宏觀交通仿真系統架構與關鍵技術研究

陳臻

隨著近年來交通仿真技術的不斷發展，越來越多的交通仿真軟件被用于工程實踐中。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際運行特征，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的反映，代表軟件包括Vissim等仿真軟件。

1 宏觀交通仿真系統架構

做好城市交通控制工作，很多的控制邏輯和硬件設備需要進行測試，因此進行環境的仿真是非常必要的。交通仿真可以很經濟高效的提供一個環境，降低分析和決策的成本，提高效率和科學性[1]。

1.1 路網及交通流

根據現狀或規劃的相關資料，設置道路路段及連接器。在路段設置上，TESS的樣式為黑色帶白色箭頭的線段，強調了交通組織；Vissim顏色則可自己設置，可切換線段和箭頭模式。在連接器設置上，TESS可實現上下游車道不對等連接的設置，優化了車流分離匯合的展示；而Vissim上下游車道只可以對等設置，因而在仿真時，Vissim的路網更容易發生車輛未提前變道而產生的擁堵。

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：

根據調查或交通預測結果，設置交通參數（駕駛行為，車型比例、車速、路段流量及轉向流量）。兩者在以上參數上的設置模式上大同小異，但結合路網和交通流的設置，在運行效果上，TESS會顯得更為流暢。

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

1.2 信號控制

根據現狀和設計方案，設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控制，在多交叉口的聯動和動態信號配時分配上，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要優秀。

1.4 數據采集與交通評估

根據數據類型（例如排隊長度、通行時間、延誤以及服務水平），設置數據采集點/區。兩者都可檢測較為直觀的數據，如排隊長度、通行時間和行駛速度。不同點就在于他們對數據的管理行駛，TESS按不同車道的檢測器以樣本和集計兩者方式導出若干EXCEL表格；VISSIM則可在軟件仿真的同時，展示出各路段的集計數據，最后再通過數據導出功能導出至excel。

2 仿真系統架構以及關鍵示例

上海地鐵作為世界上客運規模第二大的城市地鐵系統，現有運營線路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年全路網全年客運量約34.01億人次，日均客流量928萬人次，占公共交通客流的50.73%，承擔了超過1/4的上海交通出行。在上海“減量增效”的存量規劃背景下，通過大數據支撐下的精細化分析與建模，提出有針對性的系統性規劃、運營、優化方案，能夠在基礎設施建設的基礎上擴大有效供給、提升服務品質，更優質高效地滿足上海日益增長的地鐵出行需求。

城市發展過程中，城市規模不斷擴大，人口總量持續增長，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、環境、安全、能源等方面的矛盾日益凸顯，城市交通發展面臨新的挑戰。地鐵具有運量大、速度快、安全、準點、環保、節約用地等特點。合理規劃、高效利用地鐵網絡，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，促進城市交通向集約高效、低碳環保方向轉變[3]。

上海城市地鐵系統，利用Vissim進行需求宏觀仿真，模型具有多層次、精細化、可視化、可交互等特點，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量，比較各站點、各線路間的需求差異，對地鐵線路規劃、應急方案制定、多網絡協同規劃、土地交通一體化規劃等具有指導意義；

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、交通規劃、空間網絡數據管理等方面有較廣泛的應用。目前，軌道交通宏觀仿真模型多以跨城市軌道交通客運出行及貨物運輸為主，針對城市地鐵系統需求的宏觀仿真模型仍不常見。案例中，倫敦帝國理工學院交通研究中心以PTVVISUM為基礎，搭建上海城市地鐵系統需求宏觀仿真模型。該模型可用于精細化分析地鐵站點、線路、線網需求模式，量化各層級需求差異及供需矛盾，模擬規劃、運營、定價方案潛在影響，輔助地鐵線網規劃及運營管理。

利用PTVVISUM軟件構建上海地鐵系統宏觀仿真模型，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提取：對海量地鐵刷卡數據進行清洗，從中提取工作日7：00～21：00兩兩地鐵站之間每30min的出行量，將個人需求轉化為聚合需求。

站點、線網信息的錄入與校正：導入地鐵站點及地鐵線路空間信息，并針對部分站點及線路的空間偏移進行校正。

在信號控制方案上與下游的道路交叉口進行信號的周期和相位差的協調，保證交叉口進口道排隊不溢出。

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

地鐵運營信息推算與錄入：包括地鐵站運行時刻表推算、站間票價矩陣構建、地鐵供給參數錄入等：

地鐵站運行時刻表：根據各線路地鐵首末班車時間及各典型時段發班間隔，推算各地鐵站各班地鐵的進出站時間。根據地鐵運營特點，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；

站間票價矩陣構建：上海地鐵采取按里程計價的多級票價制度。里程按站間最短距離計算，即出發站與到達站之間沿線網的最短行駛里程，不考慮乘客的實際乘車路線。最短距離計算由軟件內嵌模型完成；地鐵供給參數錄入：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，按規則分配到相應線路段上，即模擬各聚合需求的實際乘車路徑。Vissim的路徑分配規則主要包括基于時刻表的路徑分配、基于運行間隔的路徑分配和基于交通系統的路徑分配。由于地鐵發班間隔較短，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則。路徑建立、選取與站間行駛時間、票價收費、換乘時間等有關[6]。

3 結語

經過仿真軟件的實踐比較，在用戶操作體驗上，根據項目情況及個人喜好選擇合適的仿真工具。TESS比VISSIM更貼近國內的使用習慣，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）。對于規模較小時間較少的項目，TESS能較好地完成仿真任務；對于規模較大時間較充裕的項目，Vissim則更適合。總體來說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、設計的過程和仿真結果也更復雜。

[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用——以北京為例[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2014（1）：119～124.

[2]吳斗.城市交通在線仿真關鍵技術研究及應用[D].電子科技大學，2016.

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

[4]畢書敏.面向QoS需求的異構車載網絡融合方案設計[D].上海交通大學，2015.

[5]張培嶺.雨天高速公路可變限速控制系統研究與實現[D].武漢理工大學，2014.

[6]張宏.基于復雜網絡理論的車載自組織網絡研究[D].華中科技大學，2015.