面向未來(lái)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(wèn)題非常之多，同行們也做了非常多的工作，但是未來(lái)依然有無(wú)限、廣闊的空間，不僅在中國(guó)，在世界上無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家、發(fā)展中國(guó)家都這樣認(rèn)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(duì)策交通問(wèn)題。

           2.交通系統(tǒng)的迅速變革

          交通有趣的是很多時(shí)候可能你不用想創(chuàng)新，也必然會(huì)創(chuàng)新，因?yàn)榻煌ǖ南到y(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(dān)心大街會(huì)不會(huì)被馬糞淹沒(méi)，十年之后紐約博覽會(huì)大街完全變成了汽車(chē)，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(huì)是什么樣子？顯然是需要特別關(guān)心的問(wèn)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(jìn)入了一個(gè)快速變革的時(shí)代。

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

           在和國(guó)際同行交流過(guò)程中，也會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重要性越來(lái)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(diǎn)，最近在2020年的時(shí)候，美國(guó)人寫(xiě)了一個(gè)報(bào)告，說(shuō)怎么樣用GPS或者軌跡數(shù)據(jù)，我們可以想象國(guó)家層面在重新探討這部分研究。 

           換言之，可能針對(duì)數(shù)據(jù)本身的普及性、普遍性、精度，甚至未來(lái)和網(wǎng)聯(lián)車(chē)的關(guān)系等等，導(dǎo)致人們對(duì)數(shù)據(jù)的重視程度越來(lái)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(xué)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(chē)?yán)锏膯?wèn)題，而在于人們本身的生活品質(zhì)，特別是我們國(guó)家，脫貧之后的問(wèn)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(shí)代，給人們的出行方式、出行行為等各個(gè)視角可能帶來(lái)什么樣的變化？這也是我們?cè)谧鲅芯亢蛧?guó)際合作探討的時(shí)候，考慮的很重要的背景信息。

           二、國(guó)際合作研究進(jìn)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(huì)來(lái)，我們總歸要從當(dāng)前問(wèn)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(shí)我們也會(huì)考慮，在未來(lái)可能五年、十年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，技術(shù)怎么樣發(fā)展？精準(zhǔn)管控、車(chē)路協(xié)同、出行服務(wù)是主要的三個(gè)合作視角，這些工作也得到了國(guó)家資源科技基金委、國(guó)家留學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)際合作重點(diǎn)專項(xiàng)等一系列工作的支持。

           1.精準(zhǔn)管控

          智能管控核心的觀點(diǎn)就是能不能用更少的資源實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)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(cè)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(wèn)題，能不能對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行很好地評(píng)估等，我們和紐約大學(xué)、華盛頓大學(xué)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(guó)波鴻魯爾大學(xué)合作研究如何通過(guò)時(shí)空協(xié)同設(shè)計(jì)，提高通行能力，比如我們經(jīng)常看到交叉口所謂的待行區(qū)，這種東西到底對(duì)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(jì)與優(yōu)化控制方法，并分析了非常規(guī)的設(shè)計(jì)對(duì)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)常看到交叉口的脫尾巴，就是排隊(duì)溢流，這是造成交通堵塞重要的問(wèn)題，這一個(gè)路口并不是所有的高峰時(shí)間都會(huì)溢流，這是隨機(jī)性的問(wèn)題，我們和香港科技大學(xué)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(kuò)散。

          我們國(guó)家做公交永遠(yuǎn)是非常重要的話題，我們和亞利桑那大學(xué)的合作是怎么樣實(shí)現(xiàn)通過(guò)空間資源分配和信號(hào)配時(shí)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(xué)一起合作，把公交和小汽車(chē)的網(wǎng)絡(luò)里單點(diǎn)問(wèn)題拓展到通道上。對(duì)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(chē)協(xié)調(diào)控制的要求，怎么樣設(shè)置一個(gè)同時(shí)滿足公交和小汽車(chē)兩個(gè)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(méi)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(xué)區(qū)合作，在這方面做了一些進(jìn)展。

          我們和香港科技大學(xué)還在共同探索行人-機(jī)動(dòng)車(chē)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題，現(xiàn)在越來(lái)越多的城市在關(guān)注人的過(guò)街問(wèn)題，比如上?；蛘呶靼驳囊恍┏鞘姓f(shuō)我們要嚴(yán)格執(zhí)行在過(guò)馬路的時(shí)候，車(chē)要讓行。如果把問(wèn)題擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，對(duì)于一條路上，我們?cè)趺礃佑行У貫樾腥嗽O(shè)置好過(guò)街通道，怎么樣控制好它的信號(hào)，同時(shí)還能保證機(jī)動(dòng)車(chē)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(hào)協(xié)調(diào)等一系列的工作。

          2.車(chē)路協(xié)同

          車(chē)路協(xié)同領(lǐng)域的一個(gè)問(wèn)題是如果有網(wǎng)聯(lián)車(chē)之后，我們的管控會(huì)有什么樣的變化？我們的觀點(diǎn)認(rèn)為，如果以后智能車(chē)或者自動(dòng)駕駛車(chē)進(jìn)入了常規(guī)的通流之后，從機(jī)器駕駛、智能化的角度來(lái)講，相當(dāng)于姚明站在一群人里面，你如何協(xié)同好，以及智能化個(gè)性特點(diǎn)和個(gè)性化的同時(shí)，讓車(chē)流、人群效率更好。 

          我們?cè)谧龅倪@個(gè)邊緣計(jì)算設(shè)備，能夠和常規(guī)的體系銜接，同時(shí)也能夠服務(wù)智能化、網(wǎng)聯(lián)化的體系，這可能是未來(lái)的重心。圍繞這個(gè)工作，我們進(jìn)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(gè)報(bào)告對(duì)美國(guó)的信號(hào)控制進(jìn)行了評(píng)估，大概43%的機(jī)構(gòu)沒(méi)有日?；厥占瘮?shù)據(jù)用于交通管控的信號(hào)優(yōu)化。還有數(shù)據(jù)質(zhì)量本身沒(méi)有很好地評(píng)估，即使有數(shù)據(jù)，質(zhì)量不一定能支撐未來(lái)的工作。還有人說(shuō)數(shù)據(jù)可能是錯(cuò)的，沒(méi)有檢查的話，用的數(shù)據(jù)不一定準(zhǔn)確等等，同時(shí)他也認(rèn)為我們的信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)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?cè)诿總€(gè)路口，甚至路段上都要求安裝檢測(cè)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(huì)壞的，我們是長(zhǎng)期維護(hù)和更新的投入，這個(gè)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(shí)的情況，以后網(wǎng)聯(lián)車(chē)會(huì)越來(lái)越多，會(huì)提供高精度的軌跡數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)在就有，比如、出租車(chē)公交車(chē)、百度、導(dǎo)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(yù)測(cè)，這是和我們和帝國(guó)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(yù)測(cè)。同時(shí)我們研發(fā)了基于有限的軌跡數(shù)據(jù)做信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化方法，這是兩種方法的前后對(duì)比，可以看到不需要流量檢測(cè)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(shí)我們和華盛頓大學(xué)合作的另外一個(gè)問(wèn)題，分析網(wǎng)聯(lián)車(chē)管控交通流的作用。這個(gè)是華盛頓洲發(fā)布的數(shù)據(jù)，我們根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)做分析。我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變推薦速度，二十幾輛網(wǎng)聯(lián)車(chē)可以改變整體交通流的擁堵?tīng)顟B(tài)，無(wú)論是擁堵的持續(xù)時(shí)間，還是擁堵長(zhǎng)度都會(huì)顯著改善。

          如果能夠用好這個(gè)東西，車(chē)輛原本是控制的對(duì)象，其實(shí)它可以變成控制的手段改善交通的。這是基于實(shí)際數(shù)據(jù)做的研究，也展示了這方面的潛力和價(jià)值。

          在2013年的時(shí)候，我們和亞利桑那大學(xué)合作做了一個(gè)探索，和現(xiàn)在我們說(shuō)用智慧高速上所謂的柔性車(chē)道管控的思路是一致的。我們研究讓網(wǎng)聯(lián)車(chē)動(dòng)態(tài)進(jìn)入公交專用道，以提高車(chē)道利用率的研究。紅色的車(chē)表示接到信息要離開(kāi)，其實(shí)沒(méi)那么容易，因?yàn)榕赃呉彩怯熊?chē)的，我們研究了如何動(dòng)態(tài)利用的控制方法，也研究了清空的策略。

          當(dāng)然我們還探索了一些更未來(lái)的場(chǎng)景，比如說(shuō)如果我們的路上全部開(kāi)的是網(wǎng)聯(lián)車(chē)或者網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)車(chē)，這可能會(huì)來(lái)遙遠(yuǎn)的未來(lái)，也可能在某些無(wú)人區(qū)、停車(chē)場(chǎng)可以實(shí)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(jìn)行對(duì)比，這也是我們和密歇根大學(xué)一起合作的。

          同時(shí)我們把這個(gè)問(wèn)題從單點(diǎn)拓展到網(wǎng)絡(luò)，一條干線上能不能實(shí)現(xiàn)更好地合作。這個(gè)路上如果以后全部是智能車(chē)或者封閉的廠區(qū)，也無(wú)所謂出口道、無(wú)所謂進(jìn)口道，無(wú)所謂一定要調(diào)頭、左轉(zhuǎn)，這都是車(chē)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(huì)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(yùn)，城市里的交通、軌道、出租車(chē)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(chē)共享的系統(tǒng)、共享的自行車(chē)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(yù)約出行車(chē)之后，這個(gè)人出行會(huì)打開(kāi)APP看屏幕上的點(diǎn)，我們要捕捉他在打開(kāi)APP的那個(gè)位置，那個(gè)位置才是他真正的位置。通過(guò)所謂觸點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析這個(gè)人到底在什么地方、什么地點(diǎn)想要出行，反過(guò)來(lái)可以靈活配置設(shè)施，乃至站點(diǎn)、車(chē)輛。

          這個(gè)合作還繼續(xù)做了一系列的延伸，比如我們預(yù)測(cè)人的出發(fā)點(diǎn)和目的地?，F(xiàn)在我們說(shuō)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(yàn)，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(chē)，  這個(gè)車(chē)要開(kāi)到哪里，我估出來(lái)之后可以進(jìn)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(gè)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步做，反過(guò)來(lái)如果人的需求知道了，我們?cè)趺礃优鋫浜谜军c(diǎn)車(chē)輛設(shè)施、規(guī)劃。如果以后，特別是新能源車(chē)，我們國(guó)家在推兩碳，電動(dòng)車(chē)出來(lái)之后，怎么樣追蹤電量的情況，實(shí)現(xiàn)最好的調(diào)度。

          在這方面，如何調(diào)度的時(shí)候，我們還要考慮運(yùn)營(yíng)者可以調(diào)度，我可以派一輛卡車(chē)從A拉到B，也可以通過(guò)激勵(lì)的措施讓用戶自己把車(chē)開(kāi)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(xué)等一起合作在這方面進(jìn)行了系列研究。

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

          三、未來(lái)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(rèn)為這個(gè)治應(yīng)該是好的。又有人發(fā)布了這樣的視頻，當(dāng)然它傳遞了一種色彩或者一種想法，我們就會(huì)反過(guò)來(lái)問(wèn)，這個(gè)是混合的，這是治理過(guò)后的，這個(gè)也是混合的，哪個(gè)是好的。

          從研究角度來(lái)講很難說(shuō)，反過(guò)來(lái)說(shuō)車(chē)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(guó)際合作對(duì)我們來(lái)講至關(guān)重要，不同國(guó)家處于不同的階段，有不同的優(yōu)勢(shì)，有利于探討新理論、新技術(shù)。 

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