实时交通仿真平台概要
一、概况
道路交通系统仿真作为一种在国际上日益受到重视的新兴技术，能够再现当前的交通运行状态，完成交通组织方案的定量评估分析，进而对交通组织管理、交通事件预警和评估、交通基础设施规划建设、交通政策可行性分析研究提供量化的决策依据。基于区域道路交通运行特点，其交通组织和控制方案的设计和实施必须经过反复的论证，并借助科学的手段或工具对其进行定性和定量的评价，交通组织仿真为此问题提供了良好的解决方案。
仿真平台作为智能交通系统建设规划的一个重要子系统，能够根据交通流检测系统、交通诱导系统和交通信号系统等智能交通系统提供的交通流数据，通过交通仿真技术模拟当前的交通运行状态，完成交通组织方案的定量评估分析，并根据交通数据对交通异常情况进行分析，进而对交通组织管理、交通基础设施规划建设、交通政策可行性分析研究提供量化的决策依据。
二、技术路线与关键技术
（一）技术路线
仿真平台将在充分调查现有的智能交通系统框架结构的基础上，对仿真平台的需求进行详尽的分析和定义；在此基础上进行仿真平台设计和测试方案设计，并确认设计方案是否能够满足用户的需要；在能确保设计满足用户需求的基础上，遵循设计方案进行软件开发，在软件开发过程中及完成以后，开发的模块要按照测试方案进行反复的、严格的测试；系统联调测试通过以后，进入试运行阶段；系统通过验收以后，系统进入维护期。
图 1 关键技术路线
（二）关键技术
1、交通仿真器选型
微观仿真模型与交通的拟合程度决定了平台的精度，因此平台建设中仿真模型的选取至关重要。目前国内常用的微观仿真软件包括VISSIM 、TransModeler 、CORSIM、Paramics和AIMSUN等几种。
表 1 微观交通仿真软件对比表
CorSim在交叉口仿真方面比其他模型稍差，但对较大规模路网仿真的效果较好。此外，尽管CorSim是商业软件，但它具有开放源码，为研究人员从底层开发和改进提供了可能；VISSIM、Paramics、AIMSUN无论在交叉口仿真还是在较大规模路网仿真，都具有较高的效率；TransModeler继承了MITSimLab的优势，增加了公交运输等模型，微观仿真能力较高。值得重视的是，TransModeler将微观、中观和宏观仿真模型无缝集成，并与GIS集成，构成了一个强大的综合交通分析和管理工具。VISSIM对公交车辆的组成及运行特点作了一定的考虑，在交通流组成中考虑了摩托车、自行车及行人等。同时，最新版本的VISSIM模型还开发了基于“动态位势”的行人模块。
2、基于仿真的交通事件分析
一般的微观交通仿真软件并没有提供对交通事件的仿真模拟模型，交通事件的仿真需要对仿真路段进行修改才能进行模拟，如减少一个路段的车道数量模拟路段上的交通事故等，但这样的分析方法并不能准确的模拟交通事件的影响。因此平台需要构建基于仿真的交通事件分析模型。
平台将在仿真器的基础上，在事件路段的车辆模型中，加入基于模糊数学的交通事件行为模型，结合实际的交通行为特征，提高交通事件模拟和方案分析的精度。
3、微观仿真和宏观仿真数据交换
平台运行过程中，微观仿真提供了对交通行为的精确描述，而宏观仿真是在简化的微观仿真模型基础上，对大范围路网的简要描述，因此微观仿真和宏观仿真模型间的数据交换对平台平稳、正常运行非常重要。系统平台将以实时的动态交通流数据为基础，建立微观仿真和宏观仿真间的数据交换接口，实现仿真结果的统一。
平台宏观仿真结果的输出将作为微观仿真模型运行时的交通数据的输入，而微观仿真结果将整合到宏观仿真中，统一以GIS图的形式进行展示，实现微观仿真和宏观仿真间的数据交换。
4、多源异构交通数据与交通仿真融合
平台接入的数据可以有多种形式，如手机原始数据、互联网大数据、RFID电子车牌数据、卡口数据等等。这些实时数据反映了交通运行现状，是交通仿真的输入，但是这些数据具有不同的交通信息类型，交通仿真模型（宏观仿真模型和微观仿真模型）仿真运行时输入的一般都是交通流量，而速度、旅行时间和仿真平台最关切的OD数据。
平台将采用不同的处理技术将这些数据转化为OD数据，将旅行时间作为交通分配费用函数的重要参数之一，实现交通仿真和多源异构实时交通数据的融合。
三、总体方案
仿真平台是一个开放的平台，将仿真系统平台设计划分为仿真核心子系统、仿真业务子系统、交通预警子系统、交通流数据子系统、GIS数据子系统和仿真平台管理子系统六个子系统能充分的实现平台的开放性需求。其中仿真核心子系统、交通预警子系统、交通流数据子系统、GIS数据子系统和仿真平台管理子系统实现了平台运行的核心模型和与交警支队其它系统的对接，是平台仿真业务子系统运行的基础，实现了仿真的基本功能及数据的输入；仿真业务子系统为交警支队交通管理业务在平台上的具体实现，是交通管理者与平台交互的接口，仿真业务子系统根据不同的业务需求，通过调用仿真核心子系统、交通流数据子系统、交通预警子系统、GIS数据子系统和仿真平台管理子系统等系统，实现具体交通业务的仿真优化。
（一）总体构架
1、系统功能
根据系统建设目标规定和系统需求分析，系统需要完成的功能可以划分为客户端应用、后台服务、数据采集三个方面。
图 2 仿真平台功能构架
仿真平台后台服务分为六个子系统，即交通仿真核心子系统、交通仿真业务子系统、交通流数据子系统、交通预警子系统、GIS数据处理子系统和仿真平台管理子系统，承担实时数据融合处理、数据存储、交通事件检测与预警、交通仿真运算、仿真结果存储、平台管理等功能。
仿真客户端用于向系统后台发出服务请求，并接受和展示仿真运算结果。客户端同时也用于仿真模型的建立、交通管控方案的设计以及交通事件报警等。
数据采集子系统一方面根据手机数据计算道路网的交通状态以及交通OD，另一方面实时接收交警支队已经建成的信号灯路口检测器数据、交通诱导系统交通流监测数据、地磁检测器数据、微波数据和视频检测器数据等以及GPS数据等，并将这些数据和基于手机数据获得的交通流信息进行校正和融合，形成平台仿真输入的交通流数据，保证平台仿真和事件预警交通流数据的实时性和准确度。
系统可以完成以下业务功能：
手机定位数据设置：接入海量手机数据，结合城市的交通特性，建设基于手机数据的交通信息采集子系统，实现基于手机数据的旅行速度与OD出行信息的准确获取。
仿真建模管理：通过系统内的GIS数据，生成平台的初始仿真模型。
路口方案仿真：实现路口方案的设计、仿真和评价。
区域方案仿真：实现区域交通组织方案的设计、仿真和评估。
交通事件监测与预警：通过实时数据与历史数据比对和模型分析完成交通事件的监测及预警。
事件仿真：实现事故、施工等事件的影响仿真和方案设计优化和比选。
方案评估比选：通过排队长度、旅行时间等指标进行方案比选，建立科学、合理的方案评估策略。
宏观交通分析：通过交通仿真，对区域通行能力和剩余承载力进行分析，发现区域交通瓶颈和选择区域交通管理方案。
旅行时间分析：根据接收的实时交通流数据，分析路网内主要道路的实时旅行时间以及未来旅行时间；
路网显示输出：显示路网的交通运行。
仿真动画演示：以动画的形式向客户直观的展示车辆的运行状态。
评价报告生成：根据方案仿真结果，生成仿真评估报告。
仿真结果生成和处理：将方案仿真结果进行存储，以备查询。
2、系统架构
仿真平台分为表示层、业务层和数据层三层，对应到物理设备分别是客户机、应用服务器、数据库服务器。客户机实现人机交互功能；应用服务器端实现实时数据融合计算、仿真运算和事件预警；数据库服务器用于存储数据。三层结构下各个子系统及功能模块介绍如下：
图 3 系统总体架构
（1）业务层
业务层的应用按处理数据类型和运算方式划分为六个子系统，即交通流数据子系统、仿真核心子系统、仿真业务子系统、事件监测子系统、GIS处理子系统和仿真平台管理子系统。
（2）表示层
表示层的主要功能是向用户提供仿真设置和结果显示的接口，是具体交通管理业务逻辑在系统平台内向用户显示的界面和操作流程，因此表示层是系统平台易用性、可操作性的关键。
（3）数据层
数据层包括四个数据库，即实时数据库、GIS数据库、仿真数据库和管理数据库，每个数据库的主要功能如下：
实时交通信息数据库通过接受来自手机信息、地磁检测器、视频检测器、线圈检测器和微波检测器传输的实时数据，经过数据融合与数据校验后存入实时交通信息数据库，供GIS显示和交通仿真使用；
交通模型数据库通过系统开发的交通模型自动生技术，将模型以统一的格式存储在系统数据库中。供仿真时使用；
GIS模型数据库以标准的地理信息系统数据库格式记录了路网的拓扑结构、道路通行能力以及交通事件等数据，可为宏观仿真仿真和微观仿真提供模型数据。
系统管理信息数据库记录了用户登陆信息、系统日志等系统基础信息，是系统安全运行的基础数据。
以上数据库为交通仿真模拟的道路运行状况提供了基础数据，是系统平台安全、快速和正常运行的保障。
（二）数据处理
1、数据输入
仿真平台的数据输入可分为动态数据和静态数据。
动态数据包括：
手机数据
RDIF电子车牌数据
实时交通检测器数据，包括微波检测数据、GPS数据、卡口数据等
静态数据包括：
GIS数据，路网GIS图及相关属性数据；
路口微观仿真模型；
交通流调查数据；
路网几何数据；
交通管理类数据的管理，包括路口渠化设计数据、标志标线数据、信号控制参数数据管理；
交通规则数据管理，包括禁左、禁右、单行线、分时段禁行、专用车道等。
2、数据处理及结果输出
平台的数据管理模块将不同来源、不同格式的交通数据进行融合，为仿真平台提供运行交通仿真所必需的输入数据。主要功能如下：
对静态进行管理，提供添加、编辑、展示、存储等功能；
手机数据处理，根据手机数据，通过交通模型计算动态交通信息，并能对基于手机获得的交通信息数据进行展示；
按照仿真要求的格式，对其它系统动态数据与手机数据进行融合，存储到数据库，以备输入到模型进行仿真；
交通组织方案仿真结果的存储与管理；
对仿真计算结果进行处理，形成文字、表格、图形、图像等输出形式；
对处理完成的仿真结果实现分类数据库保存与管理；
能将仿真设计方案和地图数据导出到GIS数据库中；
对三维仿真所涉及的各种资源进行管理，并帮助用户设置三维仿真的运行参数和输出方式
实时交通事件监测与预警数据存储与输出；
交通事件影响仿真数据的存储于输出。
3、系统数据处理流程
平台内部数据处理流程如下：
系统接收移动运营商发送来的手机定位数据，计算道路网路段实时交通流的旅行时间和OD，然后入库；
系统接到交警支队其它系统的实时交通流信息数据后经过融合，计算出路段的流量、车速、占有率，然后存储到数据库；
系统利用以上数据库数据和其它交通（包括OD模式调查）调查数据推算实时OD和路段通行费用，然后入库；
系统利用路网GIS图自动生成路网宏观仿真模型，写入宏观模型库；
系统利用GIS图自动生成路段微观模型，并将路口路段模型进行连接，形成区域的微观仿真模型，写入微观模型库；
使用生成的实时OD数据和实时道路费用数据利用路网宏观模型进行动态交通分配，生成动态交通分配数据，写入数据库；
使用微观交通仿真模型进行交通的微观仿真，显示仿真动画和进行微观仿真评价；
使用宏观仿真模型进行路网交通的宏观仿真，显示路网状态和进行宏观仿真评价；
使用实时交通数据和历史交通数据的比较，发现交通路网内的异常路段，并利用宏观仿真模型进行分析，对异常时间进行报警；
根据实时数据、历史数据和事件对交通的影响，利用微观仿真模型对事件影响进行分析，并对处理方案进行评估。
图 4 仿真平台数据处理流程
3、数据库
仿真系统平台的数据库由实时交通数据库，交通仿真数据库，GIS数据库和管理数据库组成。
图 5数据库系统设计
（三）接口
系统接口设计基于SOA（Service-oriented architecture）架构，仿真系统平台的各个子系统之间采用Web服务的方式提供信息访问接口。
Web服务是解决应用程序之间互相通信的一项技术。是描述一系列操作的接口，它使用标准的、规范的XML描述接口。这一描述中包括了与服务进行交互所需要的全部细节，包括消息格式、传输协议和服务位置。而在对外的接口中隐藏了服务实现的细节，仅提供一系列可执行的操作，这些操作独立于软、硬件平台和编写服务所用的编程语言。Web服务既可单独使用，也可与其他Web服务一起，实现复杂的业务功能。
图 6 仿真平台接口
接口主要包括实时数据接口、GIS应用接口和仿真应用接口三类。其中仿真应用接口是平台与仿真器的接口。
图 7 平台子系统与仿真器的接口
（四）用户界面
用户界面是平台系统和用户交互的接口，为了增加系统的易用性，系统开发过程中将根据交警支队业务操作的一般操作，设置简洁的用户界面，帮助用户方便的进行仿真方案设计、评价以及事件预警和评估。
1、用户菜单
系统菜单放映了系统的主要功能，菜单的合理分类能加快系统操作的效率和缩短学习系统的时间，增强系统的易用性，系统的用户菜单如下图所示：
图 8 客户端用户菜单
不同的登录用户，如仿真设计人员、交通管理人员、方案比选操作人员等，依据系统的使用权限规定，呈现的可用菜单有所不同。系统对特定登录用户不能使用的菜单项做不可用处理。
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设置道路的车道数、车道属性等基本数据，界面如下图所示：
图 9 仿真建模界面
3、仿真界面
仿真界面以二维和三维的形式向用户展示仿真运行的情况，给客户以直观的感受。
图 10 仿真界面
4、统计分析结果输出
仿真完成后，将各个方案的比较结果，以图表的形式展示出来，供用户进行方案决策。
图 11 方案比较图示
四、应用系统
业务层的应用按处理数据类型和运算方式划分为六个子系统，即交通流数据子系统、仿真核心子系统、仿真业务子系统、事件监测子系统、GIS处理子系统和仿真平台管理子系统。
（一）交通流数据子系统
交通流数据系统子系统负责接收、处理和融合实时交通流检测系统等系统提供的实时交通数据以及根据手机数据计算交通流数据，以备GIS数据子系统、事件监测子系统以及仿真核心子系统调用。交通流数据子系统包括以下一些模块：
手机数据处理
实时数据校验
实时数据融合
实时数据存储模块
（二）仿真核心子系统
仿真核心子系统通过宏观和微观模型的仿真运算，实现交通状况的计算机模拟和方案比选。该子系统是通过调用交通仿真软件的微观仿真器实现仿真计算，系统将通过开发仿真器接口，实现仿真器仿真器和平台的深度融合，仿真核心子系统模型与交通的拟合度直接影响了平台的最终仿真效果。
仿真核心子系统在接受客户端请求后，根据客户端提交的仿真方案、仿真模型需求（宏观、微观）、仿真时间以及仿真区域等参数进行仿真计算，在仿真计算结束后，将仿真的结果通过网络传输给客户端，由客户端以动画或者报表的形式输出给最终客户。
仿真核心模块包括：
微观仿真模块
宏观仿真模块
动态交通分配模块
实时OD生成模块
最短路径更新模块
旅行时间分析模块
（三）事件监测子系统
事件监测子系统通过将实时统计的交通流数据与历史数据对比和模型分析，监测道路上是否发生了异常事件。一旦确认了事件发生，系统将发出警报，预测事件的影响范围及扩散速度，并同时将结果输出在路网图上。
事件监测子系统包括：
紧急事件识别模块
事件影响分析
事件管理模块
（四）仿真业务子系统
仿真业务子系统是根据交通管理具体业务的特点，将仿真与交通业务进行结合，即仿真业务子系统通过调用仿真核心子系统、事件监测子系统、GIS数据子系统和交通流数据子系统实现交通方案比选、设计和优化。
仿真业务模块主要包括：
仿真建模管理模块
仿真模型转换模块
路口方案设计模块
区域方案设计模块
交通管制仿真模块
事件仿真模块
方案评估比选模块
区域交通分析模块
路网显示输出模块
仿真动画生成模块
评价报告生成模块
仿真结果存储模块
（五）GIS处理子系统
GIS处理子系统一方面为平台基础模型的建立提供基础数据，实现仿真模型自动生成，另一方面在平台运行过程中，GIS处理子系统为用户精确定义仿真区域以及实时数据在仿真模型路段的定位提供帮助。
GIS数据子系统包括以下一些模块：
GIS交通信息管理
路网状态展示模块
实时数据和仿真模型定位模块
GIS数据储存模块
（六）仿真平台管理子系统
管理子系统主要负责管理用户和维护平台的正常稳定使用，是系统安全运行的重要保障。
仿真平台管理子系统包括以下功能模块：
用户管理
系统日志管理
系统故障诊断
五、小结
总之，建设一个实时交通仿真平台，一是需要选择适合的交通仿真器，具有需要的仿真功能和便于二次开发；二是需要要采集或推算出准确的OD流量，这是所有交通仿真的出发点；三是要有充分的交通工程背景和技术整合能力，很好地理解应用场景和系统建设的目的，将仿真平台和仿真器整合在一起，实现项目的建设目标。
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