基于多層體系結(jié)構(gòu)的交通系統(tǒng)多分辨率仿真架構(gòu)研究

馬 健 ， 孫 劍 ， 李克平， 張 麗巖,2 MA Jian,SUN Jian,LI Ke-ping,ZHANG Li-yan,2

（1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 200092；2.蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，城市機(jī)動(dòng)車擁有量不斷增長(zhǎng)，交通需求急劇增加，由此帶來(lái)的交通擁堵、交通事故、環(huán)境污染和能源短缺等交通相關(guān)問(wèn)題已成為世界各國(guó)共同面臨的難題，而這一問(wèn)題的解決依賴于對(duì)交通運(yùn)行規(guī)律的掌握及應(yīng)用程度。

交通仿真是再現(xiàn)交通運(yùn)行規(guī)律，對(duì)交通系統(tǒng)進(jìn)行管理、控制和優(yōu)化的重要實(shí)驗(yàn)手段和工具。在交通系統(tǒng)仿真中,根據(jù)仿真的粒度，可將其分為3個(gè)粒度等級(jí)，即宏觀、中觀和微觀交通仿真，這些可以統(tǒng)稱為固定分辨率仿真模型[1]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展，要求對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)特性描述更加接近現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不斷提高，要求能夠反映單個(gè)車輛、車隊(duì)或車流在路網(wǎng)中的運(yùn)行過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種交通現(xiàn)象的模擬及實(shí)時(shí)交通的誘導(dǎo)。多分辨率理論為交通仿真及應(yīng)用提供了一個(gè)新的思路。

1 多分辨率仿真的必要性及可行性

人類智能的一個(gè)公認(rèn)特點(diǎn)，就是人們能從極不相同的粒度上觀察和分析同一問(wèn)題。人們不僅能在不同的粒度世界上進(jìn)行問(wèn)題求解，而且能夠很快地從一個(gè)粒度跳到另一個(gè)粒度的世界，往返自如，毫無(wú)困難。

多分辨率建模 （Multi-Resolution Modeling,MRM）最初是從經(jīng)濟(jì)學(xué)研究中發(fā)展起來(lái)的，并且和人們認(rèn)知過(guò)程密切相關(guān)。人們認(rèn)識(shí)事物和解決問(wèn)題的時(shí)候，通常遵循由淺入深、由粗到細(xì)的一般規(guī)律，MRM就是針對(duì)同一個(gè)問(wèn)題或現(xiàn)象，在不同的粒度和分辨率下分別建立模型，從而得到一個(gè)包含不同分辨率模型的模型簇[2-3]。目前，對(duì)MRM的定義還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。最具有代表性的定義是美國(guó)RAND公司的Davis等人給出的定義： “多分辨率建模是指為同一現(xiàn)象建立具有不同分辨率的一個(gè)模型、一個(gè)集成的模型族或者是二者的組合”[2]。

交通仿真模型以其不同的研究粒度為標(biāo)準(zhǔn)可劃分為宏觀、中觀、微觀交通仿真模型。不同粒度的交通仿真模型分別具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。微觀交通仿真能夠提供對(duì)交通系統(tǒng)的詳細(xì)的描述，但是同時(shí)也受到校正困難和計(jì)算量巨大等問(wèn)題的困擾，從而限制了其仿真對(duì)象的規(guī)模；宏觀和中觀仿真雖然能夠描述大規(guī)模的交通系統(tǒng)的狀態(tài)，但是其描述僅限于較低的分辨率層面。隨著交通規(guī)劃、控制、管理等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψ抡婀ぞ咭蟮奶岣?，單一分辨率交通仿真的局限性日益凸顯，不能同時(shí)滿足系統(tǒng)仿真效率與仿真精度的要求，為了解決這一問(wèn)題，盡量在仿真精度與效率之間取得平衡 （見(jiàn)圖1），提出了多分辨率交通仿真的概念。多分辨率交通仿真的研究主要包括宏觀—微觀混合仿真、中觀—微觀混合仿真及宏觀—中觀—微觀混合仿真[3-5]。

通過(guò)多分辨率建模技術(shù)可以把不同類型的交通仿真模型整合在一起，進(jìn)行有機(jī)組合，發(fā)揮不同模型的特長(zhǎng)，形成多層次的交通仿真模型系統(tǒng)。在用微觀仿真模型詳細(xì)模擬一個(gè)局部地區(qū)的同時(shí)，用宏觀和中觀仿真模型來(lái)模擬外圍整個(gè)系統(tǒng)，而不是 “只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”或者 “只見(jiàn)森林，不見(jiàn)樹(shù)木”[3]，這樣就能夠在仿真效率與仿真精度之間取得較好的平衡以更好地發(fā)揮各種模型的作用。

多分辨率仿真是不同粒度之間、模型間或模型內(nèi)部的整合，強(qiáng)調(diào)模型的一致性，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)量較大；其可以通過(guò)對(duì)現(xiàn)有資源的利用，集成已有成熟系統(tǒng)的功能，減少系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)量；能將有限的資源集中于核心模型算法的開(kāi)發(fā)，為多分辨率交通仿真提供了新的實(shí)現(xiàn)思路。

2 交通多分辨仿真的理論架構(gòu)

本文采用多分辨率建模技術(shù)來(lái)分析交通問(wèn)題，建立了多分辨率交通仿真理論架構(gòu)。該架構(gòu)分二層，底層為持久性數(shù)據(jù)層，用來(lái)保存交通場(chǎng)景數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)等。一般使用數(shù)據(jù)庫(kù)、文件或者網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)來(lái)保存。上層為仿真應(yīng)用層，這一層包括3大部分：輸入輸出模塊 （輸入接口與輸出接口）、數(shù)據(jù)處理模塊（數(shù)據(jù)預(yù)處理與結(jié)果數(shù)據(jù)分析）及邏輯處理模塊。其中邏輯處理模塊是其核心，它包括低分辨率的宏觀仿真模型、中分辨率的中觀仿真模型、高分辨率的微觀仿真模型及多分辨率模型的集成策略。不同分辨率的仿真模型集成在一個(gè)架構(gòu)中，方便了這些模型之間相互轉(zhuǎn)換。同時(shí)，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠利于不同分辨率模型之間的信息集成及數(shù)據(jù)共享，能夠方便的處理不同分辨率下信息的表達(dá)、存儲(chǔ)、交換、使用等一系列問(wèn)題。其次是模型一致性問(wèn)題，它是指如何保證模型本身及不同模型相互轉(zhuǎn)化后行為互相吻合。不同分辨率交通仿真模型在交互過(guò)程中的不一致主要表現(xiàn)為時(shí)間不一致、屬性映射的不一致、交互的依賴性以及鏈?zhǔn)骄奂葐?wèn)題。通過(guò)數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)共享、集成策略等方法及機(jī)制，可以盡可能地維護(hù)不同分辨率模型間的一致性。圖2表示了多分辨率交通仿真的理論架構(gòu)。

3 交通多分辨率仿真的實(shí)現(xiàn)框架

根據(jù)多層體系結(jié)構(gòu)及多分辨率仿真理論，本文建立的多分辨率交通仿真系統(tǒng)可以分成4層，分別為表示層、邏輯層、數(shù)據(jù)層及持久化數(shù)據(jù)層。表示層是主要的用戶交互接口，包括參數(shù)設(shè)置界面、仿真運(yùn)行界面及結(jié)果處理界面。中間層為業(yè)務(wù)邏輯層，包括模型實(shí)現(xiàn)部分與結(jié)果分析部分，其中模型實(shí)現(xiàn)部分包括宏觀模型、中觀模型的實(shí)現(xiàn)及與VISSIM軟件的集成模塊。數(shù)據(jù)層集成了對(duì)持久數(shù)據(jù)的訪問(wèn)操作，屏蔽了底層數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、類型多樣性、提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)操作接口，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。最底層為持久化數(shù)據(jù)層，用來(lái)保存仿真過(guò)程中的一系列參數(shù)數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)。下圖是多分辨率交通仿真的多層體系結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 多分辨率交通仿真的多層體系結(jié)構(gòu)

4 交通多分辨率仿真系統(tǒng)的建立

為了更好地研究交通狀態(tài)及其仿真模型的精度、效率等問(wèn)題，首先應(yīng)該建立交通系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種交通現(xiàn)象的模擬及模型的校驗(yàn)、優(yōu)化、應(yīng)用和評(píng)價(jià)等一系列研究。本文利用C++開(kāi)發(fā)了多分辨率交通仿真系統(tǒng)平臺(tái)，其參數(shù)輸入界面如下：

圖4 多分辨率交通仿真系統(tǒng)參數(shù)輸入界面示意圖

5 結(jié)論與展望

本文基于多分辨率建模理論及數(shù)值仿真技術(shù)，提出了交通多分辨率仿真的理論架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)框架；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)C++實(shí)現(xiàn)了交通多分辨率仿真系統(tǒng)；以此為平臺(tái)可以進(jìn)一步深入研究模型的建立、實(shí)現(xiàn)、校驗(yàn)及應(yīng)用等問(wèn)題。

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