乌鲁木齐市交通仿真与评价系统的设计与实现

文/孙亮、刘鹏、詹静

1 前言

智慧交通是城市智慧大脑的重要支撑力量，充分体现了众多科学技术在综合交通运输领域的深度应用，是未来交通系统的发展方向，是交通运输现代化的重要标志，也是推进我国新型城镇化建设的重要组成部分[1]。国外智能交通起步较早，交通信息化系统建设已经比较完善，国内城市北京、上海、深圳、郑州、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应用平台[2]。上海市交通信息化数据采集工作起步较早，在丰富数据源的基础上，上海市搭建了交通规划与决策分析系统，实现了现状交通运行评价、仿真模拟、交通需求预测、方案评价和环境能耗评估等功能，为交通研究机构和交通行业相关部门提供了决策支持，已广泛应用于规划、建设、运营、管理、政策等上千个项目中。在20 世纪90年代，深圳市就开始探索智慧交通的应用，经过20 多年智慧交通发展建设，深圳市建成城市级综合决策平台，实现空间规划精准化、政策调控精确化、运营服务精细化[3]。

随着乌鲁木齐市社会经济快速发展，各交通规划、研究和管理部门已经分别建立了多个交通智能化业务系统，在城市交通管理和运输方面发挥着重要作用。同时，乌鲁木齐市正处于交通信息化快速发展阶段，科学化与精细化成为城市交通规划与交通决策的发展方向，这对支撑规划与决策的技术体系和技术方法提出了更高的要求，亟须现代信息化技术提升规划和管理的精准性与效率[4]。

作为智能交通系统的启动工程和重要组成部分，乌鲁木齐市交通仿真与评价系统以先进的多源数据采集为基础，以交通仿真技术与模型为核心，以支持交通管理、决策分析与交通信息服务为导向，围绕着交通设施设计、交通综合整治、决策支持的核心目标以及适应智能交通系统建设发展要求，以标准化、成熟可靠技术搭建系统，保证数据兼容性、通用性和可扩展性要求。

2 系统设计思路

交通仿真与评价系统采用市场成熟仿真评价软件，在现状可获取数据基础上实现基本仿真功能，通过交通模型与系统交互模式，提供方案条件和模型参数设置功能，自动化调用后台交通模型，实现模型网络转换自动化、模型运算过程自动化、评价指标计算自动化，提供给相关部门调用交通相关数据与评估结果的界面和工具，是服务于城市交通系统各部门业务工作的决策支持系统。

2.1 系统架构

根据系统建设的需求，立足于各职能部门的业务特点，实现数据收集、信息查询、数据分析、辅助决策等功能。为了充分利用C/S 模式处理能力强和B/S模式扩展性和分布式的特点，本系统采用B/S 和C/S混合结构[5]。这种结构可以将各种信息资源存储于服务器中，为每个客户端提供统一的数据服务，便于对信息资源的调用。同时，利用客户端程序存储服务器内的数据，集中在服务器上进行运算，减少数据传输量的瓶颈约束，提高了数据的处理与传输效率，可以同时满足模型算法计算及平台内嵌的需求，将系统建成资源共享又可灵活延展的实用型平台。

2.2 系统总体框架

总体架构分为数据层、中间件层、应用层等三层，如下图1 所示。

图1 系统架构设计图

数据层：实现数据的统一存储、管理，为中间件层和应用层提供包括土地利用、道路网络、规划范围等数据。

中间件层：包括第三方组件和自定义组件。第三方组件主要有地图渲染引擎、数据分析引擎、统计引擎、UI 引擎等；自定义组件主要根据交通规划和模型计算业务自定义相应的中间件，包括GIS 地图操作、数据转换、接入模型数据等。

应用层：考虑到最终系统的稳定性，系统设计和开发将采用B/S 和C/S 混合结构，以B/S 为主，辅之以C/S 的模式结构，可以很好地满足模型算法计算及系统内嵌的需求。

2.3 系统评价流程

图2 交通仿真与评价系统流程图

3 系统功能实现

城市交通仿真与评价系统主要用于通过模拟交通运行环境，输出具体交通参数，据此辅助交通管理决策或评价交通管理措施影响。

3.1 基础数据接入与管理

实现现状年和规划年模型基础数据接入，包括基础交通网络、经济社会数据、土地利用数据、人口岗位数据、交通设施数据、交通信号数据和公交系统数据等数据。经过数据采集和整理，获得交通基础数据信息，经过数据加工，得到路网结构图及其他相关数据，为方案评估提供基础数据。

3.2 仿真模型建模与标定

交通模型是交通仿真与评价系统的核心算法。结合乌鲁木齐市实际发展阶段、数据基础及模型应用需求，立足乌鲁木齐市既有交通规划模型基础，设计适合乌鲁木齐市交通现状及发展趋势的综合交通模型体系框架结构。通过对交通调查、交通运行数据和交通运营统计等多元数据融合分析，提炼城市交通出行需求特征规律，按照交通出行理论和“四步骤”技术框架，构建综合交通规划模型及模型运算系统，支持应用系统各类功能实现。

实现基础模型构建（宏观仿真模型和中观仿真模型）、各类型参数标定、模型维护等内容。依据具体的路网数据和各类型出行特征数据构建基础模型，并结合乌鲁木齐市交通具体运行状况对关键参数进行标定，同时考虑后期模型维护、数据更新和模型校核的需要，系统提供模型数据更新接口模块，支持交通各个时期的模型系统工作。

图3 仿真模型建模与标定流程图

3.3 仿真运行与输出

仿真模型运行及输出包括：宏观仿真模型运行及输出与中观仿真模型运行及输出。

3.3.1 宏观仿真模型运行及输出

对整体车流进行模拟，通过延误函数模拟道路行程时间来分配道路车流量，适用于现状宏观层面道路交通运行状况分析及中长期道路交通网络规划研究。

3.3.2 中观仿真模型运行及输出

通过交通流分配技术，将时变交通需求动态分配到高精度路网上，并输出评估指标，用来模拟、评价较大范围内进行交通控制和干预的措施和方法，从而对交通流进行最优控制。

3.4 仿真业务应用

实现仿真应用项目管理、仿真方案管理、仿真场景自动建模、仿真运行控制、仿真结果输出、权限管理。采用模型与系统交互模式，提供方案条件和模型参数设置功能，自动化调用后台交通模型，实现模型网络转换自动化、模型运算过程自动化、评价指标计算自动化，提供给相关部门调用交通相关数据与评估结果的界面和工具。

3.4.1 仿真应用项目管理

查看和管理所有的项目指标，包括创建仿真项目、删除仿真项目、修改仿真项目、打开查看仿真项目、帮助。

3.4.2 仿真方案管理

查看和管理所有的方案指标，包括新增仿真方案、删除仿真方案、修改仿真方案、查看仿真运行信息、确定最优方案、帮助。

3.4.3 仿真场景自动化建模

对仿真方案进行属性编辑，实现人口调整、路网结构调整及属性编辑，用地块拆分合并边界调整、用地性质改变、容积率调整，出行分布、到达分布、出行方式构成和交通分配参数修改，红灯等待时长修改，对公交发车间隔、费用成本的调整[6]。

图4 仿真场景建模流程图

3.4.4 仿真运行控制

分为自动仿真运行和手动仿真运行。自动仿真是在后台运行仿真软件，在前端界面点击仿真后，后台程序会根据设定的一系列参数进行仿真运算，运算完成后把运算结果还回给前端来查看结果展示；手动仿真需要手动启动仿真软件，输出仿真参数据，在仿真软件中编辑数据，通过一系列仿真计算后，返回仿真结果。

3.4.5 仿真结果输出

可以进行仿真结果查看和对比分析。仿真结果查看主要包括基础模型网络的可视化、人口岗位分布输出、出行量分布输出、出行空间分布输出、交通运行特征输出。仿真结果对比分析实现不同方案同一指标双屏对比显示，在基础方案的基础上，用户对部分参数进行修改和调整后形成比选方案，在选定比选方案后，运行方案评价过程，根据运算结果计算评价指标，实现比选方案评价，确定最优方案，为方案定量化的评估和优化提供数据支持。

图5 方案双屏对比

3.4.6 权限管理

可实现用户分配角色及访问控制、权责分明，保证系统及数据资源的安全可靠。其中，管理人员主要对成果数据进行调阅，而研究人员则涉及所有功能分类。

4 系统创新点

基于宏-中-微观模型数据一体化技术的仿真数据底图（交通小区、道路网），融合传统交通调查与交通运行数据的机动车OD 分析引擎（交通调查、卡口数据）构建乌鲁木齐市智慧交通数字底座。

4.1 车道级基础设施建模

实现快速路车道级别的道路基础设施建模、车道级细分，包含车道标线、中心线、箭头、人行横道、路缘石、隔离带、红线等道路相关图层，支撑机非混行车道、专用车道、收费车道、公交专用道、匝道等不同类型的车道模拟以及各种不同交通控制形式的交叉口模拟。

4.2 大数据自动化处理技术

对出租车GPS 和公交GPS、IC 卡、卡口、轨交闸机、网约车等各类大数据进行自动化处理分析，标准化、自动化各类大数据的数据清洗、数据库表名和表结构、处理方法等，大幅提高数据处理效率。

4.3 交通模型软件接口技术

基于满足建模需要的数据标准化处理分析，采用分类、统计、关联、转化等方法，将从基础数据平台中提取的数据进行处理和标准化，生成满足建模需要的特定格式的数据。按照模块化的方式，对数据转化工具进行管理，并提供模块定制开发的环境支持。

利用定制化接口转换工具抽取、处理基础数据库中的数据，转换成模型所需的数据，并输入模型进行分析。可提供空间数据（图层数据），如：用地数据、基础路网等转换接口，转换成模型所需的输入数据；可提供统计数据，如：OD 数据等数据处理转换接口，转换成模型所需的输入数据。

利用模块化进行定制化开发，打通基础数据平台数据库中的基础数据与模型软件之间的数据障碍，提供标准接口工具，使得模型软件可直接抽取数据库中的数据，避免了人工处理，大大提高效率。

4.4 工作协同技术

项目库和方案库协同管理，系统支持项目和方案的增删改查，不同用户可同时做不同的项目和不同方案。多用户协同方案编辑，系统支持多用户协同编辑同一项目同一方案，每个用户单独负责自己编辑的模块，同一项目方案同时只支持一个用户编辑。仿真结果多用户查看，用户可通过项目和方案查看分配结果。

5 结语

单纯的大数据分析、人工智能技术不能解决城市交通问题，大数据必须依靠交通模型技术，才能使数据保有生命力。只有新兴技术与交通技术双核驱动，才能有效解决城市交通问题。本系统通过基础数据接入与管理将标准化入库的数据进行存储，再通过对数据的挖掘分析和交通预测模型分析交通运行的状况，结合自动化调用交通模型，提供方案编辑、评价和比选功能，支撑方案编制研究和城市交通智能化治理。未来随着数据采集体系的完善，通过二次开放进一步丰富仿真和评价功能，可实现三维可视化评价和分析。