基于NetLogo城市軌道交通網(wǎng)絡仿真環(huán)境生成研究

張嘉敏，張嘉銳

（1.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；2.中國鐵路濟南局集團有限公司青島機務段，山東 青島 266041）

城市軌道交通是國家新型基礎設施建設的七大領域之一。網(wǎng)絡化已成為當今城市軌道交通發(fā)展的既成事實，據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計[1]，截至2019年底，世界上共有520座城市開通城市軌道交通，涉及75個國家和地區(qū)，總運營里程超過28198km；中國累計有40座城市開通城市軌道交通，總運營里程達6730.27km，線網(wǎng)規(guī)模和客流規(guī)模均位居全球首位。交通系統(tǒng)仿真技術運用計算機模型再現(xiàn)和分析復雜交通現(xiàn)象，Railsys、Opentrack分別是德國漢諾威大學和鐵路管理咨詢公司、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院開發(fā)的鐵路網(wǎng)絡系統(tǒng)仿真軟件，技術成熟度較高，但針對中國軌道交通系統(tǒng)的具體仿真應用，其可二次開發(fā)編程的靈活度具有一定的局限性，NetLogo在一定程度上可以較好彌補這方面的不足。

1 城市軌道交通網(wǎng)絡的幾何物理特征

從物理構成角度考察，城市軌道交通網(wǎng)絡是由線路、車站等行車設備及其之間的關聯(lián)關系連接而成的多起訖點的靜態(tài)網(wǎng)絡（many-origin-to-many-destination networks），車站、區(qū)間、軌道等是網(wǎng)絡結構功能的基礎體系[2]，是城市軌道交通列車運行的必要物理支撐。城市軌道交通線路間的關聯(lián)關系包括對等關系、主次關系、并行分流、交叉銜接、完全銜接等，換乘站特別是大型換乘站是城市軌道交通網(wǎng)絡的關鍵結合點，線路與換乘點的關聯(lián)關系主要指線路通過還是終止于換乘點；交匯于換乘站點的線路，由于線路與換乘站點關系以及線路之間的不同關系，會產(chǎn)生不同的換乘方向個數(shù)，進而衍生線網(wǎng)規(guī)劃設計與運營管理的復雜性，其中乘客的交換流向稱為換乘方向[3]。

交通運輸網(wǎng)絡的物理統(tǒng)計特征主要包括節(jié)點中心性、小世界特性、無標度特征、權重和強度分布、社區(qū)結構以及靜態(tài)/動態(tài)魯棒性。從幾何角度考察，通常交通運輸網(wǎng)絡的規(guī)劃設計一般都有特定的形狀，如放射狀、矩形、網(wǎng)格狀、三角形[4]；其中網(wǎng)格型（棋盤型）結構和放射型結構是最常見、最基本的城市軌道交通線網(wǎng)的幾何形態(tài)結構，在此基礎上，考慮增加環(huán)線，又可形成“環(huán)線+網(wǎng)格型”和“環(huán)線+放射型”等多種演繹形態(tài)。早期的一些公共交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構設計主要著眼于簡單的放射型，然而，從20世紀80年代以來發(fā)生了一些變化，對于交通網(wǎng)絡設計大多數(shù)方法要么采用更為切合實際的、不規(guī)則的網(wǎng)格形狀，要么認為網(wǎng)絡結構對于建模無關緊要而不予以特別指定[5-6]。

文獻[7]綜合應用數(shù)學規(guī)劃、網(wǎng)絡模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法研究復雜的公共交通網(wǎng)絡。通過對北京地鐵網(wǎng)絡的動態(tài)屬性的詳細分析，文獻[8]的研究表明，當考慮客流量時，城市軌道交通網(wǎng)絡的異質性與脆性會隨時間發(fā)生變化。作為城市公共交通的一種方式，城市軌道交通網(wǎng)絡的形式化表示可以有兩種類型，即基于頻率（frequency-based）的表示方法和基于時刻表（schedule-based）的表示方法[9]。在基于頻率方法的表達模型中，根據(jù)網(wǎng)絡中邊與節(jié)點的關系，一般采用拓撲有向圖（如L型空間或P型空間）或連接矩陣的方式架構城市軌道交通物理網(wǎng)絡。不同規(guī)模下城市軌道交通網(wǎng)絡的節(jié)點度分布服從冪律分布，其網(wǎng)絡具有典型的小世界特性和無標度特征[10]。綜合來看，城市軌道交通網(wǎng)絡的幾何物理特性主要涵蓋通達性、延展性、可靠性、便捷性、先進性，其中先進性具體表現(xiàn)為面向業(yè)務運作層面的數(shù)字化建設、信息化/自動化運行與維護、自助式智能化乘客服務等，在技術裝備（如傳感器與視頻監(jiān)測技術、基于CBTC列車運行控制系統(tǒng)）與管理水平（如車輛自動定位技術AVL、客流自動計數(shù)APC）上具備了現(xiàn)代化物理信息系統(tǒng)（CPS）的典型特征，為城市軌道交通網(wǎng)絡的智能化運營提供了硬件基礎。

2 NetLogo仿真原理與適用性

NetLogo[11]是由Uri Wilensky在1999年發(fā)起的，由美國西北大學連接學習和計算機建模中心（CCL）負責持續(xù)開發(fā)，是一系列源自StarLogo的多主體建模語言的下一代。Net－Logo完全可編程，人在回路，可以在所有主流平臺上（Mac，Windows，Linux等）作為一個獨立應用程序運行；面向對象，移動主體（海龜）在由靜態(tài)主體（瓦片）組成的網(wǎng)格上移動；交互性強，主體之間可以創(chuàng)建鏈接，形成聚集、網(wǎng)絡和圖；內(nèi)置大量原語，特別適合于對隨時間演化的復雜系統(tǒng)進行建模，可用2D或3D模式查看模型，提供對自然和社會現(xiàn)象進行仿真的可編程建模環(huán)境，界面構建包括輸出區(qū)、開關、按鈕、選擇器、滑動條、監(jiān)視器、文本框、注解，具有強大靈活的繪圖系統(tǒng)，建模人員能夠向成百上千的獨立運行的“主體”（agent）發(fā)出指令，從而使得探究微觀層面上的個體行為與宏觀模式之間的聯(lián)系成為可能，因為許多個體之間的交互可能會涌現(xiàn)出宏觀模式。

網(wǎng)絡環(huán)境是城市軌道交通系統(tǒng)運行的主要決定因素與基礎載體，城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境具有多元化、交互性等特征，利用NetLogo平臺，可以生成較為真實的城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境，相較于Anylogic[12]仿真軟件，利用NetLogo以代碼方式生成城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境，NetLogo更具靈活性和可實現(xiàn)性。基于NetLogo平臺架設生成城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境，要統(tǒng)籌集成車站節(jié)點、軌道線路、列車、乘客這四大要素，及其相互間的非線性復雜交互演化。NetLogo仿真的基本思想是：生成增強現(xiàn)實的城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境場景，將軌道交通系統(tǒng)中的主要要素模擬成計算機中的主體（agents），各要素之間的交互行為模擬成agents的屬性和行為，并引入交互機制，將人/車/路作為一個完整交通系統(tǒng)，設計動態(tài)性場景庫，以供各主體agent在感知、分析的基礎上進行決策、控制、優(yōu)化、執(zhí)行等活動。交通運輸網(wǎng)絡建模是一項富有挑戰(zhàn)性的任務，城市軌道交通網(wǎng)絡仿真環(huán)境的生成是其他相關具體網(wǎng)絡仿真項目環(huán)節(jié)的依托與載體，如動態(tài)路徑選擇規(guī)劃、客流分配、出行行為分析、能力計算[13]、運力運量匹配[14]、運輸組織方案與運行圖評估、客流強度自適應性測算、行車調度指揮、網(wǎng)絡規(guī)模匡算與可達性分析等。

3 城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境生成NetLogo仿真流程

類似于其它仿真軟件，城市軌道網(wǎng)絡仿真環(huán)境可以用NetLogo底圖導入的方式，但是由于相關技術資料獲取的困難性，在沒有底圖的情況下，只能利用NetLogo以代碼方式生成，而且相較于底圖導入，雖然增加了編程技術難度，但更富仿真生成靈活性和界面效果友好性。在明確仿真目的，確定各項仿真技術參數(shù)的基礎上，運用智能體建模，城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境生成NetLogo仿真流程如圖1所示。

4 城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境生成NetLogo仿真代碼示例

圖1中各子環(huán)節(jié)生成代碼示例如下，其中每行代碼雙分號后的文字為注釋語句。

4.1 程序啟動初始代設置碼示例

to setup

clear-all ;;將世界重設為初始、全空狀態(tài)

setup-nodes ;;建立車站節(jié)點

setup-URT-network ;;建立城市軌道交通網(wǎng)絡

setup-trains ;;創(chuàng)建列車主體

setup-OD ;;隨機生成客流需求矩陣

reset-ticks ;;按時間步更新

end

4.2 軌道交通車站節(jié)點的生成代碼示例

to setup-nodes

set-default-shape circles"circle"

create-circles 6 ;;網(wǎng)絡中創(chuàng)建6個節(jié)點

[

ask circle 0[

圖1 城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境生成NetLogo仿真流程

setxy 0 0 ;;將車站0設置在中心位置

set size 4 ;;設置幾何尺寸

set label 0 ;;設置標簽

set station-type center-transfer-station ;;車站0的類型為中心換乘站

set station-capacity 4200 ;;參照地鐵設計規(guī)范虛設車站最大容量

set alighting-proportion random 10/10 ;;設置列車在車站的下客率

]

ask circle 1[

setxy-5 10

set size 2

set label 1

set station-type transfer-station ;;車站1的類型為一般換乘站

set station-capacity 3200

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 2[

setxy 8 10

set label 2

set station-type intermediate-station ;;車站2的類型為中間站

set station-capacity 2500

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 3[

setxy 12-3

set size 2

set label 3

set station-type transfer-station ;;車站3的類型為一般換乘站

set station-capacity 3200

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 4[

setxy 6-11

set size 3

set label 4

set station-type larger-transfer-station ;;車站4的類型為較大換乘站

set station-capacity 3600

set alighting-proportion random 10/10

]

ask circle 5[

setxy-4-9

set label 5

set station-type end-station ;;車站5的類型為始發(fā)/終到站，即端點站

set station-capacity 2000

set alighting-proportion random 10/10

]

]

End

4.3 城市軌道交通網(wǎng)絡的生成代碼示例

to setup-URT-network

ask circle 0[create-link-with circle 1];;鏈接車站0與車站1，進而創(chuàng)建紅線

ask link 0 1[

set thickness 1

set color red

set weight 1200 ;;weight的單位為米，即相鄰兩站間的距離

]

ask circle 0[create-link-with circle 3]

ask link 0 3[

set thickness 1

set color red

set weight 700

]

ask circle 1 [create-link-with circle 2];;創(chuàng)建綠線

ask link 1 2[

set thickness 1

set color green

set weight 850

]

ask circle 2[create-link-with circle 0]

ask link 2 0[

set thickness 1

set color green

set weight 1000

]

ask circle 0[create-link-with circle 4]

ask link 0 4[

set thickness 1

set color green

set weight 650

]

ask circle 5 [create-link-with circle 4];;創(chuàng)建藍線

ask link 5 4[

set thickness 1

set color blue

set weight 1100

]

ask circle 4[create-link-with circle 3]

ask link 4 3[

set thickness 1

set color blue

set weight 900

]

end

4.4 列車主體的生成代碼示例

create-cars num-trains

[

setxy-5 10 ;;設置所有列車初始地理位置

set train-speed 9.72 ;;設置列車速度

set capacity 1000 ;;設置單列車最大載客量

set npob 0 ;;設置初始車上乘客人數(shù)

]

4.5 乘客主體的生成代碼示例

to setup-OD

create-persons 15 ;;對稱OD矩陣上半對角設置有15個元素

[

ask person 13 [ ;;person后邊的數(shù)字13代表who值

;;person 13-person 17 分別代表OD 01，02，03，04，05

;;任意兩個海龜?shù)膚ho編號都不會重復，此前已創(chuàng)建6個circles和7條links，who值已從0編號到12，故此處person的who值從13開始

set O 0 ;;乘客的O點為車站0

set D 1 ;;乘客的D點為車站1

set label 01 ;;乘客的標簽為01

setxy 0 0 ;;乘客已經(jīng)位于出發(fā)車站0

set color 9

hatch random-poisson 3*60*0.1 ;;OD需求矩陣元素對應同類乘客數(shù)量值

]

ask person 14[

set O 0

set D 2

set label 02

set color 15

hatch random-poisson 3*60*0.2

]

ask person 15[

set O 0

set D 3

set label 03

set color 25

hatch random-poisson 3*60*0.2

]

ask person 16[

set O 0

set D 4

set label 04

set color 35

hatch random-poisson 3*60*0.2

]

ask person 17[

set O 0

set D 5

set label 05

set color 45

hatch random-poisson 3*60*0.3

]

ask person 18[ ;;person 18--person 21分別代表 OD 12，13，14，15

set O 1

set D 2

set label 12

setxy-5 10

set color 55

hatch random-poisson 2*60*0.1;;set arr-rt random-poisson 2

]

ask person 19[

set O 1

set D 3

set label 13

set color 65

hatch random-poisson 2*60*0.3

]

ask person 20[

set O 1

set D 4

set label 14

set color 75

hatch random-poisson 2*60*0.4

]

ask person 21[

set O 1

set D 5

set label 15

set color 85

hatch random-poisson 2*60*0.2

]

ask person 22 [ ;;person 22--person 24分別代表 OD 23，24，25

set O 2

set D 3

set label 23

set color 95

hatch random-poisson 2*60*0.3

]

ask person 23[

set O 2

set D 4

set label 24

set color 105

hatch random-poisson 2*60*0.4

]

ask person 24[

set O 2

set D 5

set label 25

set color 115

hatch random-poisson 2*60*0.3

]

ask person 25 [ ;;person 25-person 26分別代表 OD 34，35

set O 3

set D 4

set label 34

set color 125

hatch random-poisson 2*60*0.4

]

ask person 26[

set O 3

set D 5

set label 35

set color 135

hatch random-poisson 2*60*0.6

]

ask person 27[ ;;person 27代表OD 45

set O 4

set D 5

set label 45

set color 107

hatch random-poisson 2*60

]

]

End

5 城市軌道交通網(wǎng)絡NetLogo仿真案例

在NetLogo仿真平臺依圖1流程運行上述代碼，生成一個具有6個車站節(jié)點、3條軌道線路（紅線、綠線、藍線）的城市軌道交通網(wǎng)絡如圖2所示。在該網(wǎng)絡環(huán)境生成三條路徑，r1：1-0-4-5，r2：1-2-0-4-5，r3：1-2-0-3-4-5，在該環(huán)境下再編制路徑選擇/客流分配代碼并仿真運行500個時間步后，獲得乘客在各條路徑上的分布特征如圖3所示，發(fā)現(xiàn)路徑r3吸引了最多乘客，可視為關鍵路徑。

圖2 NetLogo生成的城市軌道交通仿真網(wǎng)絡

圖3 乘客在各條路徑上的分布特征

6 結束語

《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[15]明確指出，城軌交通行業(yè)應推進城軌信息化，發(fā)展智能系統(tǒng)，建設智慧城軌，實現(xiàn)智慧網(wǎng)絡管理，開創(chuàng)“交通強國、城軌擔當”的新局面。在軌道交通數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化、智能化的總體發(fā)展趨勢下，NetLogo等仿真技術可以動態(tài)地、形象而逼真地模仿/復現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)的種種現(xiàn)象，經(jīng)濟而有效的評估交通問題的相關解決方案[16]，是研究復雜交通問題的重要工具，亦是智能交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分之一，從而達到探究/解析軌道交通系統(tǒng)智能運營[17]的目的。本文研究了基于NetLogo的城市軌道交通網(wǎng)絡仿真環(huán)境生成問題，并進行了實例驗證，為后續(xù)進一步深入開展相關仿真研究奠定了基礎與參考。實際軌道交通網(wǎng)絡數(shù)據(jù)OD對數(shù)往往十分龐大（與車站數(shù)近似成平方關系），可以考慮在滿足應用需求的前提下歸并部分OD，劃分區(qū)域OD，壓縮路網(wǎng)模型規(guī)模，再利用NetLogo平臺生成網(wǎng)絡仿真環(huán)境。