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支持 ITS影响评价的交通仿真模型的研究
摘 要：ITS影响评价是ITS应用中一个关键的组成部分，仿真模型在ITS影响评价中显示了突出的优点。然而大多数已有仿真模型并不适用于ITS影响评价，本研究对目前世界上近百个的重要仿真模型进行了充分的调研，筛选出比较适合进行ITS影响评价的仿真模型，并对其性能进行总体评价。最后，指出了支持ITS影响评价的仿真模型还需要改进的方面。
关键词：智能运输系统影响评价 交通仿真模型
一、ITS影响评价现状
1．ITS影响评价的意义
智能运输系统（Intelligent Transportation Systems, 简称ITS）是交通运输进入信息时代的重要标志，也是21世纪交通运输的发展方向。建设ITS将有望解决城市道路和城市间高速公路拥挤，提高道路通行能力，提高安全性，减少环境污染和能源消耗等。然而，这些目的是否能够达到，在项目实施以前则是一个未知数。与其它的交通投资不同，由于ITS的新颖性，很难找到已建的ITS设施可以提供参考经验，因此如何对实施ITS的效果进行预测和评价成为规划人员、决策者等感到需要亟待解决的难题。
国外关于ITS影响评价（ITS Impacts Evaluation）的研究开始于90年代初，而国内的研究才刚刚起步。ITS影响评价是一个范围广、困难而复杂的课题，目前还没有一套像传统运输基础设施评价那样完整的ITS评价模型和方法。首先，传统运输项目多数是采用费用效益分析法进行评价，项目的效益大于费用意味着该项目才能被接受。然而传统运输项目的费用效益分析是建立在良好历史数据积累基础之上，而ITS项目经常是缺乏费用和效益的历史数据的，很多项目可能是头一次实施，根本没有别的已建项目的数据可供参考，况且ITS的实施情况往往与当地条件密切相关，其它地方的费用和效益数据在时间和空间上的转移性实在让人怀疑。第二，ITS包含各种各样的系统，如先进的出行者信息系统(ATIS)、先进的交通管理系统(ATMS)、先进车辆控制及安全系统(AVCSS)、先进的公共运输系统(APTS)、商用车辆者营运系统(CVO)、紧急救援管理系统(EMS)、电子付费与电子收费(EPS&ETC)系统等七大子系统。这些子系统的评价方法各不相同，而且新的子系统还将不断地增加，更困难的是，在大城市里，往往同时好几个子系统在起作用，很难将各自费用和效益截然分开，在这种情况下如何评价呢？如果好几个子系统集成在一起，又如何对这种集成系统进行评价呢？第三，发生灾害、事故等异常情况时ITS的评价问题。有学者指出，在异常情况下，ITS的效益非常显著，但是事故条件下的交通状态的数据还相当缺乏。第四，传统运输项目的评价常常是用于规划目的静态评价，而ITS影响评价应该是动态的，真实世界中路网上的交通流量每时每刻都在变化着。第五，ITS融合了大量的信息技术，人们对信息的反应必然影响到ITS实施的效果，因此ITS影响评价也就必然牵涉到社会学、行为、生理、心理的方方面面，而目前交通研究中对这些问题的考虑还比较初级。
2．ITS影响评价的手段
尽管困难重重，ITS影响评价的工作仍然在不断地进步。目前的手段主要分为两类，一种是现场监测（Field Tests），一种是仿真模型（Simulation Models）。现场监测（Field Tests）在交通监测和控制系统的运营性能评价中起着很重要的作用，它试图在受控的小范围的真实世界里考察ITS的影响。严格地说，为了进行受控试验，需要将试验区域与其它外界环境隔离开来，这样才能考察ITS的实施对该区域的影响，然而这在真实世界中是不可能的，受控只能是相对的，试验的结果会受到各种偶然因素的影响，得到的结果常常是很有限的和基于当地情况的，很难以此推断出一般性的结论。而且现场监测几乎无法进行敏感性分析，它无法回答“假如…，会怎样”这样的问题。
尽管现场监测是必要的，它存在上面所述的种种不足，而且试验的造价昂贵。交通仿真模型在ITS影响评价的领域越来越受到重视，比起现场试验来用仿真模型进行影响评价要便宜和灵活得多，仿真模型可以在广域上评价ITS的各种方案和效果。它的一个突出优点是对真实世界中尚未得到实施的ITS技术能够进行细致的分析，对已实施的技术可以提出优化建议，可在不对现有交通系统产生任何干扰下进行多种系统方案的检验，因此还可以引导更有效的系统实施。
3．本研究的目的
目前国外已经开发了许多交通仿真模型，然而不幸的是，大多数仿真模型并不适用于ITS的分析。原因是多方面的，一个重要的原因是很多交通仿真模型开发于90年代以前，那时ITS还没有象今天这样被广泛地应，因此开发者没有太多的考虑ITS也就不难理解。如果要仿真ITS的话，就要对内部算法和底层结构作大量修改，工作量是惊人的，即使这样，结果也不一定令人满意，一个明显的例子是英国TRRL的CONTRAM，CONTRAM被公认是优秀的仿真模型，但在作大量改进后对ITS的支持仍然很弱。
总结起来，不适用于ITS的效果分析的仿真模型的主要缺陷是：（1）缺乏对基于路径的动态交通的模拟；（2）驾驶者决策行为的模拟；（3）对先进信息系统环境下多种用户的模拟；（4）对一般化的路网（例如高速公路和城市道路）的适应能力。在ITS提供的信息下，为了模拟驾驶员对实时交通信息的反映和路径选择，需要支持路径处理的基础数据结构（例如满足某种准则的路径选择，更新的路径出行时间等），大多数已有模型缺乏这种能力。而且，很多模型都缺乏支持不同控制策略仿真和分析的目标和数据结构。
支持ITS影响评价的交通仿真模型研究在国际上处于迅速发展中，国内这方面的研究还非常少，而且近年来国际上出现了一些较新的商业化的仿真模型，例如英国的PARAMICS，西班牙的AIMSUN2等。本研究首先对目前世界上已有的近百个重要仿真模型进行充分的调研，根据一套的准则，筛选出比较适合进行ITS实施效果分析的模型。其次，对这些选出的模型的性能进行总体评价。需要说明的是，对世界上已有模型的调研是一件非常困难的事，为此我们参阅了大量的研究报告，Internet网站，以及与模型开发者的讨论等，力求反映国际仿真模型的最新发展，即使这样，也还会有不周之处。
二、交通仿真模型
1．交通仿真模型的分类
依据仿真模型对交通系统描述的细节的程度，仿真模型可以划分为宏观（Macroscopic）、微观（Microscopic）、准微观（Mesoscopic）3种。
宏观仿真模型（Macro-Simulation Models）对系统实体、行为及相互作用的描述非常粗糙。例如，用某种集合方式展现交通流，比如说，交通流量、速度、密度。宏观模型也许根本就不涉及车道变换，它假定交通流已被合理地分配给各车道。
微观仿真模型（Micro-Simulation Models）非常细致地描述系统实体和它们间相互作用。例如，微观水平的车道变换不仅涉及到当前车道中本车对前车的跟车定律，而且涉及到目标车道的假定前车和后跟车的跟车定律，还有精细的驾驶员决策行为模拟，甚至整个车道变换的操纵过程也能被模拟出来。
微观仿真模型特别适合于在计算机上精确再现路网上的实际交通状况。这一特点使得微观工具成为评价ITS影响也许是最合适的工具。微观模型基本上由两大部分组成，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。另外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。
准微观仿真模型（Meso-Simulation Models）也能够在细致地描述大多数系统实体，然而相对于微观模型而言，它对实体运动和相互作用的描述粗糙地多，例如，对每辆车而言，车道变换被描述成建立在相关车道的实体基础上的瞬时决策事件，而非细致的车辆间相互作用。
宏观模型的重要参数是速度、密度和流量。微观模型的重要参数是每辆车的速度和位置。准微观模型则融合了微观模型和宏观模型的某些方面。由于宏观模型应用于ITS影响评价的功能比较有限，而且计算机技术的飞速发展使得在微机上已经能够运行微观（准微观）仿真模型，所以我们在此主要讨论准微观和微观仿真模型。
2．微观（准微观）仿真模型在ITS影响评价中的应用
微观（准微观）仿真模型可以量化ITS带来的效益，特别是先进的出行者信息系统（ATIS）和先进的交通管理系统（ATMS），这些效益可以通过速度和出行时间等指标来计量。用微观（准微观）仿真模型量化其它的效益，如安全，环境的效益还有一定的困难。大致来说，微观（准微观）仿真模型可以仿真的ITS领域有动态交通控制、事故管理方案、实时路径诱导、交叉口自适应信号控制、匝道和干线控制、收费站、车道控制（车道使用标示、ETC、高占有率车道等）等。一些仿真模型还能够进行设计参数的敏感性分析。当然，这并不意味着所有的模型都具有这些功能，不同的模型有不同的特色。表1显示了欧盟的SMARTEST对58个微观（准微观）仿真模型进行研究后，得到模型对ITS功能的支持情况。根据SMARTEST对用户发出的调查，仿真模型在两方面特别有价值，即信号控制（自适应、协调信号、公交优先、匝道控制）和事故与拥挤（车辆探测、事故管理、可变信息标示、动态路径诱导、高速公路流量控制），城市交通控制（UTC）是微观（准微观）仿真的主要应用领域。
3．支持ITS影响评价的模型需满足的条件
如前所述，已有的大多数仿真模型并不适用于ITS的分析，支持ITS影响评价的交通仿真模型需要满足下面的准则：
（1）CORSIM表现路网的几何形状表示，包括交通设施，如信号灯、车检器等；
（2）清晰地表现驾驶员的行为；
（3）清晰地表现车辆间的相互作用，如跟车、车道变换时的相互作用；]
行人、自行车表示
（4）清晰地表现交通控制策略（定周期、自适应、匝道控制等）；
（5）能够模拟先进的交通管理策略，如采用VMS提供的路径重定向、速度控制和车道控制等；
（6）提供与外部实时应用程序交互的接口；
（7）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；
（8）能够应用于一般化的路网，包括城市道路和城市间的高速公路；
（9）能够细致地仿真路网交通流的状况，例如交通需求的变化，模拟交通设施的功能；
（10）清晰地模拟公共交通；
（11）提供结果分析的工具；
（12）最好能提供图形化的交互界面（GUI）。
三、支持ITS影响评价的具体模型
我们经过详细的调研，发现有若干模型能够满足上面列出绝大部分条件，比较适合于作ITS影响评价。我们将较详细地介绍了五个模型，即PARAMICS、AIMSUN2、INTEGRATION、CORSIM、VISSIM。它们有一些共同特点，例如：（1）在世界各地均已有较广泛的应用，提供良好的技术支持、完备的使用文档和培训；（2）都已经实现了商业化；（3）适用大众化的软件和硬件平台，操作系统可以是Windows 9x/NT/2k，UNIX，硬件平台可以是PC机，SUN工作站等；（4）具有图形化的友好界面，结果可以实现动画演示。此外，我们还简单介绍了其它一些优秀的微观（准微观）仿真模型。
1．PARAMICS（PARAllel MICroscopic Simulator）
PARAMICS是苏格兰的Quadstone Limited公司的产品。它从1992年开始开发，由于采用了并行计算技术，路网规模能达到106个节点，4×106个路段，32000个区域。其应用领域有：（1）交通管理和控制，在设计阶段，确定信息标志的最佳地点，在运营阶段，确定优化战略；（2）交通控制中心的仿真，描述交通事故导致的拥挤情况，提供交通管理策略产生效果的细节描述；（3）为出行信息提供预测，能够经由服务提供商为出行者提供交通信息预测和优化的路线诱导；（4）智能化的导航功能，PARAMICS提供了用户控制的路径-费用扰动来模拟驾驶者对路径-费用感知的变动。
PARAMICS在仿真ITS基础设施和拥挤的道路网有突出的表现。当前能仿真交通信号、匝道控制、与可变速度标志相连的探测器、VMS和CMS、车内信息显示装置，车内信息顾问，路径诱导等。并且用户可以通过API函数定义特殊的控制策略。它还能够从SATURN、NESA、TRIPS等读取有关节点和路段的信息。
功能 有此功能模型占总数的百分比
车辆探测 77％
自适应交通信号 74％
协调交通信号 68％
匝道控制 58％
静态路径诱导 52％
动态路径诱导 48％
事故管理 45％
车辆探测 42％
公交车辆优先 42％
高速公路流量控制 39％
可变信息标示 35％
自适应巡航控制 32％
区域进入控制 29％
自动收费 29％
拥挤收费 23％
自动公路系统 19％
自动车辆 19％
停车诱导 16％
区域交通信息 10％
行人和自行车的支持 10％
公共交通信息 6％
数据来源： SMARTEST项目报告[4]
2．GETRAM/AIMSUN2
AIMSUN2(Advanced Interactive Microscopic Simulator for Urban and Non-Urban Networks)是西班牙TSS公司的产品，AIMSUN2集成在GETRAM(Generic Environment for Traffic Analysis and Modeling)软件包中，GETRAM还包括图形路网编辑器（TEDI）和储存路网信息的数据库。GETRAM/AIMSUN2已经经历了10年的发展，并应用于大量工程项目。
AIMSUN2的特点有（1）能够用于各种不同的路网：城市网络、高速公路、一般公路、交通干线或者混合情况；（2）提供了两种不同方式的仿真：一种是基于输入交通流和转弯比例的，一种是基于OD和路径选择模型的。前者，车辆随机地分布于路网，后者，车辆在OD之间被分配了特定的路径；（3）能够模拟不同的交通控制：有信号交叉口、无信号交叉口（让路或停车）、匝道控制；（4）可以模拟VMS上显示的消息对交通行为的影响；（5）提供细致的统计输出：流量、速度、出行时间等，还有环境影响，例如燃油消耗和污染排放。
为了对ITS进行仿真，GETRAM/AIMSUN2开发了扩展功能。包括：（1）自适应交通信号控制、交通管理系统和事故管理系统的仿真；（2）车辆导航、燃油消耗和排放的仿真；（3）公交车辆调度和控制系统的仿真。ITS被作为外部程序与GETRAM/AIMSUN2进行通讯来进行影响评价，为此AIMSUN2开发了一系列的动态链接库（DLL），动态链接库使得AIMSUN2能够与外部程序进行通讯。
3．INTEGRATION
INTEGRATION于80年代中期由M.Van Aerde教授开发，它混合使用了单车和宏观的交通流理论，因而被认为是准微观模型。INTEGRATION中跟车模型的算法采用运动学模型，单车的速度是基于自由流、达到通行能力、拥挤时的宏观交通流参数。INTEGRATION能使沿路段的交通流密度连续变化，因此可以模拟车队的消散。它使用5种驾驶员类型来模拟实时交通条件下的行为。模型能在路网上以十分之一秒的水平，再现跟车、变换车道、可接受车间距等行为。可以用动态OD进行高速公路、合流、分流、交织、瓶颈的分析。
INTEGRATION提供了详细的驾驶员（或车辆）行为模拟，能够评价路径诱导系统的有效性，匝道控制和信号控制策略的影响，事故的模拟等。该模型可以用于交通控制、路径诱导、分配、可变信息标示等，用户可以修改模型参数。它的弱点是不能进行多路径分配。
4．CORSIM（CORridor microscopic SIMulaiton）
CORSIM由美国联邦公路署（FHWA）开发，综合了两个微观仿真模型，用于城市的NETSIM和用于高速公路的FRESIM，因此CORSIM能够仿真城市街道和高速公路的交通流。CORSIM的目标是交通系统管理的开发和评价。
它是一个能够真实再现动态交通的随机交通仿真模型，有先进的跟车模型和车道变化模型，以一秒为间隔模拟车辆的运动。它提供了很多指标来量化交通网的性能。CORSIM提供动画显示以便于用户观察仿真结果。1997年，FHWA发行了一个加强版，大大增强了对ITS的仿真，称为TrEPGS（Traffic Estimation, Prediction, and Guidance System），主要加强了对高速公路、干线、交叉口、各种车型（小汽车、公交车、货车）、控制策略的模拟。CORSIM主要的缺点是缺少分配算法，使得评价匝道控制、事故、出行者信息引起的交通量转移难于进行。
5．VISSIM
VISSIM是德国PTV公司的产品，它是一个离散的、随机的、以10-1秒为时间步长的微观模型。车辆的纵向运动采用了心理-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。不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。VISSIM提供了图形化的界面，用2D和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能够模拟许多城市内和非城市内的交通状况，特别适合模拟各种城市交通控制系统，主要应用有：（1）由车辆激发（Vehicle-actuated）的信号控制的设计、检验、评价；（2）公交优先方案的通行能力分析和检验；（3）收费设施的分析；（4）匝道控制运营分析；（5）路径诱导和可变信息标志的影响分析等。
6．其它的模型
此外还有一些很优秀的模型，它们有的是大学的研究成果，还不是商业化软件，有的用户还主要限于本国。我们在此予以简介。
（1）MITSIM
由MIT的杨齐博士等开发的，它是MIT开发的SIMLAB（Simulation Laboratory）的核心部件，SIMLAB用来评价动态交通管理系统。MITSIM用于交通管理策略的评价和检验。用于研究动态交通控制和事故管理方案、实时路径诱导、自适应交叉口信号控制、匝道和主线控制、车道控制（例如车道使用标示、可变信息标示、ETC、高占有率车道等）。它也能对设计参数作敏感性分析和评价，如车道数、匝道长度、道路曲率和坡度、车道变化规则。MITSIM还未商业化。
（2）DynaMIT（DYnamic Network Assignment for the Management of Information to Travelers）
由MIT的Moshe Ben Akiva教授等人开发的，它是一个提供交通量预测和出行诱导的实时动态交通分配准微观模型，DynaMIT没有商业化。
（3）DYNASMART (Dynamic Network Assignment simulation Model for Advanced Road Telematics)
由美国得克萨斯大学交通研究中心的Hani Mahmassani及同事研制的准微观模型。它既是分配模型也是用于ITS的仿真模型。它目前的版本DYNASMART-X是一个实时的满足先进交通管理信息系统（ATMIS）需要的决策支持系统，DYNASMART-X综合了先进的网络算法和出行者行为模型。它提供：
（1）路网交通条件的可靠预测；
（2）针对各种交通控制措施和信息发布策略的路网交通流的近期和中期预测；
（3）基于仿真的动态交通分配（DTA）系统；
（4）在不同的应用水平上将ATMS和ATIS完全集成化
（5）与不同ITS框架（集中式或分布式）的兼容性。DYNASMART还没有商业化。
（4）TRANSIMS
是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研制的。它主要用于交通规划、不同交通基础设施建设的评价（例如车道的增加）、公交系统的建设、ITS的建设。TRANSIMS是一套软件，例如它包括综合人口和出行活动生成的模块、方式选择、车辆诱导、分析等。它的计算速度很快，在双工作站上，能够实时计算100,000辆车，在超级计算机上能够实时计算5×106辆车，能够进行区域级（107人口以上）的交通分析。目前已经发售它的教育版。
（5）HUTSIM
由芬兰的Helsinki技术大学的交通工程实验室开发，它是特别为信号控制开发的，没有动态路径诱导。HUTSIM已经是商业软件。
（6）FLEXYT II
荷兰的微观交通仿真软件，它是基于事件的模型，能够预测交通控制策略的影响和进行方案比较。缺点是用于小规模路网，没有交通分配。FLEXYT II已经是商业软件。
（7）MELROSE (Mitsubishi ELectric ROad traffic Simulation Environment)
日本Mitsubishi电气公司Yukio Goto等人开发的，模型的目的作为ITS规划的评价工具，它目前还没有商业化。
（8）THOREAU (Traffic and Highway Objects for REsearch, Analysis, and Understanding)
美国Mitretek开发的，用于量化ITS的效益，主要是ATIS和ATMS，它主要在美国FHWA中使用。
四、展望
交通仿真模型是进行ITS影响评价的有力工具，尽管目前已经开发了一些优秀的仿真模型，在ITS影响评价的研究领域前进了一大步。从另一方面来说，目前没有一个模型能够完全仿真ITS所有方面的影响，每个模型都或多或少存在一些不足。目前ITS的一些影响用仿真模型还很难给出预测和评价，例如驾驶员行为的模拟、逼近现实路网的模拟、环境影响评价、安全性的评价，这些领域现在也正是研究的热点，所以还有许多难题留待我们去解决。
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发表于 2005-9-1 14:49:14
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