267-面向精细化交通设计的中观交通模型研究与实践

1 面向精细化交通设计的中观交通模型研究与实践 1 丘建栋 赵再先 宋家骅 【摘要】交通规划设计日趋精细化。精细化设计须从量化角度评估方案优劣，包括多种宏观 微观指标，目前常用的交通模型方法不足以全面地评估精细化交通设计各种指标。本文以面 向精细化交通设计和交通影响评价及改善为出发点，研究应用一套全新模型系统，实现“静 态动态分配相结合、整体中观局部微观”的一种灵活中观交通模型技术方法，以效率与精度 相平衡的方式，实现精细化交通设计各种指标的量化评估。研究成果在深圳后海、北站两个 片区得到较好应用。实践表明灵活中观交通模型技术方法，避免了宏观与微观模型单独重复 建设，简化了模型整体研发过程，有力支持精细化交通设计多方案决策。 【关键词】精细化交通设计；中观交通模型；静态与动态分配；整体中观局部微观 0 引言 片区、 社区规划及交通详细设计日趋精细化， 要求定量化分析， 以评估动态交通在静态 设施上的运行， 择优遴选最佳方案。 交通模型是精细化设计定量评估的最佳工具。 目前， 在 片区层面上， 传统宏观模型精细不足， 如作为城市交通延误影响最大的交叉口， 难以分析其 饱和度、 延误、 排队长度等指标， 无量化指标支持， 交叉口优化设计无从谈起； 而传统微 观 模型建模范围较小， 往往仅是一个或多个节点的规模， 分析较为孤立， 难以把握整体交通影 响，而且微观模型校核工作过于复杂，建模效率低，难以在片区范围内实施。 因此，在进行片区一级的交通分析时，中观交通模型被认为是最适合方法 [1][2] 。中观模 型与宏观模型相比，分析精度大大提高，可以得到车速、交叉口延误、饱和度等详细指标， 作为精细化设计依据； 而与微观模型相比， 具有建模工作量小， 运行速度快， 路径分析功 能 强的优点，在成熟发展城市日益倍受关注。 目前中观模型理论框架， 与宏观模型基于交通分配的理论和微观模型基于车流仿真的理 论有何异同，在业内尚未统一明确 [3][4] 。从模型软件上来看 [5] ，基于静态分配的 SATURN 、 CUBE AVENUE 、 TRANSCAD 、 VISUM 等和基于交通仿真的 INTEGRATION 、 TRANSMODELER 、DYNAMIT 、DYNASMART 均 在中观交通模型领域得到不同程度的应 用。从应用案例来看，系统建立中观交通模型典范城市为香港 [6] ，于 2002 年建立 覆盖全市 范围的基本地区模型( 基于 SATURN) ，重点考虑了交叉口转向，信号配时等。上海、广州、 深圳等国内城市在宏观交通模型的基础上，依托 TransCAD 、Cube 、VISUM 等软件，对若 干片区进行小区细分、 路网加密的方法， 建立较为细致的模型。 美国波士顿市中央干道工程 (INTEGRATION) 、 凤凰城 城市交通仿真系统(TRANSMODELER) [7] ， 相继建立起了精细交通 模型。 从国内外经验来看，目前常用的所谓中观交通模型，一是对宏观模型进行了局部细化， 1 本课题由 2013 年住建部科技计划、2013 年广东省交通厅科技研究项目支持 2 本质仍是宏观模型； 二是较大范围的微观交通模型或准微观交通模型， 两者均不是真正意义 上的中观交通模型。 而常用的模型软件亦无法全面地支持精细化交通设计的评估。 因此重构 一种灵活的中观交通模型技术方法， 同时基于 TRANSMODELER 平台， 对模型软件进行二 次开发，以适应精细化交通设计各种指标评估分析的要求。 1 精细化交通设计交通评估需求 1.1 精细化交通设计深度要求 精细化交通设计内容主要包括片区对外交通连接设计、 片区内单行线交通组织、 道路交 织区渐变段设计、 内部交叉口渠化、 灯控交叉口相位与配时、 非灯控交叉口优先设定、 公 交 车站位置、 停车场出入口位置、 路边停车、 人行过街、 标志标线设计等， 如图 1 所示； 以上 精细化设计深度除遵循标准规范之外， 均需要多方案的评估对比， 从投入成本与道路公交运 行效率之间进行评估，而量化指标是多方案评估的准则。 (a) 新洲- 莲花 路周边详细设计 (b) 吉祥路公交车站位置及分站台详细设计 图 1 面向精细化交通设计的深度要求 3 1.2 精细化交通设计分析要求 与传统的交通规划设计不同，精细化交通设计有以下分析要求：  交叉口设计要求，既有宏观角度的饱和度分析，也有微观角度的车流交织分析；  交通设施设计，需要详细分析其最大负荷情况以及上下游的交通时变扩散关系；  精细化交通设计是多方案比选的过程，重复仿真是常态，需要高效易用的模型；  精度是精细化设计的灵魂，模型指标评估应有较高的精度。 1.3 精细化评估指标实现手段 交通模型获得精细化交通设计各类指标， 主要通过两种手段： 交通分配与交通仿真。 而 交通分配可分为静态交通分配和动态交通分配， 交通仿真可分为中观和微观仿真。 表 1 列出 精细化交通设计所涉及的评估指标及所需的交通模型实现手段。 表 1 精细化交通设计涉及指标和评估手段 指标层次 指标名称 定量分析评估内容 实现手段 宏观指标 ( 交通分配) 对外交通联系 对外连接规模 静态分配 单行线交通组织 通道选择与效率评估 静态分配 公交分担率 公交服务规模，保障道路运行效率 静态分配 路段负荷度 车道数选择 动态分配 交叉口服务水平 转向车道及转向车道组设定 动态分配 中微观指标 ( 交通仿真) 路段渐变段设计 渐变段长度，线形，坡度 微观仿真 交叉口布局设计 转变半径、间距；渠化是否显著提升效率 微观仿真 灯控交叉口 相位、配时；感应协调控制选择 微观仿真 公交车站 不同位置的影响、港湾式车站是否显著提升效率 微观仿真 公交专用道 公交专用道是否显著提升效率，总体影响评估 微观仿真 地块出入口 右进右出、开放左转等对临近路段交通组织影响 中观仿真 车流密度 决定是否增加交织性交通组织 中观仿真 交通管理 包括全天、分时段限行等措施、交叉口转向限制 中观仿真 从上表可看到， 精细化交通设计必须依托交通分配和交通仿真， 方能评估其所有的指标， 目前常用单纯以宏观的交通分配或微观的交通仿真为理论基础的中观交通模型， 是无法满足 精细化评估指标要求。 2 中观交通模型理论与方法 2.1. 理论架构 2.1.1. 总体架构 针对精细化交通设计的特点， 目前工作中往往会建宏观和微观两套独立模型系统， 分别 进行指标的计算， 但在实际应用中工作量过大、 数据无法衔接、 操作突显不足。 因此需要 重 新构建中观交通模型理论与方法， 提出灵活中观交通模型的新方法， 该技术方法以精细化的 片区综合改善， 交通影响评价， 道路公交详细规划等业务需求为出发点， 设计运用一套模型 体系，高效灵活地实现所有精细化指标的评估计算，其总体理论架构如图 2 所示 ： 4 图 2 中观交通模型总体架构 2.1.2. 融入交叉 口 转向延误 的 静态交通 分 配，满足 成 熟地区交 叉 口宏观指 标 计算 成熟地区的精细化交通设计， 交叉口占主要地位； 而交叉口也是影响交通延误的首要因 素。 通过模拟细化路口交通组织控制， 突出了对道路网节点交通延误对道路交通流分配的影 响。 引入 HCM 延误计算 方法， 重点细化交叉口分析处理， 设计转向车道组、 饱和流率及信 号配时， 模拟交叉口控制延误， 精度比普通宏观模型提高 2 倍以上。 同时， 宏观模型更容易 实现 OD 需求矩阵的调整与校核。 2.1.3. 分时段控 制 的动态交 通 分配，更 为 真实地评 估 设施的最 大 承载能力 考虑到常规的静态交通分配以 1 小 时为分析时段， 无法模拟真实的交通流相互影响、 反 馈与传递的影响， 在评估设施容量时， 模型结果与实际结果拟合不佳。 因此， 本灵 活中观交 通模型， 以面向精细化设计为导向， 把需求矩阵， 按交通生成规律， 每份 5 分钟 ， 先后动 态 分配到路网中，从而得到路网负荷最为严重的尖峰时刻，以此来评估设施的最大承载能力。 2.1.4. 用车队组 合 代替个体 车 辆的中观 交 通仿真， 显 著提高仿 真 效率 传统交通仿真， 往往以车辆个体作为仿真单元， 描述车辆加减速、 换车道等详尽信息 [8] ， 而在片区级交通仿真中， 若全路网进行车辆个体仿真， 效率将显著降低。 因此， 将 若干相邻 车辆构成的队列为单元， 描述车队在路段和节点的集体行进和转向行为， 而对车队内部车辆 关系可以简单的方式近似描述。这样的做法，将大幅度提高交通仿真效率。 见图 3 ，给定一个预先定义的阈值——d standard 被用来控制车队的合并或分离，当 d ij d standard 时，i 和 j 车队 将合并成一个车队。 使用车队组合的方法， 由于忽略了车队内部的 相互关系，将大大提高仿真效率，大范围的交通仿真成为现实。 图 3 车队合并与分离的阈值条件 5 2.1.5. 考虑局部 细 致模拟的 混 合仿真， 提 高精细化 交 通设计分 析 精度 上节由于用车队组合代替个体车辆进行交通仿真， 车队在交叉口进行分离时， 对于信号 交叉口配时模拟和延误计算将误差较大。 因此对于一个或多个交叉口信号配时设计时， 应局 部引入个体车辆的跟驰理论，以真实地描述车辆的实际运行，从而形成整体中观交通仿真， 局部微观交通仿真于一体的混合交通模型， 从而更为精确地分析局部微观范围内各种方法对 于路网、交叉口的改善效果。 2.2. 技术实现方法 2.2.1. 交通小区 划 分原则 交通小区以地块为单元划分， 考虑建筑出入口布设特点， 一般以相同出入口地块划分为 一个小区。 对小区地块出入口的模拟， 必须反映实际的进出限制， 如右进右入或允许左转等， 见图 4 和 图 5 。 图 4 交通小区划分原则 图 5 地块出入口定义原则 2.2.2. 路网与交 叉 口编辑方 法 路网模拟——需要考虑道路车道数、 线形、 转弯半径、 坡度等。 路段中加入区间段概念， 同一路段可设不同区间渐变段或延展段等详细设计，以提高模型评估精度，见图 6 和 图 7 。 图 6 详细的交叉口编辑 图 7 信号配时设定要求 2.2.3. 交通管理 设 置原则 交通管理主要包括：  路口交通管理：信号控制，让路控制，见图 8 ； 6  车道使用管理：公交专用道，占道停车；  交通组织管理：货运禁行、路段限速。 图 8 交通管理设定示意图 2.2.4. 需求矩阵 获 得与校核 方 法 需求矩阵主要包括现状矩阵、规划年矩阵和其它年份矩阵，矩阵获得方法如下：  现状矩阵： 继承上层次宏观模型需求， 根据小区细化为中观需求矩阵和多时段矩阵；  规划矩阵：按照土地利用规划，预测交通需求变化，结合宏观模型得到未来矩阵；  其它年份矩阵：通过现状年和规划年需求矩阵的插值法得到。 2.2.5. 静态与动 态 交通分配 方 法 （1 ）静态分 配方法 传统的宏观模型静态分配方法采用简化或者忽略交叉路口的分配。 事实上， 在成熟地区 的交通网络流量分配与交叉口及信号配时有紧密的联系。 因此， 除了常规静态分配需要准备 的路网和 OD 文件之外， 还应加入交叉口转向及饱和流率表、 优先控制设定表、 信号控制相 位表等。 延 误采用“ 基于 流量的转向延误” ，其中 信号交叉 口 延误采用 HCM2000 [9] 中 提出的 uniform 或 incremental 模 型；无控制交叉口同样采用 HCM2000 的临界间 隙函数来计算其延 误。 分配方法采用随机用户平衡(SUE) 分配方法, 即所有使用路径不必有相同广义成本， 这更 加接近成熟地区的实际情况。 （2 ）动态分 配方法 动态分配将时变的交通出行合理分配到不同的路径上， 以降低系统总费用。 动态分配对 于现状精细化交通设计非常有意义。 把现状分时段的交通流量调查作为输入， 把现状矩阵分 成若干份时变矩阵， 依次地加载到路网上， 需要指出的是， 每份矩阵分配的路径是动态变化 的。 采用动态交通分配方法， 在较为拥堵区域的精细化设计中， 可以避免因为前方过于拥堵 而导致逆向堵塞的不合理的指标输出情况。 2.2.6. 中观与微 观 混合仿真 方 法 在进行中微观混合仿真时， 需要指定路段中每个区间段的仿真层次(Fidelity) ： 中观或微 观。中观以车队为描述单元，忽略了各个车辆间的相互作用，在交叉口处会近似简化处理，7 而微观仿真将为车辆个体为单元， 车辆排队等都有细致的描述和存储。 设计模型时， 首先定 义整体片区模型的 Fidelity 应为中观模型， 而对于需要微观仿真的区间段， 通过建立一个属 性， 把 Fidelity 修改为微观仿真。 属性值是动态的， 可以根据实际需要修改， 从而变换局 部 微观仿真的位置，形成“ 整体中观、局部微观” 的混合交通仿真模型有效衔接。如图 9 所示。 图 9 一体化的中观与微观混合仿真衔接 3 面向精细化交通设计的深圳市应用实践 3.1. 中观交通模型分期建设 为支持片区级精细化交通设计， 包括片区交通改善、 交通影响评价和道路公交详细规划 等， 深圳市拟建设覆盖全市域的中观交通模型体系。 根据试点片区的建设经验， 全市共划分 34 个分区， 如图 10 ，作 为建设中观模型的基本分区，分区平均建设用地面积约为 25km 2 。 图 10 深圳市中观交通模型基本分区 8 3.2. 片区中观交通模型示范应用 深圳市中观交通模型建立一期以深圳后海和深圳北站两个精细化交通改善片区作为试 点，其中后海片区面积 19km 2 ，小区划分 318 个 ；深圳北站片区面积 23km 2 ，小区划 分 256 个。 下面以后海片区深长城金融中心项目建设及周边精细化交通设计改善为例， 探讨灵活中 观交通模型在本项目的应用情况。 图 11 后海片区局部中观模型路网模型及研究项目范围 为配合项目的建设以及加密片区内支路网系统， 研究范围中海德二道将向西延伸至后海 大道。 如图 11 所示的蓝色 虚线位置。 总体有三种比选方案， 一是维持现状 （不西延） ；二 是 交叉口右进右出控制方式；三是 T 型信号交叉口控制方式。 通过第 2.2 节 灵活中观交通技术方法建立了后海片区的基准中观模型， 包括详细的现状 土地利用与交通流量调查、路网编辑与交通管理、延续宏观静态分配的 OD 需求矩阵获得、 现状动态交通分配的时分矩阵以及整体中观局部微观的路网模型系统。 在基准中观模型的基础上，需要进行以下工作：  建设项目在基准需求矩阵上的叠加和原来的地块生成需求扣除；  编辑三个测试方案的路网模型；  在研究范围内，重新定义局部微观属性；  运行中观交通模型，整理输出结果，最终形成表 2 。 表 2 项目周边影响道路的多方案比选评估表 方案比选 后海大道(sec/veh) 海德一路(sec/veh) 项目东侧支路(sec/veh) 南往北 北往南 西往东 东往西 南往北 北往南 维持现状方式 8.6 81.9 30.9 41.9 28.3 44.5 右进右出方式 7.5 72.1 33.9 62.9 30.3 43.3 T 型信号交叉口方式 26.9 27.4 18.1 37.8 54.4 30.0 通过本模型平台的测试分析发现， 维持现状方式， 后海南行方向延误将显著增加； 海德 二道西延， 采用右进右出方式， 绕行将增加， 出入匝道处产生交织， 影响通行效率； 采用 T9 型信号交叉口， 交通组织良好， 影响范围内总体延误比前两种方案降低 8-9sec/veh ， 因此推 荐采用第三种方案，即 T 型信号交叉口控制方式。另外该交叉口与后海大道- 海德一道交叉 口相距不足 200m ，建议两 路口采用协调控制，经模型再次评估，平均可再降低 3sec/veh 。 3.3. 交通影响评价应用平台 目前交通影响评价在一些城市变得“ 可有可无、 流于形式” 的局面， 其重要原因在于缺乏 统一数据基础， 统一技术方法等客观定量化手段。 由于交通影响评价涉及精细化交通设计与 评估， 需要精细化的中观交通模型支持， 深圳市在精细化交通设计实践工作中， 研发交评应 用平台，其目的包括： (1) 封装交通模型，形成政府统一的交评平台； (2) 标准化输出评估文件，便于政府审批管理； (3) 实现交评工作的流程化，提高工作效率。 依托深圳市中观交通模型建设， 最终形成交评的统一数据平台， 统一分析方法， 统一输 出结果的技术管理规范，保证了交评的客观性与公正性，如图 12 所示 。 图 12 交通影响评价应用平台 4 结语 精细化交通设计将是新一轮交通品质化提升的工作重点。 本文提出的灵活中观交通模型 理论与方法， 依托 TransModeler 软件及 其 GISDK 二 次开发工具。 在大量代码开发的基础上， 功能基本得以实现。 展望精细化交通设计的模型支持未来发展， 一是面向精细化交通设计更 为专业的模型软件的研发， 从而不需要另开发代码， 即可支持精细化交通设计工作； 二是本 文提出的灵活中观交通模型架构中， 多层次混合仿真 (Hybrid Simulation) 为其中的难点， 混 合仿真中还有一些问题没有得到很好的处理， 如路径选择的指标局限于行程时间、 如何考虑 重复路径的效用问题、虚拟路径的设置等。这些难点需要在下一步的研究中加以完善。 【参考文献】 [1] Aron, M. Car Following in an Urban Network: Simulation and Experiments. Proc of Seminar D, 16 h PTRC Meeting. p27-39 [2] 李雁勤，段仲渊. 中观交通模 型的建模方法[J]. 职业圈，2007,2, p107-108. [3] Q. Yang and H. N. Koutsopoulos, “A microscopic traffic simulator for evaluation of dynamic traffic management systems”, Transportation Research Record, C, 4 (3), 1996. [4] 朱双荣. 城市道 路交通流中观仿真研究[D]. 华中科技大学, 2005. 10 [5] 温培培, 苏子毅, 翟润平. 中观交 通仿真研究综述[J]. 湖北警官 学院学报, 2009,5, p84-86. [6] Hong Kong Transport Department. Developing 2002-based Base District Traffic Models for Traffic Impact Assessments in the Urban Areas[R], 2002. [7] Caliper Corporation. TransCAD Transportation GIS Software(Travel Demand Modeling with TransCAD 5.0)[Z] .America: Caliper Corporation ，2010. [8] DELL’ORCOM. A dynamic network loading model for meso-simulation in transportation systems[ J]. European Journal of Operational Research, 2006, 175( 3): p1447-1454 . [9] Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 2000[S/CD]. Washington DC: National Research Council, 2000 【作者简介】 丘建栋， 男， 硕士， 深圳市城市交通规划设计研究中心， 工程师、 中级工程师。 电子信 箱：qiujd@sutpc.com 赵再先， 男， 硕士， 深圳市城市交通规划设计研究中心， 副总工程师、 高级工程师。 电 子信箱：zzx@sutpc.com 宋家骅， 男， 硕士， 深圳市城市交通规划设计研究中心， 研究所所长、 高级工程师。 电 子信箱：sjh@sutpc.com