TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 11, Novembe r   2014, pp. 77 3 8  ~ 775 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i11.61 28          7738     Re cei v ed Ap ril 24, 2014; Revi sed  Jul y  1, 2014; Accept ed Jul y  25, 2 014   Review of the Urban Traffic Modeling      Zhu Song* 1 , Zhiguang Qi n 2   Univers i t y   of Electronic Sci enc e and T e chno l o g y  of Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : toni11 0@1 6 3 . com 1 , zgqin@ uestc.edu.c n 2       A b st r a ct  Now adays, th e urba n traffic mod e li ng, w h ich is  hel pful i n  pla nni ng a n d  control lin g the traffic   system , has becoming  a r e searc h  hots p ot of tra ffic engineer ing.  After dec ades  of researc h  and  deve l op ment, there now  exist s  hundre d s of mo de ls c hoos i ng differe nt mode lin g metho d s to simul a te the  traffic flow . It is importa nt for us to un derst and th ese  mo dels  by class i fying th e m  an d  ana ly z i n g  the i r   features. The features of traffi mod e ls, inc l u d in g the scal a b ility ,  accuracy a nd co mp utab ilit y ,  are beco m i n g   importa nt indic a tors to meas ure their perf o rmanc e.  In this pa per , w e  introduc e an d compar e so me   grou nde mo d e ls. In p a rticul ar , w e  analy z e  the a d v anta g e s an d d i sadv antag es  of  ex i s ting mo dels, an d   classify them   into three  cate gori e s acc o rdi ng the i r gr an ul arity:  macrosc opic, mes o sco pic  a nd micros copi c   mo de ls .      Ke y w ords :  macroscopic models, mesoscopi c models, m i croscopic m odels,  surv ey, car-following theory,   cellu lar a u to ma ton mode ls, ga s-kinetic the o ry     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   With the increasi ng num b e r of vehicle s , t he urban traffic system face s many p r oble m s   one of  which  is traffic  co nge stion be coming m o re  seri ou s day  after day. Th e urb an traffic  modeling is  helpful for mitigating traffic   c o nges ti on, b e ca use it allo ws u s  to b e tter un derstan d,  plan, d e si gn  and  optimize  the traffic sy stem. The r e x ist hun dre d s of urban  traff i c mo del s, wh ich  cho o se different kind s of method s, su ch as  probabili ty and statistics, differe ntia l equation s  a n d   nume r ical method s. It is nece s sary  to classi fy these traffic model s for  comp ari ng their  advantag es a nd disadvant age s.   Acco rdi ng to the model granula r ity, which is  the leve l of detail con s ide r ed in the  model,  we cla s sify traffic model s into three  catego rie s , macroscopi c, meso scop ic (hybri d) a n d   microsco pic (sub -mi c ro sco p ic) m odel s.   Macro s copi c model view all  vehicl es a s   a w hol e, a nd stu d y the  cha r a c teri stics of the  entire traffic  flow. In parti cula r, they measure  the  variation of  traffic  flow parameters , whic inclu de flo w  rate, velocity  and d e n s ity, and a nalyze  the rel a tion sh ip amo ng the s e p a ramete rs.  Although th e s e m odel can de scri be t he vari ation  of som e  traffi c ph eno men a  (e.g., the  stop - and-go wave ), they canno t explain the  formati on of these phen o m ena du e to the ignoran ce o f   the individ ual  vehicl e’s be havior.  We  d i vide  ma croscopi c m odel s into two  cat egori e s, tim e - indep ende nt static mo del s and time-rel ated dynami c  mod e ls, a c cording to th e co rrel a tion  of  time. The tim e -related  dyn a mic mod e ls  con s id er  th e effect  of spa c e and   time correl ation,  a n d   thus, they  co uld be  mo re  reali s tic th an  time -ind epe ndent static one in som e   ca se s.  Typ i cal   time-rel a ted dynamic  mo dels (e.g.,  L W R mod e a pply the fluid  dynami cs,  whi c h i s  a th eory   of  fluid mech anics  that de als  with the  n a tural  scie n c e of fluids  (li q uids a nd ga ses)  in  motio n ,   to   cha r a c teri ze t he variation o f  the traffic flow.   Meso scopi model s a s su me a set of  nearby vehicl es a s  a unit,  a so-call ed “platoon ”,  and d e scribe  the inflo w  a nd outflo w  o f  each pl ato on. Spe c ifica lly, these m o dels study th e   comm on be h a vior of vehi cle s  in a  sa me platoo n. We g r ou p m e so scopi c m odel s into two   categ o rie s : g a s-kin e tic m o dels  and  hybrid m odel s.  The first ga s-kineti c  mo d e l pro p o s ed  by  Prigogi ne an d He rman  ap plies the  ga s-dynamics, wh ic h is  a law t hat explain s  the beh avior  of a  hypothetical ideal ga s, to descr ib e the platoon. Hybri d  models u s ua lly combine di fferent model (e.g., a micro s copi c model  mixed with a meso scopi c model ) to combine thei r advantag es a nd  reme dy their disa dvantag e s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re vie w  of the Urba n Traffi c Modeling  (Zh u  Song)  7739 Microsco pic  model s fo cu s on the  be ha vior  of in dividual vehi cle s , and  study  how one   vehicle dyn a m ically interacts  with an other.  Th ese  model s atte mpt to describe the  overall  cha r a c teri stics of th system by i n te grating  t he  cha r a c teri stic of ea ch  in dividual vehi cle.   Microsco pic  model s have  three ca te g o rie s : ca r-foll o win g  model s, cellula r au tomaton mod e ls  (pa r ticle h opi ng mod e ls) a nd sub-mi cro s copi c mo de ls . C a r - f o llow i n g  mo de ls  ana lyz e  th e  ve hic l e   followin g  beh avior in on e l ane. Cell ula r  automaton  m odel s view in dividual vehi cles a s  self-d ri ven  particl es, whi c h is a coll ect i on of particle s  re spo nd to a rand om perturbati on by the motion of the  other  nea rby  parti cle s . Compa r ed  wit h  othe two kind s of  mo dels, su b-mi crosco pic  mo dels  descri be  more detail s su ch a s  d r iver’ s   psycholo g ic al  re action s,  re spo n se to th e traffic an ca lights, etc.   This  pape cl assifies t r affic mo dels ma inly in  model  gra nula r ity. And we  re sp ectively  introdu ce  so me impo rtant  model s of each type  a nd su mma rize the ch ara c teristic  of these   model s in  se ction ma cro s copi c mo del s, meso sc opi c model s an d  microsco pic model s. At th e   end of ea ch  sectio n we  list the co mpari s o n  of the advantage, di sadva n tage, appli c able   environ ment  and modeli ng method s of the most  importa nt models. B e sid e s, there’s a   con c lu sio n  ab out cha r a c teri stics of exis ting model s at the end of this arti cle.       2. Macros copic   Models   Macro s copi c model s co nsi der traffic flo w  as  an e n tirety and they  do not ca re a bout the  behavio r of i ndividual ve h i cle s . The s e   model cont a i n stati c  ma croscopi c m o d e ls  and  dyna mic  macro s copi c model s. The stand ard  static model incl ude the re cu rsive mod e l, the start-arrive   model an d the start-de stin ation model.  The dynam i c  models  cont ain the first-o r de r co ntinuu model (e.g., the LWR mo d e l), and  se co nd-o r d e cont inuum mo del s su ch li ke th e Payne mod e and the Papa georgiou m o d e l. The cla ssif i cation of  ma cro s copi c mo dels i s  sh own  in Figure 1.           Figure 1. The  Classificatio n   Figure of Macrosco pic M odel     2.1.  Static Ma cro scopic Mod e ls  Static macro s copi c mod e l s  re se arch o n  the time-in depe nden ce  relation shi p   among   traffic param eters  su ch a s  traffic  flow  veloc i ty  () vx , flo w  rate  () qx  and den sity  () x  at th traffic  flow loc a tion  x . There are three i m porta nt Static  ma crosco pic m odel s: t he recursive  model, the st art-a rrival mo del and the  start-d e stin atio n model [1].  The re cursi ve model :   The  re cursiv e mod e l aim s  to fi gure  out the traffic  flow rate   throug h the  calcul ation of t he traffic fl o w  rate at e a ch  se ction  re cu rsively.   The model  u n iformly  divides  the traffic  flow into  N  se ction s  a n d  let ea ch  se ct ion i o w n s   at most o ne  ent ran c i r  and  one exit  i s . Let  1 i q and  i q  re spe c tively be the traffic inflow  ra te and the  ou tflow rate  of sectio n   i . By Equation (1 ), we ca n co mpute  i q  according  to  paramete r 1 i q i r  and  i s . As  the  model’ s  nam e implie s, we  can  cal c ulat e the traffic fl ow rate of an y section  re cursively fro m   the   flow rate of previous o n e s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 38 – 775 7   7740 1 ;1 , 2 , , ii i i qq r s i N           ( 1 )     The  schemati c  dia g ram of  the re cu rsive mod e is  shown in Fi gu re 2. Se ction  1 is th begin n ing  se ction of the traffic flow, an d 0 q  is the i n itial flow rate. Ea ch  se ction i s   see n  unifo rml y   whi c contai n s  at m o st o n e  entra nce an d one  exit. The outp u i q  of se ction  i  is th e input  of its  forwa r d se ction  1 i   0 q 1 q 1 i q i q 1 N q N q 1 r N s N r i r i s 1 s   Figure 2. Sch e matic Di ag ram of the Re cursive Mo de     The Star t-a rr ive model:  The start - arriv e  model atte mpts to cou n t  the traffic flow rate   throug h the  a rrival flo w  rate of ea ch  se ction.  Th e schematic diag ram of this  m odel i s  the  sa me   as th re cu rsive m odel.  The  differen c e is that  th e  sta r t-a rrive   model  define  a  pro p o r tional  variable  ij a  a s  the traffic flo w  rate of  se ction j which e n tered  from  entran c e   i r . Then we can   cal c ulate e a ch se ction’ s flow rate a c cord ing to form (2 ):    1 ;1 , 2 , j ji i j i qr a j  …, N ,, 1 , 1 , i N i N ii ii aa a a   (0 1 )       (2)     To cal c ulate t he traffic flow rate at each  se ction, we i m port the  NN  order sta r t-a rriv e   matrix of  ij a   1, 1 1 , 2 1, 2,2 2 , , 0 00 N N NN aa a aa a         A=                 ( 3 )     Then  we  set  the traffic fl ow ve ctor  12 ,, N qq q q and the  entrance traffic fl ow  vec t or   12 ,, , N rr r r And we s i mplify the matrix  form as     qr A                   ( 4 )     That is to say  the traffic flow rate at ea ch se ction can  be figure d  o u t from matri x  A and   the entran c e f l ow vecto r   r The s t ar t-de stina t ion m odel:  T he  start-de stinatio n mod e l i s   use d  o n  a   spe c ific  con d ition th at the  road  is closin g at th end. Thi s   mo del d e fine s a  pro p o r tional   variable   ij b  the  rate of the exit traffic  flow at  i s  which e n t ered fro m  e n tran ce  i r . Then we can  cal c ulate e a ch   s e c t ion’s  exit flow rate in from (5):    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re vie w  of the Urba n Traffi c Modeling  (Zh u  Song)  7741 1 ;1 , 2 , , j ji i j i s rb j N                  ( 5 )     And all vehicl es exit at the end of se ctio N , so we hav e:    1; 1 , 2 , N ij ji bj N                  ( 6 )     Then  we al so impo rt the  NN  orde start-d e stinatio n Ma trix of  ij b  in the form a s   follow     Sr B                   ( 7 )     We can al so  expre ss  ij a  in Formul a (8 ):    1 ;1 , 2 , N ij ik kj ab i N                    ( 8 )     Static ma croscopi c m odel s are  con s tant  co efficient  m odel s. The  u s age  of the s model is limited  p r a c tically  be cau s e th ey can  n o t make  p r e d i c tion s for a c cidental  event s. Neverthel e ss,  studying on  static macroscopic models i s   still me aningful due to the un stable m easurement i n   dynamic mo d e l. In that case, only the mean val ue  of a short pe riod is valua b le which usu a lly  fluctuate st ro ngly.    2.2.  D y namic Ma crosco pic M odels   Dynami c  ma crosco pic  mod e ls mai n ly de scribe  th sp atio-temp o ral   asso ciation rules of  the traffic flow features, in cludi ng traffic flow ra te, velocity and de n s ity. The theoretical ba sis of  dynamic  ma cro s copi c m odel s is th e  fluid dy nam ics  model,  whi c h i s  al so kn own a s  the   contin uum m odel of traffic flow. Such m odel s con s id e r  traffic flow a s  a com p re ssible fluid form ed   by a la rge  nu mber of vehi cles  and  do  no t menti on th e  individual  be havior  of the s e vehi cle s . We  can divid e  the dynami c  micro s copi c m odel s into  two categ o rie s   [2]. One cate gory is the first- orde continu u m mod e ls  contain relatio n s b e twe en  the traffic  flow veloc i ty -de n s ity or flow  rate- den sity. The  other  cate gory is the  se co nd-o r d e cont inuum m odel s contain  add itional rel a xation   time to a dapt  the velo city  of vehicl es wi th  the  su rro u nding  on es.  The m a jo r dif f eren ce  bet ween  these  2 categ o rie s  is th at wheth e r the  model  c ontai ns in ertia term. It make th ese t w cate gorie no differen c e  if the time consta nt of th e ine r tia term  is  set to  zero, whi c h m e a n s vehi cle s   can  instanta neo u s  ch ang e thei r velocity.    2.2.1.  The First-or der Con t inu u m Model  The  rep r e s en tative model  of the first-o r der  co ntinuu m model  introdu ced i n  thi s  p ape r is  the LWR model proposed by  Lighthill and Whitham.   LWR model :   Lighthill a n d  Whitha m establi s h ed their traffic  model  with the one - dimen s ion a l kineti c  theo ry of traffic flow in  19 5 5 . They cho o se the  prin ciple of ma ss  con s e r vation  of fluid dyna mics in traffic flow an d then form their f i rs t- ord e r ma cro s copi t r af f i flow m odel.  T hey let  as the traffic flow dens ity,  q  as the traffic flow rate,  t  a s  tim e   variable,  x  as th spati a l displa cem ent of traffic  flow. Thu s (, ) sx t  is  the t r affic  flow generation rate.  There are three cases: the  first is (, ) 0 sx t , whi c h indi cate s th e co nservatio n  of the flow  rate;  the se co nd i s   (, ) 0 sx t , whic h means  the inlet tr affic  flow; the las t  is   (, ) 0 sx t , which means   the outlet traffic flow. The  continuity equ ation  [3] of th e traffic  flow is  s h own in (9):     (, ) q s xt tx                     ( 9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 38 – 775 7   7742 LWR mo del  a nd ma ny mo d e ls  ba sed  on   LWR a s sume  a  relation shi p  bet wee n  th e traffic  flow velo city and d e n s ity under  equili bri u m state in  (10).  e v  is the d y namic e quili brium vel o cit y   of the traffic  flow:     (, ) ( (, ) ) e vx t v x t                  ( 1 0 )     So the equati on ca n be tra n sformed into   +( v + ) ( , ) t e e v s xt x                  ( 1 1 )     LWR mo del  can corre c tly d e scrib e  the fo rmat ion  of th e sh ock  wave s an d the  dispersing   of traffic  congestion, but i t  c an not  describe  none-quilibri um traffic fl ow phenomena li ke  the  gho st traffic. In orde r to describe the s phen om en a, se con d -o rd er continuo us  model s ba se d on  LWR model  wa s pro p o s e d  later.    2.2.2.  Second -orde r  Continu u m Models   Secon d -ord er co ntinuo us mod e ls in cl ud e mo del s li ke th e  Payne m o del a nd  Papage orgio u s mod e l whi c h ad d a rela xation time to LWR m odel,  etc.  Payne mode l:  To de scrib e  the no ne-q u ilibriu m  traffic ph enom en on like gh ost  traffic,  schola r s a dd  vary moment um equatio n to LWR m odel  and forme d  fluid dynami c  model such a s   Payne model.   Acco rdi ng to  the id ea  of t he  ca r-follo wi ng the o ry, P a yne p r op oses th co rre spondi ng  dynamic e q u a tions [4] in Formul a (12 ) . The mod e l de fines  as the pressu re ind e x; x  as  the pre s su re  term which  indicates th e drive r ’s  re action  pro c e ss to  stimul a t ions;   as th e   relaxation time;  1 () e vv  as the relaxation term whi c h indi cat e s the rel a x pro c e ss that  driver  adapt s to the equilib rium speed.      1 () e vv vv v tx x                     ( 1 2 )     The Payne  model i s  abl e to sim u late  the pr opag a t ion of nonli n ear  wave in  real ro ad.  And it is the basi s  model of  the ext ensively used  simu lation software FREFL O Payne mo del ’s m a in  cont ri bution li es in  the  relation ship formula  o f  the dyna mi c traffic   flow velocity-den sity in Equation (13 )  is the rela xation time and  x is the flow’s  spatial  displ a cement  during  relaxa tion time    (, ) [ ( , ) ] vx t v x x t                  ( 1 3 )     The m odel  can  simulate   prelimi nary t he ba ckward -sp r e ad of t r affic cong esti on. The r e   are p r obl ems on the ada p t ive process  and nu meri cal cal c ulatio n .  Yet the main pro b lem is  the   relation shi p  a s sumption b e t ween the traf fic flow veloci ty and densit y.    Payne also summari ze s th e se co nd-ord e r fluid dyn a m ic mo del’s  gene ral form. Most of   the fluid dyn a mic m odel s can  be  written in vel o city  equatio n fro m  their  co ntinuity equatio n in   Formul a (14 ) V V x  is  the transport term,  P  is the traffic  pressure,   is  the relaxation time,  e V  is the dynamic equilibrium  traffic vel o city determined  by local  vehicl es’  densi ty,  1 P x  is  the pre s sure term, and  1 () e VV  is  the relaxation term.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re vie w  of the Urba n Traffi c Modeling  (Zh u  Song)  7743 Re Pr 11 () e T r a n s p o rt T e rm la x a tio n T e r m es s u re T e r m VV P VV V tx x                    ( 1 4 )     The main  differen c betwe en these mo dels  [5]  is the  traffic pressu re  P , relaxation time    and the dyna mic equili briu m traffic velocity  e V .   The  relaxatio n  time in  L W R mo del i s   set to 0. Payn e mod e l a nd  Papage orgio u s m odel  assume 0 () () / ( 2 ) e PV V   [6], and the avera ge free/exp e ct speed  0 (0 ) e VV . Phillips  model a s sum e P , and    is  the varian ce  of the velocity [7].  Kühne model [8] Ke r n er   and Kon häu ser mod e l [9] define  0 V P x   whil 0  is a po sitive con s tant,    is the  coeffici ent of visco sity. The term V x  in Kerner an d Kon häu ser m ode l means the  visco sity  term s i milar with  the  term  2 2 V x pro p o s ed by  Whith a b e fore, whi c i s  importa nt  to  filter  the   sho c k front.  Michalo poul os mod e l d e fine the re laxation time  as a varia b le inversely  prop ortio nal to the traffic flow de nsity [10 ]. Wu model  introdu ce s a  momentum  equatio n of the   one-dime nsio nal pip e  flow into traffic fl ow m odel  i n   the co ndition  of the hyb r i d  and  lo w-sp eed   traffic in Chi na [11]. Bellouqui d re sea r ch es  on th e  hyperb o lic a s ymptotic lim it of the discret e   kineti c  theo ry  model  of veh i cula r traffic [12]. Dag a n z o   re se arche s   o n  the a nalysi s  of the  sta b il ity  of macro s co pic traffic fl ow [13].  Ng oduy thin ks  widely  scat tered t r affic  flow rate-d e n sity  relation shi p  i s  cau s ed  by the rando m variation s   in  driving beh avio r. And  he sol v es  this probl em  by adopting  a multi-cl ass first-o r de r m odel with  stocha stic  sett ing in his m o del pa ramete rs  [14].  The mo st p r ominent fe ature  of micro s copi c m odel s is that the s e mod e ls  do  not take   vehicle’ s in di vidual be havi o r into  a c cou n t. We  sum m a rize the  feat ure s  of th ese  model s i n  Ta ble   1.      Table 1. Feat ure s  of Macro s copi c Model Model  Feat ures   Static  macr oscopic  models  Being a constant model, static model  is lim ited used in real cases.  D y namic  macr oscopic  models    Being different fr om common fluid, the   velocity  inversel y proportional to t he densit y   in traffic flow  is a n  inexplicable phenomenon   in the d y namic conservation equa tion.    D y namic mod e ls are  onl y suitable for   the crowded, eq uilibrium and st able traffic   flow .   First-orde continuum  model    The model a ssumes the   relationship between velocit y - density  in e quilibrium state.    It can simulate  the form of   traffic shock and the dissipation  of  congestion. But it can’t simulate the  tr affic flow  in non- equilibr i um state.    There  contains  no rela xation  time.  Second-orde continuum  models    These models assume a  d y namic relation ship bet w een t r af fic  velocity -densit y .     It can simulate  phenome na  like the  stop-and-go and t he  propagation o f  n onlinear  w a ves.     There contain  relaxation time.       2.3. Mesos c opic  Models   Meso scopi model s in clu de ga s-kin e tic mo d e ls a n d  hybrid m o dels. Th ese  model s   usu a lly comb ine different  model s amo ng macr o s co pic and mi croscopi c mod e ls. Mesosco p ic  model s de scribe si ngle ve hicle’ s dyna mic respon se   to the variat ion of the tra ffic flow de nsity  (flow  rate  or  velocity). Th e s model s t r eat traffic flo w  a s  ‘ p latoo n s ’ fo rmed  by  a set of n e a r b y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 38 – 775 7   7744 vehicle s  to d e scrib e  the b ehavior  of the inflow  a nd  outflow of ea ch plato on. T he de scriptio n of  the moveme nt of the veh i cle s  in these model is simila r with them in macroscopi c mod e ls,  whi c h me an s vehicl es i n  the sam e  platoon h a v e a same  spee d. The  classificatio n  of  meso scopi model s is sho w n in Figu re  3.          Figure 3. Cla ssifi cation Fig u re of Me so scopi c Mod e ls      2.4. Gas  Kin e tic  Models   Prigogine m odel:  P r igogi ne-He rman  model propo sed   the  first meso scopi c model of  traffic  flow [15]  in 1971. Such  model ded uces that the L W mo del is  a limitation ca se a c cordi ng  to   its  k i n e t ic th eo r y . T h e mode l us es  a p a rtia l d i ffe rentia l equ ation to   expre s s the  spatio-tem poral  evolution of t he velo city and de nsity of  vehicle s . Th en they imp o r t an a pproximation relatio n  to  clo s e the Bol z man n  eq uati on in o r de r to  obtain t he m odel eq uation .  In a histori c al view, the g a kineti c  model  contri bute s  o n  the basi s  of  theoret ical d e rivation of the macro s copi c equ ation.   The conserv a tion equ atio n contai ns th e relaxation t e rm  rel f t     and the intera ction  term int f t      int re l f dx dv f f ff tx d t v d t t t                       (15)    If the quantity of vehicle s  remain s the same,  whi c mean s there  has n o  othe entran c e s   and exits. Th e con s e r vatio n  equatio n is:     () () f dx dv ff tx d t v d t                   ( 1 6 )     That mean s the location x and the velo city v  determin e  vehicle’ s st ate in this mo del.  Fonta n a mo del:  Fo ntana   [16] extende d  the Pri gogin e  mod e l in  19 75. He a s su mes th at  all vehi cle s  h a ve thei r in di vidual exp e ct ed velo city.  The l o cation  x , veloc i ty  v  an d expe cted  veloc i ty  0 v  determine the  state of the vehicle.  The governing eq uation  is as follo w:    0 0 () () ( ) ( ) tr dv f fv dv f ff tx v d t v d t t                 (17)    Helbing model:  The  ga s kinetic b a sed  model s ha no  furthe r im provem ent d ue to the  mathemati c al  difficulty of it’s ga s kin e tic fram e until  Helbi ng prop ose d  his m o del [17] in 19 95.  Helbi ng bi ng s in the  interaction  betwe en the a c cele ration of ve hi cle  N  and  1 N  to form the  kineti c -b ased  continu u m m odel, a so-cal led Hel b ing  model. He de fines P as th e  traffic pre s su re,  () e v  as the dyna mic equili briu m velocity in his mod e l:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re vie w  of the Urba n Traffi c Modeling  (Zh u  Song)  7745    11 () e vv P vv v tx x                    ( 1 8 )     The well -kno wn traffic software MASTER adopt s Hel b ing mod e l for the advant age s of  its fast comp utation and strong r obu stn e ss, etc. This model i s  able to simula te stop-a n d - g o   wave an d no nlinea r dyna mic phe nom e non such as  con g e s tion of  synch r oni zati on, etc.   Hoo gen doo rn  and B o vy propo sed  a g e nerali z e d  g a s kin e tic traffic flo w  mo del  [18] in  1999, which became an u n itive fram ework of me so scopi c mod e ls.     2.5. H y brid  Models  Hybrid   mo d e ls are  u s u a lly the combi nation m odel s mixed  with macroscopi c,  meso scopi and mi cro s co pic mo del s. For exam ple,  Burgho ut prese n ts a hyb r id me so scop ic- microsco pic model  th at applie mi croscopi c simu lation to  are a of spe c ific inte re st while   simulatio n  a large  surro u n d ing network in less detai l with a mesoscopi c mod e l [19]. McCrea  present s a  hybrid approach  co m b ined the complementary feat ures and  capab ilities of  both  contin uum m a thematical model s and  kno w le dge -b as e d  model s to describe  effectively traffic   flow in ro ad  netwo rks [20] . Depalm a  mixes micr o s co pic meth od with macrosco pic meth od [2 1].  In his model,  movement s o f  vehicles a r e  modeled in   macro s copi c way with the policy of vehicle s   modele d  in   microsco pic  way. Depalm a  mo del  and  Sch w e r dtfeg e r m odel  [22 ]  are  ad opte d  by  softwa r e ME TROPO L IS and DYNEM O .     2.6. Microsco pic  Models   We  usually  call micro s cop i c mo del s th e entity-ba se d mod e ls.  Th ese  mod e ls focu on   the individu al  vehicle s ’ m o deling to  de scrib e   thei r m o vements an d interactio ns. These mo d e ls   attempt to describe th e overall  cha r a c te ristics of  the  system by int egratin g the  cha r a c teri stic of  each in dividu al vehi cle. T h at is,  ea ch ve hicle   gath e rs  informatio n of  su rroun ding   one s a nd th e n   gene rate s its  own  drivin strategy to fo rms th e a c tual  traffic flo w Vehicle’ s i ndi vidual b ehavi o rs  su ch like  ca r-followin g , lane-chan ging a nd overta king  can actu al re flected in the s e mod e l. Being   different from  macro s copi c model s, mi crosco pi c mo dels do  not  con s id er  abo ut the  spe c ifi c   situation of th e feature s  of traffic flow, su ch  a s  traffic flow rate, de nsity and velocity.    Macro s copi c model s conta i n ca r-follo win g  m odel s, su b-mi cro s copi c mod e ls a n d  particl e   hoppi ng mod e ls (al s kno w n as  cellul a r automaton  model s). Microscopi c mod e ls’ cla s sifica tion  is sh own in Figure 4.           Figure 4. Cla ssifi cation Fig u re of Micro s copi c Mod e ls  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 38 – 775 7   7746 2.7. Car-follo w i ng  Models  Car-follo wing  mode aim t o  stu d y the  p r opa gating  of  the traffic flo w  o n  a  si ngl e lan e Pipes p r op osed the earli est car-foll o wi n g  model an d its theory in 1 953 [23]. It uses mathe m ati c al  model to a nal yze its dyn a m ic theo ry in  orde r to  simul a te vehicle’ s f o llowin g  be ha vior on a  sin g l e   lane. Such m odel s re sea r ch on the state s  of traffic  flow mainly in the synchro n ized flow of traffic,   whi c h are d e fined in three-p h a s e tra ffic theory.  The syn c hroni zed flo w  has characte ri stics  inclu d ing con d itionality, retarda n ce and  transitivit y, which ma ke s the state of traffic prop agat ing  backward int e rmittently an d co ntinuo usl y  like  pul se d o The s mo dels are “stimulus-respon se”  model s that rese arch on v ehicl e’s follo wing b ehavio rs  in  synchro n ize d  flow by  analyzi ng driv er’s  respon se s to different stim ulation s . The form is :   ca r-f o llowing re spo n se =  sensitiv ity × stimulus.   Car-follo wing  models  co ntain linea r car-followi n g  model s, nonlin ear  ca r-follo win g   model s and  car-foll o wi ng  model s ba se d on fuzzy inferen c syste m 2.7.1.  Linear car -fo llo w i ng Mod e ls  Pipes mo del,  the earlie st prop osed car-followi ng mo del, is a re prese n tative linear  car- followin g  mod e l introdu ce d in our pa pe r.  Pipes model Th e mod e define s   () st  as th e dista n ce b e t ween ve hicl e   N and   1 N   that two vehi cle s  wo n’t crash  whe n  ve hicle n  br e a ks; T as the  reactio n  time, durin g whi c h  the  velocity of ve hicle  N+1  do s n o t chan ge . The  sc hem atic di agram  of Pipe s mo del i s   sho w n  i n   Figure 5:          Figure 5. Sch e matic Di ag ram of Pipes  Model       The mo del  a s sume s the  brea kin g  di st ance of vehi cle n   3 d equal s to the b r ea king  distan ce of vehicl e n+1  2 d . The gap b e twe en two vehi cl es is:      11 () () () ( ) nn n st x t x t T x t T L       The type t differential,  we  can g e 1 () n x tT  and  1 () () nn x tx t  , sepa rately the  accele ration  (re actio n ) of  vehicl 1 n  at time  tT  and  the velo city d i fference b e t w ee n   vehicle  n  and  1 n  at time  t    11 1 () ( ) ( ) nn n x tT x t x t T                     ( 1 9 )     We n o tice th at the rea c tio n  of vehicle  1 n  is propo rtion a l to the velocity differen c e   betwe en  n  and  1 n  at time  t . Thus we n a me th e model line a r  ca r-follo win g  model.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re vie w  of the Urba n Traffi c Modeling  (Zh u  Song)  7747 The eq uation   23 dd  in the mode l is assu med,  whi c h do es  not exist in p h ysical truth.   Hen c e, resea r ch ers ad opt  the rea c tion  coefficient   to repla c e the  se nsitivity  1 T  and then form   the gene ral type of linear  car-foll o wi ng  model s:     11 ( ) () () nn n x tT x t x t                   ( 2 0 )     That is: car-following  reacti on = sensitivit y(or re actio n  coeffici ent) ×stimulu s.  There are va riou s rea c tion  coeffici ents   assume d in d i fferent mod e l s .  Some mo dels  assume   as a con s tant (e. g.,  a ). Some model s assu me   in distrib u tion function  su ch   as:     12 12 , , ad d c bd d c                      ( 2 1 )     a b c  is  c o ns tant.   2.7.2.  Non - linear Car-follo w i ng Models   Nonli nea r car-followi ng mo dels  co ntain  model s imp r o v ed ba sed o n  linea r car-followin g   model s su ch  as Ga zi s mod e l, OV model, etc.  Gazis mod e l:  The a s sum p tion that the acceleration  (re actio n ) of vehicle  1 n  in Pipes  model relate s only with two vehicle s ’ re lative velocity which is  not agre ed  with Gazi s. Thu s he  prop osed a  nonlin ear  car-followi ng mo del in whi c the rea c tion  coeffici ent   wa s inv e r s ely  prop ortio nal to the gap b e twee n two  vehicle s  in 1 959 [24]. Ga zis d e fine s that  a  as the   prop ortio nality coefficient  whi c h is p r o portion al  to the critic al veloc i ty of traffic  flow  m V and  inversely pro portion al to the gap of two vehicle s   f V : 1 2 mf aV V  .G a z is  mo de l is  s h ow n  as  follow:      11 1 ( ) () () () ( ) nn n nn a x tT x t x t xt x t                  ( 2 2 )     Gazi s p r o p o s es the  ge neral form  of ca r-fo llo win g  m odel s in  his  sub s e que nt rese arch  [25]. He defin es   1 1 () () () m n l nn xt T x txt  as the se nsitivity,  m l  are  con s tants.       1 11 1 () ( ) () () () ( ) m n nn n l nn xt T x tT a x t x t xt x t                 (24)    It is the no nli near mod e l formul a when   0 m  and  1 l ; Yet it is the  gen eral form of   linear m odel  whe n   0 m  and  0 l Gipps mode l (Safe t y-distance mod e l):  Gipp s m o d e l assum e a  safety dista n c e that  vehicle s  al wa ys ke ep in th eir follo wing  behavio r to  a v oid crashing . Thus th e m odel i s  kno w n as  the ca r-foll o wing mod e l ba sed  on  safety distan ce [26] .The ori g inal fo rm of the mod e l is exp r e s se d   in differential  equatio ns of  basi c  Newto n i an moti on bu t not in the form of stimulus-re sp on se:     22 11 1 0 () ( ) () ( ) ( ) nn n l n n x tx t x t x t T x t Tb                (25)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.