作為“區(qū)域—宏觀—中觀—微觀”一體化模型體系的中觀交通模型，以面向片區(qū)精細(xì)化交通改善設(shè)計(jì)和交通影響評價為出發(fā)點(diǎn)，采用“靜態(tài)動態(tài)分配相結(jié)合、整體中觀局部微觀”的建模方法，平衡建模效率與精度，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化交通設(shè)計(jì)各類指標(biāo)評估。因此，在進(jìn)行片區(qū)一級的交通分析時，中觀交通模型被認(rèn)為是較為適合的方法。與宏觀模型相比，分析精度大大提高，可得到車速、交叉口延誤、飽和度等較為具體的分析指標(biāo)，并且可進(jìn)行交叉口信號優(yōu)化分析；而與微觀模型相比，由于忽略了車輛間的相互駕駛影響，具有建模工作量小，運(yùn)行速度快，路徑分析功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，從而在成熟發(fā)展區(qū)域的交通分析倍受關(guān)注。

目前中觀模型的概念界定，與宏觀模型基于交通分配的理論和微觀模型基于車流仿真的理論有何異同，在業(yè)內(nèi)尚未統(tǒng)一明確。從模型軟件上來看，宏觀交通軟件TransCAD、VISUM、Cube、Saturn等和基于交通仿真的INTEGRATION、TransModeler、DynaMIT、DYNASMART，以及Caliper最新推出基于線層而非車道級路網(wǎng)模型的TransDNA，均在中觀交通模型領(lǐng)域得到不同程度的應(yīng)用。從應(yīng)用案例來看，系統(tǒng)建立中觀交通模型的典范城市為香港，于2002年建立覆蓋全市范圍的中觀交通模型(基于Saturn)，著重考慮了交叉口的轉(zhuǎn)向，信號配時等因素。上海、廣州、深圳等國內(nèi)城市在宏觀交通模型的基礎(chǔ)上，依托TransCAD、Cube、VISUM等軟件，對若干片區(qū)進(jìn)行小區(qū)地塊級細(xì)分、路網(wǎng)加密的方法，建立較為細(xì)致的模型。美國波士頓市中央干道工程(INTEGRATION)，城市級的底特律、鳳凰城、拉斯維加斯、佛羅里達(dá)杰克遜維爾等交通仿真系統(tǒng)(TransModeler)，相繼建立了中觀交通模型。

從國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)來看，目前流行的中觀交通模型，一是對宏觀模型進(jìn)行了局部細(xì)化，本質(zhì)仍是宏觀模型；二是較大范圍甚至是整個城市的微觀交通模型或準(zhǔn)微觀交通模型。而單獨(dú)的宏觀或微觀模型，是無法勝任精細(xì)化交通設(shè)計(jì)條件下的交通模型評估要求，必須重構(gòu)一種靈活的中觀交通模型技術(shù)方法，以適應(yīng)精細(xì)化交通設(shè)計(jì)各種指標(biāo)評估分析的要求。城市級的中觀仿真模型將是今后在線仿真的主要發(fā)展方向。以Caliper的產(chǎn)品為例，TransCAD是宏觀規(guī)劃模型為主，也有宏觀解析動態(tài)交通分配模型（DTA）；TransDNA是中觀DTA模型，可以利用規(guī)劃模型的線圖層進(jìn)行計(jì)算；TransModeler是微觀DTA模型，屬于微觀仿真，但也包含了中觀和宏觀DTA模型，可以同時進(jìn)行混合仿真。

1、精細(xì)化交通設(shè)計(jì)需求

精細(xì)化交通設(shè)計(jì)內(nèi)容包括片區(qū)對外交通連接設(shè)計(jì)、片區(qū)內(nèi)單行線交通組織、道路交織區(qū)漸變段設(shè)計(jì)、內(nèi)部交叉口渠化、燈控交叉口相位與配時、非燈控交叉口優(yōu)先通行設(shè)定、公交車站位置、停車場出入口位置、路邊停車、標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計(jì)、人行過街設(shè)計(jì)，如圖1所示；以上精細(xì)化設(shè)計(jì)深度除遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之外，均需要多方案的評估對比，在投入成本與道路公交運(yùn)行效率之間進(jìn)行權(quán)衡分析，定量化是多方案評估的準(zhǔn)則。

圖1 面向精細(xì)化交通設(shè)計(jì)的深度需求

交通模型獲得精細(xì)化交通設(shè)計(jì)各類指標(biāo)，主要通過兩種手段：交通集計(jì)分配與交通車流仿真。而交通分配可分為靜態(tài)交通分配和動態(tài)交通分配，交通仿真可分為中觀和微觀仿真。表1列出精細(xì)化交通設(shè)計(jì)所涉及的評估指標(biāo)及所需的交通模型實(shí)現(xiàn)手段。

表1 精細(xì)化交通設(shè)計(jì)涉及指標(biāo)與層次

從上表可看到，精細(xì)化交通設(shè)計(jì)必須依托交通分配和交通仿真，方能評估所有的指標(biāo)，目前流行的單純以宏觀的交通分配或微觀的交通仿真為理論基礎(chǔ)的中觀交通模型，均無法滿足精細(xì)化評估指標(biāo)要求。

2、靈活的中觀交通模型——理論與方法

深圳是國內(nèi)最早建立交通模型的城市之一，毗鄰香港特區(qū)，擁有絕佳地理和政策優(yōu)勢，作為深圳市委市政府重要的交通決策支持科研機(jī)構(gòu)，深圳市城市交通規(guī)劃研究中心股份有限公司（以下簡稱“深城交”）擁有體系完備、技術(shù)先進(jìn)的交通模型仿真技術(shù)——多層次一體化交通模型，建立覆蓋宏-中-微觀維度、涵蓋交通-用地-環(huán)境-安全-經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的交通模型體系，開展“事前-事中-事后”全流程評估與方案及時檢視，精細(xì)、深度地支持交通政策、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理決策。目前中觀交通模型已在深圳、成都、無錫、重慶、武漢、湛江、南昌、濟(jì)寧、日照等多個城市落地應(yīng)用，助推城市交通高質(zhì)量發(fā)展。

2.1、總體架構(gòu)

針對精細(xì)化交通設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，目前工作中往往會建立宏觀和微觀兩套獨(dú)立模型系統(tǒng)，分別進(jìn)行指標(biāo)的計(jì)算，但在實(shí)際應(yīng)用中工作量過大、數(shù)據(jù)無法銜接。因此需要重新構(gòu)建中觀交通模型理論與方法，提出一種靈活中觀交通模型的新方法，該技術(shù)方法以精細(xì)化交通設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，以片區(qū)綜合改善、交通影響評價、道路公交詳細(xì)規(guī)劃等業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)運(yùn)用一套模型體系，實(shí)現(xiàn)所有精細(xì)化指標(biāo)的評估計(jì)算，其總體理論架構(gòu)如圖2所示：

圖2 靈活中觀交通模型總體架構(gòu)

融入交叉口轉(zhuǎn)向與延誤的靜態(tài)交通分配，滿足成熟地區(qū)交叉口飽和度等指標(biāo)計(jì)算

成熟地區(qū)的精細(xì)化交通設(shè)計(jì)，交叉口占主要地位。交叉口是影響交通延誤的首要因素，通過模擬細(xì)化交叉口交通組織與控制，突出道路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交通延誤對道路交通流分配的影響。引入HCM延誤計(jì)算方法，重點(diǎn)細(xì)化處理交叉口，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向車道組、飽和流率及信號配時，模擬交叉口控制延誤，可使模型精度比普通宏觀模型提高2倍以上。

分時段控制的動態(tài)交通分配，更為真實(shí)地評估設(shè)施的最大承載能力

考慮到常規(guī)的靜態(tài)交通分配以1小時為分析時段，無法模擬真實(shí)的交通流相互作用、反饋與傳遞的影響，在評估設(shè)施容量時，模型結(jié)果與實(shí)際結(jié)果擬合效果不佳。因此，本文提出的靈活中觀交通模型，以面向精細(xì)化設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，按照交通生成規(guī)律將需求矩陣以5分鐘為間隔切分為12個，先后動態(tài)分配到路網(wǎng)中，從而得到路網(wǎng)負(fù)荷最為嚴(yán)重的尖峰時段，以此來評估設(shè)施的最大承載能力。同時5分鐘的切片，與交通運(yùn)行指數(shù)系統(tǒng)可以做到時間粒度一致性的匹配，多系統(tǒng)融合評估項(xiàng)目“事前-事中-事后“的影響。

用車隊(duì)組合代替?zhèn)€體車輛的中觀交通仿真，顯著提高仿真效率

傳統(tǒng)交通仿真，往往以車輛個體作為仿真單元，描述車輛加減速、換車道等詳盡信息，而在片區(qū)級交通仿真中，若全路網(wǎng)進(jìn)行車輛個體仿真，效率將顯著降低。因此，以若干車輛構(gòu)成的隊(duì)列為單元，描述車隊(duì)在路段和節(jié)點(diǎn)的集體行進(jìn)和轉(zhuǎn)向行為，而車隊(duì)內(nèi)部車輛關(guān)系可以用簡單的方式近似描述。這樣的做法將顯著提高交通仿真效率。交通元胞（Traffic Cell）由一排車輛（車隊(duì)）組成，這些車輛根據(jù)速度密度函數(shù)定義的交通動力學(xué)一起移動。這些元胞可能會合并和拆分取決于各種條件。對于每個交通元胞，模型根據(jù)元胞內(nèi)的車輛密度跟蹤元胞的平均速度。元胞中單個車輛的速度根據(jù)車頭時距和其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分配。交通元胞可能合并或拆分。在下圖中，有兩個交通元胞，一個包含車輛1-6，另一個包含車輛7-13。當(dāng)兩個交通元胞之間的距離差dij下降到預(yù)定閾值以下時，這兩個交通元胞被合并成一個交通元胞。

圖3 元胞（車隊(duì)）合并

另一方面，當(dāng)兩個車輛（例如，車輛6和7）之間的距離變得大于預(yù)定閾值時，交通元胞可以被拆分成多個交通元胞，如下所示：

圖4 元胞（車隊(duì)）組合

最后，當(dāng)兩輛車之間的間距大于自由流量閾值時，這些車輛以自由流速度而不是作為元胞的一部分獨(dú)立行駛。使用車隊(duì)組合代替?zhèn)€體車輛的方法，忽略了車隊(duì)內(nèi)部車輛間的相互關(guān)系，將大幅度提高仿真效率，使大范圍的系統(tǒng)仿真成為現(xiàn)實(shí)。考慮局部細(xì)致模擬的微觀仿真，提高精細(xì)化交通設(shè)計(jì)分析精度上節(jié)提到用車隊(duì)組合代替?zhèn)€體車輛進(jìn)行交通仿真，導(dǎo)致車隊(duì)在交叉口進(jìn)行分離時，對信號交叉口的配時模擬和延誤計(jì)算不盡合理。因此在信號交叉口處，應(yīng)局部引入個體車輛的跟馳理論，以真實(shí)地描述車輛的實(shí)際運(yùn)行，從而構(gòu)建整體中觀交通仿真，局部微觀交通仿真于一體的混合交通模型，從而更為精確地分析局部微觀范圍內(nèi)各種方案對于路段、交叉口交通的改善效果。

2.2、技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

交通小區(qū)劃分原則

交通小區(qū)以地塊為單元劃分，考慮建筑出入口布設(shè)特點(diǎn)，一般將相同出入口地塊劃分為一個小區(qū)。對小區(qū)地塊出入口的模擬，必須反映實(shí)際的進(jìn)出限制及位置，見圖5和圖6。

圖5交通小區(qū)劃分原則

圖6地塊出入口定義原則

路網(wǎng)與交叉口編輯方法

路網(wǎng)模擬——高精道路（車道級）及使用權(quán)限模擬。路段中加入?yún)^(qū)間段概念，同一路段可設(shè)不同漸變段或局部延展段，并考慮信號配時，見圖7和圖8，以提高模型評估精度。

圖7詳細(xì)的交叉口編輯

圖8信號配時設(shè)定要求

交通管理設(shè)置原則

交通管理主要包括：(1)路口交通管理：信號控制，讓路控制，見圖9；(2)車道使用管理：公交專用道，占道停車；(3)交通組織管理：貨運(yùn)禁行、路段限速。

圖9交通管理設(shè)定示意圖

需求矩陣獲得與校核方法

需求矩陣主要包括現(xiàn)狀矩陣、規(guī)劃年矩陣和其它年份矩陣，矩陣獲得方法如下：

(1)現(xiàn)狀矩陣：繼承上層次宏觀模型需求，根據(jù)小區(qū)細(xì)化為中觀需求矩陣和多時段矩陣；

(2)規(guī)劃矩陣：按照土地利用規(guī)劃，預(yù)測交通需求變化，結(jié)合宏觀模型得到未來矩陣；

(3)其它年份矩陣：通過現(xiàn)狀年和規(guī)劃年之間線性插值法得到。

靜態(tài)與動態(tài)交通分配方法

(1)靜態(tài)分配方法

傳統(tǒng)的宏觀模型靜態(tài)分配方法通常簡化或者忽略交叉口延誤。事實(shí)上，成熟地區(qū)的交通網(wǎng)絡(luò)流量分配與交叉口及信號配時有緊密的聯(lián)系。因此，靜態(tài)分配除了需要路網(wǎng)和OD文件之外，還需要交叉口轉(zhuǎn)向及飽和流率表、優(yōu)先控制設(shè)定表、信號控制相位表等，以計(jì)算交叉口延誤。延誤計(jì)算采用“基于流量的轉(zhuǎn)向延誤”方法，其中信號交叉口延誤采用HCM2000中提出的uniform或incremental模型計(jì)算；無控制交叉口延誤采用HCM2000中的臨界間隙函數(shù)計(jì)算。分配方法使用隨機(jī)用戶平衡(SUE)分配方法，即同一OD對的所有車輛路徑廣義成本不一定相同，這與成熟地區(qū)的實(shí)際情況接近。

(2)動態(tài)分配方法

動態(tài)分配將時變的交通出行合理分配到不同的路徑上，以降低系統(tǒng)總費(fèi)用。動態(tài)分配對于現(xiàn)狀精細(xì)化交通設(shè)計(jì)非常有意義。以現(xiàn)狀分時段的交通流量調(diào)查作為輸入，把現(xiàn)狀矩陣分成若干份時變矩陣（一般是5分鐘或15分鐘），依次地加載到路網(wǎng)上，需要指出的是，每份矩陣分配的路徑是動態(tài)變化的。采用動態(tài)交通分配方法，在較為擁堵區(qū)域的精細(xì)化設(shè)計(jì)中，可以避免部分因?yàn)榍胺竭^于擁堵而導(dǎo)致逆向堵塞的不合理情況，避免宏觀交通分配VOC大于1.0等極端情況出現(xiàn)。

中觀與微觀混合仿真方法

在進(jìn)行中微觀混合仿真時，需要指定路段中每個區(qū)間段的解析度(Fidelity)：中觀或微觀。根據(jù)以上的理論架構(gòu)，中觀以車隊(duì)為描述單元，忽略了各個車輛間的相互作用，在交叉口處會近似簡化處理，而微觀仿真將以車輛個體為單元，對車輛在交叉口排隊(duì)等進(jìn)行細(xì)致的模擬。設(shè)計(jì)模型時，首先定義整體片區(qū)模型的Fidelity應(yīng)為中觀層次，而對于需要微觀仿真的區(qū)間段，可通過新建一個屬性并指定為微觀仿真來定義。該屬性值是動態(tài)的，可根據(jù)實(shí)際需要修改，從而變換微觀仿真的位置。如圖10所示。

圖10 一體化的中觀與微觀混合仿真銜接與區(qū)別

圖11 深南大道改造前后對比

3、中觀交通模型應(yīng)用實(shí)踐——以深圳市前海中觀交通模型公共平臺及交通仿真系統(tǒng)為例

前海合作區(qū)是“一帶一路”、“自貿(mào)區(qū)”、“深港合作”、“粵港澳大灣區(qū)”等多項(xiàng)國家和區(qū)域戰(zhàn)略疊加的未來深圳核心區(qū)，高密度高強(qiáng)度開發(fā)，用地面積15平方公里，規(guī)劃建筑開發(fā)量2600萬平方米，以金融服務(wù)產(chǎn)業(yè)為主，號稱東方曼哈頓、未來之城、特區(qū)中的特區(qū)。雖已規(guī)劃“一高、三快、八主、十一次”的道路網(wǎng)以及十三條軌道線路（含四條城際線），但始終面臨著難以判斷未來前海交通需求規(guī)模，以及軌道設(shè)施是否足夠、道路交通是否擁堵、如何有序高效開展交通影響評價等難題。

為此，前海管理局委托深城交開展了前海中觀交通模型公共平臺及交通仿真系統(tǒng)項(xiàng)目，為多層次協(xié)調(diào)交通與地塊級土地利用提供決策支持。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，標(biāo)志著國內(nèi)首個中觀交通仿真公共平臺正式上線，“智慧前海”邁上新臺階。

大數(shù)據(jù)成體系全方面的決策

支撐項(xiàng)目以新一輪交通調(diào)查為基礎(chǔ)，結(jié)合浮動車GPS、地磁、手機(jī)信令等交通大數(shù)據(jù)，更新深圳宏觀交通模型，構(gòu)筑“宏中微”一體化的評估體系，同時奠定中觀交通模型基礎(chǔ)，全面支持前海交通規(guī)劃建設(shè)等決策工作需要。

基于前海最新規(guī)劃，構(gòu)建車道級的中觀交通仿真模型，改進(jìn)現(xiàn)階段宏觀至中觀模型的單向繼承特性，公共平臺實(shí)現(xiàn)了交通指數(shù)平臺+TransCAD宏觀模型+TransModeler中觀模型的系統(tǒng)集成，真正實(shí)現(xiàn)調(diào)查、宏觀和中觀三者的一致性。圖12 中觀交通模型演變

圖13 指數(shù)、宏觀、中觀一體化

新方法快響應(yīng)高精度的中觀模型

前海正處于大建設(shè)快推進(jìn)時期，交通需求因相關(guān)政策、規(guī)劃、建設(shè)計(jì)劃及工程進(jìn)度等的調(diào)整變化迅速，尤其是小汽車出行需求。為了能夠在中觀模型中快速反映出這些影響，構(gòu)建了一整套基于地塊更新的中觀需求調(diào)整快速響應(yīng)機(jī)制，精確反映前海因交通政策調(diào)整、局部地塊控規(guī)修編、建設(shè)計(jì)劃改變等引起的交通需求變化。

圖14 基于地塊更新的中觀需求調(diào)整快速響應(yīng)機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)化專業(yè)化開放式的仿真平臺

為了更好支持前海交通規(guī)劃決策工作，通過制定流程化、專業(yè)化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，建立開放式工具化的中觀仿真公共平臺，提供實(shí)用的工作抓手。平臺包括項(xiàng)目管理、動態(tài)仿真、結(jié)果分析、方案比選四大模塊，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的新建和調(diào)整，基于地塊更新的需求快速響應(yīng)，一鍵式仿真和交互式結(jié)果報(bào)表的輸出。項(xiàng)目開展期間基于本平臺完成了前海遠(yuǎn)景道路交通運(yùn)行以及十余項(xiàng)交通專項(xiàng)評估工作。同時開發(fā)了面向?qū)I(yè)機(jī)構(gòu)的一鍵式交互型報(bào)表系統(tǒng)以及面向公眾的交互電子沙盤平臺，體現(xiàn)前海交通規(guī)劃決策的科學(xué)性和公眾參與性。



圖15 GISDK二次開發(fā)界面

圖16 遠(yuǎn)景年前海道路交通運(yùn)行評估




圖17 開放式報(bào)表系統(tǒng)和交互式沙盤模型

4、結(jié)語

精細(xì)化交通設(shè)計(jì)將是新一輪交通品質(zhì)化提升的工作重點(diǎn)。本文依托TransModeler軟件及其二次開發(fā)工具，在大量代碼開發(fā)的基礎(chǔ)上，已基本實(shí)現(xiàn)所提出的靈活中觀交通模型構(gòu)建與應(yīng)用。展望未來精細(xì)化交通設(shè)計(jì)的模型發(fā)展，一是研發(fā)更為專業(yè)的面向精細(xì)化設(shè)計(jì)的模型軟件，更好地支持精細(xì)化交通設(shè)計(jì)工作；二是解決精細(xì)化交通設(shè)計(jì)的難點(diǎn)——多層次混合仿真(Hybrid Simulation)，包括宏微觀一體化混合仿真、中微觀一體化混合仿真兩部分。

縱觀國內(nèi)外交通模型仿真發(fā)展態(tài)勢，深城交深入推進(jìn)規(guī)劃設(shè)計(jì)與數(shù)字孿生技術(shù)融合，依托數(shù)字化底座及數(shù)據(jù)模型體系，研發(fā)CIM+交通仿真數(shù)字化規(guī)劃平臺，將大數(shù)據(jù)分析和模型仿真技術(shù)應(yīng)用于交通咨詢服務(wù)全過程，支撐城市交通治理及運(yùn)營工作更加專業(yè)化、精細(xì)化、智能化。未來，深城交將持續(xù)構(gòu)建交通模型、大數(shù)據(jù)分析決策在內(nèi)的數(shù)據(jù)治理、交通管控、交通設(shè)施等業(yè)務(wù)服務(wù)，探尋智慧城市之道，致力于成為全球領(lǐng)先的城市交通整體解決方案提供者。

審核編輯：劉清