基于VVA的多分辨率交通仿真建模過程評(píng)價(jià)框架研究

馬 健，張麗巖，李克平

（1.蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804）

0 引 言

在交通系統(tǒng)仿真中，根據(jù)仿真的粒度，可將其分為三個(gè)粒度等級(jí)，即宏觀（Macro-model）、中觀（Meso-model）和微觀（Micro-model）交通仿真，這些可以統(tǒng)稱為固定分辨率仿真模型[1]。微觀交通仿真能夠提供對(duì)交通系統(tǒng)的詳細(xì)描述，但是同時(shí)也受到校正困難和計(jì)算量巨大等問題的困擾，從而限制了其仿真對(duì)象的規(guī)模；宏觀和中觀仿真雖然能夠描述大規(guī)模的交通系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，但是其描述僅限于較低的分辨率層面。正是基于以上諸多問題，美國(guó)交通部于2004年發(fā)起的“下一代仿真”（Next Generation SIMulation，NGSIM）計(jì)劃將核心仿真模型、改進(jìn)建模方法、動(dòng)態(tài)交通分配、模型集成方法以及模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證作為目前交通領(lǐng)域重點(diǎn)研究的五大問題[2]。

多分辨率交通仿真的思路和方法為解決這一問題提供了新的思路和途徑。通過多分辨率建模技術(shù)可以把不同層次的交通仿真模型整合在一起，進(jìn)行有機(jī)組合，發(fā)揮不同模型的長(zhǎng)處，形成多層次的交通混合仿真模型系統(tǒng)[3]。但是，無(wú)論是單分辨率建模，還是多分辨率建模，以往的交通仿真建模研究多數(shù)是集中于模型本身及其相關(guān)的校驗(yàn)方面，缺乏對(duì)整個(gè)仿真建模過程的規(guī)范化流程和系統(tǒng)性描述。本文借鑒系統(tǒng)仿真的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)（Verification Validation Accreditation，VVA）過程評(píng)價(jià)模型，來建立多分辨交通仿真的VVA過程評(píng)價(jià)框架。

1 VVA的基本概念

關(guān)于VVA，至今仍未有統(tǒng)一定義，美國(guó)國(guó)防部給出的VVA的定義是目前被比較廣泛認(rèn)同的[4]。具體為[4-5]：校核是確定模型實(shí)施及其相關(guān)數(shù)據(jù)是否精確描述了開發(fā)者的概念描述及相關(guān)技術(shù)規(guī)范的過程；驗(yàn)證是根據(jù)模型開發(fā)的預(yù)期目的，確定模型及其相關(guān)數(shù)據(jù)描述真實(shí)世界的精確程度的過程；確認(rèn)是官方或個(gè)人對(duì)一個(gè)模型，或一個(gè)仿真，或一系列的模型和仿真及其相關(guān)數(shù)據(jù)可用于特定仿真目的的認(rèn)證活動(dòng)。

一般來說，系統(tǒng)仿真可歸結(jié)為三個(gè)組成部分：建模、仿真、評(píng)估。建模主要處理的是實(shí)際系統(tǒng)與模型之間的關(guān)系；仿真主要考慮的是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與模型之間的關(guān)系；評(píng)估主要是對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行可信性驗(yàn)證[6]。VVA是可信度評(píng)估工作的核心和基礎(chǔ)。仿真模型的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)之間相互區(qū)別又彼此依賴，有著十分密切的聯(lián)系。簡(jiǎn)而言之，模型校核主要考慮的是“是否正確地建立了模型？”；模型驗(yàn)證主要考慮的是“是否建立了有效的模型？”；模型確認(rèn)主要考慮的是“是否信賴仿真模型和仿真結(jié)果？”[6]。前兩者是條件，它們貫穿于建模與仿真的整個(gè)過程；后者是結(jié)果，它評(píng)定了系統(tǒng)仿真的結(jié)果。

2 基于VVA的多分辨交通仿真的評(píng)價(jià)原理

在多分辨率交通仿真中，針對(duì)實(shí)際交通系統(tǒng)，由于觀察分析的粒度不同，考慮問題的抽象層次不同，使實(shí)際交通系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的層次性，進(jìn)而形成了不同粒度下的模型族。這些模型是同一研究對(duì)象在不同粒度下的數(shù)學(xué)描述，它們之間既有區(qū)別又有聯(lián)系：區(qū)別是建模時(shí)考慮的粒度層次不同，所需要的信息粒度及模型可表達(dá)的逼真度是不一樣的；聯(lián)系是這些模型都是對(duì)現(xiàn)實(shí)交通系統(tǒng)的反映，本質(zhì)上是同一研究對(duì)象在不同粒度空間的一種映射。對(duì)多分辨率模型而言，這就提出了這些模型之間的一致性要求?；诙喾直媛誓Ｐ停梢酝耆匦麻_始實(shí)現(xiàn)所有的模型族，也可以基于現(xiàn)有的部分模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)所有的模型族。前一種方式耗時(shí)多、成本高，但是靈活性高，開發(fā)者可以完全掌控；后一種方法能夠利用現(xiàn)有的研究成果及系統(tǒng)，成本低，但靈活性不高，開發(fā)者不能完全或難以掌控系統(tǒng)研發(fā)。這就需要研究模型系統(tǒng)的集成性，以提高開發(fā)效率，節(jié)省研發(fā)成本。擴(kuò)展的VVA見圖1所示[7]：

圖1 VVA在多分辨交通仿真評(píng)價(jià)中的應(yīng)用原理

3 基于VVA的多分辨交通仿真過程評(píng)價(jià)框架

仿真系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行過程主要可分為：進(jìn)行需求分析、確定系統(tǒng)目標(biāo)；根據(jù)理論基礎(chǔ)建立概念模型；采用建模方法建立數(shù)學(xué)與仿真模型；采用一定的算法求解并實(shí)現(xiàn)模型；進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新與維護(hù)。本節(jié)建立了交通仿真模型的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)過程模型，如圖2所示，VVA過程貫穿于仿真系統(tǒng)開發(fā)過程當(dāng)中，目前多分辨率交通仿真的VVA過程主要可分為以下7個(gè)階段[6-7]：

第1階段，目標(biāo)校核。處于“目標(biāo)分析”階段，基于多分辨率交通仿真系統(tǒng)的需求分析，圍繞多分辨率仿真的目標(biāo)，執(zhí)行VVA計(jì)劃，檢查需求描述和目標(biāo)描述是否一致，校核系統(tǒng)需求的可行性、正確性、完備性與一致性。

第2階段，概念模型驗(yàn)證。處于“概念模型設(shè)計(jì)”階段，基于多分辨率交通仿真系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)行概念模型的正確性驗(yàn)證，主要包括概念模型的語(yǔ)法驗(yàn)證與語(yǔ)義驗(yàn)證，確保概念模型的正確性與合理性。

第3階段，數(shù)學(xué)模型校核。處于“數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)”階段，基于多分辨率交通仿真系統(tǒng)的建模理論及概念模型，圍繞利用數(shù)學(xué)分析方法抽象出數(shù)學(xué)模型描述的過程，對(duì)其是否準(zhǔn)確地描述了概念模型進(jìn)行校核，以保證數(shù)學(xué)模型的正確性及合理性。

第4階段，仿真模型校核。處于“仿真模型設(shè)計(jì)”階段，基于多分辨率交通仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、求解算法及集成仿真方法，圍繞著計(jì)算機(jī)性能、程序邏輯、軟件接口、數(shù)值算法等對(duì)交通仿真系統(tǒng)的正確性和仿真精度進(jìn)行校核。

第5階段，仿真模型驗(yàn)證。處于“仿真模型實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)”階段，為保證整個(gè)仿真系統(tǒng)的正確性和適用性，先對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)多分辨率交通仿真系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證；另外，在已建立的仿真系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)交通系統(tǒng)的仿真精度、仿真性能、仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

第6階段，仿真模型確認(rèn)。在仿真模型精度、性能、結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際交通信息采集、交通現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)等方法，由個(gè)人或權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)概念模型、數(shù)學(xué)模型、仿真模型及求解算法等進(jìn)行評(píng)估，以確定仿真系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，是否可以接受，并作出最終確認(rèn)。

第7階段，VVA記錄。將VVA各個(gè)階段工作程序化、文檔化，其目的是使建模實(shí)驗(yàn)過程科學(xué)規(guī)范化，做到有據(jù)可查，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果便于分析，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘打下基礎(chǔ)。

最后，必須指出的是模型的建立、校核及評(píng)估不是獨(dú)立的，它是一個(gè)相互融合、相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的過程，在實(shí)際系統(tǒng)建模中，這些流程有時(shí)很難清晰區(qū)分，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要和適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際場(chǎng)景的要求和建模的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文首先介紹了多分辨率交通仿真模型特點(diǎn)，并結(jié)合系統(tǒng)仿真的校核、驗(yàn)證與確認(rèn)（VVA）過程評(píng)價(jià)原理，提出了基于VVA的多分辨率交通仿真建模的過程評(píng)價(jià)框架。它通過研究仿真系統(tǒng)生命周期中的一系列活動(dòng)來評(píng)價(jià)研究結(jié)果的正確性和有效性，提高系統(tǒng)的可信性，使仿真系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

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