交通仿真

交通仿真（精选11篇）

交通仿真 篇1

智能交通的迅速发展和广泛应用有效地提高了交通基础设施的使用效率, 提高了交通控制水平并缓解了城市的交通拥堵。交通运输主管部门以试点工程建设为依托, 不断促进交通领域的信息化, 智能交通已进入协同应用和综合服务阶段。但在系统应用方面, 由于缺乏数据共享, 没有形成跨部门、多系统的综合调控机制, 交通的整体协同能力有待提升, 应急处置能力也有待强化。在此背景下, 进行区域交通协同优化控制平台的研究与建设, 充分利用交通基础数据, 构建交通运行数据仓库, 建立区域交通协同优化控制仿真模型, 实现对区域交通的动态系统优化, 能有效地解决交通控制缺乏全面、实时、持续的数据支撑问题。在技术上, 强化区域交通系统的控制, 提高交通系统的运行效率和运营服务质量, 为智能交通平台的建立提供技术支撑。

基于交通仿真的区域交通协同控制系统是专门为城市交通的管理、指挥部门开发的一套直观动态仿真、预测道路运行状况的智能交通信息化辅助决策平台。该系统应用动态交通仿真技术, 实现了区域交通的动态状态感知和智能化决策分析, 使交通管理信息能够得到更深层次的利用, 为科学的交通管理提供依据。

1 系统框架设计

1.1 系统体系构架

区域交通协同优化控制系统采用四层体系架构, 如图1所示, 将系统平稳运行所依赖的各个环节按照逻辑结构进行分层。整个系统的总体框架从逻辑角度可以分为应用展现层、业务应用层、云计算层和感知层4个层面。应用展现层主要面向系统的服务对象, 用户通过表现层提出业务申请。业务应用层的主要功能模块有:信号控制, 优化改进, 路网评价, 事件预警和交通诱导等。云计算层则包括交通仿真模型和基础网络设施等。感知层包括数据采集接入管理系统对各类基础数据进行管理。

1.2 软件结构设计

1.2.1 系统软件框架

1.2.1. 1 云计算层

基础设施层主要由分布式文件系统, 分布式空间数据库和服务器集群构成。本系统主要由服务器组成集群计算环境, 而针对本项目所要处理的数据特点, 选择了分布式文件系统和分布式数据库。分布式文件系统本实验选择了HDFS (Hadoop distributed file system) , 分布式数据库则选择了MySQL。

1.2.1. 2 业务应用层

在业务应用层, 根据模型需求构建了三个主要模块, 即实时交通信息应用系统、交通仿真应用系统和交通组织优化应用系统。

1.2.1. 3 应用展现层

应用层为区域交通协同组织与控制提供应用服务。应用层的设计应该遵循应用, 即服务 (application as a service, AaaS) 的理念, 所有的资源和功能都以服务的形式提供给用户。云服务平台门户还提供了资源和交换体系, 可以与其他系统进行数据交换和服务互操作。

1.2.2 数据设计

区域交通协同优化控制系统数据库按照统一管理, 能够满足海量数据存储及交换的数据结构, 保障系统功能组件能够准确无误地调用各种数据, 为系统安全、稳定地运行提供基础数据保障。对数据库的维护要保持数据的完整性、一致性和安全性, 同时, 数据库结构能够有效地支持业务变更及设备扩充。

1.2.3 接口设计

基于交通相关系统建设及运营效率性、信息汇集与交换的实时性与准确性原则, 应用技术能够支撑交通运输委员会、交警局及其他机关所管辖范围内的各指挥中心间的连接。在本次建设项目及未来系统的扩充过程中, 系统接口设计能够满足各项采集信息与外部系统汇集信息的需要。

1.3 硬件结构设计

区域交通协同优化控制系统的硬件设备需计算出设施装备的合理需求量, 挑选最为合适的设施装备, 在充分考虑系统的安全性、扩展性、数据可靠性等事项以后, 设计最佳的整体架构。

服务器主要由系统运营服务器、通信服务器及其他服务器构成。特别是主运营服务器和通信服务器性能对于整体的服务至关重要, 所以, 当发生故障时通过自动检测功能保障物业通信不中断, 因此, 设计时要考虑备份机制。网络结构是以TCP/IP为基础的开放式综合网络结构, 在充分考虑了技术发展动向的前提下, 建设兼容性强、易扩展的系统。

1.4 仿真平台设计

区域交通协同优化控制系统采用国内主流的交通仿真软件TransModeler。TransModeler通过数据库管理系统来管理路网等空间数据, 通过交通仿真模型和GIS的有机结合, 空间数据的存储与管理完全采用GIS数据的处理方式。TransModeler实现了微观仿真、中观仿真和宏观仿真的共享平台运行, 可依据网络范围和仿真需求来选择适合的解析度。TransModeler通过和交通规划软件平台TransCAD的联合使用, 达到将出行需求预测模型与交通仿真模型无缝集成的效果。

2 系统功能设计

系统以交通信息数据的采集、存储、分析和处理为基础, 以交通仿真技术为手段, 通过基于地理信息数据的仿真模型与交通信息数据的结合, 建立区域交通协同优化控制系统, 为交通职能部门提供动态交通网络优化、交通需求管理, 并为交通管理措施的分析评估提供技术支持。

2.1 交通流量数据采集处理子系统

该子系统采用不同的数据采集技术, 动态地采集路网的交通数据, 处理后提供给交通仿真系统, 如图2所示。数据采集技术包括传感器、视频检测、GPS和浮动车等方式, 对道路交通状态信息进行采集, 并结合现有的道路静态数据, 为仿真系统提供实时和准确的数据输入。

2.2 交通运行态势管理子系统

通过交通运行态势管理子系统可以实现实时查看当前区域交通设施的利用状况、服务水平, 包括道路拥堵程度、道路利用率、车辆运行速度、公交服务水平、停车场泊车率、交叉口延误、紧急事件和道路天气状况等。通过实时提供给决策者交通运行状况信息, 使决策者对区域交通有宏观了解, 为更好的决策提供依据。

系统能够结合历史数据和实时交通运行数据, 利用交通仿真对各种情景下交通运行状况进行动态预测, 掌握城市道路拥挤程度、平均速度、交通运行指标时空分布及变化趋势、交通供需关系时空匹配度等信息, 并对预测后的交通信息进行发布, 提前采取相应预案, 可以减少交通事故和交通拥堵发生的可能性, 提高整体交通运行效率和服务水平。

2.3 公交组织优化子系统

微观仿真系统可以模拟公共交通线路, 仿真评价因交通拥堵所导致的公交延误、准点率下降等问题。其次, 分析公交拥堵点, 模拟各种公交专用道布设方式, 如路侧专用道、路中专用道等, 通过定性与定量的手段, 设定评价指标。

通过微观交通仿真可以对不同公交系统的运营状况, 不同公交线路之间的接驳, 公交线路对城市交通现状的影响等内容进行及时监控。在城市范围内, 对不同条件、不同线路的运营进行仿真实验, 充分发挥公交优先的理念, 完善公交系统的交通组织与管理控制优化, 提高公交运营的调度效率。公交系统仿真效果如图3所示。

2.4 区域交通信号协同控制与评价子系统

交通信号优化控制有利于提高道路的实际通行能力, 对减少整体交通路网延误和停车率, 改善整个城市交通状况具有重要意义。信号控制优化目标包括延误, 停车次数, 排队长度, 通行能力, 最大绿波带宽等。通过仿真得到定量评价指标, 有效评估信号控制优化方案, 为交管部门改善信号控制, 提高通行能力提供决策支持。

区域信号控制优化包括:按照优先级从高到低对逐条干道进行协调, 将协调级低的单交叉口囊括到相近的区域信号协调;对区域内的公交经过交叉口实施优先信号控制;根据交通状态变化趋势, 提前执行主动控制方案, 避免发生交通阻塞。信号控制手段包括全感应控制, 半感应控制, 信号优先控制, 智能信号控制等多种手段。对多种信号控制优化与控制方式相结合的优化方案进行仿真分析, 通过定量评价指标对信号控制优化方案进行比较和选择, 最终选择不同时段下的最优控制方式。

2.5 交通诱导子系统

交通诱导子系统以均衡交通分配和充分利用交通路网资源为目标, 利用交通仿真对包含诱导单元所在路段综合饱和度、诱导单元下游路段综合饱和度及目标区域综合饱和度等分量构成的路网交通状态向量及计算方法进行模拟, 对智能交通诱导系统短时交通流预测, 通过电子显示屏、可变交通标志等方式实时发布诱导信息, 引导交通流。

2.5.1 诱导信息发布

诱导系统根据交通运行态势管理子系统对当前实时交通运行状态进行监控, 同时, 预测未来的交通状态。系统通过快速检测拥堵位置、持续时间和拥堵长度来引导车辆, 制定相应的应急预案, 可以尽量减少任何潜在的交通系统崩溃和车辆碰撞事故发生的可能性。发布的动态交通运行信息提供驾驶员足够的反应时间以变更车道, 或改变行驶路线等, 避免碰撞并减少拥堵程度。

2.5.2 区域交通诱导

区域范围内信号联动的目标是动态调整并协调交通流量以适应整体交通系统的通行需要。单点或小范围内交通通行效率的增加, 可以提升整体的通行效率, 但也可能造成局部路段的交通拥堵。在单点和小范围信号协调的基础上, 运用TransModeler对区域信号方案进行仿真评估, 以整体通行效率为目标进行交通诱导与交通控制联动。通过预测道路系统各个部分的交通流量, 预测交通拥堵路段;通过调整信号配时方案, 减少上游的来车量, 以最大限度地减少道路崩溃, 从而提高交通系统的效率。

2.5.3 交通事件应急处理子系统

通过对突发事件产生的事故点和事故路段进行交通仿真建模, 定量分析不同应急预案下的交通运行状况, 再现疏散场景, 对各种应急交通管理措施进行仿真评价, 从而确定最佳的疏散与救援方式。采用路段与路口交通管制、规划应急疏散通道、组织危险区车辆疏散、诱导其他路段车辆改换线路等手段, 合理组织疏散交通流, 减少疏散时间, 为突发事件的救援争取时间, 缓解由于突发事件所产生的道路交通拥堵。

3 结语

区域交通协同优化控制系统再现复杂的道路交通现象, 揭示交通流状态变量随时间、空间的变化分布规律, 及其与交通控制变量间的关系, 实现区域交通需求管理、网络化诱导、时空动态优化的协同联动控制与评价, 提升交通运行效能、缓解交通拥堵、提高道路交通安全水平、促进交通网络资源效率的提升。区域交通协同优化控制系统建设是建设城市智能交通系统的关键, 可为未来的城市智能交通系统提供服务。

摘要：提出采用基于交通仿真的区域交通协同优化控制系统, 实现区域交通运行态势的评价、公交需求管理和区域动态诱导。阐述区域交通协同优化控制系统的体系框架和层次结构, 并详细讨论交通仿真在区域交通协同控制中的应用方法。该系统的建设对于提升区域交通运行效能, 缓解交通拥堵, 提高道路交通安全具有重要意义。

关键词：交通仿真,区域交通,协同优化,系统设计

参考文献

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交通仿真 篇2

交通系统仿真技术是随着电子计算机和系统仿真技术的发展而发展起来的。在国外大体上经历了三个发展阶段tl3〕。

第一阶段，20世纪40年代末至60年代初，为诞生期。该时期的工作大多讨论的是如何进行交通流仿真，直到大约1%O年，用仿真技术研究交通流状态的可能性和可行性才得到普遍承认，并且开始开发一些交通系统仿真软件。

第二阶段，20世纪60年代初至80年代初，为发展期。该时期，发表了大量的论文和专著，主要都是关于交通流仿真方法及其模型建立的内容。与此同时，大量的交通系统仿真应用软件被开发出来，这些软件可以分为两种类型，一类以宏观交通仿真模型为基础，另一类则以微观交通仿真模型为基础。

第三阶段，20世纪80年代初至现在，为成熟期。这一时期，交通系统仿真技术在美国已经得到了迅速的发展和广泛的应用。本阶段，交通系统仿真技术的发展呈现如下特征:

①系统建模开始突破微观模型与宏观模型，出现了混合模型。一个典型的例子是由schwerdtfeger于1984年提出的DYNEMO仿真模型，采用交通流的一般关系式来描述车流运动，而将每辆车看作是一个基本单元。另外，、乞nAerde于20世纪80年代中期开发的INTEGRATION，混合使用了微观和宏观交通流模型，被认为是准微观模型。

②仿真软件开始向大型化、综合性方向发展。例如，由Hubschnelder

从1983年开始研制的MlsSION软件，既可用于高速公路，又可用于城市道路;既可用于一般的交通流仿真，又可用于公共交通系统的仿真试验。再如，由英国M琳公司开发的T班PS和美国caliper公司推出的肠anscAD软件包，都是以四阶段模型为基础，用于区域交通规划。值得一提的还有，由英国Quadstone公司从1992年开发奴它ARAMIcs，能够持100万个结点，_400万个路段，32000个区域的路网。除此之外，这一时期还研制出用于信号交叉口的CALSIG(1988年)、CAPSSI(1986年)、POSIT(1985年)、SIDRA2.2(1986年)、sIGNA乓55(1986年)、soAP一84(1984年)，用于高速公路的CoRQ以及用于乡村道路的TWOPAS等。

③研究重点从软件开发逐渐转向了系统模型的改进，包括模型的精炼，如加入优化子模型和加入有效性测定、仿真模型集成、向个人计算机移植等等。于是，己开发出的软件不断推出新的版本，比如，到1983年，sIGOP己上升为SIGOP一111;到1987年，TRANSYT已经上升为TRANSYT7F;到1985年，FREQ已上升为FREQSPE，TRARR己提出了第三版等等。

中国智能交通网

④新的计算机技术开始用于交通系统仿真，主要表现为仿真界面更加友好，人机交流更加方便。另外，计算机图形技术的应用使得仿真过

程更加透明和直观。其中一个典型的例子是德国卡尔斯鲁厄交通运输与规划公司(PTv—planungsburoTransPortandVerkehr，Karlsruhe)于20世纪80年代末开始研制并于90年代逐渐改进的系列软件，它由用于道路网交通分配的Vl一SUM一IV、用于交通需求预测的VlsEM、用于城市道路交通分析的VISSIM和用于公交线路优化的VISUM一OV四个独立的软件组成。这套软件采用了人机交互的图形化界面，特别是1994年7月推出的VlsSIM2.00版，在Windows3.1环境下运行，可以同时观察多个交叉口的交通状态。随着21世纪的到来，国外对智能交通系统JTS(IntelligentTransPo到通tionSysterms)的研究日益深入，世界各国竞相开展以ITS为应用背景的交通仿真软件的研究，并达到了道路交通仿真研究前所未有的高潮，出现了一大批评价和分析rrs系统效益的仿真软件。如西班牙TSS公司开发的AIMSUN2[‘4]，是一个交互式交通仿真模型，主要用于测试和评价新的交通控制系统和交通管理策略，但它同时又能够用于交通状况的预测以及车辆导航系统和其他实时交通信息的应用。

1.3.2国内交通仿真技术的研究现状

与国外相比，国内在道路交通系统仿真方面研究起步较晚。用系统仿真技术进行道路交通的仿真试验开始于20世纪80年代，并且主要集中在高等院校等研究机构。1984年，北京工业大学就开始了交通仿真的研究工作，在以后几年里用各种应用软件对各种交通行为进行仿真研究[l5一];同济大学在20世纪90年代，先后建立了优先控制T型交叉口车辆运行的仿真模型[22]和名为Microsim的高速公路入口匝

道交通仿真软件的对象模型[23]，并研制了相应的仿真软件;东南大学于20世纪90年代中后期进行了城市交通网络研究、城市交通实时模糊控制研究1241，提出了单路口交通实时模糊控制方法，还采用动态微观仿真方法研究了路段通行能力，考虑驾驶员、车辆、道路、环境和交通规则的相互关系对通行能力的影响，从微观角度出发建立了仿真模型125][26];清华大学交通研究所于20世纪90年代末期，在Windows平台以面向对象的设计思想开发了名为肠asimul的仿真软件，用于模拟城市平面交叉口的拥挤特性，为缓解城市平交路口的交通拥挤提供了有力工具127];西南交通大学进行了初步的交通系统仿真及在交通控制中的应用研究，利用仿真技术进行了高速公路车头间隙分布规律及其应用的研究;华南理工

大学利用交通仿真分析了信号交叉口的通行能力和服务水平[28][29];上海交通大学建立了宏观交通流分配仿真模型130]，实现了路网中的流量分配;北京理工大学开发了城市交通诱导仿真系统;天津大学利用仿真进行了交通流自组织管理控制研究[3’]，以交通流元细胞自动机模拟和仿真结果说明交通流中自组织现象并进行了理论分析和数学描述;中国科学技术大学进行了基于微粒跃动模型的趁势交通仿真研究[32〕;吉林大学在交通系统仿真方面也开展了一系列的研究，主要是用GPSS仿真语言对交叉口的交通状态进行仿真研究133]。此外，长安大学[7][34一l、西安交通大学、吉林工业大学[38]、交通部公路科学研究所等单位也开展了交通仿真方面的工作。

目前，交通仿真软件在交通工程理论研究中的应用主要集中在交通流

交通仿真 篇3

关键词：轨道交通；综合调度；分散自律调度集中系统；实验教学仿真平台

摘要：随着计算机等技术在交通运输领域的应用，要求交通运输专业人才必须掌握综合调度的技术。为了方便学生实际操作，西南交通大学建设了数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台。它以分散自律调度集中系统为核心，由调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成。并以教学平台框架结构为基础。将教学、科研与社会服务集成为一体，构建了数字化轨道交通列车调度员、助理调度员、综合维修调度员、车站值班员等综合调度指挥系统的仿真平台。实践表明，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台分散自律调度集中系统方便了学生的现场实际演练，提高了学生动手能力，具有完善的教学、科研功能和良好的社会效益，对于培养交通运输创新型、工程型专业人才具有重要作用。

中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1009－4474(2009)02－0035－04

一、综合调度实验教学仿真平台建设的意义

综合调度是轨道交通日常管理和行车指挥的核心。但在日常生活中，运输生产过程由于受各种不确定因素的影响，列车运行及铁路运输生产活动经常偏离运输计划。为了使运输生产运行状态正常化，我们必须经常分析运输生产指标的完成情况，进行车流分布预测，并根据具体的运输工作条件，调整车辆分布及列车运行。通过制定日、班计划贯彻运输调整措施，预防或消除运输生产过程中可能或已经发生的一些问题，保证车流正常分布，运输设备使用经济合理，从而使铁路运输部门按时完成或超额完成运输生产任务。

由于综合调度在轨道交通中具有重要地位和作用，使得调度指挥专业技能成为交通运输专业特色人才实践动手能力的重要组成部分。因此，在竞争日益激烈的市场中，轨道交通企业需要高校培养具有调度指挥能力的人员，这就给交通运输专业特色人才培养提出了新的要求，即要求培养的特色人才能对综合调度各方面的内容及具体实施细节有全面、深刻的认识，而要实现这一目标，仅靠课堂教学是难以完成的。这是因为综合调度过程与生产实际联系紧密，只有通过日常调度指挥训练，才能增强学生对综合调度的认识，使学生掌握调度指挥的本领。然而，在现实中运输生产单位出于安全和作业效率的考虑，学生即使在现场实习也很难有机会参与调度指挥方面的实际操作。为了解决上述问题，我们认为构建数字化综合调度实验教学仿真平台将是一种较为理想的选择。因为，数字化综合调度实验教学仿真平台不仅成本较低，所占空间较小，更为重要的是可以方便地仿真综合调度的全部过程，能为学生提供一个实践综合调度指挥的场所；它不仅可以帮助学生理解和领悟综合调度的相关理论知识，还可以满足学生动手的需求，适应了交通运输专业特色人才培养的需要。

同时，随着信息技术的发展，计算机、网络、多媒体等技术在交通运输领域的应用也越来越广泛，它将逐渐改变传统的铁路运输生产模式。这就要求交通运输专业人才应适应科技的发展，熟练地掌握先进的科学技术，特别是在运输生产中处于核心地位的综合调度指挥系统的相关信息技术，在此基础上熟练操作调度指挥系统。而综合调度实验教学仿真平台的建设为学生掌握、应用这些信息化技术提供了有利条件。同时，也为交通运输专业实验教学条件的改善和教师科学研究提供了技术保障。

二、综合调度实验教学仿真平台的基本原理与框架结构

1实验教学仿真平台的基本原理

数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台是以国内外最先进的调度指挥系统——分散自律调度集中系统为核心，根据轨道交通调度指挥的基础理论，将轨道交通综合调度指挥系统模块化、数字化，并利用计算机技术、网络技术和多媒体等信息技术建立的。而车站设备、列车运行则采用虚拟仿真技术实现。综合调度实验教学平台主要集成了车站列车接发、调车作业、轨道交通综合调度指挥，其中包括行车调度指挥、综合维修调度指挥、车站作业统计分析等功能。通过综合调度实验教学仿真平台可以让学生参与对轨道运输的组织、协调与决策的模拟仿真实训。

综合调度实验教学仿真平台设置与铁路运输生产现场保持高度一致，以达到对现场运输生产的高质量模拟和仿真。该系统采用了先进的计算机通讯技术、网络通信技术和现代控制技术，利用智能化分散自律设计原则，将同一调度区段内、同一联锁控制范围内所有车站(车场、线路所)的信号、联锁、闭塞设备纳入控制范围，通过计算机网络完成调度计划和调度命令的下达，由车站自律机按照调度计划进行自律执行，并由相应的外围设备采集铁路沿线的各种实时信息，再传送到调度集中的中央服务器，实现了列车跟踪、监督报警、运行图自动绘制、列车编组信息管理、调车作业管理、综合维修管理、列／调车进路人工和计划自动选排、分散自律控制等功能。系统具有较高的智能性，能够自动生成调度计划并依据计划自动选择适当的进路，控制相应的联锁设备动作。它能在列车运行调整计划的基础上，自动解决列车作业与调车作业在时间与空间上的冲突，实现列车和调车作业的统一控制。

2实验教学仿真平台的框架结构

数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台由综合调度中心系统、车站仿真系统和网络传输系统三部分构成(见图1)。

(1)综合调度中心系统

综合调度中心系统主要由数据库服务器、调度集中服务器、通信前置服务器、大屏显示系统、行车调度员工作站、助理调度员工作站、综合维修工作站以及局域网等设备组成。其主要功能包括：①实时监控管辖范围内列车运行状态，制定、调整和下达列车阶段计划，查阅实际运行图，下达调度命令以及与相邻区段列车调度员交换信息；②编制、调整无人值守车站的调车作业计划以及领导调车工作，根据阶段计划和调度员的口头指令进行车站调车进路的排列；③具有直接遥控车站进路和其他信号设备的按钮操作界面；④掌握线路运营情况，仿真生产和运输指挥过程；⑤具有站场和运行图显示功能，辅助计划调度完成日班计划的生成和下达。

(2)车站仿真系统

车站仿真系统主要设备包括车站自律机、车务终端、综合维修终端、电务维护终端等。其中，车站自律机是分散自律调度集中的关键设备，其主要功能包括：①接收存储调度中心的列车运行计划、调车作业计划等，并自动按计划进行进路排列，驱动联锁系统执行；②接收调度中心和本地值班员(信号员)的直接控制操作指令，经检查确认无冲突后驱动联锁系统执行；③确认进路的完整性和信号的正确性，并能对不正常情况进行处理；④能对列车及调车作业进行跟踪；⑤接收邻站的实际和计划运行图，接收调度中心和本站值班员的人工干预，调整进路及内部处理流程；⑥能对列车车次进行跟踪显示处理，可形成本站的自动报点信息。车站仿真系统不仅在纵向上能与调度中心有信息的交互，而且在横向上能与相邻车站有信息的交互。

(3)网络传输系统

网络传输系统为综合调度中心与各调度台的信息交换、车站与车站的信息交换，以及调度中心与车站之间的信息交换提供通道。因此，在实验教学仿真平台中一般采用局域网来实现。

三、综合调度实验教学仿真平台的设置

根据数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的基本原理和框架结构，实验教学仿真平台分为综合调度指挥中心和基层车站两级调度指挥层。调度指挥中心设置列车调度员仿真平台、助理调度员仿真平台、综合维修调度员仿真平台；车站仿真系统主要设置车站值班员仿真平台及车务终端等。

1列车调度员仿真平台

列车运行是运输生产活动的重要环节。列车调度员负责指挥一个区段内与列车运行有关的生产活动，对列车运行进行指挥调整是其主要的职能，助理调度员和综合维修调度员均受列车调度员指挥。学生通过列车调度员仿真平台可以监控列车运行状况，负责组织和完成列车在车站到开、会让、通过等行车作业；同时，让学生学会合理地使用车站正线、到发线、调车线，实现日班计划。在列车运行紊乱的情况下，学生可通过仿真平台调整列车运行计划，控制列车、调车进路，尽可能使晚点列车恢复正常运行秩序。另外，学生还可以通过仿真平台向助理调度员下达中间站列车摘挂计划，同时指挥综合维修调度员及时、正确地发布调度命令。

2助理调度员仿真平台

助理调度员在列车调度员的领导下，根据列车调度员下达的列车运行计划，随时监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况。必要时助理调度员可以直接操纵车站信号、联锁、闭塞设备。学生可通过助理调度员仿真平台组织指挥调度工作，并根据日班计划、列车编组、车站站存车、装卸车进度等信息，及时编制调车作业计划，然后确认、修改列车编组顺序表、车站站存车等信息，并及时向车站仿真系统传送调车作业计划和列车摘挂计划。

3综合维修调度员仿真平台

综合维修调度员在列车调度员的领导下，加强与施工调度员、电力调度员的联系，按照月度施工方案和“天窗修”计划，及时编写施工、检修等调度命令。学生通过综合维修调度员仿真平台可以根据需要编写并下达施工、检修等调度命令，同时协助助理调度员监控管辖各站列车进路和调车进路的排列情况；遇到需要人工排列的进路时，应与助理调度员执行“二人确认制度”。

4车站值班员仿真平台

车站接发列车的工作，一般由车站值班员统一指挥。在调度集中模式下，综合调度中心是调度指挥的核心，行车调度员仿真平台是指挥行车的主要平台，助理调度员通过助理调度员仿真平台、综合维修调度员通过综合维修调度员仿真平台接收相关命令，并辅助行车调度员完成相应的行车、调车作业。因此，学生通过车站值班员仿真平台可以监控列车的运行。

当调度集中设备出现故障、发生危及行车安全的情况或设备需要维修时，调度指挥脱离分散自律系统控制转为车站传统控制模式，综合调度中心不再办理列车在站的行车作业。此时，学生可通过车站值班员仿真平台办理列车在站到开、会让、通过等行车作业，学会正确合理地使用车站正线、到发线，实现列车运行计划。

四、综合调度实验教学仿真平台效果分析

数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台自建成以来，已经为我校2003级、2004级和2005级的交通运输专业本科生260余人开设了“铁路行车仿真实验”课程。课程围绕该平台开设了8个实验，包括：电气集中条件下的接发列车实验、微机联锁条件下的接发列车实验、CTC设备原理实验、列车运行调整实验、CTC情况下调车作业计划的编制、调度命令的编发实验、车站技术设备运用及作业流程实验和阶段计划编制实验。学生通过开展基于数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台的相关实验，不仅掌握了综合调度指挥的基本原理，熟悉了分散自律调度集中指挥系统，而且在实际操作的过程中大大提高了他们的实践动手能力，这对培养学生的创新能力起到了一定的作用。另外，在学生外出进行现场生产实习之前，我们就先利用实验教学仿真平台进行演练，也解决了学生在现场实习时只能观看不能动手的难题，为学生日后走上工作岗位打下了一个良好的基础。

我校数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台不仅为交通运输专业本科生提供实验课教学，还为我国大批铁路相关工作人员、客运专线运营调度人员提供了实训平台，发挥了其强大的社会服务功能。同时，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台还具有科研功能，为交通运输专业的研究生和教师深入科学研究、进一步开发轨道交通综合调度指挥系统提供了良好的研究条件。因此，数字化轨道交通综合调度实验教学仿真平台已经成为集教学、科研和社会服务于一体的多用专业平台。

城市轨道交通快、慢车仿真研究 篇4

对于城市轨道交通信号系统设计而言, 根据信号系统制式对行车专业提出的配线设置、旅行速度、行车间隔、折返间隔等进行仿真验算非常重要, 不但可以验证行车专业所提要求是否合理可行, 更可以对信号系统的设计等提出可靠的依据。

广州地铁14号线工程采取快慢车运营模式, 快车停靠部分车站, 慢车则为站站停车, 在越行车站设置快车越行线和慢车避让线。本文重点针对以下情况进行验证分析: (1) 信号系统采用移动闭塞制式并实行快、慢车运行模式下, 正线是否满足远期24列车且快慢1∶3开行比例的行车能力, 即本线路是否可满足行车组织要求的早晚高峰能力要求, 远期18对/小时慢+6对/小时快; (2) 信号系统采用固定闭塞制式并实行站站停运行模式下, 是否能实现4 min的最小追踪间隔。

1 仿真原理

本次仿真主要是运用广泛应用于以下轨道交通工程领域的Opentrack软件对广州地铁14号线列车运行的仿真。该软件能在不同的计算机平台上运行, 且能够模拟各种场景。

Opentrack仿真模拟采用连续-离散混合求解算法, 对列车运动的计算采用连续求解, 获得加速度、速度、位移等;对行车信号与调度采用离散求解, 获得信号机状态、路径占用等信息。系统在给定的基础设施条件下, 让列车依据自身动力性能, 按给定的时刻表进行运行[1]。

2 仿真过程

仿真分为模型建立、仿真模拟、数据输出三个过程。

模型建立包括对线路平纵断面、限速区段、车站站位等线路基础资料, 还包括车辆性能数据、信号机设置及进路设置等, 可为模拟建立一套精确的模型[2]。

仿真模拟的过程是在基础模型建立后, 利用软件内部牵引计算系统对全线列车运行进行实时动态模拟的过程。模拟过程中, 可动态观察列车运行速度、运行里程、加速度等多项列车指标, 并对列车越行、折返等过程做出综合评价。如图3所示。

仿真结束后, 系统可输出as<加速度、里程曲线>、vs<速度、里程>曲线、Fs<牵引力、里程>曲线、st1<区段占用情况、时间>曲线、st2<区段占用情况、时间>曲线、otsimcor<列车曲线运行图>、快慢车列车追踪间隔等30几种数据或者图形结果[1]。

3 仿真结果分析

3.1 快、慢车的行车能力

列车从嘉禾望岗往街口方向运行, 选取2组1∶3的比例快慢车。发车间隔时间依次为0min, 2.5min, 2min, 3.5min, 2min, 2.5min, 2min, 3.5min。从图4可以清楚看到第一组快车在DP (东平站) 、TH (太和站) 、ZLT (钟落潭站) 超越了前面发车的三列慢车, 第二组快车不但在前面三站超过了第二组发车的三列慢车, 还在TP (太平站) 超过了第一组发车的第三列慢车快车, 实现了快慢车有序超越。而且图4中并未出现冲突点, 快车和慢车预先定义的旅行时间得到了保证, 从而也证明了行车设置的越行站合理, 信号系统可以根据移动闭塞制式实现这种交错的快慢车运行。

在移动闭塞列车控制方式的基础上, 实行快慢车追踪运行, 快车和慢车在交汇点处存在冲突点, 快、慢车的组织也是围绕冲突点的管理来组织客运。通过明显的车次区别和线型区别, 调度员可以很清晰地在站场图界面和时刻表界面上识别出列车快慢车。

在进行快慢车运行图编制时, 往往采取单独仿真一条快车运行线, 一条慢车运行线作为基础的运行图数据, 在保证快车运行旅行时间不受影响的前提下, 按照运行图事先要求的快慢车比例, 先铺画快车运行图, 然后根据避免冲突点的原理 (在越行站设置一个慢车到达该站时刻与快车越过该站时刻的最小间隔时间T1和快车越过该站与慢车可以出发时刻的最小间隔时间T2, 保证快、慢车不在越行站产生冲突) , 不改变慢车区间运行的数据, 增加慢车在越行站的等待时间, 达到快车在越行站超越慢车, 实现有序的快慢车追踪间隔运行。

为了保证列车追踪安全运行, 这种铺画方式一般都对T1和T2取相对较大的时间间隔, 而且实际每个越行站根据越行站前后车站快车是否停车对T1和T2的选取会略有不同, 更没有动态调整的空间, 很大程度上牺牲了慢车在越行站的等待时间, 降低了地铁的服务水平。使用OPEN-TRACK进行仿真, 采用基于行车给出的运行时刻表, 可采取多次模拟仿真, 实时调整慢车停站时间, 或者快、慢车在区间的旅行时间, 逐次逼近, 在避免快慢车在越行站的冲突的基础上, 选取最优的运行图为计划运行图, 达到既保证快慢车的有序运行, 又很大程度上提高了运行的效率。

3.2 降级模式下的最小追踪间隔的实现

降级模式下的列车最小追踪间隔是衡量系统能力的关键指标之一, 也是信号系统设计重点。本次仿真以街口往嘉禾望岗下行方向为例, 使用固定闭塞进行仿真。

本次采用两列前后制式完全相同的列车以最初4 min的发车间隔进行仿真, 由图5可以清楚地看到后车的速度明显因前车的存在而受影响, 后车不能以正常速度运行至前车相同位置, 而且在TP (太平站) 、DC (邓村站) 出现了冲突点, 即后车采取了在车站等待前行列车离开安全防护区段后发车的方式来保证与前车的安全距离。经过核实, DC (邓村) ~SG (神岗) 、TP (太平) ~XH (新和) 区间距离均大于5 km, 根据固定闭塞制式原理与初步设计方案, 在长大区间采用加装信号分割点来保证固定闭塞制式下最小追踪间隔, 通过在模型上对DC (邓村) ~SG (神岗) 、TP (太平) ~XH (新和) 区间增加计轴与信号机后, 重新进行了仿真, 结果满足初步设计要求的4 min的最小追踪间隔。

根据仿真验算后的结果来布置正线轨旁设备, 不但保证了信号系统设计的能力, 而且提高了运营服务效率。

4 结论

本文通过利用OPENTRACK软件对广州地铁14号线CBTC模式快慢车能力和降级模式下固定闭塞最小追踪间隔的仿真, 能够得出一系列数据, 如列车运行图、列车时刻表、冲突检测、避让线占用率等, 这些数据不仅可以形象直观地验证行车设计是否能够实现, 避让线设置是否合理, 而且可以验证信号系统能够达到的系统性能以及优化行车运行图, 从何保证了设计的合理性。

摘要：介绍广州市轨道交通14号线的列车运行仿真, 根据行车、车辆等专业资料, 对快、慢车运营模式进行仿真分析, 特别是针对远期高峰时刻列车开行比例进行模拟仿真, 验证信号系统是否能满足不同信号制式下行车专业要求的快、慢车能力、最小追踪间隔等性能指标, 并提出合理化建议。

关键词：快、慢车,仿真,行车间隔

参考文献

[1]瑞士苏黎世联邦科学研究院北京星竹科技发展有限公司, OPEN TRACK用户手册--中文版 (1.X版) [Z].2010.

交通仿真 篇5

单路口交通灯的控制与显示电路仿真设计

在Proteus环境下进行了单路交通信号显示与控制电路的模块化设计,使用译码电路完成了单片机选择与控制电路的.设计.在MPlab环境下进行了PIC16F877单片机的编程,并通过2种软件的联合仿真分析,完成了单路口交通灯的控制与显示电路.

作 者：赵慧勇 罗永革 刘珂路 Zhao Huiyong Luo Yongge Liu Kelu  作者单位：湖北汽车工业学院,汽车工程系,湖北,十堰,44 刊 名：湖北汽车工业学院学报 英文刊名：JOURNAL OF HUBEI AUTOMOTIVE INDUSTRIES INSTITUTE 年，卷(期)： 24(1) 分类号：U463.33 关键词：单路交通信号显示   单片机选择控制   仿真  

交通仿真 篇6

关键词:PLC;组态王;交通灯;仿真控制

一、引言

组态软件又称为组态监控软件,随着工业的发展,组态软件得到了非常广泛的应用,已在电力、供水、化工、小区安防等诸多领域用作数据采集、监控及过程控制。组态软件的出现,为使用者大大地提高了便利,通过组态软件,能对控制系统进行实时监控,让使用者对系统运行状况了如指掌,特别是对系统出现紧急情况时,能及时采取措施,而这一切则是通过组态软件设计的人机界面达成的。

本文基于组态软件之一的组态王和三菱PLC编程软件,以交通灯控制系统为例,构建起系统仿真控制模型,并进行调试运行。

二、控制系统任务

随着城市化进程的加快,人们的生活水平日益提高,汽车数量也是与日俱增,这对城市的交通设施来说是一大考验,作为城市交通疏导的一大工具交通信号灯,显得尤为重要。采用PLC作为系统的控制器,是因为PLC有着可靠性高、抗干扰能力强、简单易学、维护方便等优点。

系统设计要求为:南北红灯亮并保持25秒,同时东西绿灯亮,保持20秒,20秒钟到了之后,东西绿灯闪亮3次(每周期1秒)后熄灭;继而东西黄灯亮并保持2秒,到2秒后,东西黄灯灭,东西红灯亮并保持30秒,同时南北红灯灭,南北绿灯亮25秒,25秒到了之后,南北绿灯闪亮3次(每周期1秒)后熄灭;继而南北黄灯亮并保持2秒,到2秒后,南北黄灯灭,南北红灯亮,同时东西红灯灭,东西绿灯亮,到此完成一个循环。该系统未涉及左转、右转灯设置。

三、系统设计

根据控制系统要求,建立I/O分配表如表1所示,组态王中数据库中变量必须与I/O一一对应起来,这样才能对这些I/O进行监控。

然后在组态王(KingView)6.51中,设计出交通灯控制系统的图形界面,如表1所示。

在三菱PLC编程软件GX Developer中编写好控制系统梯形图程序,在组态王数据词典中建立起与系统I/O一致的变量,这些变量的数据类型为I/O离散,其他的不需要与程序进行数据交换的变量,比如东西向汽车、南北向汽车等,这些变量类型为I/O实数。

进行组态王动画连接,将界面中各部分与数据词典中对应的变量连接起来。红、黄、绿灯由动画连接中填充属性变化得到,当条件成立时,填充对应的颜色。其中东西、南北向时间显示在PLC程序中由D10寄存器来控制,在组态王中要获得时间显示动画,则使用动画连接中的模拟值输出,将时间显示对应到变量中的D10寄存器即可。

接下来设计汽车、行人移动动画。分别将南北向汽车、南北向行人、东西向汽车、东西向行人变量的初始值和最大值进行设置。本系统中,统一设置初始值等于0和最大值等于1000,数值反应出来的是其移动的距离。在命令语言中编写如下程序:

if(\本站点东西时间显示>2&&\本站点东西红灯= =0&&\本站点东西汽车<700)

{\本站点东西汽车=\本站点东西汽车+50;}

else

{\本站点东西汽车=0;}

if(\本站点南北时间显示>2&&\本站点南北红灯= =0&&\本站点南北汽车<600)

{\本站点南北汽车=\本站点南北汽车+50;}

else

{\本站点南北汽车=0;}

if(\本站点东西时间显示>2&&\本站点东西红灯= =0&&\本站点行人东西相移动<700)

{\本站点行人东西相移动=\本站点行人东西相移动+10;}

else

{\本站点行人东西相移动=0;}

if(\本站点南北时间显示>2&&\本站点南北红灯= =0&&\本站点行人南北相移动<600)

{\本站点行人南北相移动=\本站点行人南北相移动+10;}

else

{\本站点行人南北相移动=0;}

通过命令语言来实现汽车、行人移动的动画,每执行一次该命令语言,汽车移动50,而行人移动10,数值的大小反映出来的是移动快慢的动画效果。

四、调试运行

由于是在无PLC硬件的条件下,进行模拟控制,但是三菱PLC仿真器并不能与组态王直接进行通讯,所以采用三菱OPC Server软件,作为仿真器和组态王之间数据交换的媒介。在OPC Server中建立好与I/O一致的数据名称。

系统设计好后,便进行调试运行,运行三菱PLC仿真器GX Simulator,将编写好的梯形图程序逻辑测试启动,开启OPC Server,然后运行组态王运行系统,系统运行良好,与控制要求相符,运行效果如图2所示。

五、结论

本文是在无PLC硬件条件下,基于组态王和三菱编程软件开发出的交通灯仿真控制系统,并且进行了仿真模拟控制实验,实验取得了较好的效果,为下一步进行实际硬件电路的设计作了铺垫。本文采用的这种方法可以让工程人员进行离线调试,同时还为开发PLC仿真实验平台提供了新的思路。

参考文献:

[1]姜新桥.可编程控制器应用基础[M].华中科技大学出版社,2009.

交通仿真 篇7

关键词：道路,节点,交通网络,交通延误,交通仿真,Synchro仿真系统

引言

Synchro4仿真软件是进行交通信号配时与优化的理想工具,具备通行能力分析仿真,协调控制仿真,自适应信号控制仿真等功能,并且具备与传统交通仿真软件CORSIM,TRANSYT-7F,HCS等的接口,其简单易懂,具有很高的工程实用价值。该文借鉴文献[2]的思想,首先对Synchro系统的仿真建模思想进行深刻剖析,然后针对济南市经十路与舜耕路路口,进行了实例仿真,进一步阐明其应用方法。

1 交通网络的构建

1.1 元素及属性

Synchro系统交通网络的构成元素主要有两类:圆形节点和线段,其中节点代表路口,线段表示路段(街道)。

Sychro为每个路口定义有如下属性:标识号(ID),隶属区域(Zone),周期时常(Cycle Length),控制器类型(ControllerType),位置坐标(X,Y)。

每个路段具有如下属性:道路名称(StreetName),路段双向行驶速度(Link Speed), 路段双向长度(LinkDistance),及车道数。

为方便对多个路口实现相同的控制方案设计,Synchro规定可以将几个路口的组合定义为一个区域(Zone)。

Synchro提供有相应的对话框,可以方便的实现各个属性的设定。

1.2 普通交通网络的绘制

Synchro有简单的操作按钮和菜单,可以方便的绘制出所需的交通网络图形。

1.2.1 路口的绘制

Synchro并没有提供直接绘制路口的命令和按钮,借助于绘制路段时产生的交叉点自然产生路口。路口的编号是根据其产生的先后顺次排序。但需注意,两路段首尾相接,不能产生路口,只能形成转折路段,而且转折点路段的形成也应遵循一定的角度规则。

1.2.2 路段的绘制

Synchro中对普通路网路段的绘制相对简单,可通过按钮(Add Link)或快捷键(Ctrl+A)生成绘图命令,然后用鼠标拖动即可,路段的长度及坐标可通过路段属性对话框另外修改。根据路段在交通网络中连接的路口的性质,可以分作三类:内部路段,外部路段和转折路段。内部路段是连接两个信号控制交叉口的路段;外部路段指一端为交通断面的路段;转折点路段指的是具有一定曲率的路段,即现实中存在的具有一定弧度的路段,在Synchro中是通过转折点(Bend)的概念来实现的,转折点(Bend)是一类特殊的无信号控制交叉口,该交叉口无需设置交通量、车道及配时参数。

1.2.3 车道的绘制

针对路段的三种分类,其相应的道路绘制也遵循不同的原则:内部路段的道路数主要根据其两端路口的相位划分来决定,通过设置LaneWindow对话框中的Lanes and Sharings(#RL)便设定了内部路段的车道数;外部道路的车道数设定分上行车道数和下行车道数,上行车道数是由相连的信号控制交叉口的相位设计决定,下行车道数可由路段属性对话框中的Travel Lanes参数设置;具有转折点的路段,以转折点处截断作为划分,如果路段不与信号控制交叉口相连,则系统在路段属性对话框中提供双向Travel Lanes参数的设置,而与信号控制交叉口相连的路段,则以类似于外部路段方式设置车道数。

2 仿真车辆

2.1 车辆的种类

Synchro中的仿真车类型主要分作小汽车、卡车、公共汽车和合乘车四类。每一类型的车辆又分别设计有几种子类,具体不再赘述。

2.2 车辆的产生方式

Sychro中车辆的产生方式主要有两个特点:(1)按照设定的产生概率随机产生,即通过设置各类车型的产车概率,网络将按照该值产生相应的车辆实体;(2)一次产生,循环运行,即车辆产生后,若驶出交通网络,在之后的某个时刻将再次随机于路网某个断面处产生,其ID值不变。

2.3 车辆的属性

系统为每个车辆实体设定了如下属性:车辆ID、最大车速(mph)、最大加速度(ft/s^2)、车辆长度(ft)、车辆宽度(ft)、平均载客数。仿真过程中,通过点击相应车辆可察看具体车辆的ID、车辆类型、驾驶员类型、上下游路口节点编号、即时距停车线的距离、下一路口的转向、次下一路口的转向、即时车速、即时加速度、当前所在车道等相关参数。

2.4 驾驶员属性

根据驾驶员的驾驶特性,如保守型驾驶员,冒进型驾驶员等,Synchro共定义了10种类型的驾驶员,主要分类属性参考参数包括黄灯反应时间、速度系数、礼貌度系数、绿灯反应时间、车头时距、车头间距等。

另外,Synchro提供了相应的接口对话框,用户可以自行定制仿真车及驾驶员。

3 交通信号控制的设计思想

3.1 控制方式

Synchro系统提供了两种设定控制方式的接口,其一是通过TIMINGWindow;其二通过PHASINGWindow。Synchro系统感应控制方式主要有:

(1)半感应-不协调式:主干道相位绿灯时间总保持最大值,次干道相位感应控制且可以跳过。

(2)全感应-不协调式:所有的相位都是感应式,且可被跳过或早断。

(3)全感应-协调式:该种方式下,控制器以固定周期运作。次干道相位为感应式且可被跳过或早断,且任何空余时间均被赋予主干道相位使用。

3.2 信号定时配时算法

3.2.1 周期配时算法

Synchro系统采用韦伯斯特周期计算公式进行最优周期值的计算。即:

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其中:C0=最优周期时长,单位:秒;L=周期损失时间,单位:秒;Xi=相位i的饱和度。

Synchro系统允许通过对话框接口自主输入相应的周期值。

3.2.2 绿信比确定算法

Synchro提供了相应的接口,允许自主设定各个相位的绿信比;在优化操作时,系统根据流量比进行绿信比的划分。

3.2.3 相位转换间隔时间的确定算法

即黄灯时间和红灯时间之和,计算公式如下:

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其中:

Y+AR=黄灯时间与红灯时间和;

T=司机反应时间,单位为秒,一般取1.0秒;

V=进场速度,单位英尺/秒;

a=减速率,单位英尺/秒,一般取10英尺/秒;

W=路口宽度,单位英尺;

L=标准车辆长度,单位英尺,一般取20英尺;

gr=道路等级,以%表示(上坡为正号,下坡为减号)

3.2.4 相位相序的设计

Synchro中给出了两个概念:环(Ring)和栅栏(Barrier)。环是描述按照一定顺序出现的一系列冲突相位的,分作单环,双环和多环。Synchro提供的设置接口在PHASINGwindow 下的Ring and Barrier Designer对话框里,通过设置相应的相位编号便可实现不同的相位设置方案。栅栏又称作兼容相位队列,它是在一个所有环都互锁的多环控制器单元的首选顺序的参考点。

3.3 感应信号配时算法

3.3.1 检测器的设置及使用

Synchro中提供了四种基本的检测器设置方案,分别是SGTLDA(长检测区域短间隔设置方式),NDSB(停车线无检测器方式),CODSB(停车线检测器只响应式设置),T3DSB(停车线3型检测器设置)。另外,还有一种SED(系列扩展检测器设置方式)。

3.3.2 感应控制原理

见图1,其中各参数意义如下:

Gmin——初期绿灯时间,Gmax——绿灯极限延长时间

Ttest——绿灯延长步长;Gw——步行时间;

Gwc——行人清空时间;Ty——黄灯时间;

TR——红灯时间;●感应控制器即时作用时刻

感应信号调节的工作原理如图1所示,可描述为:感应控制器预设初期绿灯时间(Gmin)和绿灯极限延长时间(Gmax),控制器运行到初期绿灯时间结束时,根据检测器测到的交通流数据实时控制绿灯的变化。如果在一个预置的时间间隔内无后续车流到达,则变换相位,如检测到有车辆到达,根据检测得到的车辆数多少,改变绿灯延长时间,若总绿灯时间超过极限延长时间(Gmax)则强行转换相位。

3.4 信号优化方案

3.4.1 优化逻辑

Synchro 系统包含一系列的优化函数,以单路口为例,其优化逻辑步骤如下:

Step1:进行单个路口的信号配时,优化绿信比和周期时长;

Step2:交通网络子区划分,将整个交通网络划分为多个子系统(可选);

Step3:优化周期时长;

Step4:优化相位差和相位顺序;

3.4.2 路口周期时长优化思路

Synchro把交叉口可独立运行的最小可接受周期时长定义为自然周期长度,该值满足下列三个条件之一:

A、能够放行关键百分比车流的最短周期时长;

B、具有最小性能指标的周期时长,如果该最小性能指标周期小于A中的周期,该种选择主要用于路口车流过饱和的情况;

C、若无周期能满足放行关键百分比交通量,但是较短周期时长能够实现令人满意的v/c比率,则可以采用该较短的周期时长。

3.4.3 路口绿信比的优化思路

优化绿信比时,Synchro首先给出足够的绿信号时间以满足90th百分比的车道组流量,如果没有足够的周期时间满足要求,则尝试满足70th百分比的交通量需求,然后是50th百分比流量要求。

3.4.4 相位差优化思路

由于相位差牵涉到多个路口之间的协调,所以在Synchro中称为网络相位差(Network Offsets),且Synchro规定必须在周期时长确定之后,才能进行相位差的优化操作。

4 控制方案的性能评价指标

介绍Synchro中几个主要的性能指标的计算方法。

4.1 停车延误

Synchro提供了两种延误计算方法供选择,分别是韦伯斯特法和百分比法,其计算公式分别如下:

4.1.1 韦伯斯特延误计算公式

Synchro沿用的是美国公路局1997年的《公路通行能力手册》中的计算公式

D+D1*DF+D2+D3 (3)

其中:

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PF=协调延误/非协调延误,称作步进系数;

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D3=冗余需求延误,由仿真分析起始现存队列引起,该参数在Synchro中并不使用。

C=周期时长(单位:s)

T=分析间隔,单位:小时,Synchro中一般取0.25;

g=有效绿灯时间(单位:s)

X=交通量与通行能力之比,(v/c)

c=通行能力(vph)

k=增量延误系数,取决于控制器性质,对定时或近饱和控制器,一般取0.5;

I=上游交通量过滤系数,对孤立路口取1.0;

4.1.2 百分比延误计算公式

Synchro采用了五种百分比场景,即90th,70th,50th,30th和10th。以90th百分比场景为例,所谓90th百分比场景即如果观察100个周期,90th场景为第90个最繁忙的周期,余者依次类推。

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其中:(P=10,30,50,70,90)

D1=平均百分比延误;

VDP=Pth每小时百分比车辆延误;

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vP=Pth百分比流率(vph),其计算公式如下(见表1),

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4.2 停车次数计算思想

Synchro中停车次数的计算类似于停车延误的计算,其主要通过统计车辆延误来计算停车车辆数。Synchro规定小于10秒延误的车辆并不完全停车。具体参数参见下表2。

4.3 燃料消耗及废气排放

4.3.1 燃料消耗计算公式

Synchro采用的燃料消耗公式如下:

F=TotalTravel*K1+TotalDelay*k2+Stops*k3 (9)

其中:

k1=0.075283-0.0015892*Speed+0.000015066*Speed∧2 (10)

k2=0.7392

k3=0.0000061411*Speed∧2 (11)

F=燃料消耗,单位加仑;

Speed=巡行速度,单位mph;

TotalTravel=车辆行驶的距离,单位:英里;

TotalDelay=总信号延误,单位:秒;

Stops=总停车,单位辆/小时。

4.3.2 废气排放量计算公式

废气的排放与燃料的消耗紧密相关,具体计算公式如下:

一氧化碳:CO=F*69.9g/gal(g) (12)

氮氧化物:NOx=F*13.6g/gal(g) (13)

挥发性氧化物:VOC=F*16.2g/gal(g) (14)

其中:F=燃料消耗(gal)

5 报告生成

通过选择菜单File→Create-Report命令按钮,然后选择SELECT REPORTS命令窗口,在该窗口便可选择预打印的内容。

6 仿真实例应用

下面以济南市经十路与舜耕路路口为研究对象,以2006年6月21号7:27-7:37AM的交通流量数据,对现有方案与优化方案分别进行仿真对比。

6.1 仿真环境的建立

6.1.1 根据统计数据得到该路口的拓扑结构图

6.1.2 调用LANEWINDOEW对话框,输入道路参数

6.1.3 调用VOLUMEWINDOW,输入交通量参数

6.1.4调用Ring and Barrier Designer对话框,设置相位相序

6.2 仿真

根据上述参数设置,先进行优化前控制方案仿真,后进行配时优化后控制仿真,分别生成仿真报告,并对仿真结果进行对比,列表如表3。

6.3 仿真结论

通过仿真参数对比,可以看出,信号优化之后的控制效果得到明显的改善,所以应采取新的信号配时方案。

7 总结

通过对Synchro系统的仿真原理的剖析及仿真应用实例,可以看出,该软件能很好的满足信号配时评价任务,其仿真结果对交通管理者而言具有极高的参考价值。但限于篇幅,Synchro系统的分析不能面面俱到,其它相关内容如与数据库的连接实现,与其他仿真软件接口的实现,以及纠错功能等将在后续文章中介绍。

参考文献

[1]TrafficwareCorporation.ManualofSynchro4[Bild219].Email:synchro@trafficware.com.

[2]张立东,贾磊等.城市交通仿真系统(UTSS)的实现[J].系统仿真学报,2006,18(7):1870-1874.

[3]朱文兴,贾磊.主干路交通信号控制仿真研究[J].系统仿真学报,2005,17(12):3060-3-64.

[4]裴玉龙,张亚平等.道路交通仿真系统[M].北京:人民交通出版社,2004.

综合交通客运枢纽系统的三维仿真 篇8

当今社会, 城市化发展日益加快, 伴随而来的交通问题日趋突出。为了解决交通枢纽造价高昂、工程复杂、实施工程投资大、建成后不易再进行大规模修改等问题, 各类基于人工智能的二维交通仿真系统相继出炉。但是二维仿真的非直观性和专业性, 很大程度地限制了使用者的范围。而三维仿真的直观性和不可比拟的视觉效果, 使仿真系统更加完整, 极大地提高了仿真系统的可使用程度。

笔者结合“综合交通客运枢纽功能与结构数值实验系统”的开发过程, 实现了仿真系统中三维仿真的各项功能。

1 研究现状

近年来, 交通仿真在仿真算法方面已经有了重大的发展, 实现了在多种平台下的众多交通仿真算法、交通流统计和交通分析方法。但交通仿真技术仍不完善, 大多数交通仿真都是针对特定的交通枢纽, 输入一定参数后进行特定交通枢纽的仿真, 对于其他交通枢纽则并不适用;为达到仿真的真实性和有效性, 交通仿真前一般要进行大量的参数设定, 对于实际情况而言, 很多数据是无法准确获得的。交通枢纽在大多数交通仿真软件中, 三维仿真输出界面和人机交互界面一直比较粗糙, 几乎全部采用不同颜色的简化长方体来表示各种车辆、行人和交通设施, 缺乏对交通枢纽中场景的有效设置和直观显示, 这样的显示效果很难说是真正意义上对现实交通枢纽的三维仿真[1]。

目前, 三维仿真系统多采Direct3D、OpenGL、3ds max等技术, 这些技术可有效地进行交通枢纽设施的仿真。3ds max可以制作出精美的三维模型, 而Direct3D提供的完整有效的图形函数也可供用户构建三维模型, 更支持外部模型的调用[2]。因此, 与二维仿真系统比较, 三维仿真系统在场景精美、场景布置灵活、人物仿真细腻、仿真操作简单、仿真效果逼真等方面就显得优势突出。

2 仿真系统概述

综合交通客运枢纽功能与结构数值实验系统是实现仿真与分析功能的实验平台, 主要包括仿真建模、二维仿真、分析实验以及三维仿真四大模块。仿真建模模块主要实现仿真系统的场景建模工作, 分析实验模块主要完成数据的分析及数据处理功能, 而二维仿真和三维仿真同步实现了本仿真系统的各项仿真功能、完成各类仿真效果。

在综合交通客运枢纽功能与结构数值实验系统中, 三维仿真系统只具有建模和仿真功能, 不具备分析功能。但是三维仿真系统却与二维仿真系统紧密联系, 在仿真的过程中, 三维仿真系统通过二维仿真系统实时传送的仿真数据, 进行三维仿真, 达到二维仿真与三维仿真的同步[3]。

三维仿真系统的主要目的是给予使用者以最直观的视觉效果, 因此需要实现以下目标:建立虚拟场景模型;布置三维场景;保存二维数据、三维模型;根据参数和二维仿真数据, 实现车辆、行人在场景内的运动;实现截图等辅助功能。三维仿真系统的功能与导入流程如图1所示。

3 三维仿真系统的实现过程

3.1 数据结构设计

XML格式文件作为数据存储介质是三维仿真中比较流行的存储方式。XML (eXtensible Marku Language) 语言是SGML语言的子集, XML语言系统不仅能够表示文档的内容, 而且可以表示文档的结构。而对于XML文本的读取, 微软提供了1个XML语法分析器, 名为msxml.dll的动态链接库。 使用XML格式文件有3个好处, 首先XML格式便于理解, 即使不打开仿真系统, 同样便于使用者对数据进行手动录入和修改;其次, XML文件比数据库系统更容易部署, 并且增加了系统的移植性能;最后, XML是独立的文件, 便于复制多个副本, 方便调用各种配置、框架和行走方案[4]。

1) 系统设置。

包括摄像机移动速度, 系统仿真采样速率等。例如: <root> <timestep>5</timestep> <camspeed>2</camspeed> </root>。root节点是根节点, 它包含所有节点。timestep节点是设置仿真系统采样频率, 以秒为单位。数据越小, 三维仿真的播放速度就越快。camspeed节点是用户在漫游状态下, 控制摄像机的移动速度。数值越大, 速度越快。

2) 模型信息。

包括三维模型, 图片, 广告板的原文件名称, 存储路径, 三维位置信息, 缩放信息, 转向信息等。例如: <root> <mapset>1 <mapname>room.x</mapname><Scale>1.07</Scale>等等。其中mapset代表三维模型集合。用数字作为标识, 从1开始, 依次累加。Scale代表缩放系数, 它控制模型大小的放缩比例。还可以定义模型围绕X, Y轴旋转的角度、模型在空间的X、Y、Z坐标等。利用这种方式不仅可以存储模型数据, 也可以存储图片数据。

3.2 三维仿真前的建模准备

对于交通模拟仿真系统, 进行仿真的前提就是建立与真实交通枢纽相一致的场景环境, 这样进行的仿真才具有真正的实际意义, 仿真的数据才具有真实性和可用性。因此在进行三维仿真之前, 就必须准确地建立好仿真的场景界线、场景设施以及各类仿真模型。

3.2.1 三维仿真系统的边界绘制

为了准确反映真实交通枢纽场景中的环境, 就必须严格按照一定比例进行场景界线的绘制[5]。利用Auto Cad软件准确制作交通枢纽的平面图, 制作完成后作为仿真的场景, 并将仿真场景轮廓信息以点、线段、圆半径等元素的形式保存于指定的建模文件中。三维仿真前, 首先读取建模文件中交通枢纽的三维仿真边界信息, 然后使用Direct3D的绘图技术, 将点、线段、圆半径以特定比例绘制到三维坐标系中, 以便以后在指定边界区域进行三维模拟仿真。

由于Direst3D定义的6种基本图元中, 没有对圆形的绘制方法, 因此对于仿真中出现的圆形场景的绘制, 本系统采用的是利用三角形近似模拟圆形的方式进行近似处理的。如图2 (a) 所示, 由于Direct3D提供了对三角扇形的绘制方法, 所以可以通过对三角扇形的绘制, 使连续的三角形形成1个圆周, 形成多边形, 如图2 (b) 所示。当多边形的边数足够多的时候, 可以近似的看作圆形。式中:OA=r, O为数据库存储的圆形场景的圆心;r为数据库存储的圆形场景的半径。

三维仿真系统的交通枢纽的边界效果如图3所示。通过对交通枢纽场景轮廓信息的导入, 可以将交通枢纽的场景边界、设施位置边界、场景层次清晰的展现于眼前。

3.2.2 三维仿真的模型制作

如果三维场景的准确绘制可以为交通枢纽仿真提供精确的仿真界线, 那么场景中设施的准确铺设, 才是对三维仿真场景的真正模拟。

如果单凭代码来绘制所有交通设施的三维模型, 显然是不切实际的。复杂的三维模型 (如车辆、行人等) 通常要用专门的三维建模软件来制作。先利用如3ds Max、Maya等三维建模型软件制作出复杂的三维模型, 保存到相应的模型文件中, 然后利用三维图形开发接口再将保存在文件中的模型加载到程序中进行显示[6]。

针对交通枢纽的三维模拟仿真, 相关交通设施的三维模型必不可少, 包括地板、售票台、行人等, 采取*.X格式进行存储, 则可以通过Direct3D功能扩展库函数D3DXLoadMeshFromX () , 从*.X文件中提取多边形信息 (包括顶点坐标、颜色、法向量、纹理信息等) , 生成网格模型, 然后载入材质纹理[7]。

通过加载*.X文件, 并对加载的三维模型进行位置、大小等参数的控制, 可以实现对三维场景随心所欲的布置, 不但提高了场景的真实感, 而且使得仿真更加的人性化。如在框架SprayVehicle.cpp的函数void CSprayVehicle::AnimateUserControl () 中添加if ( GetKeyState ( 'J' ) < 0 ) {

m_vCurPos.y-=0.1f*m_CSpeed;m_Target.y=m_vCurPos.y;}, 与键盘输入交互, 此例是使三维模型在按动“J”时, 以一定的速率沿坐标Y轴上升。同样方式, 可以使三维模型沿X轴、Z轴移动, 也可使三维模型沿X轴、Y轴、Z轴进行缩放等变换。

通过对各种交通枢纽设施如地板、售票台等的布置, 最终达到对仿真场景的完善。完善场景布置效果如图4所示。

对于交通枢纽的仿真, 真正的主体当然是行人的运动仿真, 因此对行人动画模型的制作十分重要。为了在三维仿真中, 体现形态各异的人物, 需要制作出大量的各类人物动画模型。制作好各种行人的模型后, 三维仿真系统根据蒙皮骨骼动画原理, 可以自定义1个函数ConPeo (IDirect3DDevice9* pd3dDevice) , 按照三维仿真系统的需要, 在函数体中灵活的初始化行人的形态、位置等信息。制作出的行人动画效果, 可以有效的仿真交通枢纽中的人物。使人物在交通枢纽中动起来, 可以更加逼真的模拟行人在交通枢纽中的运动情况。通过变换人物视角, 更可以使使用者有种身临其境的真实感。人物动画效果如图5所示。

3.3 三维仿真系统中行人的仿真实现

在交通模拟仿真系统中, 需要二维与三维仿真同步模拟。二维仿真系统与三维仿真系统建立连接后, 二维仿真系统实时地向三维仿真系统中传输三维仿真所需要的各类仿真数据, 比如行人行走的坐标等。三维仿真系统接受了二维仿真系统的实时仿真数据后, 立即更新相关行人或设施的数据, 形成动画效果, 完成三维仿真。利用这种方式, 不但节省了三维仿真中对行人及相关移动设施运动轨迹的计算, 而且实现了二维仿真与三维仿真的实时同步, 使二维仿真效果可以及时的在三维仿真中得以体现。

基于二维仿真和三维仿真同步的角度, 三维仿真中的行人行走的坐标并非三维模块自行计算得到, 而三维仿真中行人的行走坐标完全由二维仿真实时提供。这样就产生了新的问题, 因为在二维仿真中, 行人的坐标全部在同一高度上, 而三维仿真中, 行人要运动在不同高度的楼层和设施中。虽然二维仿真场景均在同一平面内, 但是对于真实场景中不同高度的楼层及设施全部能在二维仿真场景中的不同区域得以显示, 并且将真实场景中不同楼层和各个设施的高度一一存储于数据库中。为了解决三维仿真中显示不同高度的问题, 在三维仿真中的行人就必须时时判断自己所在二维仿真场景中的区域, 根据行人所在不同区域, 为行人添加不同的高度, 以此来实现行人在不同高度上的行走仿真[8]。

为了判断行人是否进入了某一特定区域, 如图6所示, 判断行人是否进入了区域m, 不能用区域的4个顶点判断。假设行人坐标为 (X, Y) , 4个顶点坐标分别为 (XA, YA) 、 (XB, YB) 、 (XC, YC) 、 (XD, YD) , 如果单纯利用XA<X<XC和YC<Y<YA来判断, 显然判断的是图中虚线的区域, 极大地降低了仿真的准确性。因此必须使用直线划分区域的方式判断行人坐标是否进入了指定区域。如果AB、BC、CD、DA所确定的直线方程分别为:a1x+b1y+c1=0、a2x+b2y+c2=0、a3x+b3y+c3=0、a4x+b4y+c4=0, 则利用 (-b1Y-c1) /a1<X< (-b3Y-c3) /a3并且 (-a2X-c2) /b2<Y< (-a4X-c4) /b4来判断行人是否进入特定区域m, 就十分准确了。

当行人行走在二维仿真中的不同区域时, 根据当前行人的坐标可以判断其所处的不同区域, 进而可以根据数据库中此区域的高度值, 判断出行人所属的高度, 从而实现行人在三维场景中不同高度的显示。

但是, 在交通枢纽中并非所有区域的高度均为定值, 如不同楼层具有特定高度。一些设施的高度是随着位置的变化而改变的, 如楼梯所在的区域。当行人行走在楼梯所在的区域上时, 行人的行走高度随着坐标的改变而不断变化, 因此不能给行人指定固定高度, 必须使行人的坐标不断进行变化[9]。如图7, 是楼梯的示意图。假设楼梯的斜率为k, A点为行人的二维坐标 (不含高度的坐标或者高度坐标是楼梯的底面所在高度) , 直线l为楼梯的边界直线, 则A点与直线l, A点到直线的距离为d, 则行人的所在楼梯当前的高度为h=kd。式中:d是包含行人二维坐标的函数。因此高度h是由行人二维坐标确定的函数, 随二维坐标的变化而时时发生改变, 进而实现了行人沿着楼梯行走。

解决述问题后, 可以准确地实现行人在三维交通模拟仿真场景中的行走仿真。图8是三维仿真系统中行人在仿真场景中行走的效果。

三维仿真的过程中未必总是需要显示全局的地图信息, 三维仿真系统应该支持局部显示功能。地图的局部显示是通过缓冲区机制完成的。首先建立一个绘制缓冲区, 利用这个缓冲区初始化所有地图相关信息, 包括*.X文件以及图片文件, 但是前台 (也就是屏幕) 不给予显示。将所有所需要的信息加载完毕后, 再根据特定显示范围进行绘制, 以显示在前台。行人的局部显示的原理与地图的局部显示基本相同。只是行人在后台初始化后, 根据二维仿真传输过来的数据, 包括行人显示的特殊区域和每个行人实时位置, 在后台进行计算和存储。然后再根据二维传输的特定显示区域范围, 在这个范围中进行行人仿真显示。图9所示为局部显示效果。

局部显示不但可以有效减少使用者在全局地图中的遍历时间, 更可以有针对性地给出仿真效果。使用者可以根据自己的需要, 在二维仿真平面选取自己感兴趣的仿真局部, 二维仿真系统将捕获到的特定区域数据实时传送给三维仿真系统, 三维仿真系统则自动切换到使用者指定范围。

4 结束语

将Direct3D程序、OpenGL、3ds Max等三维模拟仿真技术综合运用于同一个三维仿真系统中, 可以回避各个三维模拟仿真技术的缺陷、充分发挥各种三维模拟仿真技术的优势, 进而极大地增加了三维仿真效果的真实感。对于交通枢纽模拟仿真而言, 曾经用简单几何图形代表各种元素作为粗糙的输出界面的状况, 得到了彻底的改变, 取而代之的是精美的仿真场景、随心所欲地对仿真场景的布置、细腻的人物仿真、逼真的三维仿真效果等, 从而直观而细致地展现了交通枢纽中行人的行走、避让以及排队过程, 直观而准确地反映了交通枢纽内客流量随时间变化的整个过程, 直观而有针对性地反映了交通枢纽中各个局部内行人的密度, 直观而迅速地反映了交通枢纽中某一时间内的客流瓶颈状况。这些三维仿真的优势, 在综合交通客运枢纽功能与结构数值实验系统中得到了充分地体现。

参考文献

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[2]Adams J, 刘刚, 译.DirectX高级动画制作[M].重庆:重庆大学出版社, 2005

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[4]胡朝晖.利用MSXML解析XML文本[J].电脑编程技巧与维护, 2001 (5) :14-18

[5]郭兆荣, 李菁, 王彦.Visual C++OpenGL应用程序开发[M].北京:人民邮电出版社, 2006:67-70

[6]点智文化.3ds max9.0四库全书[M].北京:电子工业出版社, 2008

[7]王德才, 杨关胜.孙玉萍.精通DirectX 3D图形与动画程序设计[M].北京:人民邮电出版社, 2007:109-169

[8]盛磊, 于晓波.用Direct3D描绘运动物体的轨迹[J].微计算机信息, 2007 (34) :310-314

交通仿真 篇9

列车运行仿真系统可以快速、准确地计算列车运行过程, 为线路工程设计、运营管理人员提供强有力的辅助分析、设计与决策工具, 具有重要的现实意义。现有的城市轨道列车运行仿真系统主要是针对单列车的牵引计算, 用于分析列车区间运行的时间、状态和能耗等数据, 部分研究涉及了多列车运行过程的模拟, 但对于由多交路、多种发车间隔、多种停站方案所构成的列车开行方案运行过程仿真却很少涉及。然而, 城市轨道交通的开行方案会随城市客流量及客流特征的时段变化而调整, 运营管理人员更注重分析开行方案的效率及其与客流特征的匹配情况, 因此, 简单的仿真单列车或多列车的运行过程已经不能满足实际要求, 需要针对开行方案时段内的列车运行仿真问题展开研究。

国外的列车运行仿真系统已经比较成熟, 如德国的RailPlan[1], 瑞士的OpenTrack[2], 日本的UTRAS[3]等, 这些系统已成功应用到这些国家的铁路运输部门中, 取得了良好的效果。国内方面, 刘剑锋、刘海东等[4,5]研究了城市轨道交通多列车运行模拟的关键问题, 开发了可用于多列车运行模拟、牵引计算、方案评价的模拟系统, 该系统可用于分析不同闭塞方式对列车运行的影响, 计算列车安全间隔和线路通过能力等。

本文介绍了列车开行方案的构成要素, 讨论了单交路计算情况、多交路计算情况、发车时间协调控制、变发车间隔时间的仿真和开行方案间的平滑过渡等问题, 以此为基础, 设计了仿真系统的总体流程, 并通过算例验证了系统的有效性。仿真列车开行方案的运行过程, 可优化城市轨道交通系统的运输组织方案, 对提高运营的安全性、可靠性和合理性具有重要意义。

1 问题分析

列车开行方案包括列车编组方案、列车交路方案、列车停站方案和行车间隔4部分内容。列车编组方案规定了列车的编组辆数和编组形式;列车交路方案规定了列车的运行区段与折返车站;列车停站方案规定了列车是站站停车还是非站站停车, 以及非站站停车的方式;行车间隔规定了按不同编组、交路和停站方案开行列车的行车间隔时间。可用表1来表示列车开行方案的组成。

为满足客流特征在1 d内不断变化的实际情况, 城市轨道交通在1 d内往往采用多个开行方案来满足不同时段的客流特征需要, 因此, 轨道交通的日开行方案实际是由多个按时间顺序先后执行的列车开行方案组合而成, 见图1。

全天列车开行方案运行仿真问题, 就是按时间先后顺序执行不同的开行方案, 并考虑每个开行方案中多种交路、多种行车间隔、多种停站方案情况下的各次列车的完整运行过程。考虑到列车编组方案对列车运行仿真影响不大, 故而在此进行了忽略。

2 多列车追踪运行的计算模型

牵引计算理论是列车运行仿真的基础, 在仿真列车开行方案前, 有必要先建立多列车追踪运行的计算模型。为提高计算精度, 这里采用文献[6]中所述的多质点优化模型来计算列车运行过程中的单位合力ci, 然后根据牛顿定律, 得到如下基本迭代计算公式:

$\{\begin{array}{l}a{}_i=127\times c{}_i/(1+\gamma )\\ S{}_{i+1}=S{}_i+v{}_i\times \text{Δ}t+a{}_i\times \text{Δ}t{}^2/2\\ v{}_{i+1}=v{}_i+a{}_i\times \text{Δ}t\end{array}(1)$

考虑到乘客乘座的舒适性, 计算过程中设置了最大允许加速度、最大允许减速度和加速度最大允许变化率等3个参数来限制列车的变速过程, 防止列车速度在短时间内剧烈变化。即

$\{\begin{array}{l}\left|a{}_i\right|\le \{\begin{array}{l}a{}_{\text{a}\text{d}\text{d}}(a{}_i\ge 0)\\ a{}_{\text{m}\text{i}\text{n}\text{u}\text{s}}(a{}_i\le 0)\end{array}\\ \left|a{}_{i+1}-a{}_i\right|\le W{}_{\text{p}\text{e}\text{r}\text{m}\text{i}\text{t}}\end{array}(2)$

式中:aadd为最大允许加速度;aminus为最大允许减速度, Wpermit加速度最大允许变化率。

另外, 根据移动闭塞下的列车运行控制原理可知, 前后列车之间的间隔必须满足安全距离要求, 即:S${}_i^k$-S${}_i^{k-1}$≥Ssafei。式中:Ssafei为在i步长时刻, 前后2列车之间的最小安全距离。

同时, 考虑到行车安全, 若前行列车因故在区间内 (未到达车站处) 停车, 则后行列车不得再向该区间发车, 直到前行列车重新启动时为止, 即:若v${}_i^{k-1}$=0且Sm<S${}_i^{k-1}$<Sm+1, 则S${}_i^k$≤Sm。式中:Sm为第m个车站中点位置的桩号。

综合以上讨论, 以最快速控制策略为基础, 本文建立的多列车追踪运行计算模型如下:

目标函数:$\min {\rm T}{}^k={\displaystyle \sum _{i=1}^n\text{Δ}}t$

约束条件:

$\{\begin{array}{l}S{}_i^k-S{}_i^{k-1}\ge S{}_i^{\text{s}\text{a}\text{f}\text{e}}\\ v{}_i^k\le v{}_{\text{限}\text{速}}(S{}_i^k)\\ a{}_{i+1}^k=127\times c{}_i^k/(1+\gamma )\\ S{}_{i+1}^k=S{}_i^k+v{}_i^k\times \text{Δ}t{}^k+a{}_{i+1}^k\times (\text{Δ}t{}^k){}^2/2\\ v{}_{i+1}^k=v{}_i^k+a{}_{i+1}^k\times \text{Δ}t{}^k\\ \left|a{}_i^k\right|\le \{\begin{array}{l}a{}_{\text{a}\text{d}\text{d}}(a{}_i^k\ge 0)\\ a{}_{\text{m}\text{i}\text{n}\text{u}\text{s}}(a{}_i^k\le 0)\end{array}\\ \left|a{}_i^k-a{}_{i-1}^k\right|\le W{}_{\text{p}\text{e}\text{r}\text{m}\text{i}\text{t}}\\ S{}_i^k\le S{}_m(v{}_i^{k-1}=0\text{且}S{}_m<S{}_i^{k-1}<S{}_{m+1})\\ v{}_1^k=v{}_n^k=0\\ \text{Δ}t{}^k=t{}_{i+1}^k-t{}_i^k\end{array}(3)$

式中:k为第k列车;Δtk为第k列车的步长时间, s;v${}_i^k$为第k列车经过i个步长后的速度值, m/s;v限速 (S${}_i^k$) 为第k列车在位移Si时的限速值 (m/s) ;S${}_i^k$为第k列车经过i个步长后的位移值, m;c${}_i^k$为列车k在i个步长后的单位合力值, kN;γ为转动惯量系数, 一般取0.06;n为列车完成全程运行所需要的步长数。

3 单方案运行情况分析

单方案运行情况如图1所示, 每个列车开行方案由n (n≥1) 个交路组成, 每个交路规定了其运行区间、编组方案、停站方案和行车间隔时间, 因此, 单方案情况下需要仿真线路上按不同交路要求开行的列车运行过程, 并处理好不同交路列车在运行时的相互协调问题。

3.1 单交路情况

单交路情况时, 列车运行除需要满足上述多列车追踪运行的各项约束条件外, 还需考虑列车停站、行车间隔和列车折返3个问题。设交路j中规定行车间隔为hj (hj≥h线路, h线路为线路的追踪列车间隔时间) , 上下行方向车站m的停站时间分别为t${}_{\text{站},\text{上}}^{j,m}$、t${}_{\text{站},\text{下}}^{j,m}$, 列车折返时间分别为t${}_{\text{折},\text{上}}^j$、t${}_{\text{折},\text{下}}^j$, 则单交路情况的约束条件可描述如下:

1) 停站时间约束。若交路j的第k列车停靠在m车站, 则第k列车的停站时间必须大于等于t${}_{\text{站},\text{上}}^{j,m}$ (t${}_{\text{站},\text{下}}^{j,m}$) 后, 才能启动运行。

即当S${}_{j,\text{上}}^k$=Sm, 上 (S${}_{j,\text{下}}^k$=Sm, 下) , 且Ti-AT${}_{j,\text{上}}^{k,m}$≥t${}_{\text{站},\text{上}}^{j,m}$ (Ti-AT${}_{j,\text{下}}^{k,m}$≥t${}_{\text{站},\text{下}}^{j,m}$) 时, 第k列车才能继续前行。

式中:Ti为仿真时间;AT${}_{j,\text{上}}^{k,m}$ (AT${}_{j,\text{下}}^{k,m}$) 为交路j中上行 (下行) 方向第k列车抵达m车站的时间。

2) 行车间隔约束。即交路j的上行 (下行) 方向中第k列车和第k+1列车的发车间隔时间必须大于等于hj。即:

$\begin{array}{cc}B{\rm T}{}_{j,\text{上}}^{k+1}-B{\rm T}{}_{j‚\text{上}}^k\ge h{}_j& \\ B{\rm T}{}_{j,\text{下}}^{k+1}-B{\rm T}{}_{j,\text{下}}^k\ge h{}_j& \end{array}(4)$

式中:BT${}_{j,\text{上}}^k$ (BT${}_{j,\text{下}}^k$) 为交路j的上行 (下行) 方向中第k列车的发车时间。

3) 列车折返约束。当上 (下) 行方向的列车到达交路运行区间的终点时, 须经过一个上 (下) 行列车折返时间后, 才能进入下 (上) 行方向的待发车队列。即

式中:S${}_{\text{终}‚\text{上}}^j$ (S${}_{\text{终}‚\text{下}}^j$) 为交路j运行区间在上行 (下行) 方向的终点桩号;ET${}_{j‚\text{上}}^k$ (ET${}_{j‚\text{下}}^k$) 为交路j中上行 (下行) 方向第k列车抵达终点的时间;N${}_j^{\text{上}}$ (N${}_j^{\text{下}}$) 为上行 (下行) 方向备用列车数。

3.2 多交路情况

对于多交路运行情况, 除需要考虑单交路的各种约束外, 还需考虑线路的通过能力和交路间的相互协调问题。设方案由n (n≥1) 个交路组成, 各交路规定的行车间隔为hj (j=1, 2, …, n) , 多个交路将线路全线按运能不同划分成了Sn个区段, 分别为S1, S2, ..., Sn, 覆盖区段Si的交路有mi个, 分别为j1, j2, ..., jmi, 其规定的交路行车间隔时间分别为hj1, hj2, ..., hjmi, 则区段Si的实际行车间隔时间为

$h{}_{\text{实}\text{际}}^i=\frac{{\displaystyle \prod _{j=j{}_1}^{j{}_{mi}}h}{}_j}{{\displaystyle \sum _{j=j{}_1}^{j{}_{mi}}\left(\left({\displaystyle \prod _{k=j{}_1}^{j{}_{mi}}h}{}_k\right)/h{}_j\right)}}(6)$

1) 线路的通过能力约束。对于多交路情况, 要求线路上的最小行车间隔时间不得小于线路的追踪列车间隔时间。即:

min{h${}_{\text{实}\text{际}}^i$, i=S1, S2, ..., Sn}≥h线路 (7)

2) 交路间的相互协调约束。多交路运行时, 为确保各交路之间的列车运行互不影响以及车站各次列车在时间上均匀到达, 要求各交路的发车时间应相互协调。

当多个交路的运行区间有重叠时, 需要指定各交路的发车优先次序, 各交路按照该次序依次发出其首趟列车。

1) 对于大交路先发车, 小交路后发车情况, 设大交路首趟列车的发车时间为BT${}_{\text{大}}^1$, 则小交路的发车时间为

BT${}_{\text{小}}^1$=BT${}_{\text{大}}^1$+t运行+h${}_{\text{实}\text{际}}^i$-n×h小 (8)

式中:t运行为大交路列车运行至小交路起点站所需的时间;h${}_{\text{实}\text{际}}^i$为小交路起点所在区段的实际行车间隔时间;h小为小交路规定的行车间隔时间;n的取值原则为确保BT${}_{\text{小}}^1$为非负数的最大整数值。

2) 对于小交路先发车, 大交路后发车情况, 大交路的发车时间为

BT${}_{\text{大}}^1$=BT${}_{\text{小}}^1$+h${}_{\text{实}\text{际}}^i$-t运行+n×h大 (9)

式中:h大为大交路规定的行车间隔时间;n的取值原则为确保BT${}_{\text{大}}^1$为非负数的最小整数值。

根据上述方法, 按照发车优先顺序可依次推算出各交路的首趟列车发车时间。

4 多方案运行情况分析

如图2所示, 方案由多个列车开行方案组成, 各开行方案按照时间顺序先后执行。此时, 运行仿真的重点是要控制各开行方案的有效时间和不同开行方案间的平滑过渡问题。

4.1 当前列车开行方案的控制

1 d有多个列车开行方案, 根据客流特征, 每个开行方案有其起始执行时间和结束执行时间, 因此, 仿真过程中只需将仿真时间与方案执行的起终时间进行比较, 即可实现多个开行方案的顺序执行。

4.2 不同开行方案间的平滑过渡

为实现不同开行方案交替时的平滑过渡, 在仿真过程中作以下规定:

1) 方案交替时, 对于前一方案已发出且尚未到达终点的列车, 按原方案规定继续前行至终点;

2) 后一方案中最先发车的交路, 其首趟车的发车时间为:

BT${}_{\text{后}}^1$=BT${}_{\text{前}}^{\text{末}}$+t运行+h后 (10)

式中:BT1后为后一方案最先发车交路首趟车的发车时间;BT末前为前一方案末班车的发车时间;t运行为前一方案末班车运行至后一方案首趟车交路起点车站所需的时间;h后为后一方案首趟车交路起点所在区段的实际行车间隔时间, 可由式 (6) 算得。

后一方案其他交路首班车的发车时间:

1) 对于大交路先发车, 小交路后发车情况, 为避免小交路列车与前一方案列车冲突, 其发车时间为

BT${}_{\text{小}}^1$=BT${}_{\text{大}}^1$+t运行+h${}_{\text{实}\text{际}}^i$ (11)

2) 对于小交路先发车, 大交路后发车情况, BT${}_{\text{大}}^1$仍可按式 (9) 算得。

5 仿真系统的总体流程设计

根据前文的分析结果, 结合移动闭塞的列车运行控制方式, 本文设计了城市轨道交通列车开行方案运行仿真系统的总体流程见图2。

在每个仿真步长中, 选定当前仿真时间应采用的列车开行方案, 从方案中逐个选定交路, 按发车时间早晚依次判断该交路发出的每趟列车下一步应采用的牵引工况, 计算列车的V, S, T值并保存。如此循环, 直到每个交路的每趟列车都完成了计算后, 仿真步长再推进一步。

考虑到上下行方向的线路基础数据不同, 因此图中每一交路上下行方向的列车运行仿真应分开并行计算。

6 仿真案例

这里采用自行开发的城市轨道交通列车开行方案运行仿真系统进行算例试算。设某线路有10个车站, A—J站, 选用编组相同的列车进行追踪运行, 其牵引重量160 t, 列车长60 m。仿真方案见表2。相关仿真参数如下:各交路均为站站停车, 停站时间均为30 s, 安全距离为200 m, 最大加速度为0.8 m/s2, 最大减速度为0.6 m/s2, 加速度最大允许变化率为0.6 m/s2, 速度波动值为10 km/h, 仿真时间180 min。对该方案进行仿真, 得到如图3 (上行方向) 、图4 (下行方向) 所示的v-s、t-s曲线。

图中, 横坐标距离 (s) 为列车所处的位置, 沿着横坐标依次有各车站的中心点位置;向上方向的纵坐标速度 (v) 为列车的当前速度;向下方向的纵坐标时间 (t) 为仿真时间。上半图为v-s曲线, 表示了列车运行过程中在各位置的速度变化情况。下半图为t-s曲线, 表示了各次列车在不同仿真时间所处的不同位置。

为便于观察, t-s图中各交路的首趟列车运行线用粗线条表示, 其余列车运行线用细线条表示。任一方案中各交路的发车时间协调良好, 不同方案间过渡平顺, 较好的解决了多列车开行方案的运行过程仿真问题。

7 结束语

本文分析了列车开行方案的特点和要素, 讨论了多方案运行仿真中遇到的多种问题及其解决方案, 如:单交路情况、多交路情况、交路间的协调控制、不同方案间的平滑过渡等。在此基础上, 设计了仿真系统的总体流程, 并通过算例验证了系统的有效性。

通过仿真列车开行方案的运行过程, 可了解列车运行的具体情况, 深入分析运营方案的效率及其与客流特征的匹配情况, 为优化运输组织方案, 提高运营管理水平提供强有力的辅助分析工具。为实现这一目标, 还需要在以下两方面展开详细的研究:①客流出行过程和列车运行过程的综合仿真研究;②突发事件情况下的多列车追踪运行仿真研究。为最终实现具有良好实用性的路网列车开行方案仿真分析系统奠定基础。

摘要：分析了列车开行方案的特点和要素, 运用多质点模型设计了多列车追踪运行计算模型, 讨论了多方案运行仿真中遇到的多种问题及其解决方案, 如单交路情况、多交路情况、交路间的协调控制、不同方案间的平滑过渡等。在此基础上, 设计了仿真系统的总体流程, 并通过算例验证了系统的有效性。

关键词：城市轨道交通,列车开行方案,多交路,计算机仿真,牵引计算

参考文献

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交通仿真 篇10

关键词：智能交通,交通专用短程通信,信道仿真

0 引言

近年来, 智能运输系统 (ITS:Intelligent Transportation System) 已成为世界交通运输领域发展的重要方向和前沿研究课题[1,2]。ITS系统的核心技术之一就是适用于交通领域车路信息交换的短程通信 (DSRC:Dedicated Short Range Communications) 系统[3,4]。自2007年以来, 国际标准化组织陆续发布了面向ITS应用的车用电子无线通信标准体系[5,6,7], 在IEEE802.11a的基础上形成针对车载通信特殊环境的IEEE802.11p标准[8]。

由于在高速移动的车载环境下, 车车 (VTV:Vehicle-to-Vehicle) 通信信道是非静止信道, 因此, DSRC通信信道不仅具有传统蜂窝系统的特点, 更具有其特殊性。针对交通专用短程通信系统特点, 建立准确的信道模型对于系统仿真来说是十分重要的。本文基于Agilent N5106A基带信号发生器与信道仿真器, 搭建了面向DSRC通信信道的测试平台。

1 DSRC系统概述

DSRC是ITS系统一种高效的无线通信机制, 目前主要应用于ITS中的不停车收费 (ETC) 和道路口的车辆信息采集。相比于Wi-Fi、Wi MAX等无线通信技术, DSRC在数据传输速率、延迟时间、通信距离和移动性等特性方面有比较折衷的考虑, 并且具有支持双向传输、点对点、点对多点通信等特点, 表1给出了DSRC技术与它们的特性比较[9,10]。

用于DSRC技术的频率资源共有75 MHz, 划分成7个10 MHz的信道, 如图1所示。其中, 中间的信道用于控制信道, 发送广播消息或者控制信令;第一个信道分别用于碰撞避免、车间通信等;最后一个信道用于长距离、大功率的通信;频率最低的5MHz作安全空白, 剩下的4个信道为服务信道。由图可见, 802.11p的物理层的工作在5.8~5.9GHz附近, 还保留了用于服务的信道;相邻的两个信道通过协商后可以当作一个20 MHz的信道使用, 但其通信的优先级别要低些。使用10 MHz较小的带宽, 一方面是为了增加在车载环境下对多径传播的抗衰弱能力, 减少了多普勒的散射效应, 另一方面增加的警戒间隔也减少了多路径传输所造成的码间干扰。

2 信道特性仿真

通信系统的信号传输质量与信道的性能密切相关, 与光纤等有线信道相比, 无线信道处于开放的电磁环境中, 更容易受到衰落、干扰、噪声等多种因素的影响。而DSRC通信信道除了具有一般无线信道的特征外, 还存在快速移动等特有情况。典型的DSRC通信有路车通信 (R2V) 和车车通信 (V2V) 两种方式。R2V是指车辆和路边设备进行通信, 属于移动设备和固定设备的通信过程。V2V是指车辆和车辆之间进行通信, 属于移动设备之间的通信。充分掌握DSRC系统无线信道的特征, 可以为提出改善系统通信质量的技术方案提供参考, 从而保证R2V和V2V通信的可靠性。

2.1 仿真测试平台结构

基于Agilent N5106A基带信号发生器与信道仿真器搭建的面向DSRC通信信道的仿真测试系统如图2所示。N5106A具有120MHz的调制带宽, 能够模拟各种通信信道。本仪器配备了8路实时衰落仿真器, 支持的信道衰落类型包括Rayleigh、Pure Doppler、Rician、Suzuki等, 多普勒功率谱频谱形状有classical 3db, classical 6db, flat, rounded, jake classical和jake rounded。由图2可见, 该系统还包括了一台矢量信号发生器E4438C和一台信号分析仪N9020A, E4438C和N5106A之间的控制信号通过LAN口连接, 数据信号通过数据总线 (Digital Bus) 传输。

测试系统如图2所示。首先使用Agilent的N7617B Signal Studio软件生成符合IEEE 802.11p协议的理想基带信号数据文件, 该数据文件经过N5106A产生基带信号, 并通过信道模拟器得到包含信道特性的基带信号。N5106A产生的信号通过Digital Bus输入信号发生器E4438C, 由该仪器将基带信号调制到5.9GHz的载波上, 经过射频输出端输出到信号分析仪N9020A进行分析。

2.2 仿真测试实例

DSRC系统信道模型如表2所示。图3至图6给出了不同信道条件下信号的测试结果。其中, 图3为信号通过白噪声信道后产生的星座图, 其中EVM (误差向量幅度) 为-27.62d B, CPE (同相位误差) 为0.903%rms。由于车车通信, 可能存在直射路径, 因此图4给出了信号经过信道3模型, 即在单径莱斯分布的作用下, 多普勒频移为1345Hz, 路径损耗为-14.2d B, K因子为5.7时的测试结果, 结果表明, 此时EVM上升为-3.047d B, CPE上升为6.938%rms, 说明在该种信道作用下, 信号的接收质量显著下降。图5给出了信号经过信道7模型, 即在单径瑞利衰落, 多普勒频移为1522Hz, 路径损耗为-27.9d B时的测试结果, 此时, EVM为-16.791d B, CPE为5.542%rms。图6给出了信号经过信道11模型, 即信号在单径瑞利衰落, 多普勒频移为1562Hz, 路径损耗为-27.9d B时的测试结果, 图中EVM为-16.065d B, CPE为1.455%rms。比较图5和图6, 说明了在类似的信道作用下, 信号接收质量存在一定的随机性。另外, 这两条路径的延时分别为400ns和700ns, 在帧结构的保护时隙范围之内, 因此可以通过均衡消除延时的影响。

3 小结

本文搭建了面向DSRC应用的无线信道仿真和测试系统, 介绍了系统的工作流程和测试方法, 根据DSRC信道模型, 给出4种典型信道的测试结果。本文工作为ITS系统设计提供了参考。

参考文献

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交通仿真 篇11

随着我国城市轨道交通事业的迅速发展[1],轻轨列车的运行速度将超过250 km/h以上,高速的城市轨道交通列车技术对列车司机提了更高的要求,同时也要求有先进的培训方法和设备来培训考核列车司机。以往城市轨道交通系统的承运部门对列车司机的培训大都是采用传帮带的理论讲解和现场实习,通过实际操作经验的积累来完成,这种培训成本高、时间长,很难快速满足现今对机车司机的需求。随着虚拟现实技术的发展,越来越多的复杂系统可以通过构造三维场景来模拟真实的环境,使得基于虚拟现实技术开发出列车驾驶模拟器用于司机培训成为了可能。本文基于虚拟现实技术,探讨如何应用Open GL以及3d Max技术研究仿真城市轨道交通列车运行视景系统,直观的展示列车运行时的基本情况,培训机车司机驾驶能力、应急处置能力以及积累行驶轻轨列车的经验。

二、Open GL技术

Open GL是由SGI公司开发的图形硬件的软件接口[2],Open GL是一种开源软件,可以在多种平台下运行,Open GL已成为制作三维动画的主要工具。Open GL实质上为多个函数组成的函数库,借助Open GL用户可以绘制基本的三维图形元素或改变当前的绘制状态,还可以改变背景、灯光、视点、贴材质等,从而可以实现逼真的交通仿真效果[3]。

三、城市轨道交通网视景的组成

研究城市轨道交通视景仿真系统的核心是场景选用问题,把现实中城市轨道交通系统场景中的所有景物都如实地搬到虚拟场景中来是不实际的,也不必要,应根据所研究的问题抽象出最能反应系统特征的最少量景物为宜。

城市轨道交通系统虚拟视景景物一般包括以下几个部分:

(1)轨道线路,包括直道、弯道、坡道、各类交叉路口等。

(2)交通标志,即在轨道线路上的各种交通标线、信号机、匝机和标志牌等。

(3)基础设施,包括车站、周边建筑、绿化带、桥梁等。

(4)自然景象,包括雨、雪等天气气象数据。

(5)车内设备,包括控制台、仪表盘、监视器等车载设备[4]。

四、系统建模

Open GL不提供三维建模相关函数,开发时可以利用3d Max工具制作所需的各种三维模型,转化成以.3ds文件后,就可以在我们的Open GL程序中使用这些三维模型。3ds格式文件是3d Max软件产生的特有文件格式[7]。3ds文件由许多块(chunk)组成,块的信息类别以ID区分[4]。从模型文件中读取一个块,根据块ID来判断块的功能信息,然后根据块ID进行相应的处理[5]。在Open GL里使用3d Max模型文件绘制三维模型时要注意逻辑坐标转换问题,可以调用gl Rotated、gl Translated、gl Scaled等函数完成两者坐标系差异的转换[3]。

五、视景系统建立

为了给轻轨列车驾驶司机创造一个“真实”的虚拟环境,需要按照要求逼真地反映城市轨道交通系统场景中的各种核心对象。从技术角度来说应经历系统建模、材质、灯光处理、运行展示等阶段。

1、Open GL开发环境建立

本文基于开源平台进行系统的开发工作,选择在开源操作系统Ubuntu下进行Open GL编程开发,选择Gcc作为开发平台的编译工具,选择Free GL作为Open GL底层支持图形库。

2、读取视景模型

虽然有关读取3ds文件有很多现成的工具可以利用,但为了更高效的运行本系统,在开发的过程中笔者自己实现了对3ds格式文件的读取,以便数据可以被后续程序灵活使用和控制,依据需求定义了一些数据结构用于存储相应的数据信息。

3、模型整理

由于3d Max和Open GL坐标系问题,在读取基于3d Max生成的视景模型数据后需要对模型数据中的坐标进行相应的坐标变换,以适应在Open GL绘制模型的需要。

4、视景系统生成

将前述模型在Open GL里调用接口函数生成城市轨道交通视景仿真系统,展示城市轨道交通系统中的机车行车过程中所遇到的各种实物,实现模拟反映现实情况下的机车运行情景,为驾驶员培训提供一个虚拟的驾驶环境。

六、结束语

为了解决模拟城市轨道交通列车行驶环境和运行状态,培训驾驶人员对列车的操作以及加强驾驶人员对周围环境的熟悉,本文提出了一种的场景创建方法,即利用3d Max创建模型,再用Open GL进行编程,充分结合了二者的优点,构建城市轨道交通视景仿真系统,达到了较好的实验效果。

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