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Transcad与交通预测软件的发展趋势——访Caliper公司城市规划研究部主任张建

内容
    张建博士,美国Caliper公司城市规划研究部主任,主要从事Caliper公司交通规划部门方面的transcad软件分析、开发、和实施工作。近日,趁张建博士回国参加学术会议之机,Tranbbs记者对他进行了约访,在数字空间公司申波经理的协助下,很荣幸,我们在北京张博士下榻的酒店进行了专访。

  问:张博士,您在Caliper主要负责transcad的技术研发工作,请您先讲讲transcad是怎样诞生的。

  Caliper公司由Howard Slavin博士等三人于1983年成立。早先他们在政府和咨询公司工作多年,从事交通预测的经验,使他们深知规划预测中存在的问题和需求。当时,交通预测模型的运行一般都在大型计算机上进行,成本昂贵,输入准备和输出解读的不方便,影响模型的推广应用。个人计算机(PC)的出现,为改进带来曙光。但是,在交通预测方面缺乏相应的软件,而为各种交通分析项目去分别开发软件又费用太大。同时,地理信息系统(GIS)的应用逐步增多,为方便处理空间数据提供了条件。看到了这些潜在的需求,他们合伙成立Caliper公司,作出宏伟计划,要开发出一个基于PC,并与GIS紧密结合的交通预测分析的软件平台。

  “小荷才露尖尖角,早有蜻蜓立上头”。经过几年不懈的努力,transcad 1.0版本于1988年问世。软件起步高,用当年时新的C语言编写,并提供明了便捷的用户界面,经菜单启动各式各样的交通分析功能,向交通规划软件界吹入一股清风。1996年初,我到公司后不久,3.0版本发布,界面与Windows完全结合,分析模块与GIS无缝连接,同时提供新的编程宏语言GISDK,用于交通和GIS分析。凭着这些新颖的特点,transcad在剧烈的竞争中立稳了脚跟。

  目前,transcad最新的版本是5.0 R2版,它与公司的其他两个软件产品 – TransModeler交通仿真软件和Maptitude地理信息系统软件共享我公司自主开发的GIS平台。

  问:相比国际上其他主流交通预测软件,transcad有哪些特点?

  首先,transcad是最早将交通分析功能和GIS联系起来的软件。交通预测涉及海量数据的计算,需要编辑和处理大量的地理空间数据,包括空间搜索和地理制图。transcad的GIS数据库是基于网络数据库(Network),它是对象(Object)和关系(Relation)数据库的结合,既含有拓扑信息,又可以高效率地实施大量属性数据的存储和查询,发挥了对象和关系两类数据库的优点,因此特别适合交通建模任务。而不含GIS或数据模型不同的其他交通预测软件做这些工作就颇为吃力。譬如,对于交通分析小区(TAZ),transcad可以用区域层直接表示,而其他不含GIS的软件得用Shape文件来近似替代,其相邻区域的边界线经常有重复定义并带误差。又如,对于一条弯曲的网络连线,transcad直接用连线层里一条形状点组成的线来表达,而有些软件则用一条直线表示网络连线,再在附加的Shape文件中定义弯曲,既比较麻烦,也有局限性。

  其次,与其他相关软件比较,transcad有更强大和广泛的图像功能,可以输出高质量的地图,绘出几十种风格和各种选项的主题图,无限制用色、地图标签和记号的自动缩放、单向道自动显示、内带的公路盾标、多模式期望连线等等,各种图像功能齐全;有多媒体能力,将图像和视频与交通设施相关联;能作三维显示,等等。

  此外,transcad 的一贯宗旨,是向用户提供全套高质量的交通分析工具。其他一些软件往往不提供预测模型所需的全部模块,尤其是在出行产生(Trip Generation)和方式选择(Mode Choice)方面,结果用户不得不自己编写。transcad不仅提供全部模块,而且提供多种算法让用户酌情选用。比如在多层方式选择模型中,有聚集型和分散型模型,有评估与校准模块。公司着力研究相关文献,实施最好的方法,并努力开发自己的算法。其公路出行分配模型速度一直领先于其他软件;最近研发的“基于始点的用户平衡”分配法在收敛速度和精度方面引人注目;自行开发的公交分配PathFinder模型功能齐全,使用灵活。

  如前所述,transcad的数据库采用高效的,面向“关系-对象”的网络型设计,以达到高密度、高整合度、和高灵活性。对数据量大的文件,譬如矩阵,transcad采用多重压缩法进行压缩。举个简单而极端的例子,一个1000乘1000的8字节实型矩阵文件,里面全是零,如果不压缩,就有100万个值,占用近8MB的存储空间。压缩以后,用0和100万两个值就能表达,只用8字节的空间。可有的软件,真的就要存100万个值,放在数据海库里浪费资源。有些软件倒是采用压缩矩阵,但修改任何一个值都需要写段程序。随着模型规模的扩大,transcad数据存储的高效性和用户界面方便性会愈加明显。值得一提的是,为提高与其他软件的兼容度,transcad能方便地导入它们的网络和矩阵数据,不管是二进制还是文本形式。

  另外,Caliper公司重视软件产品的易用性。transcad用户可以通过界面菜单互动和批处理两种方式运行软件。互动时对话框内各种设定可以方便地存储和提取。批处理程序可以通过记录人机在菜单和对话框里的交互过程自动生成。其他一些软件缺乏界面互动方式,作一个简单的数据操作都需要写一段宏指令,十分不便。transcad使用的宏语言GISDK覆盖全部交通分析和GIS操作,其句法与常用编程语言如VB很近似,简明易懂,不像有些软件的宏语言,仅仅是记录下用户对DOS Command Line 菜单选择的回应按键,晦涩难读。

  最后,transcad的用户手册和交通预测模型手册,不管对软件使用,还是模型理论,都介绍得很详细。为了方便国内用户使用, 我们投入很大的人力物力,完成了中文手册的主要部分。据说,在国内很多学校上交通规划模型课时,transcad的中文手册当教材使用。这消息令人欣慰,因为我们的努力没有白费。目前,软件的中文界面做了一半,以后我们会努力完成界面的全部汉化。

  问:如果我们要对比各个软件的优劣,应该从哪些方面进行比较?

  可以从以下几个方面作比较:

  第一,功能是否完备和先进。一个优良的交通需求预测软件,应该提供典型预测模型所需的各种交通分析模块,各类数据操作,各种输出分析和显示功能,以及丰富而实用的编程手段。分析模块应反映领域内最高技术发展水平,允许更多的输入选项设定,输出处理应能充分利用包括多媒体和三维等在内的最新显示技术。

  第二,运算准确度。这一点直接影响到模型结果的可靠性。一般而言,对各种成熟的算法,譬如公路出行分配,各主流软件在计算准确度方面差别不大,只是某些软件速度太慢,应用时往往没达到模型收敛所需要的精度就提前停了下来。但在某些方面,比如公交寻径和分配,各软件自有其法,故而给出不同结果,需要检查其合理性。

  第三,运算速度。随着模型的细化,分析小区、出行目的、分析时段、交通模式、以及反馈次数越来越多,运算量不断增加。尽管PC速度愈来愈快,仍然跟不上要求。除了具有快速的算法,好的软件应该提供其他加速方法,如单机多流程计算,多机分布式运算等等。

  第四,使用的便捷性。友好的用户界面,合理的菜单结构,多能且顺手的网络编辑工具,慎密坚实的查错、消错和容错能力,快速直观的显示手段,清晰易用的编程语言,有了这些,用户才能提高项目中使用的软件效率,省时省事。

  第五,与其他主流软件和数据的兼容性。目前国内外许多交通规划部门,都同时使用几种交通规划和GIS软件,以便在各种操作中各取所长。规划中所用的数据,往往来自不同的部门,会遇到文件格式和地图投影不同的情况。这就需要一个软件能方便地导入和导出其他软件的数据格式。

  最后,软件公司售后服务和技术培训的质量也是考量之一。

  问:您认为交通预测软件的发展趋势是怎样的?在哪些技术方面的发展是引人关注的?

  传统的四步骤模型(Four Step Model)自60年代问世,迄今已走过半个世纪,可以说是日臻完善,也可以说是潜力已差不多挖尽。“行到水穷处,坐看云起时”,技术的发展,必然后浪推前浪。上世纪末出现了动态交通分配模型,如今火热于业内论坛的,是基于活动(Activity-based)和基于出行链(Tour-based)模型。

  四步骤模型的最大的问题,是把什么都粗略平均化了,缺乏时间标签,忽略个人属性,简化出行方式,因而在很多情况下,模型无法反映实际交通情况,譬如,无法对带时限的政府交通管理政策(收费等)作准确的影响分析。尽管如此,由于历史原因、缺乏经费、和新模型的不完善,目前美国大多数都市交通规划机构(MPO)仍旧使用四步骤模型。

  目前美国是分两步走,一是开发新的模型,二是继续更新改进老模型。交通部正在进行一个TMIP项目(交通模型改进项目),其目的是引导、支持和帮助MPO改进和革新他们的分析技术。联邦公路局和TMIP多年来一直在经营一个称为TRANSIMS的开拓性的建模项目,以促进交通预测。TRANSIMS软件最初由交通部拨款,国防部下属实验室开发,希望通过逐秒模拟一个大都市地区交通网络中的每个人和每辆车的活动,自下而上地预测交通需求。模型虽然在达拉斯和波特兰等城市作了实地试验,但迄今尚未被任何MPO正式使用。新模型数据和硬件的高要求可能是原因之一,但也不排除其仿真模型本身的某些缺陷。

  由于预算紧张,美国政府对交通研究的拨款逐年减少。在70-80年代,政府给交通研究的经费每年达15亿美元,如今缩水至2亿美元。 因此,联邦政府鼓励各地的MPO相互交流,通过同行审查(Peer Review)来提高他们的建模水平。

  问:那就是说软件的趋势归根结底要跟随研究机构模型的完善?

  通常是市场有了需求,软件才实施和开发新功能。学术界和研究机构的成果,是新技术的重要来源。如此,容易获得顾客的信任和青睐。一个全新的模型,即便有生命力,也需要多年的介绍、改良、试用和完善,才能逐步为大家认可接受。前述的建模新技术虽然已经在美国一些试点城市使用,但迄今仍被认为没有足够证据来表明它们能显著改善模型的预测功能。

  问:模型的完善的源动力还是在于国家的推动和研究机构成果的出现。软件公司看到有成果后,就马上投入使用,对吗?

  通常是这样。软件公司会和研究机构和个人合作,把一个有应用价值的理论或方法转化为具体的软件功能。比如,transcad中新近版本中的OUE算法,就是我们和Robert Dail先生共同开发,在他的早期模型的基础上改进形成的。不过,我们也会开发一些自己的成果,这些成果不一定都发表,也不一定要申报专利(这大概是处于利益的考虑吧),但它们是形成一个软件优势所必须的。软件公司虽不会刻意去领导研究领域的新潮流,但紧跟潮流并把最新成果变成可操作的东西,是提高其产品竞争力的一个重要一环。

  问:transcad的下几个版本会有哪些变化,下一步如何发展?

  每一个transcad新版本,除了改进现有版本的一些功能以外,都会实现几个全新功能。既然新版本还处在研发阶段,为避免误导,这里大概不便过早公布有关细节。但希望用户能给我们反馈对以后版本的功能要求,因为资源有限,开发工作就需要有个轻重缓急。transcad在中国城市的应用中,肯定会有一些特殊的问题需要解决。大家要求多了,下一版软件中就有可能实现这个功能。另外,现有的用户应当及时更新版本,一来不让自己在新技术的潮流中落伍,二来也支持我们的工作,开发出更多更好的新功能。

  问:2007年,中文版《transcad使用手册》和《transcad交通需求模型手册》(前十四章)发布了。把这两本手册翻译成中文,方便了中国用户的学习,从而培养了一批用户群。近期来看,transcad针对中国用户还有哪些活动或举措?

  第一,尽快完成交通需求模型手册后面几章的中文翻译。

  第二,软件的汉化目前只完成菜单部分,下一步我们会做进一步的汉化。

  第三,结合国内城市的建模项目,推动软件的应用。

  第四,交通需求模型手册各章节都带有一些供自我实践用的数据包,教用户如何实际操作。为了方便用户和增进交流,通过互联网为用户提供一个更好的交流平台。我们参与TRANBBS的交流,也是处于这方面的考虑。



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  个人简介

  张建,Caliper公司城市规划研究部主任,主要从事公司交通规划部门方面的软件分析、研发和实施工作。

  Caliper公司主要业务有三块:软件开发,交通咨询和售后服务。除了软件开发,我也做项目咨询,如协助美国各州交通规划模型的改造与更新。我也参与售后服务和培训方面的工作,包括中国用户对transcad的技术支持工作,以后国内条件成熟,我也会来做一些培训方面的工作。

  我出国前的专业是外语,不过我一直喜欢理工科,曾自修完大学微积分和数理统计课程,对计算机编程更有一份浓浓的兴趣。1987年负笈来美,就读于堪萨斯大学城市规划系。系里的大多数专业都偏重建筑和社会学,只有交通规划接近理工科,于是成了我的选择。我父亲毕业于上海交大铁路专业,却阴差阳错地当上了发电厂的工程师。父亲与交通擦肩而过,但也算是我家与交通有缘,我补空填缺地搞上了交通这行。

  我在堪大的导师是Dimitrios Dendrinos教授,除了交通规划,他在区域学研究方面造诣也很高,出过多本专著。我是系里召的第一名中国学生,他对我的期望比较高。在他的课里,我第一次接触了交通规划软件。儿时凭窗,看惯了街口滚滚的人行车流,如今看到阡陌交通居然能通过软件在屏幕上重现,太神奇了。规划系硕士要修17门课,几乎没有选修,我打擦边球到计算机系上了一门课,从此迷上了软件开发。

  两年后,我完成了硕士学习,转到宾夕法尼亚大学读交通规划,1991年拿到宾大的交通规划硕士,1994年拿到宾州大学计算机科学的理工硕士,1995年获得交通规划专业的博士。博士毕业后,我直接进入Caplier公司工作至今。

 

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