综合交通体系高质量发展对策与TIM技术体系

王 炜 ，赵 德 ，华雪东 ，王 建

（1.东南大学交通学院，江苏 南京 210096；2.东南大学江苏省城市智能交通重点实验室，江苏 南京 210096；3.东南大学现代城市交通技术江苏高校协同创新中心，江苏 南京 210096）

1 概 述

截至2020年底，我国公路通车总里程已达519.81万公里，其中高速公路通车里程突破16万公里，位居世界第一；铁路的营运里程已达14.6万公里，其中高速铁路通车里程达3.8万公里，稳居世界第一；生产用码头泊位22142个，其中万吨级及以上泊位2592个，内河航道通航里程12.77万公里，同样位居世界第一［1］。

但世界第一的交通基础设施并没有产生世界第一的交通运输效率与服务质量，我国目前仍然不是“交通强国”，综合交通体系还存在诸多问题：①综合交通运输结构不合理、网络衔接不畅；②综合交通系统运输效率较低，运输成本昂贵，服务水平较差；③综合交通系统运营与管控不合理，公路、水运、航空等交通方式在高峰期拥堵现象频发；④综合交通系统能源消耗较大，环境污染严重；⑤综合交通网络区域发展不平衡，城乡区域发展水平差距较大；⑥道路交通安全形势严峻，因交通事故而产生的伤亡人数居高不下。

为改变上述局面，党的十九大提出了建设“交通强国”的重大战略决策。2019年9月，中共中央、国务院印发《“交通强国”建设纲要》，提出“建设一体化融合、高质量发展的综合交通体系”［2］。为了进一步加快建设交通强国，2021年2月，中共中央、国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》［3］，对《“交通强国”建设纲要》进行了深化和实化，提出了我国综合交通体系长远发展的三大重点方向：网络化布局、一体化融合、高质量发展。

在“双纲要”的指引下，我国交通领域发展模式正发生重大转型。过去的40年，我国综合交通需求处于飞速发展阶段，交通供给严重匮乏，难以满足日益增长的交通需求，综合交通系统的发展重点主要集中于交通运输基础设施的建设。随着大数据、人工智能、5G等新技术的快速发展，基于新一轮技术革命的综合交通体系智能化成为当下技术研究的重点，综合交通系统现代化管理与智能化服务已经成为我国交通发展的新模式与新方向。我国交通行业的发展重点正在从以“大规模交通运输基础设施建设”为主向着以“综合交通体系的现代化管理与智能化服务”为主的重大转型，我国的交通领域进入了一个全新的发展时代。

基于新一轮革命性技术为依托的综合交通系统的“网络化布局、一体化融合、高质量发展”将成为未来几十年我国综合交通体系发展的三大重点方向。如图1所示。

图1 综合交通体系三大发展方向

2 网络化布局：创建统筹协调、布局优化的综合交通体系规划新理论

2.1 综合交通网络发展定位与空间布局

我国长期以来采用的传统交通发展模式，主要面向国土空间开发与使用布局规划，被动建设交通基础设施来满足区域交通需求、缓解交通拥堵，“头痛医头，脚痛医脚”。这种发展模式一定程度上忽视了综合交通系统对社会经济发展的引导功能，导致综合交通系统空间布局不合理，加剧了经济社会发展的区域不平衡。

破解此类问题的关键是建立新型交通发展模式，即“需求导向+目标导向”相结合的发展模式。一方面，基于公、铁、水、航等不同运输方式的差异化特性，考虑社会经济发展、国土空间开发等社会因素的影响，明确综合交通网络发展定位，以交通带动土地资源规划，以交通带动区域地方发展。另一方面，应当充分认识到交通规划不仅需要服务运输需求，也要充分体现交通发展服务国家战略的社会与经济的双重属性。新型交通发展模式应当综合考虑需求导向和目标导向，基于国家发展目标与供需平衡的定位，推动构建网络化布局的国家综合立体交通网，促进经济社会发展的区域平衡。

传统的交通规划理论较少关注综合交通运输方式间的交互，对综合交通运输系统供需平衡机理研究不足，无法满足多网融合的异质交通网络的交通规划。所以，当前亟需创建一套综合交通体系规划新理论，支撑综合交通运输系统的一体化分析，满足综合交通网络规划对空间布局优化、运输方式协同、系统供需平衡的要求。新形势下的综合交通体系规划基础理论应注重交通方式间的高效衔接与优势互补，从以下两个方面展开研究：①构建综合交通网络优化新方法；②提出综合交通枢纽布局规划新方法。

2.2 综合交通网络优化新方法

传统的交通网络规划方法往往针对单一、同质的网络，例如，“十三五”之前的全国公路网、水运网、铁路网、航空网等专项规划，均针对单一交通方式网络独立制定，对与其他交通方式网络间的衔接考虑甚少，规划理论相对简单。综合交通网络规划要求构建多网融合的异质交通网络，这在规划理论体系方面与以往有着根本性的不同。

综合交通网络规划与布局优化应以国家社会经济发展目标和国土空间开发为需求，以“综合交通规划网络-综合交通枢纽布局-规划网络建设方案”为主体思路，深入研究综合交通一体化拓扑网络、各运输方式优势运距曲线、各交通方式交通阻抗函数、综合交通枢纽方式转换阻抗等瓶颈技术，建立面向需求预测-方式分布-交通分配的异质网络一体化交通分析模型，以实际分方式发生吸引与分布数据为参考，进行流量匹配校验和多目标综合效能评估，分析综合交通运输网络供给与需求动态互馈过程，形成“以供需平衡理论引导综合交通建设，以分析评估模型监测系统运行状态”的技术路线，如图2所示。

图2 综合交通网络优化方法

综合交通网络规划交通分析模型体系是基于综合交通网络优化方法建立而来，主要涵盖综合交通网络拓扑模型、交通需求组合分析模型、多网竞争交通分配模型与效能评估虚拟仿真模型四大类。模型体系以综合交通需求生成与分布分析、综合交通网络“多网合一”建模［4］、分方式客货运输路段与枢纽交通阻抗分析模型、分方式客货运输优势运输距离分析模型为基础，重点研究并解决基于优势运输距离与交通阻抗的分方式OD矩阵、基于优势运输距离与交通阻抗的方式组合选择模型、基于分方式交通网络的客货OD矩阵交通分配模型、基于多网竞争的综合交通运输一体化交通分配模型［5-6］等问题，为提升综合交通系统的运输效率、服务质量、安全保障、韧性水平提供量化分析理论，如图3所示。

图3 综合交通网络规划交通分析模型体系

依托上述理论，可在综合交通网络规划布局方面解决以下五大技术问题，分别为：①异质交通网络的一体化建网技术；②各交通方式的优势运距分析技术；③各运输方式的运输成本分析技术；④多网融合下的网络交通分配技术；⑤综合交通网络布局优化的效能评估技术。

2.3 综合交通枢纽布局规划新方法

综合交通枢纽是实现综合交通网络互联互通的主要载体，是综合交通运输系统中进行货物多式联运、旅客联程出行等运输组织的关键。科学合理的综合交通枢纽布局，是提升综合交通网络运输效率、系统韧性的保障。但我国尚缺少关于综合交通枢纽布局规划的理论方法，无法解析综合枢纽中不同运输方式间的转换关系，难以有效指导综合立体交通网的枢纽布局。因此，当前需要提出一套面向综合交通枢纽布局规划的新方法，涵盖综合交通枢纽的不同类型、不同规模、不同功能等。

《国家综合立体交通网规划纲要》提出构建“三位一体”的国家综合交通枢纽系统，其中枢纽集群是城市群级综合交通枢纽，基于城市群范围内的综合交通系统来实现各运输方式之间的换乘/转运；枢纽城市是城市级综合交通枢纽，通过城市范围内的综合交通网络来实现各运输方式之间的换乘/转运；枢纽港站则是节点级综合交通枢纽，是交通网络中各运输方式之间交通流转换的基本载体。图4给出了枢纽集群-枢纽城市-枢纽港站的关系。

图4 枢纽集群-枢纽城市-枢纽港站关系示意图

节点级交通枢纽作为交通网络中各运输方式之间交通流转换的基本载体，在综合交通网络中占有举足轻重的地位。枢纽的建设必要性、类型与功能的选择均取决于综合交通网络中交通方式转换的交通量，即铁路-公路、铁路-水路、公路-水路等的转换交通需求。在综合交通网络规划中，交通枢纽的网络表达和阻抗分析是枢纽布局规划的关键技术。在网络表达层面，本研究团队提出了一种一般枢纽与综合节点的可计算网络转化方法，即交通网络中的每一个节点级交通枢纽都设计成由一组虚拟节点与虚拟弧段组成的小型交通网络，以实现各运输方式之间转换。以公路、铁路和水运三种运输方式转换的交通枢纽为例，通过“拆点为网”，生成虚拟节点12个、虚拟弧段24条，如图5所示。在阻抗计算层面，针对客运枢纽交通阻抗，综合考虑换乘时耗、费用与便利性等因素；针对货运枢纽交通阻抗，则以换乘费用为主，时耗与便利性也纳入考虑范围。基于交通枢纽的网络表达和阻抗计算，可实现综合交通枢纽布局优化，促进综合运输网络一体化衔接，为多式联运/联程出行的综合交通网络一体化分析提供技术支撑。

3 一体化融合：构建综合交通体系一体化协同发展的决策支持平台

3.1 实现综合交通体系一体化融合的瓶颈

2020年我国社会物流总费用14.9万亿元，社会物流总费用占GDP比重为14.7%，远高于欧、美、日等发达国家［7］；我国综合交通运输系统常年遭受多种自然灾害，由此造成包括交通中断等直接经济损失每年超10亿美元，位列世界第一［8］。造成这一现象的根本原因是：综合交通体系缺乏一体化融合，各方式运输网络条块分割，基础设施网、运输服务网、综合信息网、交通能源网各自为政。具体而言，主要体现在以下三个方面：

3.1.1 机制体制层面

各交通运输部门独立发展，协调能力不足，相互间缺乏统一的机制与平台。我国政府各职能部门业务相对独立，与综合交通系统相关联的各部门（如综合交通部门、国土资源部门、生态环保部门、能源补给部门等）业务方案的论证各自为政，无法实现跨部门协同，缺少统一的决策支持平台对多部门协同环境下的交通管理决策结构进行重组优化，各个部门的建设和管理工作沟通不畅，产生资源浪费。

3.1.2 基础设施层面

方式衔接不畅，运输效率不高。当前，公路、铁路、水运、航空和管道各交通方式独立成网，互联互通不足、综合运输能力与效率较低。中小型交通转换枢纽严重缺乏，各交通方式之间衔接性不强，居民“联程出行”和货物“多式联运”的比例不高，效率低下，进一步造成了交通方式衔接不畅。

3.1.3 基础理论层面

缺乏综合交通体系一体化融合发展的分析方法与仿真技术。当前，我国交通处于交通结构转型期，系统供需矛盾很大，实现综合交通系统从“增量积累”到“存量发展”、“能力建设”到“效能提升”的功能性转变，尚缺少多方式网络一体化融合的配套方法和科学精准的虚拟仿真交通系统决策技术。

3.2 综合运输服务体系一体化融合的目标

破解上述问题的关键是打造一体化融合发展的综合交通体系，提升综合交通系统的运输效能与服务质量。以一体化融合发展为出发点，统筹公、铁、水、航等基础设施规划建设，优化存量资源配置，分别从客运和货运层面建立一体化服务体系，实现立体互联，增强系统弹性，形成综合交通一体化融合发展新格局。

3.2.1 打造旅客联程出行一站式服务运输体系

聚焦综合运输不同交通方式的信息共享，加强各种交通运输方式之间的统筹协调，构建跨方式旅客出行一站式综合服务集成平台，实现出行方案决策制定，跨方式订票、购票、退票，跨方式结算，综合信息推送与诱导的一站式综合信息服务，满足广大公众跨方式远程出行“一个时刻表、一张行程单”无缝衔接的服务需求。

3.2.2 推动建设基于多式联运的“门到门”服务物流体系

聚焦综合交通运输系统的组织与调度优化，重点推进长距离、大宗货物运输由公路向铁路、水运转移。推动公铁、公水、空铁、空陆、铁水等联运方式的发展，制定并形成行业内统一的多式联运标准规范。扭转综合运输的固有方式壁垒思维，适应市场化的需求，基于多式联运发挥综合运输系统的融合效应，突出公路货运“门到门”优势。

3.3 服务于综合交通体系一体化融合的虚拟仿真决策支持平台

我国的综合交通体系复杂、涉及部门多，并且受限于当前的体制机制，我国综合交通体系长期以来一直条块分割、各自为政，造成了交通网络系统不完善、运输结构不合理、运输效率低、服务质量差、系统韧性弱等问题。体制机制方面的问题无法在短时间内解决，但我们可以构建一个共享的综合交通体系虚拟仿真决策支持平台，在共享平台上，用统一的交通网络、统一的基础数据、统一的分析模型、统一的系统软件，实现综合交通系统的一体化融合，如图6所示。综合交通体系虚拟仿真决策支持平台可以提供多个应用场景的一体化融合决策支持：

图6 综合交通体系虚拟仿真平台示意图

（1）跨行政区划融合：全国性、大区域、城市群、城市圈、小区域等；

（2）跨运输方式融合：铁路运输、公路运输、水路运输、航空运输、管道运输、城市交通等；

（3）跨行业部门融合：综合交通、生态环境、国土资源、能源补给、相关产业等；

（4）跨发展阶段融合：设计阶段、招标阶段、施工阶段、运维阶段等。

3.3.1 综合交通体系跨区域一体化融合发展

通过综合交通体系虚拟仿真决策支持平台，可以实现全国性、城市群、大区域城市圈之间综合交通基础设施体系规划、建设与管理的跨区域一体化，进而更有效地推进区域社会、经济一体化的发展进程。综合交通体系虚拟仿真决策支持平台的建设，有助于打造区域间一体化融合发展的综合交通体系，推动实现区域间客运交通高效、货运交通便捷，提高跨区域综合交通系统服务水平，增强各区域中心城市的对外辐射力和对内吸引力。

3.3.2 综合交通网络各运输方式一体化融合发展

通过综合交通体系虚拟仿真决策支持平台，可以实现公路、铁路、水运、航空、管道与城市交通等综合交通网络全方式一体化，推动多种运输方式协调发展与智能化、立体化、协同化管控，从而打造公铁水航多式联运的区域性客货运中心，提高交通方式结构合理配置水平与综合交通枢纽的衔接转换效率。虚拟仿真决策支持平台的建设，有助于打破各运输方式的传统优势运输领域，切实发挥综合交通运输体系的组合效率和规模效益，做到“宜铁则铁、宜公则公、宜水则水、宜空则空”，实现各方式间高效的衔接转换。

3.3.3 综合交通体系与相关产业一体化融合发展

通过综合交通体系虚拟仿真决策支持平台，可以实现综合交通、生态环境、国土资源、能源补给、相关产业等跨部门一体化，实现多部门间的联合与协作的决策支持模式，推动综合交通与邮政快递、现代物流、旅游开发、装备制造等相关产业的一体化融合发展。虚拟仿真决策支持平台的建设，能够形成综合交通规划决策方案论证的虚拟仿真技术一体化流程，从而有效应对政府不同层面的交通规划与管理方案决策需求。

3.3.4 综合交通基础设施跨阶段全周期一体化融合发展

通过综合交通体系虚拟仿真决策支持平台，可以实现规划建设、运输组织、运行管理、安全保障等综合交通发展全过程一体化，从全生命周期实施高品质管理，建立健全综合交通系统基础设施重大项目库，做好动态跟踪和调整工作。虚拟仿真决策支持平台的建设，有助于联动与组织交通基础设施跨阶段的各类项目，围绕项目目标形成全周期管理合力，积极应用大数据、物联网、区块链等新技术提升一体化管理效能。

4 高质量发展：打造以综合交通模型系统（TIM）为核心的支撑技术体系

4.1 TIM技术的提出背景

综合交通体系高质量发展需要决策分析技术、工程建造技术和系统管理技术三大关键技术的支撑。在我国交通基础设施建设的工程建造技术已经达到了世界先进水平，但决策分析技术和系统管理技术远远落后于工程建造技术。譬如，我国近期建设的高速铁路、高速公路、地铁、桥梁隧道等大型工程，建造的工程质量世界领先，但这些设施建设的决策过程科学性不足，建成后的系统运行管理现代化、智能化水平相对落后，造成交通基础设施质量很高、但交通功能很低、系统功能很弱的尴尬局面。

交通基础设施的工程建造，有BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术体系的支撑，我们认为，实现我国综合交通体系的高质量发展，突破决策分析技术、系统管理技术的技术瓶颈，需要打造以互联网+、大数据、人工智能、虚拟仿真等新一轮革命性技术为依托的综合交通信息模型体系TIM（Transportation Information Modeling）。

4.2 TIM技术的核心内涵

类似于工程建造与城市建设领域的BIM，CIM（City Information Modeling，城市信息模型）技术，综合交通信息模型体系TIM主要服务于综合交通体系的决策分析与系统管理。TIM的研究覆盖城市交通、城际交通、城市群交通、跨区域综合运输等范围，是综合交通运输系统高质量发展的重要支撑技术，是一个“数据共享、模型共享、预案共享、软件共享”的资源共享平台。

TIM的技术框架应集成交通数据、交通分析、虚拟仿真、分析评价、结果展示等功能，打造“基础数据库、分析模型库、平台软件库、场景预案库”的资源共享平台［9］，如图7所示。其中，TIM的分析模型库应包括：综合交通系统“多网合一”网络拓扑模型体系、交通运输-国土资源-经济发展-生态环境相互作用机理模型体系、综合交通系统各出行方式/运输方式相互作用机理模型体系、综合交通网络交通运行特征模型体系、综合交通体系出行效率/运输效率评估模型体系、综合交通体系经济效益评估模型体系、综合交通体系能源消耗与碳排放评估模型体系等。

图7 TIM技术构架

在此基础上，依托上述TIM技术框架与核心模型，形成我国完全自主的平台软件，并配备BIM/CIM扩展接口。TIM解决前期决策与后期运维管理，BIM/CIM解决施工建设阶段的模块化建设与信息控制，TIM与BIM/CIM联合，解决综合交通体系高质量发展问题，实现多区域、多部门、多方式、全过程的数字化协同管理。

4.3 TIM技术的应用价值

综合交通网络的建设，必须在规划、建设、运行与管理的全过程中坚持各运输方式统筹兼顾、融合发展，形成铁路、公路、水运、航空、管道及城市道路统筹兼顾、融合发展的一体化综合立体交通体系。综合交通体系虚拟仿真决策支持平台（即综合交通大脑，如图8所示）为完善网络布局、推动各运输方式一体化融合、实现高质量发展提供了平台，而TIM技术则为综合交通大脑的搭建提供了关键技术支撑。因此，建立综合交通信息模型体系TIM，实现多网融合拓扑结构构建、交通需求融合分析、交通网络虚拟仿真等技术瓶颈的突破，已成为我国综合交通运输系统一体化融合的当务之急，对实现我国综合交通运输系统高质量发展具有重要推动作用。

图8 TIM技术与综合交通大脑

5 案例分析：西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台

5.1 项目背景

近年来，重庆、广西等西部省（区、市）积极参与共建“一带一路”，基本形成由重庆、四川分别经湖南、贵州、云南至广西北部湾港的三条铁路运输线路，如图9所示。

图9 西部陆海新通道示意图［10］

三条铁路运输线路的建成为促进西部地区经济发展、外贸增长和产业转型升级做出了重要贡献。但既有通道仍存在交通运输瓶颈制约、竞争能力不强、物流成本偏高等突出问题。在此形势下，国家发改委发布《西部陆海新通道总体规划》，提出要统筹各种运输方式，围绕建设大能力主通道和衔接国际运输通道，在铁路运输、公路运输、水路运输以及枢纽、场站、港口等方面建设一批重点项目。

5.2 西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台

本文所提出的三大具体对策是紧密相关、有机结合的整体，最终落脚点在于一体化融合的虚拟仿真决策支持平台。结合西部陆海新通道总体规划的实际需求，我们系统整合了本文所提出的三大具体对策，即：创建了面向西部陆海新通道多网融合的综合交通体系规划新理论方法，打造了以综合交通模型系统（TIM）为核心的支撑技术体系，在此基础上构建了西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台。如图10所示，决策支持平台可以对西部地区新建铁路、新建公路和连通水运等方案进行虚拟仿真，定量分析方案实施前后的客货运量。决策支持平台中的TIM技术由基础数据库、分析模型库、平台软件库和场景预案库四大部分组成，分别介绍如下。

图10 西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台

5.2.1 基础数据库

西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台的综合交通网络数据库基于OSM（Open Street Map）构建，全网络（含公路、铁路、水运、航空等）共有28，958个交通节点、46，882个路段和521个交通小区；人口分布数据基于LandScan数据平台构建，研究区域覆盖人口总数超过2.90亿；社会经济发展数据从国家统计年鉴获取，研究区域每年产生的GDP近15万亿元；重要路段/节点（如高速公路、高速铁路、机场、港口等）的交通运输量数据从政府相关职能部门获取，用于标定和校验决策支持平台。

5.2.2 分析模型库

交通分析模型是西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台的内核，主要技术突破是实现从单一、同质的交通网向多网、异质的交通网转换，分析模型具体包括：综合交通网络“多网合一”拓扑模型、客货运输路段与枢纽交通阻抗分析模型、客货运输优势运距分析模型、多网竞争的方式组合与交通分配模型、效能评估虚拟仿真模型等。

5.2.3 平台软件库

西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台集成了基础数据支持、交通需求分析、交通运行分析、综合效能评价、数字化人机交互等5大模块，涵盖27种具体功能，满足110多种操作与分析需求，覆盖综合交通仿真分析的全过程，能够实现基础数据快速获取、决策方案快速生成、交通分析系统集成、实施效果虚拟仿真等定量化、可视化的决策支持。

5.2.4 场景预案库

备选预案库面向综合交通运输行业多部门提供交通方案的“一键式”备选策略设计。以《西部陆海新通道总体规划》中提及的重点项目为例，设立5个场景预案库案例，如表1所示。平台可以对任意对象的交通业务场景进行一体化仿真分析，并定量化、可视化地给出该业务场景下不同运输方式（公、铁、水、航等）的客货运量变化与能源消耗、碳排放情况，为重大工程建设提供决策依据。

表1 西部陆海新通道虚拟仿真决策支持平台场景预案库

6 结 语

我国交通行业的发展重点正在从以“大规模交通运输基础设施建设”为主向着以“综合交通体系的现代化管理与智能化服务”为主的重大转型，我国的交通领域进入了一个全新的发展时代。面对转型，中共中央、国务院印发了《“交通强国”建设纲要》和《国家综合立体交通网规划纲要》，对我国综合交通系统建设提出了更高的要求。基于新一轮革命性技术的综合交通系统的“网络化布局、一体化融合、高质量发展”将成为未来几十年我国综合交通体系发展的三大重点方向。

（1）网络化布局，需要创建统筹协调、布局优化的综合交通体系规划新理论。基于国家发展目标与供需平衡的综合交通网络发展定位，规划建设布局优化、运行高效的综合交通运输网络体系，提出综合交通网络规划理论与布局优化方法，完善综合交通枢纽布局规划。

（2）一体化融合，需要构建综合交通体系一体化协同发展的决策支持平台。打造一体化融合发展的综合交通体系，提升综合交通系统的运输效能与服务质量，构建共享的综合交通体系虚拟仿真决策支持平台，运用统一的交通网络、统一的基础数据、统一的分析模型、统一的系统软件，实现综合交通系统的跨区域、跨行业、跨部门、全过程的一体化融合发展。

（3）高质量发展，需要打造以综合交通模型系统（TIM）为核心的支撑技术体系。依托互联网+、大数据、人工智能、虚拟仿真等新一轮革命性技术，以高精度综合交通信息模型体系为核心支撑，改造传统的交通基础设施体系与管理模式，建设一体化融合、高质量发展的安全、便捷、高效、绿色、经济的综合交通体系。