都市交通規(guī)劃改造建設(shè)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(tǒng)的總體框架。在所開發(fā)的一系列智能模塊支持下的地理信息系統(tǒng)（GIS），對(duì)都市交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、現(xiàn)有道路改造、新建路段方案選擇、應(yīng)急交通指揮及交通網(wǎng)絡(luò)日常管理等多方面都可以提供有效的智能輔助決策服務(wù)。
1 前言
國(guó)際上知名的大都市在其形成與發(fā)展過(guò)程中，都較好地解決了城市交通問(wèn)題。井然有序、便捷暢通的城市交通已成為現(xiàn)代都市的重要標(biāo)志。
近些年，首都北京的發(fā)展迅速，建成區(qū)覆蓋面積不斷擴(kuò)大，常住人口急劇增加，各種車輛迅速增長(zhǎng)，給本就已處緊張狀態(tài)的城市交通帶來(lái)了新的壓力。如果不能妥善解決日趨緊張的交通問(wèn)題，將限制首都的快速發(fā)展。
2008年奧運(yùn)的申辦成功，使解決北京交通問(wèn)題成為燃眉之急，也給從根本上解決這一問(wèn)題帶來(lái)契機(jī)。國(guó)家已決定投以巨資解決首都交通問(wèn)題。適應(yīng)于新世紀(jì)、新北京、新奧運(yùn)的新的首都交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在規(guī)劃建設(shè)之中。原有交通設(shè)施的改造，新的交通線路的規(guī)劃建設(shè)，將使首都交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)決策步入科學(xué)化、規(guī)范化、現(xiàn)代都市化的快速軌道。
在解決北京城市交通的發(fā)展過(guò)程中，有許多問(wèn)題值得研究與探討，如多元化的交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與北京遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃、交通網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急能力與奧運(yùn)需求、原有交通設(shè)施改造與交通網(wǎng)絡(luò)的整體關(guān)系、新建交通設(shè)施對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化、北京市交通發(fā)展模式選擇與交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的相互作用、交通設(shè)施改造建設(shè)中的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題等等。
這些問(wèn)題涉及規(guī)劃、投資、建設(shè)和管理各個(gè)方面，很顯然，需要借助于現(xiàn)代化的智能輔助決策手段進(jìn)行綜合分析研究。
2 都市交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
都市交通設(shè)施應(yīng)是多元化的，既有陸地交通，也應(yīng)有地下交通和架空交通；應(yīng)有快速主干通道，也應(yīng)有四通八達(dá)的普通通路；應(yīng)有公交客車、城鐵列車、軌道交通，也應(yīng)有私家用車等等。為了真正達(dá)到暢通快捷之目的，應(yīng)當(dāng)將全市交通作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體來(lái)規(guī)劃建設(shè)。在進(jìn)行都市交通建設(shè)與改造規(guī)劃時(shí)，既要著眼于局部路段的改造建設(shè)，更要著眼于局部路段對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體的影響和作用研究。有時(shí)局部路段交通流量看似有所改善，但不一定使網(wǎng)絡(luò)整體得到相應(yīng)的改觀。因此，立足于地理信息系統(tǒng)（GIS）的交通信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，利于二次開發(fā)的具有相應(yīng)模擬局部路徑與網(wǎng)絡(luò)整體關(guān)系的模塊的運(yùn)行，可顯示局部路段的改造后的交通能力，車流量的變化對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的改善效果，給以適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)與調(diào)整，以求獲得最佳運(yùn)輸能力改善的效果，同時(shí)兼顧投資、成本、效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)效應(yīng)各方面關(guān)系，使得在交通設(shè)施改造建設(shè)之處，就能有長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃，避免以往多次發(fā)生的剛剛改建完成使用不久的關(guān)鍵路段，出現(xiàn)了新的問(wèn)題，不得不再次投資改造等。實(shí)現(xiàn)基于GIS的交通信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在此基礎(chǔ)上，尋求支持科學(xué)決策的基礎(chǔ)建設(shè)和技術(shù)方法，進(jìn)行二次開發(fā)，可從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體上提高投資效益，減少?zèng)Q策中的盲目化，可為都市道路交通在不同階段都能發(fā)揮較好的作用。
3 現(xiàn)有交通設(shè)施的改造與交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
都市交通能力的提高，離不開對(duì)現(xiàn)有交通設(shè)施、局部路段的改造。對(duì)現(xiàn)有交通設(shè)施的科學(xué)改造離不開智能輔助決策系統(tǒng)的應(yīng)用。利用現(xiàn)有路段流量，預(yù)測(cè)改造后路段流量變化，可基于GIS反推網(wǎng)絡(luò)相關(guān)路段的流量分布變化，從而調(diào)整有關(guān)改造后的參數(shù)，選擇滿意的整體網(wǎng)絡(luò)的改造效果。這樣確定的局部路段的改造方案，可達(dá)到預(yù)期的整體效應(yīng)。反過(guò)來(lái)，也可以預(yù)先確定網(wǎng)絡(luò)整體改造的期望效果，反推相關(guān)局部路段的改造方案。使我們的規(guī)劃更符合實(shí)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(yù)測(cè)改造后對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的影響效果，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有路段進(jìn)行"最大可靠度"分析，我們已經(jīng)開發(fā)的"最大可靠路段鑒別"模塊可以很好的解決這一問(wèn)題。根據(jù)可靠度理論，由于其可靠度的提高，則網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)S到點(diǎn)T的總可靠度為最大的通路可能會(huì)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(yù)測(cè)評(píng)估方法。
在我們開發(fā)的"最大容量通路"分析模塊中，已知網(wǎng)絡(luò)中各路段車流的能力，即通過(guò)容量值，可求的任意兩點(diǎn)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(gè)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(shuō)，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(dòng)搜索得到控制通路容量的容量最小路段，改造這個(gè)（些）路段，將會(huì)大大提高通路整體的通行容量，為改造現(xiàn)有路段提供智能輔助決策。
我們開發(fā)了"最大期望容量通路"模塊，該模塊同時(shí)考慮通路的完好概率和通過(guò)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(xiàn)有各路徑弧段的完好概率和通過(guò)容量，比較它們的期望容量，最后確定最大期望容量通路。對(duì)于改造前設(shè)定的目標(biāo)，可以對(duì)比研究多種改造方案的最大期望容量通路的優(yōu)劣，以期取得理想的改造效果。
我們還開發(fā)了諸如"人們期望最高通行路"、"網(wǎng)絡(luò)最大流量"、"網(wǎng)絡(luò)最小費(fèi)用流"等多種模塊，可供現(xiàn)有交通設(shè)施更新改造的智能輔助決策使用。
4 新建交通設(shè)施與交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
根據(jù)原有交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，在改造現(xiàn)有路段仍無(wú)法解決問(wèn)題的情況下，應(yīng)建設(shè)新的交通設(shè)施，新建的交通設(shè)施建成后將形成新的交通網(wǎng)絡(luò)。對(duì)新的交通網(wǎng)絡(luò)，同樣可以應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中S點(diǎn)至T點(diǎn)的總可靠度為最大的通路。一般情況下，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總可靠度為最大的通路不應(yīng)是同一條，據(jù)此可以預(yù)測(cè)新建路段后對(duì)網(wǎng)絡(luò)通行能力影響效果，也可以改變新建路段的建設(shè)方案，重新分析總可靠度最大的通路，直到達(dá)到滿意的效果。這樣，可通過(guò)智能輔助決策，確定新建路段的建設(shè)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(wǎng)絡(luò)最大流”和“網(wǎng)絡(luò)最小費(fèi)用流”等多種智能模塊，來(lái)確定新建路段對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量狀態(tài)的影響，在不滿足網(wǎng)絡(luò)的期望狀態(tài)情況時(shí)，修改新建路段的方案，直到滿意為止。
城市交通流量在路網(wǎng)上的分配，以往大都采用靜態(tài)方法，新建路段的新建方案往往也是以改善通路現(xiàn)狀為主要目標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)型決策。本研究擬應(yīng)用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬交通流的多種指標(biāo)，可以使決策者了解城市路網(wǎng)在某一時(shí)刻、某一路段或路口的交通流量，并可改變某些參數(shù)后得到新的交通流量的分布狀態(tài)，這不僅可應(yīng)用于新建路段的方案修改決策，也可以應(yīng)用于城市交通規(guī)劃，也可為某項(xiàng)重大交通工程決策提供依據(jù)，還可應(yīng)用于 城市交通的運(yùn)輸管理、調(diào)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(tǒng)，必須立足于真實(shí)反映城市交通現(xiàn)狀的地理信息系統(tǒng)（GIS）。只有基于GIS的智能、輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，才有可能完成將研究成果從研究階段到真正實(shí)用階段的轉(zhuǎn)變。
地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）是一種用于獲取、存儲(chǔ)、更新、查詢、操作、分析和顯示、輸出空間相關(guān)信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡(jiǎn)言之，地理信息系統(tǒng)是處理空間信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。空間信息是指與地理分布相關(guān)的數(shù)據(jù)，主要包括特征的空間坐標(biāo)及描述該特征的屬性。
地理信息系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的根本差異在于，它不僅能存儲(chǔ)、分析和表達(dá)各種對(duì)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(jī)地結(jié)合起來(lái)，從空間和屬性兩個(gè)方面對(duì)現(xiàn)實(shí)對(duì)象進(jìn)行查詢、檢查和分析，并將結(jié)果以直觀的形式表達(dá)出來(lái)。
為了開發(fā)真實(shí)反映實(shí)際并有實(shí)用價(jià)值的都市交通智能輔助決策系統(tǒng)，基于GIS的信息管理系統(tǒng)是理想的選擇。GIS應(yīng)用的地理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是可反映城市交通現(xiàn)狀的地圖，將地圖轉(zhuǎn)化成 GIS的圖層，將交通網(wǎng)絡(luò)的空間位置與對(duì)應(yīng)的屬性緊密地聯(lián)系在一起，再對(duì)上述的智能輔助決策功能模塊進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)這些具有智能決策的功能模塊與GIS系統(tǒng)的有效鏈接，即可進(jìn)行交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是智能輔助決策功能模塊的二次開發(fā)。根據(jù)交通網(wǎng)絡(luò)智能分析的需要選擇自行開發(fā)的空間分析模塊，使GIS系統(tǒng)更好地為都市交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)和改造，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的評(píng)估、管理和決策服務(wù)。GIS的二次開發(fā)功能模塊也具有空間特征量流分析、統(tǒng)計(jì)分析、路況分析、車流分析、人流分析、網(wǎng)絡(luò)局部與整體分析、各種疊合分析，建立緩沖區(qū)和決策分析等功能。
由于GIS具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)更新能力，可方便地進(jìn)行空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、拓?fù)潢P(guān)系的增添、刪除和修改。因此，GIS可適應(yīng)都市交通網(wǎng)絡(luò)的更新改造的需要，便于進(jìn)行都市交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃改造和建設(shè)、智能輔助決策。一旦系統(tǒng)初步建立起來(lái)，也可以適應(yīng)實(shí)際交通網(wǎng)絡(luò)的變化，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行更新，使其長(zhǎng)期發(fā)揮效益。
利用基于GIS的都市交通智能輔助決策系統(tǒng)能客觀評(píng)價(jià)城市交通綜合治理的實(shí)施效果。隨著北京市道路交通的軟硬件設(shè)施的不斷完善，交通網(wǎng)絡(luò)的智能信息化不斷提高，可為智能輔助系統(tǒng)的決策服務(wù)提供廣闊前景，特別是適應(yīng)奧運(yùn)需要的交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)，突發(fā)性事件時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)"點(diǎn)"堵塞情況下的緊急支路疏散和遠(yuǎn)端的交通疏導(dǎo)及對(duì)策等。還可通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真手段來(lái)模擬交通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，給出可視化的模擬結(jié)果，也可以將現(xiàn)有交通狀態(tài)，包括道路、交叉口和工交專用道等通行狀態(tài)，通過(guò)指揮中心的大屏幕或?qū)ν獍l(fā)布的屏幕進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，得到所選擇區(qū)域的交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)畫仿真模擬顯示結(jié)果。
6 結(jié)語(yǔ)
所開發(fā)的基于GIS的都市交通智能輔助決策系統(tǒng)可以較好地解決城市交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、現(xiàn)有路段更新改造、新建路段優(yōu)化方案的選擇等難度較大的科學(xué)問(wèn)題，為都市交通網(wǎng)絡(luò)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(guān)智能輔助模塊的開發(fā)前提下，可以適應(yīng)與滿足首都舉辦2008年奧運(yùn)需要而進(jìn)行的北京交通網(wǎng)絡(luò)改造的需要。