都市交通規劃改造建設智能輔助決策研究

[摘 要> 本文給出了都市交通智能輔助決策系統的總體框架。在所開發的一系列智能模塊支持下的地理信息系統（GIS），對都市交通網絡規劃、現有道路改造、新建路段方案選擇、應急交通指揮及交通網絡日常管理等多方面都可以提供有效的智能輔助決策服務。
1 前言
國際上知名的大都市在其形成與發展過程中，都較好地解決了城市交通問題。井然有序、便捷暢通的城市交通已成為現代都市的重要標志。
近些年，首都北京的發展迅速，建成區覆蓋面積不斷擴大，常住人口急劇增加，各種車輛迅速增長，給本就已處緊張狀態的城市交通帶來了新的壓力。如果不能妥善解決日趨緊張的交通問題，將限制首都的快速發展。
2008年奧運的申辦成功，使解決北京交通問題成為燃眉之急，也給從根本上解決這一問題帶來契機。國家已決定投以巨資解決首都交通問題。適應于新世紀、新北京、新奧運的新的首都交通網絡系統正在規劃建設之中。原有交通設施的改造，新的交通線路的規劃建設，將使首都交通基礎設施建設決策步入科學化、規范化、現代都市化的快速軌道。
在解決北京城市交通的發展過程中，有許多問題值得研究與探討，如多元化的交通網絡建設與北京遠景發展規劃、交通網絡應急能力與奧運需求、原有交通設施改造與交通網絡的整體關系、新建交通設施對交通網絡系統的改進與優化、北京市交通發展模式選擇與交通網絡系統的相互作用、交通設施改造建設中的若干關鍵技術問題等等。
這些問題涉及規劃、投資、建設和管理各個方面，很顯然，需要借助于現代化的智能輔助決策手段進行綜合分析研究。
2 都市交通網絡規劃
都市交通設施應是多元化的，既有陸地交通，也應有地下交通和架空交通；應有快速主干通道，也應有四通八達的普通通路；應有公交客車、城鐵列車、軌道交通，也應有私家用車等等。為了真正達到暢通快捷之目的，應當將全市交通作為網絡系統整體來規劃建設。在進行都市交通建設與改造規劃時，既要著眼于局部路段的改造建設，更要著眼于局部路段對網絡整體的影響和作用研究。有時局部路段交通流量看似有所改善，但不一定使網絡整體得到相應的改觀。因此，立足于地理信息系統（GIS）的交通信息網絡的建設，利于二次開發的具有相應模擬局部路徑與網絡整體關系的模塊的運行，可顯示局部路段的改造后的交通能力，車流量的變化對整體網絡的改善效果，給以適當的人工干預與調整，以求獲得最佳運輸能力改善的效果，同時兼顧投資、成本、效益和長遠效應各方面關系，使得在交通設施改造建設之處，就能有長遠的規劃，避免以往多次發生的剛剛改建完成使用不久的關鍵路段，出現了新的問題，不得不再次投資改造等。實現基于GIS的交通信息網絡建設，在此基礎上，尋求支持科學決策的基礎建設和技術方法，進行二次開發，可從網絡系統整體上提高投資效益，減少決策中的盲目化，可為都市道路交通在不同階段都能發揮較好的作用。
3 現有交通設施的改造與交通網絡系統
都市交通能力的提高，離不開對現有交通設施、局部路段的改造。對現有交通設施的科學改造離不開智能輔助決策系統的應用。利用現有路段流量，預測改造后路段流量變化，可基于GIS反推網絡相關路段的流量分布變化，從而調整有關改造后的參數，選擇滿意的整體網絡的改造效果。這樣確定的局部路段的改造方案，可達到預期的整體效應。反過來，也可以預先確定網絡整體改造的期望效果，反推相關局部路段的改造方案。使我們的規劃更符合實際，取得較佳的效益。有了有效的鑒別出需改造路段的緊迫性，預測改造后對整體網絡的影響效果，應對現有路段進行"最大可靠度"分析，我們已經開發的"最大可靠路段鑒別"模塊可以很好的解決這一問題。根據可靠度理論，由于其可靠度的提高，則網絡中點S到點T的總可靠度為最大的通路可能會有變化，這就為得到某種理想的最大可靠度通路開辟了有效的預測評估方法。
在我們開發的"最大容量通路"分析模塊中，已知網絡中各路段車流的能力，即通過容量值，可求的任意兩點間的這樣一條通路，該通路中容量最小的路段的容量值控制著整個通路的容量。即使其他路徑段的通道容量值再高，其總通道容量還需受到最小容量路段的控制，就是說，該路段的容量為決定通路的最大容量路段。這樣的分析模塊可以自動搜索得到控制通路容量的容量最小路段，改造這個（些）路段，將會大大提高通路整體的通行容量，為改造現有路段提供智能輔助決策。
我們開發了"最大期望容量通路"模塊，該模塊同時考慮通路的完好概率和通過容量，比較二者的乘積為最大的通路，確定為最大期望容量通路。這一模塊可考慮現有各路徑弧段的完好概率和通過容量，比較它們的期望容量，最后確定最大期望容量通路。對于改造前設定的目標，可以對比研究多種改造方案的最大期望容量通路的優劣，以期取得理想的改造效果。
我們還開發了諸如"人們期望最高通行路"、"網絡最大流量"、"網絡最小費用流"等多種模塊，可供現有交通設施更新改造的智能輔助決策使用。
4 新建交通設施與交通網絡系統
根據原有交通網絡系統存在的問題，在改造現有路段仍無法解決問題的情況下，應建設新的交通設施，新建的交通設施建成后將形成新的交通網絡。對新的交通網絡，同樣可以應用"最大可靠路段鑒別"模塊給出各路段的通行可靠度，從而求得新建路段前后網絡中S點至T點的總可靠度為最大的通路。一般情況下，這兩個網絡的總可靠度為最大的通路不應是同一條，據此可以預測新建路段后對網絡通行能力影響效果，也可以改變新建路段的建設方案，重新分析總可靠度最大的通路，直到達到滿意的效果。這樣，可通過智能輔助決策，確定新建路段的建設方案。
同樣，可以利用“最大容量路”、“最大期望容量通路”、“人們期望最高通行路”、“網絡最大流”和“網絡最小費用流”等多種智能模塊，來確定新建路段對網絡流量狀態的影響，在不滿足網絡的期望狀態情況時，修改新建路段的方案，直到滿意為止。
城市交通流量在路網上的分配，以往大都采用靜態方法，新建路段的新建方案往往也是以改善通路現狀為主要目標的經驗型決策。本研究擬應用計算機動態模擬交通流的多種指標，可以使決策者了解城市路網在某一時刻、某一路段或路口的交通流量，并可改變某些參數后得到新的交通流量的分布狀態，這不僅可應用于新建路段的方案修改決策，也可以應用于城市交通規劃，也可為某項重大交通工程決策提供依據，還可應用于 城市交通的運輸管理、調度指揮。
5 基于GIS的智能輔助決策
用于城市交通流量分析的路徑通路選擇與流量分配的智能輔助決策系統，必須立足于真實反映城市交通現狀的地理信息系統（GIS）。只有基于GIS的智能、輔助決策系統的開發應用，才有可能完成將研究成果從研究階段到真正實用階段的轉變。
地理信息系統（Geographic Information System）是一種用于獲取、存儲、更新、查詢、操作、分析和顯示、輸出空間相關信息的計算機系統。簡言之，地理信息系統是處理空間信息的計算機系統。空間信息是指與地理分布相關的數據，主要包括特征的空間坐標及描述該特征的屬性。
地理信息系統與其他傳統意義上的數據庫系統的根本差異在于，它不僅能存儲、分析和表達各種對象的屬性信息，而且能夠完成空間操作、空間分析，能將空間與屬性信息有機地結合起來，從空間和屬性兩個方面對現實對象進行查詢、檢查和分析，并將結果以直觀的形式表達出來。
為了開發真實反映實際并有實用價值的都市交通智能輔助決策系統，基于GIS的信息管理系統是理想的選擇。GIS應用的地理數據基礎是可反映城市交通現狀的地圖，將地圖轉化成 GIS的圖層，將交通網絡的空間位置與對應的屬性緊密地聯系在一起，再對上述的智能輔助決策功能模塊進行二次開發，實現這些具有智能決策的功能模塊與GIS系統的有效鏈接，即可進行交通網絡系統的智能輔助決策。
因此，基于GIS的都市交通智能輔助決策系統實現的關鍵是智能輔助決策功能模塊的二次開發。根據交通網絡智能分析的需要選擇自行開發的空間分析模塊，使GIS系統更好地為都市交通網絡規劃建設和改造，為網絡系統的評估、管理和決策服務。GIS的二次開發功能模塊也具有空間特征量流分析、統計分析、路況分析、車流分析、人流分析、網絡局部與整體分析、各種疊合分析，建立緩沖區和決策分析等功能。
由于GIS具有很強的數據更新能力，可方便地進行空間數據、屬性數據、拓撲關系的增添、刪除和修改。因此，GIS可適應都市交通網絡的更新改造的需要，便于進行都市交通網絡的規劃改造和建設、智能輔助決策。一旦系統初步建立起來，也可以適應實際交通網絡的變化，對整個網絡系統進行更新，使其長期發揮效益。
利用基于GIS的都市交通智能輔助決策系統能客觀評價城市交通綜合治理的實施效果。隨著北京市道路交通的軟硬件設施的不斷完善，交通網絡的智能信息化不斷提高，可為智能輔助系統的決策服務提供廣闊前景，特別是適應奧運需要的交通網絡系統的建設，突發性事件時交通網絡"點"堵塞情況下的緊急支路疏散和遠端的交通疏導及對策等。還可通過動態仿真手段來模擬交通網絡的實際運行狀態，給出可視化的模擬結果，也可以將現有交通狀態，包括道路、交叉口和工交專用道等通行狀態，通過指揮中心的大屏幕或對外發布的屏幕進行實時顯示，得到所選擇區域的交通網絡實時動畫仿真模擬顯示結果。
6 結語
所開發的基于GIS的都市交通智能輔助決策系統可以較好地解決城市交通網絡規劃、現有路段更新改造、新建路段優化方案的選擇等難度較大的科學問題，為都市交通網絡分析和改造決策提供智能輔助決策的有效手段。在有效地解決有關智能輔助模塊的開發前提下，可以適應與滿足首都舉辦2008年奧運需要而進行的北京交通網絡改造的需要。