面向未來的智能網(wǎng)聯(lián)交通

           一、研究背景

          1.交通擁擠的持續(xù)發(fā)展

          交通系統(tǒng)的問題非常之多，同行們也做了非常多的工作，但是未來依然有無限、廣闊的空間，不僅在中國，在世界上無論是發(fā)達國家、發(fā)展中國家都這樣認為，即便像倫敦這樣歷史悠久的城市，做了很多工作的結(jié)論是依然需要持續(xù)地努力對策交通問題。

           2.交通系統(tǒng)的迅速變革

          交通有趣的是很多時候可能你不用想創(chuàng)新，也必然會創(chuàng)新，因為交通的系統(tǒng)在不斷地變化。下圖是一張經(jīng)典的照片，十年前倫敦人在擔心大街會不會被馬糞淹沒，十年之后紐約博覽會大街完全變成了汽車，行業(yè)的飛速變化，特別是現(xiàn)在百年未有之大變局，也有技術(shù)的變革，技術(shù)變革在十年之后或者二十年之后交通會是什么樣子？顯然是需要特別關(guān)心的問題，否則現(xiàn)在做的事可能和以后做的事不一定能夠匹配，特別是現(xiàn)在，又進入了一個快速變革的時代。

           3.關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的快速豐富

           在和國際同行交流過程中，也會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重要性越來越大。關(guān)于GPS的數(shù)據(jù)，20年前就是一些很多研究的熱點，最近在2020年的時候，美國人寫了一個報告，說怎么樣用GPS或者軌跡數(shù)據(jù)，我們可以想象國家層面在重新探討這部分研究。 

           換言之，可能針對數(shù)據(jù)本身的普及性、普遍性、精度，甚至未來和網(wǎng)聯(lián)車的關(guān)系等等，導致人們對數(shù)據(jù)的重視程度越來越高，這些數(shù)據(jù)怎么樣發(fā)揮作用；怎么樣更好地獲得更便宜的數(shù)據(jù)，依然是非常大的科學研究的也好，工程質(zhì)監(jiān)也好的背景。

           4.品質(zhì)要求的全面提升

           人們關(guān)心的不僅僅坐在車里的問題，而在于人們本身的生活品質(zhì)，特別是我們國家，脫貧之后的問題在于追求的是質(zhì)量，我們的生活質(zhì)量到底怎么樣？我們的城市發(fā)展，上海講究存量城市的規(guī)劃，還有疫情時代，給人們的出行方式、出行行為等各個視角可能帶來什么樣的變化？這也是我們在做研究和國際合作探討的時候，考慮的很重要的背景信息。

           二、國際合作研究進展

          智能網(wǎng)聯(lián)也好、數(shù)據(jù)也好，還有信息化也好、智能化也好，一定會來，我們總歸要從當前問題的解決入手，明天需要什么樣的技術(shù)，怎么樣改善現(xiàn)有的系統(tǒng)。同時我們也會考慮，在未來可能五年、十年，甚至更長的時間，技術(shù)怎么樣發(fā)展？精準管控、車路協(xié)同、出行服務(wù)是主要的三個合作視角，這些工作也得到了國家資源科技基金委、國家留學基金委、國家重點研發(fā)計劃、國際合作重點專項等一系列工作的支持。

           1.精準管控

          智能管控核心的觀點就是能不能用更少的資源實現(xiàn)更精準的管控。比如可以用更少的土地，不用拓寬，不用借路，能不能提高通用能力，能不能不安裝那么多檢測設(shè)備、攝像頭等等，能不能用更少的投入獲得更好的效果，包括能不能很好地診斷系統(tǒng)的問題，能不能對優(yōu)化結(jié)果進行很好地評估等，我們和紐約大學、華盛頓大學做了一系列的研究，分析混合流下道路通行能力和折算系數(shù)，研究了基于多源數(shù)據(jù)的交通控制診斷分析等。

          我們和德國波鴻魯爾大學合作研究如何通過時空協(xié)同設(shè)計，提高通行能力，比如我們經(jīng)?？吹浇徊婵谒^的待行區(qū)，這種東西到底對通行能力、節(jié)能減排有什么樣的效果，我們做了深入的分析。我們還突破現(xiàn)有的常規(guī)，提出了一些非常規(guī)交叉口設(shè)計與優(yōu)化控制方法，并分析了非常規(guī)的設(shè)計對通行能力、效率、安全產(chǎn)生的影響。

          在我們的城市道路里，比如我們經(jīng)?？吹浇徊婵诘拿撐舶停褪桥抨犚缌鳎@是造成交通堵塞重要的問題，這一個路口并不是所有的高峰時間都會溢流，這是隨機性的問題，我們和香港科技大學合作提出了優(yōu)化方法，能夠提高控制系統(tǒng)所謂的魯棒性和可靠性，以至于方案上去之后，顯著降低發(fā)生溢流的概率，可以有效地防止擁擠擴散。

          我們國家做公交永遠是非常重要的話題，我們和亞利桑那大學的合作是怎么樣實現(xiàn)通過空間資源分配和信號配時之間的協(xié)同優(yōu)化提高公交優(yōu)先的效率。我們和馬薩諸塞大學一起合作，把公交和小汽車的網(wǎng)絡(luò)里單點問題拓展到通道上。對于這樣的通道，既有公交優(yōu)先或者濾波的要求，我們也有小汽車協(xié)調(diào)控制的要求，怎么樣設(shè)置一個同時滿足公交和小汽車兩個模式的濾波。

          如果公交的量很大，依然需要所謂寬的濾波，如果量沒那么大，它追求的是濾波存在性，而不一定要多寬，考慮種種因素和兩大學區(qū)合作，在這方面做了一些進展。

          我們和香港科技大學還在共同探索行人-機動車網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化問題，現(xiàn)在越來越多的城市在關(guān)注人的過街問題，比如上?；蛘呶靼驳囊恍┏鞘姓f我們要嚴格執(zhí)行在過馬路的時候，車要讓行。如果把問題擴展開來，對于一條路上，我們怎么樣有效地為行人設(shè)置好過街通道，怎么樣控制好它的信號，同時還能保證機動車的通行需求，我們還做了這方面的分析，包括橫道的布局、控制、信號協(xié)調(diào)等一系列的工作。

          2.車路協(xié)同

          車路協(xié)同領(lǐng)域的一個問題是如果有網(wǎng)聯(lián)車之后，我們的管控會有什么樣的變化？我們的觀點認為，如果以后智能車或者自動駕駛車進入了常規(guī)的通流之后，從機器駕駛、智能化的角度來講，相當于姚明站在一群人里面，你如何協(xié)同好，以及智能化個性特點和個性化的同時，讓車流、人群效率更好。 

          我們在做的這個邊緣計算設(shè)備，能夠和常規(guī)的體系銜接，同時也能夠服務(wù)智能化、網(wǎng)聯(lián)化的體系，這可能是未來的重心。圍繞這個工作，我們進行了一系列的分析，首先回到怎么樣用好網(wǎng)聯(lián)化的環(huán)境下提供的數(shù)據(jù)。這個報告對美國的信號控制進行了評估，大概43%的機構(gòu)沒有日?；厥占瘮?shù)據(jù)用于交通管控的信號優(yōu)化。還有數(shù)據(jù)質(zhì)量本身沒有很好地評估，即使有數(shù)據(jù)，質(zhì)量不一定能支撐未來的工作。還有人說數(shù)據(jù)可能是錯的，沒有檢查的話，用的數(shù)據(jù)不一定準確等等，同時他也認為我們的信號系統(tǒng)應該有定量化的優(yōu)化和分析。

          智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，用數(shù)據(jù)不等于一定要安裝大量的設(shè)備。如果我們在每個路口，甚至路段上都要求安裝檢測設(shè)備的話，首先，我們能不能支撐起這么大的投入；其次，這些東西會壞的，我們是長期維護和更新的投入，這個能不能維持；最后，即使給你了這么多數(shù)據(jù)能不能做得更好。

          基于這樣的背景，我們考慮現(xiàn)實的情況，以后網(wǎng)聯(lián)車會越來越多，會提供高精度的軌跡數(shù)據(jù)，其實現(xiàn)在就有，比如、出租車公交車、百度、導航等等這些系統(tǒng)能夠提供不同精度、不同頻率的軌跡數(shù)據(jù)。

          我們能不能基于軌跡數(shù)據(jù)做狀態(tài)預測，這是和我們和帝國理工等做的合作，用的人工智能方法，基于有限的軌跡數(shù)據(jù)做交通狀態(tài)分析預測。同時我們研發(fā)了基于有限的軌跡數(shù)據(jù)做信號配時的優(yōu)化方法，這是兩種方法的前后對比，可以看到不需要流量檢測數(shù)據(jù)，我們的方法在很多情況下優(yōu)于基于流量的方法。

          同時我們和華盛頓大學合作的另外一個問題，分析網(wǎng)聯(lián)車管控交通流的作用。這個是華盛頓洲發(fā)布的數(shù)據(jù)，我們根據(jù)這個數(shù)據(jù)做分析。我們發(fā)現(xiàn)通過改變推薦速度，二十幾輛網(wǎng)聯(lián)車可以改變整體交通流的擁堵狀態(tài)，無論是擁堵的持續(xù)時間，還是擁堵長度都會顯著改善。

          如果能夠用好這個東西，車輛原本是控制的對象，其實它可以變成控制的手段改善交通的。這是基于實際數(shù)據(jù)做的研究，也展示了這方面的潛力和價值。

          在2013年的時候，我們和亞利桑那大學合作做了一個探索，和現(xiàn)在我們說用智慧高速上所謂的柔性車道管控的思路是一致的。我們研究讓網(wǎng)聯(lián)車動態(tài)進入公交專用道，以提高車道利用率的研究。紅色的車表示接到信息要離開，其實沒那么容易，因為旁邊也是有車的，我們研究了如何動態(tài)利用的控制方法，也研究了清空的策略。

          當然我們還探索了一些更未來的場景，比如說如果我們的路上全部開的是網(wǎng)聯(lián)車或者網(wǎng)聯(lián)自動車，這可能會來遙遠的未來，也可能在某些無人區(qū)、停車場可以實現(xiàn)的。我們做了一系列分析，包括我們的方法和一些已有的方法進行對比，這也是我們和密歇根大學一起合作的。

          同時我們把這個問題從單點拓展到網(wǎng)絡(luò)，一條干線上能不能實現(xiàn)更好地合作。這個路上如果以后全部是智能車或者封閉的廠區(qū)，也無所謂出口道、無所謂進口道，無所謂一定要調(diào)頭、左轉(zhuǎn)，這都是車輛軌跡規(guī)劃的一部分，完全突破了現(xiàn)有的交通控制常規(guī)體系，會有顯著的效果。

          3.出行服務(wù)

          在出行服務(wù)方面的探索，研究的核心在于共享方式，可能完整的出行包括航空、高鐵、客運，城市里的交通、軌道、出租車等等。我們關(guān)心的是循環(huán)的公交系統(tǒng)、靈活性的公交系統(tǒng)、汽車共享的系統(tǒng)、共享的自行車系統(tǒng)，這些系統(tǒng)怎么樣能夠和大的系統(tǒng)融合在一起，為我們的出行提供服務(wù)。 

          我們可以一單預約出行車之后，這個人出行會打開APP看屏幕上的點，我們要捕捉他在打開APP的那個位置，那個位置才是他真正的位置。通過所謂觸點的數(shù)據(jù)分析這個人到底在什么地方、什么地點想要出行，反過來可以靈活配置設(shè)施，乃至站點、車輛。

          這個合作還繼續(xù)做了一系列的延伸，比如我們預測人的出發(fā)點和目的地?，F(xiàn)在我們說共享出行的方式，包括以后互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)講究所謂的體驗，希望你輸入的數(shù)據(jù)越少越好，我就知道什么人要從哪里借車，  這個車要開到哪里，我估出來之后可以進行有效的資源配置，我們也做了一系列這方面的研究。

          在這個基礎(chǔ)上，我們進一步做，反過來如果人的需求知道了，我們怎么樣配備好站點車輛設(shè)施、規(guī)劃。如果以后，特別是新能源車，我們國家在推兩碳，電動車出來之后，怎么樣追蹤電量的情況，實現(xiàn)最好的調(diào)度。

          在這方面，如何調(diào)度的時候，我們還要考慮運營者可以調(diào)度，我可以派一輛卡車從A拉到B，也可以通過激勵的措施讓用戶自己把車開到B，這也是一種方式，我們做了一系列的分析，我們和丹麥科技大學等一起合作在這方面進行了系列研究。

          在這個基礎(chǔ)上，我們還和代爾夫特、瑞典的理工大學合作，如果激勵的方式做一些變化，能不能改變?nèi)藗兊某鲂谢蛘呷≤?、還車的點。

          三、未來展望

          我們談管控、服務(wù)，圖中是很多年前的交叉口，有人做了改善，從亂到治，一般意義上講認為這個治應該是好的。又有人發(fā)布了這樣的視頻，當然它傳遞了一種色彩或者一種想法，我們就會反過來問，這個是混合的，這是治理過后的，這個也是混合的，哪個是好的。

          從研究角度來講很難說，反過來說車輛也好、技術(shù)也好都在變化，我們本身需要新的理論、新的技術(shù)突破、支撐、研究、給出新的結(jié)論，國際合作對我們來講至關(guān)重要，不同國家處于不同的階段，有不同的優(yōu)勢，有利于探討新理論、新技術(shù)。 

          對于我們國家而言，我們已經(jīng)到了新的階段，我們國家提出了非常宏大的目標，特別是高質(zhì)量的發(fā)展，同樣也需要進一步深入地國際合作，能夠?qū)崿F(xiàn)宏偉的目標。