城市交通组织管理仿真平台研究与应用——以北京为例

茹华所,何良君,彭德品

(云南国土资源职业学院 ，云南 昆明 650217)

随着社会经济的发展，各大城市市区机动车保有量不断增加，机动车保有量的增长远远超过了路网容量的增长。为缓解日益增长的交通压力，利用科技方法和管理手段充分提高现有道路设施的利用效率，已经成为解决城市交通拥堵问题的关键。根据以往的经验制定交通改善措施方法也存在着诸如数据依据不足，无法事先定量预测方案实施效果等弊病。

道路交通仿真能够再现当前的交通运行状态，完成交通组织方案的定量评估分析，进而对交通组织管理、交通基础设施规划建设、交通政策可行性分析研究提供量化的决策依据。基于城市区域道路交通运行特点，其交通组织和控制方案的设计和实施必须经过反复的论证，并借助科学的手段或工具对其进行定性和定量的评价，交通组织仿真为此问题提供了良好的解决方案。

1 国内外相关研究工作

交通组织管理仿真平台是系统仿真理论与方法在交通领域中的实际应用。国内外对交通管理仿真平台的研究主要体现在仿真模型研究和仿真系统体系结构两个方面。

国外早于国内对仿真模型进行研究，并把仿真模型的标定和校验作为主要研究方向，重视仿真模型的可用性及置信度。同时，采用人工智能理论及方法来解决无法或难以用数学方法建立数学模型的问题，特别是Agent (智能体)技术的融入，能客观较好地描述交通对象特性，使建模有了一个新的思路。H.Simon，P.Byungkyu，等[1-2]基于Agent建模进行了研究，从不同的方面给出了相应的仿真模型。

仿真模型的标定和校验成为应用研究的热点。J.Mithilesh, S.J.Kim，等[3-4]在对交通组织管理的仿真模型研究有关情况分析后，认为仿真模型的标定和检验在微观仿真模型应用中的重要性正逐步得到相关学者的重视，并主要基于当前成熟的交通仿真软件采用不同方法系统地研究这一问题，如：VISSIM, VISSUM, CORSIM，PARAMICS、AIMSUN等。H.Peter[5]对VISSIM、AIMSUN进行了评价。G.Szucs[6]认为，在成熟的仿真软件基础上建立开放的仿真框架比开发新的仿真软件更为重要。J.Barcelo，等[7]对下一代仿真程序进行了研究，以开发支持微观仿真的开放行为算法核心库为目标，且带有标定数据和支持文挡，为下一代仿真程序的建立奠定基础。Wang Xinhao[8]在进行交通影响分析研究时，将分析重点放在GIS、仿真模型和可视化的集成方面。总之，复杂系统建模方法、仿真模型的标定和检验、仿真模型的复用性和标准化、仿真系统体系结构标准化和集成化是国外交通系统仿真研究的趋势。

国内学者对交通仿真模型的研究，紧密结合了计算机新技术的应用，研究贡献主要表现在：基于基于Petri网建模、Agent建模、复杂系统分布式仿真建模方法等。仿真模型建模思想向集成化、系统化、智能化方向发展，逐渐与国际接轨[9-11]。针对奥运交通需求特点，商蕾，等[12]将奥运交通涉及的交通紧急事件管理、奥运交通组织、辅助决策支持、交通信息服务等系统整合，建立了一个基于GIS-T的奥运交通管理与信息服务平台，实现资源共享，提高系统运行效率。通过数据融合、分析和处理，为不同层次的用户主体提供信息服务和辅助决策支持。

总之，目前国内外还没有成熟的城市交通组织管理仿真平台，或者国外成熟的仿真工具不适用于中国的交通环境。因此，开发符合中国国情的城市交通组织管理仿真平台是非常有适用价值和理论研究意义的。

笔者从我国城市物理特性出发，大城市基本以核心区域布局向周边放射发展，道路分布区域性比较明显。城市交通管理仿真平台设计以城市道路分布特性为指导，采用先进成熟的技术支撑，旨在设计适合我国大部分城市交通管理的仿真平台框架。

2 城市交通管理仿真平台架构

2.1 系统架构

仿真平台基于3层C/S架构设计，将系统分为表示层、业务层和数据层3层，对应到物理设备分别是客户机、应用服务器、数据库服务器。客户机实现人机交互功能；应用服务器端实现实时数据融合计算和并行仿真运算；数据库服务器用于存储数据。系统架构如图1。

图1 系统总体架构Fig.1 System architecture

2.2 关键技术

2.2.1 交通模型接口统一标准技术

在业界中统一接口标准已经是大势所趋。而文中依托项目所开发的系统平台，要求能够读入各种流行的仿真软件数据格式，这就更需要指定一套符合北京市具体交通管理特点、交通行为模式的交通模型接口统一标准，便于数据交换和数据存储。

2.2.2 宏观、中观和微观仿真无缝拼接技术

平台系统将实现宏观、中观和微观仿真的无缝拼接技术，即实现宏观、中观和微观仿真共用一套仿真路网模型，宏观交通分配的结果，可以不经处理直接作为中观和微观仿真的数据输入，而微观和中观仿真的结果，将作为宏观交通分配时路径费用计算的一个组成部分。且宏观交通状态显示时将融合微观仿真时道路的交通状态，实现宏观仿真和中观、微观仿真的融合。同时中观仿真动态交通分配的结果将为微观仿真提供数据输入，而微观仿真的结果，可以融合进中观仿真，通过中观仿真显示区域交通状态。

2.2.3 动态起讫流量生成技术

通过对国内外相关理论经验及技术方法的分析研究，本平台将根据数据需求及仿真建模要求，针对城市交通特点，建立科学先进的交通OD数据反推算法，即通过实时采集系统提供的道路网络交通量、速度、旅行时间等交通流基础数据，并结合其他可获得的信息资源，确定北京市交通OD矩阵的估计值，从而为宏观交通仿真、中观交通仿真和微观交通仿真模拟等提供基础出行数据。

2.2.4 并行计算技术

本平台系统采用MPI的并行架构，将多台高性能服务器通过高速以太网连接，通过一台中央控制服务器进行资源配置，可以实现整个计算机集群的并行化运算处理，这是目前其它商业仿真软件都不具备的优势。

2.2.5 交通模型数据存储技术

文中构建的仿真平台将开发基于数据库的交通模型存储技术除了可以实现区域读取绘制外，还可以实现GIS路段和仿真路段的关联性，实现实时数据在GIS路段和仿真路段间的交换，保证GIS路段和仿真路段的一致和融合。

3 城市交通组织管理仿真平台实现与应用

3.1 仿真平台拓扑结构

仿真平台系统后台应用服务器中设置5台组成仿真服务器集群，其中主机1台、节点机4台，仿真集群直接连至千兆核心交换机。剩余的2台服务器一台用于实时数据处理、另外一台用于平台管理和GIS处理；后台另外2台UNIX服务器一台用于仿真数据库、另外一台用于实时数据库和GIS数据库。客户端分为两类，一类是交管局办公大楼用户，另外一类是交管局外派下属单位用户。交管局办公大楼用户通过百兆局域网直接访问仿真平台；外部单位通过公安内网及透过防火墙访问平台。拓扑结构如图2。

图2 仿真平台拓扑结构Fig.2 Topology of simulation platform

3.2 系统数据处理流程设计

仿真平台内部数据处理流程如下：

1)系统接到实时交通流信息数据后经过融合，计算出路段的流量、车速、占有率，然后存储到数据库；

2)系统接收到旅行时间检测器数据后进行号牌匹配，推算有效数据的实时交通流OD和旅行时间，然后入库；

3)系统利用以上数据库数据和其它交通(包括OD模式调查)调查数据推算实时OD和路段通行费用，然后入库；

4)系统利用路网GIS图自动生成路网宏观仿真模型，写入宏观模型库；

5)系统模型转换模块将已经建立的路口微观模型转换成仿真平台的路口微观模型，利用GIS图自动生成路段微观模型，并将路口路段模型进行连接，形成区域的微观仿真模型，写入微观模型库；

6)使用生成的实时OD数据和实时道路费用数据利用路网宏观模型进行动态交通分配，生成动态交通分配数据，写入数据库；

7)使用微观交通仿真模型进行交通的微观仿真，显示仿真动画和进行微观仿真评价；

8)使用宏观仿真模型进行路网交通的宏观仿真，显示路网状态和进行宏观仿真评价。

仿真平台数据处理流程如图3。

图3 仿真平台数据处理流程Fig.3 Data processing of simulation platform

3.3 数据库设计

仿真系统平台的数据库由实时交通数据库，交通仿真数据库，GIS数据库和管理数据库组成。数据库系统设计如图4。

图4 数据库系统设计Fig.4 Database system design

3.4 接口设计

系统接口设计基于SOA(Service-Oriented Architecture)架构，仿真系统平台的4个子系统之间采用Web服务的方式提供信息访问接口。平台接口技术使用标准的、规范的XML描述接口。这一描述中包括了与服务进行交互所需要的全部细节，包括消息格式、传输协议和服务位置。而在对外的接口中隐藏了服务实现的细节，仅提供一系列可执行的操作，这些操作独立于软、硬件平台和编写服务所用的编程语言。接口设计如图5。

图5 仿真平台接口Fig.5 Interface of simulation platform

3.5 城市交通组织管理仿真平台应用效果

选取城区900个重点拥堵道路及路口进行系统示范应用。通过实地交通调查、交通运行状况分析、交通组织方案分析、交通组织方案模型的建立与仿真评估分析，以地理信息系统为基础，利用科学交通组织优化与仿真系统，再现交通流在时间和空间上的变化规律，实现对交叉口和路段交通组织优化方案的设计和量化评估分析，比选出不同时空维度下的最优交通组织方案，最大限度提高道路资源利用率，力求使道路交通资源达到最佳的利用状态。平台界面和仿真对象如图6。仿真过程和结果输出如图7。

图6 指挥大厅全路网宏观展示界面和区域仿真展示Fig.6 The macro show interface of the whole road network for the command hall and the region simulation shows

图7 仿真过程和结果输出Fig.7 Simulation procedure and results output

4 结 语

仿真平台通过对现存问题的分析研究，有针对性地提出优化解决方案，将极大的提高整体路网的运行效率和服务水平，将大幅度地改善整个城市的交通基础设施条件，提升北京的区位竞争优势。仿真平台将为交通管理部门提供更为直接、精确和科学的交通管理手段，提高交通管理水平与效率。依靠科学的交通仿真技术平台对交通现状进行评价，针对症结问题提出优化方案，可以减少交通拥堵和车辆延误，将大幅改善区域交通出行环境。

[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] 杨明,张冰,王子才.建模与仿真技术发展趋势分析[J].系统仿真学报,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,程华,金士尧.基于Agent的复杂系统分布仿真建模方法的研究[J].计算机工程与应用,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] 丁志军,蒋昌俊.基于精炼操作的Petri网建模及其分析方法[J].控制与决策,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,陆化普,蒋汉平.奥运交通管理与信息服务研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,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.