“城市交通超腦”實現(xiàn)交通智慧化

　——清華大學“未來交通”研究中心“城市交通超腦”研究與應用

　　在城市建設飛速發(fā)展的今天，交通發(fā)展狀況的好壞，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，貫穿城市建設的方方面面。近年來，隨著機動車保有量持續(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)結構不完善等現(xiàn)象。如：連通性強的干路缺乏，環(huán)形放射式路網(wǎng)相適應的放射性道路缺乏，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施不完備，交通管理手段單一，交通疏導不及時或不合理，導致城市道路通行能力低下等現(xiàn)象。

　　自上世紀90年代起，我國開展智能交通系統(tǒng)(ITS)建設，取得了顯著成效。在清華大學-劍橋大學-麻省理工學院低碳大學聯(lián)盟的框架下，三所國際著名大學于2012年聯(lián)合成立了“清華大學-劍橋大學-麻省理工學院‘未來交通’研究中心”并由教育部長江學者、清華大學吳建平教授任中心主任。中心核心團隊由4名清華大學教授，4名劍橋大學和麻省理工學院教授及2名國際杰出訪問教授組成;中心邀請了2位英國皇家學會院士和4位中國科學院、工程院院士擔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科交叉的特色，研究適應未來人類社會和未來城市發(fā)展的未來交通系統(tǒng)和相關科學技術，做出原創(chuàng)性的科學研究;綜合應用現(xiàn)代先進的科學技術，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，步入世界領先行列。該中心研究和開發(fā)的微觀交通仿真模型“FLOWSIM”，填補了國內空白，并成功應用到2008年北京奧運會交通管理和組織優(yōu)化。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)與云計算等技術的快速發(fā)展，交通管理也逐漸由數(shù)字化走向智慧化。清華大學“未來交通”研究中心在該領域做出了突出貢獻，他們針對國內智能交通管理系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀，提出“城市交通超腦”概念，讓交通系統(tǒng)自身具有獨立思考、自主決策和智慧運營等能力。“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，集管理與服務于一體的交通中樞系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)路網(wǎng)交通狀況實時分析和評價、交通業(yè)務在線綜合管理、交通信息服務便民、交通信號燈優(yōu)化設置、區(qū)域交通組合與交通誘導動態(tài)優(yōu)化、以及交通突發(fā)事件預測預報和影響范圍預估。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”體系構建，在相關領域發(fā)表高水平論文100余篇，申請國際發(fā)明專利授權10項，國內發(fā)明專利授權15項，并奪得“2016日內瓦國家發(fā)明博覽會金獎”，“2017中國仿真學會一等獎”，“2018年北京市科技獎”?！拔磥斫煌ā毖芯恐行牡募夹g已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，通過清華控股投資科進英華集團向市場開放。

　　圖 1. 城市交通超腦概念圖

　　“城市交通超腦”由大數(shù)據(jù)運營體系、評估評價體系、專家決策體系和管理控制體系四個體系構建而成。其中，大數(shù)據(jù)運營體系負責將各個原本處于孤立或分散狀態(tài)的交通管理子系統(tǒng)進行融合，如視頻監(jiān)控、電警、卡口、信號燈管理、應急指揮、警務系統(tǒng)等，并基于同一GIS地圖(GIS：Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))進行深度數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)信息的融合和處理。評估評價體系負責建設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)化進行評價。專家決策體系是針對交通系統(tǒng)所存在的各類癥結，利用仿真平臺給出多項解決方案及方案的量化評分，并選出最優(yōu)解決方案。管理控制體系由實時交通管控和交通信息服務兩部分組成，能充分利用智能管理的優(yōu)勢，自動調配各類交通資源，實現(xiàn)城市交通科學的、智能化的管理。

　　“城市交通超腦”體系的構建，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”的相關技術已在北京、天津、杭州等城市得到應用。調查發(fā)現(xiàn)，該技術的應用，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)濟效益數(shù)百億元。“城市交通超腦”是構建智慧交通的核心技術，清華大學已將該超腦相關技術進行知識產(chǎn)權轉讓。這標志著“城市交通超腦”研發(fā)和實施已進入一個快速發(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，科學管理和調度車輛，最大限度地開發(fā)城市交通潛能。“城市交通超腦”將成為我國實現(xiàn)“交通強國”戰(zhàn)略的重要關鍵技術之一，是中國創(chuàng)新、引領世界的成功范例之一。

　　“城市交通超腦”的核心技術主要包括：

　　一、基于大數(shù)據(jù)駕駛風格的挖掘與分析

　　駕駛風格指的是在駕駛過程中個體所形成的習慣性駕駛模式。為能探究駕駛風格的內部結構化信息，進而對不同駕駛風格予以識別和建模，如圖3所示。

　　圖3. 駕駛風格解析

　　二、在線交通仿真

　　“在線交通仿真”主要包含實時數(shù)據(jù)、云上仿真、并行計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、基于深度學習的動態(tài)交通分配模型

　　相對傳統(tǒng)交通仿真而言，“城市交通超腦”運用計算機神經(jīng)網(wǎng)絡的深度學習技術，能快捷求解動態(tài)交通分配方案,并可節(jié)省運算時間80%以上。

　　四、節(jié)點失效法與動態(tài)路網(wǎng)重構法

　　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)點失效和動態(tài)路網(wǎng)重構方法。動態(tài)交通仿真平臺可重構實時動態(tài)路網(wǎng)，真實模擬交通網(wǎng)絡，由此得出的在線交通管理誘導方案，能讓城市汽車在城市惡劣氣候環(huán)境下延誤平均縮短50%。