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陸化普：建設城市交通大腦的若干思考
發布時間：2019-01-10 分類：趨勢研究
隨著城市交通復雜性增加和交通大數據不斷積累，通過建設城市交通大腦破解交通問題的期待和呼聲越來越高。然而，如果沒有完善的頂層設計、有效的監督機制和嚴格的驗收標準與環節，城市交通大腦的建設將難以達到預期目標，造成投資浪費。在這一背景下，作者對城市交通大腦建設展開研究并提出若干建議。作者為清華大學交通研究所，教授，博士生導師，所長。
城市病的破解思路與城市交通大腦的功能需求
1、城市交通大腦助力破解城市交通難題
中國城市正面臨著破解城市病的嚴峻挑戰，例如緩解交通擁堵、減少交通排放、提升交通效率、強化交通安全、提升交通服務等，破解上述城市病的基本思路是堅持以系統科學為指導、以交通工程原理為依據，采取綜合措施保持交通供求關系的最佳匹配狀態和動態平衡(見下圖)。其中智能交通是助力破解交通擁堵、降低排放、提升交通效率、提高安全水平和提升服務品質的關鍵，也是實現交通世界領先的重要抓手。
隨著信息技術和智能技術的發展，高智商的城市交通大腦無疑會助力解決城市交通難題，提高城市交通的分析、診斷、規劃、決策、方案生成和方案實施、效果預評估與后評估能力，一個優秀的系統將具有優化反饋機制，使得系統的智能化水平不斷有機生長。
2、城市交通大腦的功能需求
確定城市交通大腦的功能需求可從問題導向和目標導向兩個方面考慮。從問題導向上看，城市交通大腦必須能夠助力破解城市交通擁堵、減少交通工具排放、提高服務品質和交通安全水平、保證良好交通秩序、實現動態交通管理、規范出行者交通行為等。從目標導向上看，城市交通大腦要具有不斷自我進化能力，逐步走向完全的自動化和智能化，包括基于多源異構信息的深度態勢分析、問題癥結及其機理研判、對策方案自動生成和實施、車路協同控制指揮服務一體化、交通組織誘導和自動駕駛逐步走向智能化等。這是一個過程，這個過程必須有標準判斷、目標實現的時間節點、功能深度的具體描述和強有力的監督驗收機制等。
城市交通大腦的內涵與主要特征
城市交通大腦是在大數據、云計算、人工智能等新一代信息和智能技術快速發展的大背景下，通過類人大腦的環境感知、行動控制、情感表達、學習記憶、推理判斷、理解創造等綜合智能，對城市及城市交通相關信息進行全面感知、深度分析、綜合研判、智能生成方案、精準決策、系統應用、循環優化、創新發展來更好地實現對城市交通的治理和服務，破解城市交通問題并提供系統的綜合服務
城市交通大腦的主要特征體現在大數據高度集聚與共享化、分析研判過程的高度智能化、需求響應的精準與實時化、方案生成與決策的高質量化、自我進化過程的動態化等，貫穿在城市交通大腦十大核心要素中：感知認知、學習記憶、邏輯推理、綜合判斷、智能進化、發現規律、形成對策、評估預測、實施方案、創新創造。
城市交通大腦智能等級分類
城市交通大腦由于智能等級不同、功能構成不同、投資水平不同而差異很大。必須明確城市交通大腦的進化等級和功能水平，以便使城市交通系統的規劃設計者、系統建設者和交通管理者能夠有共同語言、共同目標、共同評價，便于規劃、決策、建設、驗收、交通組織與管理等全環節的智能化，保證城市交通大腦具有智能升級基因和行為機理，并隨著系統的運行不斷走向更高階別的智能化。
城市交通大腦應包括交通規劃、建設、管理等交通系統的全環節。本文以城市交通管理大腦為例，建議將其進化過程分為5個階段
城市交通大腦頂層設計要點
做好城市交通大腦的頂層設計是成功實現交通大腦建設目標的關鍵。城市交通大腦的頂層設計至少要回答和解決如下問題。
1、數據的采集和接入
頂層設計中要解決數據的采集和接入問題，數據采集類型應至少包括城市路網、城市客運方式、城市貨運方式、交通警務、無人機、步行和自行車交通、交通樞紐及手機信令等社會資源數據。數據采集方法包括人工數據采集、檢測器數據采集、數據共享等方式。應建立統一標準的數據接入接口，能夠對多源數據進行接入，能夠實現城市各部門交通數據的共享。通過構建統一的數據采集、分析及處理平臺，實現信息資源高度共享、融合和綜合利用，匯集成大數據資源池，實現交通數據的全覆蓋、全關聯、全開放和全分析，從而給市民提供更加優質和高效的交通服務。
2、數據結構與數據云設計
頂層設計中需要對數據的邏輯結構、物理結構和運算方式進行說明。基于當前云計算技術能夠實現資源共享、按需動態調整的優點，在建設城市交通大腦時，需要搭建基于云技術架構的基礎設施云平臺，實現交通基礎設施軟硬件資源云化管理。
3、分析模型體系
城市交通大腦要建立多種分析模型，利用大數據分析技術，基于交通工程原理，建立需求分析、現狀評價、違法態勢、擁堵成因、控制優化、交通組織、安全預警、勤務督導、設施應用等多種大數據分析模型，實現對交通的全過程深度分析。
4、智能演化機理與能力
城市交通大腦要能夠進行機器學習，能夠從海量數據中洞悉人所沒有發現的復雜隱藏規律。對交通擁堵等機理問題借助數據、通過系統能夠實現自動演化，揭示交通運行規律，從機理上分析交通問題。
5、智能交通管理功能
城市交通大腦要能夠實現城市交通管理的核心功能，具體包括交通運行狀態實時監測、交通態勢實時動態分析、交通異常狀態智能預警與應對、交通戰略與政策制定、快速輔助交通執法、精準交通信息發布、全生命周期交通設施管理等功能。
6、系統功能實現與交通狀態自動評估
城市交通大腦要能夠實現智能交通管理系統功能并且對交通狀態進行自動評估，充分利用交通大數據，建立數據分析模型，對交通現狀、交通態勢自動進行評估，對交通問題進行自動診斷。
7、交通管理控制方案自動生成
為了應對不同需求特性、不同路網結構、不同環境下的交通擁堵，系統應能夠自動生成不同類型的策略方案。總體來說重點包括四個方面：1)信號控制方案優化。通過實施點、線、面的配時方案優化，提高道路網的運行效率。2)路段和交叉口設計優化。根據交叉口的交通需求特性進行交通組織、根據道路的潮汐交通流特征動態劃分車道等。3)道路網絡交通流均衡。對于交通需求在道路網上分布不均衡引發的擁堵，通過信息發布引導交通流在路網上均勻分布。4)區域交通組織。對于交通量大、流向復雜引發的高擁堵區域，以及道路狹窄、通行效率過低的區域，通過設立單向通行以及限制轉向等交通組織手段降低交通擁堵程度。
8、效果評價與實證檢驗
城市交通大腦不僅要具有自動方案生成能力，并且能夠對方案進行效果評價和驗證，借助當前能夠獲得的車輛位置等實時交通大數據，及時、多次對生成的方案進行動態評價和智能更新。
城市交通大腦科學論證與驗收標準
1、頂層設計論證與驗收程序建議
城市交通大腦建設投資巨大，事前應該進行深入論證。國家應建立專家庫，從專家庫成員中抽取組成具體項目論證專家組。城市交通大腦項目經專家論證后方能進入實施推進階段，專家組的論證意見及論證過程存檔。
城市交通大腦建設完成后應進行嚴格驗收。對驗收流程建議如下：1)選擇系統功能驗收單位，組建驗收項目組；2)審閱系統建設合同、系統建設方案等相關文件；3)根據上述相關文件，對城市交通大腦的所有功能模塊進行逐一測試，從數據接入到功能實現，確保系統能夠應用；4)給出系統驗收意見，包括系統功能是否實現、應如何改進等，提交驗收文檔。
城市交通大腦預期功能的完全實現是系統發揮作用的前提，因此驗收環節至關重要。為保證驗收的科學性和準確性，建議制定驗收標準。
2、驗收標準建議
智能交通系統項目的驗收方式尚沒有真正關于系統功能、系統運行效果的實際檢測的、細致的驗收評價，有時只是形式上的驗收，缺乏系統后評價標準和要求。建議根據當前情況，建立完善的智能交通系統建設項目的驗收制度與驗收程序，對城市交通大腦的建設成果進行驗收，由獨立第三方進行項目的驗收審核。
建設城市交通大腦面臨的研究課題
1、基礎理論研究
1)傳統交通工程原理在城市交通大腦中的應用。一方面，城市交通大腦是一個由現狀數據、統計規律與專家經驗共同構成的系統，如果沒有專家經驗的介入，僅依靠統計規律會得到嚴重脫離實際的分析結果和解決方案。另一方面，在系統中加入大量經過上百年交通領域學者探索獲得的、已經被實踐證實的理論規律可以大大節約分析、模擬和決策制定的時間，提高運行效率。
2)數據處理問題。當前的交通數據中，大量非結構化數據如視頻、自然語言文字等占用了大部分存儲空間，如何通過高效的運算與識別手段進行信息遺漏少、數據利用多的處理并量化給予權重，與高度結構化的數據融合分析，指導城市治理，將是城市交通大腦建設面臨的重要研究課題。
3)數據分析與模擬問題。城市交通系統是一個復雜巨系統，當前還沒有很好的方法對獲取的海量數據全盤統籌加以利用，或通過現有數據全面、精準預測交通狀態。未來在數據獲取、數據分析以及交通狀態演化分析的過程中，如何根據實際情況建立模型、揭示規律、更好地預測未來的交通狀態問題需要進一步深化研究。
2、城市交通大腦技術
1)智能交通基礎設施技術問題。城市交通大腦的高效運行需要大量傳感器、控制器等底層設備的支持和配合，在提高城市交通大腦的分析、診斷、規劃、決策、方案生成、效果評估水平的同時，也要盡力提高數據采集、方案實施的能力，特別是底層設施設備的技術能力。
2)數據融合問題。對于城市交通來說，多元數據匯聚、融合的一個基礎性工作是數據的標準化、結構化以及統一的表達性。包括數據底盤總體設計、統一路網規范和試點城市樣本數據、視頻結構化數據接入標準、交通參數輸出標準等。有了多源數據匯聚和融合，才能更加精準地解決城市交通難題，提供高效交通服務。
3)數據安全問題。城市交通大腦必須從軟硬件兩個角度確保數據安全。一方面，交通數據涉及國家安全、公共安全、交通安全、社會治理等多方面的重要信息，如果泄露將造成嚴重后果；另一方面，如果交通控制參數受到別有用心者的干預和影響，輕則城市運行效率下降，重則危及國家或個人安全。
3、城市交通大腦建設與社會治理
1)公眾參與城市交通管理有利于解決城市交通問題。如何借助城市交通大腦建設，有效利用網絡平臺，調動百姓參與城市管理的積極性，形成人人參與城市管理的氛圍，提升城市交通管理的科學性、及時性、有效性和針對性，在網絡時代將是城市交通治理的關鍵。
2)構建城市交通大腦應該以問題為導向。隨著城市的迅速發展，中小城市交通擁堵、污染、事故、違法等問題日益嚴重，如何在投資有限的情況下，建設能夠解決實際交通問題、產生實際應用效果的城市交通大腦是建設城市交通大腦的工作重點。同時，交通管理科技信息化應用必然會涉及大量的技術開發和資金、人力投入，應進行充分的科學論證，避免投資失誤和決策浪費。
3)做好頂層設計和科學論證是城市交通大腦健康發展的重要保障。當前城市交通大腦的宣傳和推廣十分迅速，然而其實施效果缺乏科學檢驗和論證。未來的城市交通大腦因其公共服務的屬性應該是由政府主導建立的，政府應充分履行行業監管責任，進行科學、高效、有力的市場監管。
4、城市交通大腦建設機制
1)市場作用的發揮。在城市交通大腦的市場競爭過程中，存在不以技術或對城市發展的作用為重的現象。作為行業主體的一些公司本身也處在對智能交通行業、對信號優化配時工作的熟悉和了解過程中，有些關鍵數據以及不對外說明基本工作原理的做法等均值得商榷。這些信息的不透明造成了對城市交通大腦的預期過高，最終帶來的結果是科技媒體上的“顛覆”和“革命”用詞很多，卻少有甚至沒有機會了解實際效果。因此，應該建立確保市場基本透明度和競爭性的市場機制，制定基本的服務與系統驗收規范。
2)政、產、學、研、用一體化攻關。由于城市交通問題的復雜性，城市交通擁堵等問題的解決是一個復雜的系統工程。城市交通大腦的功能實現需要對城市以及城市交通系統有深刻的理解和交通工程理論等基礎理論和工程實踐經驗的有力支撐。也就是說，高等院校、科研機構以及高科技企業的聯合攻關是成功建設城市交通大腦的基本前提。因此，以嚴謹的科學態度、務實負責的精神，政、產、學、研、用一體化攻關，是實現人工智能技術在交通領域深度應用的可能途徑。
城市交通大腦建設后評價
城市交通大腦的后評價是保證政府投資效益、系統功能運行的必要環節。需要通過系統、科學的評價方法得出結論。按照城市交通大腦建成前后的對比分析，可以從四個方面開展評價：1)交通運行狀況評價，包括路網整體和局部的運行狀況；2)交通安全效益評價，在交通安全、交通違法等方面是否得到明顯緩解和控制；3)社會經濟效益評價，從交通參與者的出行成本、出行效率以及系統建設對交通投資的影響等方面進行分析評價；4)交通管理效率評價，對交通執法效率、快速反應能力等方面進行評價。
總之，城市交通大腦建設是破解交通問題、實現世界一流交通管理水平的重要手段，具有巨大的市場潛力和需求。從解決問題的角度分析，城市交通大腦的第一標準是能夠實現的功能和能夠取得的效果，而不是系統建設本身；從市場的角度來看，必須公開化、透明化、公平化，系統目標明確、驗收標準清晰、專家論證充分。
目前階段需要把握的關鍵是交通大腦建設要遵循交通工程原理，注重實際效果。有無實際效果是評價交通大腦的第一標準，同時系統要具有優化反饋機制(自我進化機制)。換句話說，智能進化機制應該是城市交通大腦的核心功能要求。
