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十年磨一剑:自主可控国产微观交通仿真软件TESS NG研发之路

2020-01-13

来源 : 赛文交通网

作者 : 孙剑 刘启远

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编者按:到目前为止,国内微观交通仿真单位用户已超1000家,主要应用的软件包括德国的VISSIM、SUMO,西班牙的AIMSUN, 美国的TransModeler、SimTraffic,英国的Paramics等,可谓“八国联军”瓜分了中国交通仿真分析市场。为打破交通行业工程软件被国外垄断的局面,同济大学孙剑教授及其研发团队,针对中国混合交通流特征进行多项模型创新,研发了具有完全自主知识产权的微观交通仿真系统TESS NG。 

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一、概述

微观交通仿真是再现交通流运行规律,对交通系统进行管理、控制和优化的核心工具。利用交通仿真可以对真实世界中尚未得到实施的技术进行细致的分析,对已实施的技术提出优化建议,在不干扰现有交通系统运行的前提下对多种改进方案进行比较,引导更有效的系统实施。

从单点交叉口渠化控制,到干道组织方案、绿波控制、路网改善优化,以及枢纽、收费站等各类交通设施优化,均可利用微观交通仿真来进行方案的预评估、后评估以及优化。

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交通系统仿真及其典型应用

20世纪末,随着我国快速的城镇化、机动化进程,各大城市相继出现严重拥堵问题。对城市交通改善方案的精准评估需求催生了大量仿真分析需求,国外微观交通仿真软件开始涌入中国市场。

据不完全统计,到目前为止,国内微观交通仿真单位用户已超1000家,主要应用的软件包括德国的VISSIM、SUMO,西班牙的AIMSUN, 美国的TransModeler、SimTraffic,英国的Paramics等,可谓“八国联军”瓜分了中国交通仿真分析市场。

但这些国外开发的仿真软件的默认的通行规则,模型机理,模型形式和模型参数很大程度上受模型研发国家的交通特征影响,引入到中国后往往“水土不服”,应用效果有限。同时,由于国外软件在国内定制化与本地化服务上的投入制约,一定程度上也影响了用户使用仿真工具的效率和效果。

为打破交通行业工程软件被国外垄断的局面,填补国内仿真工具的空白,同济大学孙剑教授及其研发团队,针对中国混合交通流特征进行多项模型创新,并综合运用系统仿真、软件工程等多学科前沿技术,打破国外垄断,研发了具有完全自主知识产权的微观交通仿真系统TESS NG。

二、TESS NG: 自主可控微观交通仿真软件之路

2.1软件研发历史及定位

TESS仿真系统是同济大学孙剑教授于2006年主持开发的第一代道路交通仿真系统。自此之后,历经十年,孙剑教授课题组针对中国混合交通流运行特征开展了100多项模型创新和仿真系统应用实践。

2015年,由孙剑教授主持、胡立新软件设计代码编写、刘启远博士核心参与,对TESS系统进行了全新研发,包括软件架构、高精度路网设计、计算平台、模型体系等,TESS NG (TESS Next Generation)微观交通仿真系统应运而生。

TESS仿真系统研发历史

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TESS NG微观交通仿真系统融合了交通工程、软件工程、系统仿真等交叉学科领域的最新技术研发而成。软件定位于一款完全自主知识产权、专门针对中国交通流特征、便捷易用快速建模能力、开放外部接口模块调用、提供定制化用户服务的国产微观交通仿真软件。

2.2 TESS NG软件的主要功能及特色

TESS NG仿真系统面向国内用户的核心需求,实现了6大类功能,具体包括:

1)全交通场景仿真:可以在交叉口、干道、路网等不同空间尺度规模环境下进行仿真。同时可以仿真多种交通设施场景,如:大型立交、环岛、匝道、收费站、机场、综合交通枢纽等;

2)多模式交通仿真:可以对机动车、非机动车、行人、公交系统、飞机、特殊车辆等交通运载工具及其交互行为进行仿真;

3)智能交通系统仿真:软件内嵌了信号控制系统、公交优先等多种智能交通系统运行逻辑;

4)可视化评估:软件可以实现对各类仿真结果的可视化评估,包括:排队长度、行程时间、数据采集点样本、集计数据和高精度轨迹数据等多种形式数据;

5)二次开发接口:软件具有强大的二次开发接口功能,用户可以动态改变仿真元素的属性以及动态修改相关行为参数。还可以提供定制化的Open Drive等路网数据,宏观的路径数据导入等功能;

6)定制化功能:软件可以根据轨迹数据进行3D场景构建,也可以与城市交通大脑、可计算路网一体化整合,同时可与BIM、CIM数据、智能汽车虚拟测试工具整合实现跨行业应用。

TESS NG的六大核心功能如下图所示。

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TESS NG 六大核心功能

在实现TESS NG核心功能的过程中,面向终端用户,软件在模型应用,操作使用,接口开发等方面,具有10大典型特色,如下表所示。

表1 TESS NG软件10大特色

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2.3 TESS NG软件的工程化应用

在2017年TESS NG完成测试版后,软件基于不同仿真尺度,不同仿真范围及仿真对象,在节点、主次干道、大路网、立交、收费站、枢纽等各类几十项大型基础设施规划设计与运行优化项目中,进行了全场景,多模式,多尺度仿真系统工程化应用及优化评估,仿真系统运行效率及模拟精度显著提高,支撑了50多项交通改善方案的设计优化。软件的典型应用案例如下图所示。

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TESS NG 的典型仿真应用示例

2.4 TESS NG软件的定制化应用

通过定义可计算高精度路网、数字化管控系统、深度交通流模型嵌入等,TESS可满足不同行业、不同目标的高可信仿真需求。

TESS NG软件在进行工程化应用的过程中,面向科研单位、智能交通企业、互联网企业、汽车行业等不同用户个性化仿真需求,实现了4类个性化定制应用,包括宏微观一体化仿真,交通仿真与BIM数据融合的仿真环境构建、大规模多系统耦合的城市交通在线仿真、面向智能汽车的高可信度测试,如下图所示。

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TESS NG 的4大类定制化应用

(1)宏微观一体化整合应用

面向城市交通的大规模路网仿真,宏微观一体化评价等需求,与东南大学TranStar宏观仿真软件深度融合,采用宏观路网路径分配技术,宏微观路网匹配技术,车道级微观路径重构技术,微观驾驶行为模型技术等,实现宏微观一体化整合应用。

(2)交通仿真与BIM数据融合的仿真环境构建

基于一体化设计平台整合BIM信息和交通仿真场景信息,有效实现BIM的静态交通信息与仿真的动态交通信息互联,从而快速进行高精度的3D微观仿真场景构建,为微观交通仿真的应用提供了全新的路径。同时有效的将BIM的3D场景及管理数据应用于交通工程项目的全生命周期。

(3)大规模多系统耦合的在线交通仿真

基于城市在线交通仿真大脑的应用需求,进行多源交通需求数据的实时接入,各类仿真检测数据信息与信号控制优化系统的互联。进一步实现信号控制系统与仿真系统的“软件在环”连接,进而反馈仿真系统各类优化方案,实现城市在线交通仿真大脑的核心应用。

(4)智能汽车高可信度虚拟测试

面向智能汽车的快速虚拟测试,整合汽车仿真软件VTD、Prescan等。为智能车辆提供真实的背景交通流环境,实现智能汽车可信测试。同时采用场景加速、工具加速、方法加速等测试方法,实现智能汽车的高可信度快速虚拟测试。

三、展望未来:TESS NG创新发展之策

作为一款互联网+时代的产品,除进一步面向中国本地用户,提供精致的服务,完善软件各项设计功能外,我们拟进一步从建模理论和技术研发两方面持续进行创新性研发。

3.1 深度微观交通仿真核心模型研发

现有仿真模型建模出发点是以车道为单元,重点描述车辆在纵向上(一维)的运动及车道间的交互,侧重以通行效率(如行程时间等)为导向的评估,难以满足安全、行为交互等评估需求。

深度微观交通仿真模型将从现在的一维扩展到四维仿真。

首先,我们将改变传统以车道为单元,以纵向前方车辆为主的一维交通仿真思路,扩展为以平面网格为单元,横纵向紧耦合同步二维平面仿真,可使得系统仿真空间精度从0.1米提高到0.01米,实现复杂交通系统效率、安全、行为风险等多目标仿真评估需求。

进一步,我们将考虑“人的因素”在交通系统中的影响,构建通用驾驶人仿真模型,在精细化二维空间描述车辆的异质多主体交互行为;实现由于人的因素导致的随机性干扰事件(如突然变道、压线行驶、违法占道、违章过街等)的仿真能力(从二维到三维)。

最后,智能网联环境下,信息的影响将至关重要,第四维仿真模型将系统考虑信息因素,并将其纳入驾驶行为及交通流建模中。

我们相信,通过四维深度微观交通仿真模型创新,TESS NG的仿真精度将有显著的提高。

3.2仿真即服务:面向“新四化”的TESS NG技术创新策略

随着云计算,大数据,移动计算,物联网,人工智能,虚拟现实技术等信息通信技术的发展。传统微观交通仿真的离线PC端应用模式,已经远无法满足现有城市交通实时化,精细化,便捷化的使用需求。

TESS NG将围绕仿真即服务(Simulation As A Service,SAAS)的理念,实现线上化、快捷化、协同化、实时化等“新四化”技术创新。

(1)线上化:从离线仿真到共享应用转变,发展仿真云计算和多终端应用,满足用户云端资源共享需求,轻量化的使用需求和路网高效计算需求;

(2)快捷化:在多源数据支撑下,智能化实现TESS NG仿真建模数据采集,路网绘制、参数标定、结果可视化等,提升仿真便捷度,实现从专业仿真到人人仿真。

(3)协同化:采用“时空一张图”全息可计算数据模型,其上包含精准的道路设计及渠化信息,流量路径信息,信号控制信息以及其它的管控信息等。在交通改善方案 “诊断—改善—评估—实施—后评估” 整个业务链条中均运用此数据模型,提升不同部门间的协同效率。

(4)实时化:将TESS NG交通仿真系统与动态检测数据以及智能交通系统进行实时对接(如信号控制系统、交通大脑等),实现城市交通运行从问题发现到病因诊断,从态势检测到机理分析,从离线决策到在线优化的突破。

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