交通系统多分辨率建模仿真系统与方法

摘要

本发明属于交通系统仿真与优化技术领域，具体涉及一种交通系统多分辨率建模仿真系统与方法。由宏观/中观层、微观层、交互解释器、一致性维护器和共享属性核模块组成，宏观/中观层和微观层的输入输出端分别连接一致性维护器，宏观/中观层和现观层的输入端连接交互解释器，一致性维护器的输入输出端连接属性核。系统开始运行时，流量被加载到各子实体上；当从一个分辨率层入另一个分辨率层时，上游实体向下游实体发出外部事件，下游实体会根据情况决定响应外部事件的顺序；一致性维护器负责宏观/中观层和微观层能够分别响应外部事件并保持系统状态一致；响应之后，一致性维护器仍然将负责处理宏观/中观层和微观层响应结果的差异；输出的流量、速度和密度信息作为向下游实体输出的外部事件。本发明克服多分辨率仿真中的系统一致性维护问题，提供在不同分辨率交通仿真模型转换的基本方法和实现部件，进而实现对交通系统进行宏、中、维多分辨率仿真。

说明书

技术领域

本发明属于交通系统仿真与优化技术领域，具体涉及一种交通系统多分辨率建模仿真系统与方法。

背景技术

交通仿真是一项在交通规划、设计以及智能交通系统(ITS)中广泛应用的技术。借助交通仿真，研究人员能够在不影响实际的交通系统的前提下，对交通系统的运行状态进行实验研究，从而为交通规划、设计提供重要的参考信息，也可以为智能交通系统提供必要的信息。由于其广泛的应用背景，交通仿真相关理论和技术的研究一直是交通工程领域的研究热点。

经过几十年的发展，交通仿真在宏观、中观、微观三个粒度层面上都形成了一系列较为完备的理论与技术。三个粒度层面的交通仿真具有各自的优势与不足，其适用范围也各具特点。但是，随着交通规划、设计的发展，尤其是智能交通系统的发展，这些应用领域对交通仿真工具的分析能力提出了更高的要求。例如，在智能交通系统中，迫切需要一套既能胜任大规模路网的仿真，又能有效地考虑必要的车辆行为的交通仿真系统。随着对交通网络仿真规模的扩大及对仿真可信度要求的提高，单分辨率建模已不能有效解决模拟复杂性与资源有限性的矛盾。

多分辨率建模是20世纪90年代以来国际上建模与仿真领域的研究热点，目前美国海军已经将多分辨率建模作为大规模仿真的关键技术之一；美国国家科学研究委员会认为多分辨率建模是现代建模与仿真技术所面临的最基本的挑战之一。多分辨率建模中的建模方法都和特定应用密切相关，在短时间内很难找出通用的多分辨率建模策略，根据具体的仿真应用设计建模和仿真策略是多分辨率建模成功实施的关键。

经对现有技术文献检索发现，针对交通系统仿真的多分辨率建模方法与技术未见公开报道。本发明针对以上问题的思考与研究，产生了交通系统多分辨率建模仿真的的技术思路和实现方法，有较大的推广前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种交通系统多分辨率(宏观、中观以及微观)建模仿真系统与方法。

仿真模型的建模仿真技术及实现方法称之为UNITRAFFIC，UNITRAFFIC是交通系统多分辨率仿真实现策略。主要基于三点考虑：1)交通仿真建模的实际需求；2)适合于交通仿真多分辨率实体的应用；3)不同分辨率的一致性维护策略。在UNITRAFFIC中，其核心思想是引入多分辨率实体(MRE)概念。从而满足交通流一致性需求、路网表示一致性需求、时间同步需求和模型封装性需求。

本发明提出的交通系统多分辨率仿真系统，该系统由宏观/中观层1、微观层2、交互解释器3、一致性维护器4和共享属性核模块5组成，其中：宏观/中观层的输入输出端连接一致性维护器4，宏观/中观层1的输入端连接交互解释器3，微观层2的输入输出端连接一致性维护器4，微观层2的输入端连接交互解释器3，一致性维护器4的输入输出端连接属性核5；

宏观/中观层1(Macro/Meso Layer)为系统的低分辨率层，其核心是一个宏观或中观交通仿真模型；

微观层2(Micro Layer)为系统的高分辨率层，其核心是一个微观交通仿真模型；

交互解释器3(Interaction Resolver，IR)用于处理系统所面临的并发交互问题，所谓并发交互，是指若干与MRE交互的实体可能同时向MRE发出交互请求，而且这些请求可能基于不同的分辨率层面；当出现这种并发交互时，交互解释器3以同步机制协调系统，使其能够合理地响应这些交互请求；

一致性维护器4(Consistency Enforcer，CE)用于维护系统内部的一致性，主要是指宏观/中观层1与微观层2间的一致性，一致性维护器4由属性依赖表模块(AttributeDependency Graph，ADG)和映射函数模块(Mapping Function)组成。属性依赖表模块用于说明宏观/中观层1与微观层2间的哪些数据或属性间具有相关性；映射函数模块给出这些相关属性间的数学关系；

共享属性核模块5(Attributes Core，简称AC)用以储存建模对象的基本信息，这些信息可以被宏观/中观层1与微观层2共享。

本发明提出的交通系统多分辨率仿真方法，具体步骤如下：

(1)仿真系统开始运行时，流量被加载到各个处于路网边界的路段上；随后，这些交通流按照相应分辨率的交通仿真模型运动：如果车流处于微观层，那么是根据微观跟驰模型运动；如果是中观层，那么是根据流密速关系和排队服务器运动；如果是宏观层，那么是根据流密速关系运动；

(2)当它们从一个分辨率层流入另一个分辨率层时，上游实体向下游实体发出外部事件，下游实体会根据自身的情况决定响应外部事件的顺序；

(3)一致性维护器负责将外部事件分别翻译成宏观/中观层和微观层能够识别的形式，使得宏观/中观层和微观层能够分别响应外部事件并保持系统状态一致；翻译工作主要是通过查询属性依赖表模块和映射函数模块完成；

(4)在响应之后，一致性维护器仍然将负责处理宏观/中观层和微观层响应结果的差异；

(5)输出的流量、速度和密度信息作为向下游实体输出的外部事件。

本发明的有益效果在于克服了多分辨率仿真中的系统一致性维护问题，并且提供了在不同分辨率交通仿真模型转换的基本方法和实现部件，进而实现在一个软件系统中对交通系统进行宏、中、微多分辨率仿真。

附图说明

图1为本发明的结构图示。

图2为基于UNITRAFFIC的多分辨率交通仿真系统结构图示。

图中标号：1为宏中观层；2为微观层；3为交互解释器，4为一致性维护器；5为共享属性核模块。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：如图1所示，在UNITRAFFIC框架下，多分辨率交通仿真系统最基本的组成单位是“实体”，它以路段(Link)或小规模的路段集合(如交叉口)作为建模对象。“交互”被定义为系统中的实体接收外部事件并做出响应的过程。典型的实施例是某路段实体中的交通流传递到另一路段的过程，在这一过程中，上游路段(实体)向下游路段(实体)发出交互请求，请求被交互解释器捕获。交互解释器根据预先设定的规则，确定交互请求的响应顺序。随后将请求发送到一致性维护器，一致性维护器负责通过共享属性核模块5进行请求的跨分辨率解释，并将解释完成的请求发送到相应的仿真层。在仿真层进行仿真运算的过程中，仿真层(包括宏观/中观层1和微观层2)始终受到一致性维护器4的监控，以应对随时可能出现的新的一致性问题。最终，仿真结果由一致性维护器4负责输出给系统层和下游实体。

如图2所示，UNITRAFFIC下的多分辨率仿真系统由两个逻辑模块构成：仿真层和系统层。仿真层的核心为MRE。系统层包括附加的算法(如路径分配算法等)、模型基础数据(路网结构、路径、OD、仿真结果等)以及仿真器。仿真器的作用是根据系统层内所设定的基础数据(如仿真周期、车辆产生量等)驱动仿真模型的运行，并将结果存储到相应的数据结构中。

在UINTRANS中，宏观/中观层1与微观层2的地位并不是对等的。宏观/中观层1作为主干路网，也就是说，在仿真中，该层覆盖全部路网，作为仿真对象的“主干”。与此同时，对于路网中需要提高分辨率的子部分，如交叉口、快速路交织区等，则附加相应的微观仿真路网，这种附加通过用MRE替换相应的宏(中)观实体实现。

系统层负责对仿真层的驱动。其功能为：以预定规则向路网内输入交通流量、设定路网OD、计算路径选择等。同时，系统层是可扩展的，可以根据需要对系统层的附加算法进行更新。