陸化普，肖天正，楊 鳴

(清華大學交通研究所，北京100084)

隨著城市交通復雜性增加和交通大數(shù)據(jù)不斷積累，基于網(wǎng)絡技術、移動通信技術、北斗位置服務、人工智能等技術的不斷發(fā)展，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。由于建設城市交通大腦需要巨大投入，加之其建設尚處于探索階段，如果沒有完善的頂層設計保證建設的科學性、沒有有效的監(jiān)督機制和嚴格的驗收標準與環(huán)節(jié)，城市交通大腦的建設可能無法達到預期目標，造成投資浪費，延誤解決城市交通問題的重要時機。

1 城市病的破解思路與城市交通大腦的功能需求

1.1 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(zhàn)，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(tǒng)科學為指導、以交通工程原理為依據(jù)，采取綜合措施保持交通供求關系的最佳匹配狀態(tài)和動態(tài)平衡(見圖1)。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(xiàn)交通世界領先的重要抓手。

圖1 交通擁堵對策思路Fig.1 Countermeasures to traffic congestion

隨著信息技術和智能技術的發(fā)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(guī)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(yōu)秀的系統(tǒng)將具有優(yōu)化反饋機制，使得系統(tǒng)的智能化水平不斷有機生長。

1.2 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(xiàn)動態(tài)交通管理、規(guī)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(tài)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(xié)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(xiàn)的時間節(jié)點、功能深度的具體描述和強有力的監(jiān)督驗收機制等。

2 城市交通大腦的內涵與主要特征

城市交通大腦是在大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息和智能技術快速發(fā)展的大背景下，通過類人大腦的環(huán)境感知、行動控制、情感表達、學習記憶、推理判斷、理解創(chuàng)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(tǒng)應用、循環(huán)優(yōu)化、創(chuàng)新發(fā)展來更好地實現(xiàn)對城市交通的治理和服務，破解城市交通問題并提供系統(tǒng)的綜合服務(見圖2)。

圖2 基于人類大腦發(fā)展進程構建城市交通大腦的思路Fig.2 Urban traffic brain development based on the evolution of human brain

城市交通大腦的主要特征體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)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(tài)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(fā)現(xiàn)規(guī)律、形成對策、評估預測、實施方案、創(chuàng)新創(chuàng)造。

3 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(tǒng)的規(guī)劃設計者、系統(tǒng)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(guī)劃、決策、建設、驗收、交通組織與管理等全環(huán)節(jié)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(tǒng)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(guī)劃、建設、管理等交通系統(tǒng)的全環(huán)節(jié)。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(見表1)。

表1 城市交通管理大腦智能等級分類Tab.1 Level of intelligence classification of urban traffic management system

4 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(xiàn)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。

4.1 數(shù)據(jù)的采集和接入

頂層設計中要解決數(shù)據(jù)的采集和接入問題，數(shù)據(jù)采集類型應至少包括城市路網(wǎng)、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(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集方法包括人工數(shù)據(jù)采集、檢測器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享等方式。應建立統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)接入接口，能夠對多源數(shù)據(jù)進行接入，能夠實現(xiàn)城市各部門交通數(shù)據(jù)的共享。通過構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、分析及處理平臺，實現(xiàn)信息資源高度共享、融合和綜合利用，匯集成大數(shù)據(jù)資源池，實現(xiàn)交通數(shù)據(jù)的全覆蓋、全關聯(lián)、全開放和全分析，從而給市民提供更加優(yōu)質和高效的交通服務。

4.2 數(shù)據(jù)結構與數(shù)據(jù)云設計

頂層設計中需要對數(shù)據(jù)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(xiàn)資源共享、按需動態(tài)調整的優(yōu)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(xiàn)交通基礎設施軟硬件資源云化管理。

4.3 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(shù)據(jù)分析技術，基于交通工程原理，建立需求分析、現(xiàn)狀評價、違法態(tài)勢、擁堵成因、控制優(yōu)化、交通組織、安全預警、勤務督導、設施應用等多種大數(shù)據(jù)分析模型，實現(xiàn)對交通的全過程深度分析。

4.4 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(shù)據(jù)中洞悉人所沒有發(fā)現(xiàn)的復雜隱藏規(guī)律。對交通擁堵等機理問題借助數(shù)據(jù)、通過系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動演化，揭示交通運行規(guī)律，從機理上分析交通問題。

4.5 智能交通管理功能

城市交通大腦要能夠實現(xiàn)城市交通管理的核心功能，具體包括交通運行狀態(tài)實時監(jiān)測、交通態(tài)勢實時動態(tài)分析、交通異常狀態(tài)智能預警與應對、交通戰(zhàn)略與政策制定、快速輔助交通執(zhí)法、精準交通信息發(fā)布、全生命周期交通設施管理等功能。

4.6 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與交通狀態(tài)自動評估

城市交通大腦要能夠實現(xiàn)智能交通管理系統(tǒng)功能并且對交通狀態(tài)進行自動評估，充分利用交通大數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)分析模型，對交通現(xiàn)狀、交通態(tài)勢自動進行評估，對交通問題進行自動診斷。

4.7 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(wǎng)結構、不同環(huán)境下的交通擁堵，系統(tǒng)應能夠自動生成不同類型的策略方案?？傮w來說重點包括四個方面：1)信號控制方案優(yōu)化。通過實施點、線、面的配時方案優(yōu)化，提高道路網(wǎng)的運行效率。2)路段和交叉口設計優(yōu)化。根據(jù)交叉口的交通需求特性進行交通組織、根據(jù)道路的潮汐交通流特征動態(tài)劃分車道等。3)道路網(wǎng)絡交通流均衡。對于交通需求在道路網(wǎng)上分布不均衡引發(fā)的擁堵，通過信息發(fā)布引導交通流在路網(wǎng)上均勻分布。4)區(qū)域交通組織。對于交通量大、流向復雜引發(fā)的高擁堵區(qū)域，以及道路狹窄、通行效率過低的區(qū)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。

4.8 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(shù)據(jù)，及時、多次對生成的方案進行動態(tài)評價和智能更新。

圖3 城市交通大腦驗收評價關鍵Fig.3 Key points of acceptance and assessment of urban traffic brain

5 城市交通大腦科學論證與驗收標準

5.1 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?guī)?，從專家?guī)斐蓡T中抽取組成具體項目論證專家組。城市交通大腦項目經(jīng)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(tǒng)功能驗收單位，組建驗收項目組；2)審閱系統(tǒng)建設合同、系統(tǒng)建設方案等相關文件；3)根據(jù)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(shù)據(jù)接入到功能實現(xiàn)，確保系統(tǒng)能夠應用；4)給出系統(tǒng)驗收意見，包括系統(tǒng)功能是否實現(xiàn)、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(xiàn)是系統(tǒng)發(fā)揮作用的前提，因此驗收環(huán)節(jié)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。

5.2 驗收標準建議

智能交通系統(tǒng)項目的驗收方式尚沒有真正關于系統(tǒng)功能、系統(tǒng)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(tǒng)后評價標準和要求。建議根據(jù)當前情況，建立完善的智能交通系統(tǒng)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，驗收評價的要點要求如圖3所示。

6 建設城市交通大腦面臨的研究課題

6.1 基礎理論研究

1）傳統(tǒng)交通工程原理在城市交通大腦中的應用[3]。一方面，城市交通大腦是一個由現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、統(tǒng)計規(guī)律與專家經(jīng)驗共同構成的系統(tǒng)，如果沒有專家經(jīng)驗的介入，僅依靠統(tǒng)計規(guī)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(tǒng)中加入大量經(jīng)過上百年交通領域學者探索獲得的、已經(jīng)被實踐證實的理論規(guī)律可以大大節(jié)約分析、模擬和決策制定的時間，提高運行效率。

2）數(shù)據(jù)處理問題。當前的交通數(shù)據(jù)中，大量非結構化數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)利用多的處理并量化給予權重，與高度結構化的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析與模擬問題。城市交通系統(tǒng)是一個復雜巨系統(tǒng)，當前還沒有很好的方法對獲取的海量數(shù)據(jù)全盤統(tǒng)籌加以利用，或通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)全面、精準預測交通狀態(tài)。未來在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析以及交通狀態(tài)演化分析的過程中，如何根據(jù)實際情況建立模型、揭示規(guī)律、更好地預測未來的交通狀態(tài)問題需要進一步深化研究。

6.2 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(guī)劃、決策、方案生成、效果評估水平的同時，也要盡力提高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)融合問題。對于城市交通來說，多元數(shù)據(jù)匯聚、融合的一個基礎性工作是數(shù)據(jù)的標準化、結構化以及統(tǒng)一的表達性。包括數(shù)據(jù)底盤總體設計、統(tǒng)一路網(wǎng)規(guī)范和試點城市樣本數(shù)據(jù)、視頻結構化數(shù)據(jù)接入標準、交通參數(shù)輸出標準等。有了多源數(shù)據(jù)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[4]。

3）數(shù)據(jù)安全問題[5]。城市交通大腦必須從軟硬件兩個角度確保數(shù)據(jù)安全。一方面，交通數(shù)據(jù)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(shù)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。

6.3 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(wǎng)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(wǎng)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)監(jiān)管責任，進行科學、高效、有力的市場監(jiān)管。

6.4 城市交通大腦建設機制

1）市場作用的發(fā)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(fā)展的作用為重的現(xiàn)象。作為行業(yè)主體的一些公司本身也處在對智能交通行業(yè)、對信號優(yōu)化配時工作的熟悉和了解過程中，有些關鍵數(shù)據(jù)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(tǒng)驗收規(guī)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(tǒng)工程。城市交通大腦的功能實現(xiàn)需要對城市以及城市交通系統(tǒng)有深刻的理解和交通工程理論等基礎理論和工程實踐經(jīng)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(yè)的聯(lián)合攻關是成功建設城市交通大腦的基本前提。因此，以嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、務實負責的精神，政、產、學、研、用一體化攻關，是實現(xiàn)人工智能技術在交通領域深度應用的可能途徑。

7 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(tǒng)功能運行的必要環(huán)節(jié)。需要通過系統(tǒng)、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(wǎng)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(jīng)濟效益評價，從交通參與者的出行成本、出行效率以及系統(tǒng)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(zhí)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(xiàn)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(xiàn)的功能和能夠取得的效果，而不是系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)要具有優(yōu)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。