微觀交通仿真軟件分析比較

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交通仿真技術是智能技術的一個重要組成部分，是計算機技術在交通工程領域的一個重要應用，它可以動態地、逼真地仿真交通流和交通事故等各種交通現象，復現交通流的時空變化，深入地分析車輛、駕駛員和行人、道路以及交通的特徵，有效地進行交通規劃、交通組織與管理、交通能源節約與物資運輸流量合理化等方面的研究。同時，交通仿真系統通過虛擬現實技術手段，能夠非常直觀地表現出路網上車輛的運行情況，對某個位置交通是否擁堵、道路是否暢通、有無出現交通事故、以及出現上述情況時採用什麼樣的解決方案來疏導交通等，在計算機上經濟有效且沒有風險的仿真出來。

交通仿真作爲仿真科學在交通領域的應用分支，是隨着系統仿真的發展而發展起來的。它以相似原理、信息技術、系統工程和交通工程領域的基本理論和專業技術爲基礎。以計算機爲主要工具,利用系統仿真模型模擬道路交通系統的運行狀態。採用數字方式或圖形方式來描述動態交通系統，以便更好地把握和控制該系統的一門實用技術。

交通相關仿真按類別分爲交通流仿真、自動駕駛仿真和交通事故復原仿真等幾個類型。其中交通仿真又按仿真的精確程度和範圍分爲宏觀仿真、中觀仿真和微觀仿真。此外交通仿真中有關行人交通流的仿真因爲場景不一樣又可以單獨分離出來單獨處理，特別適合於大型公共場所、進出口、通道等的研究。

圖 0 交通相關仿真分類

在衆多的交通仿真軟件中如何選取最合適的軟件作爲評價的工具，一般取決於項目的要求和目標而定。

一、主要微觀交通仿真軟件

自20世紀60年代以來，國內外交通業界在微觀交通仿真領域進行了卓有成效的研究工作，開發了幾十種微觀交通仿真模型和多種交通仿真軟件系統。本文將對主要的5種仿真軟件進行技術特性分析和性能比較。

（一）VISSIM

VISSIM 是德國PTV公司的產品,它是一個離散的、隨機的、以100s爲時間步長的微觀仿真模型。車輛的縱向運動採用心理- 物理跟馳模型（psycho - physical car – following model ），橫向運動（車道變換）則採用基於規則（rule –based） 的算法。不同駕駛員行爲的模擬分爲保守型和冒險型。VISSIM提供了圖形化的界面，用2D和3D動畫向用戶直觀顯示車輛運動，運用動態交通分配進行路徑選擇。VISSIM能夠模擬許多城市內和非城市內的交通狀況，特別適合模擬各種城市交通控制系統。主要應用有：

1. 由車輛激發的信號控制的設計、檢驗、評價；
2. 公交優先方案的通行能力分析和檢驗；
3. 收費設施的分析；
4. 匝道控制運營分析；
5. 路徑誘導和可變信息標誌的影響分析等。
6. VISSIG模塊進行綠燈時長優化計算
7. VISSIM行人仿真——局部路徑排隊情況及動態位勢

該軟件不但對公交車輛的組成及運行特點作了特別詳細的考慮,而且還在交通流組成中考慮了摩托車、自行車及行人等。

最新版本的VISSIM對於固定信號控制的獨立交叉口，通過VISSIG 模塊可以對綠燈時長進行優化。通過一系列的仿真運行，用戶自定義的相位時長會根據交通需求進行自動調整，從而使得交叉口總體通行能力達到最大化和損失時間則是最小化。同時，引入最新的研究結果，可以使得VISSIM 中的行人行走行爲更加符合實際情況。通過計算一個“動態位勢”，可以估算到達目的地的預估出行時間。這樣，在VISSIM中的行人就可以和實際情況一樣，爲了更快得到達目的地，會繞過大批滯留人流的行走路線，走一些繞路的路徑，以節省出行時間。

圖 1 VISSIM軟件界面-行人模塊

（二）TSIS／CorSim

CORSIM 是由美國聯邦公路局（FHWA）開發的、綜合了兩個微觀仿真模型（用於城市的NETSIM 和用於高速公路的FRESIM），能夠仿真城市道路和高速公路的交通流。CORSIM 的目標是交通系統管理的開發和評價。它是一個能夠真實再現動態交通的隨機交通仿真模型，有先進的跟車模型和車道變換模型，以1s 爲間隔模擬車輛的運動。它提供了很多指標來量化交通路網性能。CORSIM提供便於用戶觀察仿真結果的動畫顯示。CORSIM 主要的缺點在於缺少分配算法，這使得評價匝道控制、事故和出行者信息引起的交通量轉移難以進行。

CORSIM有如下特點：

1. 能模擬不同的交通控制、管理和操作。CORSIM能夠模擬不同的交通控制設施，如城市平叉路口的紅綠燈控制、信號燈定時和實時的相位變化。另外還能模擬高速公路匝道檢測器和HOV（高佔用率車輛）的運行，以及公交車輛的運行方式等。
2. 能說明路網不同組成部分之間的相互作用。CORSIM能夠模擬由城市道路、高速公路主幹道、匝道組成的完整的路網系統。許多傳統的研究方法只能把路網的各組成部分進行單獨的交通分析，而CORSIM能夠仿真一種集成風格的路網交通流，這使得CORSIM能模擬溢出等情況。如由於交通阻塞使得匝道與城市道路相互之間的排隊溢出就能夠進行有效地模擬。
3. 備有與外部控制邏輯和程序的接口。通過特殊的設計的TSIS界面，CORSIM能夠與外部控制邏輯和程序進行數據和信息的交流互換。這種互換功能的一個典型的程序如下：
4. CORSIM在動畫模擬器中使車輛在路網移動。
5. 經過特殊的接口，車輛運動的信息（如速度、位置等）能夠送出至外接控制程序；
6. 基於送來的信息，外接程序能夠做出控制決策。控制決策能通過接口返回至CORSIM。

圖 2 CorSim軟件界面-仿真

（三）Paramics

PARAMICS 是蘇格蘭Quadstone Limited 公司1992 年開始開發的產品。由於採用了並行計算技術，路網規模能達到106個節點，4ⅹ106個路段，32000個區域。其應用領域有：

1. 交通管理和控制：在設計階段確定信息標誌的最佳地點，在運營階段確定優化戰略；
2. 交通控制中心的仿真：描述交通事故導致的擁擠情況，提供交通管理策略產生的細節描述；
3. 爲出行信息提供預測：能夠經由服務提供商爲出行者提供交通信息預測和優化的路線誘導；
4. 智能化的導航功能：PARAMICS 提供了用戶控制的路徑-費用擾動來模擬駕駛員對路徑-費用感知的變動。

PARAMICS 在仿真ITS 基礎設施和擁擠的道路網時有突出的表現。當前能夠仿真交通信號、匝道控制、與可變速度標誌相連的探測器、VMS 和CMS、車內信號顯示裝置、車內信號顧問、路徑誘導等，並且用戶可通過API 函數定義特殊的控制策略。它還能夠從SATURN、NESA、TRIPS 等讀取有關節點和路段的信息。

圖 3 Paramics軟件界面-3D界面

（四）AIMSUN

AIMSUN是西班牙TSS公司的產品，其特點有：

1. 能夠用於各種不同的路網：城市網絡、高速公路、一般公路、交通幹線或者混合道路情況；
2. 提供了兩種不同方式的仿真：一種是基於輸入交通流和轉彎比例的，一種是基於OD和路徑選擇模型的。前者的車輛隨機地分佈於路網，而後者的車輛則在OD 之間被分配了特定的路徑；
3. 能夠模擬不同的交通控制：有信號交叉口、無信號交叉口（讓路或停車）、匝道控制；
4. 可以模擬VMS上顯示的消息對交通行爲的影響；
5. 提供細緻的統計輸出：流量、速度、出行時間等，還有諸如燃油消耗和污染排放等環境影響。

圖 4 AIMSUN軟件界面-三維仿真

爲了對 ITS 進行仿真，GETRAM/AIMSUN2 開發了擴展功能。包括：

1. 自適應交通信號控制、交通管理和事故管理系統的仿真；
2. 車輛導航、燃油消耗和排放的仿真；
3. 公交車輛調度和控制系統的仿真。

（五）TransModeler

TransModeler在繼承MITSimLab模型合理結構的基礎上，增加了一些新的功能。TransModeler實現了微觀仿真、準微觀仿真和宏觀仿真的無縫集成，可依據網絡範圍和仿真解析度選擇合適的仿真模型。最爲重要的是，TransModeler將交通仿真模型和GIS-T有機結合起來，路網等空間數據存儲與管理完全採用GIS數據處理方式，並且可通過數據庫管理系統來管理路網等空間數據。此外，TransModeler可在GIS-T圖形界面上微觀顯示車輛運行狀況及詳細交通狀況。總體上說，TransModeler仿真軟件的特色主要體現在以下八個方面：

1. 與地理信息系統（GIS）技術的完美結合。
2. 不同解析度下的模型集成和綜合仿真。
3. 與transcad軟件中出行需求模型的集成。
4. 對交通需求的靈活描述。
5. 詳盡的參數設置。
6. 強大的仿真結果分析功能。
7. 仿真網絡範圍的無約束性和極高的運行效率。
8. 開放的接口和強大的二次開發功能。

圖 5 TransModeler軟件界面-3D模型

二、仿真工具的對比分析

CorSim在交叉口仿真方面比其他模型稍差，但對較大規模路網仿真的效果較好。此外，儘管CorSim是商業軟件，但它具有開放源碼，爲研究人員從底層開發和改進提供了可能；VISSIM、Paramics、AIMSUN無論在交叉口仿真還是在較大規模路網仿真，都具有較高的效率；TransModeler繼承了MITSimLab的優勢，增加了公交運輸等模型，微觀仿真能力較高。值得重視的是，TransModeler將微觀、中觀和宏觀仿真模型無縫集成，並與GIS集成，構成了一個強大的綜合交通分析和管理工具。VISSIM對公交車輛的組成及運行特點作了一定的考慮，在交通流組成中考慮了摩托車、自行車及行人等。同時，最新版本的VISSIM模型還開發了基於“動態位勢”的行人模塊。

表 1 微觀交通仿真軟件對比表

表 2 微觀仿真軟件模型比較

仿真模型	CORSIM	VISSIM	Paramics	AIMSUN	TransModeler
車輛跟馳、換道及間距接收模型	√	√	√	√	√
交叉口轉彎運動模型	√	√	√	√	√
車輛排隊以及排隊消散模型	√	√	√	√	√
交叉口左轉影響模型	√	√	√	√	—
路口車輛行人相互影響模型	√	√	√	√	√
轉彎速度影響模型	×	√	×	×	√
停車影響模型	√	√	√	×	√
友好讓車匯流模型	√	√	﹨	﹨	√
可變的駕駛員反應時間	×	×	√	√	—

注：√：有；×：無；﹨：只存在於匝道；—：不詳

表 3 微觀仿真軟件系統通信功能比較

系統通信功能	CORSIM	VISSIM	Paramics	AIMSUN	TransModeler
信號控制	◎	●	●	●	●
專業車道	◎	●	●	◎	●
公交站點及停車場	◎	●	●	●	●
檢測器	●	●	●	●	●
檢測器通信	×	●	●	●	×

注：●：精細；◎：較精細；×：無此項功能

表 4 微觀仿真軟件系統拓展能力比較

系統拓展功能	CORSIM	VISSIM	Paramics	AMSUN	TransModeler
匝道控制	√	√	√	√	√
交通事件管理	√	√	√	√	√
VMS	﹨	√	√	√	√
公交優先	﹨	√	√	√	√
動態交通分配	﹨	√	√	√	√
交通堵塞影響模型	×	√	√	√	√
天氣影響模型	×	√	√	√	√

注：√：有；×：無；﹨：拓展困難

從實際應用的角度看，目前我國應用Vissim比較廣泛，PTV公司也不斷開展各種形式的技術交流，使得Vissim成爲比較流行的軟件。同時Vissim也成爲國內仿真平臺首選的仿真核心軟件。