烏魯木齊市交通仿真與評價系統的設計與實現

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，充分體現了眾多科學技術在綜合交通運輸領域的深度應用，是未來交通系統的發展方向，是交通運輸現代化的重要標志，也是推進我國新型城鎮化建設的重要組成部分[1]。國外智能交通起步較早，交通信息化系統建設已經比較完善，國內城市北京、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用平臺[2]。上海市交通信息化數據采集工作起步較早，在豐富數據源的基礎上，上海市搭建了交通規劃與決策分析系統，實現了現狀交通運行評價、仿真模擬、交通需求預測、方案評價和環境能耗評估等功能，為交通研究機構和交通行業相關部門提供了決策支持，已廣泛應用于規劃、建設、運營、管理、政策等上千個項目中。在20 世紀90年代，深圳市就開始探索智慧交通的應用，經過20 多年智慧交通發展建設，深圳市建成城市級綜合決策平臺，實現空間規劃精準化、政策調控精確化、運營服務精細化[3]。

隨著烏魯木齊市社會經濟快速發展，各交通規劃、研究和管理部門已經分別建立了多個交通智能化業務系統，在城市交通管理和運輸方面發揮著重要作用。同時，烏魯木齊市正處于交通信息化快速發展階段，科學化與精細化成為城市交通規劃與交通決策的發展方向，這對支撐規劃與決策的技術體系和技術方法提出了更高的要求，亟須現代信息化技術提升規劃和管理的精準性與效率[4]。

作為智能交通系統的啟動工程和重要組成部分，烏魯木齊市交通仿真與評價系統以先進的多源數據采集為基礎，以交通仿真技術與模型為核心，以支持交通管理、決策分析與交通信息服務為導向，圍繞著交通設施設計、交通綜合整治、決策支持的核心目標以及適應智能交通系統建設發展要求，以標準化、成熟可靠技術搭建系統，保證數據兼容性、通用性和可擴展性要求。

2 系統設計思路

交通仿真與評價系統采用市場成熟仿真評價軟件，在現狀可獲取數據基礎上實現基本仿真功能，通過交通模型與系統交互模式，提供方案條件和模型參數設置功能，自動化調用后臺交通模型，實現模型網絡轉換自動化、模型運算過程自動化、評價指標計算自動化，提供給相關部門調用交通相關數據與評估結果的界面和工具，是服務于城市交通系統各部門業務工作的決策支持系統。

2.1 系統架構

根據系統建設的需求，立足于各職能部門的業務特點，實現數據收集、信息查詢、數據分析、輔助決策等功能。為了充分利用C/S 模式處理能力強和B/S模式擴展性和分布式的特點，本系統采用B/S 和C/S混合結構[5]。這種結構可以將各種信息資源存儲于服務器中，為每個客戶端提供統一的數據服務，便于對信息資源的調用。同時，利用客戶端程序存儲服務器內的數據，集中在服務器上進行運算，減少數據傳輸量的瓶頸約束，提高了數據的處理與傳輸效率，可以同時滿足模型算法計算及平臺內嵌的需求，將系統建成資源共享又可靈活延展的實用型平臺。

2.2 系統總體框架

總體架構分為數據層、中間件層、應用層等三層，如下圖1 所示。

圖1 系統架構設計圖

數據層：實現數據的統一存儲、管理，為中間件層和應用層提供包括土地利用、道路網絡、規劃范圍等數據。

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、數據分析引擎、統計引擎、UI 引擎等；自定義組件主要根據交通規劃和模型計算業務自定義相應的中間件，包括GIS 地圖操作、數據轉換、接入模型數據等。

應用層：考慮到最終系統的穩定性，系統設計和開發將采用B/S 和C/S 混合結構，以B/S 為主，輔之以C/S 的模式結構，可以很好地滿足模型算法計算及系統內嵌的需求。

2.3 系統評價流程

圖2 交通仿真與評價系統流程圖

3 系統功能實現

城市交通仿真與評價系統主要用于通過模擬交通運行環境，輸出具體交通參數，據此輔助交通管理決策或評價交通管理措施影響。

3.1 基礎數據接入與管理

實現現狀年和規劃年模型基礎數據接入，包括基礎交通網絡、經濟社會數據、土地利用數據、人口崗位數據、交通設施數據、交通信號數據和公交系統數據等數據。經過數據采集和整理，獲得交通基礎數據信息，經過數據加工，得到路網結構圖及其他相關數據，為方案評估提供基礎數據。

3.2 仿真模型建模與標定

交通模型是交通仿真與評價系統的核心算法。結合烏魯木齊市實際發展階段、數據基礎及模型應用需求，立足烏魯木齊市既有交通規劃模型基礎，設計適合烏魯木齊市交通現狀及發展趨勢的綜合交通模型體系框架結構。通過對交通調查、交通運行數據和交通運營統計等多元數據融合分析，提煉城市交通出行需求特征規律，按照交通出行理論和“四步驟”技術框架，構建綜合交通規劃模型及模型運算系統，支持應用系統各類功能實現。

實現基礎模型構建（宏觀仿真模型和中觀仿真模型）、各類型參數標定、模型維護等內容。依據具體的路網數據和各類型出行特征數據構建基礎模型，并結合烏魯木齊市交通具體運行狀況對關鍵參數進行標定，同時考慮后期模型維護、數據更新和模型校核的需要，系統提供模型數據更新接口模塊，支持交通各個時期的模型系統工作。

圖3 仿真模型建模與標定流程圖

3.3 仿真運行與輸出

仿真模型運行及輸出包括：宏觀仿真模型運行及輸出與中觀仿真模型運行及輸出。

3.3.1 宏觀仿真模型運行及輸出

對整體車流進行模擬，通過延誤函數模擬道路行程時間來分配道路車流量，適用于現狀宏觀層面道路交通運行狀況分析及中長期道路交通網絡規劃研究。

3.3.2 中觀仿真模型運行及輸出

通過交通流分配技術，將時變交通需求動態分配到高精度路網上，并輸出評估指標，用來模擬、評價較大范圍內進行交通控制和干預的措施和方法，從而對交通流進行最優控制。

3.4 仿真業務應用

實現仿真應用項目管理、仿真方案管理、仿真場景自動建模、仿真運行控制、仿真結果輸出、權限管理。采用模型與系統交互模式，提供方案條件和模型參數設置功能，自動化調用后臺交通模型，實現模型網絡轉換自動化、模型運算過程自動化、評價指標計算自動化，提供給相關部門調用交通相關數據與評估結果的界面和工具。

3.4.1 仿真應用項目管理

查看和管理所有的項目指標，包括創建仿真項目、刪除仿真項目、修改仿真項目、打開查看仿真項目、幫助。

3.4.2 仿真方案管理

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

3.4.3 仿真場景自動化建模

對仿真方案進行屬性編輯，實現人口調整、路網結構調整及屬性編輯，用地塊拆分合并邊界調整、用地性質改變、容積率調整，出行分布、到達分布、出行方式構成和交通分配參數修改，紅燈等待時長修改，對公交發車間隔、費用成本的調整[6]。

圖4 仿真場景建模流程圖

3.4.4 仿真運行控制

分為自動仿真運行和手動仿真運行。自動仿真是在后臺運行仿真軟件，在前端界面點擊仿真后，后臺程序會根據設定的一系列參數進行仿真運算，運算完成后把運算結果還回給前端來查看結果展示；手動仿真需要手動啟動仿真軟件，輸出仿真參數據，在仿真軟件中編輯數據，通過一系列仿真計算后，返回仿真結果。

3.4.5 仿真結果輸出

可以進行仿真結果查看和對比分析。仿真結果查看主要包括基礎模型網絡的可視化、人口崗位分布輸出、出行量分布輸出、出行空間分布輸出、交通運行特征輸出。仿真結果對比分析實現不同方案同一指標雙屏對比顯示，在基礎方案的基礎上，用戶對部分參數進行修改和調整后形成比選方案，在選定比選方案后，運行方案評價過程，根據運算結果計算評價指標，實現比選方案評價，確定最優方案，為方案定量化的評估和優化提供數據支持。

圖5 方案雙屏對比

3.4.6 權限管理

可實現用戶分配角色及訪問控制、權責分明，保證系統及數據資源的安全可靠。其中，管理人員主要對成果數據進行調閱，而研究人員則涉及所有功能分類。

4 系統創新點

基于宏-中-微觀模型數據一體化技術的仿真數據底圖（交通小區、道路網），融合傳統交通調查與交通運行數據的機動車OD 分析引擎（交通調查、卡口數據）構建烏魯木齊市智慧交通數字底座。

4.1 車道級基礎設施建模

實現快速路車道級別的道路基礎設施建模、車道級細分，包含車道標線、中心線、箭頭、人行橫道、路緣石、隔離帶、紅線等道路相關圖層，支撐機非混行車道、專用車道、收費車道、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 大數據自動化處理技術

對出租車GPS 和公交GPS、IC 卡、卡口、軌交閘機、網約車等各類大數據進行自動化處理分析，標準化、自動化各類大數據的數據清洗、數據庫表名和表結構、處理方法等，大幅提高數據處理效率。

4.3 交通模型軟件接口技術

基于滿足建模需要的數據標準化處理分析，采用分類、統計、關聯、轉化等方法，將從基礎數據平臺中提取的數據進行處理和標準化，生成滿足建模需要的特定格式的數據。按照模塊化的方式，對數據轉化工具進行管理，并提供模塊定制開發的環境支持。

利用定制化接口轉換工具抽取、處理基礎數據庫中的數據，轉換成模型所需的數據，并輸入模型進行分析?？商峁┛臻g數據（圖層數據），如：用地數據、基礎路網等轉換接口，轉換成模型所需的輸入數據；可提供統計數據，如：OD 數據等數據處理轉換接口，轉換成模型所需的輸入數據。

利用模塊化進行定制化開發，打通基礎數據平臺數據庫中的基礎數據與模型軟件之間的數據障礙，提供標準接口工具，使得模型軟件可直接抽取數據庫中的數據，避免了人工處理，大大提高效率。

4.4 工作協同技術

項目庫和方案庫協同管理，系統支持項目和方案的增刪改查，不同用戶可同時做不同的項目和不同方案。多用戶協同方案編輯，系統支持多用戶協同編輯同一項目同一方案，每個用戶單獨負責自己編輯的模塊，同一項目方案同時只支持一個用戶編輯。仿真結果多用戶查看，用戶可通過項目和方案查看分配結果。

5 結語

單純的大數據分析、人工智能技術不能解決城市交通問題，大數據必須依靠交通模型技術，才能使數據保有生命力。只有新興技術與交通技術雙核驅動，才能有效解決城市交通問題。本系統通過基礎數據接入與管理將標準化入庫的數據進行存儲，再通過對數據的挖掘分析和交通預測模型分析交通運行的狀況，結合自動化調用交通模型，提供方案編輯、評價和比選功能，支撐方案編制研究和城市交通智能化治理。未來隨著數據采集體系的完善，通過二次開放進一步豐富仿真和評價功能，可實現三維可視化評價和分析。