改革开放以来，我国城市交通展开阅历了大规模建造、现代化办理、机动化转型、智能化服务 4 个阶段；仅用 40 年时刻完结了发达国家一百多年的展开进程，展开速度之快、面对问题之杂乱、技能难度之大世所稀有。这期间，我国城市交通的出行办法也阅历了自行车主导、机动车 / 非机动车混行、机动车主导的改变。也要注意到，快速城镇化引发了居民出行机动化，城市交通问题趋于严峻。

　　根据国家统计局数据，2004—2019 年我国私家载客轿车保有量从 1.07×107 辆添加至 2.07×108 辆（添加 19.4 倍），而城市路途路程仅从 2.23×105 km 添加至 4.59×105 km（添加 2.1 倍）。城市交通体系供需严峻失衡，交通拥堵、安全事故、环境污染等一系列大城市交通问题不断涌现。

　　当时，我国城市交通处于交通结构转型期，城市交通体系的供需矛盾很大；在快速城镇化、出行机动化的两层压力下，单靠路途建造无法满意机动化出行需求。缓解城市交通问题的全体思路是建造公交主导型的城市交通体系供需平衡体系（见图 1），具体战略包括：

　　①在交通源头，选用以公共交通为导向的城市土地开发（TOD）形式，下降交通需求，引导城市归纳交通体系的供需平衡；

　　②在交通设备建造进程中，构建以轨道交通为主干的城市归纳交通网络体系，加强城市归纳交通体系的归纳协同，优化交通供应；

　　在具体的施行进程中，需求精明的交通规划、精美的交通规划、精密的交通安排、精准的交通管控等办法，终究完结城市交通体系从“增量堆集”到“存量展开”、从“才能建造”到“效能进步”的功用性改变。

　　公交主导型城市交通体系供需平衡体系极具价值，其构建依赖于城市交通体系的智能化、政府职能部分的协同决议计划。一方面，当时的城市智能交通体系建造存在技能瓶颈，根据大数据技能处理城市交通问题的专业剖析与仿真才能尤为缺少；另一方面，政府各职能部分的事务相对独立，与城市交通体系相关联的部分事务计划证明“各自为营”，难以完结协同决议计划。

　　我国亟需树立根据大数据、人工智能（AI）等前沿技能的城市虚拟交通体系与交通展开协同决议计划支撑形式，经过海量交通数据的聚集、交融、运用，交通剖析模型的构建、优化，进步城市交通规划与管控的精准化、科学化水平；运用“一致的数据、一致的办法、一致的软件”，构成同享的协同决议计划支撑渠道；构建城市交通体系多个办理部分的协同机制，赋予“城市交通大脑”“交通优化的思维才能”，实在进步对政府决议计划的支撑才能与功率。

　　城市虚拟交通体系能够打破当时城市智能交通体系建造的技能瓶颈，真正将交通大数据用于进步城市交通体系规划、建造、办理水平。根据相关理论模型、体系软件、测验渠道，打破交通大数据运用由“交通情况感知”上升为“出行需求认知”的要害技能，构成可为许多政府决议计划环节（如城市土地利用、交通方针拟定、交通设备建造、交通办理操控等）供应精密化、定量化、可视化、快速反应的决议计划支撑形式，保证“城市交通大脑”具有“交通优化的思维才能”。

　　展开城市虚拟交通体系，旨在交融来历于多个办理部分的交通数据，构建一致的交通数据库，供应一致的交通剖析办法，树立同享的仿真渠道，支撑交通仿真效果可视化。在具有同享特征的城市虚拟交通体系上，支撑完结多部分联合与协作的决议计划支撑形式，构成决议计划计划证明的虚拟仿真技能一体化流程体系，能够随时待命、快速呼应，有用应对政府的微观、中观、微观等不同层面的交通规划与办理计划决议计划需求。

　　城市归纳交通体系的主体通常是由数百万人、数百万车辆在超级大型交通网络上的出行行为所组成的杂乱体系，展开相关仿真剖析有必要选用大型渠道软件。在城市路途网络仿真方面，很多商业交通仿真软件整合了交通仿真研讨的各类模型和算法，现已广泛用于实在城市的仿真渠道构建。微观交通仿真首要由交通的供应、需求、分配模型组成，基本理论为交通“四阶段法”，适用于剖析城市根底设备建造或行政办理办法对大局交通的影响；国外代表性的软件有 TransCAD、Emme、PTV Visum、Cube等。

　　当时，国外交通仿真规划软件在国内运用商场具有独占位置，虽然具有灵敏的剖析与显现功用，但难以习惯我国杂乱多样的交通环境、多形式混合的交通特征，突出表现在：运用的交通模型与标定参数首要根据国外的交通运转特征，照搬到我国的实践交通运用“不服水土”；仅偏重城市规划和交通规划，无法从反映国情的交通办理办法、交通操控战略、交通方针法规出发来展开交通网络运转情况剖析，也未考虑国内实践运用面对的各类情形；运转进程中需求用户根据专业判别来逐个操作，而非专业人士很难根据特定的事务需求来有用运用。因而，亟待开发符合国情、易于运用的国产城市交通剖析渠道软件，以服务于我国城市多部分协作的交通计划决议计划，助力“城市交通大脑”建造。

　　城市虚拟交通体系对居民出行需求、路途交通流、归纳交通网络等实践交通体系参加目标进行数字化笼统，经由数学剖析模型模拟实践交通体系的演化规则与供需平衡机理，在核算机上构建与实践交通体系具有相同交通特征的数字交通体系。以此为根底，展开“一致的数据、一致的办法、一致的软件”，构成同享仿真渠道与决议计划支撑形式。

　　城市虚拟交通体系与决议计划支撑形式，重在为“才智城市”建造供应全方位的交通范畴剖析与仿真技能支撑：进行各类事务计划（如城市土地开发、交通方针拟定、交通设备建造、交通办理操控等）对城市交通体系发生影响的定量化、可视化归纳点评与体系优化，政府决议计划计划的证明剖析，促进城市交通体系的跨部分协同与无缝联接，支撑政府高效科学的决议计划与办理（见图 2）。

　　①根底数据库是体系的根底，对多源交通大数据进行提取、加工、交融构成标准化数据库，直接连接到虚拟仿真渠道展开交通体系剖析。

　　②交通剖析根底模型库是内核，起到“城市交通大脑”的思维才能构建效果；根据城市交通体系构成要素的基本特征，描绘并运用新式城镇化布景下的城市交通体系的演化规则与供需平衡机理。

　　③交通仿真软件模块库是支撑，具有友爱的人机交互界面，构建相应的交通数学模型，供应牢靠的交通仿真功用，生成具体的数据目标陈述、动态直观的可视化效果。

　　④备选预案库是交通展开决议计划支撑形式的拓宽运用，相关进程触及多办理部分协同，计划施行也需经过重复调整、点评、优化；面向事务功用的剖析流程完善，可“一键式”展开仿真流程，合理放宽对计划规划、体系剖析、仿真点评的人员专业才能需求。

　　快速构建城市大规模路网拓扑结构，需求依托老练的地图服务商（如高德地图、百度地图、谷歌地图等）。文中提出了一种根据 OSM 数据库的城市交通网络数据库快速构建技能，解析 OSM 地图的下载图元，提取 OSM 数据库中的节点、路段数据并进行清洗整合，据此构建交通网络的拓扑结构、生成城市虚拟交通体系所需的路网根底数据库文件。实践运用标明，该技能能够在分钟级时刻内构建 1 个大型城市的归纳交通网络根底数据库。

　　在城市人口数据库快速构建方面，现在较多运用人口普查数据、手机信令数据、全球定位体系（GPS）数据、土地利用数据等。文中首要选用 LandScan 数据来核算交通小区的人口数据，这是由于 LandScan 数据选用地理信息体系与遥感印象相结合的办法核算并发布了国际范围内各城市 1 km格网分辨率的人口散布数据；选用一种根据栅格数据和面积比批改的交通小区人口数据统计办法，对包括交通小区鸿沟的矩形进行调整以批改栅格内的人口高程值，从而累加得到交通小区总人口，据此快速构建交通小区人口数据库。

　　交通流量时刻序列数据的首要来历有路途传感器、路途视频监控、GPS 数据、RFID 数据等。文中首要选用 RFID 数据来构建交通流量的时刻序列，这是由于 RFID 数据库供应路段实时流量、路网路段拥堵情况等信息，与居民出行与交通网络数据库之间存在较大的关联性；在城市交通体系路段交通流时刻演化猜测模型、网络交通流空间演化仿真模型的根底上，构建了城市交通网络交通流时空散布一体化猜测模型、时空演化一体化推演机制，据此完结城市交通网络微观空间散布猜测与重要交通节点微观实时推演的一体化。

　　当时在交通工程范畴中，城市交通问题的处理计划仍以传统的交通剖析模型为根底，模型剖析功用与精度有限。互联网、大数据、AI、第五代移动通讯、虚拟仿真等前沿技能为交通范畴带来了新机遇；交通大数据出现海量化和多元化的趋势，对交通剖析模型的架构发生极大影响，因而重构城市交通剖析模型体系势在必行。

　　交通大数据克服了传统交通抽样查询的局限性，根据大数据能够提醒新式城镇化布景下的城市交通体系的演化规则与供需平衡机理。大数据环境下的新一代城市交通模型体系应包括：交通网络运转剖析模型、交通需求生成剖析模型、交通需求散布–办法组合剖析模型、公共交通网络剖析模型、交通办理操控影响剖析模型、交通方针法规影响剖析模型、归纳交通网络分配模型、城市交通体系归纳点评模型等。

　　长期以来，我国在处理城市交通问题上缺少跨部分协同机制，而单一部分的事务不能反映交通体系各组成单元之间的相互效果联系。大数据环境下的城市交通剖析模型体系中，需求结合城市交通体系特征与交通要素特性，构建反映规划、城建、交通、交管、发改等部分协同的交通要素相互效果联系模型（见图 5）。

　　为了满意对具有中国特征的交通办理办法、交通方针法规进行交通网络运转仿真剖析的需求，树立具有自主知识产权的交通仿真渠道软件，本课题组聚集 30 多年来在城市交通范畴方面的科研效果，安排开发了我国第一款城市虚拟交通仿真渠道软件——“走运之星–TranStar”。渠道功用包括城市土地开发、交通设备建造、交通运转管控、公共交通运营、交通方针拟定等事务方向的交通计划规划与交通剖析功用，逐渐成为“才智城市”建造、“城市交通大脑”建造不可或缺的根底软件；具有高效的运转与仿真速度，包括上万条路段等级路网的“一键式”仿真进程完结时刻为分钟级；支撑展开计划效果的深化点评。相关软件模块库的首要功用如下。

　　完善的根底数据支撑功用。对海量异构交通大数据进行导入、剖析，快速处理不同来历的交通大数据，如传统的交通出行查询数据、RFID 数据、 GPS 数据等。具有数据处理才能的扩展功用，保证对多类型交通剖析事例的应对才能，习惯不同用户的运用需求。

　　体系的交通需求剖析功用。软件模块库既可展开以传统“四阶段法”为根底的交通发生招引猜测、交通散布、交通办法划分等剖析进程，又可完结根据大数据的交通需求猜测及一体化仿真，如根据优势出行间隔的交通办法划分、根据 RFID 数据的 OD 矩阵剖析猜测等。

　　要害的交通运转剖析功用。用户对交通网络阻抗进行深化剖析，精确反映土地开发、设备建造、公走运转、办理操控、方针拟定等交通办法对各种出行办法所对应的交通阻抗，更好服务于归纳交通系一致体化交通剖析的要求。

　　科学的归纳效能点评功用。点评功用在计划规划、建模仿真、终究决议计划之间起到纽带效果。例如，网络剖析点评模型将各剖析模块的仿真效果进行提炼和转化，取得直观的交通体系运转目标；用户在完结交通仿真后将全面把握当时网络运转情况，清楚土地利用和路网规划计划、交通管控方针和办法等对交通体系全体效能发生的影响。

　　特征的人机交互规划功用。经过图形修正功用，用户快捷地将土地利用开发调整、交通根底设备建造、交通办理操控、交通方针拟定等计划加载到交通根底数据库，灵敏展开交通剖析、体系仿线 备选预案库：城市交通展开“一键式”决议计划支撑形式

　　备选预案是交通仿真剖析的运用场景，备选预案库则是针对城市虚拟交通体系仿真渠道相关运用部分的事务需求而规划，包括相关部分触及交通的事务预案、各预案交通仿真剖析的“一键式”流程规划等。关于不具有交通工程专业布景的事务人员，结合事务作业需求，在备选预案库中选取适宜的预案（或许适度修正预案）即可构成可用的事务计划，经过“一键式”操作流程，快捷展开交通计划的优化及全方位点评。

　　备选预案库将城市交通剖析渠道的根底数据库、剖析模型库、软件模块库的相关功用模块进行组合，习惯“一键式”操作流程规划；所供应的多角度、个性化的备选战略，能够掩盖大部分城市、常见类型的交通问题处理计划，为城市单一部分或多部分协作的交通计划拟定供应帮忙。

　　跨部分协同仿真的“一键式”备选战略规划指，经过专用界面展开面向事务功用的模块组合选型，针对具体的事务功用进行流程指引，便于各部分根据“一键式”备选战略规划流程来完结具体事务的规划与点评。

　　①城市规划事务范畴首要有城市空间拓宽与城市形态调整、城市土地开发强度与土地利用性质调整、城市人口规模与空间散布调整等备选战略。

　　②交通设备建造事务范畴首要有城市路途网络规划与规划、慢行交通体系规划与规划、城市路途/桥梁/地道等设备的新建或改扩建、交通纽带改扩建、交叉口改造等备选战略。

　　③公共交通运营事务范畴首要有地上公交网络规划与调整、轨道交通网络规划与调整、多形式公交网络运转安排、客运纽带交通安排规划、城乡公交网络一体化规划等备选战略。

　　④交通办理操控事务范畴首要有惯例交通管控计划（如单行线、潮汐车道、禁行办理、共乘车道、尾号限行）、智能化交通管控计划（如干线绿波、交叉口优化）、特别事情交通管控计划（如路途施工、大型文体活动、突发事情）等备选战略。

　　⑤交通方针拟定事务范畴首要有经济杠杆方针（如拥堵收费、差异化泊车收费、公交票价），展开绿色交通方针（如私家车限购、车牌号竞拍、公交优先展开战略、新能源轿车优惠方针），交通对能源消耗、环境污染、经济展开的影响点评等备选战略。

　　城市交通规划与办理相关计划的科学性、有用性亟需定量化的点评手法，拟定计划的实践效果也有待直观出现，因而展开城市多部分协作的交通计划点评应以定量化、可视化点评技能为依托。

　　在交通计划定量化点评技能方面，深化研讨国家级交通科技计划（如全国城市路途交通办理“疏通工程”、国家公交都市建造演示工程等）点评目标体系、绿色交通 / 慢行交通 / 同享交通等热点问题，归纳参阅范畴的前沿研讨效果、标准攻略，从居民出行功率、路网运转功率、城市节能减排、体系经济效益等多个维度着手，构建服务于体系点评功用的目标体系，以此支撑城市交通规划、建造、办理的科学决议计划。

　　在交通计划可视化点评技能方面，依托图形体系，展开交通规划计划、交通运转情况、不同计划比照的图形剖析；集成包括交通网络信息、交通办理信息、交通质量信息、公共交通剖析、环境影响剖析等在内的图形化展现功用，进步交通仿真效果的展现度；全面完结根底路网信息、办理信息、需求猜测效果、仿真效果的图形化显现，便于运用者审视所拟定交通计划的路网运转情况、查验规划调整或办理战略改变对路网运转发生的影响。

　　重庆市主城区城市虚拟交通体系以“走运之星–TranStar”为根底开发，交通网络根底数据库根据 OSM 构建。全网络（含地上公交、轨道交通）共有 7324 个交通节点、15 482 个路段，路途路程为 4124 km（单向）。人口散布数据库根据 LandScan 数据渠道构建，共有 467 个交通小区的人口散布。现状路途流量数据库根据重庆市 RFID 数据库构建，各类交通办法的 OD 矩阵根据 RFID 数据、重庆市居民出行特征数据剖析取得。相关的根底数据如图 6 所示，重庆市主城区城市虚拟交通体系能够在 2 min 以内完结“一键式”仿真并给出点评效果。

　　（二）重庆市新式冠状病毒肺炎疫情期间居民出行上下班错峰计划仿线月底今后，跟着重庆市疫情逐渐好转，企业复工、日子康复，逐渐添加的小轿车出行需求导致了路途网络交通负荷添加，首要通道交通拥堵情况加剧。为了在保证有用“抗疫”的一起科学有序地康复居民出行，重庆市城建、交通、交管等办理部分提出了错峰上下班的主张，这就要求快速拟定具体计划并构成计划点评陈述。在“使命急、时刻短、要求高、跨部分”实践情况下，本课题组凭借重庆市主城区城市虚拟交通体系快速完结计划的拟定、证明、仿真、点评，给出职业错峰（对城市部分职业施行错时上下班）、车辆错峰（对首要桥隧在顶峰时段进行限号）两类计划的具体点评效果。

　　仿真取得的计划施行前后路段交通流量差值散布如图 7 所示。如施行职业错峰计划，全路段的均匀速度将进步 1.78%、均匀流量将下降 3.08%，首要通道的均匀速度将进步 0.76%、均匀流量将下降 4.32%；但触及企事业单位较多，施行难度较大。全体来看，职业错峰计划可在必定程度上改进整个交通网络的交通质量，但仍然未能缓解首要通道的交通拥堵情况。

　　如施行车辆错峰计划，全路段的均匀速度将下降 7.96%、均匀流量将进步 9.05%，首要通道的均匀速度将进步 0.93%、均匀流量将下降 15.0%；仅触及部分路途的管控，施行难度低，对居民的出行影响较小。鉴于车辆错峰计划仅针对首要通道的通行车辆施行，虽然在必定程度上添加了交通网络的交通压力，但将显着减轻首要通道的交通负荷，估计首要通道的交通拥堵情况将得到有用缓解。全体来看，车辆错峰计划的可施行性较好，首要通道拥堵缓解效果显著，得到了重庆市相关办理部分的认可和采用。

　　本文提出了包括根底数据库、剖析模型库、软件模块库、备选预案库在内的城市虚拟交通体系与交通展开决议计划支撑形式。实例研讨标明，该体系形式在证明实践交通计划时具有及时性、有用性。为处理我国城市交通体系的供需矛盾、打破智能交通体系存在的瓶颈，未来交通规划办理应该重视城市虚拟交通体系建造，结合我国交通运转特色展开国产化的交通仿真软件体系。

　　在未来城市虚拟交通体系的建造进程中，主张重视交融大数据、AI 等新式技能。例如，交融多源交通大数据，构建多维度的、精密化的城市根底数据库；引进 AI 技能，促进传统交通数学模型的展开，进一步进步交通模型核算效果的精确性。