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中国智能交通协会

城市交通系统虚拟仿真平台助力重庆桥隧错峰通行研判

2022-07-01   来源:中国智能交通协会


李东亚、许汝峰、赵德、辜继东
1.东南大学 交通学院
2.重庆市城投金卡信息产业(集团)股份有限公司


  一、引言
  2020年,疫情得到有效控制后,重庆企事业单位逐渐开始复产复工,居民对小汽车方式的依赖程度明显增加,城市主要过江通道拥堵十分严重,这对重庆市践行“交通强国”建设纲要带来了新的挑战。重庆市城建、交通、交管等管理部门提出了居民错峰出行的建议,要求短时间内快速制定具体方案并形成方案评估报告。东南大学交通学院与重庆市城投金卡信息产业(集团)股份有限公司临危受命,通过项目组快速调研、科学部署与全面统筹,依托城市交通系统虚拟仿真平台,完成了方案的制定、论证、仿真和评价,并协助重庆市出台了《重庆中心城区高峰时段桥隧错峰通行通告》。错峰出行政策实施后,重庆市主要桥隧拥堵大大缓解,居民出行时耗也有所降低,得到了重庆市有关部门与市民的一致认可,大大降低了日常缓堵的压力和资源投入,经济效益和社会效益显著。

  二、技术研发背景
  从2020年3月底以来,随着重庆市疫情逐渐好转,企业复产复工,居民对小汽车方式的依赖程度明显增加。逐步增加的小汽车出行需求导致了道路网络交通负荷增加,主要通道交通拥堵加重;特别是在早晚高峰,在出行总量降低的情况下,市区部分干道的拥堵状况开始出现超越平时的现象。如何在保障有效“抗疫”的同时,科学有序恢复居民出行,提升交通系统的运行效率,成为摆在重庆市交通管理者面前的一道难题。重庆市相关部门提出了错峰出行的建议,以期科学有序的恢复居民出行,确保重庆城市交通系统与国家交通运输发展战略深度融合。
  为了对错峰出行方案进行研判,东南大学交通学院王炜教授团队临危受命,第一时间奔赴重庆现场调研,为重庆缓堵把脉,为效率提升出谋。基于对重庆现场情况的调研与分析,东南大学交通学院科学部署、全方位动员、全领域统筹,结合重庆市丰富的交通数据资源,充分利用学科在虚拟交通仿真决策、人工智能、大数据分析、并行计算等领域的理论知识、关键技术、硬件资源与软件产品,及时完成了方案制定、论证以及结果仿真与评价,助力疫情期间重庆交通系统的科学化管理与决策。
  三、方案设计与仿真评估
  (一)方案设计
  项目组依据重庆市居民出行调查报告及平台数据库分析了重庆市居民出行特征和道路交通特征。我们发现重庆主城居民出行具有早晚出行高峰特征明显,重要通道高峰小时相对集中等特点。根据分析结果,重点对行业错峰和车辆错峰两类方案进行了详细评估。其中行业错峰是指对城市部分行业实施错峰上下班,车辆错峰是指对主要桥隧在高峰时段进行限号。重庆市居民出行时间分布特征如图1所示。


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(a)按出发时间 (b)按出发时间

图1 重庆市居民出行时间分布特征


  (二)城市虚拟交通系统的框架体系
  基于东南大学与重庆市城投金卡信息产业(集团)股份有限公司联合开发的“重庆市交通系统虚拟仿真平台”能协助决策者在短时间内把握城市交通系统运行状态、诊断城市交通系统现状问题、分析交通规划与设计项目的潜在交通影响。
城市虚拟交通系统的框架体系主要包括基础数据库、分析模型库、平台软件库和备选预案库这4大部分(见图2):


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图2 城市虚拟交通系统的框架体系


  1. 基础数据库是通过对多源交通大数据的提取、加工和融合形成的标准化数据库,涵盖所有服务于城市交通系统决策支持平台的交通大数据;2. 交通分析基础模型库是城市虚拟交通系统的内核,包含了能够揭示新型城镇化背景下的城市交通系统供需平衡机理的各种交通分析基础模型;3. 软件模型库是城市虚拟交通系统的支撑,“重庆市交通系统虚拟仿真平台”能够进行我国特有的交通管理控制措施及交通政策的效果分析;4. 重庆虚拟交通仿真平台具有面向业务功能的分析流程,并进行“一键式”仿真的流程指引,非专业人员也能在“重庆市交通系统虚拟仿真平台”上完成某一项具体业务的方案设计、系统分析与仿真评估。
  (三)交通方案量化测试与仿真评估技术
  本项目提出了面向中国城市特征的交通方案量化测试与仿真评估技术,通过对我国与城市交通相关的多维异构数据的深度分析,构建符合我国社会经济发展状况、异质交通流特征和差异化交通行为特点的交通分析模型体系,量化各种交通方案与交通现象之间的相互影响与相互作用关系;基于计算机语言实现交通方案的输入与交通现象的模拟,提出城市综合交通系统的仿真评估技术,实现我国交通环境下各项交通方案的仿真测试,为相关政府部门提供有力的决策支持。
  城市交通方案量化测试与仿真评估技术逻辑图如图3所示。主要包括了城市形态与土地开发方案仿真测试技术、城市交通规划与建设方案仿真测试技术、城市交通管理与控制方案仿真测试技术、城市交通发展政策制定方案仿真测试技术四个方面,覆盖了城市土地开发、交通规划建设、交通管理控制、交通政策制定等与城市综合交通系统相关的多层次交通方案量化测试与仿真评估需求,可以大大提升交通系统方案分析与评估的精确性、科学性及效率,有力的支撑了城市实现精明交通规划、精致交通设计与精准交通管控。


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图3城市交通方案量化测试与仿真评估技术逻辑图


  (四)宏观定量化分析流程
  1. 现状分方式OD矩阵获取。在“重庆市交通系统虚拟仿真平台”的基础上,通过重庆市RFID数据,推算现行交通状况下各交通方式OD矩阵,在平台上模拟出重庆市现状路网的交通运行状况。
  2. 错峰出行方案对居民出行时变系数影响。通过分析行业错峰中拟错峰的行业和时间段,以及车辆错峰中拟错峰的桥梁和时间段,分析错峰方案对居民出行时变系数的影响。
  3. 错峰出行方案影响下的分方式OD矩阵修正。重庆市交通网络基础数据库涵盖了小汽车、公交车、货车、出租车以及摩托车5中出行方式的OD矩阵,根据错峰方案,修正现状的各交通方式OD矩阵,得到错峰方案影响下的各交通方式OD矩阵。
  4. 错峰出行方案OD矩阵高峰小时网络交通分配。在“重庆市交通系统虚拟仿真平台”上,根据现状OD和错峰方案对应的OD,一键式运行仿真系统,快速得到现行交通状态下的运行结果和错峰方案下的仿真结果及其对比效果。
  5. 方案实施前后的交通网络运行特征值的分析。通过比对重庆市交通网络流量、道路运行效率、能耗与排放等多运行指标的前后变化,定量化评价各错峰上下班各方案的运行效果。
  (四)虚拟仿真评估及阶段性成果
  基于“重庆市交通系统虚拟仿真平台” 对方案实施后的效果进行定量化、精细化、可视化系统评估,方案实施前后的路段流量差值分布图如图4所示。分析结果表明,行业错峰方案实施后,全路段平均速度显著提升,全路段平均流量显著减少,主要通道平均速度稍有增加,主要通道平均流量稍有减少;但该方案所涉企事业单位较多,实施难度较大。该方案实施对整个交通网络的交通质量有一定改善,但仍然没有缓解主要通道的交通拥堵。车辆错峰方案实施后,全路段平均速度有所降低,全路段平均流量稍有增加,主要通道平均速度显著增加,主要通道平均流量显著减少;该方案仅涉及部分道路的管控,实施难度低,对居民的出行影响也较小。综合来说,车辆错峰方案可实施性较好,主要通道拥堵缓解效果显著,得到了重庆市政府及交管部门的一致认可;行业错峰方案可依据重庆市发展作为长远管控措施,在以后条件允许时逐步实施。最终,重庆市政府采用了所建议的车辆错峰方案,对主城区14座过江桥梁、1个隧道实施工作日早晚高峰限行措施。


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(a)行业错峰方案 (b)车辆错峰方案
图4 方案实施前后的路段流量差值分布图


  2021年4月10日,市公安局交巡警总队发布桥隧错峰通行实施1个月交通变化大数据。数据显示,早晚高峰时间,日均拥堵时长缩短27.9%,公共交通客流量增加9%,更多人选择公共交通出行。根据车辆全天24小时使用分布特征监测,高峰时段车辆使用量占比较错峰前降低2.4%,占全天车辆使用总量的26.3%。重庆市错峰出行实施效果如图5所示。
  错峰通行政策实施后,全天客流方面,公共交通日均运送乘客768.3万人次,同比增加8.2%。其中,地面公交日均运送430.6万人次,同比增加13.3%;轨道日均运送337.7万人次,同比增加2.2%。高峰时段客流方面,公共交通早晚高峰运送乘客311.0万人次,同比增加9%。


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图5重庆市错峰出行实施效果


  错峰通行政策的实施,一定程度上减少了居民出行的时耗,重庆市在高德地图的全国城市拥堵排名由第1位迅速跌至第28位,得到了重庆市委、市政府及相关部门的一致认可,称赞“小切口”惠及“大民生”。并且,该政策也大大减少了日常缓堵投入的人力、物力,产生了显著的经济效益和社会效益。
  五、主要经验及做法
  针对疫情期间公交系统运力调整、私人小汽车出行需求猛增所导致的交通拥堵问题,传统“头痛医头,脚痛医脚”的盲目治理手段治标不治本,只能暂时缓解交通拥堵,无法从源头上解决内在的交通供需矛盾。疫情期间交通的问题涉及抗击疫情、服务出行、保障经济、聚焦民生等多方面,问题的缓解与解决需要进行深入的调研,通过对现状问题的充分分析,把握问题蕴含的交通科学内涵,并针对性的提出交通管理措施与解决方案。
  错峰出行方案实施效果,很大程度上依赖于方案控制变量的决策,如方案实施对象、方案覆盖区域、上下班具体时间节点等,方案的制定难度很大。除了错峰出行政策,项目组全面统筹,多头并举,从交通需求引导、交通管理控制和交通系统优化三方面出发,提出了涵盖错峰出行、交通微循环组织、定制公交等在内的十二类交通管理措施,全面覆盖市政府、发改委、交警支队、公交公司与住建委等交通管理相关部门。措施的提出充分结合重庆市地方特色,并针对不同片区的特征,对管理措施进行了科学组合与合理优化。交通管控措施优化方案仿真效果对比图如图6所示。



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图6 交通管控措施优化方案仿真效果对比图



  项目开展中遇到的最大问题是,针对错峰出行政策的论证,市政府要求在很短时间内制定出具体方案并给出方案评估报告,并且方案制定与论证过程涉及到市政府、城建、交通、交管等多个部门。面对“任务急、时间短、要求高、跨部门”的实际情况,项目组采用前期建立的重庆市城市数据库和重庆市交通系统虚拟仿真平台对两大类16个子方案进行了快速仿真分析与综合评价,通过科学定量的评价指标分析,对各部门的争议部分提供了决策支持。