城市交通规划中计算机仿真模型的回顾与最新进展

交通与物流・第六届（２００６）交通运输领域国际学术会议论文集Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｓ

城市交通规划中计算机仿真模型的回顾与最新进展杨齐＋（美国Ｃａｌｉｐｅｒ公司，１１７２Ｂｅａｃｏｎ

Ｓｔ，Ｎｅｗｔｏｎ，ＭＡ０２４６１，Ｕ．Ｓ．Ａ．）

摘要：本文简要综述为城市交通规划而开发的交通仿真模型及近年来所取得的新进展及面临的挑战。通过分析有代表性的几个交通仿真模型的特点，提出未来为城市交通规划服务的交通仿真模型应当具备的三个基本功能要求：（１）用动态交通分配方法随机选择仿真车辆行驶路径；（２）混合使用包括微观、中观或宏观仿真等不同模型，对较大范围交通系统进行模拟；（３）借助于地理信息系统和良好的用户界面，提高准备输入数据和分析输出结果的效率。关键词：交通仿真；城市交通规划；交通地理信息系统

１引言交通仿真模型的传统应用是在交通工程和交通管理领域。交通工程师们借助于微观交通模型，将复杂的道路交通现象以计算机仿真的形式进行模拟实验，通过动画和对仿真结果的定量分析，对比路网设计、交叉口信号配时、交通渠化以及其他道路交通管理措施的可选方案，找出可能存在的问题并分析其症结所在，在新建和改造工程实施以前，找出优选方案。这类主要以交通操作为目的的交通仿真模型一般不考虑车辆行驶路线的变化，需要用户指定交叉口流量流向的数据，所以它们一般只适用于范围较小和网络结构变化不大的情形。近年来随着个人计算机的普及和其速度的迅速提高，新一代交通仿真软件的开发和应用有了长足的进展。越来越多的交通规划人员在交通影响分析中也开始使用交通仿真模型，在用综合交通规划工具（如ＴｒａｎｓＣＡＤ、ＥＭＭＥ／２、ＴＲＩＰＳ和ＶＩＳＵＭ等）做出交通需求预测以后，进一步用微观仿真模型来分析未来的路网上交通需求与供给的动态关系，以弥补静态交通分配模型的不足，验证其假设前提（如通过能力和Ｖ／Ｃ比）和结果（预测行驶时间和流量）。然而，把传统的交通仿真模型应用于交通规划问题往往面临着诸多严峻的挑战。首先，交通规划问题涉及比较大的范围，一个项目所诱发的交通需求和未来路网的改善所带来的影响需要系统的全局分析，车辆路径选择的改变成为不能忽略的因素；其次，交通规划问题通常包括成百上千的路口和成千上万的路段，由于时间和资源的限制，加上各种不确定因素，在传统的微观交通仿真软件中准备详细到车道渠化、交叉交织和停车位置等微观交通仿真数

作者简介：杨齐，麻省理工学院交通运输专业博士。主要研究方向：地理信息系统、交通需求预测、交通规划和交通仿真的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｉｙａｎｇ＠ｃａｌｉｐｅｒ．ｃｏｍ交通与物流・第２删（２００６）交通运输领域幽际学术会议论文集据和分析其仿真结果往往成为一个十分艰巨的任务。新一代的交通仿真模型应当充分考虑到为大范围城市交通规划服务的交通仿真问题所

面临的特殊要求。其中三个最基本的功能要求包括：（１）包含进行动态交通分配的出行路径随机选择模块，以定义仿真车辆走行的路径；（２）混合使用包括微观、中观或宏观等不同类型的仿真模型，能够对一个较大范围交通系统中的不同区域同时进行不同精度的模拟；（３）借助于地理信息系统和良好的用户界面，提高准备输入数据和分析输出结果的效率。

２为均衡交通分配模型服务的交通仿真交通仿真模型在交通规划领域的最早一类应用是作为静态交通分配模型内部的一种辅助工具。这类模型局限于特定的应用目的，它的一个典型代表是英国的“仿真分配”模型ＳＡＴＵＲＮ［２１，６１。该模型是为评估交通控制和管理措施而开发的，交通分配模型中的流量时间延误函数被交通仿真模型所替代，但程序结构上仍然以传统的静态分配模型的算法来取得路网上流量的分配，只对车辆出行在时空上的分布给予了有限的考虑。

３动态交通分配与交通仿真模型与静态交通分配模型不同，动态交通分配在模型中考虑流量随时间的变化，这样它有能力对拥堵后溢现象和过渡饱和情况下的交通流进行处理。因为动态交通分配模型的这一特点，它近年来在研究领域受到青睐。虽然文献中已经有几个寻求分析解的动态交通分配模型【９，ｌ６Ｉ，

但动态交通分配模型的具体求解最后常常依赖于或分解成一个宏观或中观层次的交通仿真

模型。过去十年里，美国学者对动态交通分配模型的研究催生了几个动态网络分析和评价工具。麻省理工学院开发的ＤｙｎａＭＩＴ－ＰＥ２ｊ以及德州大学奥斯汀分校和马里兰大学开发的ＤＹＮＡＳＭＡＲＴ－Ｐ［８】就是这方面研究工作的结晶。虽然具体程序的实现和偏重点不同，但这两个模型都把中观层次的交通仿真与动态交通流在网络上的分配模型结合起来，旨在提供一个可用于城市交通规划中，评价一个项日诱发的交通流量的变化，研究道路网络的改善和交通管理措施的分析工具。因为中观层次的交通仿真能够适当地表现交通拥堵后溢现象和通过能力受限制的路口的时间延误，同时其计算速度又远快于微观层次的交通仿真，这一方法常是用于解决较大网络上动态交通分配模型的推荐方法。例如，法国的一个动态交通分配模型ＭＥＴＲＯＰＯＬＩＳ也是用中观层次的交通仿真模型来模拟路网上车辆的移动１７Ｊ，该模型还有一个特点是车辆始发时间是作为一个内在变量，并假定驾驶人员都会寻求一个费用函数的极小值，而这个被极小化的费用函数是出行时间和实际与期望到达时间之间的差值的加权值。加拿大的ＤＹＮＡＭＥＱ［１２】也是一个基于仿真的动态交通分配模型。其交通仿真模型用的是以“事件”（Ｅｖｅｎｔ—ｂａｓｅｄ）而不是“时间”（Ｔｉｍｅ—ｂａｓｅｄ）为基础的微观仿真，以便能有效地计算大型网路上的行驶时间和路口的延误。动态交通分配模型与那些只包含简单的车辆动态加载和容许车辆在仿真中途根据模拟的交通状况改变路径的交通仿真模型，应当明确地区别开来。在动态交通分配模型中，交通分配模型决定车辆的行驶路线和流量；交通仿真模型在给定车辆流量和行驶线路的条件下，杨齐：城市交通规划中计算机仿真模型的州顾卜孑最新进展模拟各路段和线路的行驶时间与延误。这两个相助相成的模块被整合在一个循环迭代过程，以便使行驶时间和车辆流量这两个相互依赖的变量之间获得一致对应。换句话说，它把交通流量作为行驶时间和延误的函数，使用循环的方法在网络中进行分配和重新分配，直到达到预先指定的某一收敛标准。相比之下，一个交通仿真模型可能提供了某种动态加载车辆和让车辆中途改变路径的能力，但它不一定提供在车辆选择的路径和决定这些路径选择的网络拥堵状态之间寻求一致性的机制，而是把这一重要的步骤留给模型的用户，用户需要编写自己程序，将交通仿真模型收入到一个更为复杂的模型系统才能完成这项任务。

４在大型网络进行交通仿真的尝试交通仿真模型作为对高级交通分配模型的补充在交通规划中的应用已久，近年来的一些研究尝试在规模相当于一般交通需求规划所涉及的大型网络直接应用交通仿真模型。但真正富有成效的这类应用还较为少见，而且基本上是停留在探索和研究性质。ＭＩＴＳＩＭ微观交通仿真模型曾经被用于美国依阿华州ＤｅｓＭｏｉｎｅｓ地区模拟其整个规划网科¨。Ｃｅｔｉｎ等人用一

个基于排队模型的交通仿真模型来研究整个瑞士早高峰时的交通流，并分析了如何用并行计算来实现这个模型，以便提高模型的运算速度【５Ｊ。把微观交通仿真用于大范围的交通网络所面临的一个最主要的障碍是有限的计算能力。虽然计算机技术的发展还在连续不断地提高其速度，大规模并行计算和多核多线程计算也可用于加快仿真模型的运算速度，但是在很大的网络上获取和管理进行微观交通仿真和模型校准所需要的数据有相当大的难度，其复杂程度和需要的费用往往限制了微观交通仿真模型在大范围的应用。这些困难可以借助ＧＩＳ技术和新近发展的其他技术手段（如基于ＧＰＳ和图像识别的网络测量和自动车辆识别，基于手机信号的出行信息调查）来克服，但中观和宏观层次的交通仿真模型由于其较少的计算能力要求，加上对数据的要求也不像微观仿真模型那样苛刻，它们提供了在大范围进行交通仿真的另一类选择。中观和宏观层次的交通仿真模型缺点是无法更详细地描述车辆之间的相互影响，而正是车辆之间的那些微妙复杂的相互影响是某些交通拥堵现象的主要诱导因素。这类模型也缺少表述驾驶员与先进交通管理系统和先进交通信息系统的相互作用所需要的模拟解析度。美国ＬｏｓＡｌａｍｏｓ核实验室开发的ＴＲＡＮＳＩＭ尝试了在大型网络上使用微观交通仿真的另一种思路。它是一个以城市交通规划为目的的交通仿真模型系统，其中包括基于出行活动调查的样本综合、路径选择、交通分配和微观交通仿真等模块。ＴＲＡＮＳＩＭＳ的微观交通仿真借用元胞自动机（ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔａ）的概念将车道按平均车长均匀分格，试图使用整数和分布式的并行计算来解决交通流在时空演化的问题，以满足大范围交通规划对仿真模型的计算速度的要求【ｌ４１。仿真的时间步长是一秒，在任意给定时刻，这些均匀分割的车道格子要么是空的，要么是实的。车辆的速度，也就是它从这一秒到下一秒所要穿行的格子数，必须取由格长所定义的几个有限的离散值。ＰＡＭＩＮＡ是另一个基于ＣＡ仿真模型的例子，该模型对车辆如何按照预先定义的路径移动和对路口信号控制的处理作了扩展和改进１１７，ｌ引。与中观和宏观层次的交通仿真模型类似，基于ＣＡ的仿真模型对交通流的表现能力非常有限，由于必须把连续的空间按固定的长度分割为离散的元，其过于简单化的抽象处理不能准确模拟拥堵状态下的交通流。交通‘－ｄ物流・第六膳（２００６）交通运输邻！域吲际学术会议论文集５混合解析度的交通仿真模型混合解析度的仿真模型把微观、中观或宏观交通仿真模犁统。在一个软件框架咀面，以发挥微观模犁能详细表述交通流运作的特长和中观及宏观模型运算速度快和容易准备输入数据的优点。对不同类型的模型进行软件整合有多种做法，比较常见的是在宏观层次上处理网络路径选择问题，在微观层次ｆ：对研究地段进行详细仿真。更复杂的整合还包括在同一次运算中，把不同解析度的交通仿真模型应用于网络的不同地段。混合解析度的交通仿真模型可以归纳为如下三个类型：（１）外包式；（２）接力式；（３）整合式。

５．１外包式交通混合仿真模型

外包式交通混合仿真模犁用解析度不同的模型分别对整个网络进行研究分析，或者一个模型在宏观层次上分析整个网络，另一个模型在微观层次上冉详细分析网络的某一部分。完全独旁的两个模型单独运行，种序运行期问两者之间没有任何商接的联系，只是把一个模型的输ｉ｜；作为另一个模型的输入，但两个模掣也可能被组合在一个循环过程，使两者输入输出之Ｉ’日Ｊ的交流迭代多次。例如，交通分配模掣的结果，或者一个中观及宏观模型给出的路段行驶时问、路口的转弯流量和时间延误，可以作为输入在微观仿真模型中用于决定车辆路径选择的依据。例如，Ｌｅｅ等１１ｏＪ一方面用宏观交通仿真模型ＦＲＥＱ来模拟可选施工计划和招标合