城市虚拟交通系统——理论基础、关键技术与案例分析

第1章 绪论 1.1 城市虚拟交通系统的提出 1.1.1 我国城市交通发展现状 改革开放以来，我国城市交通发展经历了 20 世纪末的大规模基础设施建设、21 世纪初的现代化管理、小汽车进入家庭后的机动化转型以及当前的智能化服务4 个发展阶段[1]；我国仅用 40 年时间就走过了发达国家 100 多年的城市发展历程，发展速度之快、面临问题之复杂、技术难度之大全球罕见。这期间，我国城市道路的交通方式也经历了自行车主导、机动车与非机动车混行、机动车主导的重大转型。 城市交通系统的快速发展与我国近 40 年来的快速城镇化关系密切。快速城镇化造成了城市规模扩大，居民出行距离增加，引发城市居民的机动化出行需求量大幅度增长，私人小汽车大量进入家庭，交通基础设施建设跟不上小汽车增长速度而导致城市交通系统供需失衡，道路交通拥堵严重 (图 1-1)。如南京市 20 世纪 90 年代的城市居民平均出行距离不超过 2km，非常适合自行车出行，居民出行的自行车占比在上下班高峰小时高达 60％，但近几年南京市的居民平均出行距离已经上升到 6km 左右，需要机动化出行，私人小汽车拥有量从 2000 年的 2 万辆增加至 2020 年的 200 万辆à，20 年间私人小汽车拥有量增加了近 100 倍，而同期城市道路里程仅增加了 2.5 倍左右，相应的道路车道-里程增加也不超过 5 倍。全国的情况也是如此，根据国家统计局 2020 年数据à，2004～2019 年我国私人载客汽车保有量从 1070 万辆增长至 20700 万辆 (增长了 18.35 倍)，而城市道路里程仅从 22.3 万 km 增长至 45.9 万 km (增长了 1.06 倍)。城市交通系统供需严重失衡，造成了道路交通拥堵、交通事故频发、生态环境污染等一系列城市问题。 图 1-1 城市交通系统发展阶段 当前，我国城市交通系统仍然处在交通结构转型期，在快速城镇化、出行机动化的双重压力下，城市交通系统严重供需失衡，单靠道路设施建设无法满足城市居民机动化出行需求。缓解城市交通系统供需矛盾的总体策略是构建公交主导的城市交通系统供需平衡体系[2，3] (图 1-2)，具体措施包括：.1 在交通源头，采用以公共交通为导向的城市土地开发模式 (TOD)，降低私人小汽车出行的交通需求，引导城市综合交通系统的供需平衡；.2 在交通设施建设过程中，构建以中大运量轨道交通为骨干的城市综合交通网络体系，增强城市综合交通体系的系统协同，大幅度提升交通网络的机动化运输能力来满足居民出行的机动化需求；.3 在交通末端，发展公共交通优先的城市智能化交通管理系统，提高道路交通系统的通行效率。在具体的实施过程中，需要精明的交通规划、精致的交通设计、精细的交通组织、精准的交通管控等措施为保障，以实现城市交通系统建设从增量积累到存量发展、从能力建设到效能提升的根本性转变。 图 1-2 公交主导型城市交通系统供需平衡体系 1.1.2 城市虚拟交通系统需求分析 城市交通系统的可持续、高质量发展，要以城市交通系统的精明规划、精致设计、精细组织与精准管控为基础，而实现 “四精” 目标，需要一套完整的城市交通系统高质量发展决策支持与系统管理技术，但我国城市交通系统近 40 年的发展过程中，决策支持技术、系统管理技术远远落后于工程建造技术。近 40 年来，我国各大城市基本建成了现代化的交通基础设施，硬件设施的建造技术已经达到à 数据来源于国家统计局 2020 年数据，http://了世界先进水平，但我国在城市交通系统发展过程中的决策支持能力与系统管理水平的不足，造成已经建成的城市交通系统运输效率低 (交通功能存在问题)、服务能力差 (系统功能存在问题)。提升城市交通系统的决策支持技术、系统管理技术水平是我国城市交通系统高质量发展的当务之急，而城市虚拟交通系统及其仿真平台是提升城市交通系统决策支持能力与系统管理水平的基础。 1. 构建公交主导型城市交通系统供需平衡体系的需要 构建公交主导型城市交通系统供需平衡体系是缓解大城市交通拥堵等一系列交通问题的根本出路，而该体系的构建需要以城市虚拟交通系统为平台开展，以实现城市综合交通系统的智能化、政府职能部门之间决策的协同化。但是，当前各城市正在建设的城市智能交通系统 (ITS) 存在技术缺陷，一方面，基于大数据技术解决城市交通问题的交通分析能力与虚拟仿真能力尤其缺乏，无法支撑跨部门协同决策；另一方面，政府职能部门的业务 “条块分割”，与城市交通系统相关联的业务方案论证 “各自为政”，难以实现跨部门协同决策。 因此，我国亟须建立基于大数据、人工智能、虚拟仿真等前沿技术的城市交通发展协同决策支持模式。通过海量交通数据的汇集、融合、应用，交通分析模型的构建、优化，提高城市交通规划与管控的精准化、科学化水平[4， 5]；运用 “统一的数据、统一的模型、统一的软件”，建立城市交通系统多部门协同机制，构建共享的城市虚拟交通系统与协同决策支持平台[1]，赋予 “城市交通大脑” 交通优化的思维能力，切实提升对政府决策的支持能力与效率。 2. 支撑城市交通系统规划、建设与管理方案科学决策的需要 城市虚拟交通系统突破了交通大数据应用由感性的交通状态感知上升为理性的出行需求认知的技术瓶颈，使交通大数据能真正用于提升城市交通系统规划、建设与管理水平。基于相关理论模型、系统软件、测试平台，城市虚拟交通系统可对诸多政府决策环节 (如城市土地利用、交通政策制定、交通设施建设、交通管理控制等) 提供精细化、定量化、可视化、快速反应的决策支持，以确保 “城市交通大脑” 具有交通优化的思维能力。 城市虚拟交通系统的主要功能之一是，通过融合来源于多部门的交通数据，构建统一的标准化交通数据库，提供统一的交通模型与分析方法，建立共享的跨部门协作平台，实现对交通系统规划、建设、管理等应用场景下各类业务方案进行定量化、精细化、可视化的虚拟仿真。在共享的城市虚拟交通系统平台上，形成多部门协作的决策机制、决策方案论证的虚拟仿真一体化技术流程，可以随时待命、快速响应，有效满足政府部门的宏观、中观、微观等多方位交通方案的决策需求。 3. 实现城市交通系统虚拟仿真关键技术自主化的需要 城市综合交通系统的主体往往是由数百万居民、上百万车辆在大型交通网络上的出行行为所组成的复杂巨系统，开展超大网络交通仿真必须依托于大型平台软件。在城市道路网络仿真方面，虽然已有众多交通仿真商业软件应用于城市交通规划实践，但其基本理论多为交通分析 “四阶段模型”，仅适用于分析城市交通基础设施建设对全局交通的影响，代表性软件有 TransCAD、EMME、PTV Visum、Cube 等。 当前，国内交通仿真分析软件基本上被国外仿真软件所垄断。国外软件尽管具有灵活的分析能力与丰富的显示功能，但用于我国交通业务场景往往 “水土不服”。除了道路交通运行特征不同，国外交通仿真模型不能反映中国道路交通特点外，国外交通仿真软件仅侧重城市规划和交通规划，无法对基于中国特色的交通管理措施、交通控制策略、交通政策法规等业务场景开展交通网络运行仿真分析；国外仿真软件在使用过程中需要用户基于专业知识进行二次开发，而非专业人员很难根据特定的业务需求有效使用这些国外软件。因此，我国亟待开发符合我国城市交通特点、覆盖城市交通相关职能部门业务场景且操作简便的城市交通仿真分析平台软件，为我国城市交通系统开展跨部门协作提供决策支撑，助力 “城市交通大脑” 的建设。 1.2 城市虚拟交通系统基本原理、框架体系与系统设计 1.2.1 城市虚拟交通系统的基本原理 城市虚拟交通系统是利用数字孪生等新技术构建的与现实城市交通系统平行的数字交通系统。 城市虚拟交通系统是通过对城市居民出行需求、道路网络交通流量、公交网络乘客流量、综合交通网络结构等现实交通系统参与对象 (包括人、车、路、环境、信息等) 进行数字化抽象，通过构建仿真模型来模拟现实交通系统的演化规律与供需平衡机理，在计算机分析平台上构建的与现实交通系统具有相同交通特征的数字交通系统[6]。 城市虚拟交通系统还包括面向不同业务部门、不同应用场景而建立的预案库，以及基于 “统一的数据、统一的模型、统一的软件” 而构建的虚拟仿真共享平台，并为解决交通问题的各类预案提供 “一键式” 交通仿真技术，实现交通方案实施效果的定量化、精准化、可视化评估，以及快速反应的决策支持。 城市虚拟交通系统的目标是为 “智慧城市”“智慧交通” 建设提供全方位的交通系统分析与仿真技术支撑，包括进行各类应用场景业务方案 (如城市土地开发、交通政策制定、交通设施建设、交通管理控制、交通安全保障等) 对城市交通系统产生影响的定量化、可视化综合评估与方案优化设计，开展跨部门协作方案 (涉及城市规划、交通建设、交通管理、公共交通、交通政策等) 的制定，政府决策方案的论证分析，促进城市交通系统的跨部门协同与无缝衔接，支撑政府部门高效、科学的决策与管理 (图 1-3)。 图 1-3 城市虚拟交通系统基本原理 1.2.2 城市虚拟交通系统的框架体系 城市虚拟交通系统由基础数据库、分析模型库、软件模块库、对策预案库 4 部分组成 (图 1-4)。 图 1-4 城市虚拟交通系统的体系构成 (1) 基础数据库是城市虚拟交通系统的基础，通过对多源交通大数据的提取、加工、融合形成标准化交通数据库，直接服务于城市虚拟交通仿真平台开展交通系统分析，并为交通方案决策提供支持。 (2) 分析模型库是城市虚拟交通系统的内核，它起到了赋予 “城市交通大脑”交通优化思维能力的作用。交通分析的数学模型构建应依托交通大数据，针对新型城镇化背景下的城市交通系统构成要素与基本特征，在剖析城市交通系统的演化规律与供需平衡机理的基础上开展，以满足对城市交通系统规划建设、运行管理、安全保障、政策制定等进行交通分析的业务需求。 (3) 软件模块库是城市虚拟交通系统的重要技术支撑，它将交通分析数学模型通过计算机编程转变为实用工具，为使用者提供友好的人机交互，可靠的仿真功能，精确的评估指标、分析报告和动态直观的可视化结果。 (4) 对策预案库是城市虚拟交通系统为城市交通系统高质量发展而提供的各应用场景交通问题解决方案模板与流程设计，能实现相关业务部门对交通问题解决方案的优化设计，以及不同业务部门对同一个交通问题解决方案的跨部门协同或同一个业务部门对不同交通问题解决方案的系统协同。通过面向业务功能的“一键式” 分析流程设计，可满足非专业人员在城市虚拟交通系统平台上对各类交通方案开展交通仿真分析的业务需求。 1.2.3 城市虚拟交通系统的系统设计 城市交通系统涉及多个城市职能部门，解决城市交通问题需要跨部门的协同与配合 (图 1-2)，而城市虚拟交通系统是实现城市交通问题解决方案跨部门协同的决策支持平台 (图 1-3)。 城市虚拟交通系统通过 “统一的数据、统一的模型、统一的软件、共享的平台” 实现城市交通问题解决方案的跨部门协同与系统优化。 (1) 统一的数据：与城市交通相关的各职能部门，都有服务于自身业务的数据库，但只是局部数据库。由于城市交通系统的开放性与复杂性，以及部门数据库的局限性，各职能部门用各自的业务数据库分析同一个交通问题，往往会得出不同的结论。构建统一的、标准化的数据库是城市虚拟交通系统的基础。 (2) 统一的模型：城市交通系统的基础理论研究已有几十年，交通分析模型种类繁多，每一个模型都有特定的应用场合与参数要求。同样的道理，各职能部门采用不同的模型分析同一个交通问题，也会得出不同的结论。