城市虛擬交通系統(tǒng)與交通發(fā)展決策支持模式研究

王煒 , 趙德 ，華雪東 ，周偉

（1.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096；2.東南大學(xué)江蘇省城市智能交通重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；3.東南大學(xué)現(xiàn)代城市交通技術(shù)江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210096）

一、前言

改革開放以來，我國城市交通發(fā)展經(jīng)歷了大規(guī)模建設(shè)、現(xiàn)代化管理、機(jī)動化轉(zhuǎn)型、智能化服務(wù)4個 階段 [1]；僅用40年時間完成了發(fā)達(dá)國家一百多年的發(fā)展歷程，發(fā)展速度之快、面臨問題之復(fù)雜、技術(shù)難度之大世所罕見。這期間，我國城市交通的出行方式也經(jīng)歷了自行車主導(dǎo)、機(jī)動車/非機(jī)動車混行、機(jī)動車主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。也要注意到，快速城鎮(zhèn)化引發(fā)了居民出行機(jī)動化，城市交通問題趨于嚴(yán)重。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2004—2019年我國私人載客汽車保有量從1.07×107輛增長至2.07×108輛（增長19.4倍），而城市道路里程僅從2.23×105km增長至4.59×105km（增長2.1倍）。城市交通系統(tǒng)供需嚴(yán)重失衡，交通擁堵、安全事故、環(huán)境污染等一系列大城市交通問題不斷涌現(xiàn)。

當(dāng)前，我國城市交通處于交通結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型期，城市交通系統(tǒng)的供需矛盾很大；在快速城鎮(zhèn)化、出行機(jī)動化的雙重壓力下，單靠道路建設(shè)無法滿足機(jī)動化出行需求。緩解城市交通問題的總體思路是建設(shè)公交主導(dǎo)型的城市交通系統(tǒng)供需平衡體系 [1～3]（見圖1），具體策略包括：①在交通源頭，采用以公共交通為導(dǎo)向的城市土地開發(fā)（TOD）模式，降低交通需求，引導(dǎo)城市綜合交通系統(tǒng)的供需平衡； ②在交通設(shè)施建設(shè)過程中，構(gòu)建以軌道交通為骨干的城市綜合交通網(wǎng)絡(luò)體系，加強(qiáng)城市綜合交通體系的綜合協(xié)同，優(yōu)化交通供給；③在交通末端，發(fā)展公共交通優(yōu)先的城市智能化交通管理系統(tǒng)，提高交通系統(tǒng)的通行效率。在具體的實(shí)施過程中，需要精明的交通規(guī)劃、精致的交通設(shè)計(jì)、精細(xì)的交通組織、精準(zhǔn)的交通管控等措施，最終實(shí)現(xiàn)城市交通系統(tǒng)從“增量積累”到“存量發(fā)展”、從“能力建設(shè)”到“效能提升”的功能性轉(zhuǎn)變。

圖1 公交主導(dǎo)型城市交通系統(tǒng)供需平衡體系

二、城市虛擬交通系統(tǒng)與決策支持模式需求分析

（一）構(gòu)建公交主導(dǎo)型城市交通系統(tǒng)供需平衡體系

公交主導(dǎo)型城市交通系統(tǒng)供需平衡體系極具價(jià)值，其構(gòu)建依賴于城市交通系統(tǒng)的智能化、政府職能部門的協(xié)同決策。一方面，當(dāng)前的城市智能交通系統(tǒng)建設(shè)存在技術(shù)瓶頸，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)解決城市交通問題的專業(yè)分析與仿真能力尤為缺乏；另一方面，政府各職能部門的業(yè)務(wù)相對獨(dú)立，與城市交通系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的部門業(yè)務(wù)方案論證“各自為政”，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同決策。

我國亟需建立基于大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）等前沿技術(shù)的城市虛擬交通系統(tǒng)與交通發(fā)展協(xié)同決策支持模式，通過海量交通數(shù)據(jù)的匯集、融合、應(yīng)用，交通分析模型的構(gòu)建、優(yōu)化，提高城市交通規(guī)劃與管控的精準(zhǔn)化、科學(xué)化水平 [4,5]；運(yùn)用“統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、統(tǒng)一的方法、統(tǒng)一的軟件”，形成共享的協(xié)同決策支持平臺；構(gòu)建城市交通系統(tǒng)多個管理部門的協(xié)同機(jī)制，賦予“城市交通大腦”“交通優(yōu)化的思維能力”，切實(shí)提升對政府決策的支持能力與效率。

（二）支撐城市交通規(guī)劃與管理方案決策

城市虛擬交通系統(tǒng)能夠突破當(dāng)前城市智能交通系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)瓶頸，真正將交通大數(shù)據(jù)用于提升城市交通系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、管理水平。基于相關(guān)理論模型、系統(tǒng)軟件、測試平臺，突破交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用由“交通狀態(tài)感知”上升為“出行需求認(rèn)知”的關(guān)鍵技術(shù)，形成可為諸多政府決策環(huán)節(jié)（如城市土地利用、交通政策制定、交通設(shè)施建設(shè)、交通管理控制等）提供精細(xì)化、定量化、可視化、快速反應(yīng)的決策支持模式，確?！俺鞘薪煌ù竽X”具有“交通優(yōu)化的思維能力”。

發(fā)展城市虛擬交通系統(tǒng)，旨在融合來源于多個管理部門的交通數(shù)據(jù)，構(gòu)建統(tǒng)一的交通數(shù)據(jù)庫，提供統(tǒng)一的交通分析方法，建立共享的仿真平臺，支持交通仿真結(jié)果可視化。在具有共享特征的城市虛擬交通系統(tǒng)上，支持實(shí)現(xiàn)多部門聯(lián)合與協(xié)作的決策支持模式，形成決策方案論證的虛擬仿真技術(shù)一體化流程體系，可以隨時待命、快速響應(yīng)，有效應(yīng)對政府的宏觀、中觀、微觀等不同層面的交通規(guī)劃與管理方案決策需求。

（三）開發(fā)本土化的城市虛擬交通系統(tǒng)仿真能力

城市綜合交通系統(tǒng)的主體通常是由數(shù)百萬人、數(shù)百萬車輛在超級大型交通網(wǎng)絡(luò)上的出行行為所組成的復(fù)雜系統(tǒng)，開展相關(guān)仿真分析必須采用大型平臺軟件。在城市道路網(wǎng)絡(luò)仿真方面，眾多商業(yè)交通仿真軟件整合了交通仿真研究的各類模型和算法，已經(jīng)廣泛用于真實(shí)城市的仿真平臺構(gòu)建。宏觀交通仿真主要由交通的供給、需求、分配模型組成，基本理論為交通“四階段法”，適用于分析城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或行政管理方法對全局交通的影響；國外代表性的軟件有TransCAD [6]、Emme [7]、PTV Visum [8]、Cube [9]等。

當(dāng)前，國外交通仿真規(guī)劃軟件在國內(nèi)應(yīng)用市場具有壟斷地位，盡管具有靈活的分析與顯示功能，但難以適應(yīng)我國復(fù)雜多樣的交通環(huán)境、多模式混合的交通特征，突出表現(xiàn)在：使用的交通模型與標(biāo)定參數(shù)主要基于國外的交通運(yùn)行特征，照搬到我國的實(shí)際交通應(yīng)用“水土不服”；僅側(cè)重城市規(guī)劃和交通規(guī)劃，無法從反映國情的交通管理措施、交通控制策略、交通政策法規(guī)出發(fā)來開展交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況分析，也未考慮國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用面臨的各類情景；運(yùn)行過程中需要用戶基于專業(yè)判斷來逐一操作，而非專業(yè)人士很難根據(jù)特定的業(yè)務(wù)需求來有效使用。因此，亟待開發(fā)符合國情、易于應(yīng)用的國產(chǎn)城市交通分析平臺軟件，以服務(wù)于我國城市多部門協(xié)作的交通方案決策，助力“城市交通大腦”建設(shè)。

三、城市虛擬交通系統(tǒng)與決策支持模式的基本原理和框架體系

（一）城市虛擬交通系統(tǒng)與決策支持模式的原理

城市虛擬交通系統(tǒng)對居民出行需求、道路交通流、綜合交通網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)實(shí)交通系統(tǒng)參與對象進(jìn)行數(shù)字化抽象，經(jīng)由數(shù)學(xué)分析模型模擬現(xiàn)實(shí)交通系統(tǒng)的演化規(guī)律與供需平衡機(jī)理，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)交通系統(tǒng)具有相同交通特征的數(shù)字交通系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，發(fā)展“統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、統(tǒng)一的方法、統(tǒng)一的軟件”，形成共享仿真平臺與決策支持模式。

城市虛擬交通系統(tǒng)與決策支持模式，重在為“智慧城市”建設(shè)提供全方位的交通領(lǐng)域分析與仿真技術(shù)支撐：進(jìn)行各類業(yè)務(wù)方案（如城市土地開發(fā)、交通政策制定、交通設(shè)施建設(shè)、交通管理控制等）對城市交通系統(tǒng)產(chǎn)生影響的定量化、可視化綜合評估與系統(tǒng)優(yōu)化，開展跨部門協(xié)作方案（涉及城市規(guī)劃、交通建設(shè)、交通管理、公共交通、交通政策等）的制定、政府決策方案的論證分析，促進(jìn)城市交通系統(tǒng)的跨部門協(xié)同與無縫銜接，支撐政府高效科學(xué)的決策與管理（見圖2）。

圖2 城市虛擬交通系統(tǒng)與決策支持模式的應(yīng)用原理

（二）城市虛擬交通系統(tǒng)與決策支持模式框架體系

城市虛擬交通系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、分析模型庫、軟件模塊庫、備選預(yù)案庫四部分組成（見圖3）。 ①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對多源交通大數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、加工、融合形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，直接連接到虛擬仿真平臺開展交通系統(tǒng)分析。②交通分析基礎(chǔ)模型庫是內(nèi)核，起到“城市交通大腦”的思維能力構(gòu)建作用；依據(jù)城市交通系統(tǒng)構(gòu)成要素的基本特征，描述并運(yùn)用新型城鎮(zhèn)化背景下的城市交通系統(tǒng)的演化規(guī)律與供需平衡機(jī)理。③交通仿真軟件模塊庫是支撐，具有友好的人機(jī)交互界面，構(gòu)建相應(yīng)的交通數(shù)學(xué)模型，提供可靠的交通仿真功能，生成詳細(xì)的數(shù)據(jù)指標(biāo)報(bào)告、動態(tài)直觀的可視化結(jié)果。④備選預(yù)案庫是交通發(fā)展決策支持模式的拓展應(yīng)用，相關(guān)過程涉及多管理部門協(xié)同，方案實(shí)施也需經(jīng)過反復(fù)調(diào)整、評估、優(yōu)化；面向業(yè)務(wù)功能的分析流程完善，可“一鍵式”開展仿真流程，合理放寬對方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、仿真評估的人員專業(yè)能力需求。

圖3 城市虛擬交通系統(tǒng)的體系構(gòu)成

四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫：交通大數(shù)據(jù)的快速獲取與融合技術(shù)

隨著大數(shù)據(jù)和智能交通技術(shù)的不斷發(fā)展，交通領(lǐng)域的數(shù)據(jù)規(guī)?？涨褒嫶螅瑢Ａ拷煌〝?shù)據(jù)的挖掘分析已成為交通領(lǐng)域發(fā)展的重要方向 [10,11]。城市交通大數(shù)據(jù)主要分為靜態(tài)基礎(chǔ)、動態(tài)出行、實(shí)時流量3類，具有體量巨大、模態(tài)多樣、真假共存、價(jià)值豐富等特征 [12]。目前，我國交通大數(shù)據(jù)碎片化、各自為政、共享程度低等現(xiàn)象依然突出，相應(yīng)價(jià)值未能充分挖掘和利用。本文基于城市虛擬交通系統(tǒng)，發(fā)展了3類交通大數(shù)據(jù)快速獲取與融合技術(shù)：城市交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建技術(shù)、城市人口數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建技術(shù)、交通流量時間序列快速構(gòu)建技術(shù)（見圖4）；分別以開放街道地圖（OSM）交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、LandScan人口分布數(shù)據(jù)、射頻識別（RFID）交通流量數(shù)據(jù)為應(yīng)用對象，通過數(shù)據(jù)處理與算法建模，完成交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)、交通分區(qū)人口數(shù)據(jù)、交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)時流量數(shù)據(jù)的快速獲取與融合。

圖4 交通大數(shù)據(jù)的快速獲取與融合技術(shù)架構(gòu)

快速構(gòu)建城市大規(guī)模路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要依托成熟的地圖服務(wù)商（如高德地圖、百度地圖、谷歌地圖等）。文中提出了一種基于OSM數(shù)據(jù)庫的城市交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建技術(shù)，解析OSM地圖的下載圖元，提取OSM數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點(diǎn)、路段數(shù)據(jù)并進(jìn)行清洗整合，據(jù)此構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、生成城市虛擬交通系統(tǒng)所需的路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫文件。實(shí)際應(yīng)用表明，該技術(shù)可以在分鐘級時間內(nèi)構(gòu)建1個大型城市的綜合交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

在城市人口數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建方面，目前較多使用人口普查數(shù)據(jù)、手機(jī)信令數(shù)據(jù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等。文中主要采用LandScan數(shù)據(jù)來推算交通小區(qū)的人口數(shù)據(jù)，這是因?yàn)長andScan數(shù)據(jù)采用地理信息系統(tǒng)與遙感影像相結(jié)合的方法計(jì)算并公布了世界范圍內(nèi)各城市1 km格網(wǎng)分辨率的人口分布數(shù)據(jù)；采用一種基于柵格數(shù)據(jù)和面積比修正的交通小區(qū)人口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，對包含交通小區(qū)邊界的矩形進(jìn)行調(diào)整以修正柵格內(nèi)的人口高程值，進(jìn)而累加得到交通小區(qū)總?cè)丝?，?jù)此快速構(gòu)建交通小區(qū)人口數(shù)據(jù)庫。

交通流量時間序列數(shù)據(jù)的主要來源有道路傳感器、道路視頻監(jiān)控、GPS數(shù)據(jù)、RFID數(shù)據(jù)等。文中主要采用RFID數(shù)據(jù)來構(gòu)建交通流量的時間序列，這是因?yàn)镽FID數(shù)據(jù)庫提供路段實(shí)時流量、路網(wǎng)路段擁堵情況等信息，與居民出行與交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫之間存在較大的關(guān)聯(lián)性；在城市交通系統(tǒng)路段交通流時間演化預(yù)測模型、網(wǎng)絡(luò)交通流空間演化仿真模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了城市交通網(wǎng)絡(luò)交通流時空分布一體化預(yù)測模型、時空演變一體化推演機(jī)制，據(jù)此實(shí)現(xiàn)城市交通網(wǎng)絡(luò)宏觀空間分布預(yù)測與重要交通節(jié)點(diǎn)微觀實(shí)時推演的一體化。

五、分析模型庫：大數(shù)據(jù)環(huán)境下的城市交通分析模型體系

當(dāng)前在交通工程領(lǐng)域中，城市交通問題的解決方案仍以傳統(tǒng)的交通分析模型為基礎(chǔ)，模型分析功能與精度有限?；ヂ?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI、第五代移動通信、虛擬仿真等前沿技術(shù)為交通領(lǐng)域帶來了新機(jī)遇；交通大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)海量化和多元化的趨勢，對交通分析模型的架構(gòu)產(chǎn)生極大影響，因此重構(gòu)城市交通分析模型體系勢在必行。

交通大數(shù)據(jù)克服了傳統(tǒng)交通抽樣調(diào)查的局限性，基于大數(shù)據(jù)可以揭示新型城鎮(zhèn)化背景下的城市交通系統(tǒng)的演化規(guī)律與供需平衡機(jī)理。大數(shù)據(jù)環(huán)境下的新一代城市交通模型體系應(yīng)包括：交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行分析模型、交通需求生成分析模型、交通需求分布-方式組合分析模型、公共交通網(wǎng)絡(luò)分析模型、交通管理控制影響分析模型、交通政策法規(guī)影響分析模型、綜合交通網(wǎng)絡(luò)分配模型、城市交通系統(tǒng)綜合評估模型等。

長期以來，我國在解決城市交通問題上缺乏跨部門協(xié)同機(jī)制，而單一部門的業(yè)務(wù)不能反映交通系統(tǒng)各組成單元之間的相互作用關(guān)系。大數(shù)據(jù)環(huán)境下的城市交通分析模型體系中，需要結(jié)合城市交通系統(tǒng)特征與交通要素特性，構(gòu)建反映規(guī)劃、城建、交通、交管、發(fā)改等部門協(xié)同的交通要素相互作用關(guān)系模型（見圖5）。

圖5 跨部門協(xié)同的交通要素相互作用關(guān)系

六、軟件模塊庫：大規(guī)模交通網(wǎng)絡(luò)交通仿真技術(shù)與軟件實(shí)現(xiàn)

為了滿足對具有中國特色的交通管理措施、交通政策法規(guī)進(jìn)行交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行仿真分析的需求，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的交通仿真平臺軟件，本課題組匯集30多年來在城市交通領(lǐng)域方面的科研成果，組織開發(fā)了我國第一款城市虛擬交通仿真平臺軟件——“交運(yùn)之星-TranStar”。平臺功能涵蓋城市土地開發(fā)、交通設(shè)施建設(shè)、交通運(yùn)行管控、公共交通運(yùn)營、交通政策制定等業(yè)務(wù)方向的交通方案設(shè)計(jì)與交通分析功能，逐步成為“智慧城市”建設(shè)、“城市交通大腦”建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)軟件；具有高效的運(yùn)行與仿真速度，包含上萬條路段級別路網(wǎng)的“一鍵式”仿真過程完成時間為分鐘級；支持開展方案結(jié)果的深入評估。相關(guān)軟件模塊庫的主要功能如下。

完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持功能。對海量異構(gòu)交通大數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入、分析，快速處理不同來源的交通大數(shù)據(jù)，如傳統(tǒng)的交通出行調(diào)查數(shù)據(jù)、RFID數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)等。具有數(shù)據(jù)處理能力的擴(kuò)展功能，保障對多類型交通分析案例的應(yīng)對能力，適應(yīng)不同用戶的使用需求。

系統(tǒng)的交通需求分析功能。軟件模塊庫既可開展以傳統(tǒng)“四階段法”為基礎(chǔ)的交通發(fā)生吸引預(yù)測、交通分布、交通方式劃分等分析過程，又可實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的交通需求預(yù)測及一體化仿真，如基于優(yōu)勢出行距離的交通方式劃分、基于RFID數(shù)據(jù)的OD矩陣分析預(yù)測等。

關(guān)鍵的交通運(yùn)行分析功能。用戶對交通網(wǎng)絡(luò)阻抗進(jìn)行深入分析，準(zhǔn)確反映土地開發(fā)、設(shè)施建設(shè)、公交運(yùn)行、管理控制、政策制定等交通措施對各種出行方式所對應(yīng)的交通阻抗，更好服務(wù)于綜合交通系統(tǒng)一體化交通分析的要求。

科學(xué)的綜合效能評價(jià)功能。評價(jià)功能在方案設(shè)計(jì)、建模仿真、最終決策之間起到紐帶作用。例如，網(wǎng)絡(luò)分析評價(jià)模型將各分析模塊的仿真結(jié)果進(jìn)行提煉和轉(zhuǎn)化，獲得直觀的交通系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)；用戶在完成交通仿真后將全面掌握當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，明晰土地利用和路網(wǎng)規(guī)劃方案、交通管控政策和措施等對交通系統(tǒng)整體效能產(chǎn)生的影響。

特色的人機(jī)交互設(shè)計(jì)功能。通過圖形編輯功能，用戶便捷地將土地利用開發(fā)調(diào)整、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、交通管理控制、交通政策制定等方案加載到交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，靈活開展交通分析、系統(tǒng)仿真、綜合評估。

七、備選預(yù)案庫：城市交通發(fā)展“一鍵式”決策支持模式

（一）備選預(yù)案庫的主要作用

備選預(yù)案是交通仿真分析的應(yīng)用場景，備選預(yù)案庫則是針對城市虛擬交通系統(tǒng)仿真平臺相關(guān)應(yīng)用部門的業(yè)務(wù)需求而設(shè)計(jì)，包括相關(guān)部門涉及交通的業(yè)務(wù)預(yù)案、各預(yù)案交通仿真分析的“一鍵式”流程設(shè)計(jì)等。對于不具有交通工程專業(yè)背景的業(yè)務(wù)人員，結(jié)合業(yè)務(wù)工作需求，在備選預(yù)案庫中選取合適的預(yù)案（或者適度修改預(yù)案）即可形成可用的業(yè)務(wù)方案，通過“一鍵式”操作流程，便捷開展交通方案的優(yōu)化及全方位評價(jià)。

備選預(yù)案庫將城市交通分析平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、分析模型庫、軟件模塊庫的相關(guān)功能模塊進(jìn)行組合，適應(yīng)“一鍵式”操作流程設(shè)計(jì)；所提供的多角度、個性化的備選策略，能夠覆蓋大部分城市、常見類型的交通問題解決方案，為城市單一部門或多部門協(xié)作的交通方案制定提供協(xié)助。

（二）備選預(yù)案庫的策略設(shè)計(jì)

跨部門協(xié)同仿真的“一鍵式”備選策略設(shè)計(jì)指，通過專用界面開展面向業(yè)務(wù)功能的模塊組合選型，針對具體的業(yè)務(wù)功能進(jìn)行流程指引，便于各部門基于“一鍵式”備選策略設(shè)計(jì)流程來完成具體業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)與評估。①城市規(guī)劃業(yè)務(wù)領(lǐng)域主要有城市空間拓展與城市形態(tài)調(diào)整、城市土地開發(fā)強(qiáng)度與土地利用性質(zhì)調(diào)整、城市人口規(guī)模與空間分布調(diào)整等備選策略。②交通設(shè)施建設(shè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域主要有城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、慢行交通系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、城市道路/橋梁/隧道等設(shè)施的新建或改擴(kuò)建、交通樞紐改擴(kuò)建、交叉口改造等備選策略。③公共交通運(yùn)營業(yè)務(wù)領(lǐng)域主要有地面公交網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與調(diào)整、軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與調(diào)整、多模式公交網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行組織、客運(yùn)樞紐交通組織設(shè)計(jì)、城鄉(xiāng)公交網(wǎng)絡(luò)一體化規(guī)劃等備選策略。④交通管理控制業(yè)務(wù)領(lǐng)域主要有常規(guī)交通管控方案（如單行線、潮汐車道、禁行管理、共乘車道、尾號限行）、智能化交通管控方案（如干線綠波、交叉口優(yōu)化）、特殊事件交通管控方案（如道路施工、大型文體活動、突發(fā)事件）等備選策略。⑤交通政策制定業(yè)務(wù)領(lǐng)域主要有經(jīng)濟(jì)杠桿政策（如擁擠收費(fèi)、差異化停車收費(fèi)、公交票價(jià)），發(fā)展綠色交通政策（如私家車限購、車牌號競拍、公交優(yōu)先發(fā)展策略、新能源汽車優(yōu)惠政策），交通對能源消耗、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響評價(jià)等備選策略。

（三）備選預(yù)案庫的定量化、可視化評估技術(shù)

城市交通規(guī)劃與管理相關(guān)方案的科學(xué)性、有效性亟需定量化的評估手段，擬定方案的實(shí)際效果也有待直觀呈現(xiàn)，因此開展城市多部門協(xié)作的交通方案評估應(yīng)以定量化、可視化評估技術(shù)為依托。

在交通方案定量化評估技術(shù)方面，深入研究國家級交通科技計(jì)劃（如全國城市道路交通管理“暢通工程”、國家公交都市建設(shè)示范工程等）評價(jià)指標(biāo)體系、綠色交通/慢行交通/共享交通等熱點(diǎn)問題，綜合參考領(lǐng)域的前沿研究成果、規(guī)范指南，從居民出行效率、路網(wǎng)運(yùn)行效率、城市節(jié)能減排、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益等多個維度著手，構(gòu)建服務(wù)于系統(tǒng)評價(jià)功能的指標(biāo)體系，以此支撐城市交通規(guī)劃、建設(shè)、管理的科學(xué)決策。

在交通方案可視化評估技術(shù)方面，依托圖形系統(tǒng)，開展交通設(shè)計(jì)方案、交通運(yùn)行狀態(tài)、不同方案對比的圖形分析；集成包括交通網(wǎng)絡(luò)信息、交通管理信息、交通質(zhì)量信息、公共交通分析、環(huán)境影響分析等在內(nèi)的圖形化展示功能，提升交通仿真成果的展示度；全面實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)路網(wǎng)信息、管理信息、需求預(yù)測結(jié)果、仿真結(jié)果的圖形化顯示，便于應(yīng)用者審視所制定交通方案的路網(wǎng)運(yùn)行狀況、檢驗(yàn)規(guī)劃調(diào)整或管理策略變化對路網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響。

八、城市虛擬交通系統(tǒng)與交通發(fā)展決策支持模式的應(yīng)用案例

（一）重慶市主城區(qū)城市虛擬交通系統(tǒng)構(gòu)建

重慶市主城區(qū)城市虛擬交通系統(tǒng)以“交運(yùn)之星-TranStar”為基礎(chǔ)開發(fā)，交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫基于OSM構(gòu)建。全網(wǎng)絡(luò)（含地面公交、軌道交通）共有7324個交通節(jié)點(diǎn)、15482個路段，道路里程為4124 km（單向）。人口分布數(shù)據(jù)庫基于LandScan數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建，共有467個交通小區(qū)的人口分布?，F(xiàn)狀道路流量數(shù)據(jù)庫依據(jù)重慶市RFID數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，各類交通方式的OD矩陣基于RFID數(shù)據(jù)、重慶市居民出行特征數(shù)據(jù)分析獲得。相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如圖 6所示，重慶市主城區(qū)城市虛擬交通系統(tǒng)可以在2 min以內(nèi)完成“一鍵式”仿真并給出評價(jià)結(jié)果。

圖6 重慶市主城區(qū)城市虛擬交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（二）重慶市新型冠狀病毒肺炎疫情期間居民出行上下班錯峰方案仿真與評估

2020年3月底以后，隨著重慶市疫情逐漸好轉(zhuǎn)，企業(yè)復(fù)工、生活恢復(fù)，逐步增加的小汽車出行需求導(dǎo)致了道路網(wǎng)絡(luò)交通負(fù)荷增加，主要通道交通擁堵情況加重。為了在保障有效“抗疫”的同時科學(xué)有序地恢復(fù)居民出行，重慶市城建、交通、交管等管理部門提出了錯峰上下班的建議，這就要求快速制定具體方案并形成方案評估報(bào)告。在“任務(wù)急、時間短、要求高、跨部門”實(shí)際狀況下，本課題組借助重慶市主城區(qū)城市虛擬交通系統(tǒng)快速完成方案的制定、論證、仿真、評價(jià)，給出行業(yè)錯峰（對城市部分行業(yè)實(shí)施錯時上下班）、車輛錯峰（對主要橋隧在高峰時段進(jìn)行限號）兩類方案的詳細(xì)評估結(jié)果。

仿真獲得的方案實(shí)施前后路段交通流量差值分布如圖7所示。如實(shí)施行業(yè)錯峰方案，全路段的平均速度將提高1.78%、平均流量將下降3.08%，主要通道的平均速度將提高0.76%、平均流量將下降4.32%；但涉及企事業(yè)單位較多，實(shí)施難度較大。整體來看，行業(yè)錯峰方案可在一定程度上改善整個交通網(wǎng)絡(luò)的交通質(zhì)量，但仍然未能緩解主要通道的交通擁堵狀況。

圖7 重慶市錯峰上下班方案實(shí)施前后的路段流量差值分布

如實(shí)施車輛錯峰方案，全路段的平均速度將下降7.96%、平均流量將提高9.05%，主要通道的平均速度將提高0.93%、平均流量將下降15.0%；僅涉及部分道路的管控，實(shí)施難度低，對居民的出行影響較小。鑒于車輛錯峰方案僅針對主要通道的通行車輛實(shí)施，盡管在一定程度上增加了交通網(wǎng)絡(luò)的交通壓力，但將明顯減輕主要通道的交通負(fù)荷，預(yù)計(jì)主要通道的交通擁堵狀態(tài)將得到有效緩解。整體來看，車輛錯峰方案的可實(shí)施性較好，主要通道擁堵緩解效果顯著，得到了重慶市相關(guān)管理部門的認(rèn)可和采納。

九、結(jié)語

本文提出了包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、分析模型庫、軟件模塊庫、備選預(yù)案庫在內(nèi)的城市虛擬交通系統(tǒng)與交通發(fā)展決策支持模式。實(shí)例研究表明，該系統(tǒng)模式在論證實(shí)際交通方案時具有及時性、有效性。

為解決我國城市交通系統(tǒng)的供需矛盾、突破智能交通系統(tǒng)存在的瓶頸，未來交通規(guī)劃管理應(yīng)該注重城市虛擬交通系統(tǒng)建設(shè)，結(jié)合我國交通運(yùn)行特點(diǎn)發(fā)展國產(chǎn)化的交通仿真軟件系統(tǒng)。

在未來城市虛擬交通系統(tǒng)的建設(shè)過程中，建議注重融合大數(shù)據(jù)、AI等新興技術(shù)。例如，融合多源交通大數(shù)據(jù)，構(gòu)建多維度的、精細(xì)化的城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；引入AI技術(shù)，促進(jìn)傳統(tǒng)交通數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，進(jìn)一步提高交通模型計(jì)算結(jié)果的精確性。