動態交通網絡分析實驗平臺設計

秦煥美， 曹 靜， 嚴 海， 賀玉龍， 楊孝寬

(北京工業大學 交通工程北京市重點實驗室，北京 100124)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展，城市交通擁堵問題日益突出，解決該問題的關鍵之一是進行動態交通網絡分析，研究道路網中的各種動態交通現象，掌握動態交通運行的時變特性和規律，并以模型和計算機模擬等方法再現交通流時空分布形態，為信號優化配時、路線誘導等交通管理措施的制定提供依據，使交通網絡得以高效地運行。

動態交通網絡分析作為交通工程中的重要組成部分，通過實驗平臺的設計，提出系統的實驗內容和設計流程，并給出平臺應用實例，該平臺可以應用在交通工程的教學和科研中，從而提高交通工程實驗教學水平和科研能力。

1 動態交通網絡分析實驗平臺設計

1.1 動態交通數據采集及處理

為了進行動態交通網絡分析，首先要通過一定的采集技術獲得道路車流的動態交通數據，并通過信息的傳輸和處理，傳輸到實驗分析平臺，用來標定模型和獲得實時需求信息。

1.1.1動態交通數據采集實驗

動態交通數據采集是要連續獲得某個地點或區間交通流信息，實驗內容為介紹常用的動態交通信息采集技術的特點、原理、采集數據內容、使用方法等，不同采集技術獲得數據可以相互補充來進行動態交通網絡分析。目的是通過實驗掌握各種基本的數據采集方法，并能根據實際需要選擇合適的方法。

根據交通檢測器設置地點的不同,分為固定式采集技術和移動式采集技術[1]。固定式采集技術是將交通檢測器安裝在固定地點對車流信息進行觀測，可以獲得地點交通流信息數據，主要有磁頻、波頻和視頻三種類型[2],見表1。

表1 固定式交通數據采集實驗

移動式采集技術是通過裝有特定設備的移動車輛來采集交通流數據，可以獲得路段交通流信息數據，目前主要有基于GPS、電子標簽、車牌照自動識別和浮動車的采集技術。其中，基于車牌照自動識別的數據采集技術是通過在兩個相鄰的檢測點對車牌進行判別分析，獲得車輛或路段的行程時間、行程速度等數據。而基于浮動車的數據采集技術，由車載設備、無線通信網絡和交通信息中心等組成，車載設備的GPS模塊接收衛星信號并運算出車輛的坐標和瞬時速度，使用無線通信模塊傳送到交通信息中心[3]。此外，還有視頻采集系統Autoscope等交通采集設備，能夠得到時變的交通流數據,見表2。

在實驗實施方面，對于有些很難在室外道路進行的數據采集實驗，如磁頻、波頻檢測器實驗，可以建立室內模擬實驗平臺，以便掌握各種采集技術的使用方法，而基于GPS、浮動車等的數據采集實驗，需要購買相應的實驗設備，進行室外道路實驗。

表2 移動式交通數據采集實驗[4]

1.1.2數據實時傳輸和處理

將各種采集技術獲得的動態交通數據，通過互聯網、無線網絡等方式發送給實驗平臺。實驗平臺接受、校驗檢測設備發送來的交通數據并存入數據庫，平臺軟件對原始數據進行統計處理分析，得到車流量、車速、行程時間等交通信息，用于動態交通網絡分析,見圖1。

圖1 數據采集及傳輸

1.2 動態OD需求估計實驗

靜態OD需求矩陣不考慮時間因素，反映的是交通需求分布在一定時間內的平均值。動態OD需求矩陣，是進行動態交通網絡分析的基礎數據，能夠反映OD需求隨時間的變化特性。

動態OD估計的目標是在空間上為每個OD點對確定出行的數量，時間上為每個出發時間間隔確定出行的數量[5]。

動態OD估計可以根據道路網絡模型、路徑選擇模型，基于歷史OD數據和實時檢測的交通數據(浮動車、車牌照自動識別等)而獲得[6]。按照基于的數據源不同可以分為：基于固定式采集數據、基于移動式采集數據和基于固定和移動式采集數據的動態OD估計[7]。常用的估計模型包括極大熵法、最小二乘法及卡爾曼濾波法等[8-10]。

實驗可以選擇一種估計方法，在熟悉估計的流程和模型算法后，運用程序語言編寫程序，調試后完成動態OD需求的估計。

1.3 動態交通網絡仿真模擬實驗

1.3.1分析軟件介紹

仿真模擬是運用現代計算機技術再現交通網絡在各種條件下的運行狀態，評價交通管理方案的效果。根據交通仿真模型對交通系統描述程度的不同，可分為宏觀、中觀和微觀仿真三個層次。

宏觀交通仿真模擬以車輛整體為研究對象，根據流體特性和流量—密度函數來控制交通流的運行，能夠分析和重現交通流的宏觀特性，不對單車運行特征和駕駛行為進行描述，不能模擬路段和交叉口動態變化。常用的宏觀交通仿真軟件有TransCAD、Cube等。

微觀交通仿真模擬以跟車模型為基礎，車輛的移動由駕駛員的特性、車輛性能、車輛周圍的環境和道路幾何條件來決定。重點分析的是單個的“駕駛員—車輛元素”在交通網絡環境下的動態變化。常用的微觀交通仿真軟件有VISSIM、CORSIM等。

中觀交通仿真模擬是在宏觀交通網絡的基礎上，將個體車輛放入宏觀交通流中，能描述交通流動態運行狀態。它以車輛群體為研究對象，可以兼顧宏觀與微觀交通仿真的優點，與宏觀交通仿真相比，可以描述排隊長度和延誤等交通流特性，但不如微觀模型細致，與微觀交通仿真相比，可以描述OD對交通系統的影響。常用的中觀交通仿真軟件有INTEGRATION、DYNASMART、DYNAMIT、TRANSMODELER、DynaCHINA等。

中觀交通仿真模擬主要用于動態交通仿真、實時交通信息估計與預測，應用在線路實時誘導、干線交通控制、突發事件管理等方面，也是進行動態交通網絡分析的主要模擬工具,如表3所示。

表3 主要的中觀交通仿真軟件[11-13]

1.3.2仿真模擬實驗流程

根據網絡分析內容的需要選用合適的仿真軟件，進行仿真模擬和網絡分析,見圖2。

圖2 基于中觀仿真模擬的動態交通網絡分析

(1) 網絡搭建。根據已經確定的研究區域，首先對研究區域內的道路交通現狀、用地、人口等進行調查，主要包括道路等級、名稱、車道數、信號燈、掉頭、讓行標志、停車等。然后在軟件中搭建路網和小區，根據調查資料輸入路網和小區的基本屬性數據，包括道路現狀信息、通行能力、信號配時以及采集的路段流量、速度等。

(2) 參數標定和設置。根據獲得的動態交通數據，對軟件所基于的交通流模型參數等進行標定，對交通組成和道路交通出行者的行為進行設置。

(3) 動態OD估計。如果仿真軟件具有動態OD估計模塊，可以根據實時交通數據進行估計。在缺乏該程序模塊的情況下，可以通過編程進行動態OD估計；或通過宏觀交通仿真軟件，根據各個時段的路段交通流量數據反推OD矩陣，作為準動態OD矩陣。

(4) 動態交通分配。選擇合適的交通分配方法[14]，設置路徑搜索方法和迭代收斂規則，將動態OD需求矩陣分配到路網上，將仿真得到的路段流量與實際觀測數據進行對比，如果誤差較大，則需要對仿真過程中的部分環節進行修改調整，使仿真更加符合實際，進而進行動態交通網絡分析[15-16]。

(5) 網絡流狀態輸出。通過仿真運行得到實時的交通狀態輸出結果，包括路段流量、速度、出行時間、密度、車輛數、排隊長度等隨時間變化的信息，并能分析單個或多個車輛的運行軌跡，分析網絡總體交通運行狀態(平均出行時間、車輛數等)的實時變化，并通過文件的形式輸出仿真結果。

(6) 交通預測及網絡分析。結合歷史交通數據，進行實時路況交通預測，為交通誘導、擁堵收費等交通管理政策的制定提供支持和實施效果分析。也可以分析交通事故、交通擁堵、施工區等條件下的交通運行狀況。

2 實驗平臺的應用

動態交通網絡實驗平臺可以模擬各種條件下的交通運行情況，分析交通管理政策實施的效果。這里以北京市西大望路與松榆南路交叉口至華威橋交叉口之間區域為例，如圖3所示,通過調查研究區域內的道路交通現狀，采用中觀仿真軟件DYNASMART，進行動態交通網絡分析[11]。

圖3 研究區域現狀圖

在DYNASMART軟件的DSPEd編輯程序模塊中搭建路網和小區，設置道路的基本屬性、交通控制、小區的出行產生節點和路段等內容，得到如圖4所示的路網和小區圖。

圖4 路網和小區圖

采用基于路段的OD矩陣估計方法，在宏觀交通仿真軟件TransCAD中，使用OD反推模塊，分時段估計OD需求矩陣，作為準動態OD矩陣。

將準動態OD矩陣導入DYNASMART—P仿真執行程序的需求文件“Demand.dat”中，進行動態交通分配參數設置，運行交通仿真，得到動態交通網絡運行輸出圖，顯示實時變化的交通參數，主要包括路段的排隊長度、速度、密度以及路網的車輛數、出行時間、平均速度的實時變化趨勢，如圖5、6所示。

由于路段3→4和4→3發生交通事故，使該路段阻塞，事故持續時間是從15～30 min，如圖7、8中三角形標志所示路段，通過事故前后的仿真模擬分析可以看出，事故發生后，該路段附近的車輛排隊長度明顯增加，網絡總出行時間和平均出行時間都有所增加。

圖5 動態車輛輸出

圖6 路網中的車輛數變化趨勢

3 結 語

動態交通網絡分析可以為交通管理措施的制定提供實時有效的決策信息，對于解決交通擁堵問題、提高出行效率具有重要的作用。本文通過對動態交通網絡分析實驗平臺的設計，介紹了平臺所包含的主要實驗模塊，系統地闡述了動態交通數據采集實驗、動態OD估計實驗、仿真模擬實驗、動態網絡分析實驗的內容和過程，提出了運用仿真軟件進行動態交通網絡分析的流程，平臺可以應用于交通事故、擁堵、施工區等條件下的交通運行分析，也可以進行各種交通管理措施實施前后的效果分析。動態交通網絡分析實驗平臺的搭建，對于交通工程實驗教學和科研提供了良好的平臺，對于科學的交通管理政策的制定具有一定的意義。

圖7 事故下的動態車輛輸出

圖8 事故下的路段排隊長度輸出

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