本文選自中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》 2021 年第 3 期

　　作者:王煒, 趙德,華雪東,周偉

　　來(lái)源:城市虛擬交通系統(tǒng)與交通發(fā)展決策支持模式研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2021,23(3):163-172.

　　編者按

　　改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)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(dòng)化轉(zhuǎn)型、智能化服務(wù) 4 個(gè)階段,我國(guó)城市交通的出行方式也經(jīng)歷了自行車主導(dǎo)、機(jī)動(dòng)車 / 非機(jī)動(dòng)車混行、機(jī)動(dòng)車主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前,我國(guó)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(dòng)化的雙重壓力下,單靠道路建設(shè)無(wú)法滿足機(jī)動(dòng)化出行需求。本土化的城市虛擬交通系統(tǒng)與交通發(fā)展決策支持模式,在解決由快速城鎮(zhèn)化引發(fā)且趨于嚴(yán)重的城市交通問(wèn)題、克服現(xiàn)階段智能交通系統(tǒng)存在的瓶頸方面具有重要意義。

　　中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》在2021年第3期發(fā)表《城市虛擬交通系統(tǒng)與交通發(fā)展決策支持模式研究》。文章依托大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù),建立了由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、分析模型庫(kù)、軟件模塊庫(kù)、備選預(yù)案庫(kù)組成的城市虛擬交通系統(tǒng),涵蓋其理論框架、系統(tǒng)功能、技術(shù)體系,據(jù)此提出覆蓋城市土地開(kāi)發(fā)、交通設(shè)施建設(shè)、交通運(yùn)行管控、公共交通運(yùn)營(yíng)、交通政策制定等應(yīng)用場(chǎng)景的交通發(fā)展決策支持模式。以重慶市為例,文章闡述了城市虛擬交通系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程,完成重慶市新型冠狀病毒肺炎疫情期間居民出行、車輛通行錯(cuò)峰方案的政府決策論證。結(jié)果表明,基于城市虛擬交通系統(tǒng)的交通發(fā)展決策支持模式在實(shí)際交通方案論證過(guò)程中具有及時(shí)性和有效性。文章建議,未來(lái)我國(guó)城市交通規(guī)劃管理可注重城市虛擬交通系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)用,及時(shí)納入新型信息技術(shù)成果以優(yōu)化應(yīng)用效果。

　　一、 前言

　　改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)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(dòng)化轉(zhuǎn)型、智能化服務(wù)4個(gè)階段;僅用40年時(shí)間完成了發(fā)達(dá)國(guó)家一百多年的發(fā)展歷程,發(fā)展速度之快、面臨問(wèn)題之復(fù)雜、技術(shù)難度之大世所罕見(jiàn)。這期間,我國(guó)城市交通的出行方式也經(jīng)歷了自行車主導(dǎo)、機(jī)動(dòng)車/非機(jī)動(dòng)車混行、機(jī)動(dòng)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(dòng)化,城市交通問(wèn)題趨于嚴(yán)重。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2004—2019 年我國(guó)私人載客汽車保有量從 1.07×107輛增長(zhǎng)至 2.07×108輛(增長(zhǎng) 19.4 倍),而城市道路里程僅從 2.23×105km 增長(zhǎng)至 4.59×105km(增長(zhǎng) 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(wèn)題不斷涌現(xiàn)。

　　當(dāng)前,我國(guó)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(dòng)化的雙重壓力下,單靠道路建設(shè)無(wú)法滿足機(jī)動(dòng)化出行需求。緩解城市交通問(wèn)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(見(jiàn)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(kāi)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;

　�、谠诮煌ㄔO(shè)施建設(shè)過(guò)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;

　�、墼诮煌�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(guò)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(wèn)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(duì)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(guó)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(guò)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;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(tái);構(gòu)建城市交通系統(tǒng)多個(gè)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(duì)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(cè)試平臺(tái),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,確保“城市交通大腦”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(lái)源于多個(gè)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(kù),提供統(tǒng)一的交通分析方法,建立共享的仿真平臺(tái),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(shí)待命、快速響應(yīng),有效應(yīng)對(duì)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(kāi)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(wàn)人、數(shù)百萬(wàn)車輛在超級(jí)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(kāi)展相關(guān)仿真分析必須采用大型平臺(tái)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(tái)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(duì)全局交通的影響 ;國(guó)外代表性的軟件有TransCAD、Emme、PTV Visum、Cube等。

　　當(dāng)前,國(guó)外交通仿真規(guī)劃軟件在國(guó)內(nèi)應(yīng)用市場(chǎng)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(guó)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(guó)外的交通運(yùn)行特征,照搬到我國(guó)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(wú)法從反映國(guó)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(lái)開(kāi)展交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況分析,也未考慮國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用面臨的各類情景;運(yùn)行過(guò)程中需要用戶基于專業(yè)判斷來(lái)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(lái)有效使用。因此,亟待開(kāi)發(fā)符合國(guó)情、易于應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)城市交通分析平臺(tái)軟件,以服務(wù)于我國(guó)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(duì)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(duì)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(tái)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(kāi)發(fā)、交通政策制定、交通設(shè)施建設(shè)、交通管理控制等)對(duì)城市交通系統(tǒng)產(chǎn)生影響的定量化、可視化綜合評(píng)估與系統(tǒng)優(yōu)化,開(kāi)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(wú)縫銜接,支撐政府高效科學(xué)的決策與管理(見(jiàn)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(kù)、分析模型庫(kù)、軟件模塊庫(kù)、備選預(yù)案庫(kù)四部分組成(見(jiàn)圖  3 )。

　�、倩�礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)的基礎(chǔ),對(duì)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(kù),直接連接到虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)展交通系統(tǒng)分析。

　�、诮煌ǚ治龌�礎(chǔ)模型庫(kù)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。

　�、劢煌ǚ抡孳浖�模塊庫(kù)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(dòng)態(tài)直觀的可視化結(jié)果。

　�、軅溥x預(yù)案庫(kù)是交通發(fā)展決策支持模式的拓展應(yīng)用,相關(guān)過(guò)程涉及多管理部門協(xié)同,方案實(shí)施也需經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整、評(píng)估、優(yōu)化;面向業(yè)務(wù)功能的分析流程完善,可“一鍵式”開(kāi)展仿真流程,合理放寬對(duì)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、仿真評(píng)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

　　注:OD表示起迄點(diǎn)出行分布。

　　四、 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù):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�,對(duì)海量交通數(shù)據(jù)的挖掘分析已成為交通領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。城市交通大數(shù)據(jù)主要分為靜態(tài)基礎(chǔ)、動(dòng)態(tài)出行、實(shí)時(shí)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。目前,我國(guó)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(kù)快速構(gòu)建技術(shù)、城市人口數(shù)據(jù)庫(kù)快速構(gòu)建技術(shù)、交通流量時(shí)間序列快速構(gòu)建技術(shù)(見(jiàn)圖 4);分別以開(kāi)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(shí)別(RFID)交通流量數(shù)據(jù)為應(yīng)用對(duì)象,通過(guò)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(shí)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(kù)的城市交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(kù)文件。實(shí)際應(yīng)用表明,該技術(shù)可以在分鐘級(jí)時(shí)間內(nèi)構(gòu)建 1 個(gè)大型城市的綜合交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　在城市人口數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)推算交通小區(qū)的人口數(shù)據(jù),這是因?yàn)?LandScan 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(duì)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?據(jù)此快速構(gòu)建交通小區(qū)人口數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　交通流量時(shí)間序列數(shù)據(jù)的主要來(lái)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(lái)構(gòu)建交通流量的時(shí)間序列,這是因?yàn)?RFID 數(shù)據(jù)庫(kù)提供路段實(shí)時(shí)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(kù)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(shí)間演化預(yù)測(cè)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(shí)空分布一體化預(yù)測(cè)模型、時(shí)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(cè)與重要交通節(jié)點(diǎn)微觀實(shí)時(shí)推演的一體化。

　　五、 分析模型庫(kù):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(wèn)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(dòng)通信、虛擬仿真等前沿技術(shù)為交通領(lǐng)域帶來(lái)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(shì),對(duì)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(shì)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(píng)估模型等。

　　長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)在解決城市交通問(wèn)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(jiàn)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(kù):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(duì)具有中國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的交通仿真平臺(tái)軟件,本課題組匯集 30 多年來(lái)在城市交通領(lǐng)域方面的科研成果,組織開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一款城市虛擬交通仿真平臺(tái)軟件——“交運(yùn)之星–TranStar”。平臺(tái)功能涵蓋城市土地開(kāi)發(fā)、交通設(shè)施建設(shè)、交通運(yùn)行管控、公共交通運(yùn)營(yíng)、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(wàn)條路段級(jí)別路網(wǎng)的“一鍵式”仿真過(guò)程完成時(shí)間為分鐘級(jí);支持開(kāi)展方案結(jié)果的深入評(píng)估。相關(guān)軟件模塊庫(kù)的主要功能如下。

　　完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持功能。 對(duì)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(lái)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(duì)多類型交通分析案例的應(yīng)對(duì)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(kù)既可開(kāi)展以傳統(tǒng)“四階段法”為基礎(chǔ)的交通發(fā)生吸引預(yù)測(cè)、交通分布、交通方式劃分等分析過(guò)程,又可實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的交通需求預(yù)測(cè)及一體化仿真,如基于優(yōu)勢(shì)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(cè)等。

　　關(guān)鍵的交通運(yùn)行分析功能。 用戶對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)阻抗進(jìn)行深入分析,準(zhǔn)確反映土地開(kāi)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(duì)各種出行方式所對(duì)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(píng)價(jià)功能。 評(píng)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(píng)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(duì)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(guò)圖形編輯功能,用戶便捷地將土地利用開(kāi)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(kù),靈活開(kāi)展交通分析、系統(tǒng)仿真、綜合評(píng)估。

　　七、 備選預(yù)案庫(kù):城市交通發(fā)展 “ 一鍵式 ” 決策支持模式

　　(一)備選預(yù)案庫(kù)的主要作用

　　備選預(yù)案是交通仿真分析的應(yīng)用場(chǎng)景,備選預(yù)案庫(kù)則是針對(duì)城市虛擬交通系統(tǒng)仿真平臺(tái)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(duì)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(kù)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(guò)“一鍵式”操作流程,便捷開(kāi)展交通方案的優(yōu)化及全方位評(píng)價(jià)。

　　備選預(yù)案庫(kù)將城市交通分析平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、分析模型庫(kù)、軟件模塊庫(kù)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(gè)性化的備選策略,能夠覆蓋大部分城市、常見(jiàn)類型的交通問(wèn)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(kù)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(guò)專用界面開(kāi)展面向業(yè)務(wù)功能的模塊組合選型,針對(duì)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(lái)完成具體業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)與評(píng)估。

　�、俪鞘幸�(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(kāi)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。

　�、诮煌ㄔO(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(yíng)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。

　�、芙煌ü芾砜刂茦I(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(hào)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(dòng)、突發(fā)事件)等備選策略。

　�、萁煌ㄕ�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(gòu)、車牌號(hào)競(jìng)拍、公交優(yōu)先發(fā)展策略、新能源汽車優(yōu)惠政策),交通對(duì)能源消耗、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響評(píng)價(jià)等備選策略。

　　(三)備選預(yù)案庫(kù)的定量化、可視化評(píng)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(píng)估手段,擬定方案的實(shí)際效果也有待直觀呈現(xiàn),因此開(kāi)展城市多部門協(xié)作的交通方案評(píng)估應(yīng)以定量化、可視化評(píng)估技術(shù)為依托。

　　在交通方案定量化評(píng)估技術(shù)方面, 深入研究國(guó)家級(jí)交通科技計(jì)劃(如全國(guó)城市道路交通管理“暢通工程”、國(guó)家公交都市建設(shè)示范工程等)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、綠色交通/慢行交通/共享交通等熱點(diǎn)問(wèn)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(gè)維度著手,構(gòu)建服務(wù)于系統(tǒng)評(píng)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(píng)估技術(shù)方面, 依托圖形系統(tǒng),開(kāi)展交通設(shè)計(jì)方案、交通運(yùn)行狀態(tài)、不同方案對(duì)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(cè)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(duì)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(kāi)發(fā),交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)基于 OSM 構(gòu)建。全網(wǎng)絡(luò)(含地面公交、軌道交通)共有 7324 個(gè)交通節(jié)點(diǎn)、15 482 個(gè)路段,道路里程為 4124 km(單向)。人口分布數(shù)據(jù)庫(kù)基于 LandScan 數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建,共有 467 個(gè)交通小區(qū)的人口分布。現(xiàn)狀道路流量數(shù)據(jù)庫(kù)依據(jù)重慶市 RFID 數(shù)據(jù)庫(kù)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(píng)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)

　　注:圖(b)中的界線表示自定義交通小區(qū)的邊界。

　　(二)重慶市新型冠狀病毒肺炎疫情期間居民出行上下班錯(cuò)峰方案仿真與評(píng)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(shí)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(cuò)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(píng)估報(bào)告。在“任務(wù)急、時(shí)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(píng)價(jià),給出行業(yè)錯(cuò)峰(對(duì)城市部分行業(yè)實(shí)施錯(cuò)時(shí)上下班)、車輛錯(cuò)峰(對(duì)主要橋隧在高峰時(shí)段進(jìn)行限號(hào))兩類方案的詳細(xì)評(píng)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(cuò)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(lái)看,行業(yè)錯(cuò)峰方案可在一定程度上改善整個(gè)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?tīng)顩r。

　　圖7 重慶市錯(cuò)峰上下班方案實(shí)施前后的路段流量差值分布

　　注:圖中的線條表示路網(wǎng)。

　　如實(shí)施車輛錯(cuò)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(duì)居民的出行影響較小。鑒于車輛錯(cuò)峰方案僅針對(duì)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?tīng)顟B(tài)將得到有效緩解。整體來(lái)看,車輛錯(cuò)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(yǔ)

　　本文提出了包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、分析模型庫(kù)、軟件模塊庫(kù)、備選預(yù)案庫(kù)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(shí)具有及時(shí)性、有效性。

　　為解決我國(guó)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(lái)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(guó)交通運(yùn)行特點(diǎn)發(fā)展國(guó)產(chǎn)化的交通仿真軟件系統(tǒng)。

　　在未來(lái)城市虛擬交通系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)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(kù);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。

　　注:本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,若需可查看原文。

(新媒體責(zé)編：wa12)