基于NetLogo城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境生成研究

張嘉敏，張嘉銳

（1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司青島機(jī)務(wù)段，山東 青島 266041）

城市軌道交通是國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的七大領(lǐng)域之一。網(wǎng)絡(luò)化已成為當(dāng)今城市軌道交通發(fā)展的既成事實(shí)，據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，截至2019年底，世界上共有520座城市開(kāi)通城市軌道交通，涉及75個(gè)國(guó)家和地區(qū)，總運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)28198km；中國(guó)累計(jì)有40座城市開(kāi)通城市軌道交通，總運(yùn)營(yíng)里程達(dá)6730.27km，線網(wǎng)規(guī)模和客流規(guī)模均位居全球首位。交通系統(tǒng)仿真技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)模型再現(xiàn)和分析復(fù)雜交通現(xiàn)象，Railsys、Opentrack分別是德國(guó)漢諾威大學(xué)和鐵路管理咨詢公司、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真軟件，技術(shù)成熟度較高，但針對(duì)中國(guó)軌道交通系統(tǒng)的具體仿真應(yīng)用，其可二次開(kāi)發(fā)編程的靈活度具有一定的局限性，NetLogo在一定程度上可以較好彌補(bǔ)這方面的不足。

1 城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的幾何物理特征

從物理構(gòu)成角度考察，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)是由線路、車(chē)站等行車(chē)設(shè)備及其之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系連接而成的多起訖點(diǎn)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)（many-origin-to-many-destination networks），車(chē)站、區(qū)間、軌道等是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)體系[2]，是城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行的必要物理支撐。城市軌道交通線路間的關(guān)聯(lián)關(guān)系包括對(duì)等關(guān)系、主次關(guān)系、并行分流、交叉銜接、完全銜接等，換乘站特別是大型換乘站是城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵結(jié)合點(diǎn)，線路與換乘點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系主要指線路通過(guò)還是終止于換乘點(diǎn)；交匯于換乘站點(diǎn)的線路，由于線路與換乘站點(diǎn)關(guān)系以及線路之間的不同關(guān)系，會(huì)產(chǎn)生不同的換乘方向個(gè)數(shù)，進(jìn)而衍生線網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)管理的復(fù)雜性，其中乘客的交換流向稱為換乘方向[3]。

交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的物理統(tǒng)計(jì)特征主要包括節(jié)點(diǎn)中心性、小世界特性、無(wú)標(biāo)度特征、權(quán)重和強(qiáng)度分布、社區(qū)結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)/動(dòng)態(tài)魯棒性。從幾何角度考察，通常交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)一般都有特定的形狀，如放射狀、矩形、網(wǎng)格狀、三角形[4]；其中網(wǎng)格型（棋盤(pán)型）結(jié)構(gòu)和放射型結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)、最基本的城市軌道交通線網(wǎng)的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，考慮增加環(huán)線，又可形成“環(huán)線+網(wǎng)格型”和“環(huán)線+放射型”等多種演繹形態(tài)。早期的一些公共交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要著眼于簡(jiǎn)單的放射型，然而，從20世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)生了一些變化，對(duì)于交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)大多數(shù)方法要么采用更為切合實(shí)際的、不規(guī)則的網(wǎng)格形狀，要么認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于建模無(wú)關(guān)緊要而不予以特別指定[5-6]。

文獻(xiàn)[7]綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方法研究復(fù)雜的公共交通網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)北京地鐵網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)屬性的詳細(xì)分析，文獻(xiàn)[8]的研究表明，當(dāng)考慮客流量時(shí)，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)性與脆性會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。作為城市公共交通的一種方式，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的形式化表示可以有兩種類(lèi)型，即基于頻率（frequency-based）的表示方法和基于時(shí)刻表（schedule-based）的表示方法[9]。在基于頻率方法的表達(dá)模型中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中邊與節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，一般采用拓?fù)溆邢驁D（如L型空間或P型空間）或連接矩陣的方式架構(gòu)城市軌道交通物理網(wǎng)絡(luò)。不同規(guī)模下城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)度分布服從冪律分布，其網(wǎng)絡(luò)具有典型的小世界特性和無(wú)標(biāo)度特征[10]。綜合來(lái)看，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的幾何物理特性主要涵蓋通達(dá)性、延展性、可靠性、便捷性、先進(jìn)性，其中先進(jìn)性具體表現(xiàn)為面向業(yè)務(wù)運(yùn)作層面的數(shù)字化建設(shè)、信息化/自動(dòng)化運(yùn)行與維護(hù)、自助式智能化乘客服務(wù)等，在技術(shù)裝備（如傳感器與視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于CBTC列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)）與管理水平（如車(chē)輛自動(dòng)定位技術(shù)AVL、客流自動(dòng)計(jì)數(shù)APC）上具備了現(xiàn)代化物理信息系統(tǒng)（CPS）的典型特征，為城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的智能化運(yùn)營(yíng)提供了硬件基礎(chǔ)。

2 NetLogo仿真原理與適用性

NetLogo[11]是由Uri Wilensky在1999年發(fā)起的，由美國(guó)西北大學(xué)連接學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)建模中心（CCL）負(fù)責(zé)持續(xù)開(kāi)發(fā)，是一系列源自StarLogo的多主體建模語(yǔ)言的下一代。Net－Logo完全可編程，人在回路，可以在所有主流平臺(tái)上（Mac，Windows，Linux等）作為一個(gè)獨(dú)立應(yīng)用程序運(yùn)行；面向?qū)ο?，移?dòng)主體（海龜）在由靜態(tài)主體（瓦片）組成的網(wǎng)格上移動(dòng)；交互性強(qiáng)，主體之間可以創(chuàng)建鏈接，形成聚集、網(wǎng)絡(luò)和圖；內(nèi)置大量原語(yǔ)，特別適合于對(duì)隨時(shí)間演化的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模，可用2D或3D模式查看模型，提供對(duì)自然和社會(huì)現(xiàn)象進(jìn)行仿真的可編程建模環(huán)境，界面構(gòu)建包括輸出區(qū)、開(kāi)關(guān)、按鈕、選擇器、滑動(dòng)條、監(jiān)視器、文本框、注解，具有強(qiáng)大靈活的繪圖系統(tǒng)，建模人員能夠向成百上千的獨(dú)立運(yùn)行的“主體”（agent）發(fā)出指令，從而使得探究微觀層面上的個(gè)體行為與宏觀模式之間的聯(lián)系成為可能，因?yàn)樵S多個(gè)體之間的交互可能會(huì)涌現(xiàn)出宏觀模式。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行的主要決定因素與基礎(chǔ)載體，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有多元化、交互性等特征，利用NetLogo平臺(tái)，可以生成較為真實(shí)的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，相較于Anylogic[12]仿真軟件，利用NetLogo以代碼方式生成城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，NetLogo更具靈活性和可實(shí)現(xiàn)性?；贜etLogo平臺(tái)架設(shè)生成城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，要統(tǒng)籌集成車(chē)站節(jié)點(diǎn)、軌道線路、列車(chē)、乘客這四大要素，及其相互間的非線性復(fù)雜交互演化。NetLogo仿真的基本思想是：生成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境場(chǎng)景，將軌道交通系統(tǒng)中的主要要素模擬成計(jì)算機(jī)中的主體（agents），各要素之間的交互行為模擬成agents的屬性和行為，并引入交互機(jī)制，將人/車(chē)/路作為一個(gè)完整交通系統(tǒng)，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)性場(chǎng)景庫(kù)，以供各主體agent在感知、分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行決策、控制、優(yōu)化、執(zhí)行等活動(dòng)。交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)建模是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的生成是其他相關(guān)具體網(wǎng)絡(luò)仿真項(xiàng)目環(huán)節(jié)的依托與載體，如動(dòng)態(tài)路徑選擇規(guī)劃、客流分配、出行行為分析、能力計(jì)算[13]、運(yùn)力運(yùn)量匹配[14]、運(yùn)輸組織方案與運(yùn)行圖評(píng)估、客流強(qiáng)度自適應(yīng)性測(cè)算、行車(chē)調(diào)度指揮、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模匡算與可達(dá)性分析等。

3 城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成NetLogo仿真流程

類(lèi)似于其它仿真軟件，城市軌道網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境可以用NetLogo底圖導(dǎo)入的方式，但是由于相關(guān)技術(shù)資料獲取的困難性，在沒(méi)有底圖的情況下，只能利用NetLogo以代碼方式生成，而且相較于底圖導(dǎo)入，雖然增加了編程技術(shù)難度，但更富仿真生成靈活性和界面效果友好性。在明確仿真目的，確定各項(xiàng)仿真技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用智能體建模，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成NetLogo仿真流程如圖1所示。

4 城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成NetLogo仿真代碼示例

圖1中各子環(huán)節(jié)生成代碼示例如下，其中每行代碼雙分號(hào)后的文字為注釋語(yǔ)句。

4.1 程序啟動(dòng)初始代設(shè)置碼示例

to setup

clear-all ;;將世界重設(shè)為初始、全空狀態(tài)

setup-nodes ;;建立車(chē)站節(jié)點(diǎn)

setup-URT-network ;;建立城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)

setup-trains ;;創(chuàng)建列車(chē)主體

setup-OD ;;隨機(jī)生成客流需求矩陣

reset-ticks ;;按時(shí)間步更新

end

4.2 軌道交通車(chē)站節(jié)點(diǎn)的生成代碼示例

to setup-nodes

set-default-shape circles"circle"

create-circles 6 ;;網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建6個(gè)節(jié)點(diǎn)

[

ask circle 0[

圖1 城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成NetLogo仿真流程

setxy 0 0 ;;將車(chē)站0設(shè)置在中心位置

set size 4 ;;設(shè)置幾何尺寸

set label 0 ;;設(shè)置標(biāo)簽

set station-type center-transfer-station ;;車(chē)站0的類(lèi)型為中心換乘站

set station-capacity 4200 ;;參照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范虛設(shè)車(chē)站最大容量

set alighting-proportion random 10/10 ;;設(shè)置列車(chē)在車(chē)站的下客率

]

ask circle 1[

setxy-5 10

set size 2

set label 1

set station-type transfer-station ;;車(chē)站1的類(lèi)型為一般換乘站

set station-capacity 3200

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 2[

setxy 8 10

set label 2

set station-type intermediate-station ;;車(chē)站2的類(lèi)型為中間站

set station-capacity 2500

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 3[

setxy 12-3

set size 2

set label 3

set station-type transfer-station ;;車(chē)站3的類(lèi)型為一般換乘站

set station-capacity 3200

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 4[

setxy 6-11

set size 3

set label 4

set station-type larger-transfer-station ;;車(chē)站4的類(lèi)型為較大換乘站

set station-capacity 3600

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 5[

setxy-4-9

set label 5

set station-type end-station ;;車(chē)站5的類(lèi)型為始發(fā)/終到站，即端點(diǎn)站

set station-capacity 2000

set alighting-proportion random 10/10

]

]

End

4.3 城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的生成代碼示例

to setup-URT-network

ask circle 0[create-link-with circle 1];;鏈接車(chē)站0與車(chē)站1，進(jìn)而創(chuàng)建紅線

ask link 0 1[

set thickness 1

set color red

set weight 1200 ;;weight的單位為米，即相鄰兩站間的距離

]

ask circle 0[create-link-with circle 3]

ask link 0 3[

set thickness 1

set color red

set weight 700

]

ask circle 1 [create-link-with circle 2];;創(chuàng)建綠線

ask link 1 2[

set thickness 1

set color green

set weight 850

]

ask circle 2[create-link-with circle 0]

ask link 2 0[

set thickness 1

set color green

set weight 1000

]

ask circle 0[create-link-with circle 4]

ask link 0 4[

set thickness 1

set color green

set weight 650

]

ask circle 5 [create-link-with circle 4];;創(chuàng)建藍(lán)線

ask link 5 4[

set thickness 1

set color blue

set weight 1100

]

ask circle 4[create-link-with circle 3]

ask link 4 3[

set thickness 1

set color blue

set weight 900

]

end

4.4 列車(chē)主體的生成代碼示例

create-cars num-trains

[

setxy-5 10 ;;設(shè)置所有列車(chē)初始地理位置

set train-speed 9.72 ;;設(shè)置列車(chē)速度

set capacity 1000 ;;設(shè)置單列車(chē)最大載客量

set npob 0 ;;設(shè)置初始車(chē)上乘客人數(shù)

]

4.5 乘客主體的生成代碼示例

to setup-OD

create-persons 15 ;;對(duì)稱OD矩陣上半對(duì)角設(shè)置有15個(gè)元素

[

ask person 13 [ ;;person后邊的數(shù)字13代表who值

;;person 13-person 17 分別代表OD 01，02，03，04，05

;;任意兩個(gè)海龜?shù)膚ho編號(hào)都不會(huì)重復(fù)，此前已創(chuàng)建6個(gè)circles和7條links，who值已從0編號(hào)到12，故此處person的who值從13開(kāi)始

set O 0 ;;乘客的O點(diǎn)為車(chē)站0

set D 1 ;;乘客的D點(diǎn)為車(chē)站1

set label 01 ;;乘客的標(biāo)簽為01

setxy 0 0 ;;乘客已經(jīng)位于出發(fā)車(chē)站0

set color 9

hatch random-poisson 3*60*0.1 ;;OD需求矩陣元素對(duì)應(yīng)同類(lèi)乘客數(shù)量值

]

ask person 14[

set O 0

set D 2

set label 02

set color 15

hatch random-poisson 3*60*0.2

]

ask person 15[

set O 0

set D 3

set label 03

set color 25

hatch random-poisson 3*60*0.2

]

ask person 16[

set O 0

set D 4

set label 04

set color 35

hatch random-poisson 3*60*0.2

]

ask person 17[

set O 0

set D 5

set label 05

set color 45

hatch random-poisson 3*60*0.3

]

ask person 18[ ;;person 18--person 21分別代表 OD 12，13，14，15

set O 1

set D 2

set label 12

setxy-5 10

set color 55

hatch random-poisson 2*60*0.1;;set arr-rt random-poisson 2

]

ask person 19[

set O 1

set D 3

set label 13

set color 65

hatch random-poisson 2*60*0.3

]

ask person 20[

set O 1

set D 4

set label 14

set color 75

hatch random-poisson 2*60*0.4

]

ask person 21[

set O 1

set D 5

set label 15

set color 85

hatch random-poisson 2*60*0.2

]

ask person 22 [ ;;person 22--person 24分別代表 OD 23，24，25

set O 2

set D 3

set label 23

set color 95

hatch random-poisson 2*60*0.3

]

ask person 23[

set O 2

set D 4

set label 24

set color 105

hatch random-poisson 2*60*0.4

]

ask person 24[

set O 2

set D 5

set label 25

set color 115

hatch random-poisson 2*60*0.3

]

ask person 25 [ ;;person 25-person 26分別代表 OD 34，35

set O 3

set D 4

set label 34

set color 125

hatch random-poisson 2*60*0.4

]

ask person 26[

set O 3

set D 5

set label 35

set color 135

hatch random-poisson 2*60*0.6

]

ask person 27[ ;;person 27代表OD 45

set O 4

set D 5

set label 45

set color 107

hatch random-poisson 2*60

]

]

End

5 城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)NetLogo仿真案例

在NetLogo仿真平臺(tái)依圖1流程運(yùn)行上述代碼，生成一個(gè)具有6個(gè)車(chē)站節(jié)點(diǎn)、3條軌道線路（紅線、綠線、藍(lán)線）的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境生成三條路徑，r1：1-0-4-5，r2：1-2-0-4-5，r3：1-2-0-3-4-5，在該環(huán)境下再編制路徑選擇/客流分配代碼并仿真運(yùn)行500個(gè)時(shí)間步后，獲得乘客在各條路徑上的分布特征如圖3所示，發(fā)現(xiàn)路徑r3吸引了最多乘客，可視為關(guān)鍵路徑。

圖2 NetLogo生成的城市軌道交通仿真網(wǎng)絡(luò)

圖3 乘客在各條路徑上的分布特征

6 結(jié)束語(yǔ)

《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[15]明確指出，城軌交通行業(yè)應(yīng)推進(jìn)城軌信息化，發(fā)展智能系統(tǒng)，建設(shè)智慧城軌，實(shí)現(xiàn)智慧網(wǎng)絡(luò)管理，開(kāi)創(chuàng)“交通強(qiáng)國(guó)、城軌擔(dān)當(dāng)”的新局面。在軌道交通數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的總體發(fā)展趨勢(shì)下，NetLogo等仿真技術(shù)可以動(dòng)態(tài)地、形象而逼真地模仿/復(fù)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)的種種現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)而有效的評(píng)估交通問(wèn)題的相關(guān)解決方案[16]，是研究復(fù)雜交通問(wèn)題的重要工具，亦是智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分之一，從而達(dá)到探究/解析軌道交通系統(tǒng)智能運(yùn)營(yíng)[17]的目的。本文研究了基于NetLogo的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境生成問(wèn)題，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，為后續(xù)進(jìn)一步深入開(kāi)展相關(guān)仿真研究奠定了基礎(chǔ)與參考。實(shí)際軌道交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)OD對(duì)數(shù)往往十分龐大（與車(chē)站數(shù)近似成平方關(guān)系），可以考慮在滿足應(yīng)用需求的前提下歸并部分OD，劃分區(qū)域OD，壓縮路網(wǎng)模型規(guī)模，再利用NetLogo平臺(tái)生成網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。