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“交运之星—TranStar”给城市交通大脑赋予思维能力

来源:本站   发布时间: 2020-03-13 13:38:39


                                                                                                                                                                                                                                                         东南大学交通学院-南京全司达交通工程联合研究中心

 

一、交运之星研发背景

经过“改革开放”四十年的大规模交通基础设施建设,我国各城市已形成颇具规模、特色鲜明的城市综合交通系统。由于城市交通系统发展与建设涉及面广,且缺乏行业统一的交通系统分析与评价工具,使得长期以来在政府的决策层面,城建、交通、交管、发改委等交通相关部门间缺乏沟通,城市土地开发、交通系统规划、交通网络设计与建设、交通管理及政策方案制定等各自为政,缺乏有效协同,导致了城市交通系统的承载力不足、通行效率低,严重制约了城市综合交通系统的整体效能。

当前,我国正在抢抓人工智能发展的重大战略机遇,构筑人工智能发展的先发优势。人工智能技术被视为提升城市精细化管理水平,破解人口膨胀、交通拥堵、环境恶化等“大城市病”的有效手段,类似于城市大脑这样的智慧城市系统相继在杭州、苏州、衢州、澳门、雄安、马来西亚吉隆坡等国内外城市落地,将逐渐成为大城市、特大城市的标配,未来全国各大城市建设此类系统也势在必行。

城市交通大脑试图将人、车、路和流量数据都接入系统,通过人工智能分析技术,把互联网大数据转化为业务策略,形成城市交通实时大视图,以此来完成城市交通系统的精明规划、精致设计与精准管控,比如“互联网+”信号优化等。但是,目前城市交通大脑建设中也存在很大争议,突出问题是过于重视数据特别是短时流量数据的作用,过于依赖末端高精尖的交通管理与控制,忽视了城市规划、土地利用、交通政策、设施建设等深层次因素,缺乏专业的交通建模与分析,导致城市交通大脑的思维能力不足,由此得到的城市交通解决方案其实施效果往往差强人意,无法满足未来我国城市交通稳定、快速、健康发展的需要。

综合理论和实践经验,我们认为,城市交通大脑建设的关键问题之一是让“大脑”具有智慧,而“交运之星—TranStar”软件则正是一款具有“交通优化思维能力”的城市交通虚拟仿真系统软件。

二、交运之星开发概况

交运之星—TranStar”(以下简称:TranStar是由南京全司达交通科技有限公司与东南大学交通学院王炜教授创新团队联合开发,根据中国城市交通实际情况而定制的城市交通系统集成分析与系统仿真平台软件。TranStar充分吸收产、学、研三方优势,通过30多年的研发,经历数次版本更迭,已经形成了包括面向城市土地开发、交通规划设计、公共交通系统、交通管理控制、交通政策制定等业务部门的交通分析平台,提供了面向前述五大类业务部门与交通相关业务的一键式仿真技术。1展示了TranStar软件的运行主界面。

TranStar是我国城市交通领域目前唯一具有完全自主知识产权的交通仿真分析软件,也是市场上唯一能与国外交通分析软件相抗衡的国产软件。在软件的研发过程中,南京全司达交通科技有限公司与东南大学共申报了国家发明专利23项(其中授权10项),取得软件著作权20,已经在城市综合交通仿真领域初步形成了技术壁垒。图2展示了TranStar部分核心模块的软件著作权.




依托TranStar软件搭建的城市综合交通系统虚拟仿真平台已经在我国多个省市及区域进行了工程应用,在城市交通领域形成了“统一的数据、统一的方法、统一的软件、共享的平台”,推动实现了城市交通系统在城建、交通、交管、发改委等多部门、全过程的联动与协同。

TranStar的研发与推广应用过程中,我们的坚守与不懈、努力与付出、成果与产出也一直受到了包括行业领域、科技部门以及合作单位等多方的肯定,以TranStar为核心的研究成果曾荣获20022003200720122018 年度国家科技进步二等奖和20122018 年度中国智能交通协会科学技术一等奖(图3)。



三、交运之星基本功能

借助TranStar,可在短时间内把握城市交通系统运行状态、诊断城市交通系统现状问题、分析交通规划与设计项目的潜在交通影响,可实现城市交通系统基础数据多源化、网络结构层次化、系统功能集成化、数据分析定量化、结果显示可视化、人机交互实时化,可有效支撑城市交通问题的解决、辅助交通规划方案的制定,并对未来城市智慧交通系统的构建提供全方位支撑。TranStar的基础功能包括:

【基础数据支持】TranStar对海量异构交通大数据具有完备的导入、处理和分析能力,能够快速地处理不同来源的交通大数据(图4TranStar引入数据库和沙盒机制,对交通数据进行分类立体化存储和滚动更新;同时,TranStar为用户提供了自备数据分析软件接口,方便用户运行自行开发的各种数据分析软件。

【交通需求分析】TranStar可实现以传统四阶段法为基础的交通发生吸引预测、交通分布、交通方式划分的分析过程。此外,还可实现基于大数据的交通需求预测,包括基于海量出行数据分析的交通方式划分预测,考虑方式自组织的方式划分与分配一体化预测,以及基于RFID数据的OD矩阵分析预测

【公共交通分析】TranStar具有强大的公交分析功能,提供了三类分析模块:服务于公交网络总体布局的愿望客流分析功能;服务于公交网络规划评估的客流交通分配功能;服务于公交网络系统设计的客流交通分配功能

【交通运行分析】在特定的多模式综合交通网络结构下,TranStar可实现多层次多方式的复杂交通分配,分配模型中考虑了各种道路几何条件、交通管理措施、交通控制策略及交通政策法规对交通分配过程的影响,以获得精准、可靠的交通分配结果(图5


【综合交通评价】TranStar特别研发了城市交通评价模块,可将软件运行结果悉数提炼和转化为直观的交通系统运行指标,以列表和报告的形式呈现给用户,使用户能够全面掌握当前城市交通系统运行状态(图6

【图形显示系统】7显示的TranStar图形显示系统支持各类交通分析结果可视化展示。基于用户操作习惯与交通分析结果展示的需求,集成了包含交通网络信息、交通管理信息、交通流量信息、交通质量信息、公共交通分析、环境影响分析等模块在内的多种交通信息与分析成果的图形化功能。

【一键式流程设计】TranStar提供了面向包括城市规划、交通规划、交通建设、交通管理、交通政策制定等业务功能的模块组合设计界面,并可以进行流程指引,使TranStar的使用者能基于“一键式”仿真流程完成某一项具体业务的仿真方案快速设计及评估(图8)。

四、交运之星关键技术

TranStar软件的开发是建立在近300个交通模型的基础之上的,这些模型主要覆盖三大部分:交通网络特征分析模型、交通需求分析模型和公共系统分析模型。在系统建模与代码实现的过程中,我们发现,仅有基本的功能并不足以有效支撑TranStar的发展。结合实际交通项目中常出现的包括城市交通数据库构建困难、交通分析决策能力弱、交通仿真运行效率低、软件推广与应用难度大的问题,依托TranStar的众多交通模型,通过模型功能的融合与再开发,在仿真数据库构建、交通分析决策、仿真快速计算、仿真方案生成四个方面形成了如下关键技术。

1)在城市综合交通系统集成仿真基础数据库的构建中,针对人工构建道路网络数据库、公共交通网络数据库耗时长、耗资大等问题,TranStar以开源道路网信息为基础,开发了基于OpenStreetMap交通网络构建与解析集成技术,可实现区域范围交通网络的快速、精准化自动解析(图9

2)我国城市形态与土地开发、交通规划建设、交通管理控制、交通政策制定等都基于政府导向,由政府主导与决策。针对这一特征,TranStar提出了面向中国城市特征的交通方案量化测试与仿真评估技术(图10),构建符合我国社会经济发展状况、异质交通流特征和差异化交通行为特点的交通分析模型体系,量化各种交通方案与交通现象之间的相互影响与相互作用关系,实现我国交通环境下各项交通方案的仿真测试,为相关政府部门提供有力的决策支持。

3)针对传统交通分配算法整体运行效率不高,且无法应对城市复杂交通运行状态的不足的问题TranStar提出了“基于多线程平行计算与交通节点批处理的超级网络交通分配算法”(图11)。该技术基于动态多路径交通分配模型,提出了交通节点的批量组合预处理方法,构建了包含城市多种出行方式,且能够存储交通管控措施、策略及法规的多模式综合交通超级网络,建立了面向超级网络分配需求的多线程平行计算技术,进一步提高算法的准确率及效率。

4)针对传统交通系统分析与决策模型过于复杂,难以直接落地的实际情况,TranStar提出了“面向业务功能的方案流程自动生成技术”。通过对交通仿真方案生成、方案分析、方案评价在内的模型、算法及功能进行模块化分割,建立各模块间的派生关系,生成以功能划分为导向、分析机理为关键、模型算法为基础的三级逻辑树,并封装成面向业务功能的方案条目,以满足城市交通系统规划、设计与管理相关部门不同业务人员的工作要求。

五、交运之星未来展望

社会公益性是城市综合交通系统的重要特征,TranStar的推出有效推动了城市交通问题的解决、辅助交通规划方案的制定,对未来城市智慧交通系统的构建提供全方位支撑。TranStar不仅为高校及科研单位提供坚实可靠的理论及技术支撑,推动国内城市综合交通系统仿真技术的科研和技术进步,而且可以促进城市综合交通系统集成仿真关键技术及软件的国产化和知识产权自主化。

目前,TranStar及其相关的技术成果已经在江苏、浙江、重庆等省市进行了推广和应用,并取得了巨大的社会经济效益。以重庆市为例,通过对跨江大桥不同交通管理、公交专用道设置以及区域货车限行方案的仿真,在大桥修缮期间实现最优化的交通管理,保证城市内关键节点和路段的通畅运行,优化城市交通结构,提升公共交通运输能力和吸引力,实现了城市交通系统效能的显著提升,避免了跨江大桥整修期间带来的交通拥堵,所产生的间接经济效益超过8亿元;城市路网平均运行速度提高3.7km/h每天节省时间3.6万人小时,时间价值达3.24亿元;城市路网能源消耗减少4800吨燃油,污染物排放量减少16800吨,直接节约能源和减少环境污染带来的经济损失费用共5.48亿元。

我们相信,随着国家经济技术的发展以及城市交通的不断变革,相关政策的利好为TranStar未来的发展创造了有利的推广条件,而以互联网和大数据支撑的交通行业大发展也为TranStar提供了广阔的应用前景,我们期待TranStar的未来更加美好。



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