随着人工智能、大数据、无线通信等诸多新兴技术的发展，以及主体需求的更替，交通系统正在从智能化向更加智慧的新阶段过渡。面向交通系统构建演化模型，能够科学描述其演化特征及发展规律，继而为管理者提供宏观决策依据，有利于形成交通系统的可持续发展态势。

现阶段国内外交通领域对系统演化模型的研究可以从定性和定量两个层面展开总结：

①定性分析。从自动驾驶汽车等交通系统构成组分出发，制定了相应的等级划分标准，进而推演至系统整体，合理预测并描述交通系统的演化状态。

②定量分析。对不同参数条件下的系统状态进行模拟仿真,可视化展现其演化趋势，并进行稳定性分析，从而揭示了自组织交通系统的演化机理及发展规律。

现有的交通系统演化研究主要集中在路网和交通流等局部要素层面，针对整体系统的研究较少，且重点在演化发展的影响因素分析，以及发展过程及特点的总结上，从量化模型角度去刻画系统演化进程还处于非常初期的探索阶段。

本项目从宏微观两个视角开展对ATS的演化研究，分别提出了基于Petri网的宏观演化模型和基于群体博弈的微观演化模型。这两类模型方法都以需求、服务、功能、技术和组分五类ATS要素的属性及其关联作为主要输入，但两种模型方法的侧重点又有所不同。前者的Petri网模型主要基于过程方法，描述离散并行系统中演化变迁之间的因果关系并构造时序，有利于构造形成交通系统中多类复杂要素之间的相互关联及其影响反馈，呈现其宏观演化过程；后者的群体博弈方法一般会将系统构成要素抽象成选择策略，具体计量分析系统演化和群体博弈间的交互反馈，较适用于面向一定规模的局部场景开展研究，表征交通系统主要构成要素的微观演化过程，并对预测结果进行初步分析。根据研究层次和研究场景的具体需要，这两类方法可以相互补充、互为印证，从而得到更为丰富完整的演化结果和发展规律。

宏观演化模型主要面向系统，提出了基于离散系统仿真的交通系统多层网络演化模型，描述交通各构成要素间的相互影响关系，刻画不同技术和需求水平推动下交通系统的动态发展过程。模型结构中各层库所分别定义为组分、功能和服务等交通要素，库所容量代表交通要素的自主化等级，不同交通要素间的动态影响关系通过Petri网的变迁规则进行刻画。考虑多层网络间交通要素的复杂关联关系以及状态递增特点，在经典Petri网结构中创新性地引入多种类型库所并定义相应的变迁机理，以保证交通系统演化过程的合理性和准确性。

其研究方法为：引入组分层、功能层和服务层三层网络拓扑结构，如图1所示。技术层作为外部输入支撑组分中物理实体和功能层功能的迭代和更新，服务层在需求层的内部需求激励和功能层的功能辅助下实现服务。ATS多层网络的动态演化过程基于Petri网的变迁规则。为了体现交通系统演化特征，创新性地引入新的库所类型：1）状态库所，表征当前该交通系统参与主体的属性状态；2）变迁库所，作为petri网中可以参与变迁的库所；3）中间（虚拟）库所，构成演化模型变迁中的结构，体现交通要素之间的输入输出关系。

在此模型体系下，设置特定外部技术组合与技术等级，能够在演化过程中观察到不同交通功能和服务的相继实现顺序以及最终发展状态；进一步改变技术组合中的单项或多项技术等级，通过对交通系统稳定状态下功能和服务的状态进行比较与分析，可以量化阐述具体技术发展对交通要素发展水平的影响，为交通管理者的政策制定以及未来的交通规划提供一定的理论参考。

图1 ATS宏观演化模型结构示意图

微观演化模型主要面向场景，在宏观演化模型的基础上，进一步展现要素演化的具体过程。侧重于从市场占比变化等方面，直观呈现交通系统中的主要构成要素的微观演化过程。

考虑到自主式交通系统在时空维度和物理结构上具备复杂网络的特性，各构成要素间存在特定的关联关系。通过结合复杂网络的相关理论，可以更加深刻地剖析交通系统，定性和定量地分析其复杂性，掌握交通要素在微观层面上的变化规律，并从图论的角度直观展现交通系统的生成、演化和扩展特征。

其研究方法为：将群体博弈和复杂网络进行结合，研究具有网络结构的群体博弈中策略的更新演化过程，将参与博弈的出行者个体所选策略推广至多策略间的组合，利用与交通系统构成要素相关的收益矩阵表示系统演化和群体博弈间的交互反馈，可以研究在投入有限配置下构成要素的演化趋势，从而预测交通系统发展方向并研判重点发展领域。

整体上将微观演化模型分成了双层网络，分别是表层要素演化网络和底层群体博弈网络。表层要素演化网络主要是呈现交通系统组成要素的关联关系及动态演化的结果，底层群体博弈网络通过博弈更新群体状态，从而预测策略选择结果，反映系统要素占比变化趋势。微观演化模型将部分系统构成要素抽象为个体所能选择的策略，在两层之间建立了交互和反馈：底层博弈驱动表层演化，表层的演化更新策略类型，从而改变底层群体收益，反过来对演化博弈造成影响。ATS微观演化模型分层网络结构如图2所示。

图2 ATS微观演化模型结构示意图

交通系统在沿着 “辅助自主-高度自主-完全自主” 的方向不断演化，而本章重点关注这一过程中的 发展程度演化、发展方向演化和发展计量演化 。面向该研究需要，分别构造了宏微观视角的交通演化模型。

从宏观角度，提出了基于离散系统仿真的交通系统多层网络演化模型 ，描述交通构成要素间的相互影响关系， 刻画外在技术和内在交通需求的推动下交通系统的发展过程 。在演化模型中，库所根据定义内容可分别表示组分、功能和服务等交通要素，库所容量代表交通要素的自主化属性，不同交通要素间的相互影响关系通过离散系统的变迁规则来定义，在技术和需求的作用下共同驱动模型的动态演化。

从微观角度，提出了基于复杂网络的双层演化博弈模型 ，分别构造了基于技术、需求、服务、功能和组分的要素网络和基于社交关系的博弈者网络，运用演化博弈的生灭过程， 探究在投入有限配置下交通市场的自主化转型演化结果 ，可分析其演化博弈过程及运作机理，从而预测交通系统发展方向并研判重点发展领域，以制定长期有效的市场调节手段和宏观调控计划。