文/孫亮、劉鵬、詹靜

1 前言

智慧交通是城市智慧大腦的重要支撐力量，充分體現(xiàn)了眾多科學(xué)技術(shù)在綜合交通運(yùn)輸領(lǐng)域的深度應(yīng)用，是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，是交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是推進(jìn)我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要組成部分[1]。國外智能交通起步較早，交通信息化系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)比較完善，國內(nèi)城市北京、上海、深圳、鄭州、西安、株洲、佛山等城市也初步建成基于本地交通特征的交通信息化應(yīng)用平臺[2]。上海市交通信息化數(shù)據(jù)采集工作起步較早，在豐富數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，上海市搭建了交通規(guī)劃與決策分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)狀交通運(yùn)行評價(jià)、仿真模擬、交通需求預(yù)測、方案評價(jià)和環(huán)境能耗評估等功能，為交通研究機(jī)構(gòu)和交通行業(yè)相關(guān)部門提供了決策支持，已廣泛應(yīng)用于規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營、管理、政策等上千個項(xiàng)目中。在20 世紀(jì)90年代，深圳市就開始探索智慧交通的應(yīng)用，經(jīng)過20 多年智慧交通發(fā)展建設(shè)，深圳市建成城市級綜合決策平臺，實(shí)現(xiàn)空間規(guī)劃精準(zhǔn)化、政策調(diào)控精確化、運(yùn)營服務(wù)精細(xì)化[3]。

隨著烏魯木齊市社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各交通規(guī)劃、研究和管理部門已經(jīng)分別建立了多個交通智能化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在城市交通管理和運(yùn)輸方面發(fā)揮著重要作用。同時(shí)，烏魯木齊市正處于交通信息化快速發(fā)展階段，科學(xué)化與精細(xì)化成為城市交通規(guī)劃與交通決策的發(fā)展方向，這對支撐規(guī)劃與決策的技術(shù)體系和技術(shù)方法提出了更高的要求，亟須現(xiàn)代信息化技術(shù)提升規(guī)劃和管理的精準(zhǔn)性與效率[4]。

作為智能交通系統(tǒng)的啟動工程和重要組成部分，烏魯木齊市交通仿真與評價(jià)系統(tǒng)以先進(jìn)的多源數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，以交通仿真技術(shù)與模型為核心，以支持交通管理、決策分析與交通信息服務(wù)為導(dǎo)向，圍繞著交通設(shè)施設(shè)計(jì)、交通綜合整治、決策支持的核心目標(biāo)以及適應(yīng)智能交通系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展要求，以標(biāo)準(zhǔn)化、成熟可靠技術(shù)搭建系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)兼容性、通用性和可擴(kuò)展性要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

交通仿真與評價(jià)系統(tǒng)采用市場成熟仿真評價(jià)軟件，在現(xiàn)狀可獲取數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基本仿真功能，通過交通模型與系統(tǒng)交互模式，提供方案條件和模型參數(shù)設(shè)置功能，自動化調(diào)用后臺交通模型，實(shí)現(xiàn)模型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換自動化、模型運(yùn)算過程自動化、評價(jià)指標(biāo)計(jì)算自動化，提供給相關(guān)部門調(diào)用交通相關(guān)數(shù)據(jù)與評估結(jié)果的界面和工具，是服務(wù)于城市交通系統(tǒng)各部門業(yè)務(wù)工作的決策支持系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的需求，立足于各職能部門的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、信息查詢、數(shù)據(jù)分析、輔助決策等功能。為了充分利用C/S 模式處理能力強(qiáng)和B/S模式擴(kuò)展性和分布式的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用B/S 和C/S混合結(jié)構(gòu)[5]。這種結(jié)構(gòu)可以將各種信息資源存儲于服務(wù)器中，為每個客戶端提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，便于對信息資源的調(diào)用。同時(shí)，利用客戶端程序存儲服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，集中在服務(wù)器上進(jìn)行運(yùn)算，減少數(shù)據(jù)傳輸量的瓶頸約束，提高了數(shù)據(jù)的處理與傳輸效率，可以同時(shí)滿足模型算法計(jì)算及平臺內(nèi)嵌的需求，將系統(tǒng)建成資源共享又可靈活延展的實(shí)用型平臺。

2.2 系統(tǒng)總體框架

總體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、中間件層、應(yīng)用層等三層，如下圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

數(shù)據(jù)層：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、管理，為中間件層和應(yīng)用層提供包括土地利用、道路網(wǎng)絡(luò)、規(guī)劃范圍等數(shù)據(jù)。

中間件層：包括第三方組件和自定義組件。第三方組件主要有地圖渲染引擎、數(shù)據(jù)分析引擎、統(tǒng)計(jì)引擎、UI 引擎等；自定義組件主要根據(jù)交通規(guī)劃和模型計(jì)算業(yè)務(wù)自定義相應(yīng)的中間件，包括GIS 地圖操作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、接入模型數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用層：考慮到最終系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)將采用B/S 和C/S 混合結(jié)構(gòu)，以B/S 為主，輔之以C/S 的模式結(jié)構(gòu)，可以很好地滿足模型算法計(jì)算及系統(tǒng)內(nèi)嵌的需求。

2.3 系統(tǒng)評價(jià)流程

圖2 交通仿真與評價(jià)系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

城市交通仿真與評價(jià)系統(tǒng)主要用于通過模擬交通運(yùn)行環(huán)境，輸出具體交通參數(shù)，據(jù)此輔助交通管理決策或評價(jià)交通管理措施影響。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接入與管理

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀年和規(guī)劃年模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接入，包括基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)濟(jì)社會數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、人口崗位數(shù)據(jù)、交通設(shè)施數(shù)據(jù)、交通信號數(shù)據(jù)和公交系統(tǒng)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和整理，獲得交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)加工，得到路網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，為方案評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 仿真模型建模與標(biāo)定

交通模型是交通仿真與評價(jià)系統(tǒng)的核心算法。結(jié)合烏魯木齊市實(shí)際發(fā)展階段、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及模型應(yīng)用需求，立足烏魯木齊市既有交通規(guī)劃模型基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)適合烏魯木齊市交通現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的綜合交通模型體系框架結(jié)構(gòu)。通過對交通調(diào)查、交通運(yùn)行數(shù)據(jù)和交通運(yùn)營統(tǒng)計(jì)等多元數(shù)據(jù)融合分析，提煉城市交通出行需求特征規(guī)律，按照交通出行理論和“四步驟”技術(shù)框架，構(gòu)建綜合交通規(guī)劃模型及模型運(yùn)算系統(tǒng)，支持應(yīng)用系統(tǒng)各類功能實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)模型構(gòu)建（宏觀仿真模型和中觀仿真模型）、各類型參數(shù)標(biāo)定、模型維護(hù)等內(nèi)容。依據(jù)具體的路網(wǎng)數(shù)據(jù)和各類型出行特征數(shù)據(jù)構(gòu)建基礎(chǔ)模型，并結(jié)合烏魯木齊市交通具體運(yùn)行狀況對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)考慮后期模型維護(hù)、數(shù)據(jù)更新和模型校核的需要，系統(tǒng)提供模型數(shù)據(jù)更新接口模塊，支持交通各個時(shí)期的模型系統(tǒng)工作。

圖3 仿真模型建模與標(biāo)定流程圖

3.3 仿真運(yùn)行與輸出

仿真模型運(yùn)行及輸出包括：宏觀仿真模型運(yùn)行及輸出與中觀仿真模型運(yùn)行及輸出。

3.3.1 宏觀仿真模型運(yùn)行及輸出

對整體車流進(jìn)行模擬，通過延誤函數(shù)模擬道路行程時(shí)間來分配道路車流量，適用于現(xiàn)狀宏觀層面道路交通運(yùn)行狀況分析及中長期道路交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃研究。

3.3.2 中觀仿真模型運(yùn)行及輸出

通過交通流分配技術(shù)，將時(shí)變交通需求動態(tài)分配到高精度路網(wǎng)上，并輸出評估指標(biāo)，用來模擬、評價(jià)較大范圍內(nèi)進(jìn)行交通控制和干預(yù)的措施和方法，從而對交通流進(jìn)行最優(yōu)控制。

3.4 仿真業(yè)務(wù)應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)仿真應(yīng)用項(xiàng)目管理、仿真方案管理、仿真場景自動建模、仿真運(yùn)行控制、仿真結(jié)果輸出、權(quán)限管理。采用模型與系統(tǒng)交互模式，提供方案條件和模型參數(shù)設(shè)置功能，自動化調(diào)用后臺交通模型，實(shí)現(xiàn)模型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換自動化、模型運(yùn)算過程自動化、評價(jià)指標(biāo)計(jì)算自動化，提供給相關(guān)部門調(diào)用交通相關(guān)數(shù)據(jù)與評估結(jié)果的界面和工具。

3.4.1 仿真應(yīng)用項(xiàng)目管理

查看和管理所有的項(xiàng)目指標(biāo)，包括創(chuàng)建仿真項(xiàng)目、刪除仿真項(xiàng)目、修改仿真項(xiàng)目、打開查看仿真項(xiàng)目、幫助。

3.4.2 仿真方案管理

查看和管理所有的方案指標(biāo)，包括新增仿真方案、刪除仿真方案、修改仿真方案、查看仿真運(yùn)行信息、確定最優(yōu)方案、幫助。

3.4.3 仿真場景自動化建模

對仿真方案進(jìn)行屬性編輯，實(shí)現(xiàn)人口調(diào)整、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整及屬性編輯，用地塊拆分合并邊界調(diào)整、用地性質(zhì)改變、容積率調(diào)整，出行分布、到達(dá)分布、出行方式構(gòu)成和交通分配參數(shù)修改，紅燈等待時(shí)長修改，對公交發(fā)車間隔、費(fèi)用成本的調(diào)整[6]。

圖4 仿真場景建模流程圖

3.4.4 仿真運(yùn)行控制

分為自動仿真運(yùn)行和手動仿真運(yùn)行。自動仿真是在后臺運(yùn)行仿真軟件，在前端界面點(diǎn)擊仿真后，后臺程序會根據(jù)設(shè)定的一系列參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，運(yùn)算完成后把運(yùn)算結(jié)果還回給前端來查看結(jié)果展示；手動仿真需要手動啟動仿真軟件，輸出仿真參數(shù)據(jù)，在仿真軟件中編輯數(shù)據(jù)，通過一系列仿真計(jì)算后，返回仿真結(jié)果。

3.4.5 仿真結(jié)果輸出

可以進(jìn)行仿真結(jié)果查看和對比分析。仿真結(jié)果查看主要包括基礎(chǔ)模型網(wǎng)絡(luò)的可視化、人口崗位分布輸出、出行量分布輸出、出行空間分布輸出、交通運(yùn)行特征輸出。仿真結(jié)果對比分析實(shí)現(xiàn)不同方案同一指標(biāo)雙屏對比顯示，在基礎(chǔ)方案的基礎(chǔ)上，用戶對部分參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整后形成比選方案，在選定比選方案后，運(yùn)行方案評價(jià)過程，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果計(jì)算評價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)比選方案評價(jià)，確定最優(yōu)方案，為方案定量化的評估和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

圖5 方案雙屏對比

3.4.6 權(quán)限管理

可實(shí)現(xiàn)用戶分配角色及訪問控制、權(quán)責(zé)分明，保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)資源的安全可靠。其中，管理人員主要對成果數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)閱，而研究人員則涉及所有功能分類。

4 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

基于宏-中-微觀模型數(shù)據(jù)一體化技術(shù)的仿真數(shù)據(jù)底圖（交通小區(qū)、道路網(wǎng)），融合傳統(tǒng)交通調(diào)查與交通運(yùn)行數(shù)據(jù)的機(jī)動車OD 分析引擎（交通調(diào)查、卡口數(shù)據(jù)）構(gòu)建烏魯木齊市智慧交通數(shù)字底座。

4.1 車道級基礎(chǔ)設(shè)施建模

實(shí)現(xiàn)快速路車道級別的道路基礎(chǔ)設(shè)施建模、車道級細(xì)分，包含車道標(biāo)線、中心線、箭頭、人行橫道、路緣石、隔離帶、紅線等道路相關(guān)圖層，支撐機(jī)非混行車道、專用車道、收費(fèi)車道、公交專用道、匝道等不同類型的車道模擬以及各種不同交通控制形式的交叉口模擬。

4.2 大數(shù)據(jù)自動化處理技術(shù)

對出租車GPS 和公交GPS、IC 卡、卡口、軌交閘機(jī)、網(wǎng)約車等各類大數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化處理分析，標(biāo)準(zhǔn)化、自動化各類大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)庫表名和表結(jié)構(gòu)、處理方法等，大幅提高數(shù)據(jù)處理效率。

4.3 交通模型軟件接口技術(shù)

基于滿足建模需要的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理分析，采用分類、統(tǒng)計(jì)、關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)化等方法，將從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺中提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和標(biāo)準(zhǔn)化，生成滿足建模需要的特定格式的數(shù)據(jù)。按照模塊化的方式，對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工具進(jìn)行管理，并提供模塊定制開發(fā)的環(huán)境支持。

利用定制化接口轉(zhuǎn)換工具抽取、處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成模型所需的數(shù)據(jù)，并輸入模型進(jìn)行分析?？商峁┛臻g數(shù)據(jù)（圖層數(shù)據(jù)），如：用地?cái)?shù)據(jù)、基礎(chǔ)路網(wǎng)等轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換成模型所需的輸入數(shù)據(jù)；可提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如：OD 數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)換成模型所需的輸入數(shù)據(jù)。

利用模塊化進(jìn)行定制化開發(fā)，打通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與模型軟件之間的數(shù)據(jù)障礙，提供標(biāo)準(zhǔn)接口工具，使得模型軟件可直接抽取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，避免了人工處理，大大提高效率。

4.4 工作協(xié)同技術(shù)

項(xiàng)目庫和方案庫協(xié)同管理，系統(tǒng)支持項(xiàng)目和方案的增刪改查，不同用戶可同時(shí)做不同的項(xiàng)目和不同方案。多用戶協(xié)同方案編輯，系統(tǒng)支持多用戶協(xié)同編輯同一項(xiàng)目同一方案，每個用戶單獨(dú)負(fù)責(zé)自己編輯的模塊，同一項(xiàng)目方案同時(shí)只支持一個用戶編輯。仿真結(jié)果多用戶查看，用戶可通過項(xiàng)目和方案查看分配結(jié)果。

5 結(jié)語

單純的大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)不能解決城市交通問題，大數(shù)據(jù)必須依靠交通模型技術(shù)，才能使數(shù)據(jù)保有生命力。只有新興技術(shù)與交通技術(shù)雙核驅(qū)動，才能有效解決城市交通問題。本系統(tǒng)通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接入與管理將標(biāo)準(zhǔn)化入庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，再通過對數(shù)據(jù)的挖掘分析和交通預(yù)測模型分析交通運(yùn)行的狀況，結(jié)合自動化調(diào)用交通模型，提供方案編輯、評價(jià)和比選功能，支撐方案編制研究和城市交通智能化治理。未來隨著數(shù)據(jù)采集體系的完善，通過二次開放進(jìn)一步豐富仿真和評價(jià)功能，可實(shí)現(xiàn)三維可視化評價(jià)和分析。