城市交通組織管理仿真平臺研究與應用
——以北京為例

茹華所,何良君,彭德品

(云南國土資源職業學院 ，云南 昆明 650217)

隨著社會經濟的發展，各大城市市區機動車保有量不斷增加，機動車保有量的增長遠遠超過了路網容量的增長。為緩解日益增長的交通壓力，利用科技方法和管理手段充分提高現有道路設施的利用效率，已經成為解決城市交通擁堵問題的關鍵。根據以往的經驗制定交通改善措施方法也存在著諸如數據依據不足，無法事先定量預測方案實施效果等弊病。

道路交通仿真能夠再現當前的交通運行狀態，完成交通組織方案的定量評估分析，進而對交通組織管理、交通基礎設施規劃建設、交通政策可行性分析研究提供量化的決策依據?；诔鞘袇^域道路交通運行特點，其交通組織和控制方案的設計和實施必須經過反復的論證，并借助科學的手段或工具對其進行定性和定量的評價，交通組織仿真為此問題提供了良好的解決方案。

1 國內外相關研究工作

交通組織管理仿真平臺是系統仿真理論與方法在交通領域中的實際應用。國內外對交通管理仿真平臺的研究主要體現在仿真模型研究和仿真系統體系結構兩個方面。

國外早于國內對仿真模型進行研究，并把仿真模型的標定和校驗作為主要研究方向，重視仿真模型的可用性及置信度。同時，采用人工智能理論及方法來解決無法或難以用數學方法建立數學模型的問題，特別是Agent (智能體)技術的融入，能客觀較好地描述交通對象特性，使建模有了一個新的思路。H.Simon，P.Byungkyu，等[1-2]基于Agent建模進行了研究，從不同的方面給出了相應的仿真模型。

仿真模型的標定和校驗成為應用研究的熱點。J.Mithilesh, S.J.Kim，等[3-4]在對交通組織管理的仿真模型研究有關情況分析后，認為仿真模型的標定和檢驗在微觀仿真模型應用中的重要性正逐步得到相關學者的重視，并主要基于當前成熟的交通仿真軟件采用不同方法系統地研究這一問題，如：VISSIM, VISSUM, CORSIM，PARAMICS、AIMSUN等。H.Peter[5]對VISSIM、AIMSUN進行了評價。G.Szucs[6]認為，在成熟的仿真軟件基礎上建立開放的仿真框架比開發新的仿真軟件更為重要。J.Barcelo，等[7]對下一代仿真程序進行了研究，以開發支持微觀仿真的開放行為算法核心庫為目標，且帶有標定數據和支持文擋，為下一代仿真程序的建立奠定基礎。Wang Xinhao[8]在進行交通影響分析研究時，將分析重點放在GIS、仿真模型和可視化的集成方面。總之，復雜系統建模方法、仿真模型的標定和檢驗、仿真模型的復用性和標準化、仿真系統體系結構標準化和集成化是國外交通系統仿真研究的趨勢。

國內學者對交通仿真模型的研究，緊密結合了計算機新技術的應用，研究貢獻主要表現在：基于基于Petri網建模、Agent建模、復雜系統分布式仿真建模方法等。仿真模型建模思想向集成化、系統化、智能化方向發展，逐漸與國際接軌[9-11]。針對奧運交通需求特點，商蕾，等[12]將奧運交通涉及的交通緊急事件管理、奧運交通組織、輔助決策支持、交通信息服務等系統整合，建立了一個基于GIS-T的奧運交通管理與信息服務平臺，實現資源共享，提高系統運行效率。通過數據融合、分析和處理，為不同層次的用戶主體提供信息服務和輔助決策支持。

總之，目前國內外還沒有成熟的城市交通組織管理仿真平臺，或者國外成熟的仿真工具不適用于中國的交通環境。因此，開發符合中國國情的城市交通組織管理仿真平臺是非常有適用價值和理論研究意義的。

筆者從我國城市物理特性出發，大城市基本以核心區域布局向周邊放射發展，道路分布區域性比較明顯。城市交通管理仿真平臺設計以城市道路分布特性為指導，采用先進成熟的技術支撐，旨在設計適合我國大部分城市交通管理的仿真平臺框架。

2 城市交通管理仿真平臺架構

2.1 系統架構

仿真平臺基于3層C/S架構設計，將系統分為表示層、業務層和數據層3層，對應到物理設備分別是客戶機、應用服務器、數據庫服務器。客戶機實現人機交互功能；應用服務器端實現實時數據融合計算和并行仿真運算；數據庫服務器用于存儲數據。系統架構如圖1。

圖1 系統總體架構Fig.1 System architecture

2.2 關鍵技術

2.2.1 交通模型接口統一標準技術

在業界中統一接口標準已經是大勢所趨。而文中依托項目所開發的系統平臺，要求能夠讀入各種流行的仿真軟件數據格式，這就更需要指定一套符合北京市具體交通管理特點、交通行為模式的交通模型接口統一標準，便于數據交換和數據存儲。

2.2.2 宏觀、中觀和微觀仿真無縫拼接技術

平臺系統將實現宏觀、中觀和微觀仿真的無縫拼接技術，即實現宏觀、中觀和微觀仿真共用一套仿真路網模型，宏觀交通分配的結果，可以不經處理直接作為中觀和微觀仿真的數據輸入，而微觀和中觀仿真的結果，將作為宏觀交通分配時路徑費用計算的一個組成部分。且宏觀交通狀態顯示時將融合微觀仿真時道路的交通狀態，實現宏觀仿真和中觀、微觀仿真的融合。同時中觀仿真動態交通分配的結果將為微觀仿真提供數據輸入，而微觀仿真的結果，可以融合進中觀仿真，通過中觀仿真顯示區域交通狀態。

2.2.3 動態起訖流量生成技術

通過對國內外相關理論經驗及技術方法的分析研究，本平臺將根據數據需求及仿真建模要求，針對城市交通特點，建立科學先進的交通OD數據反推算法，即通過實時采集系統提供的道路網絡交通量、速度、旅行時間等交通流基礎數據，并結合其他可獲得的信息資源，確定北京市交通OD矩陣的估計值，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出行數據。

2.2.4 并行計算技術

本平臺系統采用MPI的并行架構，將多臺高性能服務器通過高速以太網連接，通過一臺中央控制服務器進行資源配置，可以實現整個計算機集群的并行化運算處理，這是目前其它商業仿真軟件都不具備的優勢。

2.2.5 交通模型數據存儲技術

文中構建的仿真平臺將開發基于數據庫的交通模型存儲技術除了可以實現區域讀取繪制外，還可以實現GIS路段和仿真路段的關聯性，實現實時數據在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實現與應用

3.1 仿真平臺拓撲結構

仿真平臺系統后臺應用服務器中設置5臺組成仿真服務器集群，其中主機1臺、節點機4臺，仿真集群直接連至千兆核心交換機。剩余的2臺服務器一臺用于實時數據處理、另外一臺用于平臺管理和GIS處理；后臺另外2臺UNIX服務器一臺用于仿真數據庫、另外一臺用于實時數據庫和GIS數據庫。客戶端分為兩類，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百兆局域網直接訪問仿真平臺；外部單位通過公安內網及透過防火墻訪問平臺。拓撲結構如圖2。

圖2 仿真平臺拓撲結構Fig.2 Topology of simulation platform

3.2 系統數據處理流程設計

仿真平臺內部數據處理流程如下：

1)系統接到實時交通流信息數據后經過融合，計算出路段的流量、車速、占有率，然后存儲到數據庫；

2)系統接收到旅行時間檢測器數據后進行號牌匹配，推算有效數據的實時交通流OD和旅行時間，然后入庫；

3)系統利用以上數據庫數據和其它交通(包括OD模式調查)調查數據推算實時OD和路段通行費用，然后入庫；

4)系統利用路網GIS圖自動生成路網宏觀仿真模型，寫入宏觀模型庫；

5)系統模型轉換模塊將已經建立的路口微觀模型轉換成仿真平臺的路口微觀模型，利用GIS圖自動生成路段微觀模型，并將路口路段模型進行連接，形成區域的微觀仿真模型，寫入微觀模型庫；

6)使用生成的實時OD數據和實時道路費用數據利用路網宏觀模型進行動態交通分配，生成動態交通分配數據，寫入數據庫；

7)使用微觀交通仿真模型進行交通的微觀仿真，顯示仿真動畫和進行微觀仿真評價；

8)使用宏觀仿真模型進行路網交通的宏觀仿真，顯示路網狀態和進行宏觀仿真評價。

仿真平臺數據處理流程如圖3。

圖3 仿真平臺數據處理流程Fig.3 Data processing of simulation platform

3.3 數據庫設計

仿真系統平臺的數據庫由實時交通數據庫，交通仿真數據庫，GIS數據庫和管理數據庫組成。數據庫系統設計如圖4。

圖4 數據庫系統設計Fig.4 Database system design

3.4 接口設計

系統接口設計基于SOA(Service-Oriented Architecture)架構，仿真系統平臺的4個子系統之間采用Web服務的方式提供信息訪問接口。平臺接口技術使用標準的、規范的XML描述接口。這一描述中包括了與服務進行交互所需要的全部細節，包括消息格式、傳輸協議和服務位置。而在對外的接口中隱藏了服務實現的細節，僅提供一系列可執行的操作，這些操作獨立于軟、硬件平臺和編寫服務所用的編程語言。接口設計如圖5。

圖5 仿真平臺接口Fig.5 Interface of simulation platform

3.5 城市交通組織管理仿真平臺應用效果

選取城區900個重點擁堵道路及路口進行系統示范應用。通過實地交通調查、交通運行狀況分析、交通組織方案分析、交通組織方案模型的建立與仿真評估分析，以地理信息系統為基礎，利用科學交通組織優化與仿真系統，再現交通流在時間和空間上的變化規律，實現對交叉口和路段交通組織優化方案的設計和量化評估分析，比選出不同時空維度下的最優交通組織方案，最大限度提高道路資源利用率，力求使道路交通資源達到最佳的利用狀態。平臺界面和仿真對象如圖6。仿真過程和結果輸出如圖7。

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

圖7 仿真過程和結果輸出Fig.7 Simulation procedure and results output

4 結 語

仿真平臺通過對現存問題的分析研究，有針對性地提出優化解決方案，將極大的提高整體路網的運行效率和服務水平，將大幅度地改善整個城市的交通基礎設施條件，提升北京的區位競爭優勢。仿真平臺將為交通管理部門提供更為直接、精確和科學的交通管理手段，提高交通管理水平與效率。依靠科學的交通仿真技術平臺對交通現狀進行評價，針對癥結問題提出優化方案，可以減少交通擁堵和車輛延誤，將大幅改善區域交通出行環境。

[1] Simon H,Brahim C D.A collaborative driving system based on multi-agent modeling and simulations [J].Transportation Research Part C:Emerging Technologies,2005,13(4):320-345.

[2] Byungkyu P,Jongsun W,Ilsoo Y.Application of microscopic simulation model calibration and validation procedure:case study of coordinated actuated signal system [J].Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,2006,1978:113-122.

[3] Mithilesh J,Ganesh G,Adam G,et al.Development and calibration of a large-scale microscopic traffic simulation model [J].Transportation Research Record,2004,1876:121-131.

[4] Kim S J,Kim W,Rilett L R.Calibration of micro-simulation models using nonparametric statistical techniques [J].Transportation Research Record,2005,1935:111-119.

[5] Peter H.A functional evaluation of the AIMSUN,PARAMICS and VISSIM microsimulation models [J].Road and Transport Research,2005,14(4):45-59.

[6] Szucs G.Building traffic simulation software and a new concept for integration of best simulators [J].Periodica Polytechnica Transportation Engineering,2005,33(1-2):103-124.

[7] Barcelo J,Codina E,Casas J,et al.Microscopic tragic simulation:A tool for the design,analysis and evaluation of intelligent transport systems [J].Journal of Intelligent and Robotic Systems:Theory and Applications,2005,41(2-3):173-203.

[8] Wang Xinhao.Integrating GIS,simulation models,and visualization in traffic impact analysis [J].Computers, Environment and Urban Systems,2005,29(4):471-496.

[9] 楊明,張冰,王子才.建模與仿真技術發展趨勢分析[J].系統仿真學報,2004,16(9):1901-1904.Yang Ming,Zhang Bing,Wang Zicai.The analysis of modeling and simulation development direction [J].Journal of System Simulation,2004,16(9):1901-1904.

[10] 李宏亮,程華,金士堯.基于Agent的復雜系統分布仿真建模方法的研究[J].計算機工程與應用,2007, 43 (8) :209-213.Li Hongliang,Cheng Hua,Jin Shiyao.Research of modeling method for Agent-based complex systems distributed simulation [J].Computer Engineering and Applications,2007,43(8):209-213.

[11] 丁志軍,蔣昌俊.基于精煉操作的Petri網建模及其分析方法[J].控制與決策,2007, 22 (2):138-142.Ding Zhijun,Jiang Changjun.Petri nets modeling and analysis method based on the refinement operation [J].Control and Decision,2007,22 (2):138-142.

[12] 商蕾,陸化普,蔣漢平.奧運交通管理與信息服務研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2005, 29(6):830-832.Shang Lei,Lu Huapu,Jiang Hanping.Research of the Olympic transportation management and information service [J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering,2005,29(6):830-832.