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城市虛擬交通系統(tǒng)——理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)與案例分析 版權(quán)信息
- ISBN:9787030718372
- 條形碼:9787030718372 ; 978-7-03-071837-2
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
城市虛擬交通系統(tǒng)——理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)與案例分析 本書特色
適讀人群 :交通工程及相關(guān)專業(yè)本科生、研究生,以及交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域科學(xué)研究、規(guī)劃設(shè)計、行業(yè)管理等相關(guān)人員本書是國內(nèi)唯一一本系統(tǒng)性介紹城市虛擬交通仿真技術(shù)的圖書,涵蓋了理論方法、系統(tǒng)軟件與案例分析,概念新、解讀精、覆蓋全、受眾廣,具有理論、實踐雙重指導(dǎo)價值。
城市虛擬交通系統(tǒng)——理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)與案例分析 內(nèi)容簡介
本書搶先發(fā)售提出了城市虛擬交通系統(tǒng)的概念,針對當(dāng)前與未來城市交通系統(tǒng)亟須解決的問題,提出了城市虛擬交通系統(tǒng)基礎(chǔ)理論體系及其主要內(nèi)容;在理論體系基礎(chǔ)上研究了城市虛擬交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),并開發(fā)了平臺軟件“交運(yùn)之星-TranStar”;以城市虛擬交通系統(tǒng)仿真平臺在重慶市、南京市等城市的實際應(yīng)用為例,闡述了虛擬交通系統(tǒng)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)軟件在城市交通系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)、管理控制、擁堵治理、政策制定等業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用情況與效果。 本書可作為交通工程及相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的教材,以及交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域科學(xué)研究、規(guī)劃設(shè)計、行業(yè)管理等相關(guān)人員的參考用書。
城市虛擬交通系統(tǒng)——理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)與案例分析 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 城市虛擬交通系統(tǒng)的提出 1
1.1.1 我國城市交通發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.1.2 城市虛擬交通系統(tǒng)需求分析. 2
1.2 城市虛擬交通系統(tǒng)基本原理、框架體系與系統(tǒng)設(shè)計 4
1.2.1 城市虛擬交通系統(tǒng)的基本原理 4
1.2.2 城市虛擬交通系統(tǒng)的框架體系 5
1.2.3 城市虛擬交通系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計 6
1.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫:交通大數(shù)據(jù)的快速獲取與融合技術(shù). 7
1.4 分析模型庫:大數(shù)據(jù)環(huán)境下的城市交通分析模型體系 9
1.5 軟件模塊庫:大規(guī)模交通網(wǎng)絡(luò)交通仿真技術(shù)與軟件實現(xiàn) 10
1.6 對策預(yù)案庫:城市跨部門協(xié)作交通方案 “一鍵式” 仿真與評估技術(shù) 11
1.6.1 對策預(yù)案庫的主要作用 11
1.6.2 對策預(yù)案庫的業(yè)務(wù)策略設(shè)計 11
1.6.3 對策預(yù)案庫的定量化、精細(xì)化、可視化評估技術(shù) 12
1.7 城市虛擬交通系統(tǒng)決策支持平臺 12
參考文獻(xiàn) 14
**篇 基礎(chǔ)理論
第2章 城市交通網(wǎng)絡(luò)交通特征分析方法與模型 17
2.1 概述 17
2.1.1 交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征 17
2.1.2 節(jié)點交通特征 17
2.1.3 路段交通特征 18
2.1.4 網(wǎng)絡(luò)交通特征 19
2.2 城市交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征表達(dá)方法 19
2.2.1 交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔磉_(dá)方法 19
2.2.2 交通網(wǎng)絡(luò)空間表達(dá)方法 22
2.3 城市交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點交通特征分析模型 25
2.3.1 交叉口通行能力分析模型 25
2.3.2 交叉口延誤與排隊長度分析模型. 29
2.4 城市交通網(wǎng)絡(luò)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 城市交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特征分析模型 39
2.5.1 網(wǎng)絡(luò)等級配置分析模型 39
2.5.2 網(wǎng)絡(luò)連通性分析模型 40
2.5.3 網(wǎng)絡(luò)*短路分析模型 40
2.6 本章小結(jié) 41
參考文獻(xiàn) 41
第3章 城市交通系統(tǒng)交通需求分析方法與模型 45
3.1 概述 45
3.1.1 交通需求分析方法概述 45
3.1.2 交通需求分析軟件概述 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計模型 48
3.2.2 交通生成分析非集計模型 49
3.3 城市交通需求分布分析模型 50
3.3.1 增長系數(shù)模型 50
3.3.2 重力模型 52
3.3.3 熵模型 54
3.3.4 介入機(jī)會模型 55
3.4 城市交通需求方式劃分分析模型 55
3.4.1 交通方式劃分集計模型 55
3.4.2 交通方式劃分非集計模型 56
3.4.3 優(yōu)勢出行距離分析模型 58
3.5 交通需求組合分析模型. 60
3.6 本章小結(jié) 60
參考文獻(xiàn) 61
第4章 城市交通網(wǎng)絡(luò)交通分配方法與模型 62
4.1 概述 62
4.1.1 靜態(tài)交通分配 63
4.1.2 動態(tài)交通分配 64
4.1.3 交通分配方法總結(jié) 65
4.2 城市交通網(wǎng)絡(luò)交通分配模型 66
4.2.1 用戶均衡交通分配模型 66
4.2.2 系統(tǒng)*優(yōu)交通分配模型 68
4.2.3 隨機(jī)用戶均衡交通分配模型 68
4.3 城市交通網(wǎng)絡(luò)交通分配方法 70
4.3.1 *短路交通分配方法 70
4.3.2 多路徑交通分配方法 72
4.3.3 增量加載交通分配方法 76
4.3.4 網(wǎng)絡(luò)均衡交通分配方法 78
4.4 交通網(wǎng)絡(luò)交通分配的一體化模型 80
4.4.1 交通分配方法族譜體系 80
4.4.2 交通網(wǎng)絡(luò)交通分配的一體化模型框架 81
4.4.3 交通分配方法的一體化組合流程. 85
4.5 本章小結(jié) 86
參考文獻(xiàn) 86
第5章 城市公共交通系統(tǒng)分析理論與方法 89
5.1 概述 89
5.1.1 公交網(wǎng)絡(luò)客流分析 89
5.1.2 公交線網(wǎng)布局規(guī)劃 91
5.1.3 公交線路運(yùn)營策略優(yōu)化 92
5.2 公交客流分析模型 93
5.2.1 基于頻率的公交客流分配模型. 93
5.2.2 基于時刻表的公交客流分配模型. 98
5.3 公交線網(wǎng)布局規(guī)劃理論與方法. 100
5.3.1 公交線網(wǎng)布局規(guī)劃模型 100
5.3.2 公交線網(wǎng)布局規(guī)劃求解方法 104
5.4 公交線路運(yùn)營策略優(yōu)化理論與方法 107
5.4.1 公交線路運(yùn)營策略優(yōu)化問題描述及基本定義 108
5.4.2 公交線路運(yùn)營策略優(yōu)化模型 109
5.4.3 公交線路運(yùn)營策略優(yōu)化算法框架 113
5.5 本章小結(jié) 114
參考文獻(xiàn) 114
第6章 城市交通系統(tǒng)綜合評價方法與模型 116
6.1 概述. 116
6.1.1 城市居民出行效率 116
6.1.2 道路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率 117
6.1.3 公交系統(tǒng)運(yùn)行效率 117
6.1.4 環(huán)境影響與能源消耗 117
6.1.5 交通系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能 118
6.1.6 城市交通系統(tǒng)綜合評價 118
6.2 城市交通系統(tǒng)綜合評價體系與指標(biāo) 119
6.2.1 城市居民出行效率評價 120
6.2.2 道路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率評價 123
6.2.3 公交系統(tǒng)運(yùn)行效率評價 125
6.2.4 環(huán)境影響與能源消耗評價 126
6.2.5 交通系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能評價 129
6.3 城市交通系統(tǒng)綜合評價方法 130
6.3.1 設(shè)置因素集 (指標(biāo)集) 131
6.3.2 設(shè)置評語集 131
6.3.3 計算隸屬度 132
6.3.4 確定權(quán)重 133
6.3.5 綜合評價 134
6.4 本章小結(jié) 135
參考文獻(xiàn) 135
第二篇 關(guān)鍵技術(shù)
第7章 城市虛擬交通系統(tǒng)技術(shù)框架與平臺軟件 139
7.1 概述. 139
7.2 城市虛擬交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 140
7.2.1 關(guān)鍵技術(shù)組織 140
7.2.2 關(guān)鍵技術(shù)框架 141
7.3 城市虛擬交通系統(tǒng)平臺軟件 142
7.3.1 平臺軟件開發(fā)介紹 142
7.3.2 平臺軟件功能架構(gòu) 144
7.3.3 平臺軟件操作流程 146
7.4 本章小結(jié) 148
第8章 城市虛擬交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù) 149
8.1 數(shù)據(jù)庫架構(gòu) 149
8.1.1 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計 149
8.1.2 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)方案 150
8.2 數(shù)據(jù)庫文件 151
8.2.1 道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫 151
8.2.2 公共交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫 154
8.2.3 交通管理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫 156
8.2.4 交通需求信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫 158
8.3 數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建 161
8.3.1 城市道路網(wǎng)絡(luò)自動構(gòu)建技術(shù) 161
8.3.2 公交站點和線路數(shù)據(jù)自動生成技術(shù) 164
8.3.3 道路網(wǎng)絡(luò)與公交網(wǎng)絡(luò)匹配技術(shù) 166
8.3.4 交通區(qū)及人口數(shù)據(jù)自動生成技術(shù) 168
8.4 本章小結(jié) 169
參考文獻(xiàn) 169
第9章 城市虛擬交通系統(tǒng)交通需求分析技術(shù). 170
9.1 概述. 170
9.2 城市交通需求生成技術(shù) 171
9.2.1 常住人口出行發(fā)生吸引量分析技術(shù) 172
9.2.2 流動人口出行發(fā)生吸引量分析技術(shù) 173
9.2.3 貨物運(yùn)輸發(fā)生吸引量分析 174
9.3 城市交通需求分布技術(shù) 175
9.3.1 雙約束重力模型需求分布技術(shù) 176
9.3.2 增長系數(shù)模型需求分布技術(shù) 177
9.4 城市交通需求方式劃分技術(shù) 178
9.4.1 交通出行方式選擇分析技術(shù) 179
9.4.2 基于方式結(jié)構(gòu)目標(biāo)值的出行方式選擇預(yù)測技術(shù) 180
9.4.3 方式優(yōu)勢出行距離函數(shù) 181
9.5 城市交通需求 OD 矩陣分析技術(shù) 182
9.5.1 交通需求 OD 矩陣轉(zhuǎn)換技術(shù) 182
9.5.2 交通需求 OD 矩陣修正技術(shù) 184
9.5.3 交通需求 OD 矩陣拆合技術(shù) 185
9.6 本章小結(jié) 187
參考文獻(xiàn) 187
第10章 城市虛擬交通系統(tǒng)交通運(yùn)行特征分析技術(shù) 188
10.1 城市交通系統(tǒng)交通運(yùn)行特征分析模塊設(shè)計 188
10.1.1 交通運(yùn)行特征分析基本內(nèi)容 188
10.1.2 交通運(yùn)行特征分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 189
10.2 基于交通分配一體化模型的網(wǎng)絡(luò)交通流分析技術(shù) 191
10.2.1 交通網(wǎng)絡(luò)交通分配模型一體化技術(shù) 192
10.2.2 交通網(wǎng)絡(luò)交通分配對象一體化技術(shù) 193
10.2.3 交通網(wǎng)絡(luò)交通分配場景一體化技術(shù) 197
10.3 面向業(yè)務(wù)策略的交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)分析技術(shù) 199
10.3.1 城市土地開發(fā)業(yè)務(wù)策略的分析技術(shù) 199
10.3.2 交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)業(yè)務(wù)策略的分析技術(shù) 201
10.3.3 交通管理控制業(yè)務(wù)策略的分析技術(shù) 204
10.3.4 公共交通系統(tǒng)業(yè)務(wù)策略的分析技術(shù) 206
10.3.5 交通政策制定業(yè)務(wù)策略的分析技術(shù) 207
10.4 城市交通網(wǎng)絡(luò)交通運(yùn)行指標(biāo)分析與評估技術(shù) 209
10.5 本章小結(jié) 213
參考文獻(xiàn) 213
第11章 城市虛擬交通系統(tǒng)公共交通分析技術(shù) 215
11.1 城市公交系統(tǒng)愿望客流分析技術(shù) 215
11.1.1 公交基礎(chǔ)網(wǎng)構(gòu)建 215
11.1.2 公交基礎(chǔ)網(wǎng)的愿望客流交通分配 216
11.1.3 公交系統(tǒng)愿望客流分析應(yīng)用實例 217
11.2 城市公交網(wǎng)絡(luò)客流分析技術(shù) 218
11.2.1 公交線路網(wǎng)構(gòu)建 219
11.2.2 公交線路網(wǎng)客流分布分析技術(shù) 219
11.2.3 公交線路網(wǎng)客流分析應(yīng)用實例 220
11.3 城市公交線路客流分析技術(shù) 222
11.3.1 公交超級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù) 223
11.3.2 公交超級網(wǎng)絡(luò)客流分布分析技術(shù) 226
11.3.3 公交線路客流分析應(yīng)用實例 234
11.4 本章小結(jié) 238
參考文獻(xiàn) 238
第12章 面向業(yè)務(wù)策略的虛擬場景設(shè)計與人機(jī)交互技術(shù) 239
12.1 概述 239
12.1.1 人機(jī)交互的基本概念 239
12.1.2 城市虛擬交通系統(tǒng)中的人機(jī)交互設(shè)計. 240
12.2 面向業(yè)務(wù)方案的人機(jī)交互技術(shù) 241
12.2.1 節(jié)點交互設(shè)計 241
12.2.2 路段交互設(shè)計 244
12.2.3 交通小區(qū)交互設(shè)計 247
12.3 面向業(yè)務(wù)策略的虛擬場景設(shè)計技術(shù) 250
1
城市虛擬交通系統(tǒng)——理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)與案例分析 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 城市虛擬交通系統(tǒng)的提出 1.1.1 我國城市交通發(fā)展現(xiàn)狀 改革開放以來,我國城市交通發(fā)展經(jīng)歷了 20 世紀(jì)末的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、21 世紀(jì)初的現(xiàn)代化管理、小汽車進(jìn)入家庭后的機(jī)動化轉(zhuǎn)型以及當(dāng)前的智能化服務(wù)4 個發(fā)展階段[1];我國僅用 40 年時間就走過了發(fā)達(dá)國家 100 多年的城市發(fā)展歷程,發(fā)展速度之快、面臨問題之復(fù)雜、技術(shù)難度之大全球罕見。這期間,我國城市道路的交通方式也經(jīng)歷了自行車主導(dǎo)、機(jī)動車與非機(jī)動車混行、機(jī)動車主導(dǎo)的重大轉(zhuǎn)型。 城市交通系統(tǒng)的快速發(fā)展與我國近 40 年來的快速城鎮(zhèn)化關(guān)系密切。快速城鎮(zhèn)化造成了城市規(guī)模擴(kuò)大,居民出行距離增加,引發(fā)城市居民的機(jī)動化出行需求量大幅度增長,私人小汽車大量進(jìn)入家庭,交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跟不上小汽車增長速度而導(dǎo)致城市交通系統(tǒng)供需失衡,道路交通擁堵嚴(yán)重 (圖 1-1)。如南京市 20 世紀(jì) 90 年代的城市居民平均出行距離不超過 2km,非常適合自行車出行,居民出行的自行車占比在上下班高峰小時高達(dá) 60%,但近幾年南京市的居民平均出行距離已經(jīng)上升到 6km 左右,需要機(jī)動化出行,私人小汽車擁有量從 2000 年的 2 萬輛增加至 2020 年的 200 萬輛à,20 年間私人小汽車擁有量增加了近 100 倍,而同期城市道路里程僅增加了 2.5 倍左右,相應(yīng)的道路車道-里程增加也不超過 5 倍。全國的情況也是如此,根據(jù)國家統(tǒng)計局 2020 年數(shù)據(jù)à,2004~2019 年我國私人載客汽車保有量從 1070 萬輛增長至 20700 萬輛 (增長了 18.35 倍),而城市道路里程僅從 22.3 萬 km 增長至 45.9 萬 km (增長了 1.06 倍)。城市交通系統(tǒng)供需嚴(yán)重失衡,造成了道路交通擁堵、交通事故頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境污染等一系列城市問題。 圖 1-1 城市交通系統(tǒng)發(fā)展階段 當(dāng)前,我國城市交通系統(tǒng)仍然處在交通結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型期,在快速城鎮(zhèn)化、出行機(jī)動化的雙重壓力下,城市交通系統(tǒng)嚴(yán)重供需失衡,單靠道路設(shè)施建設(shè)無法滿足城市居民機(jī)動化出行需求。緩解城市交通系統(tǒng)供需矛盾的總體策略是構(gòu)建公交主導(dǎo)的城市交通系統(tǒng)供需平衡體系[2,3] (圖 1-2),具體措施包括:.1 在交通源頭,采用以公共交通為導(dǎo)向的城市土地開發(fā)模式 (TOD),降低私人小汽車出行的交通需求,引導(dǎo)城市綜合交通系統(tǒng)的供需平衡;.2 在交通設(shè)施建設(shè)過程中,構(gòu)建以中大運(yùn)量軌道交通為骨干的城市綜合交通網(wǎng)絡(luò)體系,增強(qiáng)城市綜合交通體系的系統(tǒng)協(xié)同,大幅度提升交通網(wǎng)絡(luò)的機(jī)動化運(yùn)輸能力來滿足居民出行的機(jī)動化需求;.3 在交通末端,發(fā)展公共交通優(yōu)先的城市智能化交通管理系統(tǒng),提高道路交通系統(tǒng)的通行效率。在具體的實施過程中,需要精明的交通規(guī)劃、精致的交通設(shè)計、精細(xì)的交通組織、精準(zhǔn)的交通管控等措施為保障,以實現(xiàn)城市交通系統(tǒng)建設(shè)從增量積累到存量發(fā)展、從能力建設(shè)到效能提升的根本性轉(zhuǎn)變。 圖 1-2 公交主導(dǎo)型城市交通系統(tǒng)供需平衡體系 1.1.2 城市虛擬交通系統(tǒng)需求分析 城市交通系統(tǒng)的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展,要以城市交通系統(tǒng)的精明規(guī)劃、精致設(shè)計、精細(xì)組織與精準(zhǔn)管控為基礎(chǔ),而實現(xiàn) “四精” 目標(biāo),需要一套完整的城市交通系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展決策支持與系統(tǒng)管理技術(shù),但我國城市交通系統(tǒng)近 40 年的發(fā)展過程中,決策支持技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程建造技術(shù)。近 40 年來,我國各大城市基本建成了現(xiàn)代化的交通基礎(chǔ)設(shè)施,硬件設(shè)施的建造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到à 數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局 2020 年數(shù)據(jù),http://了世界先進(jìn)水平,但我國在城市交通系統(tǒng)發(fā)展過程中的決策支持能力與系統(tǒng)管理水平的不足,造成已經(jīng)建成的城市交通系統(tǒng)運(yùn)輸效率低 (交通功能存在問題)、服務(wù)能力差 (系統(tǒng)功能存在問題)。提升城市交通系統(tǒng)的決策支持技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)水平是我國城市交通系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急,而城市虛擬交通系統(tǒng)及其仿真平臺是提升城市交通系統(tǒng)決策支持能力與系統(tǒng)管理水平的基礎(chǔ)。 1. 構(gòu)建公交主導(dǎo)型城市交通系統(tǒng)供需平衡體系的需要 構(gòu)建公交主導(dǎo)型城市交通系統(tǒng)供需平衡體系是緩解大城市交通擁堵等一系列交通問題的根本出路,而該體系的構(gòu)建需要以城市虛擬交通系統(tǒng)為平臺開展,以實現(xiàn)城市綜合交通系統(tǒng)的智能化、政府職能部門之間決策的協(xié)同化。但是,當(dāng)前各城市正在建設(shè)的城市智能交通系統(tǒng) (ITS) 存在技術(shù)缺陷,一方面,基于大數(shù)據(jù)技術(shù)解決城市交通問題的交通分析能力與虛擬仿真能力尤其缺乏,無法支撐跨部門協(xié)同決策;另一方面,政府職能部門的業(yè)務(wù) “條塊分割”,與城市交通系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)方案論證 “各自為政”,難以實現(xiàn)跨部門協(xié)同決策。 因此,我國亟須建立基于大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬仿真等前沿技術(shù)的城市交通發(fā)展協(xié)同決策支持模式。通過海量交通數(shù)據(jù)的匯集、融合、應(yīng)用,交通分析模型的構(gòu)建、優(yōu)化,提高城市交通規(guī)劃與管控的精準(zhǔn)化、科學(xué)化水平[4, 5];運(yùn)用 “統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、統(tǒng)一的模型、統(tǒng)一的軟件”,建立城市交通系統(tǒng)多部門協(xié)同機(jī)制,構(gòu)建共享的城市虛擬交通系統(tǒng)與協(xié)同決策支持平臺[1],賦予 “城市交通大腦” 交通優(yōu)化的思維能力,切實提升對政府決策的支持能力與效率。 2. 支撐城市交通系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)與管理方案科學(xué)決策的需要 城市虛擬交通系統(tǒng)突破了交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用由感性的交通狀態(tài)感知上升為理性的出行需求認(rèn)知的技術(shù)瓶頸,使交通大數(shù)據(jù)能真正用于提升城市交通系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)與管理水平。基于相關(guān)理論模型、系統(tǒng)軟件、測試平臺,城市虛擬交通系統(tǒng)可對諸多政府決策環(huán)節(jié) (如城市土地利用、交通政策制定、交通設(shè)施建設(shè)、交通管理控制等) 提供精細(xì)化、定量化、可視化、快速反應(yīng)的決策支持,以確保 “城市交通大腦” 具有交通優(yōu)化的思維能力。 城市虛擬交通系統(tǒng)的主要功能之一是,通過融合來源于多部門的交通數(shù)據(jù),構(gòu)建統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化交通數(shù)據(jù)庫,提供統(tǒng)一的交通模型與分析方法,建立共享的跨部門協(xié)作平臺,實現(xiàn)對交通系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、管理等應(yīng)用場景下各類業(yè)務(wù)方案進(jìn)行定量化、精細(xì)化、可視化的虛擬仿真。在共享的城市虛擬交通系統(tǒng)平臺上,形成多部門協(xié)作的決策機(jī)制、決策方案論證的虛擬仿真一體化技術(shù)流程,可以隨時待命、快速響應(yīng),有效滿足政府部門的宏觀、中觀、微觀等多方位交通方案的決策需求。 3. 實現(xiàn)城市交通系統(tǒng)虛擬仿真關(guān)鍵技術(shù)自主化的需要 城市綜合交通系統(tǒng)的主體往往是由數(shù)百萬居民、上百萬車輛在大型交通網(wǎng)絡(luò)上的出行行為所組成的復(fù)雜巨系統(tǒng),開展超大網(wǎng)絡(luò)交通仿真必須依托于大型平臺軟件。在城市道路網(wǎng)絡(luò)仿真方面,雖然已有眾多交通仿真商業(yè)軟件應(yīng)用于城市交通規(guī)劃實踐,但其基本理論多為交通分析 “四階段模型”,僅適用于分析城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對全局交通的影響,代表性軟件有 TransCAD、EMME、PTV Visum、Cube 等。 當(dāng)前,國內(nèi)交通仿真分析軟件基本上被國外仿真軟件所壟斷。國外軟件盡管具有靈活的分析能力與豐富的顯示功能,但用于我國交通業(yè)務(wù)場景往往 “水土不服”。除了道路交通運(yùn)行特征不同,國外交通仿真模型不能反映中國道路交通特點外,國外交通仿真軟件僅側(cè)重城市規(guī)劃和交通規(guī)劃,無法對基于中國特色的交通管理措施、交通控制策略、交通政策法規(guī)等業(yè)務(wù)場景開展交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行仿真分析;國外仿真軟件在使用過程中需要用戶基于專業(yè)知識進(jìn)行二次開發(fā),而非專業(yè)人員很難根據(jù)特定的業(yè)務(wù)需求有效使用這些國外軟件。因此,我國亟待開發(fā)符合我國城市交通特點、覆蓋城市交通相關(guān)職能部門業(yè)務(wù)場景且操作簡便的城市交通仿真分析平臺軟件,為我國城市交通系統(tǒng)開展跨部門協(xié)作提供決策支撐,助力 “城市交通大腦” 的建設(shè)。 1.2 城市虛擬交通系統(tǒng)基本原理、框架體系與系統(tǒng)設(shè)計 1.2.1 城市虛擬交通系統(tǒng)的基本原理 城市虛擬交通系統(tǒng)是利用數(shù)字孿生等新技術(shù)構(gòu)建的與現(xiàn)實城市交通系統(tǒng)平行的數(shù)字交通系統(tǒng)。 城市虛擬交通系統(tǒng)是通過對城市居民出行需求、道路網(wǎng)絡(luò)交通流量、公交網(wǎng)絡(luò)乘客流量、綜合交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等現(xiàn)實交通系統(tǒng)參與對象 (包括人、車、路、環(huán)境、信息等) 進(jìn)行數(shù)字化抽象,通過構(gòu)建仿真模型來模擬現(xiàn)實交通系統(tǒng)的演化規(guī)律與供需平衡機(jī)理,在計算機(jī)分析平臺上構(gòu)建的與現(xiàn)實交通系統(tǒng)具有相同交通特征的數(shù)字交通系統(tǒng)[6]。 城市虛擬交通系統(tǒng)還包括面向不同業(yè)務(wù)部門、不同應(yīng)用場景而建立的預(yù)案庫,以及基于 “統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、統(tǒng)一的模型、統(tǒng)一的軟件” 而構(gòu)建的虛擬仿真共享平臺,并為解決交通問題的各類預(yù)案提供 “一鍵式” 交通仿真技術(shù),實現(xiàn)交通方案實施效果的定量化、精準(zhǔn)化、可視化評估,以及快速反應(yīng)的決策支持。 城市虛擬交通系統(tǒng)的目標(biāo)是為 “智慧城市”“智慧交通” 建設(shè)提供全方位的交通系統(tǒng)分析與仿真技術(shù)支撐,包括進(jìn)行各類應(yīng)用場景業(yè)務(wù)方案 (如城市土地開發(fā)、交通政策制定、交通設(shè)施建設(shè)、交通管理控制、交通安全保障等) 對城市交通系統(tǒng)產(chǎn)生影響的定量化、可視化綜合評估與方案優(yōu)化設(shè)計,開展跨部門協(xié)作方案 (涉及城市規(guī)劃、交通建設(shè)、交通管理、公共交通、交通政策等) 的制定,政府決策方案的論證分析,促進(jìn)城市交通系統(tǒng)的跨部門協(xié)同與無縫銜接,支撐政府部門高效、科學(xué)的決策與管理 (圖 1-3)。 圖 1-3 城市虛擬交通系統(tǒng)基本原理 1.2.2 城市虛擬交通系統(tǒng)的框架體系 城市虛擬交通系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、分析模型庫、軟件模塊庫、對策預(yù)案庫 4 部分組成 (圖 1-4)。 圖 1-4 城市虛擬交通系統(tǒng)的體系構(gòu)成 (1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是城市虛擬交通系統(tǒng)的基礎(chǔ),通過對多源交通大數(shù)據(jù)的提取、加工、融合形成標(biāo)準(zhǔn)化交通數(shù)據(jù)庫,直接服務(wù)于城市虛擬交通仿真平臺開展交通系統(tǒng)分析,并為交通方案決策提供支持。 (2) 分析模型庫是城市虛擬交通系統(tǒng)的內(nèi)核,它起到了賦予 “城市交通大腦”交通優(yōu)化思維能力的作用。交通分析的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建應(yīng)依托交通大數(shù)據(jù),針對新型城鎮(zhèn)化背景下的城市交通系統(tǒng)構(gòu)成要素與基本特征,在剖析城市交通系統(tǒng)的演化規(guī)律與供需平衡機(jī)理的基礎(chǔ)上開展,以滿足對城市交通系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行管理、安全保障、政策制定等進(jìn)行交通分析的業(yè)務(wù)需求。 (3) 軟件模塊庫是城市虛擬交通系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐,它將交通分析數(shù)學(xué)模型通過計算機(jī)編程轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵱霉ぞ撸瑸槭褂谜咛峁┯押玫娜藱C(jī)交互,可靠的仿真功能,精確的評估指標(biāo)、分析報告和動態(tài)直觀的可視化結(jié)果。 (4) 對策預(yù)案庫是城市虛擬交通系統(tǒng)為城市交通系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展而提供的各應(yīng)用場景交通問題解決方案模板與流程設(shè)計,能實現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)部門對交通問題解決方案的優(yōu)化設(shè)計,以及不同業(yè)務(wù)部門對同一個交通問題解決方案的跨部門協(xié)同或同一個業(yè)務(wù)部門對不同交通問題解決方案的系統(tǒng)協(xié)同。通過面向業(yè)務(wù)功能的“一鍵式” 分析流程設(shè)計,可滿足非專業(yè)人員在城市虛擬交通系統(tǒng)平臺上對各類交通方案開展交通仿真分析的業(yè)務(wù)需求。 1.2.3 城市虛擬交通系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計 城市交通系統(tǒng)涉及多個城市職能部門,解決城市交通問題需要跨部門的協(xié)同與配合 (圖 1-2),而城市虛擬交通系統(tǒng)是實現(xiàn)城市交通問題解決方案跨部門協(xié)同的決策支持平臺 (圖 1-3)。 城市虛擬交通系統(tǒng)通過 “統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、統(tǒng)一的模型、統(tǒng)一的軟件、共享的平臺” 實現(xiàn)城市交通問題解決方案的跨部門協(xié)同與系統(tǒng)優(yōu)化。 (1) 統(tǒng)一的數(shù)據(jù):與城市交通相關(guān)的各職能部門,都有服務(wù)于自身業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)庫,但只是局部數(shù)據(jù)庫。由于城市交通系統(tǒng)的開放性與復(fù)雜性,以及部門數(shù)據(jù)庫的局限性,各職能部門用各自的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫分析同一個交通問題,往往會得出不同的結(jié)論。構(gòu)建統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫是城市虛擬交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 (2) 統(tǒng)一的模型:城市交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究已有幾十年,交通分析模型種類繁多,每一個模型都有特定的應(yīng)用場合與參數(shù)要求。同樣的道理,各職能部門采用不同的模型分析同一個交通問題,也會得出不同的結(jié)論。
城市虛擬交通系統(tǒng)——理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)與案例分析 作者簡介
王煒,二級教授、博士生導(dǎo)師,東南大學(xué)土建交通學(xué)部主任。國家高層次人才計劃入選者、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、特聘教授、全國高等學(xué)校教學(xué)名師,獲首屆全國創(chuàng)新爭先獎、首屆全國教材建設(shè)獎、全國五一勞動獎?wù)隆氫摻逃鸷芎媒處熖氐泉劦葮s譽(yù)稱號。 長期致力于交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域的人才培養(yǎng)與科學(xué)研究工作,研究方向覆蓋城市交通規(guī)劃、城市交通管理、智能交通系統(tǒng)、綜合交通體系等領(lǐng)域,主持研發(fā)了我國少有接近自主知識產(chǎn)權(quán)的交通系統(tǒng)分析大型平臺軟件“交運(yùn)之星-TranStar”,研究成果獲國家科技進(jìn)步二等獎5項(4項排名、1項排名第二)、國家教學(xué)成果二等獎3項(均排名)、省部級科技進(jìn)步獎與教學(xué)成果獎一、二等獎20多項。
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