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城市虚拟交通系统——理论基础、关键技术与案例分析 版权信息
- ISBN：9787030718372
- 条形码：9787030718372 ; 978-7-03-071837-2
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
城市虚拟交通系统——理论基础、关键技术与案例分析 本书特色
适读人群 ：交通工程及相关专业本科生、研究生，以及交通运输工程领域科学研究、规划设计、行业管理等相关人员本书是国内唯一一本系统性介绍城市虚拟交通仿真技术的图书，涵盖了理论方法、系统软件与案例分析，概念新、解读精、覆盖全、受众广，具有理论、实践双重指导价值。
城市虚拟交通系统——理论基础、关键技术与案例分析 内容简介
本书抢先发售提出了城市虚拟交通系统的概念，针对当前与未来城市交通系统亟须解决的问题，提出了城市虚拟交通系统基础理论体系及其主要内容；在理论体系基础上研究了城市虚拟交通系统的关键技术，并开发了平台软件“交运之星-TranStar”;以城市虚拟交通系统仿真平台在重庆市、南京市等城市的实际应用为例，阐述了虚拟交通系统基础理论、关键技术与系统软件在城市交通系统的规划建设、管理控制、拥堵治理、政策制定等业务场景的应用情况与效果。 本书可作为交通工程及相关专业本科生、研究生的教材，以及交通运输工程领域科学研究、规划设计、行业管理等相关人员的参考用书。
城市虚拟交通系统——理论基础、关键技术与案例分析 目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 城市虚拟交通系统的提出 1
1.1.1 我国城市交通发展现状 1
1.1.2 城市虚拟交通系统需求分析. 2
1.2 城市虚拟交通系统基本原理、框架体系与系统设计 4
1.2.1 城市虚拟交通系统的基本原理 4
1.2.2 城市虚拟交通系统的框架体系 5
1.2.3 城市虚拟交通系统的系统设计 6
1.3 基础数据库：交通大数据的快速获取与融合技术. 7
1.4 分析模型库：大数据环境下的城市交通分析模型体系 9
1.5 软件模块库：大规模交通网络交通仿真技术与软件实现 10
1.6 对策预案库：城市跨部门协作交通方案 “一键式” 仿真与评估技术 11
1.6.1 对策预案库的主要作用 11
1.6.2 对策预案库的业务策略设计 11
1.6.3 对策预案库的定量化、精细化、可视化评估技术 12
1.7 城市虚拟交通系统决策支持平台 12
参考文献 14
**篇 基础理论
第2章 城市交通网络交通特征分析方法与模型 17
2.1 概述 17
2.1.1 交通网络拓扑结构特征 17
2.1.2 节点交通特征 17
2.1.3 路段交通特征 18
2.1.4 网络交通特征 19
2.2 城市交通网络结构特征表达方法 19
2.2.1 交通网络拓扑表达方法 19
2.2.2 交通网络空间表达方法 22
2.3 城市交通网络节点交通特征分析模型 25
2.3.1 交叉口通行能力分析模型 25
2.3.2 交叉口延误与排队长度分析模型. 29
2.4 城市交通网络路段交通特征分析模型 33
2.4.1 路段通行能力分析模型 33
2.4.2 路段行程速度分析模型 35
2.4.3 路段交通阻抗分析模型 36
2.5 城市交通网络系统特征分析模型 39
2.5.1 网络等级配置分析模型 39
2.5.2 网络连通性分析模型 40
2.5.3 网络*短路分析模型 40
2.6 本章小结 41
参考文献 41
第3章 城市交通系统交通需求分析方法与模型 45
3.1 概述 45
3.1.1 交通需求分析方法概述 45
3.1.2 交通需求分析软件概述 47
3.2 城市交通需求生成分析模型 47
3.2.1 交通需求生成分析集计模型 48
3.2.2 交通生成分析非集计模型 49
3.3 城市交通需求分布分析模型 50
3.3.1 增长系数模型 50
3.3.2 重力模型 52
3.3.3 熵模型 54
3.3.4 介入机会模型 55
3.4 城市交通需求方式划分分析模型 55
3.4.1 交通方式划分集计模型 55
3.4.2 交通方式划分非集计模型 56
3.4.3 优势出行距离分析模型 58
3.5 交通需求组合分析模型. 60
3.6 本章小结 60
参考文献 61
第4章 城市交通网络交通分配方法与模型 62
4.1 概述 62
4.1.1 静态交通分配 63
4.1.2 动态交通分配 64
4.1.3 交通分配方法总结 65
4.2 城市交通网络交通分配模型 66
4.2.1 用户均衡交通分配模型 66
4.2.2 系统*优交通分配模型 68
4.2.3 随机用户均衡交通分配模型 68
4.3 城市交通网络交通分配方法 70
4.3.1 *短路交通分配方法 70
4.3.2 多路径交通分配方法 72
4.3.3 增量加载交通分配方法 76
4.3.4 网络均衡交通分配方法 78
4.4 交通网络交通分配的一体化模型 80
4.4.1 交通分配方法族谱体系 80
4.4.2 交通网络交通分配的一体化模型框架 81
4.4.3 交通分配方法的一体化组合流程. 85
4.5 本章小结 86
参考文献 86
第5章 城市公共交通系统分析理论与方法 89
5.1 概述 89
5.1.1 公交网络客流分析 89
5.1.2 公交线网布局规划 91
5.1.3 公交线路运营策略优化 92
5.2 公交客流分析模型 93
5.2.1 基于频率的公交客流分配模型. 93
5.2.2 基于时刻表的公交客流分配模型. 98
5.3 公交线网布局规划理论与方法. 100
5.3.1 公交线网布局规划模型 100
5.3.2 公交线网布局规划求解方法 104
5.4 公交线路运营策略优化理论与方法 107
5.4.1 公交线路运营策略优化问题描述及基本定义 108
5.4.2 公交线路运营策略优化模型 109
5.4.3 公交线路运营策略优化算法框架 113
5.5 本章小结 114
参考文献 114
第6章 城市交通系统综合评价方法与模型 116
6.1 概述. 116
6.1.1 城市居民出行效率 116
6.1.2 道路网络运行效率 117
6.1.3 公交系统运行效率 117
6.1.4 环境影响与能源消耗 117
6.1.5 交通系统经济性能 118
6.1.6 城市交通系统综合评价 118
6.2 城市交通系统综合评价体系与指标 119
6.2.1 城市居民出行效率评价 120
6.2.2 道路网络运行效率评价 123
6.2.3 公交系统运行效率评价 125
6.2.4 环境影响与能源消耗评价 126
6.2.5 交通系统经济性能评价 129
6.3 城市交通系统综合评价方法 130
6.3.1 设置因素集 (指标集) 131
6.3.2 设置评语集 131
6.3.3 计算隶属度 132
6.3.4 确定权重 133
6.3.5 综合评价 134
6.4 本章小结 135
参考文献 135
第二篇 关键技术
第7章 城市虚拟交通系统技术框架与平台软件 139
7.1 概述. 139
7.2 城市虚拟交通系统关键技术 140
7.2.1 关键技术组织 140
7.2.2 关键技术框架 141
7.3 城市虚拟交通系统平台软件 142
7.3.1 平台软件开发介绍 142
7.3.2 平台软件功能架构 144
7.3.3 平台软件操作流程 146
7.4 本章小结 148
第8章 城市虚拟交通系统数据库构建技术 149
8.1 数据库架构 149
8.1.1 数据库架构设计 149
8.1.2 数据库架构方案 150
8.2 数据库文件 151
8.2.1 道路网络结构基础数据库 151
8.2.2 公共交通网络基础数据库 154
8.2.3 交通管理信息基础数据库 156
8.2.4 交通需求信息基础数据库 158
8.3 数据库快速构建 161
8.3.1 城市道路网络自动构建技术 161
8.3.2 公交站点和线路数据自动生成技术 164
8.3.3 道路网络与公交网络匹配技术 166
8.3.4 交通区及人口数据自动生成技术 168
8.4 本章小结 169
参考文献 169
第9章 城市虚拟交通系统交通需求分析技术. 170
9.1 概述. 170
9.2 城市交通需求生成技术 171
9.2.1 常住人口出行发生吸引量分析技术 172
9.2.2 流动人口出行发生吸引量分析技术 173
9.2.3 货物运输发生吸引量分析 174
9.3 城市交通需求分布技术 175
9.3.1 双约束重力模型需求分布技术 176
9.3.2 增长系数模型需求分布技术 177
9.4 城市交通需求方式划分技术 178
9.4.1 交通出行方式选择分析技术 179
9.4.2 基于方式结构目标值的出行方式选择预测技术 180
9.4.3 方式优势出行距离函数 181
9.5 城市交通需求 OD 矩阵分析技术 182
9.5.1 交通需求 OD 矩阵转换技术 182
9.5.2 交通需求 OD 矩阵修正技术 184
9.5.3 交通需求 OD 矩阵拆合技术 185
9.6 本章小结 187
参考文献 187
第10章 城市虚拟交通系统交通运行特征分析技术 188
10.1 城市交通系统交通运行特征分析模块设计 188
10.1.1 交通运行特征分析基本内容 188
10.1.2 交通运行特征分析数据准备 189
10.2 基于交通分配一体化模型的网络交通流分析技术 191
10.2.1 交通网络交通分配模型一体化技术 192
10.2.2 交通网络交通分配对象一体化技术 193
10.2.3 交通网络交通分配场景一体化技术 197
10.3 面向业务策略的交通网络运行状态分析技术 199
10.3.1 城市土地开发业务策略的分析技术 199
10.3.2 交通网络建设业务策略的分析技术 201
10.3.3 交通管理控制业务策略的分析技术 204
10.3.4 公共交通系统业务策略的分析技术 206
10.3.5 交通政策制定业务策略的分析技术 207
10.4 城市交通网络交通运行指标分析与评估技术 209
10.5 本章小结 213
参考文献 213
第11章 城市虚拟交通系统公共交通分析技术 215
11.1 城市公交系统愿望客流分析技术 215
11.1.1 公交基础网构建 215
11.1.2 公交基础网的愿望客流交通分配 216
11.1.3 公交系统愿望客流分析应用实例 217
11.2 城市公交网络客流分析技术 218
11.2.1 公交线路网构建 219
11.2.2 公交线路网客流分布分析技术 219
11.2.3 公交线路网客流分析应用实例 220
11.3 城市公交线路客流分析技术 222
11.3.1 公交超级网络构建技术 223
11.3.2 公交超级网络客流分布分析技术 226
11.3.3 公交线路客流分析应用实例 234
11.4 本章小结 238
参考文献 238
第12章 面向业务策略的虚拟场景设计与人机交互技术 239
12.1 概述 239
12.1.1 人机交互的基本概念 239
12.1.2 城市虚拟交通系统中的人机交互设计. 240
12.2 面向业务方案的人机交互技术 241
12.2.1 节点交互设计 241
12.2.2 路段交互设计 244
12.2.3 交通小区交互设计 247
12.3 面向业务策略的虚拟场景设计技术 250
1
前言
第1章 绪论 1
1.1 城市虚拟交通系统的提出 1
1.1.1 我国城市交通发展现状 1
1.1.2 城市虚拟交通系统需求分析. 2
1.2 城市虚拟交通系统基本原理、框架体系与系统设计 4
1.2.1 城市虚拟交通系统的基本原理 4
1.2.2 城市虚拟交通系统的框架体系 5
1.2.3 城市虚拟交通系统的系统设计 6
1.3 基础数据库：交通大数据的快速获取与融合技术. 7
1.4 分析模型库：大数据环境下的城市交通分析模型体系 9
1.5 软件模块库：大规模交通网络交通仿真技术与软件实现 10
1.6 对策预案库：城市跨部门协作交通方案 “一键式” 仿真与评估技术 11
1.6.1 对策预案库的主要作用 11
1.6.2 对策预案库的业务策略设计 11
1.6.3 对策预案库的定量化、精细化、可视化评估技术 12
1.7 城市虚拟交通系统决策支持平台 12
参考文献 14
**篇 基础理论
第2章 城市交通网络交通特征分析方法与模型 17
2.1 概述 17
2.1.1 交通网络拓扑结构特征 17
2.1.2 节点交通特征 17
2.1.3 路段交通特征 18
2.1.4 网络交通特征 19
2.2 城市交通网络结构特征表达方法 19
2.2.1 交通网络拓扑表达方法 19
2.2.2 交通网络空间表达方法 22
2.3 城市交通网络节点交通特征分析模型 25
2.3.1 交叉口通行能力分析模型 25
2.3.2 交叉口延误与排队长度分析模型. 29
2.4 城市交通网络路段交通特征分析模型 33
2.4.1 路段通行能力分析模型 33
2.4.2 路段行程速度分析模型 35
2.4.3 路段交通阻抗分析模型 36
2.5 城市交通网络系统特征分析模型 39
2.5.1 网络等级配置分析模型 39
2.5.2 网络连通性分析模型 40
2.5.3 网络*短路分析模型 40
2.6 本章小结 41
参考文献 41
第3章 城市交通系统交通需求分析方法与模型 45
3.1 概述 45
3.1.1 交通需求分析方法概述 45
3.1.2 交通需求分析软件概述 47
3.2 城市交通需求生成分析模型 47
3.2.1 交通需求生成分析集计模型 48
3.2.2 交通生成分析非集计模型 49
3.3 城市交通需求分布分析模型 50
3.3.1 增长系数模型 50
3.3.2 重力模型 52
3.3.3 熵模型 54
3.3.4 介入机会模型 55
3.4 城市交通需求方式划分分析模型 55
3.4.1 交通方式划分集计模型 55
3.4.2 交通方式划分非集计模型 56
3.4.3 优势出行距离分析模型 58
3.5 交通需求组合分析模型. 60
3.6 本章小结 60
参考文献 61
第4章 城市交通网络交通分配方法与模型 62
4.1 概述 62
4.1.1 静态交通分配 63
4.1.2 动态交通分配 64
4.1.3 交通分配方法总结 65
4.2 城市交通网络交通分配模型 66
4.2.1 用户均衡交通分配模型 66
4.2.2 系统*优交通分配模型 68
4.2.3 随机用户均衡交通分配模型 68
4.3 城市交通网络交通分配方法 70
4.3.1 *短路交通分配方法 70
4.3.2 多路径交通分配方法 72
4.3.3 增量加载交通分配方法 76
4.3.4 网络均衡交通分配方法 78
4.4 交通网络交通分配的一体化模型 80
4.4.1 交通分配方法族谱体系 80
4.4.2 交通网络交通分配的一体化模型框架 81
4.4.3 交通分配方法的一体化组合流程. 85
4.5 本章小结 86
参考文献 86
第5章 城市公共交通系统分析理论与方法 89
5.1 概述 89
5.1.1 公交网络客流分析 89
5.1.2 公交线网布局规划 91
5.1.3 公交线路运营策略优化 92
5.2 公交客流分析模型 93
5.2.1 基于频率的公交客流分配模型. 93
5.2.2 基于时刻表的公交客流分配模型. 98
5.3 公交线网布局规划理论与方法. 100
5.3.1 公交线网布局规划模型 100
5.3.2 公交线网布局规划求解方法 104
5.4 公交线路运营策略优化理论与方法 107
5.4.1 公交线路运营策略优化问题描述及基本定义 108
5.4.2 公交线路运营策略优化模型 109
5.4.3 公交线路运营策略优化算法框架 113
5.5 本章小结 114
参考文献 114
第6章 城市交通系统综合评价方法与模型 116
6.1 概述. 116
6.1.1 城市居民出行效率 116
6.1.2 道路网络运行效率 117
6.1.3 公交系统运行效率 117
6.1.4 环境影响与能源消耗 117
6.1.5 交通系统经济性能 118
6.1.6 城市交通系统综合评价 118
6.2 城市交通系统综合评价体系与指标 119
6.2.1 城市居民出行效率评价 120
6.2.2 道路网络运行效率评价 123
6.2.3 公交系统运行效率评价 125
6.2.4 环境影响与能源消耗评价 126
6.2.5 交通系统经济性能评价 129
6.3 城市交通系统综合评价方法 130
6.3.1 设置因素集 (指标集) 131
6.3.2 设置评语集 131
6.3.3 计算隶属度 132
6.3.4 确定权重 133
6.3.5 综合评价 134
6.4 本章小结 135
参考文献 135
第二篇 关键技术
第7章 城市虚拟交通系统技术框架与平台软件 139
7.1 概述. 139
7.2 城市虚拟交通系统关键技术 140
7.2.1 关键技术组织 140
7.2.2 关键技术框架 141
7.3 城市虚拟交通系统平台软件 142
7.3.1 平台软件开发介绍 142
7.3.2 平台软件功能架构 144
7.3.3 平台软件操作流程 146
7.4 本章小结 148
第8章 城市虚拟交通系统数据库构建技术 149
8.1 数据库架构 149
8.1.1 数据库架构设计 149
8.1.2 数据库架构方案 150
8.2 数据库文件 151
8.2.1 道路网络结构基础数据库 151
8.2.2 公共交通网络基础数据库 154
8.2.3 交通管理信息基础数据库 156
8.2.4 交通需求信息基础数据库 158
8.3 数据库快速构建 161
8.3.1 城市道路网络自动构建技术 161
8.3.2 公交站点和线路数据自动生成技术 164
8.3.3 道路网络与公交网络匹配技术 166
8.3.4 交通区及人口数据自动生成技术 168
8.4 本章小结 169
参考文献 169
第9章 城市虚拟交通系统交通需求分析技术. 170
9.1 概述. 170
9.2 城市交通需求生成技术 171
9.2.1 常住人口出行发生吸引量分析技术 172
9.2.2 流动人口出行发生吸引量分析技术 173
9.2.3 货物运输发生吸引量分析 174
9.3 城市交通需求分布技术 175
9.3.1 双约束重力模型需求分布技术 176
9.3.2 增长系数模型需求分布技术 177
9.4 城市交通需求方式划分技术 178
9.4.1 交通出行方式选择分析技术 179
9.4.2 基于方式结构目标值的出行方式选择预测技术 180
9.4.3 方式优势出行距离函数 181
9.5 城市交通需求 OD 矩阵分析技术 182
9.5.1 交通需求 OD 矩阵转换技术 182
9.5.2 交通需求 OD 矩阵修正技术 184
9.5.3 交通需求 OD 矩阵拆合技术 185
9.6 本章小结 187
参考文献 187
第10章 城市虚拟交通系统交通运行特征分析技术 188
10.1 城市交通系统交通运行特征分析模块设计 188
10.1.1 交通运行特征分析基本内容 188
10.1.2 交通运行特征分析数据准备 189
10.2 基于交通分配一体化模型的网络交通流分析技术 191
10.2.1 交通网络交通分配模型一体化技术 192
10.2.2 交通网络交通分配对象一体化技术 193
10.2.3 交通网络交通分配场景一体化技术 197
10.3 面向业务策略的交通网络运行状态分析技术 199
10.3.1 城市土地开发业务策略的分析技术 199
10.3.2 交通网络建设业务策略的分析技术 201
10.3.3 交通管理控制业务策略的分析技术 204
10.3.4 公共交通系统业务策略的分析技术 206
10.3.5 交通政策制定业务策略的分析技术 207
10.4 城市交通网络交通运行指标分析与评估技术 209
10.5 本章小结 213
参考文献 213
第11章 城市虚拟交通系统公共交通分析技术 215
11.1 城市公交系统愿望客流分析技术 215
11.1.1 公交基础网构建 215
11.1.2 公交基础网的愿望客流交通分配 216
11.1.3 公交系统愿望客流分析应用实例 217
11.2 城市公交网络客流分析技术 218
11.2.1 公交线路网构建 219
11.2.2 公交线路网客流分布分析技术 219
11.2.3 公交线路网客流分析应用实例 220
11.3 城市公交线路客流分析技术 222
11.3.1 公交超级网络构建技术 223
11.3.2 公交超级网络客流分布分析技术 226
11.3.3 公交线路客流分析应用实例 234
11.4 本章小结 238
参考文献 238
第12章 面向业务策略的虚拟场景设计与人机交互技术 239
12.1 概述 239
12.1.1 人机交互的基本概念 239
12.1.2 城市虚拟交通系统中的人机交互设计. 240
12.2 面向业务方案的人机交互技术 241
12.2.1 节点交互设计 241
12.2.2 路段交互设计 244
12.2.3 交通小区交互设计 247
12.3 面向业务策略的虚拟场景设计技术 250
1
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城市虚拟交通系统——理论基础、关键技术与案例分析 节选
第1章 绪论 1.1 城市虚拟交通系统的提出 1.1.1 我国城市交通发展现状 改革开放以来，我国城市交通发展经历了 20 世纪末的大规模基础设施建设、21 世纪初的现代化管理、小汽车进入家庭后的机动化转型以及当前的智能化服务4 个发展阶段[1]；我国仅用 40 年时间就走过了发达国家 100 多年的城市发展历程，发展速度之快、面临问题之复杂、技术难度之大全球罕见。这期间，我国城市道路的交通方式也经历了自行车主导、机动车与非机动车混行、机动车主导的重大转型。 城市交通系统的快速发展与我国近 40 年来的快速城镇化关系密切。快速城镇化造成了城市规模扩大，居民出行距离增加，引发城市居民的机动化出行需求量大幅度增长，私人小汽车大量进入家庭，交通基础设施建设跟不上小汽车增长速度而导致城市交通系统供需失衡，道路交通拥堵严重 (图 1-1)。如南京市 20 世纪 90 年代的城市居民平均出行距离不超过 2km，非常适合自行车出行，居民出行的自行车占比在上下班高峰小时高达 60％，但近几年南京市的居民平均出行距离已经上升到 6km 左右，需要机动化出行，私人小汽车拥有量从 2000 年的 2 万辆增加至 2020 年的 200 万辆à，20 年间私人小汽车拥有量增加了近 100 倍，而同期城市道路里程仅增加了 2.5 倍左右，相应的道路车道-里程增加也不超过 5 倍。全国的情况也是如此，根据国家统计局 2020 年数据à，2004～2019 年我国私人载客汽车保有量从 1070 万辆增长至 20700 万辆 (增长了 18.35 倍)，而城市道路里程仅从 22.3 万 km 增长至 45.9 万 km (增长了 1.06 倍)。城市交通系统供需严重失衡，造成了道路交通拥堵、交通事故频发、生态环境污染等一系列城市问题。 图 1-1 城市交通系统发展阶段 当前，我国城市交通系统仍然处在交通结构转型期，在快速城镇化、出行机动化的双重压力下，城市交通系统严重供需失衡，单靠道路设施建设无法满足城市居民机动化出行需求。缓解城市交通系统供需矛盾的总体策略是构建公交主导的城市交通系统供需平衡体系[2，3] (图 1-2)，具体措施包括：.1 在交通源头，采用以公共交通为导向的城市土地开发模式 (TOD)，降低私人小汽车出行的交通需求，引导城市综合交通系统的供需平衡；.2 在交通设施建设过程中，构建以中大运量轨道交通为骨干的城市综合交通网络体系，增强城市综合交通体系的系统协同，大幅度提升交通网络的机动化运输能力来满足居民出行的机动化需求；.3 在交通末端，发展公共交通优先的城市智能化交通管理系统，提高道路交通系统的通行效率。在具体的实施过程中，需要精明的交通规划、精致的交通设计、精细的交通组织、精准的交通管控等措施为保障，以实现城市交通系统建设从增量积累到存量发展、从能力建设到效能提升的根本性转变。 图 1-2 公交主导型城市交通系统供需平衡体系 1.1.2 城市虚拟交通系统需求分析 城市交通系统的可持续、高质量发展，要以城市交通系统的精明规划、精致设计、精细组织与精准管控为基础，而实现 “四精” 目标，需要一套完整的城市交通系统高质量发展决策支持与系统管理技术，但我国城市交通系统近 40 年的发展过程中，决策支持技术、系统管理技术远远落后于工程建造技术。近 40 年来，我国各大城市基本建成了现代化的交通基础设施，硬件设施的建造技术已经达到à 数据来源于国家统计局 2020 年数据，http://了世界先进水平，但我国在城市交通系统发展过程中的决策支持能力与系统管理水平的不足，造成已经建成的城市交通系统运输效率低 (交通功能存在问题)、服务能力差 (系统功能存在问题)。提升城市交通系统的决策支持技术、系统管理技术水平是我国城市交通系统高质量发展的当务之急，而城市虚拟交通系统及其仿真平台是提升城市交通系统决策支持能力与系统管理水平的基础。 1. 构建公交主导型城市交通系统供需平衡体系的需要 构建公交主导型城市交通系统供需平衡体系是缓解大城市交通拥堵等一系列交通问题的根本出路，而该体系的构建需要以城市虚拟交通系统为平台开展，以实现城市综合交通系统的智能化、政府职能部门之间决策的协同化。但是，当前各城市正在建设的城市智能交通系统 (ITS) 存在技术缺陷，一方面，基于大数据技术解决城市交通问题的交通分析能力与虚拟仿真能力尤其缺乏，无法支撑跨部门协同决策；另一方面，政府职能部门的业务 “条块分割”，与城市交通系统相关联的业务方案论证 “各自为政”，难以实现跨部门协同决策。 因此，我国亟须建立基于大数据、人工智能、虚拟仿真等前沿技术的城市交通发展协同决策支持模式。通过海量交通数据的汇集、融合、应用，交通分析模型的构建、优化，提高城市交通规划与管控的精准化、科学化水平[4， 5]；运用 “统一的数据、统一的模型、统一的软件”，建立城市交通系统多部门协同机制，构建共享的城市虚拟交通系统与协同决策支持平台[1]，赋予 “城市交通大脑” 交通优化的思维能力，切实提升对政府决策的支持能力与效率。 2. 支撑城市交通系统规划、建设与管理方案科学决策的需要 城市虚拟交通系统突破了交通大数据应用由感性的交通状态感知上升为理性的出行需求认知的技术瓶颈，使交通大数据能真正用于提升城市交通系统规划、建设与管理水平。基于相关理论模型、系统软件、测试平台，城市虚拟交通系统可对诸多政府决策环节 (如城市土地利用、交通政策制定、交通设施建设、交通管理控制等) 提供精细化、定量化、可视化、快速反应的决策支持，以确保 “城市交通大脑” 具有交通优化的思维能力。 城市虚拟交通系统的主要功能之一是，通过融合来源于多部门的交通数据，构建统一的标准化交通数据库，提供统一的交通模型与分析方法，建立共享的跨部门协作平台，实现对交通系统规划、建设、管理等应用场景下各类业务方案进行定量化、精细化、可视化的虚拟仿真。在共享的城市虚拟交通系统平台上，形成多部门协作的决策机制、决策方案论证的虚拟仿真一体化技术流程，可以随时待命、快速响应，有效满足政府部门的宏观、中观、微观等多方位交通方案的决策需求。 3. 实现城市交通系统虚拟仿真关键技术自主化的需要 城市综合交通系统的主体往往是由数百万居民、上百万车辆在大型交通网络上的出行行为所组成的复杂巨系统，开展超大网络交通仿真必须依托于大型平台软件。在城市道路网络仿真方面，虽然已有众多交通仿真商业软件应用于城市交通规划实践，但其基本理论多为交通分析 “四阶段模型”，仅适用于分析城市交通基础设施建设对全局交通的影响，代表性软件有 TransCAD、EMME、PTV Visum、Cube 等。 当前，国内交通仿真分析软件基本上被国外仿真软件所垄断。国外软件尽管具有灵活的分析能力与丰富的显示功能，但用于我国交通业务场景往往 “水土不服”。除了道路交通运行特征不同，国外交通仿真模型不能反映中国道路交通特点外，国外交通仿真软件仅侧重城市规划和交通规划，无法对基于中国特色的交通管理措施、交通控制策略、交通政策法规等业务场景开展交通网络运行仿真分析；国外仿真软件在使用过程中需要用户基于专业知识进行二次开发，而非专业人员很难根据特定的业务需求有效使用这些国外软件。因此，我国亟待开发符合我国城市交通特点、覆盖城市交通相关职能部门业务场景且操作简便的城市交通仿真分析平台软件，为我国城市交通系统开展跨部门协作提供决策支撑，助力 “城市交通大脑” 的建设。 1.2 城市虚拟交通系统基本原理、框架体系与系统设计 1.2.1 城市虚拟交通系统的基本原理 城市虚拟交通系统是利用数字孪生等新技术构建的与现实城市交通系统平行的数字交通系统。 城市虚拟交通系统是通过对城市居民出行需求、道路网络交通流量、公交网络乘客流量、综合交通网络结构等现实交通系统参与对象 (包括人、车、路、环境、信息等) 进行数字化抽象，通过构建仿真模型来模拟现实交通系统的演化规律与供需平衡机理，在计算机分析平台上构建的与现实交通系统具有相同交通特征的数字交通系统[6]。 城市虚拟交通系统还包括面向不同业务部门、不同应用场景而建立的预案库，以及基于 “统一的数据、统一的模型、统一的软件” 而构建的虚拟仿真共享平台，并为解决交通问题的各类预案提供 “一键式” 交通仿真技术，实现交通方案实施效果的定量化、精准化、可视化评估，以及快速反应的决策支持。 城市虚拟交通系统的目标是为 “智慧城市”“智慧交通” 建设提供全方位的交通系统分析与仿真技术支撑，包括进行各类应用场景业务方案 (如城市土地开发、交通政策制定、交通设施建设、交通管理控制、交通安全保障等) 对城市交通系统产生影响的定量化、可视化综合评估与方案优化设计，开展跨部门协作方案 (涉及城市规划、交通建设、交通管理、公共交通、交通政策等) 的制定，政府决策方案的论证分析，促进城市交通系统的跨部门协同与无缝衔接，支撑政府部门高效、科学的决策与管理 (图 1-3)。 图 1-3 城市虚拟交通系统基本原理 1.2.2 城市虚拟交通系统的框架体系 城市虚拟交通系统由基础数据库、分析模型库、软件模块库、对策预案库 4 部分组成 (图 1-4)。 图 1-4 城市虚拟交通系统的体系构成 (1) 基础数据库是城市虚拟交通系统的基础，通过对多源交通大数据的提取、加工、融合形成标准化交通数据库，直接服务于城市虚拟交通仿真平台开展交通系统分析，并为交通方案决策提供支持。 (2) 分析模型库是城市虚拟交通系统的内核，它起到了赋予 “城市交通大脑”交通优化思维能力的作用。交通分析的数学模型构建应依托交通大数据，针对新型城镇化背景下的城市交通系统构成要素与基本特征，在剖析城市交通系统的演化规律与供需平衡机理的基础上开展，以满足对城市交通系统规划建设、运行管理、安全保障、政策制定等进行交通分析的业务需求。 (3) 软件模块库是城市虚拟交通系统的重要技术支撑，它将交通分析数学模型通过计算机编程转变为实用工具，为使用者提供友好的人机交互，可靠的仿真功能，精确的评估指标、分析报告和动态直观的可视化结果。 (4) 对策预案库是城市虚拟交通系统为城市交通系统高质量发展而提供的各应用场景交通问题解决方案模板与流程设计，能实现相关业务部门对交通问题解决方案的优化设计，以及不同业务部门对同一个交通问题解决方案的跨部门协同或同一个业务部门对不同交通问题解决方案的系统协同。通过面向业务功能的“一键式” 分析流程设计，可满足非专业人员在城市虚拟交通系统平台上对各类交通方案开展交通仿真分析的业务需求。 1.2.3 城市虚拟交通系统的系统设计 城市交通系统涉及多个城市职能部门，解决城市交通问题需要跨部门的协同与配合 (图 1-2)，而城市虚拟交通系统是实现城市交通问题解决方案跨部门协同的决策支持平台 (图 1-3)。 城市虚拟交通系统通过 “统一的数据、统一的模型、统一的软件、共享的平台” 实现城市交通问题解决方案的跨部门协同与系统优化。 (1) 统一的数据：与城市交通相关的各职能部门，都有服务于自身业务的数据库，但只是局部数据库。由于城市交通系统的开放性与复杂性，以及部门数据库的局限性，各职能部门用各自的业务数据库分析同一个交通问题，往往会得出不同的结论。构建统一的、标准化的数据库是城市虚拟交通系统的基础。 (2) 统一的模型：城市交通系统的基础理论研究已有几十年，交通分析模型种类繁多，每一个模型都有特定的应用场合与参数要求。同样的道理，各职能部门采用不同的模型分析同一个交通问题，也会得出不同的结论。
城市虚拟交通系统——理论基础、关键技术与案例分析 作者简介
王炜，二级教授、博士生导师，东南大学土建交通学部主任。国家高层次人才计划入选者、国家杰出青年科学基金获得者、特聘教授、全国高等学校教学名师，获首届全国创新争先奖、首届全国教材建设奖、全国五一劳动奖章、宝钢教育基金很好教师特等奖等荣誉称号。 长期致力于交通运输工程领域的人才培养与科学研究工作，研究方向覆盖城市交通规划、城市交通管理、智能交通系统、综合交通体系等领域，主持研发了我国少有接近自主知识产权的交通系统分析大型平台软件“交运之星-TranStar”，研究成果获国家科技进步二等奖5项（4项排名、1项排名第二）、国家教学成果二等奖3项（均排名）、省部级科技进步奖与教学成果奖一、二等奖20多项。
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