宏观交通仿真系统架构与关键技术研究

陈臻

随着近年来交通仿真技术的不断发展，越来越多的交通仿真软件被用于工程实践中。交通仿真软件主要分为宏观仿真及微观仿真两种不同类型，其中宏观仿真软件主要适用于描述交通系统的总体特征，代表软件包括TransCAD、Cube等；

微观交通仿真软件着重于分析车辆实际运行特征，车辆在道路上的跟车、超车及车道变换行为等微观行为都能得到较真实的反映，代表软件包括Vissim等仿真软件。

1 宏观交通仿真系统架构

做好城市交通控制工作，很多的控制逻辑和硬件设备需要进行测试，因此进行环境的仿真是非常必要的。交通仿真可以很经济高效的提供一个环境，降低分析和决策的成本，提高效率和科学性[1]。

1.1 路网及交通流

根据现状或规划的相关资料，设置道路路段及连接器。在路段设置上，TESS的样式为黑色带白色箭头的线段，强调了交通组织；Vissim颜色则可自己设置，可切换线段和箭头模式。在连接器设置上，TESS可实现上下游车道不对等连接的设置，优化了车流分离汇合的展示；而Vissim上下游车道只可以对等设置，因而在仿真时，Vissim的路网更容易发生车辆未提前变道而产生的拥堵。

Vissim软件的交通微观仿真模型工作的基本流程对于TESS也同样适用，具体流程如下：

根据调查或交通预测结果，设置交通参数（驾驶行为，车型比例、车速、路段流量及转向流量）。两者在以上参数上的设置模式上大同小异，但结合路网和交通流的设置，在运行效果上，TESS会显得更为流畅。

根据道路以及交通组织特点，设置限速车道，变速车道，以及冲突让行区。两者在限速与变速车道上的区别不大，他们的不同主要是在冲突区的设置。TESS在车辆汇入及让行上为系统默认设置；而Vissim则有不同方向的会车先行的设置[2]。

1.2 信号控制

根据现状和设计方案，设置各车道的信号灯位置及信号配时。TESS与VISSIM相同，信号控制作用点均为车道停止线；而信号配时，TESS主要针对单个交叉口的静态控制，在多交叉口的联动和动态信号配时分配上，VISSIM则较为完善。除此以外，在操作界面上，VISSIM比TESS要形象具体很多。

1.3 可视化展示

在二维平面展示上，TESS和VISSIM基本上一样。但在三维与其他软件兼容上，VISSIM则比TESS要优秀。

1.4 数据采集与交通评估

根据数据类型（例如排队长度、通行时间、延误以及服务水平），设置数据采集点/区。两者都可检测较为直观的数据，如排队长度、通行时间和行驶速度。不同点就在于他们对数据的管理行驶，TESS按不同车道的检测器以样本和集计两者方式导出若干EXCEL表格；VISSIM则可在软件仿真的同时，展示出各路段的集计数据，最后再通过数据导出功能导出至excel。

2 仿真系统架构以及关键示例

上海地铁作为世界上客运规模第二大的城市地铁系统，现有运营线路15条（含磁浮线），线路总长度为617km（含磁浮29km），车站366座（含磁浮2座车站），2016年全路网全年客运量约34.01亿人次，日均客流量928万人次，占公共交通客流的50.73%，承担了超过1/4的上海交通出行。在上海“减量增效”的存量规划背景下，通过大数据支撑下的精细化分析与建模，提出有针对性的系统性规划、运营、优化方案，能够在基础设施建设的基础上扩大有效供给、提升服务品质，更优质高效地满足上海日益增长的地铁出行需求。

城市发展过程中，城市规模不断扩大，人口总量持续增长，使得城市交通出行总量和出行距离普遍增加，城市交通与人口、环境、安全、能源等方面的矛盾日益凸显，城市交通发展面临新的挑战。地铁具有运量大、速度快、安全、准点、环保、节约用地等特点。合理规划、高效利用地铁网络，提升地铁竞争力，能够有效缓解城市道路交通压力，改善城市居民出行体验，促进城市交通向集约高效、低碳环保方向转变[3]。

上海城市地铁系统，利用Vissim进行需求宏观仿真，模型具有多层次、精细化、可视化、可交互等特点，可用于：

需求差异分析：模型可分析各时段各地铁线路段客运量，比较各站点、各线路间的需求差异，对地铁线路规划、应急方案制定、多网络协同规划、土地交通一体化规划等具有指导意义；

Vissim以其精简灵活的配置及丰富全面的功能，在交通需求建模、交通规划、空间网络数据管理等方面有较广泛的应用。目前，轨道交通宏观仿真模型多以跨城市轨道交通客运出行及货物运输为主，针对城市地铁系统需求的宏观仿真模型仍不常见。案例中，伦敦帝国理工学院交通研究中心以PTVVISUM为基础，搭建上海城市地铁系统需求宏观仿真模型。该模型可用于精细化分析地铁站点、线路、线网需求模式，量化各层级需求差异及供需矛盾，模拟规划、运营、定价方案潜在影响，辅助地铁线网规划及运营管理。

利用PTVVISUM软件构建上海地铁系统宏观仿真模型，并分别建立了公共交通使用者模型（public transport user model）与公共交通运营者模型（publictransport operator model）。模型建立大致包括以下步骤：

分时段地铁需求OD提取：对海量地铁刷卡数据进行清洗，从中提取工作日7：00～21：00两两地铁站之间每30min的出行量，将个人需求转化为聚合需求。

站点、线网信息的录入与校正：导入地铁站点及地铁线路空间信息，并针对部分站点及线路的空间偏移进行校正。

在信号控制方案上与下游的道路交叉口进行信号的周期和相位差的协调，保证交叉口进口道排队不溢出。

另外，通过信号控制将开发项目的车辆排队尽量压缩在项目基地内部，基地出入口进行了进口道车道功能的划分，保证了车辆进出的效率，同时通过信号控制减少了项目基地车辆与背景车辆的交织。个仿真，除了进行常规的交通影响评价指标计算外，还证明了交通组织方案的可行性以及必要性[4]。

地铁运营信息推算与录入：包括地铁站运行时刻表推算、站间票价矩阵构建、地铁供给参数录入等：

地铁站运行时刻表：根据各线路地铁首末班车时间及各典型时段发班间隔，推算各地铁站各班地铁的进出站时间。根据地铁运营特点，将7：00～21：00切分为三个典型时段：高峰时段、次高峰时段及非高峰时段；

站间票价矩阵构建：上海地铁采取按里程计价的多级票价制度。里程按站间最短距离计算，即出发站与到达站之间沿线网的最短行驶里程，不考虑乘客的实际乘车路线。最短距离计算由软件内嵌模型完成；地铁供给参数录入：包括各线路地铁行驶速度、编组情况、车厢载客量等，用以推算各班次地铁容量及站间行驶时间[5]；

地铁需求路径分配：将两两地铁站之间的出行需求，按规则分配到相应线路段上，即模拟各聚合需求的实际乘车路径。Vissim的路径分配规则主要包括基于时刻表的路径分配、基于运行间隔的路径分配和基于交通系统的路径分配。由于地铁发班间隔较短，且考虑了换乘时间，因而本案例主要采用了基于时刻表的路径分配规则。路径建立、选取与站间行驶时间、票价收费、换乘时间等有关[6]。

3 结语

经过仿真软件的实践比较，在用户操作体验上，根据项目情况及个人喜好选择合适的仿真工具。TESS比VISSIM更贴近国内的使用习惯，但基于TESS尚在评测阶段，有许多功能有待完善（特别是TESS无撤回）。对于规模较小时间较少的项目，TESS能较好地完成仿真任务；对于规模较大时间较充裕的项目，Vissim则更适合。总体来说Vissim比TESS在功能上会更完善，仿真真效果也更出众，但涉及的参数、设计的过程和仿真结果也更复杂。

[1]茹华所，何良君，彭德品.城市交通组织管理仿真平台研究与应用——以北京为例[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2014（1）：119～124.

[2]吴斗.城市交通在线仿真关键技术研究及应用[D].电子科技大学，2016.

[3]李正强.水上交通态势评估建模与可视化研究[D].武汉理工大学，2015.

[4]毕书敏.面向QoS需求的异构车载网络融合方案设计[D].上海交通大学，2015.

[5]张培岭.雨天高速公路可变限速控制系统研究与实现[D].武汉理工大学，2014.

[6]张宏.基于复杂网络理论的车载自组织网络研究[D].华中科技大学，2015.