都市交通规划改造建设智能辅助决策研究

[摘 要> 本文给出了都市交通智能辅助决策系统的总体框架。在所开发的一系列智能模块支持下的地理信息系统（GIS），对都市交通网络规划、现有道路改造、新建路段方案选择、应急交通指挥及交通网络日常管理等多方面都可以提供有效的智能辅助决策服务。
1 前言
国际上知名的大都市在其形成与发展过程中，都较好地解决了城市交通问题。井然有序、便捷畅通的城市交通已成为现代都市的重要标志。
近些年，首都北京的发展迅速，建成区覆盖面积不断扩大，常住人口急剧增加，各种车辆迅速增长，给本就已处紧张状态的城市交通带来了新的压力。如果不能妥善解决日趋紧张的交通问题，将限制首都的快速发展。
2008年奥运的申办成功，使解决北京交通问题成为燃眉之急，也给从根本上解决这一问题带来契机。国家已决定投以巨资解决首都交通问题。适应于新世纪、新北京、新奥运的新的首都交通网络系统正在规划建设之中。原有交通设施的改造，新的交通线路的规划建设，将使首都交通基础设施建设决策步入科学化、规范化、现代都市化的快速轨道。
在解决北京城市交通的发展过程中，有许多问题值得研究与探讨，如多元化的交通网络建设与北京远景发展规划、交通网络应急能力与奥运需求、原有交通设施改造与交通网络的整体关系、新建交通设施对交通网络系统的改进与优化、北京市交通发展模式选择与交通网络系统的相互作用、交通设施改造建设中的若干关键技术问题等等。
这些问题涉及规划、投资、建设和管理各个方面，很显然，需要借助于现代化的智能辅助决策手段进行综合分析研究。
2 都市交通网络规划
都市交通设施应是多元化的，既有陆地交通，也应有地下交通和架空交通；应有快速主干通道，也应有四通八达的普通通路；应有公交客车、城铁列车、轨道交通，也应有私家用车等等。为了真正达到畅通快捷之目的，应当将全市交通作为网络系统整体来规划建设。在进行都市交通建设与改造规划时，既要着眼于局部路段的改造建设，更要着眼于局部路段对网络整体的影响和作用研究。有时局部路段交通流量看似有所改善，但不一定使网络整体得到相应的改观。因此，立足于地理信息系统（GIS）的交通信息网络的建设，利于二次开发的具有相应模拟局部路径与网络整体关系的模块的运行，可显示局部路段的改造后的交通能力，车流量的变化对整体网络的改善效果，给以适当的人工干预与调整，以求获得最佳运输能力改善的效果，同时兼顾投资、成本、效益和长远效应各方面关系，使得在交通设施改造建设之处，就能有长远的规划，避免以往多次发生的刚刚改建完成使用不久的关键路段，出现了新的问题，不得不再次投资改造等。实现基于GIS的交通信息网络建设，在此基础上，寻求支持科学决策的基础建设和技术方法，进行二次开发，可从网络系统整体上提高投资效益，减少决策中的盲目化，可为都市道路交通在不同阶段都能发挥较好的作用。
3 现有交通设施的改造与交通网络系统
都市交通能力的提高，离不开对现有交通设施、局部路段的改造。对现有交通设施的科学改造离不开智能辅助决策系统的应用。利用现有路段流量，预测改造后路段流量变化，可基于GIS反推网络相关路段的流量分布变化，从而调整有关改造后的参数，选择满意的整体网络的改造效果。这样确定的局部路段的改造方案，可达到预期的整体效应。反过来，也可以预先确定网络整体改造的期望效果，反推相关局部路段的改造方案。使我们的规划更符合实际，取得较佳的效益。有了有效的鉴别出需改造路段的紧迫性，预测改造后对整体网络的影响效果，应对现有路段进行"最大可靠度"分析，我们已经开发的"最大可靠路段鉴别"模块可以很好的解决这一问题。根据可靠度理论，由于其可靠度的提高，则网络中点S到点T的总可靠度为最大的通路可能会有变化，这就为得到某种理想的最大可靠度通路开辟了有效的预测评估方法。
在我们开发的"最大容量通路"分析模块中，已知网络中各路段车流的能力，即通过容量值，可求的任意两点间的这样一条通路，该通路中容量最小的路段的容量值控制着整个通路的容量。即使其他路径段的通道容量值再高，其总通道容量还需受到最小容量路段的控制，就是说，该路段的容量为决定通路的最大容量路段。这样的分析模块可以自动搜索得到控制通路容量的容量最小路段，改造这个（些）路段，将会大大提高通路整体的通行容量，为改造现有路段提供智能辅助决策。
我们开发了"最大期望容量通路"模块，该模块同时考虑通路的完好概率和通过容量，比较二者的乘积为最大的通路，确定为最大期望容量通路。这一模块可考虑现有各路径弧段的完好概率和通过容量，比较它们的期望容量，最后确定最大期望容量通路。对于改造前设定的目标，可以对比研究多种改造方案的最大期望容量通路的优劣，以期取得理想的改造效果。
我们还开发了诸如"人们期望最高通行路"、"网络最大流量"、"网络最小费用流"等多种模块，可供现有交通设施更新改造的智能辅助决策使用。
4 新建交通设施与交通网络系统
根据原有交通网络系统存在的问题，在改造现有路段仍无法解决问题的情况下，应建设新的交通设施，新建的交通设施建成后将形成新的交通网络。对新的交通网络，同样可以应用"最大可靠路段鉴别"模块给出各路段的通行可靠度，从而求得新建路段前后网络中S点至T点的总可靠度为最大的通路。一般情况下，这两个网络的总可靠度为最大的通路不应是同一条，据此可以预测新建路段后对网络通行能力影响效果，也可以改变新建路段的建设方案，重新分析总可靠度最大的通路，直到达到满意的效果。这样，可通过智能辅助决策，确定新建路段的建设方案。
同样，可以利用“最大容量路”、“最大期望容量通路”、“人们期望最高通行路”、“网络最大流”和“网络最小费用流”等多种智能模块，来确定新建路段对网络流量状态的影响，在不满足网络的期望状态情况时，修改新建路段的方案，直到满意为止。
城市交通流量在路网上的分配，以往大都采用静态方法，新建路段的新建方案往往也是以改善通路现状为主要目标的经验型决策。本研究拟应用计算机动态模拟交通流的多种指标，可以使决策者了解城市路网在某一时刻、某一路段或路口的交通流量，并可改变某些参数后得到新的交通流量的分布状态，这不仅可应用于新建路段的方案修改决策，也可以应用于城市交通规划，也可为某项重大交通工程决策提供依据，还可应用于 城市交通的运输管理、调度指挥。
5 基于GIS的智能辅助决策
用于城市交通流量分析的路径通路选择与流量分配的智能辅助决策系统，必须立足于真实反映城市交通现状的地理信息系统（GIS）。只有基于GIS的智能、辅助决策系统的开发应用，才有可能完成将研究成果从研究阶段到真正实用阶段的转变。
地理信息系统（Geographic Information System）是一种用于获取、存储、更新、查询、操作、分析和显示、输出空间相关信息的计算机系统。简言之，地理信息系统是处理空间信息的计算机系统。空间信息是指与地理分布相关的数据，主要包括特征的空间坐标及描述该特征的属性。
地理信息系统与其他传统意义上的数据库系统的根本差异在于，它不仅能存储、分析和表达各种对象的属性信息，而且能够完成空间操作、空间分析，能将空间与属性信息有机地结合起来，从空间和属性两个方面对现实对象进行查询、检查和分析，并将结果以直观的形式表达出来。
为了开发真实反映实际并有实用价值的都市交通智能辅助决策系统，基于GIS的信息管理系统是理想的选择。GIS应用的地理数据基础是可反映城市交通现状的地图，将地图转化成 GIS的图层，将交通网络的空间位置与对应的属性紧密地联系在一起，再对上述的智能辅助决策功能模块进行二次开发，实现这些具有智能决策的功能模块与GIS系统的有效链接，即可进行交通网络系统的智能辅助决策。
因此，基于GIS的都市交通智能辅助决策系统实现的关键是智能辅助决策功能模块的二次开发。根据交通网络智能分析的需要选择自行开发的空间分析模块，使GIS系统更好地为都市交通网络规划建设和改造，为网络系统的评估、管理和决策服务。GIS的二次开发功能模块也具有空间特征量流分析、统计分析、路况分析、车流分析、人流分析、网络局部与整体分析、各种叠合分析，建立缓冲区和决策分析等功能。
由于GIS具有很强的数据更新能力，可方便地进行空间数据、属性数据、拓扑关系的增添、删除和修改。因此，GIS可适应都市交通网络的更新改造的需要，便于进行都市交通网络的规划改造和建设、智能辅助决策。一旦系统初步建立起来，也可以适应实际交通网络的变化，对整个网络系统进行更新，使其长期发挥效益。
利用基于GIS的都市交通智能辅助决策系统能客观评价城市交通综合治理的实施效果。随着北京市道路交通的软硬件设施的不断完善，交通网络的智能信息化不断提高，可为智能辅助系统的决策服务提供广阔前景，特别是适应奥运需要的交通网络系统的建设，突发性事件时交通网络"点"堵塞情况下的紧急支路疏散和远端的交通疏导及对策等。还可通过动态仿真手段来模拟交通网络的实际运行状态，给出可视化的模拟结果，也可以将现有交通状态，包括道路、交叉口和工交专用道等通行状态，通过指挥中心的大屏幕或对外发布的屏幕进行实时显示，得到所选择区域的交通网络实时动画仿真模拟显示结果。
6 结语
所开发的基于GIS的都市交通智能辅助决策系统可以较好地解决城市交通网络规划、现有路段更新改造、新建路段优化方案的选择等难度较大的科学问题，为都市交通网络分析和改造决策提供智能辅助决策的有效手段。在有效地解决有关智能辅助模块的开发前提下，可以适应与满足首都举办2008年奥运需要而进行的北京交通网络改造的需要。