基于TransModeler软件的精细化交通设计

作为“区域—宏观—中观—微观”一体化模型体系的中观交通模型，以面向片区精细化交通改善设计和交通影响评价为出发点，采用“静态动态分配相结合、整体中观局部微观”的建模方法，平衡建模效率与精度，实现精细化交通设计各类指标评估。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较为适合的方法。与宏观模型相比，分析精度大大提高，可得到车速、交叉口延误、饱和度等较为具体的分析指标，并且可进行交叉口信号优化分析；而与微观模型相比，由于忽略了车辆间的相互驾驶影响，具有建模工作量小，运行速度快，路径分析功能强的优点，从而在成熟发展区域的交通分析倍受关注。

目前中观模型的概念界定，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。从模型软件上来看，宏观交通软件TransCAD、VISUM、Cube、Saturn等和基于交通仿真的INTEGRATION、TransModeler、DynaMIT、DYNASMART，以及Caliper最新推出基于线层而非车道级路网模型的TransDNA，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的典范城市为香港，于2002年建立覆盖全市范围的中观交通模型(基于Saturn)，着重考虑了交叉口的转向，信号配时等因素。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地块级细分、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)，城市级的底特律、凤凰城、拉斯维加斯、佛罗里达杰克逊维尔等交通仿真系统(TransModeler)，相继建立了中观交通模型。

从国内外经验来看，目前流行的中观交通模型，一是对宏观模型进行了局部细化，本质仍是宏观模型；二是较大范围甚至是整个城市的微观交通模型或准微观交通模型。而单独的宏观或微观模型，是无法胜任精细化交通设计条件下的交通模型评估要求，必须重构一种灵活的中观交通模型技术方法，以适应精细化交通设计各种指标评估分析的要求。城市级的中观仿真模型将是今后在线仿真的主要发展方向。以Caliper的产品为例，TransCAD是宏观规划模型为主，也有宏观解析动态交通分配模型（DTA）；TransDNA是中观DTA模型，可以利用规划模型的线图层进行计算；TransModeler是微观DTA模型，属于微观仿真，但也包含了中观和宏观DTA模型，可以同时进行混合仿真。

1、精细化交通设计需求

精细化交通设计内容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、非灯控交叉口优先通行设定、公交车站位置、停车场出入口位置、路边停车、标志标线设计、人行过街设计，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，在投入成本与道路公交运行效率之间进行权衡分析，定量化是多方案评估的准则。
 

图1  面向精细化交通设计的深度需求

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：交通集计分配与交通车流仿真。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与层次

指标层次	指标名称	评估内容	实现手段
宏观指标	对外交通联系	合理的对外连接规模	交通集计分配
	单行线交通组织	合理的通道选择与效率评估	交通集计分配
	公交分担率	合理的公交服务规模，保障道路运行效率	交通集计分配
	路段负荷度	合理的车道数选择	交通集计分配
	交叉口服务水平	合理的转向车道及转向车道组设定	交通集计分配
中微观指标	路段渐变段设计	合理的渐变段长度	交通车流仿真
	交叉口布局设计	合理的转弯半径、间距；渠化是否显著提升效率	交通车流仿真
	灯控交叉口	合理的相位、配时；感应协调控制选择	交通车流仿真
	公交车站	不同位置的影响、港湾式车站是否显著提升效率	交通车流仿真
	公交专用道	公交专用道是否显著提升效率，总体影响评估	交通车流仿真
	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	交通车流仿真
	车流密度	决定是否增加交织性交通组织	交通车流仿真
	交通管理	包括全天、分时段限行等措施、交叉口转向限制	交通车流仿真

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，方能评估所有的指标，目前流行的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，均无法满足精细化评估指标要求。

2、灵活的中观交通模型——理论与方法

深圳是国内最早建立交通模型的城市之一，毗邻香港特区，拥有绝佳地理和政策优势，作为深圳市委市政府重要的交通决策支持科研机构，深圳市城市交通规划研究中心股份有限公司（以下简称“深城交”）拥有体系完备、技术先进的交通模型仿真技术——多层次一体化交通模型，建立覆盖宏-中-微观维度、涵盖交通-用地-环境-安全-经济等领域的交通模型体系，开展“事前-事中-事后”全流程评估与方案及时检视，精细、深度地支持交通政策、规划、设计、建设、管理决策。目前中观交通模型已在深圳、成都、无锡、重庆、武汉、湛江、南昌、济宁、日照等多个城市落地应用，助推城市交通高质量发展。

2.1、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立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。因此需要重新构建中观交通模型理论与方法，提出一种灵活中观交通模型的新方法，该技术方法以精细化交通设计为导向，以片区综合改善、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，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：

图2  灵活中观交通模型总体架构

融入交叉口转向与延误的静态交通分配，满足成熟地区交叉口饱和度等指标计算

成熟地区的精细化交通设计，交叉口占主要地位。交叉口是影响交通延误的首要因素，通过模拟细化交叉口交通组织与控制，突出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，重点细化处理交叉口，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，可使模型精度比普通宏观模型提高2倍以上。

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作用、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效果不佳。因此，本文提出的灵活中观交通模型，以面向精细化设计为导向，按照交通生成规律将需求矩阵以5分钟为间隔切分为12个，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段，以此来评估设施的最大承载能力。同时5分钟的切片，与交通运行指数系统可以做到时间粒度一致性的匹配，多系统融合评估项目“事前-事中-事后“的影响。

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，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，以若干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，而车队内部车辆关系可以用简单的方式近似描述。这样的做法将显著提高交通仿真效率。交通元胞（Traffic Cell）由一排车辆（车队）组成，这些车辆根据速度密度函数定义的交通动力学一起移动。这些元胞可能会合并和拆分取决于各种条件。对于每个交通元胞，模型根据元胞内的车辆密度跟踪元胞的平均速度。元胞中单个车辆的速度根据车头时距和其他标准进行分配。交通元胞可能合并或拆分。在下图中，有两个交通元胞，一个包含车辆1-6，另一个包含车辆7-13。当两个交通元胞之间的距离差dij下降到预定阈值以下时，这两个交通元胞被合并成一个交通元胞。

图3  元胞（车队）合并

另一方面，当两个车辆（例如，车辆6和7）之间的距离变得大于预定阈值时，交通元胞可以被拆分成多个交通元胞，如下所示：

图4  元胞（车队）组合

最后，当两辆车之间的间距大于自由流量阈值时，这些车辆以自由流速度而不是作为元胞的一部分独立行驶。使用车队组合代替个体车辆的方法，忽略了车队内部车辆间的相互关系，将大幅度提高仿真效率，使大范围的系统仿真成为现实。考虑局部细致模拟的微观仿真，提高精细化交通设计分析精度上节提到用车队组合代替个体车辆进行交通仿真，导致车队在交叉口进行分离时，对信号交叉口的配时模拟和延误计算不尽合理。因此在信号交叉口处，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，从而构建整体中观交通仿真，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案对于路段、交叉口交通的改善效果。

2.2、技术实现方法

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，一般将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及位置，见图5和图6。

图5  交通小区划分原则

图6  地块出入口定义原则

路网与交叉口编辑方法

路网模拟——高精道路（车道级）及使用权限模拟。路段中加入区间段概念，同一路段可设不同渐变段或局部延展段，并考虑信号配时，见图7和图8，以提高模型评估精度。

图7  详细的交叉口编辑

图8  信号配时设定要求

交通管理设置原则

交通管理主要包括：(1)路口交通管理：信号控制，让路控制，见图9；(2)车道使用管理：公交专用道，占道停车；(3)交通组织管理：货运禁行、路段限速。

图9  交通管理设定示意图

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：

(1)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；

(2)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；

(3)其它年份矩阵：通过现状年和规划年之间线性插值法得到。

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通常简化或者忽略交叉口延误。事实上，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，静态分配除了需要路网和OD文件之外，还需要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，以计算交叉口延误。延误计算采用“基于流量的转向延误”方法，其中信号交叉口延误采用HCM2000中提出的uniform或incremental模型计算；无控制交叉口延误采用HCM2000中的临界间隙函数计算。分配方法使用随机用户平衡(SUE)分配方法，即同一OD对的所有车辆路径广义成本不一定相同，这与成熟地区的实际情况接近。

(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。以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（一般是5分钟或15分钟），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，可以避免部分因为前方过于拥堵而导致逆向堵塞的不合理情况，避免宏观交通分配VOC大于1.0等极端情况出现。

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解析度(Fidelity)：中观或微观。根据以上的理论架构，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，而微观仿真将以车辆个体为单元，对车辆在交叉口排队等进行细致的模拟。设计模型时，首先定义整体片区模型的Fidelity应为中观层次，而对于需要微观仿真的区间段，可通过新建一个属性并指定为微观仿真来定义。该属性值是动态的，可根据实际需要修改，从而变换微观仿真的位置。如图10所示。

图10  一体化的中观与微观混合仿真衔接与区别

图11  深南大道改造前后对比

3、中观交通模型应用实践——以深圳市前海中观交通模型公共平台及交通仿真系统为例

前海合作区是“一带一路”、“自贸区”、“深港合作”、“粤港澳大湾区”等多项国家和区域战略叠加的未来深圳核心区，高密度高强度开发，用地面积15平方公里，规划建筑开发量2600万平方米，以金融服务产业为主，号称东方曼哈顿、未来之城、特区中的特区。虽已规划“一高、三快、八主、十一次”的道路网以及十三条轨道线路（含四条城际线），但始终面临着难以判断未来前海交通需求规模，以及轨道设施是否足够、道路交通是否拥堵、如何有序高效开展交通影响评价等难题。

为此，前海管理局委托深城交开展了前海中观交通模型公共平台及交通仿真系统项目，为多层次协调交通与地块级土地利用提供决策支持。本项目的成功实施，标志着国内首个中观交通仿真公共平台正式上线，“智慧前海”迈上新台阶。

大数据成体系全方面的决策

支撑项目以新一轮交通调查为基础，结合浮动车GPS、地磁、手机信令等交通大数据，更新深圳宏观交通模型，构筑“宏中微”一体化的评估体系，同时奠定中观交通模型基础，全面支持前海交通规划建设等决策工作需要。

基于前海最新规划，构建车道级的中观交通仿真模型，改进现阶段宏观至中观模型的单向继承特性，公共平台实现了交通指数平台+TransCAD宏观模型+TransModeler中观模型的系统集成，真正实现调查、宏观和中观三者的一致性。图12 中观交通模型演变

 图13 指数、宏观、中观一体化

新方法快响应高精度的中观模型

前海正处于大建设快推进时期，交通需求因相关政策、规划、建设计划及工程进度等的调整变化迅速，尤其是小汽车出行需求。为了能够在中观模型中快速反映出这些影响，构建了一整套基于地块更新的中观需求调整快速响应机制，精确反映前海因交通政策调整、局部地块控规修编、建设计划改变等引起的交通需求变化。

图14 基于地块更新的中观需求调整快速响应机制

标准化专业化开放式的仿真平台

为了更好支持前海交通规划决策工作，通过制定流程化、专业化的技术标准体系，建立开放式工具化的中观仿真公共平台，提供实用的工作抓手。平台包括项目管理、动态仿真、结果分析、方案比选四大模块，实现了项目的新建和调整，基于地块更新的需求快速响应，一键式仿真和交互式结果报表的输出。项目开展期间基于本平台完成了前海远景道路交通运行以及十余项交通专项评估工作。同时开发了面向专业机构的一键式交互型报表系统以及面向公众的交互电子沙盘平台，体现前海交通规划决策的科学性和公众参与性。



图15 GISDK二次开发界面

图16 远景年前海道路交通运行评估




图17 开放式报表系统和交互式沙盘模型  

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。本文依托TransModeler软件及其二次开发工具，在大量代码开发的基础上，已基本实现所提出的灵活中观交通模型构建与应用。展望未来精细化交通设计的模型发展，一是研发更为专业的面向精细化设计的模型软件，更好地支持精细化交通设计工作；二是解决精细化交通设计的难点——多层次混合仿真(Hybrid Simulation)，包括宏微观一体化混合仿真、中微观一体化混合仿真两部分。

纵观国内外交通模型仿真发展态势，深城交深入推进规划设计与数字孪生技术融合，依托数字化底座及数据模型体系，研发CIM+交通仿真数字化规划平台，将大数据分析和模型仿真技术应用于交通咨询服务全过程，支撑城市交通治理及运营工作更加专业化、精细化、智能化。未来，深城交将持续构建交通模型、大数据分析决策在内的数据治理、交通管控、交通设施等业务服务，探寻智慧城市之道，致力于成为全球领先的城市交通整体解决方案提供者。

审核编辑：刘清