数据驱动智能交通虚拟仿真系统探究和设计

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1、数据驱动智能交通虚拟仿真系统探究和设计　　摘要：主要研究大数据环境下数据驱动的智能交通虚拟仿真系统体系结构及其关键技术。首先对数据驱动进行简要描述，并引出相关研究的现实意义。随后提出数据驱动的智能交通虚拟仿真系统体系结构，从面向智能交通虚拟仿真的数据处理、数据驱动技术、决策支持理论与方法、虚拟仿真环境等方面讨论了实现数据驱动的智能交通虚拟仿真所需解决的主要问题和关键技术，支持交通工程研究和应用。关键词：数据驱动；虚拟仿真；在线仿真；智能交通中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1009

2、-3044（2013）20-4689-031概述智能交通虚拟仿真作为仿真科学在智能交通领域的应用分支，以相似原理、信息技术、系统工程和智能交通系统（IntelligentTransportationSystems，ITS）[1-2]领域的基本理论和技术为基础，以计算机为主要工具，利用仿真模型模拟交通系统的运行状态并进行仿真评估，辅助交通工程理论研究及实际应用。11近年来，国内外对智能交通仿真及其关键技术的研究发展迅速，出现了大批对ITS系统效益进行分析和评价的仿真软件，在控制ITS的成本投入、降低风

3、险、提供有效模拟智能交通手段以及提高ITS数据处理分析能力等方面起到了重要作用。但基于数据驱动进行智能交通虚拟仿真研究和实践的还很少，基于这一需求及有关项目支持，该文对与此相关的若干关键技术进行研究与探讨。2数据驱动的相关概念2.1数据驱动描述数据驱动（Data-driven）概念的出现源自计算机科学领域，近些年其理论、应用等的研究都引起控制领域及及仿真应用领域等的重点关注。在理论研究方面，主要集中在对数据驱动思想和概念、数据驱动应用方式、控制优化算法等的研究。数据驱动最初被视为一种适应性的仿真开发

4、方法。在数据驱动的仿真模式中，数据驱动指任何应用需求都能够由系统数据及相关模型所描述，而无需进行再编程[3]。以数据驱动思想为指导的应用涵盖控制、决策、调度和故障诊断等关键领域，包括制造过程控制、气候预报、交通管理、地理开采、生物传感等诸多具体应用，例如文献[4-5]所述。在仿真应用领域，数据驱动的仿真开发方式备受关注。美国国家自然科学基金会（NationalScience11Foundation，NSF）提出了动态数据驱动应用系统（DynamicDataDrivenApplicationSyste

5、ms，DDDAS）的概念[6]，为具有非线性、时变性、多变量和不确定性等特点的复杂大系统研究及仿真开辟了新途径。2.2进行本文研究的现实意义以ITS技术核心交通数据信息的研究[7]为基础，引入实时交通数据信息，利用仿真技术手段，对交通控制与管理及信息服务进行仿真评估，辅助交通规划决策支持，为动态监控交通拥堵状况、演变趋势、预报预警等提供连续性的技术保障，成了智能交通仿真领域研究的热点所在。数据驱动的智能交通虚拟仿真与其他方法的智能交通虚拟仿真相比，它除了可以利用离线数据之外，更注重仿真与实际系统的动

6、态交互、在线流数据注入等宽范围应用。这给ITS控制与研究提供了一种新的探求方式，同时也为仿真技术的发展提供了新的研究课题。因此，研究数据驱动的智能交通虚拟仿真系统具有积极的理论意义和实践意义。3数据驱动的智能交通虚拟仿真体系结构11智能交通虚拟仿真体系结构从数据驱动的思想出发，旨在解决和仿真相关的全局性问题。从层次上可将该体系结构划分为数据、资源、平台和应用四个层次，如图1所示。该结构以充分获取各类交通数据和信息为基础，实现信息和资源共享，约束和协调模型调度，控制仿真系统的规范运行。各个层次的功能描

7、述如下：3.1数据层系统数据层是构建系统的依据，为系统的运行提供完备的数据支撑，供平台层调用，并贯穿整个虚拟仿真过程。3.1.1数据系统包括数据源和数据采集两级结构。3.1.2数据析取实现数据分析、挖掘、描述，并对各种数据进行融合与处理、数据交换，形成数据聚集和子集。3.1.3数据管理实现数据的集中存储，建立数据字典，提供数据共享和显示服务。3.2资源层集成系统所需的各类信息资源，包括知识库、模型库和方法库等三个系统模块，是系统运行的基础。3.2.1模型库系统模块实现模型资源的集中存储，根据虚拟仿真

8、控制要求，调用方法库中仿真过程控制智能求解算法，生成仿真最佳控制方案。3.2.2知识库系统模块11实现对虚拟仿真控制问题的描述、仿真环境以及控制规则的存储，提供模型调用所需的如索引和环境描述等基本约束条件，并依据知识进行推理，辅助完成仿真模型的选取、生成、连接和评估等任务。3.2.3方法库系统模块实现对模型构建方法及求解优化算法、仿真过程分析算法及仿真评估方法的集中存储，为模型库提供智能求解算法，综合考虑多项仿真控制要求，确定仿真过程最佳协调控制方案。3.3平台层系统