一、概況

道路交通系統(tǒng)仿真作為一種在國際上日益受到重視的新興技術，能夠再現(xiàn)當前的交通運行狀態(tài)，完成交通組織方案的定量評估分析，進而對交通組織管理、交通事件預警和評估、交通基礎設施規(guī)劃建設、交通政策可行性分析研究提供量化的決策依據(jù)?；趨^(qū)域道路交通運行特點，其交通組織和控制方案的設計和實施必須經(jīng)過反復的論證，并借助科學的手段或工具對其進行定性和定量的評價，交通組織仿真為此問題提供了良好的解決方案。

仿真平臺作為智能交通系統(tǒng)建設規(guī)劃的一個重要子系統(tǒng)，能夠根據(jù)交通流檢測系統(tǒng)、交通誘導系統(tǒng)和交通信號系統(tǒng)等智能交通系統(tǒng)提供的交通流數(shù)據(jù)，通過交通仿真技術模擬當前的交通運行狀態(tài)，完成交通組織方案的定量評估分析，并根據(jù)交通數(shù)據(jù)對交通異常情況進行分析，進而對交通組織管理、交通基礎設施規(guī)劃建設、交通政策可行性分析研究提供量化的決策依據(jù)。

二、技術路線與關鍵技術

（一）技術路線

仿真平臺將在充分調查現(xiàn)有的智能交通系統(tǒng)框架結構的基礎上，對仿真平臺的需求進行詳盡的分析和定義；在此基礎上進行仿真平臺設計和測試方案設計，并確認設計方案是否能夠滿足用戶的需要；在能確保設計滿足用戶需求的基礎上，遵循設計方案進行軟件開發(fā)，在軟件開發(fā)過程中及完成以后，開發(fā)的模塊要按照測試方案進行反復的、嚴格的測試；系統(tǒng)聯(lián)調測試通過以后，進入試運行階段；系統(tǒng)通過驗收以后，系統(tǒng)進入維護期。

圖 1 關鍵技術路線

（二）關鍵技術

1、交通仿真器選型

微觀仿真模型與交通的擬合程度決定了平臺的精度，因此平臺建設中仿真模型的選取至關重要。目前國內常用的微觀仿真軟件包括VISSIM 、TransModeler 、CORSIM、Paramics和AIMSUN等幾種。

表 1 微觀交通仿真軟件對比表

CorSim在交叉口仿真方面比其他模型稍差，但對較大規(guī)模路網(wǎng)仿真的效果較好。此外，盡管CorSim是商業(yè)軟件，但它具有開放源碼，為研究人員從底層開發(fā)和改進提供了可能；VISSIM、Paramics、AIMSUN無論在交叉口仿真還是在較大規(guī)模路網(wǎng)仿真，都具有較高的效率；TransModeler繼承了MITSimLab的優(yōu)勢，增加了公交運輸?shù)饶Ｐ?，微觀仿真能力較高。值得重視的是，TransModeler將微觀、中觀和宏觀仿真模型無縫集成，并與GIS集成，構成了一個強大的綜合交通分析和管理工具。VISSIM對公交車輛的組成及運行特點作了一定的考慮，在交通流組成中考慮了摩托車、自行車及行人等。同時，最新版本的VISSIM模型還開發(fā)了基于“動態(tài)位勢”的行人模塊。

2、基于仿真的交通事件分析

一般的微觀交通仿真軟件并沒有提供對交通事件的仿真模擬模型，交通事件的仿真需要對仿真路段進行修改才能進行模擬，如減少一個路段的車道數(shù)量模擬路段上的交通事故等，但這樣的分析方法并不能準確的模擬交通事件的影響。因此平臺需要構建基于仿真的交通事件分析模型。

平臺將在仿真器的基礎上，在事件路段的車輛模型中，加入基于模糊數(shù)學的交通事件行為模型，結合實際的交通行為特征，提高交通事件模擬和方案分析的精度。

3、微觀仿真和宏觀仿真數(shù)據(jù)交換

平臺運行過程中，微觀仿真提供了對交通行為的精確描述，而宏觀仿真是在簡化的微觀仿真模型基礎上，對大范圍路網(wǎng)的簡要描述，因此微觀仿真和宏觀仿真模型間的數(shù)據(jù)交換對平臺平穩(wěn)、正常運行非常重要。系統(tǒng)平臺將以實時的動態(tài)交通流數(shù)據(jù)為基礎，建立微觀仿真和宏觀仿真間的數(shù)據(jù)交換接口，實現(xiàn)仿真結果的統(tǒng)一。

平臺宏觀仿真結果的輸出將作為微觀仿真模型運行時的交通數(shù)據(jù)的輸入，而微觀仿真結果將整合到宏觀仿真中，統(tǒng)一以GIS圖的形式進行展示，實現(xiàn)微觀仿真和宏觀仿真間的數(shù)據(jù)交換。

4、多源異構交通數(shù)據(jù)與交通仿真融合

平臺接入的數(shù)據(jù)可以有多種形式，如手機原始數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、RFID電子車牌數(shù)據(jù)、卡口數(shù)據(jù)等等。這些實時數(shù)據(jù)反映了交通運行現(xiàn)狀，是交通仿真的輸入，但是這些數(shù)據(jù)具有不同的交通信息類型，交通仿真模型（宏觀仿真模型和微觀仿真模型）仿真運行時輸入的一般都是交通流量，而速度、旅行時間和仿真平臺最關切的OD數(shù)據(jù)。

平臺將采用不同的處理技術將這些數(shù)據(jù)轉化為OD數(shù)據(jù)，將旅行時間作為交通分配費用函數(shù)的重要參數(shù)之一，實現(xiàn)交通仿真和多源異構實時交通數(shù)據(jù)的融合。

三、總體方案

仿真平臺是一個開放的平臺，將仿真系統(tǒng)平臺設計劃分為仿真核心子系統(tǒng)、仿真業(yè)務子系統(tǒng)、交通預警子系統(tǒng)、交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、GIS數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和仿真平臺管理子系統(tǒng)六個子系統(tǒng)能充分的實現(xiàn)平臺的開放性需求。其中仿真核心子系統(tǒng)、交通預警子系統(tǒng)、交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、GIS數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和仿真平臺管理子系統(tǒng)實現(xiàn)了平臺運行的核心模型和與交警支隊其它系統(tǒng)的對接，是平臺仿真業(yè)務子系統(tǒng)運行的基礎，實現(xiàn)了仿真的基本功能及數(shù)據(jù)的輸入；仿真業(yè)務子系統(tǒng)為交警支隊交通管理業(yè)務在平臺上的具體實現(xiàn)，是交通管理者與平臺交互的接口，仿真業(yè)務子系統(tǒng)根據(jù)不同的業(yè)務需求，通過調用仿真核心子系統(tǒng)、交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、交通預警子系統(tǒng)、GIS數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和仿真平臺管理子系統(tǒng)等系統(tǒng)，實現(xiàn)具體交通業(yè)務的仿真優(yōu)化。

（一）總體構架

1、系統(tǒng)功能

根據(jù)系統(tǒng)建設目標規(guī)定和系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)需要完成的功能可以劃分為客戶端應用、后臺服務、數(shù)據(jù)采集三個方面。

圖 2 仿真平臺功能構架

仿真平臺后臺服務分為六個子系統(tǒng)，即交通仿真核心子系統(tǒng)、交通仿真業(yè)務子系統(tǒng)、交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、交通預警子系統(tǒng)、GIS數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和仿真平臺管理子系統(tǒng)，承擔實時數(shù)據(jù)融合處理、數(shù)據(jù)存儲、交通事件檢測與預警、交通仿真運算、仿真結果存儲、平臺管理等功能。

仿真客戶端用于向系統(tǒng)后臺發(fā)出服務請求，并接受和展示仿真運算結果?？蛻舳送瑫r也用于仿真模型的建立、交通管控方案的設計以及交通事件報警等。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)一方面根據(jù)手機數(shù)據(jù)計算道路網(wǎng)的交通狀態(tài)以及交通OD，另一方面實時接收交警支隊已經(jīng)建成的信號燈路口檢測器數(shù)據(jù)、交通誘導系統(tǒng)交通流監(jiān)測數(shù)據(jù)、地磁檢測器數(shù)據(jù)、微波數(shù)據(jù)和視頻檢測器數(shù)據(jù)等以及GPS數(shù)據(jù)等，并將這些數(shù)據(jù)和基于手機數(shù)據(jù)獲得的交通流信息進行校正和融合，形成平臺仿真輸入的交通流數(shù)據(jù)，保證平臺仿真和事件預警交通流數(shù)據(jù)的實時性和準確度。

系統(tǒng)可以完成以下業(yè)務功能：

• 手機定位數(shù)據(jù)設置：接入海量手機數(shù)據(jù)，結合城市的交通特性，建設基于手機數(shù)據(jù)的交通信息采集子系統(tǒng)，實現(xiàn)基于手機數(shù)據(jù)的旅行速度與OD出行信息的準確獲取。

• 仿真建模管理：通過系統(tǒng)內的GIS數(shù)據(jù)，生成平臺的初始仿真模型。

• 路口方案仿真：實現(xiàn)路口方案的設計、仿真和評價。

• 區(qū)域方案仿真：實現(xiàn)區(qū)域交通組織方案的設計、仿真和評估。

• 交通事件監(jiān)測與預警：通過實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)比對和模型分析完成交通事件的監(jiān)測及預警。

• 事件仿真：實現(xiàn)事故、施工等事件的影響仿真和方案設計優(yōu)化和比選。

• 方案評估比選：通過排隊長度、旅行時間等指標進行方案比選，建立科學、合理的方案評估策略。

• 宏觀交通分析：通過交通仿真，對區(qū)域通行能力和剩余承載力進行分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)域交通瓶頸和選擇區(qū)域交通管理方案。

• 旅行時間分析：根據(jù)接收的實時交通流數(shù)據(jù)，分析路網(wǎng)內主要道路的實時旅行時間以及未來旅行時間；

• 路網(wǎng)顯示輸出：顯示路網(wǎng)的交通運行。

• 仿真動畫演示：以動畫的形式向客戶直觀的展示車輛的運行狀態(tài)。

• 評價報告生成：根據(jù)方案仿真結果，生成仿真評估報告。

• 仿真結果生成和處理：將方案仿真結果進行存儲，以備查詢。

2、系統(tǒng)架構

仿真平臺分為表示層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層三層，對應到物理設備分別是客戶機、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器?？蛻魴C實現(xiàn)人機交互功能；應用服務器端實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)融合計算、仿真運算和事件預警；數(shù)據(jù)庫服務器用于存儲數(shù)據(jù)。三層結構下各個子系統(tǒng)及功能模塊介紹如下：

圖 3 系統(tǒng)總體架構

（1）業(yè)務層

業(yè)務層的應用按處理數(shù)據(jù)類型和運算方式劃分為六個子系統(tǒng)，即交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、仿真核心子系統(tǒng)、仿真業(yè)務子系統(tǒng)、事件監(jiān)測子系統(tǒng)、GIS處理子系統(tǒng)和仿真平臺管理子系統(tǒng)。

（2）表示層

表示層的主要功能是向用戶提供仿真設置和結果顯示的接口，是具體交通管理業(yè)務邏輯在系統(tǒng)平臺內向用戶顯示的界面和操作流程，因此表示層是系統(tǒng)平臺易用性、可操作性的關鍵。

（3）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括四個數(shù)據(jù)庫，即實時數(shù)據(jù)庫、GIS數(shù)據(jù)庫、仿真數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)庫的主要功能如下：

• 實時交通信息數(shù)據(jù)庫通過接受來自手機信息、地磁檢測器、視頻檢測器、線圈檢測器和微波檢測器傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)校驗后存入實時交通信息數(shù)據(jù)庫，供GIS顯示和交通仿真使用；

• 交通模型數(shù)據(jù)庫通過系統(tǒng)開發(fā)的交通模型自動生技術，將模型以統(tǒng)一的格式存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。供仿真時使用；

• GIS模型數(shù)據(jù)庫以標準的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫格式記錄了路網(wǎng)的拓撲結構、道路通行能力以及交通事件等數(shù)據(jù)，可為宏觀仿真仿真和微觀仿真提供模型數(shù)據(jù)。

• 系統(tǒng)管理信息數(shù)據(jù)庫記錄了用戶登陸信息、系統(tǒng)日志等系統(tǒng)基礎信息，是系統(tǒng)安全運行的基礎數(shù)據(jù)。

以上數(shù)據(jù)庫為交通仿真模擬的道路運行狀況提供了基礎數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)平臺安全、快速和正常運行的保障。

（二）數(shù)據(jù)處理

1、數(shù)據(jù)輸入

仿真平臺的數(shù)據(jù)輸入可分為動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。

動態(tài)數(shù)據(jù)包括：

靜態(tài)數(shù)據(jù)包括：

2、數(shù)據(jù)處理及結果輸出

平臺的數(shù)據(jù)管理模塊將不同來源、不同格式的交通數(shù)據(jù)進行融合，為仿真平臺提供運行交通仿真所必需的輸入數(shù)據(jù)。主要功能如下：

3、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

平臺內部數(shù)據(jù)處理流程如下：

1. 系統(tǒng)接收移動運營商發(fā)送來的手機定位數(shù)據(jù)，計算道路網(wǎng)路段實時交通流的旅行時間和OD，然后入庫；

2. 系統(tǒng)接到交警支隊其它系統(tǒng)的實時交通流信息數(shù)據(jù)后經(jīng)過融合，計算出路段的流量、車速、占有率，然后存儲到數(shù)據(jù)庫；

3. 系統(tǒng)利用以上數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和其它交通（包括OD模式調查）調查數(shù)據(jù)推算實時OD和路段通行費用，然后入庫；

4. 系統(tǒng)利用路網(wǎng)GIS圖自動生成路網(wǎng)宏觀仿真模型，寫入宏觀模型庫；

5. 系統(tǒng)利用GIS圖自動生成路段微觀模型，并將路口路段模型進行連接，形成區(qū)域的微觀仿真模型，寫入微觀模型庫；

6. 使用生成的實時OD數(shù)據(jù)和實時道路費用數(shù)據(jù)利用路網(wǎng)宏觀模型進行動態(tài)交通分配，生成動態(tài)交通分配數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)庫；

7. 使用微觀交通仿真模型進行交通的微觀仿真，顯示仿真動畫和進行微觀仿真評價；

8. 使用宏觀仿真模型進行路網(wǎng)交通的宏觀仿真，顯示路網(wǎng)狀態(tài)和進行宏觀仿真評價；

9. 使用實時交通數(shù)據(jù)和歷史交通數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)交通路網(wǎng)內的異常路段，并利用宏觀仿真模型進行分析，對異常時間進行報警；

10. 根據(jù)實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和事件對交通的影響，利用微觀仿真模型對事件影響進行分析，并對處理方案進行評估。

圖 4 仿真平臺數(shù)據(jù)處理流程

3、數(shù)據(jù)庫

仿真系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)庫由實時交通數(shù)據(jù)庫，交通仿真數(shù)據(jù)庫，GIS數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫組成。

圖 5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計

（三）接口

系統(tǒng)接口設計基于SOA（Service-oriented architecture）架構，仿真系統(tǒng)平臺的各個子系統(tǒng)之間采用Web服務的方式提供信息訪問接口。

Web服務是解決應用程序之間互相通信的一項技術。是描述一系列操作的接口，它使用標準的、規(guī)范的XML描述接口。這一描述中包括了與服務進行交互所需要的全部細節(jié)，包括消息格式、傳輸協(xié)議和服務位置。而在對外的接口中隱藏了服務實現(xiàn)的細節(jié)，僅提供一系列可執(zhí)行的操作，這些操作獨立于軟、硬件平臺和編寫服務所用的編程語言。Web服務既可單獨使用，也可與其他Web服務一起，實現(xiàn)復雜的業(yè)務功能。

圖 6 仿真平臺接口

接口主要包括實時數(shù)據(jù)接口、GIS應用接口和仿真應用接口三類。其中仿真應用接口是平臺與仿真器的接口。

圖 7 平臺子系統(tǒng)與仿真器的接口

（四）用戶界面

用戶界面是平臺系統(tǒng)和用戶交互的接口，為了增加系統(tǒng)的易用性，系統(tǒng)開發(fā)過程中將根據(jù)交警支隊業(yè)務操作的一般操作，設置簡潔的用戶界面，幫助用戶方便的進行仿真方案設計、評價以及事件預警和評估。

1、用戶菜單

系統(tǒng)菜單放映了系統(tǒng)的主要功能，菜單的合理分類能加快系統(tǒng)操作的效率和縮短學習系統(tǒng)的時間，增強系統(tǒng)的易用性，系統(tǒng)的用戶菜單如下圖所示：

圖 8 客戶端用戶菜單

不同的登錄用戶，如仿真設計人員、交通管理人員、方案比選操作人員等，依據(jù)系統(tǒng)的使用權限規(guī)定，呈現(xiàn)的可用菜單有所不同。系統(tǒng)對特定登錄用戶不能使用的菜單項做不可用處理。

2、仿真建模界面

仿真建模界面的功能是建立道路模型以及設置道路的車道數(shù)、車道屬性等基本數(shù)據(jù)，界面如下圖所示：

圖 9 仿真建模界面

3、仿真界面

仿真界面以二維和三維的形式向用戶展示仿真運行的情況，給客戶以直觀的感受。

圖 10 仿真界面

4、統(tǒng)計分析結果輸出

仿真完成后，將各個方案的比較結果，以圖表的形式展示出來，供用戶進行方案決策。

圖 11 方案比較圖示

四、應用系統(tǒng)

業(yè)務層的應用按處理數(shù)據(jù)類型和運算方式劃分為六個子系統(tǒng)，即交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、仿真核心子系統(tǒng)、仿真業(yè)務子系統(tǒng)、事件監(jiān)測子系統(tǒng)、GIS處理子系統(tǒng)和仿真平臺管理子系統(tǒng)。

（一）交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)

交通流數(shù)據(jù)系統(tǒng)子系統(tǒng)負責接收、處理和融合實時交通流檢測系統(tǒng)等系統(tǒng)提供的實時交通數(shù)據(jù)以及根據(jù)手機數(shù)據(jù)計算交通流數(shù)據(jù)，以備GIS數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、事件監(jiān)測子系統(tǒng)以及仿真核心子系統(tǒng)調用。交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)包括以下一些模塊：

（二）仿真核心子系統(tǒng)

仿真核心子系統(tǒng)通過宏觀和微觀模型的仿真運算，實現(xiàn)交通狀況的計算機模擬和方案比選。該子系統(tǒng)是通過調用交通仿真軟件的微觀仿真器實現(xiàn)仿真計算，系統(tǒng)將通過開發(fā)仿真器接口，實現(xiàn)仿真器仿真器和平臺的深度融合，仿真核心子系統(tǒng)模型與交通的擬合度直接影響了平臺的最終仿真效果。

仿真核心子系統(tǒng)在接受客戶端請求后，根據(jù)客戶端提交的仿真方案、仿真模型需求（宏觀、微觀）、仿真時間以及仿真區(qū)域等參數(shù)進行仿真計算，在仿真計算結束后，將仿真的結果通過網(wǎng)絡傳輸給客戶端，由客戶端以動畫或者報表的形式輸出給最終客戶。

仿真核心模塊包括：

（三）事件監(jiān)測子系統(tǒng)

事件監(jiān)測子系統(tǒng)通過將實時統(tǒng)計的交通流數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)對比和模型分析，監(jiān)測道路上是否發(fā)生了異常事件。一旦確認了事件發(fā)生，系統(tǒng)將發(fā)出警報，預測事件的影響范圍及擴散速度，并同時將結果輸出在路網(wǎng)圖上。

事件監(jiān)測子系統(tǒng)包括：

（四）仿真業(yè)務子系統(tǒng)

仿真業(yè)務子系統(tǒng)是根據(jù)交通管理具體業(yè)務的特點，將仿真與交通業(yè)務進行結合，即仿真業(yè)務子系統(tǒng)通過調用仿真核心子系統(tǒng)、事件監(jiān)測子系統(tǒng)、GIS數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和交通流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)實現(xiàn)交通方案比選、設計和優(yōu)化。

仿真業(yè)務模塊主要包括：

（五）GIS處理子系統(tǒng)

GIS處理子系統(tǒng)一方面為平臺基礎模型的建立提供基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)仿真模型自動生成，另一方面在平臺運行過程中，GIS處理子系統(tǒng)為用戶精確定義仿真區(qū)域以及實時數(shù)據(jù)在仿真模型路段的定位提供幫助。

GIS數(shù)據(jù)子系統(tǒng)包括以下一些模塊：

（六）仿真平臺管理子系統(tǒng)

管理子系統(tǒng)主要負責管理用戶和維護平臺的正常穩(wěn)定使用，是系統(tǒng)安全運行的重要保障。

仿真平臺管理子系統(tǒng)包括以下功能模塊：

五、小結

總之，建設一個實時交通仿真平臺，一是需要選擇適合的交通仿真器，具有需要的仿真功能和便于二次開發(fā)；二是需要要采集或推算出準確的OD流量，這是所有交通仿真的出發(fā)點；三是要有充分的交通工程背景和技術整合能力，很好地理解應用場景和系統(tǒng)建設的目的，將仿真平臺和仿真器整合在一起，實現(xiàn)項目的建設目標。

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