武汉市中观交通仿真模型

发布日期:2015-05-12 点击次数:849  字体显示:【大】  【中】  【小】

第1章 绪论

1.1 研究背景

  目前,国内各大城市交通模型体系都在向多层次、一体化方向发展;武汉市现状单一的模型体系已经不能满足城市交通发展的需求,需要尽快实现从单一宏观交通模型向多层次模型体系的转化,构建分层次的宏观、中观、微观一体化的交通模型体系。中观交通仿真模型是在宏观模型的基础上进行细化后,再导入实时检测数据,通过交通分配及各种交通OD矩阵修正技术,实时计算得到交通状态分布的动态仿真模型。

  由于目前国内实时数据的接入存在一定的问题,因此北京、上海、深圳等地均采用一种细化的静态模型作为中观层次的交通模型,我们一般将之称作为中观静态模型。

1.1.1 交通模型及分类

  一体化模型即宏观、中观和微观交通模型的统一体。宏观模型是基础骨架,中观模型是对宏观的继承与细化,微观模型从中观模型得到机动车路网以及机动车路径信息。在空间上,宏观模型可以对整个区域的主要道路网进行建模分析,多用于战略级分析;中观模型可以对某个局部项目区域进行详细、高精度建模——细化了交叉口的渠化与信号控制,进而支持交通规划或交通工程项目应用;微观模型更进一步细化到若干个交叉口范围,对每个车道进行了参数设置,从而能进行一些细部的分析。

1.1.2 国内主要城市多层次交通模型

  北京市交通模型体系依据空间区域划分,以宏观、中观、微观模型为原型构建了四层次架构,即市域交通模型、市区交通模型、区域交通模型、微观模型。四层次的模型架构基于统一的GIS数据平台,具有广泛的数据接口。模型结构及应用。

  上海市构建的综合性模型体系主要包括交通需求分析模型、公共交通系统、道路交通系统、世博交通系统、枢纽交通系统、区域交通系统、货运交通系统七大模型。功能范围从规划扩展到建设和运行各个阶段,综合程度从市内交通扩大到对外交通、区域交通等各个层面,可信程度(精度在80%以上)从地带网络、骨干交通等宏观层面深化到区县网络,以及客运走廊、轨道线路、公交专用道、干线道路(公路)和枢纽等中观层面。

  经过20余年的努力,广州市已经建立了从战略到策略、从宏观到微观,多层次、多品种软件交互利用的模型分析体系。新近完成的《道路交通信息系统》以ArcGIS为平台,为交通规划模型提供了一个完整的数据库,并实现了与Cube 系统的无缝链接,特别在路网拓扑的处理上,实现了真实抽象。

  深圳目前已建立基于PTV Vision的多层次集成化交通模型架构,其中基于VISUM的宏观模型作为基础已经建立,中、微观模型根据工作需要已经建立一部分。

1.2 中观模型功能定位及其作用

  中观模型不是一个独立的模型体系,是宏观模型和微观模型的纽带,是不可缺少的一部分,因此,亟待构建武汉市中观仿真模型。

1.2.1 一体化模型体系及功能定位

  运行交通模型对交通措施进行定量分析,武汉市一直走在全国前列。随着武汉市机动化快速增长,我院要求建立一套能够满足各项交通工作需求的交通模型体系,即以“市域宏观模型>>主城中观模型>>局部微观模型”为主体的多层次一体化模型体系,如图1-1所示。

  市域宏观模型可用于各种战略级仿真,是一种静态仿真,例如战略规划、交通政策影响评估、道路设施规划等;中观仿真模型可用于各种项目级的仿真以及为以后发布平台提供数据补充,例如道路设施规划、道路整治、区域交通影响评价、交通组织优化等;微观仿真模型可用于各种项目级的仿真,例如交通仿真、行人/自行车模型、动态模型等。

1.2.2 中观静态模型的作用

  为了弥补武汉市交通模型体系在中观模型上的缺失,为微观模型的扩展提供精细化的OD和路径数据,需要建立武汉市中观模型。由于目前国内实时数据的接入存在一定的问题,因此北京、上海、深圳等地均采用一种细化的静态模型作为中观层次的交通模型,我们一般将之称作为中观静态模型,建立中观静态模型的作用体现在以下四个方面:

   建立中观静态模型可以为领导决策提供精细化的定量分析依据;

   建立中观静态模型可以为武汉市交通院的各种业务提供定量分析;

   建立中观静态模型可以为微观模型提供基础OD及路径流量数据;

   建立中观静态模型可以为后续的中观动态模型提供基础构架。

1.3 技术路线

  中观静态模型的建模技术路线如图1-2所示。

图12   武汉市模型体系框架

1.4 工作内容

  根据中观交通仿真模型项目的技术要求,主要工作包括以下方面内容:

  1.确定数据规范标准和模型架构;

  2.居民出行调查数据处理、直接扩样、校核扩样;

  3.完成9项调查:① 道路网基础数据调查;② 公交网基础数据调查;③小汽车时间价值调查;④ 公交时间价值调查;⑤ 出租车时间价值调查;⑥ 载客系数调查;⑦ 道路通行能力及延误函数调查;⑧ 中观区域交叉口信控渠化调查;⑨ 中观区域交通小区及出入口调查。

  4.处理32个路口、路段视频录像,确定路口、路段延误函数;

  5.建立基于VISUM的主城宏观过渡模型模型。

  6.建立区域中观交通仿真模型

  7.中观交通仿真模型应用案例:① 区域交通分析评估;② 区域交通组织分析;③ 区域微观交通仿真模型。

第2章 中观模型建模理论方法

2.1 对宏观模型的需求

  中观模型在继承宏观供给及需求模型基础上建立,并对宏观模型进行细化和完善。

2.2 中观静态供给模型

  中观仿真模型的基础路网从宏观过渡模型中导入,并在以下方面进行细化:① 细化道路到次要支路等级;② 加入交叉口渠化、信控信息;③ 进行交通小区细化拆分;④ OD矩阵拆分;⑤ 根据交通小区细化结果,优化小区连接线设置。

2.3 中观静态需求模型

  主城中观模型的交通生成模型完整继承市域宏观模型,即模型结构完全相同。主城中观模型的交通分布模型,由于对交通小区进行了细化,因此在市域宏观模型的基础上,采用福莱特法,对交通小区之间的OD进行平衡与修正。主城中观模型的方式划分模型完整继承市域宏观模型,即模型结构完全相同。主城中观模型的交通分配模型中,路段延误函数采用与市域宏观模型完全一致;节点延误函数采用HCM2000的计算标准,考虑不同节点控制方式所采用不同的计算函数。同时,在机动车交通分配时,将公交车在路段上的当量小车流量作为背景交通量。

2.4 中观静态模型分配

  传统的机动车交通分配的结果不包含公交车的流量。考虑到武汉市公交车辆较多,线路比较密集的情况,需要在进行机动车交通分配时,考虑公交车的背景流量。

2.4.1 延误函数的输入

  任何一种交通分配方法都会用到交通阻抗函数,交通阻抗可以由多种因素构成,包括但不限于出行时间、出行费用等。在主城中观模型中,交通阻抗主要考虑出行时间和出行费用,两者通过时间价值来进行整合得到武汉市交通小区之间的出行延误。

  延误函数分为路段延误函数和交叉口延误函数。其中为了保证市域宏观模型和主城中观模型的基本一致性,路段延误函数采用市域宏观模型已经标定的路段延误函数。而交叉口延误函数根据不同的节点控制方式采用不同的计算方法。

2.4.2 机动车交通分配

  在进行机动车交通分配之前,将公交车辆的流量作为路段的背景流量输入仿真模型。机动车交通分配采用均衡分配法(Equilibrium)。

2.4.3 公共交通分配

  采用基于车头时距的公交分配方法,进行公交分配。分配时考虑路网中公交线路的走向及其发车频率,但不考虑具体班次的到站时间。发车频率可由行车时刻表导出。换乘时的等候时间取定为换乘目标线路发车间隔的一半。基于发车频率的分配方法比较适合用于具有较高发车频率的公交路网分配。

2.4.4分配结果检验

  模型的交通分配结果检验主要从以下三方面进行:① 路段流量误差百分率;② 路段流量均方根误差(%RMSE);③ 路段流量相关系数。

2.5 中观静态模型应用范畴

  中观模型可用于各种项目级的仿真,例如道路设施规划、道路整治、区域交通影响评价、交通组织优化等,包括但不限于:① 土地利用层面。土地利用调整评估、多个建筑组成的区域交通影响分析;② 建设层面:道路网规划、道路建设计划、道路整治评估、交通影响分析;③ 交通流组织层面:区域单行系统、禁左等管理措施、道路断面优化及交叉口渠化优化、施工交通组织及评估;④ 微观交通仿真输出。

  在本项目中,选取“区域交通组织优化”和“交通影响评价与分析”分别建立应用示例。

第3章 中观静态模型构建

3.1 宏观过渡供给模型

  由于我院的宏观模型是采用客流模型与车流模型分离的形式,而在中观仿真模型中,需要体现车流和客流的竞争关系,才能更好的反映交叉口的实际运行情况,为后续的微观仿真提供数据支持。因此,我们在原有的四步骤模型基础上进行调整,建立一个基于VISUM的主城宏观过渡模型。

3.1.1 数据规范标准

  数据规范标准包括模型建模数据的各种要素,主要包括路网数据集,小区数据集和公交数据集。路网数据集包括节点和路段;小区数据集包括交通小区,小区连接线;公交数据集包括公交站点和公交线路。

3.1.2 道路网

  将主城区(三环内)GIS道路网导入到VISUM软件中,形成宏观过渡模型的骨架路网。根据对主城宏观路网建模区域的路网调查结果,将路段的车道数、道路等级、分隔类型、限速以及交通管理措施等输入到宏观过渡模型之中。

3.1.3 交通小区及小区连杆

  将2008年武汉市居民出行调查时划分的690个交通小区,导入到模型中。主城区宏观模型所涉及到的交通小区有443个。根据小区连接线优化方法对模型范围内的连接线进行优化,共有2424条小区连接线。

3.1.4 公交网

  武汉市三环内及周边共设置有公交站点2072个,利用VISUM软件绘制公交线路信息,共计260条。

3.2 宏观过渡模型体系

  根据武汉市的实际情况、现有的资料以及建模的时间进度等因素,对于宏观过渡模型构架采用:出行生成®出行分布®方式划分®交通分配的结构。主城宏观过渡模型四步骤模型技术路线如图3-1所示。

图31   主城宏观过渡模型四步骤模型技术路线

3.3 中观静态供给模型

3.3.1 中观静态模型建模区域

  本项目选取典型区域对中观仿真模型构建进行示范。模型范围为:北至发展大道,南接建设大道,西连青年路和长青路,东至香港路所围合的区域,用地面积约4.36平方公里。              

3.3.2 细化道路信息

  宏观模型主要偏重于主次干道的交通分配,其道路网中,最低等级的道路多为主要支路;中观模型是对宏观模型的细化,因此需要将路网补充完整,添加次要支路,以便真实反映路网的情况。

3.3.3 交叉口渠化和信控信息采集

  对研究区域内53个主要道路相交的交叉口进行现场人工观测记录。

3.3.4 小区拆分

  交通小区分为内部小区和外部小区,拆分调整后共有106个交通小区,其中内部小区46个,最大面积为0.358平方公里,最小面积为0.014平方公里,平均面积为0.122平方公里,内部小区总面积为5.608平方公里。

3.3.5 小区连接线优化

  内部小区连接线共129条,最多的3个交通小区有5条连接线,最少的7个交通小区仅有1条连接线,平均每个交通小区有2.80条连接线。

3.4 中观静态需求模型

3.4.1 交通需求模型继承

  利用VISUM软件,从宏观模型中生成中观区域,得到范围内的所有对象及属性,同时对于途经该范围的公交线路也予以保留。

3.4.2 中观静态模型分配

  从宏观过渡模型细化生成中观供给模型以及需求模型,同时将中观范围内的公交流量换算成当量小汽车,作为路段的背景流量进行分配,本次中观静态模型选用国内外通用的均衡分配法进行分配。

3.5 中观静态模型应用示例

  利用构建的区域中观静态模型,对区域交通进行分析评估,分析二环线发展大道自常青路至新华下路段的建设对区域的交通影响,以及二环线建成后对汉口火车站等周边区域进行交通组织分析,并建立微观仿真模型。

3.5.1区域交通组织分析

  交通组织方案一:发展大道按照二环线全线形成,其他路段和路口交通组织与现状保持一致,通过模型测试并分配区域流量,得出区域路网服务水平,与现状分配结果进行对比,可看出,二环线形成后,分流了部分过境性交通,区域交通有了一定程度的改善。

  交通组织方案二:在现状交通组织基础上,常青路-后襄河北路路口、青年路-马场路路口、青年路-北湖西路路口按照普通十字交叉信号灯控路口组织,将马场角小路(唐家墩路至常青路段)按规划红线形成并连通至常青路,青年路-新华路之间的马场角小路改为主干道;新华路-唐家墩路之间的马场角小路改为次干道,西北湖路(北湖西路至建设大道段)、菱角湖路由现状的单向通行调整为双向通行,将金墩街(发展大道至马场角小路段)连通至马场角小路,并按双向通行进行交通组织,将马场路、福利路改为次干道,连通老天门墩路为单向,天门墩路为单行。通过模型测试并分配区域流量,得出区域路网服务水平,与现状分配结果进行对比,可看出,马场角小路形成、马场路-后襄河北路一线交通顺畅后,可对发展大道起到一定的分流作用。

图3-21 交通组织前后流量对比图(二环线建成后)

图3-22 交通组织前后节点延误对比图(二环线建成后)

3.5.4 区域微观模型与局部微观模型

  将中观模型得到的机动车路网以及机动车路径信息,自动生成微观仿真基础模型。从中观模型获得OD、路径及基础路网信息,对城市核心区交通流运行组织进行精细化分析。 

  有了中观模型的基础,可以从中截取局部模型,配以3D模型,构建立体化的微观仿真模型,提高其展示度,得到的微观3D仿真模型如图。如图327328所示。

第4章 模型构建特色与展望

  通过本次项目,目前已初步建立了基于PTV Vision的多层次交通模型架构,基本实现了宏观、中观、微观模型的衔接,基本掌握了中观模型建模技术和Visum软件的使用方法。

  本次中观模型构建了主城范围内以宏观、中观、微观模型为原型的一体化多层次模型,即主城宏观过渡模型、区域中观交通仿真模型、区域微观仿真模型。 从技术层面上能够进一步完善宏观模型,将车流与客流统一于模型体系之中,体现车流和客流的竞争关系,保障模型的科学合理性和精确度。从交通规划层面上,中观模型能够为区域交通规划分析提供精细化的定量分析依据,为微观模型提供基础OD及路径流量数据,为后续的中观动态模型提供基础构架。

  为了建立一套能够满足各项交通工作需求的交通模型体系,应该建立武汉市宏中微一体化交通模型体系,并且在中观静态模型的基础上,利用武汉市交通信息平台,建立基于VISUMOnline的中观动态模型。