确保高速公路微观交通仿真技术充分发挥应用价值

20世纪80年代末以来，我国高速公路从无到有，持续高速发展，取得了世界瞩目的成就。截止2023年末，我国高速公路里程已达18.36万公里[1]，位居世界第一。高速公路的快速发展大幅提升了综合交通快速网服务效率，为经济健康运行和社会全面发展提供了重要支撑。然而，车辆保有量急剧增加、交通拥堵严重、交通事故频发等一系列挑战也伴随而来，且日益凸显。

与此同时，随着高速公路交通发展“后建设”时代的来临，前期在经济发达地区建成的高速公路主通道如今还面临着扩容改造的需要。交通运输部、财政部于2024年联合发布的《关于支持引导公路水路交通基础设施数字化转型升级的通知》提出了“体系化部署交通基础设施运行状态感知设备，建设沿线通信传输网络、交通诱导系统等，加快关键节点智慧通行服务、干线通道主动管控和一张网服务新模式等成熟场景的规模化、网络化应用，推动点、线、面一体联动和区域有效协同，提升交通基础设施承载能力和通行效率”。在需求与政策的双重驱动下，推动交通繁忙的高速公路通道和区域网络开展智慧扩容已成为未来一段时期内公路信息化建设及交通强国智慧高速试点工作的重点之一。

面对高速公路交通拥堵疏解、交通安全保障，以及智慧扩容等实际需求，传统粗放式的高速公路交通管理方式已难以满足当前我国高速公路数字化转型升级的需要，亟需借助先进的科技手段实现高速公路的精细管理与主动管控。因此，作为不可或缺的交通分析工具，交通仿真技术吸引了越来越多高速公路从业者的关注，并探索其在智慧扩容中的应用。

交通仿真是指通过计算机技术实现交通数学模型以模拟和重现道路交通流时间、空间变化的技术，是在计算机上进行交通系统分析、试验的方法[2]。根据对道路网络、车辆行为、设施控制等描述的精细度，可将交通仿真分为宏观、中观、微观、亚微观等类别。高速公路微观交通仿真属于交通仿真范畴，具体指通过计算机技术构建高速公路交通系统数字模型，包括高速公路道路及设施模型、交通出行需求模型、交通管理与控制模型，以及考虑人、车、路、环境等因素的驾驶行为模型，进而模拟和重现高速公路交通流的时间、空间变化，为交通分析、交通设计、管理和决策提供科学依据。高速公路微观交通仿真技术的应用需经历模型规划、数据采集、模型建立、模型校准、模型验证、模型应用等流程，过程复杂、操作精细，实现源于现实、用于现实。简言之，应用前要求逼近现实，应用时往往要高于现实。

图1 高速公路微观交通仿真应用流程

1、逼近现实

为确保高速公路微观交通仿真逼近现实交通运行，仿真建模必须严格遵守规范流程，力求实现模型要素综合体现、模型校准形神兼具、模型验证客观精准。

在模型建立阶段，高速公路微观交通仿真模型的建立需要覆盖现代交通系统的人、车、路、环境、信息五个要素。在高速公路场景，人和车可以综合描述，包括OD（从哪来？到哪去？流量多少？）、时间分布、车型分布、激进度分布、熟悉度分布等；道路建模需要遵循高速公路几何参数（包括路网拓扑、道路线形、高程、车道组、车道属性等）和静态交通设施（包括固定的交通标志标线、隔离护栏、视线诱导标等），通过模型参数调整还原高速公路几何和设施对个体车辆行为的影响及对交通流的引导；环境建模需要考虑环境的时变特征及其对车辆行为的影响，如雨雪等；最后，信息建模可理解描述时变的交通管控方案，包括强制性的交通控制方案（如收费站收费模式、车道限速、应急车道放行管控、匝道管控等）和引导或建议性的交通诱导方案（如动态交通诱导等），并通过模型实现信息传递的交通规则，还原信息影响下高速公路车辆行为。

图2 高速公路微观交通仿真模型

根据相关标准[3]和指南[4]要求，仿真模型搭建完成后，需从通行能力、路段流量两个方面校准模型。当模型的通行能力和路段流量不满足通行能力校准目标（如图3）或路段流量校准目标（如图4）时，则需要调整影响通行能力和交通分配的模型参数，包括车头间距、车头时距、停车线位置、警示距离、车辆熟悉度、路段成本费用等；如符合则进行模型验证。

图3 通行能力校准目标

图4 路段流量校准目标

进入模型验证阶段，依据行程时间验证目标（如图5）开展模型验证工作。当模型各路段或路径的行程时间满足目标时，则表明该模型符合微观交通仿真建模技术要求，可投入实战应用。若不满足目标，则需重新开展模型校准、模型验证工作。

图5 行程时间验证目标

2、高于现实

完成模型验证后，交通仿真工程师通过设置或接入交通需求、道路管控、交通事件，在高速公路交通仿真现状模型的基础上进行交通场景个性化设置，并模拟平峰期、高峰期、节假日、重大活动、特勤、交通事故等各类交通场景及其管控措施下路网模型的交通运行情况，从而为各类业务提供高速公路微观交通仿真的基础价值。

高速公路微观交通仿真技术具备“过程可视、因果可察、影响可估、未来可预”的应用价值，能有效地支撑高速公路交通态势分析、主线拥堵管控、收费站拥堵治理、占道施工管理、应急事件处置、区域协同管理、改扩建决策支持等实战应用，为高速公路智慧扩容赋能。

1、交通态势分析

在接入高速公路实时交通流量、管控方案、交通事件等动态交通数据的基础上，结合流量预测算法，运用高速公路微观交通仿真技术可以推演未来交通运行时空演变，进而支持排队长度、安全风险等指标的预测及整体态势的评价，工作人员可根据分析结果提前做好预案。

图6 交通态势分析

2、主线拥堵管控

当预知高速公路即将发生交通拥堵或已经发生交通拥堵时，运用高速公路微观交通仿真技术可实现拥堵成因分析、拥堵等级预测，进一步根据拥堵情况，设计匝道管控、应急车道管控、收费站管控、可变限速管控等常用的交通管控措施，仿真推演管控措施的拥堵疏解效果，协助管理人员精准研判管控方案，把握管控时机，快速疏解拥堵。同理，高速公路微观交通仿真可以模拟不同成因的交通拥堵场景，为措施库完善提供技术支撑。

3、收费站拥堵治理

针对收费站因通行能力不足、管控效率不高、交通事件等原因导致的交通拥堵问题，可运用高速公路微观交通仿真技术对收费站的收费车道模式、车道排列组合进行模拟推演，快速评估得到有效、合理的收费车道管控方案，缓解交通拥堵。此外，高速公路微观交通仿真技术还可支持收费站预交易效果分析、高地结合部拥堵联动管控、收费站改造方案评估等业务，助力方案科学决策。

4、占道施工管理

高速公路时常面临道路养护、专项工程等施工需求，运用高速公路微观交通仿真技术可以模拟各种类型的占道施工围蔽场景及相关车辆行为，推演施工围蔽导致的交通影响，协助管理者评价施工交通组织的合理性、可执行性，辅助施工方案审批、施工交通组织优化等工作。

图7 高速公路占道施工微观交通仿真

5、应急事件处置

当高速公路发生应急事件时，结合交通事件基本信息及实时/历史车流等数据，可开展高速公路应急事件交通仿真，推演事件的交通影响等级，为一线人员选择应急预案提供参考。同时，高速公路微观交通仿真可为应急处置方案的验证提供虚拟环境，提前评估方案的下发条件及疏导效果，提高应急处置效率。

图8 高速公路交通事故微观交通仿真

6、区域协同管控

针对区域拥堵联动疏导、多施工影响协同管控、区域路网主动管控等交通管理需求，通过高速公路微观交通仿真技术可以模拟关键区域内不同管控措施之间的相互作用和影响，从而帮助管理者制定更加科学、合理的区域交通协同管理策略，以提高高速公路的通行效率、安全性和服务水平。

7、改扩建决策支持

高速公路改扩建工程常面临施工难度大、保通要求高、安全保障难等问题，高速公路微观交通仿真技术可精细模拟改扩建交通组织方案，对方案产生的交通安全影响、交通运行影响进行量化分析，支撑改扩建交组设计决策、实施工期排班、施工执行动态体检、应急预案演练优化等业务，全面赋能改扩建交通组织设计、执行和应急等阶段工作，防范化解安全风险，助力营运、改扩建双赢。

根据项目交付成果、仿真应用效率、业务支撑范围等判定标准，高速公路交通仿真应用形式可划分为三种模式，分别是交通仿真咨询服务、交通仿真应用系统、交通仿真应用中台。

1、交通仿真咨询服务

交通仿真咨询服务是交通仿真技术早期主流的应用模式，主要针对某个具体的交通规划、交通设计、交通管理，以及交通事件等事项提供定制的、由专业交通仿真工程师人工承担的交通仿真评估服务，为高速公路规划、建设、管理、施工等单位提供决策支持，例如：高速公路改扩建工程交通组织评估、高速公路收费站改造评估、高速公路ETC预交易系统实施效果评估[5]、高速公路应急事件仿真演练服务等。交通仿真咨询服务多为一次性服务，其工作成果（包括交通仿真模型等）侧重于具体事项的决策支持，能建立更灵活的方案模型，可以更精细、专业地考虑该事项的交通影响，具有独立、灵活、专业等特点。

然而，交通仿真咨询服务由于每次都需要历经模型规划、数据采集、模型建立、模型校准、模型验证、优化方案设计、优化方案评估、方案对比优选等多个环节，需要投入较大的人力、物力、时间成本，服务成果质量也存在较大的不确定性，容易受到采集数据完整性、外部环境变化、工程师技术水平等多种因素的影响。所以，交通仿真咨询服务存在流程长、成本高、不确定性较高等缺点。在选择该模式前，用户需要综合项目服务的复杂性、频次及预算等因素，同时“擦亮眼睛”选择服务单位。

2、交通仿真应用系统

随着高速公路信息化发展，高速公路交通仿真应用开始往系统化方向发展，高速公路交通仿真应用系统孕育而生。高速公路交通仿真应用系统基于交通仿真技术及其在不同高速公路场景的业务价值，在精准还原交通运行的基础上，开发业务方案（如占道施工交通组织方案等）的自动化建模能力，为不同业务提供灵活、快捷的交通评估，并融入业务流程建立业务闭环，实现业务能力的智慧化提升，如高速公路占道施工交通仿真系统、高速公路事件应急交通处置仿真系统等。

在该模式下，微观交通仿真模型的规划、建立、校准及验证工作由交通仿真工程师在系统开发阶段完成。系统部署后，仅需输入或接入业务方案与在线或离线的交通运行数据，即可运行交通仿真及综合立体的交通运行评估，实现仿真评估效率的飞跃提升，突破了交通仿真咨询服务流程长、耗时长的缺陷。以广州市北二环高速占道施工交通仿真系统为例[6]，工作人员填报待审批的占道施工交通组织方案（包括施工时间、工作区地点和围蔽车道等基础信息）后，系统会根据国标等规范要求自动建立施工交通组织方案模型，并自动在2分钟内（全长38.5公里）完成仿真评估，输出占道施工导致的交通流量、排队长度、延误等交通影响评估数据及报表，并评定风险等级，使管理部门快速实现占道施工交通组织方案的审批。

图9 高速公路占道施工交通仿真系统

值得注意的是，交通仿真应用系统建设成功的关键在于将仿真能力融入业务流程，并结合仿真能力形成业务闭环的系统或与现有业务系统实现深度融合。系统无法形成业务闭环或业务流程无法实现重塑都将导致系统的失效甚至失败。而高速公路微观交通仿真虽有过程可视的基础价值，但却不是交通仿真应用系统的核心价值体现，过多地关注三维渲染效果往往缘木求鱼。此外，受业务方案精细化描述及自动化建模校准的限制，在没有交通仿真工程师介入的情况下，交通仿真应用系统不能支持涉及道路线形、车道组等变化的业务方案。因此，选择该模式时，用户需要结合实际情况考察业务流程嵌入仿真能力的可行性，根据预算情况酌情考虑三维场景展现效果、交通仿真工程师维护服务时限等。

3、交通仿真应用中台

随着更多的高速公路智慧扩容场景对交通仿真技术提出了需求，烟囱式的交通仿真应用系统模式必然造成冗余或浪费，高速公路交通仿真应用逐步朝中台化迈进。交通仿真应用中台能适应多种高速公路智慧扩容场景的仿真需求，具备仿真计算、仿真模型、仿真算力等资源的管理调度能力，实现并发的交通仿真运行及量化评估，从而支撑高速公路交通管理的智慧化提升。

图10 高速公路交通仿真实战应用中台

在此定位下，除了前两种模式的准确、快速要求外，交通仿真应用中台首先须满足不同应用的仿真需求，如交通态势分析需要更快速、收费站拥堵治理需要更精细的数据输入、区域协同管控需要更大范围、孪生展示支持需要更精细的轨迹输出等。其次，中台还须抛下交通仿真应用系统业务闭环和前端展示的包袱，专注于后端仿真能力支撑，为智慧高速等平台的各类业务提供赋能。最后，交通仿真应用中台还须重点关注仿真的并发能力和多模型支持。并发能力指支持多用户同时运行多种业务应用的仿真计算，无须或减少排队，使各业务的时效性得到保障；多模型支持则既是适配不同业务仿真需求的必然，也是准确、快速目标下的必须。仿真模型越大，将不可避免地使仿真运行效率和准确性降低。

因此，选择该模式时，用户需要充分理解不同业务的仿真需求，提出中台的适配、并发、模型需求，并结合平台建设需求考虑三维展示需求以避免孪生展现的重复建设。

随着交通强国建设、智慧公路建设、公路数字化转型升级，尤其是高速公路智慧扩容的持续推进，越来越多的高速公路智慧扩容场景对高速公路微观交通仿真提出了需求，给高速公路微观交通仿真技术发展带来了机遇与挑战。为迎面挑战、把握机遇，交通仿真工程师或企业应在不断追求仿真更准、更快的基础上，深入理解高速公路智慧扩容等业务场景，挖掘高速公路微观交通仿真的应用价值，并针对不同的业务需求采用相匹配的高速公路交通仿真应用模式，服务用户解决业务痛点、实现业务价值，助力高速公路智慧扩容工作推进。

作者简介：沈文超、吴泓瑜，广州学塾加软件科技有限公司。

参考文献：

[1]交通运输部.2023年交通运输行业发展统计公报[EB].https://baijiahao.baidu.com/s?id=1802162554919643885&wfr=baike,2024,06.

[2]郭敏,杜怡曼,吴建平.微观交通仿真基础理论及应用实例[M].北京:人民交通出版社,2012.07:04.

[3]Q/XSJJ001-2016,微观交通仿真建模与评价技术标准[S].

[4]张蕊编译.微观交通仿真实践指南[M].北京:人民交通出版社,2014.03:44-87.

[5]沈文超,谭裕安,陈晓燕,王超.高速公路ETC预交易系统实施效果评估方法[J].中国交通信息化,2023(281):177-179

[6]闫栋,李炳秋,沈文超,吴泓瑜.基于交通仿真的高速公路占道施工评估系统[J].中国公路,2023(8):114-116.

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）