以期为中国交通仿真软件发展和行业应用提供借鉴

以TRANSYT为代表的交通仿真软件发展至今约60年，2024年11月22日最新版TRANSYT 17.0.0 发布，也说明了交通仿真软件伴随交通行业成长并持续发挥重要作用。2004年，美国交通部和联邦公路管理局联合发布了《Traffic Analysis Toolbox Volume I：Traffic Analysis Tools Primer》（以下简称“Primer”），较为全面的介绍了当时美国市场主要的交通仿真分析工具，可以看作是交通仿真发展的里程碑之一。

回首过去20年，从国际来看交通仿真软件发展格局也发生了重大变化。商业软件从百花齐放进入龙头产品主导和地域特色时代，以PTV、Caliper和Bentley为代表的专业软件公司逐步发挥多精度仿真软件集群的优势在工业界占据主导地位。以TRANSYT、Saturn和SIDRA为代表的英联邦地域特色解析模型仍展现着旺盛的生命力，并不断进步。开源软件也涌现了MATSim和SUMO两款优秀的旗舰作品，并在深厚的学术研究探索加持下逐渐向工业应用渗透。从国内来看，TESS NG成为具备一定市场竞争力的商业软件产品。

但从另一方面来看，目前国内交通仿真应用仍较为混乱，且尚未获得国家级规范和标准的支持，发展任重而道远。仿真应用分类不清、场景模糊、工具滥用，使得仿真在中国远未能充分发挥对交通研究等工作的作用和价值。为此，本文尝试从交通仿真应用分类着手分析国际先进经验，回顾过去二十年交通仿真软件的生态变化，研判未来交通仿真软件发展趋势，以期为中国交通仿真软件发展和行业应用提供借鉴。

根据研究范围、对象和表达形式的不同，使用的交通仿真工具和方法也不尽相同，依靠一种仿真工具包打天下也是一种奢望。不同国家、不同发展水平条件下交通仿真分类也不尽相同，但从应用水平和标准化程度来看美国、英国和澳大利亚的分类值得参考和借鉴。

1.1 美国

根据“Primer”的表述，美国交通仿真的应用主要面对规划、项目开发和设计、以及实施和监控三种情形。面向规划涉及使用城市总体规划和出行需求建模预测和评估。面向项目开发和设计则采用更详细的分析，包括交通仿真模拟和优化。针对实施和监控主要包括评估实施后的运营改进。交通仿真分析过程受地方、州和区域政策的影响，强调根据特定分析阶段定制工具使用的重要性。

“Primer”中交通仿真分析根据其范围、数据要求和分析能力进行分类：

◆总体规划模型（Sketch-Planning Tools）：对出行需求和交通运行情况进行数量级估算。

◆出行需求模型（Travel Demand Models）：主要包括出行需求测算，考虑目的地选择、模式选择、时段出行选择和路线选择，以及表示道路网络中的交通流量分配等。

◆解析模型（Analytical/deterministic tools（HCM-based））：大多解析模型都采用《公路通行能力手册》（Highway capacity manual，HCM）的算法和标准，可快速测算各种交通设施的容量、密度、速度、延迟和排队等指标。

◆信号灯优化工具（Traffic signal optimization tools）：主要用于为孤立的信号交叉口、主干道或信号网络制定最佳的信号编排和配时计划。

◆宏观仿真模型（Macroscopic Simulation Models）：基于交通流的流量、速度和密度的确定关系，对路段进行模拟。

◆中观仿真模型（Mesoscopic Simulation Models）：综合宏观和微观建模特点，对车辆个体进行分析。

◆微观仿真模型（Microscopic Simulation Models）：根据跟驰和换车道理论对车辆个体行为进行模拟。“Primer”指出需要根据项目的特点，综合考虑空间范围、设施类型、绩效衡量标准、成本等方面要素，选择最合适的仿真工具。此外还强调了在利益相关者沟通和公众参与工具中利用图形和仿真演示等可视化方法的重要性。

表1 交通模型分类及使用场景关系表

注：●表示适用；∅表示特定分析工具或方法适用；○表示一般而言不适用；N/A表示不适用。

1.2 英国伦敦

英国交通仿真仿真建模主要包括两套标准：交通部的 Transport analysis guidance（WebTAG）和伦敦交通局的 Traffic Modelling Guidelines（TMG）。本文以和中国城市交通仿真建模更为契合的伦敦交通局TMG为例介绍英国交通仿真分类。TMG指出交通建模的详细程度和规模各不相同，大到涵盖整个城市或国家的大区域，小到单个路口。图1显示了这些建模级别的规模层次：

◆确定性建模（Deterministic modelling），覆盖范围较小，可以是从单个路口到一组相连的路口；

◆微观模拟建模（Microsimulation modelling），涵盖的区域从几个路口到整个走廊或城镇中心；

◆战术模型和战略模型（Tactical and Strategic modelling），可覆盖更大范围（例如整个大伦敦），但战术模型的时间尺度较短，通常只关注特定区域，而战略模型则会考虑整个城市及分析周期长达30年的交通模式变化。

图1 TMG交通仿真模型层次结构

更进一步，TMG中分析了各层次交通仿真模型之间的互动关系。

从战略模型到战术模型--战略出行需求模型以交通需求矩阵的形式向战术模型提供需求。通常情况下，这些矩阵在项目实施过程中不会发生变化，但最近对自行车等主动出行方式的重视，使得涉及不同出行方式之间转换的建模应用越来越多。在网络发生重大变化时，未来的方案建模可能会采用适应性需求方法。

战术模型到确定性模型--战术模型为未来/建议方案提供流量数据。确定性路口模型以这些流量为输入进行优化。然后将确定性模型中优化后的信号配时和停车线容量反馈到战术模型中进行更新。当流量和时间均无明显变化时，迭代过程就会停止。

战术模型到微观仿真模型--战术模型为微观仿真模型提供路径信息，通常包括基本方案和未来方案，因为它们生成的起终点之间的路径无法直接在路网中观测得到。在微观仿真中，车辆起终点之间的路径偏好进行路线选择，从而使车辆在接近路口时的行为更加真实。

确定性模型到微观仿真模型--确定性模型和微观仿真模型共享信号时序。优化后的信号时序从确定性模型转入微观仿真模型，并作为微观仿真模型的初始值。微观仿真模型中的任何调整以及交通管理策略都可返回确定性模型，实现交互反馈。

1.3 澳大利亚

澳大利亚交通评价和规划指引（Australian Transport Assessment and Planning Guidelines，ATAPG）第一册交通需求模型（T1Travel Demand Modelling）给出了从规划制定土地使用和交通战略，到调查实施这些战略的具体项目/方案，再到实施这些方案的详细运营规划，共五类的模型分类方法。

表2 澳大利亚交通模型层次结构表

1.4 小结

从美国、英国和澳大利亚的交通仿真建模分类来看，Primer分类最多，但总体而言没有统一的分类主线，宏-中-微观外其它几类有一定的交叉，通过规划-设计-运营/建设的适用场景分析有一定的解释作用；TMG和ATAPG分类相对较少但层次更加清楚，结合应用场景相对更容易理解。国内大多数文献中所采用的宏-中-微观的分类表述，对场景的界定不够清晰，未来可以参考TMG和ATAPG的形式制定相应的标准，进一步完善对交通仿真工作的指引。

2.1 Primer软件名录变迁

Primer附录根据前述分类，介绍交通仿真软件/功能包共132种，共145次，用百花齐放来形容当时交通仿真软件市场状态非常贴切。Primer仿真软件目录清单也是作者所见种类最多、介绍最为全面的一种，商业软件、开源软件一应俱全，甚至包括一应小众软件。总体来看缺少的软件主要包括PTV VISUM、OmniTRANS和行人仿真软件等有限的几个。20年过去了，根据不完全了解，具有工业应用的大概还剩37项共29种（表中粗体所示），其中现存的29种也存在整合。如CUBE/MINUTP，CUBE/TP+/Viper，CUBE/TRANPLAN整合为Cube Voyager，Citilabs被Bentley收购以后现已成为OpenPaths模块之一Cube，最后和INRO公司EMME软件相继被Bentley收购。目前，TRANSYT已经升级至17版，PICADY和ARCDAY被整合到JUNCTIONS。总体来说，更多的软件已经退出历史舞台，软件行业已经基本结束诸侯混战进入寡头垄断阶段。

表3 Primer模型分类和软件列表

注：正体：可能已经退出市场；粗体：继续服务市场；斜体：Primer遗漏，本文补充。

2.2 交通仿真软件新生力量

虽然有大量的软件在工业应用界消失，但也推出了一些优秀的新生力量。以MATSim、SUMO为代表的开源软件在学术界贡献了重要的力量，并形成了较好的行业生态。MATSim是一个功能强大、适应性强的开源平台，专为基于智能体的大规模交通规划和模拟而设计。它的多功能性使其可以应用于各种领域，包括道路交通、公共交通、货物运输和区域疏散场景。BEAM（Behavior，Energy，Autonomy，andMobility）框架扩展了MATSim的功能，进一步增强了该平台模拟各种交通系统的能力，凸显了在复杂城市交通系统建模方面的适应性。SUMO作为一种多功能的、广泛使用的交通模拟工具，能够处理各种城市交通研究。它的灵活性使其能够模拟从亚微观到宏观等不同尺度的交通，成为模拟复杂现实世界场景的重要工具。开源帮助实现对模型底层控制，使得MATSim和SUMO在学术界几乎占据了统治地位。以从MITSIM发展而来的商业软件TransModeler和PTV VISSIM、aimsun、Paramics成为工业界四种最主要的商业微观仿真软件。以AnyLogic为代表的智能体复合功能软件应用覆盖交通仿真、供应链以及系统动力学模型等多个方面。服务基于活动模型（Activity-basedmodel，ABM）也出现了一系列软件工具，包括Daysim、TASHA和Activitysim等。此外，行人仿真软件也出现了新成员，Oasys  MassMotion和uCrowds，其中uCrowds号称可以在线同时模拟百万人活动。从国内来看，交通仿真软件发展也取得了突破性成果。以东南大学王炜教授团队TranStar为代表的老牌软件向商业化迈进，以同济大学孙剑教授团队TESS NG和深圳城市交通中心TransPaaS为代表的新锐产品已经在工业应用界贡献力量。

3.1 软件功能

纵观20年交通仿真软件发展，从功能上来看发展呈两大特点：综合化和专业化。

综合化更强调宏-中-微观一体，既有多种软件的协同套件，如PTV Vision系列、Caliper系列和Bentley系列；也有一个软件兼具多种功能，如aimsun和MATSim。

PTV VISION系列套件包括：VISUM支持四阶段模型、Tour-based model和Activity-based Model等多种交通需求建模，同时搭载Simulation-based  Assignment（SBA）分配方法能够满足中观交通建模的需要；VISSIM模块支持中微观交通仿真；Optima支持在线交通优化建模；VISTRO支持信号控制优化；VISWALK支持行人仿真。

Caliper套件包括：TransCAD支持四阶段模型、ABM建模等交通需求建模；TransModeler支持中微观交通仿真；Maptitude提供了完整的GIS解决方案。

Bentley相继收购了Citilabs和INRO两大传统交通规划模型软件公司，新推出OpenPaths套件产品，包括：EMME、Cube两个老牌交通需求建模软件；Agent为专门针对智能体建模的工具；Dynameq支持中观交通仿真；Cityphi提供了强大的时空数据可视化功能。

专业化软件则主要面向特定场景，特别是交叉口分析和信号灯控制，且存在一定的地域差异，如美国的Synchro（最易用的信号分析软件）、英国的TRANSYT和JUNCTIONS、澳大利亚的Sidra（号称最强大的环岛分析软件）等。当然，还有号称最可靠的交通分配软件Saturn等。从发展趋势来看，综合化和专业化两条路径仍将继续下去。

表4 主流交通仿真软件

3.2 仿真系统开发

从目前来看，绝大部分交通仿真软件仍采用桌面应用程序，但从互联网发展来看，应用向Web端转化已经是大势所趋。老牌软件也在开展面向Web应用转型，PTV Flows、Maptitude均推出了Web版，Cityphi使用的也是面向Web的可视化模式。从这一点来说国产交通仿真软件具有一定后发和先天优势。TransPaaS、TESS NG和Aidaore均考虑使用轻量级的网页端程序开发模式，无疑是走在了行业的前列，有无可能在交通仿真软件领域走出中国新能源汽车模式，我们拭目以待。

当前，交通仿真模型开发的数据基础发生了巨大的变化，科技的发展带来了革命性的变化。交通建模不再完全依赖于小样本调查，大数据和“准”全样数据为交通仿真建模带来了新的变化，提供了一个先验的视角来审视既有模型理论和技术方法的存在问题和改进方向的可能。新数据条件对交通建模理论、工具软件均产生了新的要求。从数据基础条件来说，无疑中国已经处于全球领先地位，但围绕数据的深度挖掘和交通仿真配套应用仍有很大提升空间。数据基础条件也为我们在交通仿真建模理论和工具软件等方面实现国际同步乃至超越创造了可能，例如大数据能够帮助交通仿真实现求真。

AI已经成为第四次工业革命的标准。对于以数字化为核心的交通仿真技术而言，AI技术同样是重要的基础性工具。交通行业也陆续推出了自己的大语言模型系统，如TransKG、TrafficGPT、ChatSUMO等，PTV 2025版则推出了人工智能驱动的对话界面AI-powered Help Chatbot，专为回答有关PTV软件有关的问题。面向未来，AI必将成为助力交通仿真模型开发和应用的重要支点。

总结过去20年交通仿真软件行业发展，大量的软件退出了历史的舞台，但也出现了一些新生力量，既有商业软件，也有开源软件。新生商业软件无疑是功能强大的代表，开源也是值得借鉴的方向。特别是MATSim和SUMO，吸引了大量的社区参与者，学术界和工业界均有广泛参与，营造了良好的自身发展生态。主流商业软件已经占据绝对优势，顶流的开源软件生态已经逐步形成，国内交通仿真软件发展任重而道远，拥抱开源软件生态，成为开源软件，或许有机会成为一条可行的发展路径。

自1950年代底特律都会区交通研究（Detroit metropolitan area trafficstudy，DMATS）和芝加哥区域交通研究（Chicago Area Transport Study，CATS）项目开展以来，交通规划行业距今约70年。交通仿真软件发展距今约60年，为交通规划研究提供了重要的量化分析基础，助力交通规划的科学决策。交通仿真也是科技革命的体现，60年来交通仿真软件也实现了从数值到图形，从静态到动态和从二维到三维，从桌面端到网页端等多个方面的转变。可以肯定未来新技术仍将进一步影响和促进交通仿真软件的提升。仿真的目的是为了“求真”，需要从本质上严格区别动画和仿真。交通仿真软件只是工具，是我们探求和解释交通运行规律底层逻辑的工具。

作者简介：陈先龙，博士，教授级高级工程师，广州市交通规划研究院有限公司交通规划三所（信息模型所）所长

本文摘自于《中国智能交通技术发展报告（2024）》（中国道路交通微观仿真技术与实践案例），报告获取方式：点击此处填写报告寄送信息（邮费自理，限量发送）