欢迎来到赛文交通网!

“卡脖子”技术与战略高地 | 交通仿真的由来及发展状况

2022-06-16

来源 : 赛文交通网

作者 : 磐石 拾梦者

0人评论

一、仿真技术发展概述

上世纪中叶,全球道路上机动车交通量经历了50年的发展后,在城市的路口、高速公路上开始出现交通流拥堵情况,于是交通研究者和交通专家就开始思考疏解拥堵及避免交通事故的办法,开始研究交通流,交通流模型便是在这时应运而生并快速发展的。

70年代中叶,计算机开始萌芽,在技术条件的支撑下,人们有了模拟道路上的交通流的愿望,于是研究方向从宏观交通流转向微观交通流。在此阶段出现了很多的微观层面的模型。

随着模型进一步的发展以及计算能力的进一步提升,90年代开始,就有学者开始探索用模糊数学的理论和方法来形成一个基于行为的仿真模型。进入20世纪以后,开始出现了基于交通仿真模型构建的仿真软件,应用于交通分析。随后,交通信号灯的优化设计,交通流的组织工作等陆续发生。

20世纪以来,我们面临的交通问题越来越多,后来出现的“数字城市”、智慧城市”、“数据孪生”、“虚拟城市”等概念的建设,都需要更多仿真技术的参与。

仿真将交通方面静态数据(各种几何,各种建筑物,各种桥梁、各种系统)和动态的数据(包括车流、气象、能源、动态的体系等)相结合,并应用这些数据来解决智慧城市里遇到的问题,基于数字孪生的数据映射,可以通过虚拟的体系对实实在在运行的真实城市进行评价和分析,也可以对该城市未来的发展趋势做预测。

随着大数据技术的产生,计算能力进一步提升,仿真从传统的离线走向在线,开始出现嵌入式仿真,仿真成了城市运行或者一个系统运行的中间环节,它可以实时动态的根据实时的数据做出实时的决策。

未来探索元宇宙的形成,虚拟城市建设,仿真还会扮演更多更重要的角色。那么仿真在交通领域具体可以开展哪些应用呢?

二、仿真在交通领域的具体应用与实践

1、交通仿真与城市交通

1)交通仿真与快速公交网络

城市公共交通交通系统是城市生产和生活所必需的公共基础设施,要想适应巨大的客流需求,发展城市公共交通具有非常重要的意义。快速公交是城市公共交通的重要组成部分,仿真可实现对快速公交专用道进行评价,利用仿真模型,对整个快速路车道进行模拟,对包括普通的车辆、私家车、公交车的混行、公交专用道在内的对象进行各种方案的比较。科学的分析城市级宏观公交线网布局、微观路线及站点等设置的合理性,通过仿真模拟验证方案的可行性,通过严谨的评估体系,辅助管理部门做出科学决策,使城市公共交通运行更加高效,出行更加便捷。

2)交通仿真与路面轻轨信号优化

城市轨道交通是城市公共交通的另一重要组成部分,它面向公众提供快速、便捷的交通运输服务。轨道交通运输工作的组织和优化尤为重要,微观交通仿真作为一种实用的工具,已经在路面轻轨信号优化方面发挥重要作用。

在路侧设一个轻轨,轻轨上路后,给它优先和不给优先会有很大差异。通过仿真技术可建立轻轨与行人的运动微观模型和空间宏观模型,再现行人在空间中的复杂运动现象,从微观角度对车站设施设备布局和客流组织方法进行动态评价,发现薄弱环节并突出相应的解决方案,并对方案进行仿真评估和能力评价。

3)交通仿真与交通规划

交通规划的前提是对交通现状有一定程度的了解,只有知道其中存在什么样的问题才能提出改进方案并进行评价。交通仿真可以动态、逼真的模拟交通流的各种交通现象,直观的反映各项交通状况效能指标,分析道路环境、车辆行为、设施建设、交通流的现状和特征,辅助交通管理和规划,提高城市交通管理科学化水平。

交通仿真技术不仅能重现交通状况,还能分析问题,预演方案,对比评估,对交通管理规划具有重要意义。

2、交通仿真与自动驾驶

智能网联车上路需要应对各种复杂的交通、道路和天气状况,尤其是在中国特色混合交通流环境下运行,因此智能网联车上路之前需要进行严格的测试。

但上路测试发生一起事故的代价非常的大,例如特斯拉事故和Uber事故。在道路测试领域存在一个百亿英里的测试难题,这个难题导致仿真测试是自动驾驶安全性测试的一个核心手段,因为要证明人类驾驶比自动驾驶安全,按照兰德公司的预计需要100辆车,24小时道路测试225年才能从统计上证明自动驾驶的事故率与人的事故率高低。

仿真测试可以通过模拟现实来完成道路测试。除了常态交通流的模拟之外,也可对各类干扰行为建模仿真,更加准确的模拟各种混杂行为,更好地去发现自动驾驶在安全性方面的一些隐患。

基于模型的交通模拟可分为宏观交通模拟和微观交通模拟,宏观的交通模拟是指以较低的详细程度描述车辆的行为和相互作用,主要从车流的速度、密度、流量等方面展示连续性的宏观画面,主要用于大型道路网络。微观交通模拟以某些具体车辆作为控制主体,模拟高细节的车辆运动,具体观察车辆在仿真场景下的驾驶行为。

3、交通仿真与高速公路

交通模型与仿真等技术,可以针对高速公路改扩建的关键问题,建立覆盖宏-中-微观维度、涵盖交通-用地-环境-安全-经济等领域的交通模型体系,开展“事前-事中-事后”全流程评估与方案,及时检视,精细、深度地支持交通政策、规划、设计、建设、管理决策。

交通仿真还可搭建高可信交通推演评估分析平台,实现面向工程建设全过程的交通综合评估应用。具体如下:

第一,融合多源交通数据精准研判现状运行特征。

通过融合多时段、大空间、多模式的多源交通数据,研究超大规模高速路网空间范围下车辆个体的出行活动轨迹,深度挖掘分时段、分车型、分路段的交通流运行特征与驾驶行为特征,为高可信度推演评估平台构建提供数据底座。

第二,搭建驾驶模拟仿真平台提取立体复合空间下驾驶行为特征。

交通仿真技术可以依托8自由度驾驶模拟器,融合高速公路基础设施、交通标志、地貌地形等关键要素,搭建立体复合高速公路驾驶场景,研究立体复合驾驶空间下的驾驶行为特征。

第三,结合BIM的三维场景微观交通仿真模型构建。

仿真技术结合BIM,包括路面护栏、桥梁路灯、标志标线、周边建筑等,基于VISSIM交通仿真平台实现工程方案、三维场景、车辆运行动画的高度耦合,完成高逼真度的微观仿真三维可视化建模。

第四,耦合大数据与驾驶模拟构建高可信度微观仿真平台。

交通仿真还可以提取分析驾驶模拟场景中载重货车爬坡的行驶速度、加速度、行驶轨迹等特征指标,标定融入仿真模型的参数体系,在微观仿真平台中完整镜像还原真实的货车爬坡场景。

与此同时,基于高可信度的微观交通仿真平台,还可持续跟进初步设计方案的研究过程,从效率层面评估比选方案的优劣,并提出切实有效的评估建议,形成“方案-评估-建议-方案”的闭环反馈机制,为设计方案的迭代优化提供支撑。

4.交通仿真与轨道交通

1)仿真为轨道交通运行组织提供一个评估平台

交通仿真在地铁线路网方面可以提供一个网络运营研究的实验平台,通过对预先设定的场景进行模拟,建立一个轨道交通客流-车流耦合仿真模型,从协同调度与运行控制等方面剖析多模式交通网络运营与衔接机理 ,考虑公交等其他交通方式对复杂场景下城轨乘客出行行为决策的影响,刻画乘客对于封站、限流、诱导信息及突发事件等行为反馈机制,进而制定与现有运输能力相匹配的较好的运行方案,为地铁运行组织问题的研究提供实验平台。

2) 仿真为轨道交通运行组织提供决策支持

轨道交通有运量大,线路紧密的特点,站点之间联系密切,一个站点出现问题或者变化,整个线网都将受到影响,有牵一发而动全身的胶着性。如果采用传统的人工分析很难应付体量如此巨大,线路如此复杂的环境。通过采用数据收集和仿真的方法,可以为地铁网络运输的组织者提供决策支持,从而能以最快的速度选择出最适宜的解决方案有效处理路网中的突发事件和大客流的冲击。

5、交通仿真与信号控制

交通仿真在道路交通信号控制管理中也发挥着重要作用,对于配时优化,除了依靠人工现场经验,还会通过对交叉口的交通拥堵问题进行分析研究,在线仿真通过循环迭代与参数校核,输出每天的OD和路径数据。

通过分析这些数据,可以掌握交通出行需求的特征和变化趋势,然后根据收集到的数据进行分析,根据出行需求特征和车流流向分布情况进行路口的分类和标记,然后针对不同的路口情况提出不同的改进方案,调整相位结构、周期、相位差等,最后通过软件仿真进行方案优化选择,得出一套实际可行的交叉口信号配时优化方案。同时,交通仿真工具常被用来评价交通信号控制系统的运行状况。

三、交通仿真的当下

当下,在学术界,微观交通仿真应用的比例是持续上升的,经统计交通领域TRB论文使用微观仿真做科研或方案评价的论文比例,从20年前的3%左右持续增加,现在已接近30%。

在工业界,微观交通仿真的增长空间巨大,据统计中国约有1100家微观仿真用户,而美国则有上万家的用户数量,这与中国整体的人口数量、城市数量与仿真分析需求数量是不成比例的。

随着自动驾驶、数字城市、智能网联技术的发展,规划设计应对未来的交通系统更依赖于交通仿真技术。然而,交通仿真被国外系统垄断,2018年美国商务部工业安全局的出口管制清单中包含交通和物流领域,而交通物流领域的建模和仿真技术是它的一个子领域。交通系统仿真技术是我国交通领域的“卡脖子”技术,但也是一门涉及到国家未来战略性新兴产业竞争的技术,发展仿真技术至关重要。

目前国内仿真工具使用未达到预期,有多方面的原因。

其一,标准规范缺失。美国等西方国家针对微观仿真制定了一系列工程标准和规范,特别是明确要求交通规划设计必须有科学定量的评价工作。只有明确微观仿真工具的工程要求、适用范围、可信度标准、具体流程等一系列标准规范,才能去更好地发挥软件的作用。

其二,技术饥渴症VS基础忽视病。避免盲目追求新的技术,而忽视交通工程基础问题,需要行业特别是决策者更加重视利用仿真工具进行基础问题的解决。

其三,科学评价工具VS可视化工具。当前仿真工具软件侧重于可视化工具,而忽视了其评价功能。

其四,评价工具VS 解决方案工具。一种误区认为仿真工具可以自动化生成解决方案,导致对仿真工具定位产生偏差甚至误解。尽管我们正在研发仿真与交通解决方案的一体化产品,但目前的仿真更多是一种精细化的评价工具。

其五,专业工具VS大众工具。仿真工具被认为是较为专业的工具,需要专业人士去使用,未来可能需要研发更加轻量级的仿真产品,引导更多用户应用。

其六,独立使用VS协同应用。目前仿真工具,与交通控制系统、数据分析系统、诱导系统等不同的交通分析和管控系统兼容性不强,某种程度上也影响了该工具的普及应用。

四、交通仿真的未来

仿真不具备分析优化功能,实现不了实时逆向与现实世界进行交互;数字孪生则具有全要素数字化表现能力、数据可视化表达能力、空间计算分析能力、多源数据融合能力、物联感知操控能力。仿真是数字孪生的核心元能力之一,数字孪生被认为是交通仿真的发展方向。

关于数字孪生应用,现在有了轨迹的检测设备,包括雷达、视频以及雷视一体机等,很多人认为数字孪生就是将轨迹回放出来,目前这是非常底层的数字孪生,远远不到数字孪生应有的效能。

当前交通系统数字孪生仍在起步阶段,能看但不一定能用,难以指导科学决策,更不能进行实时系统优化。数字孪生应该是能看、能诊断、能管、能优化四个层级,这需要坚实的交通核心技术做支撑。

第一层级是能看,系统确实能把现实世界交通运行过程复现出来,这种复现可以用雷达或者雷视一体的手段全部覆盖复现,现在用全覆盖的设备手段,绝对不具有可持续性。目前基于TESS NG技术可以在较低的设备覆盖率情况下,以最小代价把这个系统做到能看清、看全,能看就是数字化的过程。

第二个层级是能用或者能诊断,就是能发现问题。发现问题这里面需要有交通模型,同时可以基于不同粒度的数据进行诊断分析,即可以采用卡口等断面数据结合路网渠化设计进行初步诊断,也可以融合雷达等多源轨迹数据,结合浮动车数据进行路网深度全面的诊断等等。

第三个层级是能管,如果没有仿真做不了这件事,能管就是做到虚和实的交互,不是被动评价它,而是在实施之前就要预判评估,多备几个方案,这不仅包括交通管理层面的方案,也包括交通设计,渠化方面的方案。

第四个层级能优化,目前国内还没有工程能力能做到全场景优化,方案组合非常多,如何生成最佳方案还有待探讨。基于仿真优化理论,还可以进行大规模、多决策变量的快速优化,直接支撑方案智能化生成。

但交通仿真是数字孪生的核心技术,是实现数据融合与交互的基础。如果没有仿真,数字孪生实际上只能做一些现状的问题发现、离线的分析或者相关决策、方案的后评估,但无法做方案的预评估。若使用仿真手段,可以将所有的数据整合起来,从问题发现到病因诊断,从态势发展到方案的预评估,从离线决策到在线优化,而且是实时的、提前的,实际上都需要仿真在中间赋能才能做这样完全闭环的技术体系。

交通数字孪生目前还处在交通仿真技术摸索阶段,就当前社会的数字化技术水平来看,交通数字孪生还有很长一段路要走。

1.7its.com 遵循行业规范,任何转载的稿件都会标注作者和来源; 2. 7its.com 的原创文章,请转载时注明文章作者和来源,不尊重原创的行为将追究责任; 3. 7its.com登载此文出于传递信息,并不意味着赞同其观点或证实其描述,文章仅供参考。
延伸阅读
软件定义车路协同 | 商汤绝影入局
赛文发布 | 2021年中国交通信号控制器行业十二强
读“徐吉谦教授学术思想文集”有感
阿里云打造云、数、AI“三位一体”的交管数智云脑解...
中控信息赵鸿鸣:智能交通行业的局势、挑战和本质
赛文发布 | “2021中国智能交通规划设计行业优秀企...


微信二维码


新浪微博


交通包打听


360网站安全检测平台