“城市交通超腦”實(shí)現(xiàn)交通智慧化

　——清華大學(xué)“未來交通”研究中心“城市交通超腦”研究與應(yīng)用

　　在城市建設(shè)飛速發(fā)展的今天，交通發(fā)展?fàn)顩r的好壞，將直接影響城市的發(fā)展速度和居民的生活幸福指數(shù)。交通,是每一座城市的命脈，貫穿城市建設(shè)的方方面面。近年來，隨著機(jī)動車保有量持續(xù)增加，交通需求量日益增大。

　　目前，我國的很多城市，都存在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)不完善等現(xiàn)象。如：連通性強(qiáng)的干路缺乏，環(huán)形放射式路網(wǎng)相適應(yīng)的放射性道路缺乏，連通中心城區(qū)和外圍區(qū)域的快速路的缺乏，等等。不僅如此，有的城市還存在部分道路交通設(shè)施不完備，交通管理手段單一，交通疏導(dǎo)不及時或不合理，導(dǎo)致城市道路通行能力低下等現(xiàn)象。

　　自上世紀(jì)90年代起，我國開展智能交通系統(tǒng)(ITS)建設(shè)，取得了顯著成效。在清華大學(xué)-劍橋大學(xué)-麻省理工學(xué)院低碳大學(xué)聯(lián)盟的框架下，三所國際著名大學(xué)于2012年聯(lián)合成立了“清華大學(xué)-劍橋大學(xué)-麻省理工學(xué)院‘未來交通’研究中心”并由教育部長江學(xué)者、清華大學(xué)吳建平教授任中心主任。中心核心團(tuán)隊(duì)由4名清華大學(xué)教授，4名劍橋大學(xué)和麻省理工學(xué)院教授及2名國際杰出訪問教授組成;中心邀請了2位英國皇家學(xué)會院士和4位中國科學(xué)院、工程院院士擔(dān)任中心顧問委員會委員。中心有20多位博士后和博士研究人員。中心的宗旨是：依托中心的多文化背景和多學(xué)科交叉的特色，研究適應(yīng)未來人類社會和未來城市發(fā)展的未來交通系統(tǒng)和相關(guān)科學(xué)技術(shù)，做出原創(chuàng)性的科學(xué)研究;綜合應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，向交通擁堵、交通安全、交通環(huán)境和交通能源等全球性問題發(fā)起挑戰(zhàn);該中心是國內(nèi)首個集交通、能源、環(huán)境及人體健康于一體的未來交通研究中心。

　　在多年潛心研究的基礎(chǔ)上，中心已研發(fā)出“城市動態(tài)交通仿真平臺”，使我國的智能交通研究水平提升到一個新的高度，步入世界領(lǐng)先行列。該中心研究和開發(fā)的微觀交通仿真模型“FLOWSIM”，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，并成功應(yīng)用到2008年北京奧運(yùn)會交通管理和組織優(yōu)化。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，交通管理也逐漸由數(shù)字化走向智慧化。清華大學(xué)“未來交通”研究中心在該領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，他們針對國內(nèi)智能交通管理系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出“城市交通超腦”概念，讓交通系統(tǒng)自身具有獨(dú)立思考、自主決策和智慧運(yùn)營等能力。“城市交通超腦”的提出，改變了早期智能交通只具備數(shù)據(jù)獲取能力，缺乏數(shù)據(jù)深度挖掘和分析能力，無法真正做到智慧化管理和科學(xué)決策的狀況。所謂“城市交通超腦”，指的是一個以大數(shù)據(jù)、人工智能和在線交通仿真為核心要素，集管理與服務(wù)于一體的交通中樞系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)交通狀況實(shí)時分析和評價(jià)、交通業(yè)務(wù)在線綜合管理、交通信息服務(wù)便民、交通信號燈優(yōu)化設(shè)置、區(qū)域交通組合與交通誘導(dǎo)動態(tài)優(yōu)化、以及交通突發(fā)事件預(yù)測預(yù)報(bào)和影響范圍預(yù)估。圖 1是城市交通超腦的概念圖。截至目前，該中心已完成“城市交通超腦”體系構(gòu)建，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表高水平論文100余篇，申請國際發(fā)明專利授權(quán)10項(xiàng)，國內(nèi)發(fā)明專利授權(quán)15項(xiàng)，并奪得“2016日內(nèi)瓦國家發(fā)明博覽會金獎”，“2017中國仿真學(xué)會一等獎”，“2018年北京市科技獎”?！拔磥斫煌ā毖芯恐行牡募夹g(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，通過清華控股投資科進(jìn)英華集團(tuán)向市場開放。

　　圖 1. 城市交通超腦概念圖

　　“城市交通超腦”由大數(shù)據(jù)運(yùn)營體系、評估評價(jià)體系、專家決策體系和管理控制體系四個體系構(gòu)建而成。其中，大數(shù)據(jù)運(yùn)營體系負(fù)責(zé)將各個原本處于孤立或分散狀態(tài)的交通管理子系統(tǒng)進(jìn)行融合，如視頻監(jiān)控、電警、卡口、信號燈管理、應(yīng)急指揮、警務(wù)系統(tǒng)等，并基于同一GIS地圖(GIS：Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)信息的融合和處理。評估評價(jià)體系負(fù)責(zé)建設(shè)有可視化的微觀和宏觀交通仿真平臺，能支持大區(qū)域路網(wǎng)和重點(diǎn)路口的交通組織優(yōu)化仿真，能對交通規(guī)劃、交通現(xiàn)狀和交通優(yōu)化進(jìn)行評價(jià)。專家決策體系是針對交通系統(tǒng)所存在的各類癥結(jié)，利用仿真平臺給出多項(xiàng)解決方案及方案的量化評分，并選出最優(yōu)解決方案。管理控制體系由實(shí)時交通管控和交通信息服務(wù)兩部分組成，能充分利用智能管理的優(yōu)勢，自動調(diào)配各類交通資源，實(shí)現(xiàn)城市交通科學(xué)的、智能化的管理。

　　“城市交通超腦”體系的構(gòu)建，離不開該中心所有成員前期對于人/車/路的交互行為與協(xié)作模式的研究，即“基于行為的交通仿真”研究，主要包括基于駕駛行為、行人行為及自行車行為的交通仿真。該中心所開發(fā)的微觀交通仿真軟件FLOWSIM，如圖2所示，其微觀交通流模型能夠細(xì)致而又客觀地描述出個體交通參與者的交通行為，交通流的微觀細(xì)節(jié)，包括特殊交通狀態(tài)(交通事故)。

　　圖 2. FLOWSIM軟件界面示意圖

　　迄今，“城市交通超腦”的相關(guān)技術(shù)已在北京、天津、杭州等城市得到應(yīng)用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的應(yīng)用，能為出行者平均縮短4%-15%的出行時間;可減少延誤損失數(shù)億乃至數(shù)十億元，創(chuàng)造間接經(jīng)濟(jì)效益數(shù)百億元?！俺鞘薪煌ǔX”是構(gòu)建智慧交通的核心技術(shù)，清華大學(xué)已將該超腦相關(guān)技術(shù)進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓。這標(biāo)志著“城市交通超腦”研發(fā)和實(shí)施已進(jìn)入一個快速發(fā)展期。隨著自動駕駛車輛和管軌交通等新型智能交通方式的發(fā)展，“城市交通超腦”還將成為未來交通管理控制的核心技術(shù)，科學(xué)管理和調(diào)度車輛，最大限度地開發(fā)城市交通潛能?！俺鞘薪煌ǔX”將成為我國實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，是中國創(chuàng)新、引領(lǐng)世界的成功范例之一。

　　“城市交通超腦”的核心技術(shù)主要包括：

　　一、基于大數(shù)據(jù)駕駛風(fēng)格的挖掘與分析

　　駕駛風(fēng)格指的是在駕駛過程中個體所形成的習(xí)慣性駕駛模式。為能探究駕駛風(fēng)格的內(nèi)部結(jié)構(gòu)化信息，進(jìn)而對不同駕駛風(fēng)格予以識別和建模，如圖3所示。

　　圖3. 駕駛風(fēng)格解析

　　二、在線交通仿真

　　“在線交通仿真”主要包含實(shí)時數(shù)據(jù)、云上仿真、并行計(jì)算和在線決策等部分?！霸诰€交通仿真”是城市交通超級大腦的中樞。

　　三、基于深度學(xué)習(xí)的動態(tài)交通分配模型

　　相對傳統(tǒng)交通仿真而言，“城市交通超腦”運(yùn)用計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，能快捷求解動態(tài)交通分配方案,并可節(jié)省運(yùn)算時間80%以上。

　　四、節(jié)點(diǎn)失效法與動態(tài)路網(wǎng)重構(gòu)法

　　在暴雨等惡劣氣候環(huán)境中，交通路網(wǎng)會出現(xiàn)部分路段失效或路口失效等情況。為此，基于完整路網(wǎng)模擬的交通仿真已無法得以適用，取而代之的是基于節(jié)點(diǎn)失效和動態(tài)路網(wǎng)重構(gòu)方法。動態(tài)交通仿真平臺可重構(gòu)實(shí)時動態(tài)路網(wǎng)，真實(shí)模擬交通網(wǎng)絡(luò)，由此得出的在線交通管理誘導(dǎo)方案，能讓城市汽車在城市惡劣氣候環(huán)境下延誤平均縮短50%。