基于面向对象技术的城市交通仿真模型研究

关键词：瓶颈体现环境污染问题交通

随着经济和社会的迅速发展, 交通基础设施的瓶颈作用越来越明显。这种制约不仅体现在交通拥堵问题日益突出, 还体现在由于交通不畅而造成的环境污染问题以及由此带来的交通安全隐患。交通问题在同样条件下往往不可重复或者很难重复, 这就需要使用交通系统仿真来再现出现的问题, 以便分析交通流状态变量随时间与空间的变化、分布规律以及与交通控制变量间的关系, 从而完善交通管理措施, 减缓城市交通的拥堵问题。由此可见交通仿真是对交通系统进行管理、控制和优化的重要实验手段和工具, 在道路运输系统及其各组成部分的分析和评价中发挥了重要作用。

由于交通问题的多样性以及交通工程新技术、新概念的不断出现, 交通仿真实验也需要采用新技术、新方法来扩充和完善系统的功能。在国内、外已经被交通仿真系统开发人员普遍采用的面向对象的软件设计思想和方法也越来越凸现出重要性。本文在简单阐述城市交通仿真模型的基础上, 着重介绍采用面向对象的开发技术, 对城市交通系统的构成和运作规律进行对象分析、对象建模和动态建模的过程。

1 基于面向对象的交通仿真模型

1.1 基于面向对象的交通仿真

面向对象方法是20世纪90年代软件开发的主流, 该方法将现实世界中的事物直接映射到软件系统的解空间, 实现了对现实世界的直接模拟[1]。面向对象方法可以增强仿真模型的直观性、可理解性、可扩充性和可重用性。在以面象对象技术开发的系统中, 系统的基本构成是类的实例对象。这些对象对应着问题域中的各个事物, 它的内部属性和方法描述了事物内部的状态和运动规律。交通仿真是建立在随机过程和数理统计基础之上的, 并且在交通工程领域里, 研究对象的确立影响因素较多, 也存在着随机性;虽然国外仿真软件的开发比较成熟, 但它们基本上是采用面象过程的语言进行开发[2], 面对不同的情况进行仿真缺少灵活性。而基于面向对象的交通仿真可动态地、逼真地仿真交通流变量和交通事故等各种交通规律和现象, 深入分析人-车-路三者之间的交通特征, 从而有效地对交通系统进行规划、组织和优化。

1.2 城市交通微观仿真模型

城市交通微观仿真模型通常归结为道路设施模型、交通控制模型、交通生成模型、车辆行驶模型、人机交互模型等五种类型。各类型模型的主要描述功能如下。

·道路设施模型:描述道路几何条件及道路网拓扑关系。

·交通控制模型:描述各类交通控制与管理方案。

·交通生成模型:描述车辆的到达时刻的输入。

·车辆行驶模型:描述车辆行驶当中换道或者超车行为。

·人机交互模型:描述仿真运行的界面和系统的输出界面。

采用面向对象技术进行实体分析是进行对象分析的基本手段, 这里把仿真系统中将要描述的实体分为静态实体和动态实体两类。例如道路和交通规划等在一次仿真运行开始后, 参数不再发生变化, 就可视为静态实体;汽车和控制信号等在系统中要受到其他因素的影响和制约, 随时可能发生变化, 可以视为动态实体。本系统中主要的对象类有:路段类、节点类 (以起点和终点标志的某行驶区域) 、交叉口类、信号灯类、机动车类、非机动车类、行人类、交通标线类、交通标志类、车道类、公交车站类等十一个大类。

2 交通仿真系统的面向对象建模

2.1 对象建模技术 (OMT, Object Model Tech.) 简述

对象建模技术也即三视点技术, 它把分析时收集的信息构造在对象模型、动态模型和功能模型中, 用这三种模型 (见图1) 来描述一个目标系统。其中对象模型是三个模型中最关键的一个模型, 用以描述系统中对象之间的静态关系, 包括构成系统的类和对象, 它们的属性和操作以及之间的联系。动态模型描述的是系统中对象的变化和对象之间相互关系的变迁, 它着重于系统的控制逻辑。功能模型则侧重于系统内部数据的传送和处理。这三种模型, 功能模型定义“做什么”, 动态模型定义“何时做”, 对象模型定义“对谁做”。

下面主要介绍采用面向对象技术建模的关键问题—对象建模和动态建模。

2.2 交通仿真系统的对象模型

对象模型描述的是对象类之间的静态关系, 具体描述如图2所示。

2.3 交通仿真系统的动态模型

动态模型描述的是系统中对象的变化和对象之间相互关系的变迁。通过该模型的建立, 可以确立仿真系统中各个对象的实时状态和控制逻辑。

车辆是整个仿真系统中的核心对象, 车辆行驶模型则是整个仿真系统中最重要的动态模型。由于仿真的整个过程都离不开车辆对象的行进状态, 下面将车辆对象的行进状态分解为驶入道路、持续行驶、驶离道路三个阶段, 分别进行建模。

2.3.1 车辆驶入道路的动态模型

车辆进入道路的动态模型如图3所示, 首先确定将进入道路的车辆的进入时刻、类型、以及车头时距等相关属性, 同时根据路网结构计算最佳行驶路线, 并确定相应的行驶区域和要进入的车道。

2.3.2 车辆持续行驶的动态模型

车辆在道路中持续行驶的过程较为复杂, 影响的外界因素很多。这里认为车辆的运动行为在以跟驰方式进入后[3], 包括了加速、减速、减速停车、启动加速、左转车从直行车间穿插进入五种, 行驶过程当中驾驶员要随时根据信号灯的指示、前方道路情况 (有无车辆、有无公交车停靠、有无行人过街) 、相邻车道情况 (繁忙还是空闲) 来调整车辆的行驶状态 (加速、减速、停车、超车或者换道) , 如图4所示。

2.3.3 车辆驶离道路的动态模型

图5描述的是车辆驶离道路的动态模型。通过检索当前时刻到达目的节点的车辆, 判断该车辆的设定目的地是否与当前位置一致, 如果一致, 则车辆驶离道路。

3 交通仿真系统的对象设计

根据前面完成的对象建模工作, 下面给出主要的对象类的属性和操作 (方法) 。

4 结语

本文采用面向对象中的O M T技术对城市道路交通系统进行了实体分析, 建立了较为关键的对象模型和动态模型, 并进行了具体的对象设计。微观仿真模型对于从操作层面上评估动态交通管理系统是非常必要的[4]。可以预见, 基于面向对象技术的仿真系统的深入研究, 将为进一步改进和完善交通仿真系统奠定良好的基础。

摘要：依据面向对象软件开发思想, 采用OMT技术对城市交通仿真系统进行了实体分析, 确定了城市交通仿真系统的主要对象类。在此基础上进行了对象建模工作, 提出了反映对象类之间静态关系的对象模型以及反映系统中对象的变化和对象之间相互关系变迁的动态模型, 并完成了主要对象类属性和操作的设计。

关键词：面向对象,OMT技术,交通仿真,实体分析,对象建模