【分享】用于短期交通预测的中观交通仿真模型概述

xjtuits

附件中是瑞典学者Wilco Burghout博士今年写的一篇中观交通仿真模型的综述性文章，主要介绍了当前主流的三套simulation-based DTA系统：DynaMIT(MIT), DynaSmart(Maryland University), Dynameq(INRO Corp.)。作者本人是仿真DTA系统Mezzo的开发者，Mezzo用到了一些较新的交通流模型，可有效地为冲击波建模，也用到了所谓的“各向异性”交通流模型（加州大学Davis分校的张红军教授大概是该模型的主要贡献者）。作者和MIT的学者交流较多，因此对DynaMIT的介绍要细致一些。

目前，模拟DTA系统对路段交通流的仿真在向混合仿真方向(Hybrid Simulation)发展，基本出发点是对一些交通流行为复杂的区域，如出入口匝道、城市交叉口采用微观仿真模型，其他区域采用宏观或者中观交通模型，在建模精度和计算效率之间取得合理的折中；难点在于不同仿真模型之间的接口或者一致性问题。

水寿松注：
下面几个帖子合在一起阅读的话，印象和效果均会深刻，极力推荐：

1）[辣眼深评]-我国自主研发的交通系统仿真平台的全面深入讨论：DynaCASTIM VS TESS！
http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=43308

2）【分享】对交通仿真模型软件开发及应用问题的思考，杨齐
http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=43613

3）MIT 杨奇博士在城市交通论坛上对于微观交通仿真的精辟阐述！
http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=43558

4）用于短期交通预测的中观交通仿真模型概述
http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=43506

5）模拟DTA系统DynaMIT与DynaSmart-X的简单比较
http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=43310

6）模拟DTA系统DynaMIT最新现场测试报告
http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=43631

[ 本帖最后由 水寿松 于 2009-4-28 01:49 编辑 ]

hxwfirst

什么资料啊,请楼主提供些具体信息嘛

xjtuits

附件中是瑞典学者Wilco Burghout博士今年写的一篇中观交通仿真模型的综述性文章，主要介绍了当前主流的三套simulation-based DTA系统：DynaMIT(MIT), DynaSmart(Maryland University), Dynameq(INRO Corp.)。作者本人是仿真DTA系统Mezzo的开发者，Mezzo用到了一些较新的交通流模型，可有效地为冲击波建模，也用到了所谓的“各向异性”交通流模型（加州大学Davis分校的张红军教授大概是该模型的主要贡献者）。作者和MIT的学者交流较多，因此对DynaMIT的介绍要细致一些。
目前，模拟DTA系统对路段交通流的仿真在向混合仿真方向(Hybrid Simulation)发展，基本出发点是对一些交通流行为复杂的区域，如出入口匝道、城市交叉口采用微观仿真模型，其他区域采用宏观或者中观交通模型，在建模精度和计算效率之间取得合理的折中；难点在于不同仿真模型之间的接口或者一致性问题。

水寿松：文章暂时没有找到，但是在20楼补充上传了Wilco Burghout博士的博士论文，应该更完整了！

[ 本帖最后由 水寿松 于 2009-4-28 01:52 编辑 ]

mliu3103

这个好想太高深了吧

小妖

略看了一遍，暂时没有找到详细介绍“各向异性模型”在Mezzo中使用的情况，找个时间详细读读。
文章比较新啊，借问楼主，仿真DTA和模拟DTA有什么大的区别？是否根源在于有否解析解？

xjtuits

小妖，附件中没有具体谈到Mezzo采用的交通流模型。中科大姜锐博士的论文大概谈到了交通流的各向异性特征，加州大学Davis分校张红军教授在TRB上应该有这方面的文章。交通流“各向异性”是指车辆在路段上行驶时，其运动只会受到前面车辆的影响，其后面的车辆不会对其产生任何作用。俺在本版谈论交通流模型，纯属班门弄斧了：）
仿真DTA和模拟DTA是一回事，我习惯叫作“仿真DTA”，不过国内文献叫“模拟DTA”的较多，所以我也经常把这两个名词混用。实际上，像DynaSmart等仿真DTA系统更准确地说，应该是解析法和仿真法的混合体。像模型参数标定就大量采用了随机优化算法，此外需求估计、离散选择等也都采用了解析模型。

qdliutl

就像game thoery在国内数学界一般译成对策论，在经管领域译成博弈论一样，仿真和模拟对应的是同一个英文单词simulation。
正如xjtuits所说仿真DTA和模拟DTA其实是一回事，仿真和模拟两个单词经常混用。不过听人说起过细微的差别，就是仿真系统更多是指时变连续的系统，而模拟系统一般指离散系统。不一定准确，

小妖

下面引用由xjtuits在 2005/12/04 03:19pm 发表的内容：
小妖，附件中没有具体谈到Mezzo采用的交通流模型。中科大姜锐博士的论文大概谈到了交通流的各向异性特征，加州大学Davis分校张红军教授在TRB上应该有这方面的文章。交通流“各向异性”是指车辆在路段上行驶时，其运动只会受到前面车辆的影响，其后面的车辆不会对其产生任何作用。

多谢楼主解释，关于交通流的各向异性模型，在这个领域研究，自然知道的多点，主要是想了解这类模型的具体实用化如何的。其实非各向异性的交通流动力学模型在实际的给定条件（来流的速度和密度或是流量等组成的边界条件）下不会出现与实际车辆行驶不符的情况，这个结论其实是被大多数研究工作者所证实的。
关于各向异性模型与非各向异性模型之争，实质上是关于模型方程的合理性之论，根据交通流的连续介质假设从而建立的交通流连续统模型的连续模型和动力学模型都存在着一些不足，当然主要根源是关于流体的连续介质理论是否完全适用在交通流这种类流体流动本身（个人观点）！
1995年的时候，Daganzo对动力学模型（也常称为高阶连续模型）提出了异议：指出后车的扰动会影响前车的行为，这与实际交通情况是相违背的。实际上车流是各向异性的，驾驶员主要对来自前方的刺激进行反应而不太受后车行为的影响。这个结论很有分量，常常被大家引用，由于支持的原因（实际上车流是各向异性的）是正确的，故而省得人们忽略了这个模拟结果适用的条件，Daganzo给出的极端条件是 以某点为分隔点，下游车流的密度很高，而上游无车流或是车流密度很低，当采用数值方法模拟时，由于动力学模型方程的粘性作用，必须平滑这个密度差，从而使得上游车流也产生了比初始时要高的车流密度，这就是所谓的“类气体行为”，就是说在某些条件下，车辆会出现倒退的现象。
本质上说，这是由于早期的动力学模型方程基本上受到Payne模型构造的启发而形成的，而类似Payne模型的动力学模型所组成的双曲型方程组，因为存在不合理的特征速度而导致具有后车影响前车的不合理行为，违背了交通流各向异性的基本性质，因此当特征速度超过车速时，就会导致“类气体行为”，这一问题也导致了在某些条件下，车辆会出现倒退的现象。针对该问题，法国的Aw A.、美国的Zhang H.M、姜锐和薛郁（按发表文章的时间排）均各自提出了各向异性传播的模型方程，姜锐等人提出速度梯度模型。在这些模型中，速度梯度代替了原方程中的密度梯度项，从而解决了以往模型中可能出现的车辆倒退现象的问题。不过这些提出的新模型中，均或多或少存在一些新的问题，重要是针对模型方程而言。
关于各向异性模型的进展，个人觉得主要不是针对实用的交通而言，而是纯粹的针对模型方程的数学理论和数值模拟方法来说的，当然与交通流的实际情况不相符和从而使模型方程从非各向异性发展至各向异性，这确实是一个非常重要的方面。但是从实际的使用来看，给定实际车流行驶的条件，用这两类模型模拟的结果基本相同，也就是说，对于实际的流体动力学模型的使用来说，这两类模型均可。目前看来，对于各向异性模型方程的研究，仍然注重在其双曲方程（组）的数学理论和数值模拟方法上，对于有无源项的情况，仍然存在不小的难度！
当前，在高阶交通流模型的数学理论和数值模拟方法方面有了一系列的突破，主要是张鹏和张红军的工作，张鹏今年的PRE文章上研究了多车种和道路条件非均匀交通流的建模和数值算法，确定了交通流中走走停停波的最大最小密度、波形以及传播。从已有文献看，这一问题三十多年来悬而未决，只是在近年取得一些进展（H.M.Zhang，2003年）。
参考文献：
AW A., Rascle M., Resurrection of “second order” models of traffic flow, SIAM J. Appl. Math., 2000, 60(3): 916-938
Zhang H.M., A nonequilibrium traffic model devoid of gas-like behavior, Trans. Res., 2002, 36B: 275-290
Jiang R., Wu Q.S., Zhu Z.J., A new continuum model for traffic flow and numerical tests, Trans. Res., 2002, 36B: 405-419
Xue Y., Dai S.Q., Continuum traffic model with the consideration of two delay time scales, Phy. Rev. E, 2003, 68: 066123
Peng Zhang,Ru-Xun Liu and S. C. Wong, High-resolution numerical approximation of traffic flow problems with variable lanes and free-flow velocities.Phy. Rev. E,2005, 71: 056704

小妖

顺势还是希望楼主一解心头之惑，关于在Mezzo中采用的各向异性交通流模型，使用的具体情况如何？不是上述文档介绍的，是技术报告上详细写的嘛？可以看看嘛？
多谢！

huanghaijun

用最容易懂的语言讲透了!“Daganzo给出的极端条件是 以某点为分隔点，下游车流的密度很高，而上游无车流或是车流密度很低，当采用数值方法模拟时，由于动力学模型方程的粘性作用，必须平滑这个密度差，从而使得上游车流也产生了比初始时要高的车流密度，这就是所谓的“类气体行为”，就是说在某些条件下，车辆会出现倒退的现象。”
“对于有无源项的情况，仍然存在不小的难度！”很多论文都不考虑汇源项，嫌麻烦，但现实里，必须考虑它，如换道，进出匝道。

xjtuits

谢谢黄老师和小妖的介绍，我对交通流模型的理解更深入了一些！
附件中是Mezzo仿真DTA系统的作者的博士论文，讨论混合交通仿真。我浏览了一下，好象没有提到“各向异性”交通流模型，可能我记错了，抱歉ing：）
在交通仿真中，“各向异性(anisotropic)”是指车辆的运动只受到其前方车辆的影响，后面的车辆不应该干扰前方车辆的运动行为。Dr. Yi-chang Chiu(University of Texas at El Paso)提出了“各向异性”中观交通仿真模型，见论文"Yi-Chang Chiu, Liang Zhou, and H. Michael Zhang. Modeling Uninterrupted Highway Traffic Flow Using an Anisotropic Mesoscopic Simulation Approach. Proceedings of the 2005 International Conference on Computing in Civil Engineering. July, 2005." 但我找不到这篇论文原文，无法提供给版友。
注：Dr. Yi-Chang Chiu是Hani S. Mahmassani教授的学生，现在utep任助理教授，DynaSmart的主要研发者之一，很优秀的一位学者。

itslu

[这个贴子最后由itslu在 2005/12/06 10:17am 第 2 次编辑]

问一个概念“特征速度”指的是什么？谢谢！

huanghaijun

守衡方程+动力方程的偏微分方程系统的特征值.

thickicesong

[ADMINOPE=水寿松|thickicesong|威望由 0 增加至 1|海外会员版友|1148954310]关于各向异性中观交通仿真模型的研究，目前业已取得突破性进展。高速路模型经美国NGSIM现场数据校正，效果非常理想，对DynaMIT和DynaSMART的改进惊奇地出现在同一点。卡车的影响也考虑进去了。交叉口模型已开发出来，但目前尚无数据可以校正。大概10月份FHWA会提供给我们一套NGVideo软件利用仿真数据校正。Ramp模型正在开发中，预计7月底8月初结束，随后开始校正。目前正在写作相关论文若干，老板同意后我会发上来跟大家一起分享。

宋涛

下面引用由thickicesong在 2006/05/29 09:51am 发表的内容：
关于各向异性中观交通仿真模型的研究，目前业已取得突破性进展。
高速路模型经美国NGSIM现场数据校正，效果非常理想，对DynaMIT和DynaSMART的改进惊奇地出现在同一点。卡车的影响也考虑进去了。

十分感谢版友thickicesong提供这些最新消息！
非常想知道，这里的“突破性进展”是指哪个方面，据我所知，使用现实交通实测的数据代入非各向异性交通流仿真模型中进行检测，结果与实际情况也是符合，我曾经询问国张红军教授，他说就是拿Payne模型作过检测，确实就是这样，也就是说非各向异性和各向异性交通流模型当输入实测交通数据时，输出结果与真实交通运行情况相差无几的。只有对于输入边界条件是一些极端情况时，诸如黎曼条件等情况，这两类交通流模型会产生一些差异。
另外，上文所说的“对DynaMIT和DynaSMART的改进惊奇地出现在同一点”具体是指哪些情况？可以说说嘛？