茹華所,何良君,彭德品

(云南國土資源職業(yè)學(xué)院 ，云南 昆明 650217)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，各大城市市區(qū)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(wǎng)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(xiàn)有道路設(shè)施的利用效率，已經(jīng)成為解決城市交通擁堵問題的關(guān)鍵。根據(jù)以往的經(jīng)驗制定交通改善措施方法也存在著諸如數(shù)據(jù)依據(jù)不足，無法事先定量預(yù)測方案實施效果等弊病。

道路交通仿真能夠再現(xiàn)當(dāng)前的交通運行狀態(tài)，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(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)、交通政策可行性分析研究提供量化的決策依據(jù)。基于城市區(qū)域道路交通運行特點，其交通組織和控制方案的設(shè)計和實施必須經(jīng)過反復(fù)的論證，并借助科學(xué)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(nèi)外相關(guān)研究工作

交通組織管理仿真平臺是系統(tǒng)仿真理論與方法在交通領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。國內(nèi)外對交通管理仿真平臺的研究主要體現(xiàn)在仿真模型研究和仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)兩個方面。

國外早于國內(nèi)對仿真模型進行研究，并把仿真模型的標(biāo)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(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型的問題，特別是Agent (智能體)技術(shù)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(yīng)的仿真模型。

仿真模型的標(biāo)定和校驗成為應(yīng)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(guān)情況分析后，認為仿真模型的標(biāo)定和檢驗在微觀仿真模型應(yīng)用中的重要性正逐步得到相關(guān)學(xué)者的重視，并主要基于當(dāng)前成熟的交通仿真軟件采用不同方法系統(tǒng)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(chǔ)上建立開放的仿真框架比開發(fā)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(fā)支持微觀仿真的開放行為算法核心庫為目標(biāo)，且?guī)в袠?biāo)定數(shù)據(jù)和支持文擋，為下一代仿真程序的建立奠定基礎(chǔ)。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?？傊?，復(fù)雜系統(tǒng)建模方法、仿真模型的標(biāo)定和檢驗、仿真模型的復(fù)用性和標(biāo)準(zhǔn)化、仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和集成化是國外交通系統(tǒng)仿真研究的趨勢。

國內(nèi)學(xué)者對交通仿真模型的研究，緊密結(jié)合了計算機新技術(shù)的應(yīng)用，研究貢獻主要表現(xiàn)在：基于基于Petri網(wǎng)建模、Agent建模、復(fù)雜系統(tǒng)分布式仿真建模方法等。仿真模型建模思想向集成化、系統(tǒng)化、智能化方向發(fā)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(wù)等系統(tǒng)整合，建立了一個基于GIS-T的奧運交通管理與信息服務(wù)平臺，實現(xiàn)資源共享，提高系統(tǒng)運行效率。通過數(shù)據(jù)融合、分析和處理，為不同層次的用戶主體提供信息服務(wù)和輔助決策支持。

總之，目前國內(nèi)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(huán)境。因此，開發(fā)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(fā)，大城市基本以核心區(qū)域布局向周邊放射發(fā)展，道路分布區(qū)域性比較明顯。城市交通管理仿真平臺設(shè)計以城市道路分布特性為指導(dǎo)，采用先進成熟的技術(shù)支撐，旨在設(shè)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(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

仿真平臺基于3層C/S架構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)分為表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層3層，對應(yīng)到物理設(shè)備分別是客戶機、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器?？蛻魴C實現(xiàn)人機交互功能；應(yīng)用服務(wù)器端實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)融合計算和并行仿真運算；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 交通模型接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)

在業(yè)界中統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是大勢所趨。而文中依托項目所開發(fā)的系統(tǒng)平臺，要求能夠讀入各種流行的仿真軟件數(shù)據(jù)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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲。

2.2.2 宏觀、中觀和微觀仿真無縫拼接技術(shù)

平臺系統(tǒng)將實現(xiàn)宏觀、中觀和微觀仿真的無縫拼接技術(shù)，即實現(xiàn)宏觀、中觀和微觀仿真共用一套仿真路網(wǎng)模型，宏觀交通分配的結(jié)果，可以不經(jīng)處理直接作為中觀和微觀仿真的數(shù)據(jù)輸入，而微觀和中觀仿真的結(jié)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(tài)顯示時將融合微觀仿真時道路的交通狀態(tài)，實現(xiàn)宏觀仿真和中觀、微觀仿真的融合。同時中觀仿真動態(tài)交通分配的結(jié)果將為微觀仿真提供數(shù)據(jù)輸入，而微觀仿真的結(jié)果，可以融合進中觀仿真，通過中觀仿真顯示區(qū)域交通狀態(tài)。

2.2.3 動態(tài)起訖流量生成技術(shù)

通過對國內(nèi)外相關(guān)理論經(jīng)驗及技術(shù)方法的分析研究，本平臺將根據(jù)數(shù)據(jù)需求及仿真建模要求，針對城市交通特點，建立科學(xué)先進的交通OD數(shù)據(jù)反推算法，即通過實時采集系統(tǒng)提供的道路網(wǎng)絡(luò)交通量、速度、旅行時間等交通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)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(chǔ)出行數(shù)據(jù)。

2.2.4 并行計算技術(shù)

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

2.2.5 交通模型數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

文中構(gòu)建的仿真平臺將開發(fā)基于數(shù)據(jù)庫的交通模型存儲技術(shù)除了可以實現(xiàn)區(qū)域讀取繪制外，還可以實現(xiàn)GIS路段和仿真路段的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)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(xiàn)與應(yīng)用

3.1 仿真平臺拓撲結(jié)構(gòu)

仿真平臺系統(tǒng)后臺應(yīng)用服務(wù)器中設(shè)置5臺組成仿真服務(wù)器集群，其中主機1臺、節(jié)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(wù)器一臺用于實時數(shù)據(jù)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(wù)器一臺用于仿真數(shù)據(jù)庫、另外一臺用于實時數(shù)據(jù)庫和GIS數(shù)據(jù)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(wǎng)直接訪問仿真平臺；外部單位通過公安內(nèi)網(wǎng)及透過防火墻訪問平臺。拓撲結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 仿真平臺拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of simulation platform

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計

仿真平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程如下：

1)系統(tǒng)接到實時交通流信息數(shù)據(jù)后經(jīng)過融合，計算出路段的流量、車速、占有率，然后存儲到數(shù)據(jù)庫；

2)系統(tǒng)接收到旅行時間檢測器數(shù)據(jù)后進行號牌匹配，推算有效數(shù)據(jù)的實時交通流OD和旅行時間，然后入庫；

3)系統(tǒng)利用以上數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和其它交通(包括OD模式調(diào)查)調(diào)查數(shù)據(jù)推算實時OD和路段通行費用，然后入庫；

4)系統(tǒng)利用路網(wǎng)GIS圖自動生成路網(wǎng)宏觀仿真模型，寫入宏觀模型庫；

5)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換模塊將已經(jīng)建立的路口微觀模型轉(zhuǎn)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(qū)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(shù)據(jù)和實時道路費用數(shù)據(jù)利用路網(wǎng)宏觀模型進行動態(tài)交通分配，生成動態(tài)交通分配數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)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(wǎng)交通的宏觀仿真，顯示路網(wǎng)狀態(tài)和進行宏觀仿真評價。

仿真平臺數(shù)據(jù)處理流程如圖3。

圖3 仿真平臺數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing of simulation platform

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

仿真系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)庫由實時交通數(shù)據(jù)庫，交通仿真數(shù)據(jù)庫，GIS數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫組成。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計Fig.4 Database system design

3.4 接口設(shè)計

系統(tǒng)接口設(shè)計基于SOA(Service-Oriented Architecture)架構(gòu)，仿真系統(tǒng)平臺的4個子系統(tǒng)之間采用Web服務(wù)的方式提供信息訪問接口。平臺接口技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的、規(guī)范的XML描述接口。這一描述中包括了與服務(wù)進行交互所需要的全部細節(jié)，包括消息格式、傳輸協(xié)議和服務(wù)位置。而在對外的接口中隱藏了服務(wù)實現(xiàn)的細節(jié)，僅提供一系列可執(zhí)行的操作，這些操作獨立于軟、硬件平臺和編寫服務(wù)所用的編程語言。接口設(shè)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(yīng)用效果

選取城區(qū)900個重點擁堵道路及路口進行系統(tǒng)示范應(yīng)用。通過實地交通調(diào)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(tǒng)為基礎(chǔ)，利用科學(xué)交通組織優(yōu)化與仿真系統(tǒng)，再現(xiàn)交通流在時間和空間上的變化規(guī)律，實現(xiàn)對交叉口和路段交通組織優(yōu)化方案的設(shè)計和量化評估分析，比選出不同時空維度下的最優(yōu)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(tài)。平臺界面和仿真對象如圖6。仿真過程和結(jié)果輸出如圖7。

圖6 指揮大廳全路網(wǎng)宏觀展示界面和區(qū)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(jié)果輸出Fig.7 Simulation procedure and results output

4 結(jié) 語

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

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