馬　健， 張麗巖， 李克平

(1.蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院， 江蘇 蘇州　215011；　2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院、同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上?！?00092)

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多分辨率交通仿真模型綜述

馬健1，2， 張麗巖1，2， 李克平2

(1.蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院， 江蘇 蘇州215011；2.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院、同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海200092)

研究了多分辨率交通仿真相關(guān)理論的國內(nèi)外主要研究成果，包括單分辨率交通宏觀、中觀、微觀模型研究、混合交通模型研究及多分辨率交通模型研究。首先對研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理、歸納、分析和總結(jié)；同時，對不同模型的特點(diǎn)、應(yīng)用條件等進(jìn)行了總結(jié)與分析；最后，通過綜合分析與評述，指出目前多分辨率交通仿真理論的主要成果和不足，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)并指明了方向，具有很高的理論指導(dǎo)意義。

交通仿真； 宏觀模型； 中觀模型； 微觀模型； 多分辨率； 單分辨率； 交通模型

0　引言

隨著ITS(Intelligent Transport System)技術(shù)在交通相關(guān)領(lǐng)域研究應(yīng)用的不斷深入，交通管理逐步趨向動態(tài)化、信息化和智能化，交通參與者對交通模型精度和效率的要求日益提高。傳統(tǒng)交通模型不能或不足以有效處理交通系統(tǒng)在多粒度層面上的模擬仿真，而基于多分辨率建模理論、以集成仿真為手段建立的多分辨率交通模型為解決這些問題提供了一個新的思路和途徑。它可以更好地平衡不同粒度下建模的深度與廣度，進(jìn)而平衡仿真的精度與效率，避免了傳統(tǒng)仿真“只見樹木，不見森林”或者“只見森林，不見樹木”的局限性。

本文通過對交通多分辨率理論的研究，從宏觀、中觀、微觀3個不同粒度層面對交通仿真理論和技術(shù)進(jìn)行概括，對不同粒度上的交通仿真各自的適用條件、應(yīng)用范圍、優(yōu)點(diǎn)與不足進(jìn)行總結(jié)；并從單分辨率交通模型，混合交通模型以及多分辨率交通模型3個不同的角度對多分辨率交通仿真進(jìn)行綜合比較分析研究，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1　單分辨率交通模型綜述

所謂單分辨率交通模型，即其為某一特定粒度下的交通模型，主要包括宏觀、中觀和微觀交通模型；宏觀模型是對研究對象的粗粒度描述，微觀模型是對研究對象的細(xì)粒度描述，而中觀模型介于兩者之間。下面對三者分別加以概述。

1.1宏觀模型概述

宏觀模型通常將運(yùn)行的交通車輛與流體相比擬，利用兩者的相似性來分析與建立適應(yīng)交通流特點(diǎn)的模型。目前，國內(nèi)外學(xué)者在交通模型的研究上，大多是在運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)對交通動力學(xué)特性的抽象不同，得到不同的動力學(xué)模型。交通動力學(xué)模型種類非常多，為了研究方便，本文根據(jù)動力學(xué)模型的表示形式及各向同性(各向異性)性質(zhì)將其分成密度梯度模型(各向同性模型)、速度梯度模型(各向異性模型)等進(jìn)行分類討論。

1.1.1各向同性動力學(xué)模型

各向同性動力學(xué)模型的控制方程可以表示為如下形式：

(1)

式中：u為車流平均速度，k為交通密度，x和t分別表示空間和時間。ue(k)為平衡狀態(tài)下平均速度u與交通密度k之間的關(guān)系，Tr為弛豫時間或松弛時間，F(xiàn)(k，u)為松弛項(xiàng)中的密度梯度系數(shù)項(xiàng)，H為方程的期望項(xiàng)系數(shù)，G(k，u)為方程的粘性項(xiàng)或非齊次項(xiàng)。由于這類模型右端都有密度梯度項(xiàng)?k/?x，故也稱之為密度梯度模型。本文將具有代表性的可統(tǒng)一成密度梯度模型的動力學(xué)方程進(jìn)行匯總，其所對應(yīng)的F(k，u)、H和G(k，u)的具體形式見表1。

表1 各向同性動力學(xué)模型形式化匯總列表及特點(diǎn)分析Table1 Summaryandcharacteristicsanalysisofisotropicdynamicmodels序號模型名稱F(k,u)HG(k,u)時間特點(diǎn)1Pipes模型[1]-k·u'e(k)001969最早的動力學(xué)模型2Payne模型[2]γTr101971延遲處理;前瞻效應(yīng);高密度下穩(wěn)定性差3Papageorgiou模型[3]γTr1-δusk1983基于Payne模型;考慮匝道流量4Kühne模型[4]F(k,u)k1v2u2x1984模型加入速度二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng);可用于擁擠狀態(tài)5Ross模型[5]00-u-ufT1988不依賴ue;只能描述加速場景;不適合擁擠狀態(tài)6Michalopoulos模型[6,7]v·kβ+10?T(uf(x)-u)-G1993弛豫時間變量化;不同場景適應(yīng)性高7Kerner-Konh?user模型[8,9]F(k,u)1μk2u2x1993解釋“幽靈式交通阻塞”;參數(shù)敏感性高8ZhangH.M.模型[10]-k·u'e(k)101998解釋“時停時走”交通現(xiàn)象;兼容Ross模型9馮蘇葦模型[11]F(k,u)?e-?AkkcrAaheadu21997引入道路面積可變化效應(yīng);解釋停車對交通“瓶頸”影響10徐偉民模型[12]00-1kPx2002引入交通壓力;合理性有待驗(yàn)證11葛紅霞模型[13]-u'e(k)+b0·u'e(k)Tr(b0為正的常數(shù))1b0·u'e(k)Tr·k22k2x(b0為正的常數(shù))2006引入粘性項(xiàng)概念;模型數(shù)值解及有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證 注:除名稱已有約定或特定情況外,本文為簡便起見,模型以文章的第一作者命名,下同。

對于上述的絕大多數(shù)模型，系統(tǒng)的特征速度總有一個大于車流的平均速度u，從而導(dǎo)致與該特征速度相關(guān)的膨脹波或激波總是從后面向前傳播并到達(dá)前面的車輛，即后車的擾動會影響前車的行為，這與實(shí)際交通情況是相違背的。實(shí)際車流是各向異性的，駕駛員主要對來自前方的刺激進(jìn)行反應(yīng)而不太受后車行為的影響。然而，當(dāng)特征速度超過車速時，就會導(dǎo)致“類氣體行為”，這一問題在某些條件下會導(dǎo)致車輛會出現(xiàn)倒退的現(xiàn)象。對此，美國學(xué)者Daganzo提出了強(qiáng)烈的質(zhì)疑[14]。

1.1.2各向異性動力學(xué)模型

各向異性動力學(xué)模型的控制方程可以表示為如下形式：

(2)

式中：F(k，u)為松弛項(xiàng)中速度梯度系數(shù)項(xiàng)，H為方程的期望項(xiàng)系數(shù)，G(k，u)為方程粘性項(xiàng)或者非齊次項(xiàng)。由于這類模型右端都有速度梯度項(xiàng)?u/?x，故也稱之為速度梯度模型。本文將具有代表性的可統(tǒng)一成速度梯度模型的動力學(xué)方程進(jìn)行匯總，其對應(yīng)的F(k，u)、H和G(k，u)的具體形式見表2。

表2 各向異性動力學(xué)模型形式化匯總列表及特點(diǎn)分析Table2 Summaryandcharacteristicsanalysisofanisotropicdynamicmodels序號模型名稱F(k,u)HG(k,u)時間特點(diǎn)1Aw-Rascle模型[15]-k·f'(k)002000最早的速度梯度模型;引入密度的對流導(dǎo)數(shù)2ZhangH.M.混合模型[16]-k·u'e(k)002002基于Pipes模型;利用宏微觀的關(guān)系3姜銳模型[17,18]Δxτ102002考慮正負(fù)速度差對車輛行為的影響4薛郁—戴世強(qiáng)模型[19,20]-kτ^τu'e(k)102003考慮前瞻性;速度延遲;反應(yīng)時間4熊烈強(qiáng)模型[21]qkTrkqxue-ukqx2003引入相對粘性;交通壓力5安維勝模型[22]Δxτ1-μkuSjSz2010考慮速度差;車種等環(huán)境因素

對于上述的絕大多數(shù)模型，系統(tǒng)的特征速度小于車流的平均速度u，從而導(dǎo)致與該特征速度相關(guān)的膨脹波或激波雖總是從后面向前傳播，但并不能到達(dá)前面的車輛，即后車的擾動不會影響前車的行為，這與實(shí)際交通情況是相符合的。實(shí)際車流是各向異性的，駕駛員主要對來自前方的刺激進(jìn)行反應(yīng)而不太受后車行為的影響。所以，當(dāng)特征速度小于車速時，并不會導(dǎo)致“類氣體行為”，車輛也不會出現(xiàn)倒退的現(xiàn)象[15]。

1.2微觀模型概述

交通流的微觀模型是以單個車輛為基本研究單元，著眼于單個車輛在相互作用下的個體行為描述與分析，主要包括跟馳模型和元胞自動機(jī)模型。國內(nèi)外的許多學(xué)者在這一領(lǐng)域的各個方面都進(jìn)行了深入的研究，對交通流微觀模型的研究積累了很多成果。典型的微觀模型如表3所示。

表3 微觀模型匯總列表及特點(diǎn)分析Table3 Summaryandcharacteristicsanalysisofmicro-models序號模型名稱種類時間特點(diǎn)1Reuschel-Pipes模型[1,23]跟馳模型(刺激-反應(yīng))1950最早的跟馳模型;只考慮了兩車速度差;不能描述單個車輛的行為2Chandler模型[24]跟馳模型(刺激-反應(yīng))1958引入延遲效應(yīng);穩(wěn)定性分析3Gazis模型I[25,26]跟馳模型(刺激-反應(yīng))1959著眼于擁擠道路4Edie模型和GHR模型[27]跟馳模型(刺激-反應(yīng))1961可擴(kuò)展模型原型5Newell模型[28]跟馳模型(安全距離)1961假定后車速度依賴于車頭間距;可能出現(xiàn)無限加速度情況6Wiedemann模型[29]跟馳模型(心理間距模型)1974后車行為依賴于車頭間距;后車行為分為四種情況7Bando模型[30]跟馳模型(安全距離)1995優(yōu)化速度模型;解決了無限加速問題;可以模擬多種特性;避免紅燈轉(zhuǎn)綠燈的不合理加速度現(xiàn)象8Helbing-Tilch模型[31]跟馳模型(安全距離)1998標(biāo)定Bando模型;提出廣義力模型;添加速度差項(xiàng);延遲時間長9Treiber模型[32]跟馳模型(刺激-反應(yīng))2000解決了最優(yōu)速度模型的可能追尾問題;增加相對速度;易標(biāo)定、數(shù)值計(jì)算高效10姜銳模型[33]跟馳模型(刺激-反應(yīng))2001基于Helbing-Tilch模型;加速度合理;延遲時間正常11薛郁模型[34,35]跟馳模型(刺激-反應(yīng))2002基于Bando模型;考慮相對速度對加速度的影響12184號模型[36,37]元胞自動機(jī)1983最早利用元胞自動機(jī)研究交通流;規(guī)則簡單;能很好描述相變現(xiàn)象;各種元胞模型后續(xù)研究的基礎(chǔ)13NaSch模型[38]元胞自動機(jī)1992基于184模型;考慮了車輛加速及隨機(jī)慢化

刺激反應(yīng)模型、心理間距模型及安全距離模型有其各自特點(diǎn)，元胞自動機(jī)模型也越來越受到各國學(xué)者的重視。由于微觀交通模型的建立與校正需要采集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和耗費(fèi)巨額的計(jì)算成本，所以比較適用于小范圍、精確度高的仿真中，難以被應(yīng)用到中、大規(guī)模的路網(wǎng)上；另外，這類模型對實(shí)時性要求較高的場合也不適宜使用。

1.3中觀模型概述

中觀模型是一種介于宏觀與微觀之間的道路交通流模型，以車輛群體為研究對象，通常以車隊(duì)或車群為單元來研究交通的特性，故一般具有較高的運(yùn)行效率及相對較大的仿真規(guī)模。中觀交通流模型主要特征是非集計(jì)的車輛表示和簡化的車輛運(yùn)動行為。一方面，中觀模型與微觀模型一樣，能夠描述路網(wǎng)中的車輛，具有較大的靈活性；另一方面中觀模型簡化了單個車輛之間的相互作用，提高了計(jì)算效率。這一特征賦予中觀仿真模型獨(dú)特的優(yōu)勢[39]。中觀模型的種類很多，主要有以下幾類：基于氣體動力論的中觀模型、CTM模型、基于車頭時距分布的中觀模型及基于微觀模型擴(kuò)展的中觀模型。目前具有代表性的中觀模型如表4所示。

表4 中觀模型匯總列表及特點(diǎn)分析Table4 Summaryandcharacteristicsanalysisofmeso-models序號模型名稱種類時間特點(diǎn)1Prigogine-Herman模型[40]基于氣體動力論1961最早的交通流氣體動力論模型;引入單個車輛速度分布;期望速度由道路性質(zhì)決定;引入PSD2半泊松分布模型[41]基于車頭時距分布1968基于泊松分布;車頭時距分兩部分隨機(jī)變量3Paveri-Fontana模型[42]基于氣體動力論1975擴(kuò)展了PSD;考慮不同場景下駕駛員個性的變化性4Phillips模型[43]基于氣體動力論1978引入交通壓力;考慮換道與超車5Helbing“三方程”模型[44]基于氣體動力論1995準(zhǔn)確演示“幽靈式交通阻塞”6HelbingGKT模型[45,46]基于氣體動力論1998考慮弛豫過程;各向異性;能描述匝道引起交通狀態(tài)形成和相變7CONTRAM[47]基于微觀模型的聚類模型1989車被封裝成包;不支持車道變換及車輛加減8Daganzo模型[48,49]基于LWR模型1992等分路段;與LWR模型是一致的;能模擬不連續(xù)現(xiàn)象9MesoTS模型[50]基于微觀模型的聚類模型1997車被封裝成包;定義規(guī)則控制包的聚合與解聚10Messo[51]基于微觀模型的排隊(duì)服務(wù)模型2004路段和節(jié)點(diǎn)分別建模;符合FIFO;結(jié)合微觀與宏觀模型的特點(diǎn);11ATMS[52]基于微觀模型的排隊(duì)服務(wù)模型2005提出速度影響域概念;基于不同場景分為四種情形

中觀交通仿真模型解決了以往宏觀交通仿真模型不能描述排隊(duì)長度和延誤等詳細(xì)交通狀態(tài)指標(biāo)，以及微觀交通仿真模型不能描述OD對大規(guī)模交通系統(tǒng)產(chǎn)生的影響等問題，所以中觀仿真模型在交通領(lǐng)域有著其獨(dú)特的優(yōu)勢[53]。

與宏觀模型相比，在一定程度上中觀模型能夠包含更多車輛(群)相互作用的細(xì)節(jié)；而與微觀模型相比，由于中觀模型不關(guān)注單個車輛的動力學(xué)特性，因此，具有更好地計(jì)算效率[54-56]。目前，絕大多數(shù)先進(jìn)的用于離線或在線交通預(yù)測的系統(tǒng)均采用中觀模型作為核心仿真器。中觀模型溝通了微觀世界和宏觀世界，對中觀模型的研究能進(jìn)一步促進(jìn)對交通現(xiàn)象本質(zhì)的理解。

2　多分辨率交通仿真模型研究進(jìn)展

由于單分辨率交通仿真有其固有的局限性，使得多分辨率交通仿真受到越來越多的重視，逐漸成為交通仿真領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。關(guān)于多分辨率交通仿真，可以從混合模型的不同粒度層次來劃分為“兩層混合模型”及“三層及以上混合模型”。對于同一分辨率層次的兩個及以上模型的混合則不屬于多分辨率仿真模型。下面具體介紹不同粒度層次的混合仿真模型。

2.1兩層混合模型研究進(jìn)展

2.1.1宏觀與微觀混合交通模型

此類模型的核心思想是：用宏觀模型仿真全路網(wǎng)，只對部分路段或子路網(wǎng)進(jìn)行微觀仿真，在微觀模型邊界處對交通流的描述進(jìn)行聚合解聚。此類模型的代表性研究包括：Lerner[57](2000)實(shí)現(xiàn)了微觀模型PELOPS與宏觀模型SIMONE的混合，論文討論了從宏觀模型到微觀模型的隨機(jī)解聚方法以及從微觀模型到宏觀模型的聚合方法；Mange[58](2000)實(shí)現(xiàn)了微觀模型SITRAB+與宏觀模型SIMRES的混合，著重研究了跟車模型與宏觀模型可同時滿足的五項(xiàng)限制，從而探討了宏觀模型與微觀模型的兼容性；Ludovic[59](2007)提出了基于LWR原則的宏觀與微觀模型，探討了宏觀模型指標(biāo)與微觀模型指標(biāo)間的一致性和轉(zhuǎn)換問題；此類模型著重于宏觀和微觀模型在理論上的一致性，較少地關(guān)注不同分辨率模型優(yōu)勢的發(fā)揮。

2.1.2中觀與微觀混合交通模型

此類模型的核心思想是：分別用中觀模型與微觀模型仿真部分路網(wǎng)，采用特定手段在邊界節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)從中觀至微觀及微觀至中觀的轉(zhuǎn)換。此類模型的研究是當(dāng)前交通系統(tǒng)混合仿真的研究熱點(diǎn)。早期的研究成果有Jayakrishnan[60](2001)等人實(shí)現(xiàn)的微觀PARAMICS模型與中觀DYNASMATR模型的混合，其中強(qiáng)調(diào)了微觀模型不適合用來描述路徑選擇行為；Nizard[61](2002)實(shí)現(xiàn)了微觀MITSIMLab模型與中觀Metropolis模型的混合，并著重研究了利用微觀模型仿真結(jié)果對中觀模型進(jìn)行校正；Wilco Burghout[51](2004)提出的MiMe混合模型實(shí)現(xiàn)了微觀模型MITSIMLab與中觀模型Messo的混合，不但討論了兩種模型邊界的接口(屬性映射)問題，同時探討了利用虛擬路段思想進(jìn)行出行中動態(tài)路徑選擇的方法；Huajing SHI[62](2006)實(shí)現(xiàn)了中觀CTM模型與微觀離散跟車模型的混合；DynaCHINA[53](林勇等，2010)是山東科學(xué)院自動化研究所林勇博士自主研發(fā)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)交通流分析與實(shí)時路況預(yù)測系統(tǒng)，其基本原理是中微觀層次的參數(shù)根據(jù)模型中宏觀層次的交通參數(shù)而確定。

此類模型是當(dāng)前交通系統(tǒng)混合仿真研究的熱點(diǎn)，但是此類研究往往基于跨分辨率交互，使得這類模型存在擴(kuò)展性(如在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)DTA)和穩(wěn)定性(系統(tǒng)的高耦合性)方面的問題。目前，交通混合模型的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，同時，在該領(lǐng)域的各個方面也取得了一定的成果，其中具有代表性的兩層混合模型見表5。

表5 兩層混合仿真模型匯總列表及特點(diǎn)分析Table5 Summaryandcharacteristicsanalysisoftwolevelhybridtrafficsimalationmodel序號模型名稱種類時間特點(diǎn)1Lerner[57]宏觀與微觀模型的整合2000微觀模型PELOPS與宏觀模型SIMONE的整合2Mange[58]宏觀與微觀模型的整合2000微觀模型SITRAB+與宏觀模型SIMRES的整合;重點(diǎn)討論微觀模型與宏觀模型的兼容性3Ludovic[59]宏觀與微觀模型的整合2007宏觀LWR及基于其的微觀模型的整合;參數(shù)的一致性和轉(zhuǎn)換問題4Jayakrishnan[60]中觀與微觀模型的整合2001微觀PARAMICS模型與中觀DYNASMATR模型的整合5Nizard[61]中觀與微觀模型的整合2002微觀MITSIMLab模型與中觀Metropolis模型的整合6WilcoBurghout[51]中觀與微觀模型的整合2004微觀模型MITSIMLab與中觀模型Messo的整合7HuajingSHI[62]中觀與微觀模型的整合2004中觀CTM模型與微觀離散跟車模型的整合8DynaCHINA[53]宏觀與微觀模型的整合2010動態(tài)網(wǎng)絡(luò)交通流分析;實(shí)時路況預(yù)測

兩層混合交通模型，往往是兩種不同粒度仿真模型的整合，能夠充分利用不同模型的優(yōu)點(diǎn)，克服或減少單個模型的缺點(diǎn)與不足，最大化的滿足應(yīng)用的需要。但是，隨著實(shí)際交通需求的發(fā)展，簡單的兩層混合模型已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的要求，采用更合理的建模思想、建模方法來發(fā)展多次層的多分辨率交通混合模型是未來發(fā)展的方向和研究熱點(diǎn)，以滿足日益提高的理論研究與實(shí)際應(yīng)用需要。

2.2三層及以上混合模型研究進(jìn)展

通過普通的模型混合方法比較適合建立兩層混合模型，但是用來建立三層及以上混合模型就顯得有點(diǎn)力不從心了。這就需要采用新的建模思想、建模理論和建模方法來建立這種多層次多粒度的混合模型，多分辨率建模理論就是其中之一。多分辨率建模(Multiple Representation Modeling，MRM)是20世紀(jì)90年代以來國際上建模與仿真領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前已經(jīng)成為美國海軍進(jìn)行大規(guī)模仿真的關(guān)鍵技術(shù)之一；美國國家科學(xué)研究委員會認(rèn)為多分辨率建模是現(xiàn)代建模與仿真技術(shù)所面臨的最基本的挑戰(zhàn)之一[63]。

2.2.1多分辨率建模方法

在多分辨率建模的研究中，建模方法是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，這些方法為多分辨率交通仿真提供了方法論基礎(chǔ)。其中，比較有影響的有：聚合解聚法(Aggregation/Disaggregation)、視點(diǎn)選擇法(Select Viewing，SV)、UNIFY方法、綜合層次化可變分辨率建模法(Integrated Hierarchical Variable-Resolution Modeling，IHVR)及跨分辨率交互法(Cross-Resolution Interaction)等。具有代表性的多分辨率建模方法見表6。

2.2.2多分辨率交通模型

目前，多分辨率建模理論還不是很成熟，但也出現(xiàn)了一些成功的應(yīng)用，彰顯了多分辨率建模廣泛的應(yīng)用前景及研究價值。在多分辨率建模應(yīng)用領(lǐng)域，具有代表性的工作包括：Davis[75](1998)等人應(yīng)用多分辨率建模理論進(jìn)行模型分析，進(jìn)而提出了基于多分辨率模型的探索性分析(Exploratory Analysis)；Lee K.和 Fishwick P.A.[76](1999)等人研究了多分辨率建模在實(shí)時系統(tǒng)中的應(yīng)用；Sekine S.等人[77](2001)研究了多分辨率建模在交通系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。Schaffer[78，79](1998)和Butler[80](2002)分別研究了綜合自然生態(tài)環(huán)境中的多分辨率建模問題；Reynolds[81](2002)研究了氣象和海洋建模中的多分辨率問題等等。

我國自20世紀(jì)90年代中期對國外多分辨率建模理論進(jìn)行了跟蹤研究，并對多分辨率建模在作戰(zhàn)模擬領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行過探索性研究，但系統(tǒng)性研究還不夠。近年來，國內(nèi)對于多分辨率交通仿真模型的研究正如火如荼地展開，但總體而言還處于起步階段。

目前多分辨率交通仿真領(lǐng)域具有代表性的研究是Transmodeler[82](Yang Q.& Slavin H.，2002)，它是著名交通仿真/規(guī)劃軟件TransCAD的一個軟件包。該仿真工具整合了宏觀、中觀、微觀三種粒度層面的交通模型，用戶可自由選擇路段的粒度，對其不同組成部分或地段同時實(shí)現(xiàn)不同粒度的仿真，并保持仿真系統(tǒng)在不同粒度下協(xié)同運(yùn)行。該模型可以使用戶在仿真粒度和計(jì)算速度，在評價指標(biāo)的詳細(xì)程度和模擬對系統(tǒng)的整體影響之間酌情取舍，靈活地解決仿真項(xiàng)目的具體要求。但是，由于多分辨率交通建模研究剛剛興起，尤其在交通領(lǐng)域，所以還沒有學(xué)術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述與分析。對于Transmodeler，其使用手冊中說明該模型實(shí)現(xiàn)了宏觀、中觀與微觀的整合，但由于涉及商業(yè)機(jī)密限制及相關(guān)專利的保護(hù)，無法一窺其中的奧妙。這也正說明了多分辨率交通仿真研究的重要性及可行性。

表6 多分辨率建模方法概括及其特點(diǎn)分析Table6 Generalizationandcharacteristicsanalysisofmulti-resolutionmodelingmethod序號模型名稱概念特點(diǎn)1聚合解聚法[64,65]模型的聚合是指將高分辨率的模型合并成為低分辨率模型的過程;解聚是聚合的逆過程從現(xiàn)實(shí)世界到模型世界的直觀映射,易于理解,但有不足,如:暫態(tài)不一致性、鏈?zhǔn)浇饩蹎栴}、頻繁的聚合解聚等2視點(diǎn)選擇法[66-68]基于高分辨率模型的信息生成交互所需要的低分辨率信息,來模擬低分辨率模型思路簡單,模型間的一致性容易維護(hù);但計(jì)算代價大,靈活性較差,模型的模塊化程度低,可重用性差[69]3綜合層次化可變分辨率建模方法也有叫“一體化層次法”,由RAND公司的P.K.Davis等人提出的[70],在解決過程層次性時,借助IHVR方法,不同層次的變量對應(yīng)不同層次的過程函數(shù)實(shí)際建模中,由于變量不存在嚴(yán)格的層次關(guān)系,需要通過適當(dāng)?shù)淖兞窟x擇,使變量之間的跨層次交叉連接足夠小。IHVR法為面向過程的多分辨率建模提供了一個可供借鑒的方法4UNIFY方法在建模時采用同一實(shí)體的多個并發(fā)表示的模型來實(shí)現(xiàn)多分辨率建模[67,71]保證了不同分辨率模型之間的一致性。但是,對于復(fù)雜系統(tǒng)的多分辨率建模問題該方法在執(zhí)行效率上難以保證,資源占用量大5跨分辨率交互方法[72]跨分辨率交互只是傳遞信息,而不對模型的屬性進(jìn)行修改有很高的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性,但只在特定場景下使用6替代子模型法[73]對于一個給定的問題,通常提供兩種或多種分辨率層次的模型,使用戶可以適時地選擇分辨率對于模型的接口要求較高,模型的可重用性和可變換性較差7多模型框架[74]支持一定數(shù)量子模型的模型描述,而每個子模型又可能由其它的子模型組成允許模型在仿真執(zhí)行過程中根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)改變自己的結(jié)構(gòu)

3　綜合分析及評述

首先，在單分辨率交通模型中，宏觀模型計(jì)算效率高，對計(jì)算能力要求低，但是不適合模擬需要考慮相鄰車輛間相互作用的交通行為；微觀模型能細(xì)致模擬車輛的運(yùn)動行為和可視化仿真過程，利于仿真結(jié)果分析，但是，路網(wǎng)建模復(fù)雜、模型敏感度高且計(jì)算能力要求高；中觀模型以車隊(duì)為研究對象，在一定程度上描述車輛之間的相互作用，而且計(jì)算能力要求比微觀模型低，但是需要平衡好仿真廣度與深度的關(guān)系。其次，不同粒度的兩層混合模型一般是基于參數(shù)轉(zhuǎn)換方法來實(shí)現(xiàn)的，這在一定程度上結(jié)合了單個模型的優(yōu)點(diǎn)，但是，模型適用性比較差，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，擴(kuò)展性比較弱，實(shí)用性不大；三層及以上多分辨率混合交通模型是基于多分辨率建模理論的，不但能夠在集成多個模型的優(yōu)點(diǎn)，還能夠提供一個共享的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，節(jié)省單個模型的數(shù)據(jù)維護(hù)成本，為模型間的一致性提供基礎(chǔ)。不同模型之間的特點(diǎn)對比見表7[83，84]。

表7 不同分辨率交通仿真模型特點(diǎn)的比較分析Table7 Characteristicsofdifferentresolutiontrafficsimulationmodels比較項(xiàng)目單分辨率交通仿真模型多分辨率交通仿真模型微觀中觀宏觀兩層混合交通模型三層及以上混合交通模型理論背景離散事件系統(tǒng)建模,固定步長推進(jìn)離散事件系統(tǒng)建模,固定步長推進(jìn)連續(xù)系統(tǒng)建模,數(shù)值仿真類似于分布式仿真多分辨率建模與仿真理論仿真對象單個車輛單個車輛,按隊(duì)列驅(qū)動將車輛擬為流體或氣體取決于混合的模型對象根據(jù)需求可動態(tài)改變對象核心模型跟馳模型、換道模型、元胞模型排隊(duì)模型、流密速關(guān)系模型、分配模型以由流量守恒規(guī)則導(dǎo)出的微分方程描述系統(tǒng)演化規(guī)律在原有模型基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)推導(dǎo)或接口標(biāo)準(zhǔn)定義整合不同分辨率模型的一致性維護(hù)模型實(shí)現(xiàn)方法基于時序方法、基于事件方法數(shù)值方法、基于時序方法、基于事件方法數(shù)值方法參數(shù)轉(zhuǎn)化、部分?jǐn)?shù)據(jù)共享集成仿真、多分辨率建模方法應(yīng)用交叉口渠化、信號配時等微觀設(shè)計(jì)的分析動態(tài)路網(wǎng)仿真計(jì)算,但仍受路網(wǎng)規(guī)模限制大規(guī)模路網(wǎng)的規(guī)劃分析取決于混合的模型從網(wǎng)絡(luò)級-區(qū)域級-路口級的漸進(jìn)式應(yīng)用典型系統(tǒng)Vissim,Aimsun,Pa-ramics,CORSIMDynasmart,DynaMIT,Dynameq,TransimsNETFLO2,FREFLODynaCHINATransmodeler

綜上所述，交通仿真理論和模型已取得眾多研究成果，但是這些研究還存在一些不足，主要體現(xiàn)在如下幾方面：

① 在研究對象方面，大多數(shù)模型都針對的是高速公路或者普通公路，針對城市快速路的模型較少；同時，由于國內(nèi)外的交通基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和交通構(gòu)成等不盡相同、交通控制手段存在差異以及交通參與者的性格、素質(zhì)等特點(diǎn)各不相同，所以，國外模型在國內(nèi)交通環(huán)境中的適用性有待驗(yàn)證。

② 在研究的粒度方面，大多數(shù)模型的研究側(cè)重于在某一粒度層次上建立模型，絕大部分模型都屬于單分辨率模型，多分辨率模型研究較少，尤其是三層及以上多分辨率模型研究更少；同時，對模型混合的集成方式、種類、方向等問題鮮有研究，這為模型的混合指明了研究方向。

③ 在研究理論基礎(chǔ)方面，不同類型的模型的理論基礎(chǔ)通常是不一樣的，同樣，模型的混合有多種不同的理論基礎(chǔ)。以往大多混合模型是以模型間的參數(shù)轉(zhuǎn)化或過渡部分?jǐn)?shù)據(jù)共享為基礎(chǔ)的，沒有一個系統(tǒng)的混合理論來指引。多分辨率仿真理論為模型的混合提供了一個新的思路和理論基礎(chǔ)。但是，該理論的研究及其在交通等領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段，還有待進(jìn)一步的深入研究與分析。

④ 在研究方法方面，以往大多數(shù)混合模型是以分界面參數(shù)融合為方法基礎(chǔ)的，缺乏通用的理論做指導(dǎo)，研究的問題往往是理想情況或特定場景，研究的結(jié)論和成果不易擴(kuò)展，很難應(yīng)用于實(shí)際問題中。而集成仿真理論能夠?yàn)槟Ｐ偷幕旌咸峁┮恢碌姆椒ㄕ摶A(chǔ)，更好地利用已有的研究成果，節(jié)省成本。這需要深入研究集成仿真理論以便快速低成本地建立并實(shí)現(xiàn)多分辨率交通仿真模型。

⑤ 在模型實(shí)現(xiàn)方面，現(xiàn)有模型的假設(shè)條件牽強(qiáng)，模型控制參數(shù)太多，對實(shí)際交通的相關(guān)因素考慮不全面，與實(shí)際道路條件下的交通狀況不相符，這就需要對理想條件下的模型進(jìn)行一系列的調(diào)整、修正與改進(jìn)。

⑥ 在模型優(yōu)化方面，現(xiàn)有模型的求解通常是極盡簡化，模型控制參數(shù)常數(shù)化，計(jì)算結(jié)果精度不高，算法效率比較低，在面臨仿真實(shí)時性與準(zhǔn)確性要求較高的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用時就不能滿足需求了。并行算法能夠在保持算法精度的前提下，大大地提高計(jì)算的效率，為實(shí)時仿真的實(shí)現(xiàn)提供了一條可行之路，有待進(jìn)一步的研究與改進(jìn)

⑦ 在模型校驗(yàn)方面，大部分模型只是建立在純粹的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)上，缺乏有效的實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證和校核，模型對交通系統(tǒng)控制參數(shù)的確定和使用與實(shí)際的交通狀況存在一定的差異。

4　小結(jié)

本文通過對當(dāng)前交通模型的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合比較研究，從單分辨率交通宏觀、中觀與微觀模型，混合交通模型以及多分辨率交通模型等方面對已有的交通模型進(jìn)行了總結(jié)、歸納和比較評價，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

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Review of Multi-resolution Traffic Simulation Model

MA Jian1，2， ZHANG Liyan1，2， LI Keping2

(1.Department of Civil Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215011， China；2.School of Transportation Engineering， Key Laboratory of Road and Traffic Engineering， Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 200092， China)

In the aspect of theories of multi-resolution traffic simulation model，the paper researches development situations and development trends of the traffic models which include a single resolution macro-model，meso-model and micro-model，hybrid traffic model and multi-resolution traffic model deeply and particularly.Meanwhile，it summarizes the features and application environments of different models.Finally，it points out the main achievements and deficiencies of theories of multi-resolution traffic simulation.The paper offers the direction for further research and it has a high theory value.

traffic simulation； macro-model； meso-model； micro-model； multi-resolution； single resolution； traffic model

2015 — 03 — 24

國家自然科學(xué)基金(51178343)；蘇州科技學(xué)院科研基金項(xiàng)目(XKQ201403)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2013-K5-27)；江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項(xiàng)目(2014ZD86)；江蘇省高校自然科學(xué)基金(12KJB580005)支持。

馬健(1979 — )，男，江蘇揚(yáng)州人，工學(xué)博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ǚ抡妗⒔煌刂?。zmouterspace@gmail.com

U 491

A

1674 — 0610(2016)04 — 0042 — 08