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中国智能交通协会

城市多模式交通网运行仿真系统平台开发

2021-09-09   来源:中国智能交通协会


倪颖 副教授
同济大学 交通运输工程学院


  项目“城市多模式交通网运行仿真系统平台开发(2019YFB1600200)” 立足我国城市交通现实特征和行业需求,瞄准大数据、移动互联、智能网联等发展趋势,突破大规模交通网络多模式多尺度多情景一体化仿真技术瓶颈,研发具有自主知识产权、更适合我国国情的城市多模式交通网络运行仿真系统,形成涵盖系统架构、分析模型、核心技术、专用软件及集成平台的整套技术体系,并依托典型城市完成系统综合测试与示范应用,为提升城市交通网络协同运行效能和智能化管控水平提供技术支撑。
  本项目牵头承担单位为东南大学,任刚教授担任项目负责人。项目设5个课题,分别由北京城建设计发展集团股份有限公司、北京交通大学、东南大学、同济大学、北京市交通信息中心负责承担。本次会议报告人为课题四负责人。
  一、项目概况
  本项目名称为城市多模式交通网运行仿真系统开发,今年6月初刚刚通过了科技部的中期检查这里简单介绍一下项目概况、项目架构、基本进展,以及目前为止的代表性成果初步应用。
  1.项目背景
  首先是项目的背景,前面几位专家介绍的重点研发计划中,很多方案,包括交通系统的规划设计、管理控制、政策制定,车联网的方案等都离不开交通仿真,但是现在交通仿真是什么样的形势?国外交通仿真软件呈现八国联军的态势,垄断了我国的市场。


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  2018年,美国商务部的出口管制技术名单上,交通仿真技术赫然在列!交通仿真已成为我国交通行业的关键“卡脖子”技术。与此同时,虽然国外的仿真软件垄断了市场,但是它主要是面向国外的一些情景来设计的,所以它不能完全解决我们国家的一些交通问题。
  我国的城市交通的组成、网络结构复杂,有道路网、公交网、轨道网,我们面向的任务和业务也各不相同,有规划建设、管理控制、政策制定等等,需要多情景的业务综合决策,所以就需要宏观、中观、微观软件的紧密融合。
  2.研究目标
  从目前的形势来看,基于单一维度的仿真功能模块是难以支持未来复杂的交通场景。
  现在的仿真需求大都面向大规模网络,不管是宏观仿真,还是微观仿真,所面临的一个比较大的困境,就是计算效率的问题,所以网络流的快速分配和快速计算是世界性的难题。


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  同时,现有仿真模型的一些缺陷导致宏观上会割裂人的出行和活动;微观上,很难准确地模拟混合交通流的交互现象。整个模型受到规模、交通流复杂程度的影响,导致仿真的精度亟待提升。
  3.课题设置
  针对现在仿真系统存在功能不全、速度不快、精度不高的问题,本项目提出建立多模式、一体化交通仿真的理论,攻破五大关键技术。我们的总体目标是补短板、破瓶颈、建优势。    这个总体目标希望建成的仿真平台是什么样?首先它是多模式的,要能够同时考虑道路网、公交网和轨道网;服务的情景包括交通规划建设、管理控制和政策制定;尺度上是宏中微观一体化融合,并且要打破国外的垄断,所以我们需要开发具有自主知识产权仿真的系统。在这样的目标指导下,我们设定了这样的课题来进行科技攻关。


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  课题一是项目的顶层设计,主要是面向多情景、多尺度的顶层架构。
  课题二是多模式、多尺度交通系统一体化的仿真模型,区别于传统割裂的模型,这里强调多模式、多尺度的融合。
  课题三和课题四分别从宏中观的角度和微观的角度研究仿真的基本技术方法以及开发相应的仿真系统。
在课题二、三、四的研究基础上形成课题五,课题五是仿真平台的集成和示范应用。
  二、总体进展情况
  以下结合项目的考核指标的设置和完成情况,展示一下本项目的总体进展。

  第一,在整体架构设计阶段,面向多模式、多尺度的需求,考虑应用大数据融合技术,以及面向多模式交通仿真的系统互联、交互的技术,提升面向复杂交通情景的支撑能力。
  第二,多模式一体化仿真模型构建时,主要强调模式多,和不同尺度的融合,之前的好几位专家提到,比如交通系统会有步行、轨道的衔接,或者轨道和公交、网约车衔接的问题,本项目特别考虑了多模式交通网络的衔接组织和协同建模。
  第三,主要是宏中观层面的仿真模型构建,研究复杂情景下交通网络运行仿真和态势推演技术。主要是基于身份感知数据驱动的建模方法,利用手机信令和GPS数据,对个体的行为和整个运行做一个态势的推演,并且通过和外部开源地图的接口设计,能够加快宏中观路网的建模和运行速度。
  第四,大规模交通网络混合交通流微观仿真技术,主要强调面向混合交通流复杂交互,而且要综合考虑道路系统中的人车路环境等多个要素,做更高精度、高可信度的仿真模型,同时适应大规模路网的仿真需求,解决大规模路网的精度以及它的仿真效率。
  第五,集成和示范验证。提出面向不同的业务需求,融合之前的研究成果进行实际的用,提高软件系统的集成度。
  对应于研究内容,项目组制定了九大预期研究成果,主要包括仿真架构、大型网络快速构建的多尺度和可视化,以及多模式、多尺度交通系统一体化模型,数据驱动的交通流态势的推演、宏中观仿真系统的速度和功能,微观仿真系统的精度,大规模仿真的速度和效率,以及面向业务的仿真流程设计和典型城市交通网络仿真系统集成平台的功能。

  三、重要进展及成果
  1.代表性成果一

  在轨道交通客流仿真系统里主要突破的是轨道交通客流和车流的耦合仿真难题。


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  在一些特殊情况下,轨道交通衔接公交是什么样的?突发事件发生时,道路管制会不会对客流、车流产生影响?传统的客流仿真很少考虑列车运行状态的变化,对客流的影响。
  在这个研究当中,主要考虑客流的出行行为和公交衔接的场景耦合,以及和列车运行过程的耦合,所以它是从协同调度和运行控制的方面,剖析了多模式交通网络运营与衔接机制,考虑了公交等其他方式对复杂场景下行为的影响,特别是封站、限流等突发事件下的反馈行为机制。
  课题已形成了相关理论成果,在后期疫情防控工作过程中,也得到了相关的应用。
  2.代表性成果二
  第二个代表性成果是身份感知数据驱动的宏中观交通仿真技术,以前数据收集往往是人工调查,获取的样本很少,成本很高,很难反映个体出行的差异性。本项目引入身份感知数据,包括手机数据、GPS数据等。身份感知数据量非常大是一个很明显的优势,但也存在应用场景高度重叠的麻烦、、采集机制和原理也存在差异等一系列问题。


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  在考虑数据的融合上,做了一些探索,基于移动通讯数据和移动端地图定位数据,进行了精准的个体出行感知和动态的OD提取,从而解析多模式网络生成机理与分布空间特征关系,重构宏中观层面涉及到的仿真关键模块。同时我们也有一些应用,完成了小时级的OD矩阵交通分配,实际上它是宏观的结果和微观的交通流短时预测进行结合,实现了交通流和虚拟仿真的交互。
  3.代表性成果三
  第三个代表性成果,是实现人-车-路强耦合的二维平面交通流微观仿真。传统的仿真系统里都是基于车道的仿真,但是实际的交通运行中,车辆的轨迹并不是严格基于车道,而是在二维平面上运行,同时不同类型的车辆和行人之间的交互非常复杂。
  基于以上背景,我们提出基于认知机理解析混合交通流的复杂交互机制,通过建立一套感知、决策、控制的仿真框架,实现了混合交通流在二维平面高精度的仿真,这也是我们在混合流仿真领域多年工作的成果,发表了高水平的成果。


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  同时我们把开发的一些高精度仿真模型放到了系统里,分别对高密度的交通流(比如快速路匝道)、以及混合流交叉口等做了建模仿真,达到了较高的精度。
  四、社会经济效益
  仿真系统的研发,一定不是一朝一夕可以做成的,所以项目组在交通系统仿真软件开发方面也有扎实的基础,包括由北京交通大学开发的轨道交通客流耦合仿真模型,东南大学团队开发的宏观交通仿真系统、同济大学团队开发的微观交通仿真系统等。目前我们重点在于仿真统增量提升、存量优化。不论交运之星,还是TESS都是15-20年前开始开发,但在本项目中,我们仍要继续开发新的版本,比如把基于身份感知数据驱动的精准算法、二维平面的仿真等放到原来的仿真系统里,同时考虑结合新业务需求增加一些一键式的流程设计,以及宏中微观一体化的联合仿真策略。
  1.科技创新与行业影响
  现阶段正在进行仿真软件的推广,不管是宏观软件,还是微观软件,都已经有设计院、高校购买我们的产品,正在逐步改变交通仿真核心技术受制于人的现状。


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  同时我们在积极促进行业的交流,包括编制规范等等。
  在技术的应用推广上,宏中观的仿真技术应用于北京交评技术平台。我们把宏观的系统和微观系统进行了初步尝试、对接,已应用于南京市城市交通管控方案优化工作中。开发的轨道线网客流仿真也用于北京、南京、济南、苏州等地铁线网的评估优化。
  2.应用推广与服务民生
  特别值得一提,很多专家都提到疫情对交通的影响,我们基于仿真软件,助力新冠疫情防控,比如重庆市交通仿真平台可实现,对疫情期间错峰上下班、交通微循环优化组织、定制公交等12类管控措施进行了方案制定及优化和评价。
  常态化疫情防控期间,基于仿真系统做了车辆错峰的方案,并且通过仿真和实测的比较,分析实测数据发现,该策略显著提高了重庆市的交通运行效率。
  此外在地铁的疫情防控中,也有同样的应用,包括怎么样限流、在哪些线路上限流,把地铁、网络、客流的仿真和疫情做一个融合,有效地解决了北京地铁和济南地铁在疫情期间运行的难题。
  五、下阶段工作计划
  按照科技部对中期检查的要求进一步推进落实项目,加强成果的示范应用,特别是多尺度、一体化地仿真。要打破国外垄断,改变交通仿真核心技术,受制于人的现状,推动行业和产业的发展。

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