微观交通仿真软件分析比较

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交通仿真技术是智能技术的一个重要组成部分，是计算机技术在交通工程领域的一个重要应用，它可以动态地、逼真地仿真交通流和交通事故等各种交通现象，复现交通流的时空变化，深入地分析车辆、驾驶员和行人、道路以及交通的特征，有效地进行交通规划、交通组织与管理、交通能源节约与物资运输流量合理化等方面的研究。同时，交通仿真系统通过虚拟现实技术手段，能够非常直观地表现出路网上车辆的运行情况，对某个位置交通是否拥堵、道路是否畅通、有无出现交通事故、以及出现上述情况时采用什么样的解决方案来疏导交通等，在计算机上经济有效且没有风险的仿真出来。

交通仿真作为仿真科学在交通领域的应用分支，是随着系统仿真的发展而发展起来的。它以相似原理、信息技术、系统工程和交通工程领域的基本理论和专业技术为基础。以计算机为主要工具,利用系统仿真模型模拟道路交通系统的运行状态。采用数字方式或图形方式来描述动态交通系统，以便更好地把握和控制该系统的一门实用技术。

交通相关仿真按类别分为交通流仿真、自动驾驶仿真和交通事故复原仿真等几个类型。其中交通仿真又按仿真的精确程度和范围分为宏观仿真、中观仿真和微观仿真。此外交通仿真中有关行人交通流的仿真因为场景不一样又可以单独分离出来单独处理，特别适合于大型公共场所、进出口、通道等的研究。

图 0 交通相关仿真分类

在众多的交通仿真软件中如何选取最合适的软件作为评价的工具，一般取决于项目的要求和目标而定。

一、主要微观交通仿真软件

自20世纪60年代以来，国内外交通业界在微观交通仿真领域进行了卓有成效的研究工作，开发了几十种微观交通仿真模型和多种交通仿真软件系统。本文将对主要的5种仿真软件进行技术特性分析和性能比较。

（一）VISSIM

VISSIM 是德国PTV公司的产品,它是一个离散的、随机的、以100s为时间步长的微观仿真模型。车辆的纵向运动采用心理- 物理跟驰模型（psycho - physical car – following model ），横向运动（车道变换）则采用基于规则（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. VISSIG模块进行绿灯时长优化计算
7. VISSIM行人仿真——局部路径排队情况及动态位势

该软件不但对公交车辆的组成及运行特点作了特别详细的考虑,而且还在交通流组成中考虑了摩托车、自行车及行人等。

最新版本的VISSIM对于固定信号控制的独立交叉口，通过VISSIG 模块可以对绿灯时长进行优化。通过一系列的仿真运行，用户自定义的相位时长会根据交通需求进行自动调整，从而使得交叉口总体通行能力达到最大化和损失时间则是最小化。同时，引入最新的研究结果，可以使得VISSIM 中的行人行走行为更加符合实际情况。通过计算一个“动态位势”，可以估算到达目的地的预估出行时间。这样，在VISSIM中的行人就可以和实际情况一样，为了更快得到达目的地，会绕过大批滞留人流的行走路线，走一些绕路的路径，以节省出行时间。

图 1 VISSIM软件界面-行人模块

（二）TSIS／CorSim

CORSIM 是由美国联邦公路局（FHWA）开发的、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），能够仿真城市道路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换模型，以1s 为间隔模拟车辆的运动。它提供了很多指标来量化交通路网性能。CORSIM提供便于用户观察仿真结果的动画显示。CORSIM 主要的缺点在于缺少分配算法，这使得评价匝道控制、事故和出行者信息引起的交通量转移难以进行。

CORSIM有如下特点：

1. 能模拟不同的交通控制、管理和操作。CORSIM能够模拟不同的交通控制设施，如城市平叉路口的红绿灯控制、信号灯定时和实时的相位变化。另外还能模拟高速公路匝道检测器和HOV（高占用率车辆）的运行，以及公交车辆的运行方式等。
2. 能说明路网不同组成部分之间的相互作用。CORSIM能够模拟由城市道路、高速公路主干道、匝道组成的完整的路网系统。许多传统的研究方法只能把路网的各组成部分进行单独的交通分析，而CORSIM能够仿真一种集成风格的路网交通流，这使得CORSIM能模拟溢出等情况。如由于交通阻塞使得匝道与城市道路相互之间的排队溢出就能够进行有效地模拟。
3. 备有与外部控制逻辑和程序的接口。通过特殊的设计的TSIS界面，CORSIM能够与外部控制逻辑和程序进行数据和信息的交流互换。这种互换功能的一个典型的程序如下：
4. CORSIM在动画模拟器中使车辆在路网移动。
5. 经过特殊的接口，车辆运动的信息（如速度、位置等）能够送出至外接控制程序；
6. 基于送来的信息，外接程序能够做出控制决策。控制决策能通过接口返回至CORSIM。

图 2 CorSim软件界面-仿真

（三）Paramics

PARAMICS 是苏格兰Quadstone Limited 公司1992 年开始开发的产品。由于采用了并行计算技术，路网规模能达到106个节点，4ⅹ106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员对路径-费用感知的变动。

PARAMICS 在仿真ITS 基础设施和拥挤的道路网时有突出的表现。当前能够仿真交通信号、匝道控制、与可变速度标志相连的探测器、VMS 和CMS、车内信号显示装置、车内信号顾问、路径诱导等，并且用户可通过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。

图 3 Paramics软件界面-3D界面

（四）AIMSUN

AIMSUN是西班牙TSS公司的产品，其特点有：

1. 能够用于各种不同的路网：城市网络、高速公路、一般公路、交通干线或者混合道路情况；
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。前者的车辆随机地分布于路网，而后者的车辆则在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，还有诸如燃油消耗和污染排放等环境影响。

图 4 AIMSUN软件界面-三维仿真

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。

（五）TransModeler

TransModeler在继承MITSimLab模型合理结构的基础上，增加了一些新的功能。TransModeler实现了微观仿真、准微观仿真和宏观仿真的无缝集成，可依据网络范围和仿真解析度选择合适的仿真模型。最为重要的是，TransModeler将交通仿真模型和GIS-T有机结合起来，路网等空间数据存储与管理完全采用GIS数据处理方式，并且可通过数据库管理系统来管理路网等空间数据。此外，TransModeler可在GIS-T图形界面上微观显示车辆运行状况及详细交通状况。总体上说，TransModeler仿真软件的特色主要体现在以下八个方面：

1. 与地理信息系统（GIS）技术的完美结合。
2. 不同解析度下的模型集成和综合仿真。
3. 与transcad软件中出行需求模型的集成。
4. 对交通需求的灵活描述。
5. 详尽的参数设置。
6. 强大的仿真结果分析功能。
7. 仿真网络范围的无约束性和极高的运行效率。
8. 开放的接口和强大的二次开发功能。

图 5 TransModeler软件界面-3D模型

二、仿真工具的对比分析

CorSim在交叉口仿真方面比其他模型稍差，但对较大规模路网仿真的效果较好。此外，尽管CorSim是商业软件，但它具有开放源码，为研究人员从底层开发和改进提供了可能；VISSIM、Paramics、AIMSUN无论在交叉口仿真还是在较大规模路网仿真，都具有较高的效率；TransModeler继承了MITSimLab的优势，增加了公交运输等模型，微观仿真能力较高。值得重视的是，TransModeler将微观、中观和宏观仿真模型无缝集成，并与GIS集成，构成了一个强大的综合交通分析和管理工具。VISSIM对公交车辆的组成及运行特点作了一定的考虑，在交通流组成中考虑了摩托车、自行车及行人等。同时，最新版本的VISSIM模型还开发了基于“动态位势”的行人模块。

表 1 微观交通仿真软件对比表

表 2 微观仿真软件模型比较

仿真模型	CORSIM	VISSIM	Paramics	AIMSUN	TransModeler
车辆跟驰、换道及间距接收模型	√	√	√	√	√
交叉口转弯运动模型	√	√	√	√	√
车辆排队以及排队消散模型	√	√	√	√	√
交叉口左转影响模型	√	√	√	√	—
路口车辆行人相互影响模型	√	√	√	√	√
转弯速度影响模型	×	√	×	×	√
停车影响模型	√	√	√	×	√
友好让车汇流模型	√	√	﹨	﹨	√
可变的驾驶员反应时间	×	×	√	√	—

注：√：有；×：无；﹨：只存在于匝道；—：不详

表 3 微观仿真软件系统通信功能比较

系统通信功能	CORSIM	VISSIM	Paramics	AIMSUN	TransModeler
信号控制	◎	●	●	●	●
专业车道	◎	●	●	◎	●
公交站点及停车场	◎	●	●	●	●
检测器	●	●	●	●	●
检测器通信	×	●	●	●	×

注：●：精细；◎：较精细；×：无此项功能

表 4 微观仿真软件系统拓展能力比较

系统拓展功能	CORSIM	VISSIM	Paramics	AMSUN	TransModeler
匝道控制	√	√	√	√	√
交通事件管理	√	√	√	√	√
VMS	﹨	√	√	√	√
公交优先	﹨	√	√	√	√
动态交通分配	﹨	√	√	√	√
交通堵塞影响模型	×	√	√	√	√
天气影响模型	×	√	√	√	√

注：√：有；×：无；﹨：拓展困难

从实际应用的角度看，目前我国应用Vissim比较广泛，PTV公司也不断开展各种形式的技术交流，使得Vissim成为比较流行的软件。同时Vissim也成为国内仿真平台首选的仿真核心软件。