宏觀交通仿真系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究

陳臻

隨著近年來交通仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的交通仿真軟件被用于工程實(shí)踐中。交通仿真軟件主要分為宏觀仿真及微觀仿真兩種不同類型，其中宏觀仿真軟件主要適用于描述交通系統(tǒng)的總體特征，代表軟件包括TransCAD、Cube等；

微觀交通仿真軟件著重于分析車輛實(shí)際運(yùn)行特征，車輛在道路上的跟車、超車及車道變換行為等微觀行為都能得到較真實(shí)的反映，代表軟件包括Vissim等仿真軟件。

1 宏觀交通仿真系統(tǒng)架構(gòu)

做好城市交通控制工作，很多的控制邏輯和硬件設(shè)備需要進(jìn)行測試，因此進(jìn)行環(huán)境的仿真是非常必要的。交通仿真可以很經(jīng)濟(jì)高效的提供一個環(huán)境，降低分析和決策的成本，提高效率和科學(xué)性[1]。

1.1 路網(wǎng)及交通流

根據(jù)現(xiàn)狀或規(guī)劃的相關(guān)資料，設(shè)置道路路段及連接器。在路段設(shè)置上，TESS的樣式為黑色帶白色箭頭的線段，強(qiáng)調(diào)了交通組織；Vissim顏色則可自己設(shè)置，可切換線段和箭頭模式。在連接器設(shè)置上，TESS可實(shí)現(xiàn)上下游車道不對等連接的設(shè)置，優(yōu)化了車流分離匯合的展示；而Vissim上下游車道只可以對等設(shè)置，因而在仿真時，Vissim的路網(wǎng)更容易發(fā)生車輛未提前變道而產(chǎn)生的擁堵。

Vissim軟件的交通微觀仿真模型工作的基本流程對于TESS也同樣適用，具體流程如下：

根據(jù)調(diào)查或交通預(yù)測結(jié)果，設(shè)置交通參數(shù)（駕駛行為，車型比例、車速、路段流量及轉(zhuǎn)向流量）。兩者在以上參數(shù)上的設(shè)置模式上大同小異，但結(jié)合路網(wǎng)和交通流的設(shè)置，在運(yùn)行效果上，TESS會顯得更為流暢。

根據(jù)道路以及交通組織特點(diǎn)，設(shè)置限速車道，變速車道，以及沖突讓行區(qū)。兩者在限速與變速車道上的區(qū)別不大，他們的不同主要是在沖突區(qū)的設(shè)置。TESS在車輛匯入及讓行上為系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置；而Vissim則有不同方向的會車先行的設(shè)置[2]。

1.2 信號控制

根據(jù)現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)方案，設(shè)置各車道的信號燈位置及信號配時。TESS與VISSIM相同，信號控制作用點(diǎn)均為車道停止線；而信號配時，TESS主要針對單個交叉口的靜態(tài)控制，在多交叉口的聯(lián)動和動態(tài)信號配時分配上，VISSIM則較為完善。除此以外，在操作界面上，VISSIM比TESS要形象具體很多。

1.3 可視化展示

在二維平面展示上，TESS和VISSIM基本上一樣。但在三維與其他軟件兼容上，VISSIM則比TESS要優(yōu)秀。

1.4 數(shù)據(jù)采集與交通評估

根據(jù)數(shù)據(jù)類型（例如排隊(duì)長度、通行時間、延誤以及服務(wù)水平），設(shè)置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)/區(qū)。兩者都可檢測較為直觀的數(shù)據(jù)，如排隊(duì)長度、通行時間和行駛速度。不同點(diǎn)就在于他們對數(shù)據(jù)的管理行駛，TESS按不同車道的檢測器以樣本和集計(jì)兩者方式導(dǎo)出若干EXCEL表格；VISSIM則可在軟件仿真的同時，展示出各路段的集計(jì)數(shù)據(jù)，最后再通過數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能導(dǎo)出至excel。

2 仿真系統(tǒng)架構(gòu)以及關(guān)鍵示例

上海地鐵作為世界上客運(yùn)規(guī)模第二大的城市地鐵系統(tǒng)，現(xiàn)有運(yùn)營線路15條（含磁浮線），線路總長度為617km（含磁浮29km），車站366座（含磁浮2座車站），2016年全路網(wǎng)全年客運(yùn)量約34.01億人次，日均客流量928萬人次，占公共交通客流的50.73%，承擔(dān)了超過1/4的上海交通出行。在上?！皽p量增效”的存量規(guī)劃背景下，通過大數(shù)據(jù)支撐下的精細(xì)化分析與建模，提出有針對性的系統(tǒng)性規(guī)劃、運(yùn)營、優(yōu)化方案，能夠在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)上擴(kuò)大有效供給、提升服務(wù)品質(zhì)，更優(yōu)質(zhì)高效地滿足上海日益增長的地鐵出行需求。

城市發(fā)展過程中，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口總量持續(xù)增長，使得城市交通出行總量和出行距離普遍增加，城市交通與人口、環(huán)境、安全、能源等方面的矛盾日益凸顯，城市交通發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)。地鐵具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、環(huán)保、節(jié)約用地等特點(diǎn)。合理規(guī)劃、高效利用地鐵網(wǎng)絡(luò)，提升地鐵競爭力，能夠有效緩解城市道路交通壓力，改善城市居民出行體驗(yàn)，促進(jìn)城市交通向集約高效、低碳環(huán)保方向轉(zhuǎn)變[3]。

上海城市地鐵系統(tǒng)，利用Vissim進(jìn)行需求宏觀仿真，模型具有多層次、精細(xì)化、可視化、可交互等特點(diǎn)，可用于：

需求差異分析：模型可分析各時段各地鐵線路段客運(yùn)量，比較各站點(diǎn)、各線路間的需求差異，對地鐵線路規(guī)劃、應(yīng)急方案制定、多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同規(guī)劃、土地交通一體化規(guī)劃等具有指導(dǎo)意義；

Vissim以其精簡靈活的配置及豐富全面的功能，在交通需求建模、交通規(guī)劃、空間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理等方面有較廣泛的應(yīng)用。目前，軌道交通宏觀仿真模型多以跨城市軌道交通客運(yùn)出行及貨物運(yùn)輸為主，針對城市地鐵系統(tǒng)需求的宏觀仿真模型仍不常見。案例中，倫敦帝國理工學(xué)院交通研究中心以PTVVISUM為基礎(chǔ)，搭建上海城市地鐵系統(tǒng)需求宏觀仿真模型。該模型可用于精細(xì)化分析地鐵站點(diǎn)、線路、線網(wǎng)需求模式，量化各層級需求差異及供需矛盾，模擬規(guī)劃、運(yùn)營、定價方案潛在影響，輔助地鐵線網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)營管理。

利用PTVVISUM軟件構(gòu)建上海地鐵系統(tǒng)宏觀仿真模型，并分別建立了公共交通使用者模型（public transport user model）與公共交通運(yùn)營者模型（publictransport operator model）。模型建立大致包括以下步驟：

分時段地鐵需求OD提?。簩Ａ康罔F刷卡數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，從中提取工作日7：00～21：00兩兩地鐵站之間每30min的出行量，將個人需求轉(zhuǎn)化為聚合需求。

站點(diǎn)、線網(wǎng)信息的錄入與校正：導(dǎo)入地鐵站點(diǎn)及地鐵線路空間信息，并針對部分站點(diǎn)及線路的空間偏移進(jìn)行校正。

在信號控制方案上與下游的道路交叉口進(jìn)行信號的周期和相位差的協(xié)調(diào)，保證交叉口進(jìn)口道排隊(duì)不溢出。

另外，通過信號控制將開發(fā)項(xiàng)目的車輛排隊(duì)盡量壓縮在項(xiàng)目基地內(nèi)部，基地出入口進(jìn)行了進(jìn)口道車道功能的劃分，保證了車輛進(jìn)出的效率，同時通過信號控制減少了項(xiàng)目基地車輛與背景車輛的交織。個仿真，除了進(jìn)行常規(guī)的交通影響評價指標(biāo)計(jì)算外，還證明了交通組織方案的可行性以及必要性[4]。

地鐵運(yùn)營信息推算與錄入：包括地鐵站運(yùn)行時刻表推算、站間票價矩陣構(gòu)建、地鐵供給參數(shù)錄入等：

地鐵站運(yùn)行時刻表：根據(jù)各線路地鐵首末班車時間及各典型時段發(fā)班間隔，推算各地鐵站各班地鐵的進(jìn)出站時間。根據(jù)地鐵運(yùn)營特點(diǎn)，將7：00～21：00切分為三個典型時段：高峰時段、次高峰時段及非高峰時段；

站間票價矩陣構(gòu)建：上海地鐵采取按里程計(jì)價的多級票價制度。里程按站間最短距離計(jì)算，即出發(fā)站與到達(dá)站之間沿線網(wǎng)的最短行駛里程，不考慮乘客的實(shí)際乘車路線。最短距離計(jì)算由軟件內(nèi)嵌模型完成；地鐵供給參數(shù)錄入：包括各線路地鐵行駛速度、編組情況、車廂載客量等，用以推算各班次地鐵容量及站間行駛時間[5]；

地鐵需求路徑分配：將兩兩地鐵站之間的出行需求，按規(guī)則分配到相應(yīng)線路段上，即模擬各聚合需求的實(shí)際乘車路徑。Vissim的路徑分配規(guī)則主要包括基于時刻表的路徑分配、基于運(yùn)行間隔的路徑分配和基于交通系統(tǒng)的路徑分配。由于地鐵發(fā)班間隔較短，且考慮了換乘時間，因而本案例主要采用了基于時刻表的路徑分配規(guī)則。路徑建立、選取與站間行駛時間、票價收費(fèi)、換乘時間等有關(guān)[6]。

3 結(jié)語

經(jīng)過仿真軟件的實(shí)踐比較，在用戶操作體驗(yàn)上，根據(jù)項(xiàng)目情況及個人喜好選擇合適的仿真工具。TESS比VISSIM更貼近國內(nèi)的使用習(xí)慣，但基于TESS尚在評測階段，有許多功能有待完善（特別是TESS無撤回）。對于規(guī)模較小時間較少的項(xiàng)目，TESS能較好地完成仿真任務(wù)；對于規(guī)模較大時間較充裕的項(xiàng)目，Vissim則更適合?？傮w來說Vissim比TESS在功能上會更完善，仿真真效果也更出眾，但涉及的參數(shù)、設(shè)計(jì)的過程和仿真結(jié)果也更復(fù)雜。

[1]茹華所，何良君，彭德品.城市交通組織管理仿真平臺研究與應(yīng)用——以北京為例[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（1）：119～124.

[2]吳斗.城市交通在線仿真關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[D].電子科技大學(xué)，2016.

[3]李正強(qiáng).水上交通態(tài)勢評估建模與可視化研究[D].武漢理工大學(xué)，2015.

[4]畢書敏.面向QoS需求的異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)融合方案設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2015.

[5]張培嶺.雨天高速公路可變限速控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué)，2014.

[6]張宏.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的車載自組織網(wǎng)絡(luò)研究[D].華中科技大學(xué)，2015.