表示路段i上的第j个车格，t表示当前时刻。
i ∈{ 所有非出口类路段的编号的集合}
j = 1,2,3,⋯⋯maxgrid[i]-1,
注：maxgrid[i]表示路段i中含有的最大车格数。
具体说来，如路段i共有n个车格， 那么，对路段i上除最末一个车格外的所有车格（j =1,2,3,……n-1），都有如下法则：
if then A[i,j,t+1]= A[i,j-1,t] else A[i,j,t+1]=A[i,j,t] Π+==njmtmiA10],,[
注：路段i上剩下的最末一个车格grid[i,n] 放在下面的换道模型中处理。
b. “出口类路段”上的演化公式
令路段i共有n个车格， 那么，对路段i上的所有车格均有如下法则：
A[i,j,t+1] = A[i,j-1,t] 其中，i ∈{ 所有出口类路段的编号的集合}
j = n，n-1，n-2，n-3，…….3，2
A[i,1] = 0
3.2车辆换道模型
假设i和p路段交汇于某一个交叉路口，i路段共有n个车格，p路段共有k个车格。当前车辆在t时刻时，位于第i条路段的末尾车格grid[i,n]，此车的下一个目标路段为第p路段，那么，当且仅当满足以下各项条件时，当前车辆才可以转换行车路段：
（1）适用于此两个路段的交通信号为绿色信号时。
4：方案描述模块
4.1交通控制方案描述模型
交叉路口信号灯控制是城市中最常见的道路交通控制方式，它广泛应用于各个交叉路口，汇聚于路口的每条道路都有一组信号灯与其对应，用于指示这条道路上的车辆按照规定在合适的时间通过交叉路口，以避免不同方向上的汽车同时通过路口，造成交通堵塞。
一般情况下，一组信号灯中有两相或三相信号灯。丁字形路口用的是两相信号灯，它对应着一红一绿两种颜色；十字形路口用的是三相信号灯，它对应着一红两绿两种颜色；在通常情况下，任何时刻最多只能有一相信号灯是绿色，其它相都应该是红色。下图表示的是本系统中各个交叉路口的信号灯变化规律，同一个路口的两组信号灯恰为反向相。不同的路口信号灯的差别仅在于它们的起始点设置的不一样，各个方向上的绿信时间长度不一样。
4.2交通管理方案描述模型
常见的车道管理方案包括车道的转向限制、车道的车辆类型限制（如公交专用车道）、单行线交通、可变车道等等。由于这些管理措施往往落实到车道的使用特性上，因此其相应的描述模型较为简单，只需增加对车道特性的描述变量即可。
3.2.1.3 MITS的控制结构
从控制的角度来看，在微观道路交通流仿真系统中，系统的输入包括三个部分：进入系统内的汽车流、系统内各个路口的信号设置、仿真钟，它们共同作用，最后系统输出各辆汽车的详细行驶记录。通过分析统计记录，我们可以对不同的信号控制方案作出评价。
3.2.2微观交通流仿真算法
在微观交通流仿真算法中，计算处理的中心内容是系统中的每一个车格，具体方法是：依据一定的道路顺序和车格顺序，依次处理系统中的每一个车格，不管系统中当前有多少辆汽车，每一辆车必定占据着一个车格，通过处理车格间接地处理了系统中所有的车辆，使它们依据相关的交通法则，逐步前进。
仿真系统中对各个车辆的处理流程如图3.5所示:
