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基于协同智能世博会动态交通组织研究基于协同智能的世博会动态交通组织探讨 添加时间:2010-1-3 点击次数：975 ( 本文版权全部，不得转贴，2006 年年中成稿) 同济高校电子与信息工程学院薛小平 王小平 尹琴 葛乐 胡文宇2010 年将要在上海实行的世界博览会是一项举世瞩目的大型国际活动。历届世博会都有大量的参观者，如 1970 年日本大阪世博会的游客总数达到 6422 万1。据预料，2010 年上海世博会吸引的海内外游客将创下世博会 150 多年历史的最高纪录，高达 7000 万人次，平均每天 40 万人次，高峰日参展人数将达 80 万。众所周知，上海市交通拥挤，中心城区的道路面积率仅为城市总面积的 6.36，内环线浦西地区的平均车速仅为 15.16 km/h，低于国际平均 18 km/h 标准2，上海城市道路结构也不尽合理，支路密度大、等级低2。因此，在上海举办规模空前的世博会所带来的城市交通压力也是前所未有的，对上海的交通管理和组织提出了严峻的挑战。 近年来，为了充分利用上海的交通道路资源，缓解交通压力，上海市政府和交通规划和管理部门采纳多种手段和措施保证道路的畅通，如建设高架环线和城市轨道交通(如地铁和磁悬浮交通等)、制订和实施了多种有效的道路交通行政管理政策和方法、利用智能交通技术对上海的道路交通资源进行管理等等，这些努力对缓解上海的交通压力起到了主动和有益的作用。 上海市政府和交通规划管理部门非常重视世博会期间的交通问题，规划了兼备多种交通形式的复合立体式交通体系1，包括：公交专线、城市快速道路、地铁交通、水上交通以及可能的空中缆车等，以期保障世博会期间交通的顺畅，建立世博和谐的交通体系。复合立体式交通的体系内部的各种交通形式之间既有无关性，如地面交通的堵塞不会影响地铁、水上交通等的正常运行，但不同的交通形式都是为世博会服务的，它们之间又有相关性，当一种交通形式受到突发性事务的影响时，可以充分发挥其他形式的交通工具的运输潜力，保证世博会期间交通的通畅。 紧急交通事务是指能引起交通混乱的各种突发事务，包括火灾、化学物品泄露、爆炸、突发性的气象灾难、交通事故、道路过载等等2856。紧急交通事务具有随机突发性，对交通的影响具有扩散性，即某个地点的突发性交通事务往往会引起一个区域的交通拥堵和混乱。这不仅对城市交通有着巨大的影响，而且还会影响到上海的城市形象。面对世博会期间比平常更高的交通载荷和压力，紧急交通事务更是雪上加霜，使上海交通的压力变得更加严峻。因此，科学地探讨上海世博会期间的紧急交通事务问题是一个非常重要而紧迫的课题，它不仅对缓解世博会期间的交通压力有现实意义，而且对上海城市交通的管理和组织也具有非常重要的指导意义。 有关城市交通组织和管理的探讨早在上个世纪就得到了探讨人员的重视。1953 年美国大都市圈底特律首先起先交通调查，1962 年发表高速马路规划报告书名为Traffic Study；随后芝加哥都市圈制定以城市综合交通调查为基础的Chicago Area Transportation Study, CATS，这项探讨在交通规划发展史上占有重要地位；1963 年英国发表闻名的布凯南报告，1964 年在雷塞士特进行综合城市交通规划。上世纪 60 年头后期以居民出行调查为基础的城市综合交通规划得到了重视，先后在一些城市开展了居民出行调查，制定了由交通发生、交通分布、不同交通方式分担、交通安排所构成的四阶段交通需求预料法。 1952 年 Wardrop 提出交通网平衡的定义，称为 Wardrop 的第一原理或称 Wardrop equilibrium3，其核心思想是：当道路网的利用者都知道网络状态并试图选择最短路径时，网络会达到平衡状态。在考虑拥挤对行走时间影响的网络中，当网络达到平衡状态时，每组 OD(Origin-Destination，动身地和目的地)的各条被利用的路径具有相等并且走行时间最小，没有被利用的路径的走行时间大于等于最小走行时间。系统最优化的交通量安排3 (称为 Wardrop 其次原理)在考虑拥挤对走行时间影响的网络中，网络中的交通量应当按某种方式安排使网络中的交通量的总走行时间最小。系统最优化的交通量安排反映了一种目标，即按什么方式安排是最好的，在实际网络中几乎不行能实现，全部司机相互协作为系统最优化目标，而这种努力也只能停留在志向目标上，虽然如此，但该原理为交通管理供应了一种决策方法。1956 年，Beckmann 等提出了求平衡交通安排解的一种数学规划模型4。20 年后即 1975 年由 Leblanc 等学者将 Frank-Wolfe 算法用于求解 Beckmann 模型5并获得胜利，从而形成了现在的好用算法。Frank-Wolfe 算法6用线性规划靠近非线性规划，求解 Beckmann 模型。一般规模的城市道路网的交通量安排，可在微机上用算法实现。传统交通量安排模型的局限性在于：(1)对交通流量的近似假设；(2)利用者路径选择方法的假定；(3)交通网络的局限性。针对这些问题，人们提出了交通量安排模型的扩展模型，如弹性需求安排模型、随机安排模型以及考虑路段交通量相互影响的平衡模型等，以期使模型更加符合实际状况。由于交通系统是一个困难的系统工程，全部这些模型在求解问题时，都存在困难性、动态改变性等方面的处理困难。 在 OD 信息的基础上借助系统工程方法进行网络优化受到了探讨人员的重视。将交通系统的拓扑以图论的方法表达，在满意道路约束的条件下，采纳最小时间-最大流方法，进行 OD 客流需求在给定路网下的安排。通常包括交通网络模型、客流安排模型和评价模型等。然而，这些数学模型往往进行了很多的简化和假设，与实际的偏离较大，特殊是在大规模交通网络和在城市交通重大变革和发展期，有些约束可以用较精确的数学形式表示(如道路网络、车辆数、发车频率等)，但更多的却不能以精确的数学形式表示(如政策要求、突发因素影响、乘客心理、道路状况等)。随着计算机技术的不断发展，仿真技术受到了探讨人员的重视。德国学者 Nagel 和 Schrechenberg提出了 NS 一维交通流模型（模型的名称是两位学者的名字第一个字母的组合）13将元胞自动机应用到交通流模型中，开创了基于元胞自动机交通仿真的先河，并得到了很好的仿真效果。元胞自动机是在匀称一样的网格上由有限状态的元胞构成的离散的动力系统，其特点是空间、时间和状态离散化。能宁等14以现有交通仿真软件模型为基础，提出结合路况绽开基于元胞自动机的仿真探讨，着重针对城市道路混合交通流微观层次的相互影响分析，在有无交通灯限制标识时都可实现城市道路混合交通流仿真，尤其是小区混合交通流模拟14。 针对交通规划、交通组织和管理、交通需求分析等应用领域，许多探讨机构和商业组织开发了各种好用的交通仿真模型, 如 NETSIM、TRARR、TRANSIMS、AIMSUN2 、INTEGRATION、NEMIS、FREQ 等7。典型的交通仿真模型有：(1)PARAMICS 8是苏格兰 Quadstone Limited 公司 1992 年起先开发的交通仿真产品。采纳了并行计算技术，最大可仿真的路网规模能达到 106 个节点，4×106 个路段，32000 个区域。主要应用包括：交通管理和限制；交通限制中心的仿真；为出行信息供应预料；智能化的导航功能。PARAMICS 在仿真 ITS 基础设施和拥挤的道路网时有突出的表现，并且在世界上很多国家得到了广泛应用。(2)VISSIM9是德国 PTV 公司的交通仿真产品，它是一个离散的、随机的、以 10-1s 为时间步长的微观模型。车辆的纵向运动(车辆跟驰)采纳了基于规则的算法，不同驾驶员行为的模拟分为保守型和冒险型。VISSIM 供应了图形化的界面，并以 2 维和 3 维动画的形式向用户直观显示车辆运动、运用动态交通安排进行路径选择。VISSIM 能够模拟很多城区和非城区的交通状况，特殊适合模拟各种城市交通限制系统。(3)GETRAM/AIMSUN210是西班牙 TSS 公司的产品，其特点有：能够用于各种不同的路网：城市网络、高速马路、一般马路、交通干线或者混合道路；供应了两种不同方式的仿真，一种是基于输入交通流和转弯比例的，一种是基于 OD 和路径选择模型的。能够模拟不同的交通限制，有信号交叉口、无信号交叉口(让路或停车)、匝道限制；可以模拟 VMS 上显示的消息对交通行为的影响；供应具体的统计输出2。 城市交通系统是一个开放、困难、动态、受多种因素影响和制约的大型系统，它的布局与规划、调整与限制、监管，从微观到宏观 (即从局部到全局、从近期到中长期)与城市的其他系统及其内部都存在错综困难的、相互制约的关系，可以看作分布式困难演化系统，同时也是一个随机服务系统。智能交通系统(Intelligent Transportation System, ITS)是随着信息技术在交通系统中的广泛应用而发展起来的。ITS 集成了多种技术的现代交通系统，它通过先进的信息、通信、限制和智能处理技术对交通运输系统进行综合管理，实现人、车、路的有机结合，达到信息服务的即时性、动态化和自动化，从而提高交通系统的质量和效率。利用信息技术提高交通运输的效率、缓解交通压力、削减因拥塞造成的经济损失，已成为当前广泛重视的问题。交通的信息化和智能化成为关注的焦点，包括道路的智能化即交通限制智能化、事故管理智能化、电子收费和道路管理自动化；车辆的智能化即车辆定位(GPS)、导行(GPS+GIS)、车辆防撞和平安预防智能化等；道路系统的智能化即需求管理智能化、行前路径询问的智能化和行进路途指引、紧急救援的智能化等方面。当前 ITS 发展与空间信息技术、通信网络技术、传感器与数据融合技术、大规模实时并行处理技术、人工智能技术，虚拟现实与模拟仿真技术、图象处理与识别技术、综合系统集成技术都紧密结合，与城市的信息化、数字化共享成果。城市交通和谐发展与管理目标要求，将系统实际与合理的限制规律(而不是所谓的统一的、最优的限制规律)结合起来，使系统遵循自适应、自组织的途径合理演化。1999 年在美国佛罗里达州召开的先进交通管理系统研讨会(The Workshop in Support Advanced Traffic Management Systems, ATMS) 提出了 ATMS 发展的新趋势17，主要包括：研发新的交通模型及其相应的软件工具；借助非线性动力学(分形、混沌与湍流限制、元胞自动机)和定性推理模型，将模拟与实时信号处理、学问工程结合起来；探讨交通流与数据融合的方法，以及在不确定条件下的推理与决策方法；探讨交通系统中实时信号处理的方法；探讨用于交通信号动态设置的搜寻优化模型等。先进的交通管理系统(ATMS)协助交通管理的模拟系统在 20 世纪 90 年头前后便不断涌现，应用于主干线交通限制、实时车辆导行、应急事故调度等，如 DYNASMART(Jayakri shnan 等，1995) 18, INTERGRATION(Van Aerde, Yagar,1988) 19, THOREAU (Codelli,1992) 20等；MIT 的 QI YANG 等1996 年 提 出 一 个 用 于 动 态 交 通 管 理 系 统 评 价 的 宏 观 交 通 模 拟 程 序 (Microscopic Traffic Simulator ,MITSIM) 21；此外，基于智能 Agent 技术的自适应交通限制单元，可以在交通限制中实时地预先做出行动。城市交通限制单元供应了一种更平衡、更协同、更优化的交通信号灯操作方式，试验证明，这种自适应信号限制系统能够优化和调整信号灯的设置，不但提高了车流量，并且可以通过对交通改变做出适当的反应来缩小车辆通过的延迟11；利用 MAS(Multi-Agent System)结构来实现城市交通信号灯实时协作限制，并采纳一种在线增加学习的模型来更新 Agent 的学问基础和推理规则，测试表明，对比固定时间的信号灯限制，MAS 系统胜利的改进了交通的状况、平均等待和车流总共的停车时间12。欧洲 KITS17以及西班牙 TRYS23 安排的支持下，基于 Agent 的交通管理系统在很多城市得到了胜利的试验。西班牙马德里的城市高速道路网络的交通管理，在两条环线(含 8条高速道路)上安装了 100 个 VMS 面板、50 个电视摄像头和 300 个线圈检测器，这些信号设备通过光纤通信与马德里交通限制中心连接，使得交通网络的某些地段流量达到 6000 车/h。华东理工高校顾慧同等提出一种孤立波的模型和方法，在一组理性的独立自治的 Agent 间建立超分布超并行的自组织动态任务安排机制22。此外，基于广义随机 Petri 网的交通信息系统15、基于小波分解的一种智能交通系统的数据集成方法16等也得到了肯定程度的探讨。 我国部分城市已建立了城市交通管理和限制系统，如上海、沈阳和广州的 SCATS 系统24；北京、大连的 SCOOT 系统25等。很多城市已经运用城市公交定位深度管理、出租车定位深度系统、EC 智能卡自动收费系统和突发事故报警系统等。空间信息网格利用现有的空间信息基础设施、空间信息网络协议规范，为用户供应一体化的空间信息应用服务的智能化平台。在空间信息网格中，各种空间信息资源被统一管理和运用，其最终目标是把网络上的空间信息服务站点连结起来实现服务点播(Service On Demand)和一站式服务。为了缓解上海的交通压力，早在上世纪 80 年头初，上海就引进了澳大利亚的 SCAT 自适应交通信号限制系统。目前上海已经大量地应用了智能交通技术，照实现了公交车、地铁和出租车收费系统全市联网，中心区道路主干道实现了交通信息的储存与共享，信息资料源建设不断推动，信息编码、共享管理、互联通信等探讨取得初步成果。目前，中心区道路交通信息采集覆盖内环.