SUMO (Simulation of Urban MObility)是一個(gè)知名的交通流仿真平臺(tái)。本文由SUMO開(kāi)發(fā)者（Daniel Krajzewicz, Georg Hertkorn and Peter Wagner， German Aerospace Centre, Institute for Transportation Research ）撰寫(xiě)，對(duì)SUMO做了詳細(xì)介紹

摘要

由于交通流的高度復(fù)雜性和混沌性，目前還沒(méi)有精確的交通流模型，因此研究者主要通過(guò)仿真模擬來(lái)預(yù)測(cè)交通流。在這一領(lǐng)域中，已有許多仿真模擬軟件包，并且在其軟件體系結(jié)構(gòu)以及描述流量本身的模型上存在差異。我們將介紹另一個(gè)系統(tǒng)，與大多數(shù)其他仿真軟件包相比，它是作為一個(gè)開(kāi)源程序提供的，因此可以進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足研究人員自己的需要，也可以作為新交通模型的參考試驗(yàn)臺(tái)。

簡(jiǎn)介

當(dāng)試圖改善交通時(shí)，需要一個(gè)有效的模型來(lái)處理。盡管有些人可能認(rèn)為交通可以用出發(fā)時(shí)間和具有一定持續(xù)時(shí)間的路線來(lái)描述，但交通狀況受到個(gè)人對(duì)流動(dòng)性的個(gè)人愿望的高度制約。因此，既沒(méi)有出發(fā)時(shí)間，也沒(méi)有固定的和早期已知的路線。這對(duì)于交通模型本身來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的問(wèn)題。特別是私人交通，使得用數(shù)學(xué)公式描述交通是不可能的。一方面，現(xiàn)代人希望在特定的時(shí)間和地點(diǎn)離開(kāi)和到達(dá)，另一方面，車輛在街道上的移動(dòng)，都會(huì)影響交通和彼此。路網(wǎng)的工作負(fù)荷取決于駕駛員的離開(kāi)時(shí)間，并決定了移動(dòng)的速度。反之亦然，由于駕駛員希望快速行駛并在某個(gè)時(shí)間到達(dá)，因此負(fù)荷會(huì)影響他們的發(fā)車時(shí)間。除此之外，交通還受天氣、區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施或其他影響系統(tǒng)的事件等因素的影響。

由于沒(méi)有有效的數(shù)學(xué)模型考慮到所有這些影響，仿真模擬是顯示路網(wǎng)的weak points或預(yù)測(cè)交通的唯一途徑。因此，許多仿真軟件包已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。其中一些已經(jīng)在SMARTEST項(xiàng)目（SMARTEST 1999）中進(jìn)行了測(cè)試。

這種交通仿真軟件包在建模構(gòu)件的組成以及使用模式上各不相同：有些軟件包被設(shè)定為使用窗口的應(yīng)用程序，而另一些則是交通研究人員的工具，是簡(jiǎn)單的命令行工具或程序。SMARTEST還提供了此類軟件包所具有的功能列表。

SMARTEST主要是解決微觀模擬問(wèn)題。這種類型的模擬將單個(gè)車輛視為原子部分，而不是整個(gè)交通流本身（宏觀）或車輛或駕駛員的單個(gè)部分（亞微觀）。這種車輛模型可以使用元胞自動(dòng)機(jī)在時(shí)間和空間上離散，或者只在時(shí)間上離散，或者甚至可以是完全連續(xù)的模型。圖1顯示了空間離散模擬和空間連續(xù)模擬之間的區(qū)別。


圖1 空間離散模擬和空間連續(xù)模擬之間的區(qū)別

從研究者的角度來(lái)看，當(dāng)使用一些現(xiàn)成的仿真軟件包時(shí)，由于軟件包是黑盒的狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。首先，人們無(wú)法查看到底層模型。此外，由于軟件架構(gòu)不同，不同模型的特性（如仿真速度、描述現(xiàn)實(shí)的能力等）的比較，雖然不是不可能但也很困難。此外，此類模擬工具不能通過(guò)引入自己的想法（如新型傳感器、測(cè)量或模型）而自發(fā)地?cái)U(kuò)展。

為了引入一種工具來(lái)完成這些尚未得到支持的任務(wù)，我們的研究所與應(yīng)用信息學(xué)中心（德國(guó)科?。┱陂_(kāi)發(fā)一種稱為SUMO的交通模擬軟件（“Simulation of Urban MObility”）。事實(shí)上，該軟件是一個(gè)連續(xù)的、微觀的和多模式的交通模擬，并且也能夠模擬比單個(gè)城市更大的網(wǎng)絡(luò)（如公路網(wǎng)）的交通。

仿真模擬

基本范式
SUMO被構(gòu)想用于模擬城市的道路交通。由于模擬是多模式的，這意味著不僅要對(duì)城市內(nèi)的汽車運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，而且還要對(duì)街道網(wǎng)絡(luò)上的公共交通系統(tǒng)（包括備選列車網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行模擬，因此模擬的原子部分是單個(gè)人。這個(gè)人用出發(fā)時(shí)間和他/她所走的路線來(lái)描述，而他/她所走的路線又是由描述單一交通方式的子路徑組成的。


圖2 復(fù)合路徑

因此，模擬人可以將自己的車開(kāi)到最近的公共交通系統(tǒng)站，并通過(guò)其他交通工具繼續(xù)他的旅行。除了使用機(jī)動(dòng)車輛的活動(dòng)，一個(gè)人也可以步行。步行不是完全模擬的，而是模擬人到達(dá)目的地所需的時(shí)間。圖2顯示了這樣一個(gè)復(fù)合路徑。


圖3 不同級(jí)別的模擬（從左到右：宏觀、微觀、亞微觀）

對(duì)交通流進(jìn)行了微觀模擬。這意味著，在模擬網(wǎng)絡(luò)中行駛的每輛車都是單獨(dú)建模的，并且具有一定的位置和速度。在持續(xù)時(shí)間為1s的每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中，這些值會(huì)根據(jù)前方車輛和車輛行駛的街道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新。車輛的仿真是時(shí)間離散和空間連續(xù)的，駕駛員模型采用的連續(xù)模型。

在模擬交通流時(shí)，考慮了街道屬性，如最大速度和路權(quán)規(guī)則。

特性
在當(dāng)前版本0.7中，SUMO包含以下功能：
-無(wú)碰撞車輛運(yùn)動(dòng)
-不同車型
-有變道的多車道街道
-基于交叉口的通行權(quán)規(guī)則（具有相同/不同優(yōu)先權(quán)的街道交叉口，例如，先右后左）
-車道間連接
-包含每個(gè)時(shí)間步的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的XML原始輸出
--XML文件的輸入，這些文件可能分散在多個(gè)文件中，以便更好地處理

駕駛員模型
SUMO目前使用的模型是Gippsmodelextension。在每個(gè)時(shí)間步中，車輛的速度都會(huì)與領(lǐng)先車輛的速度相適應(yīng)，從而在接下來(lái)的模擬步驟中產(chǎn)生無(wú)碰撞系統(tǒng)行為。這種速度稱為安全速度vsafe，使用以下公式計(jì)算：

為了將加速度與車輛的物理能力相結(jié)合，計(jì)算得出的 “期望”速度為車輛極限速度、車輛速度加上最大加速度、安全速度三者之中的最小值。因此，車輛的速度不會(huì)超過(guò)其可能的速度。

此外，通過(guò)假設(shè)駕駛員犯了錯(cuò)誤而無(wú)法完全適應(yīng)期望的速度來(lái)模擬駕駛員行為。這是通過(guò)從期望速度中減去一個(gè)隨機(jī)的“人為錯(cuò)誤”來(lái)完成的。

由于車輛不得向后行駛，在前面的計(jì)算之后，必須再次取計(jì)算速度和0之中的最大值，并將其作為當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)的車輛最終速度。

交通燈
交通燈在交通管理中起著重要的作用，它改善了交通流。除了簡(jiǎn)單的路權(quán)規(guī)則外，每個(gè)模擬交叉口也可能是帶有紅綠燈的交叉口。由于德國(guó)的一些交叉路口允許在右轉(zhuǎn)時(shí)忽略紅燈，因此有關(guān)這方面的通行權(quán)規(guī)則的擴(kuò)展正在實(shí)現(xiàn)中。

仿真輸出
現(xiàn)在有兩種不同的輸出。第一種是所謂的“原始”輸出，包含所有邊緣（街道）和所有車道，以及每個(gè)時(shí)間步上行駛的車輛，其中車輛由其名稱、位置和速度描述。這個(gè)輸出是完整的，可以作為后處理工具的輸入進(jìn)行評(píng)估。然而，大型模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量幾乎無(wú)法管理，因此其他輸出也被發(fā)明出來(lái)。

比如仿真中有檢測(cè)器可以輸出流量、車道上的平均速度和其他值。這些結(jié)果將使用CSV或GnuPlot格式寫(xiě)入到一個(gè)文件中。每個(gè)檢測(cè)器都有自己的文件。

軟件開(kāi)發(fā)
作為交通研究人員的研究工具，SUMO被設(shè)計(jì)得快速和準(zhǔn)確，而不是試圖成為一個(gè)賞心悅目的軟件。因此，盡管GUI的實(shí)現(xiàn)將是我們下一步的任務(wù)之一，但現(xiàn)在而言，主程序是從命令行啟動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生的輸出必須經(jīng)過(guò)后處理（如果我們想讓結(jié)果可視化）。這可以防止因?yàn)镚UI產(chǎn)生數(shù)據(jù)導(dǎo)致降低系統(tǒng)速度，為仿真模擬本身提供更多內(nèi)存和系統(tǒng)時(shí)間。

SUMO是用C++實(shí)現(xiàn)的。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們盡量只使用這種語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化部分。我們的軟件可以使用大多數(shù)平臺(tái)進(jìn)行編譯，我們?cè)谝韵颅h(huán)境中對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證：
-使用MSVC的Windows
-使用Sun-C++編譯器和STL-Port的Solaris
-使用gcc的Linux

Simulation Benchmarks
這種模擬可以在普通臺(tái)式電腦上模擬大型城市，比如柏林、慕尼黑或科隆等。我們的大部分測(cè)試都是在英特爾個(gè)人電腦上進(jìn)行的，它的運(yùn)行頻率為933MHz，內(nèi)存為256MB。在這種情況下，SUMO大概能夠模擬每秒大約100萬(wàn)輛汽車的移動(dòng)。

正在進(jìn)行的項(xiàng)目
在我們的研究所，一些項(xiàng)目使用SUMO來(lái)驗(yàn)證他們對(duì)新技術(shù)的假設(shè)。以下項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始使用SUMO，或?qū)⒃谖磥?lái)幾個(gè)月內(nèi)使用它：
-加州的一個(gè)項(xiàng)目，調(diào)查分布在高速公路車道上的探測(cè)器是否可以用來(lái)預(yù)測(cè)交通堵塞。
-基于從柏林，維也納和維爾茨堡的出租車得到的移動(dòng)車輛數(shù)據(jù)，我們?cè)噲D驗(yàn)證交通流預(yù)測(cè)方法
-一個(gè)內(nèi)部項(xiàng)目，試圖預(yù)測(cè)新傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
-美國(guó)的一個(gè)項(xiàng)目，試圖改善高速公路出口匝道區(qū)域的交通狀況

其他工具
SUMO由不止一個(gè)應(yīng)用程序組成。其他一些模塊允許建立仿真和研究所需的指定數(shù)據(jù)。目前正在開(kāi)發(fā)以下模塊：

SUMO-NETCONVERT
由于高度的復(fù)雜性，SUMO的網(wǎng)絡(luò)描述并由人類用戶生成。相反，我們使用此工具將公共數(shù)據(jù)（如邊界和節(jié)點(diǎn)列表）轉(zhuǎn)換為一個(gè)完整的SUMO網(wǎng)絡(luò)。在此過(guò)程中，SUMO-NETCONVERT讀取可用數(shù)據(jù)，計(jì)算SUMO所需的輸入，并將結(jié)果寫(xiě)入XML文件。到目前為止，四種不同的輸入格式可以轉(zhuǎn)換成SUMO網(wǎng)絡(luò)：
- simple XML-data containing edge types,nodes and edges
- CSV-data containing edge types, nodes andedges
- Cell-input files (Cell is aqueue-simulation developed by the ZAIK)
- VISUM-networks

由于SUMO在INVENT項(xiàng)目中使用，一些進(jìn)一步的導(dǎo)入功能將在今年內(nèi)實(shí)現(xiàn)：ArcView、VISSIM和GDF。其中GDF的間接導(dǎo)入已經(jīng)可以通過(guò)使用腳本將其轉(zhuǎn)換為XML，然后使用生成的XML描述作為sumonecontvert的輸入。

下圖顯示了哪些數(shù)據(jù)可以從邊界和節(jié)點(diǎn)列表中計(jì)算出來(lái)。第一步是確定交叉口的優(yōu)先級(jí)，第二步是計(jì)算可能到達(dá)的車道和邊緣之間的關(guān)系，在第三步中，目的地邊界在進(jìn)入的車道之間被分割。計(jì)算是靈活的，取決于輸入和輸出邊界的數(shù)量、大小以及它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)先級(jí)以及由此產(chǎn)生的連接類型。


圖4：將簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為完整的描述

下一幅圖顯示了當(dāng)希望對(duì)整個(gè)城市進(jìn)行建模時(shí)，需要這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建工具。無(wú)論是街道的數(shù)量還是它們之間關(guān)系的復(fù)雜性都不允許人類用戶處理網(wǎng)絡(luò)描述。


圖5：柏林市地圖

SUMO-NETCONVERT還負(fù)責(zé)紅綠燈相位的建立。在現(xiàn)實(shí)世界中（至少在德國(guó)），每個(gè)交叉口的交通相位都是單獨(dú)調(diào)整的，并且某些相位數(shù)據(jù)可能不適用于所有交叉口，因此我們使用啟發(fā)式方法來(lái)生成實(shí)際的輸出。

SUMO-ROUTER
除了靜態(tài)部分——網(wǎng)絡(luò)——之外，模擬還包括移動(dòng)的車輛。隨著模擬質(zhì)量的提高，對(duì)人口流動(dòng)性建模的需求也隨之增加。在這種情況下，車輛不在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布，而是使用由具有特定發(fā)車時(shí)間的路線組成的單人每日計(jì)劃。雖然給出了描述出發(fā)時(shí)間和路線起點(diǎn)和終點(diǎn)所需的數(shù)據(jù)，但必須計(jì)算路線本身。為了避免在模擬過(guò)程中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行在線計(jì)算，該計(jì)算使用一個(gè)單獨(dú)的模塊SUMO-ROUTER來(lái)完成。該模塊讀取一組虛擬人的出發(fā)時(shí)間、出發(fā)地和目的地，然后使用著名的Dijkstra routing algorithm計(jì)算通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的路線。


圖6：小型網(wǎng)絡(luò)中的路線

由于街道上的速度隨著交通量的變化而變化，因此使用交通量未知的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算路線時(shí)不考慮實(shí)際情況，路線將采用Christian Gawron開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)用戶平衡方法來(lái)完成。在該方法中，路線和模擬將重復(fù)多次，以趨近于駕駛員的真實(shí)行為。

小結(jié)

我們?cè)噲D建立一個(gè)通用的交通研究平臺(tái)，為非編程用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬工具，支持他們進(jìn)行交通模擬。由于其高度可移植性，該工具可用于不同的操作系統(tǒng)。除此之外，該平臺(tái)還可由其他人擴(kuò)展，以便他們改進(jìn)軟件并加入我們沒(méi)有考慮到的想法。此外，最初實(shí)現(xiàn)的模型可以用自己的方法來(lái)代替，以便在仿真質(zhì)量和速度方面與現(xiàn)有模型進(jìn)行比較。

未來(lái)工作

我們的研究所將把SUMO用于不同的目的，因此我們將做進(jìn)一步的工作。這些工作有關(guān)移動(dòng)車輛數(shù)據(jù)驗(yàn)證、交通預(yù)測(cè)改進(jìn)和交通燈優(yōu)化的項(xiàng)目。同時(shí)為了跟蹤和驗(yàn)證模擬，將實(shí)現(xiàn)一個(gè)圖形用戶界面，其中將顯示加載的地圖，以及車輛移動(dòng)和一般信息。為了保持可移植性，GUI將使用Qt-windowing library來(lái)實(shí)現(xiàn)，該庫(kù)是免費(fèi)使用的，可用于大多數(shù)系統(tǒng)，包括Windows、UNIX/Linux和Macintosh。

一些正在運(yùn)行的項(xiàng)目表明需要將軟件集成到其他軟件包中，或者在軟件和其他編程語(yǔ)言之間建立接口。對(duì)此，也將進(jìn)行相關(guān)工作。

此外，由于要模擬的交通量不斷增加，并且一些研究實(shí)驗(yàn)需要多次模擬來(lái)計(jì)算單個(gè)值，系統(tǒng)將被擴(kuò)展以允許使用計(jì)算機(jī)集群。