城市交通組織管理仿真平臺(tái)研究與應(yīng)用
——以北京為例

茹華所,何良君,彭德品

(云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 ，云南 昆明 650217)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各大城市市區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加，機(jī)動(dòng)車保有量的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了路網(wǎng)容量的增長(zhǎng)。為緩解日益增長(zhǎng)的交通壓力，利用科技方法和管理手段充分提高現(xiàn)有道路設(shè)施的利用效率，已經(jīng)成為解決城市交通擁堵問(wèn)題的關(guān)鍵。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)制定交通改善措施方法也存在著諸如數(shù)據(jù)依據(jù)不足，無(wú)法事先定量預(yù)測(cè)方案實(shí)施效果等弊病。

道路交通仿真能夠再現(xiàn)當(dāng)前的交通運(yùn)行狀態(tài)，完成交通組織方案的定量評(píng)估分析，進(jìn)而對(duì)交通組織管理、交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)、交通政策可行性分析研究提供量化的決策依據(jù)?；诔鞘袇^(qū)域道路交通運(yùn)行特點(diǎn)，其交通組織和控制方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施必須經(jīng)過(guò)反復(fù)的論證，并借助科學(xué)的手段或工具對(duì)其進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià)，交通組織仿真為此問(wèn)題提供了良好的解決方案。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作

交通組織管理仿真平臺(tái)是系統(tǒng)仿真理論與方法在交通領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)交通管理仿真平臺(tái)的研究主要體現(xiàn)在仿真模型研究和仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。

國(guó)外早于國(guó)內(nèi)對(duì)仿真模型進(jìn)行研究，并把仿真模型的標(biāo)定和校驗(yàn)作為主要研究方向，重視仿真模型的可用性及置信度。同時(shí)，采用人工智能理論及方法來(lái)解決無(wú)法或難以用數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，特別是Agent (智能體)技術(shù)的融入，能客觀較好地描述交通對(duì)象特性，使建模有了一個(gè)新的思路。H.Simon，P.Byungkyu，等[1-2]基于Agent建模進(jìn)行了研究，從不同的方面給出了相應(yīng)的仿真模型。

仿真模型的標(biāo)定和校驗(yàn)成為應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。J.Mithilesh, S.J.Kim，等[3-4]在對(duì)交通組織管理的仿真模型研究有關(guān)情況分析后，認(rèn)為仿真模型的標(biāo)定和檢驗(yàn)在微觀仿真模型應(yīng)用中的重要性正逐步得到相關(guān)學(xué)者的重視，并主要基于當(dāng)前成熟的交通仿真軟件采用不同方法系統(tǒng)地研究這一問(wèn)題，如：VISSIM, VISSUM, CORSIM，PARAMICS、AIMSUN等。H.Peter[5]對(duì)VISSIM、AIMSUN進(jìn)行了評(píng)價(jià)。G.Szucs[6]認(rèn)為，在成熟的仿真軟件基礎(chǔ)上建立開(kāi)放的仿真框架比開(kāi)發(fā)新的仿真軟件更為重要。J.Barcelo，等[7]對(duì)下一代仿真程序進(jìn)行了研究，以開(kāi)發(fā)支持微觀仿真的開(kāi)放行為算法核心庫(kù)為目標(biāo)，且?guī)в袠?biāo)定數(shù)據(jù)和支持文擋，為下一代仿真程序的建立奠定基礎(chǔ)。Wang Xinhao[8]在進(jìn)行交通影響分析研究時(shí)，將分析重點(diǎn)放在GIS、仿真模型和可視化的集成方面?？傊瑥?fù)雜系統(tǒng)建模方法、仿真模型的標(biāo)定和檢驗(yàn)、仿真模型的復(fù)用性和標(biāo)準(zhǔn)化、仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和集成化是國(guó)外交通系統(tǒng)仿真研究的趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)交通仿真模型的研究，緊密結(jié)合了計(jì)算機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用，研究貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在：基于基于Petri網(wǎng)建模、Agent建模、復(fù)雜系統(tǒng)分布式仿真建模方法等。仿真模型建模思想向集成化、系統(tǒng)化、智能化方向發(fā)展，逐漸與國(guó)際接軌[9-11]。針對(duì)奧運(yùn)交通需求特點(diǎn)，商蕾，等[12]將奧運(yùn)交通涉及的交通緊急事件管理、奧運(yùn)交通組織、輔助決策支持、交通信息服務(wù)等系統(tǒng)整合，建立了一個(gè)基于GIS-T的奧運(yùn)交通管理與信息服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源共享，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。通過(guò)數(shù)據(jù)融合、分析和處理，為不同層次的用戶主體提供信息服務(wù)和輔助決策支持。

總之，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的城市交通組織管理仿真平臺(tái)，或者國(guó)外成熟的仿真工具不適用于中國(guó)的交通環(huán)境。因此，開(kāi)發(fā)符合中國(guó)國(guó)情的城市交通組織管理仿真平臺(tái)是非常有適用價(jià)值和理論研究意義的。

筆者從我國(guó)城市物理特性出發(fā)，大城市基本以核心區(qū)域布局向周邊放射發(fā)展，道路分布區(qū)域性比較明顯。城市交通管理仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)以城市道路分布特性為指導(dǎo)，采用先進(jìn)成熟的技術(shù)支撐，旨在設(shè)計(jì)適合我國(guó)大部分城市交通管理的仿真平臺(tái)框架。

2 城市交通管理仿真平臺(tái)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

仿真平臺(tái)基于3層C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層3層，對(duì)應(yīng)到物理設(shè)備分別是客戶機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。客戶機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；應(yīng)用服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合計(jì)算和并行仿真運(yùn)算；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 交通模型接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)

在業(yè)界中統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是大勢(shì)所趨。而文中依托項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)平臺(tái)，要求能夠讀入各種流行的仿真軟件數(shù)據(jù)格式，這就更需要指定一套符合北京市具體交通管理特點(diǎn)、交通行為模式的交通模型接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2.2.2 宏觀、中觀和微觀仿真無(wú)縫拼接技術(shù)

平臺(tái)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)宏觀、中觀和微觀仿真的無(wú)縫拼接技術(shù)，即實(shí)現(xiàn)宏觀、中觀和微觀仿真共用一套仿真路網(wǎng)模型，宏觀交通分配的結(jié)果，可以不經(jīng)處理直接作為中觀和微觀仿真的數(shù)據(jù)輸入，而微觀和中觀仿真的結(jié)果，將作為宏觀交通分配時(shí)路徑費(fèi)用計(jì)算的一個(gè)組成部分。且宏觀交通狀態(tài)顯示時(shí)將融合微觀仿真時(shí)道路的交通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)宏觀仿真和中觀、微觀仿真的融合。同時(shí)中觀仿真動(dòng)態(tài)交通分配的結(jié)果將為微觀仿真提供數(shù)據(jù)輸入，而微觀仿真的結(jié)果，可以融合進(jìn)中觀仿真，通過(guò)中觀仿真顯示區(qū)域交通狀態(tài)。

2.2.3 動(dòng)態(tài)起訖流量生成技術(shù)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)理論經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)方法的分析研究，本平臺(tái)將根據(jù)數(shù)據(jù)需求及仿真建模要求，針對(duì)城市交通特點(diǎn)，建立科學(xué)先進(jìn)的交通OD數(shù)據(jù)反推算法，即通過(guò)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)提供的道路網(wǎng)絡(luò)交通量、速度、旅行時(shí)間等交通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他可獲得的信息資源，確定北京市交通OD矩陣的估計(jì)值，從而為宏觀交通仿真、中觀交通仿真和微觀交通仿真模擬等提供基礎(chǔ)出行數(shù)據(jù)。

2.2.4 并行計(jì)算技術(shù)

本平臺(tái)系統(tǒng)采用MPI的并行架構(gòu)，將多臺(tái)高性能服務(wù)器通過(guò)高速以太網(wǎng)連接，通過(guò)一臺(tái)中央控制服務(wù)器進(jìn)行資源配置，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算機(jī)集群的并行化運(yùn)算處理，這是目前其它商業(yè)仿真軟件都不具備的優(yōu)勢(shì)。

2.2.5 交通模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

文中構(gòu)建的仿真平臺(tái)將開(kāi)發(fā)基于數(shù)據(jù)庫(kù)的交通模型存儲(chǔ)技術(shù)除了可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域讀取繪制外，還可以實(shí)現(xiàn)GIS路段和仿真路段的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在GIS路段和仿真路段間的交換，保證GIS路段和仿真路段的一致和融合。

3 城市交通組織管理仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 仿真平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

仿真平臺(tái)系統(tǒng)后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器中設(shè)置5臺(tái)組成仿真服務(wù)器集群，其中主機(jī)1臺(tái)、節(jié)點(diǎn)機(jī)4臺(tái)，仿真集群直接連至千兆核心交換機(jī)。剩余的2臺(tái)服務(wù)器一臺(tái)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、另外一臺(tái)用于平臺(tái)管理和GIS處理；后臺(tái)另外2臺(tái)UNIX服務(wù)器一臺(tái)用于仿真數(shù)據(jù)庫(kù)、另外一臺(tái)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS數(shù)據(jù)庫(kù)?？蛻舳朔譃閮深?，一類是交管局辦公大樓用戶，另外一類是交管局外派下屬單位用戶。交管局辦公大樓用戶通過(guò)百兆局域網(wǎng)直接訪問(wèn)仿真平臺(tái)；外部單位通過(guò)公安內(nèi)網(wǎng)及透過(guò)防火墻訪問(wèn)平臺(tái)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 仿真平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of simulation platform

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計(jì)

仿真平臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程如下：

1)系統(tǒng)接到實(shí)時(shí)交通流信息數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)融合，計(jì)算出路段的流量、車速、占有率，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)；

2)系統(tǒng)接收到旅行時(shí)間檢測(cè)器數(shù)據(jù)后進(jìn)行號(hào)牌匹配，推算有效數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交通流OD和旅行時(shí)間，然后入庫(kù)；

3)系統(tǒng)利用以上數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和其它交通(包括OD模式調(diào)查)調(diào)查數(shù)據(jù)推算實(shí)時(shí)OD和路段通行費(fèi)用，然后入庫(kù)；

4)系統(tǒng)利用路網(wǎng)GIS圖自動(dòng)生成路網(wǎng)宏觀仿真模型，寫入宏觀模型庫(kù)；

5)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換模塊將已經(jīng)建立的路口微觀模型轉(zhuǎn)換成仿真平臺(tái)的路口微觀模型，利用GIS圖自動(dòng)生成路段微觀模型，并將路口路段模型進(jìn)行連接，形成區(qū)域的微觀仿真模型，寫入微觀模型庫(kù)；

6)使用生成的實(shí)時(shí)OD數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)道路費(fèi)用數(shù)據(jù)利用路網(wǎng)宏觀模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)交通分配，生成動(dòng)態(tài)交通分配數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；

7)使用微觀交通仿真模型進(jìn)行交通的微觀仿真，顯示仿真動(dòng)畫和進(jìn)行微觀仿真評(píng)價(jià)；

8)使用宏觀仿真模型進(jìn)行路網(wǎng)交通的宏觀仿真，顯示路網(wǎng)狀態(tài)和進(jìn)行宏觀仿真評(píng)價(jià)。

仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)處理流程如圖3。

圖3 仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing of simulation platform

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)由實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)庫(kù)，交通仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，GIS數(shù)據(jù)庫(kù)和管理數(shù)據(jù)庫(kù)組成。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.4 Database system design

3.4 接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)基于SOA(Service-Oriented Architecture)架構(gòu)，仿真系統(tǒng)平臺(tái)的4個(gè)子系統(tǒng)之間采用Web服務(wù)的方式提供信息訪問(wèn)接口。平臺(tái)接口技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的、規(guī)范的XML描述接口。這一描述中包括了與服務(wù)進(jìn)行交互所需要的全部細(xì)節(jié)，包括消息格式、傳輸協(xié)議和服務(wù)位置。而在對(duì)外的接口中隱藏了服務(wù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，僅提供一系列可執(zhí)行的操作，這些操作獨(dú)立于軟、硬件平臺(tái)和編寫服務(wù)所用的編程語(yǔ)言。接口設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 仿真平臺(tái)接口Fig.5 Interface of simulation platform

3.5 城市交通組織管理仿真平臺(tái)應(yīng)用效果

選取城區(qū)900個(gè)重點(diǎn)擁堵道路及路口進(jìn)行系統(tǒng)示范應(yīng)用。通過(guò)實(shí)地交通調(diào)查、交通運(yùn)行狀況分析、交通組織方案分析、交通組織方案模型的建立與仿真評(píng)估分析，以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用科學(xué)交通組織優(yōu)化與仿真系統(tǒng)，再現(xiàn)交通流在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口和路段交通組織優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)和量化評(píng)估分析，比選出不同時(shí)空維度下的最優(yōu)交通組織方案，最大限度提高道路資源利用率，力求使道路交通資源達(dá)到最佳的利用狀態(tài)。平臺(tái)界面和仿真對(duì)象如圖6。仿真過(guò)程和結(jié)果輸出如圖7。

圖6 指揮大廳全路網(wǎng)宏觀展示界面和區(qū)域仿真展示Fig.6 The macro show interface of the whole road network for the command hall and the region simulation shows

圖7 仿真過(guò)程和結(jié)果輸出Fig.7 Simulation procedure and results output

4 結(jié) 語(yǔ)

仿真平臺(tái)通過(guò)對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題的分析研究，有針對(duì)性地提出優(yōu)化解決方案，將極大的提高整體路網(wǎng)的運(yùn)行效率和服務(wù)水平，將大幅度地改善整個(gè)城市的交通基礎(chǔ)設(shè)施條件，提升北京的區(qū)位競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。仿真平臺(tái)將為交通管理部門提供更為直接、精確和科學(xué)的交通管理手段，提高交通管理水平與效率。依靠科學(xué)的交通仿真技術(shù)平臺(tái)對(duì)交通現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)癥結(jié)問(wèn)題提出優(yōu)化方案，可以減少交通擁堵和車輛延誤，將大幅改善區(qū)域交通出行環(huán)境。

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