劉攀：基于大數(shù)據(jù)的城市道路網(wǎng)聯(lián)交通安全態(tài)勢分析

11月23日，由中國智能交通協(xié)會城市交通委員會、國家智能交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟主辦的2017’第十二屆中國智能交通年會城市智能交通創(chuàng)新發(fā)展論壇上，東南大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院院長劉攀教授發(fā)表《基于大數(shù)據(jù)的城市道路網(wǎng)聯(lián)交通安全態(tài)勢分析》的演講，本文為演講速記整理，未經(jīng)演講者本人審核。

東南大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院院長 劉攀 教授

1.城市道路交通安全現(xiàn)狀
　　隨著城鎮(zhèn)化、機(jī)動化進(jìn)程的不斷加快，道路交通事故的增長源不斷增加，城市道路交通安全問題變得非常嚴(yán)峻。過去10年間，城市道路交通事故平均每年導(dǎo)致超過2萬人死亡，14萬人受傷，這個數(shù)據(jù)相當(dāng)可觀。
　　另一方面，城市道路交通事故往往會誘發(fā)交通擁堵，在交通擁堵的情況下，二次事故發(fā)生的幾率陡增，這形成我們不希望看到的惡性循環(huán)。據(jù)不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，城市道路25%的擁堵由交通事故引起，實(shí)際中，這個比例往往更大。
　　在我國城市相對復(fù)雜的交通運(yùn)行環(huán)境之下，駕駛?cè)送切⌒囊硪淼拈_車，因?yàn)槁窙r比較復(fù)雜，不知道會發(fā)生什么特殊情況，所以人們開車都小心翼翼。我們的道路系統(tǒng)正是因?yàn)檫@樣的安全隱患問題，長期處于一種低效率的運(yùn)行狀態(tài)。與國外相比，我國的道路寬度明顯更大，但是國外的車輛運(yùn)行速度更快，交通運(yùn)行的效率更高。通過統(tǒng)計同樣等級的道路，國內(nèi)國外道路的通行能力差距非常大。我國的道路沒有把通行能力充分發(fā)揮出來。這在我國的大中小城市是非常普遍的現(xiàn)象，這里面涉及到管理問題、設(shè)計問題，也有一定的規(guī)劃問題
　　同時，考慮到城市非常復(fù)雜的交通運(yùn)行環(huán)境，城市交通事故在發(fā)生機(jī)理和影響范圍方面，與高速公路上的交通事故相比，呈現(xiàn)了不同的特征。由數(shù)據(jù)分析得出的一些結(jié)論并不相同?；仡欉^去幾年，我國在交通安全方面有兩個重大的立項(xiàng)，道路交通安全行動計劃的一期和二期，更多關(guān)注的是高速公路、山區(qū)公路以及低等級的公路，缺乏對城市道路交通安全的關(guān)注，還沒有真正的就城市道路交通安全問題做過系統(tǒng)深入的研究。
　　實(shí)際上對交通安全的重視，不同的國家都經(jīng)歷了認(rèn)識的過程?；仡櫭绹鴻C(jī)動化發(fā)展進(jìn)程，美國早期也經(jīng)歷了對交通安全性認(rèn)識的過程。如今美國整個公路體系、公路網(wǎng)骨干，其建設(shè)周期都是在50年代、60年代，經(jīng)過20年時間建設(shè)完成。美國上世紀(jì)五六十年代，類似于我們中國過去30年時間，是大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)張的時代。其在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過程中很少考慮到交通安全的問題，建設(shè)完成以后龐大的公路網(wǎng)、道路體系不斷暴露安全隱患。這些不斷出現(xiàn)的安全問題迫使當(dāng)局加以重視，不斷地進(jìn)行科研和工作，以減少交通事故風(fēng)險。這是必須經(jīng)歷的認(rèn)識過程。
　　1997年，美國道路交通安全戰(zhàn)略規(guī)劃的出臺，從國家戰(zhàn)略的層面，提出了要全面開展交通安全的研究，并且在工程中給出具體的措施來改善整個道路網(wǎng)的交通安全狀態(tài)。同時，美國國會對交通安全的立法，也經(jīng)過了不斷發(fā)展的過程。最早可以追溯到1992-1997年交通方向的ISTA法案。在這個法案中提出了建立幾個現(xiàn)代的交通系統(tǒng)，開始提及安全問題。1998年，美國國會在法案中指出投資2178億美元用于交通系統(tǒng)的改善，明確提出構(gòu)建道路交通安全的系統(tǒng)。這個法案把安全設(shè)立為一個獨(dú)立的章節(jié)。從2004年的SAFETEA開始，整個交通系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)已經(jīng)把安全放在可靠、高效等等之前，視為第一要素。
　　縱覽國內(nèi)一系列交通規(guī)劃白皮書，實(shí)際上很少有能夠把安全放在這么高的地位。對于國內(nèi)各地的白皮書中，最近把安全放到第一位的是上海。上海的白皮書把安全作為要素放在第一位，但是具體的是怎么去體現(xiàn)還值得商榷，這需要一個發(fā)展過程。
　　2.主要的任務(wù)和技術(shù)瓶頸
　　交通安全是一個新興學(xué)科，真正的理論體系完全成型在21世紀(jì)初。2010年左右美國道路安全手冊的出版，一定程度標(biāo)志著安全作為一個學(xué)科的理論體系已經(jīng)基本完善。
　　道路交通安全學(xué)研究的主體是道路交通事故，目的是降低事故的頻次或者降低事故的嚴(yán)重程度，真正的研究對象實(shí)際上是一系列影響這兩個事故的頻次和嚴(yán)重程度的事件。這些事件根據(jù)時間可以劃分為事前、事中和事后，而影響這一系列事件的系統(tǒng)要素中包括了人、車、路和環(huán)境。在與此相對的改善措施中，這些因素又包括了工程措施、教育措施、執(zhí)法和急救等等措施。所以交通安全是一個多學(xué)科交叉的綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，涉及到規(guī)劃、交通工程、車輛工程等眾多學(xué)科。
　　概括研究框架對研究的領(lǐng)域做一個界定大概可以分為兩大塊：一塊是交通安全分析，另一塊是交通安全管控。交通安全分析就是要建立起系統(tǒng)的要素和交通安全之間的聯(lián)系，而交通安全管控即是要提出有效的交通安全改善措施。

圖1理論框架圖

理論框架如圖1所示，城市道路交通安全研究的一個重要任務(wù)是把安全作為目標(biāo)要素，融入到城市道路系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計及運(yùn)行調(diào)控的全過程，實(shí)現(xiàn)安全導(dǎo)向的主動規(guī)劃，主動設(shè)計和主動調(diào)控。即我們在城市規(guī)劃執(zhí)行過程中，如何真正把安全作為一個約束放進(jìn)規(guī)劃政策的制定中，如何把真正地安全作用目標(biāo)要素，帶到我們的設(shè)計過程中。如何去實(shí)現(xiàn)以安全為導(dǎo)向的控制策略優(yōu)化，這是三個需要亟待解決的問題，但是存在一系列的技術(shù)瓶頸。
　　第一個技術(shù)瓶頸，我們還沒有能夠定量的刻畫道路要素和交通安全關(guān)聯(lián)關(guān)系，這是交通分析所要解決的一個核心問題。交通安全縫隙要解決交通事故的風(fēng)險以及嚴(yán)重程度和我們系統(tǒng)要素之間的關(guān)系。交通事故的發(fā)生受到人、車、路、環(huán)境等等多種因素影響，具有高度的復(fù)雜性。這么多因素混雜在一起，你很難從中剝離出你所關(guān)注的因素，特別是道路系統(tǒng)相關(guān)的因素。
　　為此交通安全發(fā)展出了一套理論，主要是基于事前、事后比較橫斷面分析，以及交通事故模型的這一套理論體系。這套理論體系在發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的應(yīng)用，但是在中國它的應(yīng)用受到了一定的限制。特別是這套理論方法體系，非常高質(zhì)量的交通理論數(shù)據(jù)，在事故數(shù)據(jù)記錄或者事故數(shù)據(jù)不太完整、不太容易獲取的情況下，這套分析方法難以使用。無法理解道路系統(tǒng)要素對安全的影響，就無法在規(guī)劃和設(shè)計階段把安全作為要素考慮進(jìn)去，決策管理者只能憑借經(jīng)驗(yàn)提出一些模糊的概念。
　　第二個技術(shù)瓶頸，我們沒有能夠?qū)崿F(xiàn)道路交通事故風(fēng)險的量化分析，即使在發(fā)達(dá)國家，傳統(tǒng)的分析方法對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行事故統(tǒng)計分析，歷史數(shù)據(jù)包括過去幾年的平均交通事故，年平均日交通量等等這是進(jìn)行分析。這套分析方法有其背景，即50年代、60年代美國大規(guī)模的道路基礎(chǔ)設(shè)施建完了不斷地暴露交通問題。過去幾十年積累了大量的數(shù)據(jù)，通過用這些歷史的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這是它這套理論方法產(chǎn)生的根源，但是由這樣的方法產(chǎn)生的結(jié)論能指導(dǎo)工程實(shí)踐必然是一種被動的事后的工程實(shí)踐。安全問題要充分暴露了以后，我們要再去了解產(chǎn)生這些安全問題的原因，我們沒有辦法對未來沒有發(fā)生的事故風(fēng)險，進(jìn)行一種量化的比較精確的分析，這一點(diǎn)在過去是做不到的。
　　第三個技術(shù)瓶頸，我們沒有辦法對交通風(fēng)險進(jìn)行主動干預(yù)，我們過去幾十年建了大量的城市也好，高速公路也好有大量的監(jiān)控設(shè)施的建設(shè)。我們從監(jiān)控設(shè)施上捕捉到了事故發(fā)生，或者能對交通事故風(fēng)險進(jìn)行科學(xué)的判斷，我們也缺少有效的手段對它進(jìn)行主動的干預(yù)。
　　這是三個瓶頸，這三個瓶頸制約著交通安全規(guī)劃、交通安全設(shè)計和交通安全控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但是在大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)可以給我們帶來新的發(fā)展契機(jī)，這三個瓶頸在一定程度上可以克服。
　　3.大數(shù)據(jù)與城市道路交通安全研究
　　現(xiàn)代城市每天產(chǎn)生海量龐雜、易質(zhì)多元、大范圍時空關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)里面蘊(yùn)含著豐富的價值信息。大數(shù)據(jù)對交通工程帶來實(shí)實(shí)在在的革命性變化，傳統(tǒng)交通工程學(xué)的方法論在大數(shù)據(jù)的時代正在面臨重構(gòu)。
　　回顧一下我們城市里的交通大數(shù)據(jù)：每隔幾十秒會上傳高解析度的車道級交通流數(shù)據(jù)。車載通訊數(shù)據(jù)、車載GPS、雷達(dá)、RFID等等。北京市4萬輛浮動車，每天產(chǎn)生2000萬條記錄。車載檢測設(shè)備與定點(diǎn)設(shè)備相結(jié)合，全方位獲取城市交通大數(shù)據(jù)。
　　加上大量的交通收費(fèi)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，其中，視頻數(shù)據(jù)是現(xiàn)在體量最大的數(shù)據(jù)，且是典型的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。如何從這種非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取我們想要了解的信息，充分發(fā)揮它的價值，實(shí)際上也是值得我們思考的。在視頻數(shù)據(jù)中，我們現(xiàn)在有成熟的技術(shù)可以提取車輛的軌跡。最近幾年，對車輛軌跡的研究已經(jīng)成為交通工程學(xué)研究的重點(diǎn)。
　　另外，手機(jī)和社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是被我們忽略的數(shù)據(jù)。實(shí)際上社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)的重要組成部分，它提供了很多傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)來源無法提供的，關(guān)于人類的情感、活動、社會關(guān)系這方面的信息。我們氣象數(shù)據(jù)應(yīng)該說是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)了，我們認(rèn)為大數(shù)據(jù)的技術(shù)為實(shí)現(xiàn)城市路網(wǎng)交通安全態(tài)勢的深度挖掘，前期診斷和智能調(diào)控提供可能性。在大數(shù)據(jù)的幫助下我們有可能突破傳統(tǒng)方法的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)城市路網(wǎng)的主動安全規(guī)劃、主動安全設(shè)計和主動安全調(diào)控。
　　2013年開始我們做了很多的技術(shù)儲備。首先是硬件環(huán)境的搭建，我們搭建了分布式大數(shù)據(jù)處理平臺，同時構(gòu)建了幾十個城市大數(shù)據(jù)的庫，為我們的研究提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
　　4.基于大數(shù)據(jù)的交通安全態(tài)勢分析
　　下面圍繞這三個思路做了一點(diǎn)點(diǎn)嘗試，更多的是理論的探索。第一個我們做的是基于多元數(shù)據(jù)對區(qū)域交通風(fēng)險進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的規(guī)劃是以交通小區(qū)為單元研究出行和小區(qū)里面各種社會關(guān)系等等社會經(jīng)濟(jì)要素之間的關(guān)系。我們現(xiàn)在以交通小區(qū)為基本的分析單元，去研究路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，土地利用特征、社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、交通出行強(qiáng)度與區(qū)域交通事故風(fēng)險的關(guān)聯(lián)關(guān)系。這些信息實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)主動交通安全規(guī)劃的重要基礎(chǔ)，這一類的研究過去幾年在交通安全很熱，很多做過這些研究，它的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)來源主要是交通調(diào)查數(shù)據(jù)，比如社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，宏觀的經(jīng)濟(jì)出行數(shù)據(jù)。我們知道用宏觀的出行數(shù)據(jù)去度量整個網(wǎng)絡(luò)的交通出行強(qiáng)度是不準(zhǔn)確的，是很模糊的。我們嘗試用大數(shù)據(jù)、用浮動車、用社交網(wǎng)絡(luò)等等的數(shù)據(jù)去補(bǔ)足這個缺點(diǎn)，怎么樣更精準(zhǔn)地度量交通出行強(qiáng)度，進(jìn)而去分析以小區(qū)為單元的交通事故風(fēng)險。
　　我們運(yùn)用紐約的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論研究，所得的模型在各個地方都是通用的，只是數(shù)據(jù)來源的問題。我們用紐約做研究對象，把紐約劃分167個交通小區(qū)，這與傳統(tǒng)的規(guī)劃做法是類似的。我們運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)爬蟲，從Twitter提取了2010年將近3000名用戶的41萬條簽到數(shù)據(jù)。Twitter簽到數(shù)據(jù)包含了用戶一天的活動信息。同時，我們從紐約出租車共享的浮動車數(shù)據(jù)，提取了交通事故數(shù)據(jù)、土地利用、路網(wǎng)信息、社會經(jīng)濟(jì)以及人口的信息。
　　運(yùn)用Twitter簽到數(shù)據(jù)，把人的出行活動分為八類，家庭、工作等等八類出行數(shù)據(jù)，用浮動車數(shù)據(jù)用隱狄利克雷分布模型對出行特征進(jìn)行挖掘，并且用隨機(jī)聲明方法提取出12個影響交通事故的關(guān)鍵出行特征。比如說表格中告訴我們從12點(diǎn)到2點(diǎn)之間因?yàn)橐ぷ鞒鋈コ燥?，這種類型的出行我們可以精準(zhǔn)到這個地步從6點(diǎn)-8點(diǎn)之間下班回家這樣的出行，從7點(diǎn)-9點(diǎn)晚上出去娛樂的出行。我們把各種各樣出行的模式通過我們的大數(shù)據(jù)辨別出來，判斷出來以后去研究它和交通事故風(fēng)險之間的相關(guān)性，不同類型的出行模式對交通事故風(fēng)險影響程度完全不一樣。
　　通過數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，從最簡單的空間分布可以看出，交通事故的分布特征和不同類型活動的分布，社交、購物、工作等等這些活動是密切相關(guān)。這就是我們城市交通規(guī)劃可以看到的定量化數(shù)據(jù)，同時我們出行者的路徑半徑實(shí)際上和事故風(fēng)險呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。

圖2出路徑半徑和事故風(fēng)險關(guān)系圖

　　交通事故與浮動車的出行記錄在空間和時間上都存在顯著的相關(guān)性，我們把一系列的數(shù)據(jù)都放到我們空間模型中，去分析交通小區(qū)種不同出行的活動類型對事故風(fēng)險的影響。比如吃飯、教育等這些出行活動和機(jī)非機(jī)動車的交通事故風(fēng)險呈正相關(guān)，關(guān)鍵可以在不同小區(qū)中給出吃飯、教育等等出行模式對交通事故風(fēng)險、機(jī)非交通事故風(fēng)險的定量化的刻畫。在購物、社交出行和機(jī)-機(jī)等交通風(fēng)險正相關(guān)，而且可以給出不同的交通小區(qū)之間它的影響強(qiáng)度。

圖3浮動車與交通事故的時間分布關(guān)系圖

　　用類似的手段我們建立了交通事故風(fēng)險和不同類型的出行活動之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而且可以給出不同區(qū)域強(qiáng)度的表達(dá)，可以為規(guī)劃、管理提供重要的決策依據(jù)。通過把所有的數(shù)據(jù)輸入我們的模型中，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險分析模型的精度大大提高了，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的得出的模型只有0.43%左右，但是依靠這些動態(tài)的數(shù)據(jù)源，可以提高到0.8-0.9%。

圖4“車-人”和“車-車”事故模型

第二個案例是快速道路的交通事故風(fēng)險辨識和主動調(diào)控。傳統(tǒng)交通安全的分析運(yùn)用靜態(tài)手段分析交通事故，但是在大數(shù)據(jù)的環(huán)境下，應(yīng)動態(tài)的高解析度動態(tài)交通流數(shù)據(jù)去分析交通事故和事故風(fēng)險之間的關(guān)系。我們提取了滬杭甬等等高速公路1萬余起交通事故，對每一起交通事故，我們研究在事故發(fā)生前大概30分鐘之內(nèi)的上下游相鄰路段，與它的高解析度動態(tài)交通流數(shù)據(jù)和同樣位置正常情況下的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖5正常交通流狀態(tài)和事故前狀態(tài)示意圖

我們可以清晰的看到，大概在60%-70%的交通事故發(fā)生之前，相鄰路段的交通流中都會發(fā)現(xiàn)一種異于正常情況的狀態(tài)，主要表現(xiàn)在交通流在時間和空間上的不均勻分布。如果能夠準(zhǔn)確的描述事故發(fā)生前的交通狀態(tài)，我們在相應(yīng)程度上就實(shí)現(xiàn)了事故風(fēng)險定量的刻畫。基于這樣的思路，我們從整個快速道路交通安全狀態(tài)的分類和主動的辨識，到交通事故風(fēng)險的主動預(yù)警，在能夠預(yù)判交通事故風(fēng)險的基礎(chǔ)上，采用動態(tài)交通控制的手段，主動干預(yù)交通事故風(fēng)險，也就是實(shí)現(xiàn)主動交通安全調(diào)控的目標(biāo)。
　　第三，對于非結(jié)構(gòu)性化數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)，從中提取出的軌跡曲線在交通安全研究中我們能做一些什么？我們和加拿大的團(tuán)隊做了這方面的工作。傳統(tǒng)平面交叉口的交通安全分析是利用歷史事故數(shù)據(jù)以及交通沖突數(shù)。傳統(tǒng)的交通沖突分析方法是通過人工調(diào)查，科學(xué)性長期受到置疑，因?yàn)槿说呐袛嘈苑浅Ｖ饔^。
　　隨著著圖像處理技術(shù)不斷成熟，基于視頻處理技術(shù)的交通沖突的自動識別在安全領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，它克服了人工觀測的主觀性和低精度的缺點(diǎn)，極大了提升了交通沖突技術(shù)的科學(xué)性。運(yùn)用這種運(yùn)動目標(biāo)檢測跟蹤技術(shù)，提取沖突車輛的軌跡、速度等參數(shù)，我們可以把交通沖突發(fā)生的整個過程，例如對10秒鐘數(shù)據(jù)以0.001秒為單位，分解為成千上萬個瞬時的狀態(tài)，去研究車與車在整個交通沖突發(fā)生過程中瞬時狀態(tài)，以及速度分布發(fā)生了什么樣的變化，并且預(yù)判下一步事故風(fēng)險的發(fā)生。
　　研究表明基于人類動力學(xué)和運(yùn)動模式，預(yù)測和匹配算法在狀態(tài)判別取得了很好的成果，道路安全水平的評價效果要優(yōu)于傳統(tǒng)交通沖突技術(shù)。運(yùn)用視頻識別的方法，可以分析不同類型的交通設(shè)計對交通安全的影響。如果運(yùn)用事故數(shù)據(jù)需要等待較長時間，而且事故數(shù)據(jù)來源較難。運(yùn)用視頻直接自動提取交通沖突，可以分析出整個交叉口、交通沖突的強(qiáng)度。

圖6交叉口整體范圍沖突點(diǎn)空間分布

上圖清晰地表明了交叉口交通沖突的具體地點(diǎn)，及其時間和空間分布的特征，以幫助設(shè)計者更好地發(fā)現(xiàn)潛在的交叉口事故隱患。如圖是可左轉(zhuǎn)車道分布的情況。在此基礎(chǔ)上，我們建立了設(shè)計要素和交通沖突之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從中可以得出一系列的安全設(shè)計的建議，例如某種右轉(zhuǎn)車道設(shè)計案例的使用，如下圖所示。以上是直接運(yùn)用視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行沖突識別方法的案例。
　　5.總結(jié)
　　城市道路安全需要得到更多的關(guān)注。把安全作為目標(biāo)要融入城市道路系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計與運(yùn)行調(diào)控的全過程，是我們的重要職責(zé)。大數(shù)據(jù)為交通安全規(guī)劃、設(shè)計與調(diào)控目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。
　　大數(shù)據(jù)對交通工程方法論的影響很大。一方面，原有的數(shù)據(jù)來源不斷得到補(bǔ)充，另一方面，在這些新的數(shù)據(jù)來源下，很多傳統(tǒng)的方法無法使用，我們要追尋新的一種全新的分析方法、分析思路。這也要求交通工程師對知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新，同時高校的人才培養(yǎng)體系也要做出改變。這體現(xiàn)了更多的顛覆性的影響。