面向微观交通仿真系统的公交线网快速建模方法研究

韦清波 苏 奎 郑喜双 招玉华 杨敬锋

（广州市公共交通数据管理中心，广州 510620；广州市交通信息指挥中心，广州 510620）

1 引 言

微观交通仿真系统作为帮助分析各类交通实施方案的有力工具，能够为不同的实施方案提供完全相同的道路交通条件，对它们进行多次重复的实验和评价，协助选择最优方案，降低方案实施风险。建立路网模型是交通仿真的基础工作，然而主流微观交通仿真系统（如Transmodeler、Paramics等）的公交线路路网建模工具使用起来比较麻烦，需要按站点、路段逐个编辑。对于站点数和线路数较多的大型公交线网模型，建模周期长，工作量巨大。

因此，如何在仿真软件中快速建立公交线网模型成为了交通仿真研究的一个基础和重要问题。文献[1-2]提出了仿真软件的数据交换机制，并实现了基础路网模型的快速建模，但是并没有实现对公交线路的建模。

为了进一步提升微观交通仿真中公交线网建模的效率，本文以微观交通仿真系统Transmodeler为例，在分析了仿真系统中公交线路数据存储特点的基础上，利用仿真系统提供的二次开发函数——GISDK函数编写宏程序实现了公交线路的自动生成及线路停靠站点的自动添加。实践证明，本方法大大提高了公交线网的建模效率，生成的公交线路符合仿真的要求。

2 公交线路数据特点及转换机制

2.1 Transmodeler简介

Transmodeler是美国 Caliper 公司为城市交通规划和仿真开发的多功能交通仿真系统包，可以模拟从高速公路到城市道路的各类道路交通网络、详细逼真地反映大范围多种出行方式的交通流，并用动画的形式把交通流状况、信号灯运作状况以及网络的综合性能直观地表现出来，可清晰地显示复杂交通系统的行为和因果关系，以便有效地进行多方案的分析和比较[3]。此外，Transmodeler还提供了丰富的GISDK二次开发函数，用户可以通过GISDK函数来实现一些个性化功能，包括：实时提取仿真过程数据、实现仿真路网快速建模、修改或者添加交通控制策略等等。而本文将主要使用公交线路建模中的AddRoute函数，其参数格式如下所示[4]。

表1 AddRoute函数参数构成

2.2 Transmodeler公交线路模型存储特点

Transmodeler中的公交线路模型共由三层构成：物理站点层（Physical Stops）、线路站层（Routes Stops）以及线路层（Routes）。其中物理站点层存储站点的编号、经纬度、所在路段的行车方向（正、负方向）、站台长度、站台模式（路中央式或路边式）。物理站点层只存储公交站点的静态数据，与停靠线路没有关系，其数据格式及范例如表2所示。

表2 物理站点层（Physical Stops）数据格式

线路层主要存储线路编号、名称、发班间隔、所使用的车辆类型（普通公交、铰接车等）、初始载客量等信息。线路层只存储线路的属性信息及发班信息，不储存途经站点信息，其数据格式及范例如表3所示。

表3 公交线路层（Routes）数据格式

线路站点层是链接线路层及物理站点层的桥梁，它通过物理站点编号以及线路编号将两个层连接起来。该层主要存储各线路的停靠站点及各在各站点的上下客流信息，具体内容包括物理站点编号、线路站点编号(每条线路每经过一个站点均产生一个编号，STOP_ID，即为ID)、站点所在经纬度、站点的停靠线路编号、各线路在该站点的上下客人数等，该层的记录数为各物理站点的停靠线路数之和，其数据格式及范例如表4所示。

表4 线路站点层（Routes Stops）数据格式

2.3 公交线路的数据特点

从交通调查或现有公交地理信息系统中可以获得的公交线路信息包括：公交站点位置（站点所在路段）、各站点的停靠线路、线路的途径站点（站名、站序）等。一般情况下，公交线路数据具有以下特点：（1）公交线路由站点以及站点之间的连接线组成，其走向由站点控制；（2）一条线路的停靠站点具有顺序性和非重复性；（3）公交车仅允许在站点位置停靠，非受到通行规则限制，在两个站点之间不会绕道通行，因此公交线路可以看成是由站点及站点间的最短路径组合而成；（4）一个路段上可能存在多个公交站点，但并非经过该路段的所有线路均在各个站点停靠。一般情况下，可将公交线路数据整理成如表5格式。

表5 实际公交数据格式

2.4 快速建模实现的基本流程

基于公交模型数据和实际数据的存储特点，可以通过以下方法实现从实际数据到 Transmodeler公交模型的快速生成，整个流程主要由基础路网建模、相邻公交站点最短路径获取、线路生成三部分组成，如图1所示。

图1 总体流程图

3.公交线路快速建模的实现

3.1 基础路网建模及公交站点建模

基础路网建模主要是在Transmodeler中录入路段（Link）、节点（Node）、路口通行规则（Lane Connector）等基础路网信息，并对公交站点进行建模，即生成物理站点层，录入公交站点名称、所在的Link编号以及在Link上的具体位置等。在这里选择手动添加物理站点，一方面是因为公交站点的经纬度坐标获取较为困难；另一方面，即使能够准确获取公交站点的经纬度坐标，但路网模型的坐标往往存在误差，要将公交站点的位置定位到建好的路网模型中，需对原路网模型的坐标进行精确校准，工作量较大；再次，一个路网中的公交站点数据量相对较少，建模比较简单，建模工作量较小。因而建模过程中可以导入背景图，通过背景图等方法来确定物理站点的位置。

3.2 相邻公交站点最短路径获取

在网状结构中，计算最短路径的典型算法是Dijkstra算法[5]，它按路径长度递增次序产生最短路径，需要遍历路网中的各个路段（Link）以及节点（Node）。而本文采用的是Transmodeler本身所提供的功能强大的GISDK函数ShortestPath计算最短路径，该函数已经对最短路径的算法进行了封装，只需要输入OD节点（Node），即可获得组成最短路径的Link集合。

由此可见，算法的关键在于建立站点（Physical Stop）与节点（Node）之间的对应关系，而两者均是依赖于路段（Link）而存在的，因而可以通过Transmodeler中存储路段信息的Link表将两者关联起来。算法的核心流程如图2所示：通过GISDK读取物理站点层中，各物理站点所在Link的ID信息，再通过Link的ID信息从Link表中，获得其上下游节点（Node）的编号。当计算一条线路相邻公交站点之间的最短路径时，转化为获取两个公交站点所在Link的上游节点（Node）之间的最短路径。最后，为把最后一个站点包含在路径中，通过相同方法倒数获取倒数第二个站点上游Node与最后一个站点之间下游Node的最短路径，进而得到整一公交线路的路段（Link）集合。

图2 最短路径计算流程

3.3 线路生成

调用GISDK函数利用最短路径集合，生成一条公交线路。并将所经过的公交站点添加到线路上，即对Routes Stop层进行建模，输入各线路停靠站点的经纬度、所在Link的ID信息、所在的方向等等。实质上是建立物理站点层

（Physical Stop）与线路层（Routes）的关联关系，线路停靠站点层建模的实现流程如图3所示。

图3 线路站点层的建模流程

4 实例分析

根据上节所述的快速建模方法，本文选取了广州市主干道之一——广州大道北（广园快速路至南方医院段）作为实例分析，该路段全程长约5公里，沿途与广园路、沙太路、京溪路等主干道相交，路网范围内有公交站16个（双向），共设分站31个，公交线路84条。本文首先建立广州大道北的基础路网模型（如图4），录入公交站点位置信息及名称，按照表1格式整理公交线路数据；接着利用GISDK编写了相应的宏程序，添加公交线路及站停靠站点，结果如图 5所示。宏程序在公交线路建模过程中没有出错，生成的公交路网与调查数据相一致，并且能够满足交通仿真的要求。

图4 基础路网模型全景

a）公交线网建模效

b）公交线网建模效果图

图5 快速建模后公交线网效果图 快速建模后某一站点的公交线路图（包含84条线路、31个Physical Stop、共产生301个 Route Stop）。

5 结论与展望

本文提出了从实际公交数据快速生成 Transmodeler基础路网的方法。此方法首先从实际数据中整理出每条线路所经过的站点站序，并在Transmodeler中完成基础路网建模及物理站点层建模，然后以相邻节点间的最短路径作为公交车在站点间的行驶路径，通过GISDK函数生成公交线网模型，添加公交线路停靠站点的信息，完成公交路网的建模。此方法大大提高了公交路网的建模效率，生成的公交线路与现实车辆行驶路线一致，可作为公交元素加载到交通仿真中，进行更加详细的公交路网建模，满足微观交通仿真的要求。并且该公交路网仿真建模思想具有一般性，可以推广到其他的微观交通仿真系统中去。在研究工作中，须进一步简化及完善所提出的数据转换方法和流程，以提升流程的容错性作为研究重点。

[1]龚峻峰等.从AutoCAD到Paramics的数据转换[J].公路交通科技·应用技术版, 2005, (11): 146-149.

[2]聂佩林等.基于MapInfo电子地图的Paramics仿真基础路网构建[J].系统仿真学报, 2008, (20): 214-217.

[3]Caliper.TransModeler Brochure[R].Caliper Corporation,Massachusetts, America, 2010.

[4]Caliper.TransModeler User’s Guide[R].Caliper Corporation,Massachusetts, America, 2010.

[5]顾基发, 钱颂迪等.运筹学（第三版）[M].北京:清华大学出版社, 2005: 262-268.