美国旧金山发展智能交通的经验及其对我国智慧城市建设的启示

郭伟娜，田大江，张胜雷

（中国城市科学研究会数字城市工程研究中心）

1 引言

2016年，美国交通部举办了“智慧城市”设计挑战，本次赛事是针对中等规模大都市如何应对未来自动驾驶汽车、智能传感器以及联网交通设备等新发展的基础设施创新设计大赛。其中：奥斯汀、哥伦比亚、丹佛、堪萨斯城、彼兹堡、波特兰以及旧金山，进入了最后的决赛阶段。

值得注意的是，运输部的项目排除了纽约、洛杉矶、芝加哥、休斯敦等大城市。“我们选择中型城市的原因在于，中型城市的案例既可以在大型城市复制，也可以在小型城市复制。”美国运输部部长安东尼·福克斯说。

“智慧城市挑战”确定了12个“愿景目标”，用于评选申请者。这些目标反映了运输部制定的《超越交通》报告主题，包括：技术目标、智慧城市目标和城市交通的创新方式目标三大类。其中，技术目标包括城市自动化、联网车辆、智能、基于传感器的基础设施；智慧城市目标包括架构和标准，低成本、高效、安全和弹性的信息通信技术，智能土地利用；城市交通的创新方式目标包括城市分析，关注于用户的移动服务和选择，城市配送和物流，战略业务模型和合作机会，智能电网、道路电气化和电动汽车，互联、公民参与[1]。

这些愿景既规划了未来人类出行的方式，也规划了人类生活的方式。世界经济论坛创始人施瓦布称，第四次工业革命已经来临，智慧城市是其重要内容，许多城市会将服务、公共设施以及道路接入互联网，这将能够对能源、物料流、物流运输及交通等领域进行管控。

笔者以入围的城市旧金山为例，详细的介绍了其在智慧城市尤其是智能交通领域所作的工作和努力。文中包括旧金山的城市背景，旧金山智能交通未来的蓝图，12大愿景目标，风险管理和评价体系，以及对我国智能交通发展的启示。

2 旧金山智慧城市发展背景

2.1 旧金山的城市背景

旧金山（San Francisco），位于加利福尼亚州西北部，美国西海岸中点，是太平洋沿岸仅次于洛杉矶的第二大港口城市。市区面积119km2。大市区包括附近4个省和奥克兰、伯克利等城镇，面积7475 km2。旧金山城区中心街道呈格子状向东西、南北伸展。住宅区房屋密集程度很高。马基特大街为最繁华的商业街，从市中心伸向城东北隅山腰；金门路一带高层建筑林立；蒙哥马利街及其附近地区为金融区，有“西部华尔街”之称，高52层的美洲银行大厦就耸立在这里。

旧金山人口80.5万(2010年)，人口密度是6879人/km2(17818人/mile2)，为美国西部人口密度最高的城市。旧金山湾区65岁以上的人口占总人口的12%，到2040年，这一比例将上升至22%。

2.2 旧金山的智能交通系统

旧金山交通管理局（SFMTA）是世界上为数不多的有广泛授权管理所有交通方式的机构，包括公共交通、出租车、停车场和交通信号等。该机构的愿景：“卓越的交通出行选择”，将为所有的市民提供了一个交通蓝图。

旧金山交通管理局负责计划、设计、建造、运营、管理和维护世界上最全面的交通网络之一。该机构直接管理旧金山的五种公共交通工具(长途客车、有轨电车、轻轨、老式有轨电车和缆车)，此外还负责监督帕拉特兰的服务，为无法使用固定路线交通服务的个人提供服务。旧金山交通管理局为加州湾区提供了超过40%交通运输，每年运送旅客超过2.25亿人次。

2.3 环境论证所提出的策略

在2012年，旧金山交通局战略计划的目标是到2018年实现50%的非自驾出行和50%的绿色出行(步行、交通、自行车、共享出行)。未来三年，即使在人口和就业快速增长的情况下，旧金山也能实现50%的非自驾出行。随着城市的发展，不仅要保持发展速度，而且还要增加共享和积极的出行模式。旧金山交通管理局有创新的已交付、试点和示范工程。并且拥有专业知识、技术和稳定的人际和合作伙伴关系，以实现“智慧城市挑战赛”的目标。

2.4 强有力的领导和执行能力

旧金山的领导层高度重视此项目，并努力将智慧城市变成现实。通过接受这一挑战，这座城市可以启动并加速已经在进行中的转型。旧金山收到了许多优秀的共享移动、CAV技术提供商和其他关键利益攸关方的支持信。该倡议将由旧金山交通局及其合作伙伴牵头。该市将成为世界上第一个全面整合共享、电力、联网和自动化车辆系统的城市，为所有居民、通勤者、游客和商业开发一个完全集成的、电动的、自动化的智能网联汽车系统。

2.5 明确数据共享、可用和安全用于创业和创新

旧金山是一个高度成熟的数据开发城市，同时也具有很强的创新文化。SFOpenData(https://data.sfgov.org/)是一个开放的数据平台，是旧金山市和州的数据交换和清算中心。该平台托管了不同行业的350多个数据集，并且使用这些数据构建许多创新产品。有超过30个交通数据集(机器可读)已经发布，并且可以通过这个门户向公众开放，一旦相关政策建立，我们将在共享、联网和自动驾驶车辆上提供数据。

3 旧金山智能交通建设内容

3.1 旧金山分享智能交通的未来

1)目标

为了扩大和集成共享移动服务的能力，旧金山将实现车联网和无人驾驶（智能联网汽车）作为实现智能交通的方法。自从2011年，旧金山已经着手智慧城市建设，利用科技手段让其建筑更加高效，减少能源利用、减化垃圾处理系统、扩大交通运输系统。所有的手段都是为了让出行更加简单。智能联网汽车目标是下一步达到：

①2020年达到零垃圾；2020年达到零排放；2024年达到零交通事故。

②到2017年温室气体排放有望降低到1990年的25%。

③交通方面，2015年计划，到2018年达到50%的无人驾驶。

2)挑战

目前加州交通出行方式并不协调。城市人口和商业激增，导致车辆交通拥挤，交通事故，尾气排放，噪音，停车场需求增大。通行时间和成本提高也影响了出行方式的选择。具体如下：

①城市的快速增长超过了基础设施的承载能力，导致了交通的拥堵和街道的拥挤，造成严重的交通安全问题。

②人们有限的财力和高房价增加了更长的通勤时间。

③越来越多的移动终端供应商各自为政，为安全、可访问性、互操作性、可用性和可持续性的服务。

④大多数人居住在城市的外围区，他们没有更多的交通选择，只能以私家车出行，增加了交通成本。

⑤越来越晚的夜间经济使城市变得更加明亮，但是服务工下班后回家的交通方式有限。

⑥旧金山每天有超过50000的旅游者，大部分都是区域性的。由于缺少交通部门的信息和协调为部分地区制造了更多的拥挤和停车紧张。

⑦城市商业运输不断增加，尺寸不合格的车辆进出社区，装卸货区也显得非常的紧张和拥挤。

3)机遇

利用智能联网汽车技术（CAV）和智能交通系统（ITS）提高了居民出行、公平、进入、安全和支付的能力：

①共享出行（共享汽车、共享自行车、共享电动车、拼车、出租车和私家车）和公共交通一起解决出行，减少交通成本、个人拥有汽车的需求，节省了时间和金钱。

②智能网联汽车能够解决多个城市发展问题，包括：交通事故、尾气排放、拥堵、噪音、个人和城市的运行成本。

③联合的、共享的出行、公共交通和智能网联汽车技术，可以有效的减少对街道停车空间和的需求，增加的道路可以供给给人们休闲、自行车，或者为人们提供更多的廉价房屋。

4)关键点

为了实现上述目标，加州将社区居民、企业、利益相关者结合起来，并引入社会资本。安排如下：

①建设一个区域进行试点，用于解决这些问题，至少包括一个或多个社区。

②培养专业的工作人员作为相关企业提供人才和指导。

③与有资格的共享出行提供者整合路径设计、支付软件、易用性，同时应对快速的扩张。

④以数据驱动解决城市的目标，在社区中激励共享出行的人可以享受路边停车和专用车道。

⑤邀请智能网联技术公司和相关专家学者参与到这个领域中来。

⑥“导则”包括不局限于Wi-Fi，收费，智能信号灯，车道，传感器，信号灯，最后一公里班车，灵活的上下车，快递服务，停车管理，地理围栏，定价管理，激励，自行车、汽车、电摩托，货船共享规则。

⑦为相关工作人员和公众不间断的提供手机的数据、信息、和分析的效果，以支持新的服务和技术。

3.2 12大愿景目标

旧金山将分阶段实现共享电动网联智能汽车（简称：SECAV）。每一阶段都包含了智慧城市挑战的几个基本要素。在这一阶段，城市会看到交通拥堵，温室气体排放和交通事故会随着时间的推移而下降，而可支付能力和可靠性则会上升。随着时间的推移，人们对街道和停车场的需求将会大大下降，从而使空间能够被重新利用。图1是12个美国交通运输部（USDOT）提出的愿景目标，这些愿景目标都是为SECAV的实现。

1)技术目标：

愿景1.城市自动化

SECAV旨在加速自动化和共享的部署，使用这一方法来鼓励创新和应用。SECAV的目标是通过为居民、工人和游客提供方便的通勤选择，从而减少单独开车出行。自动驾驶汽车出现了。在加州的圣拉蒙，“最后一英里”公共汽车正在开发和测试全自动汽车，许多新车都有自适应巡航控制，自动停车和自动车道控制。旧金山目前有10家公司正在测试他们的技术，他们希望将这些技术应用到特定的城市环境中去研究、测试和改进。

愿景2.联网汽车（CV）

城市的联网汽车的目标已经不仅仅局限于汽车，已经延伸到了联网的基础设施、车辆、旅行者、行人和交通工具上。旧金山是美国交通部的联网车辆安全驾驶试点之一。作为SECAV愿景的一部分，该市将进一步分析城市CV应用的组合以致力于城市移动问题的解决。专用的短程通信（DSRC）将被用于支持需要高频率通信的应用程序。联网汽车的应用包括：联网汽车安全区域、多模式智能交通信号系统（MMITSS）、低排放节能区设定、节能进场离场系统和行人自行车安全系统。

愿景3.智能的、基于传感器的基础设施

图1 SECAV的潜力

旧金山通过综合使用导电回路、磁场感应器、雷达、视频监控和高性能交换机来收集数据，探测车辆、行人和自行车。旧金山通过无线市政高速宽带网络（LTE-U）能够把各个十字路口连接起来进行远程管理。这些应用在今天得到了应用：①公交信号优先；② 闭路电视(CCTV)交通监控；③远程访问车载闭路电视和音频。LTE-U网络也可以支持对Muni乘客的无线网络服务，同时也可以调整信号的时间。该城市还拥有首个自行车计数器，通过使用环探测器的数据收集自行车旅行数据，并在SFMTA网站上提供数据。

2)城市交通目标的创新方法：

愿景4.城市分析

城市分析是智慧城市的一个重要要素，开放数据门户将从基础设施元素，如路边传感器、天气传感器、联网车辆车队等基础设施中获得更多的实时原始数据。城市可以在性能评估和运营决策中使用这些数据。

城市领导者利用城市分析来分析数据，解决复杂的城市问题，吸引市民，衡量交通网络的绩效。可以为智慧城市挑战做一个门户网站，以跟踪在智慧城市建设方面的进展。旧金山现有的开放数据政策将使开发者能够对手机应用和信息网站等创新产品进行本地化。通过城市分析，旧金山打算提供个性化的旅游推荐，并积极的预测分析未来的状态，并少负面影响。

愿景5.以人为本的出行服务

从私有出行模式到共享交通服务的出行模式的转变是一种深刻的文化变革，并对当前的政策、监管、供应和融资体系如何应对这种变化提出了挑战。人们正在改变他们的行为，从抓起汽车钥匙到拿起手机寻找交通服务。对旧金山来说平衡这一需求和供应问题，将为我们提供一个重新思考我们的权利、减少停车供应的绝佳机会。城市适应并致力将这种改变融入到迭代的框架和治理中。

愿景6.城市物流

作为SECAV愿景的一部分，该城市的目标是上线更智能的物流和货运配送系统。这包括一些概念，如智能交付系统、空间管理、装载/卸载接入点，以及对货运车辆的优化、路由和导航。

愿景7.战略性的商业模式和合作机会

实现SECAV愿景需要强有力的合作伙伴。旧金山交通局(SFCTA)，是国家指定的交通拥堵管理机构，负责全州合作伙伴的协调，并提供技术支持。加州正在与一个非盈利的组织City Innovate在城市里成立一个公民创新实验室。城市创新是政府和个人间的纽带，它能够增进对彼此需求的了解，为城市发展双赢提供解决方案。

愿景8.智能电网、电气化道路和电动汽车

旧金山在推广可替代燃料使用，以及严格的排放和能效指导方针方面有着悠久的历史。旧金山非常支持零排放和电动汽车的愿景。这一措施的一个主要动机是将停车空间的优先级放在公共场所，以及在整个城市的建筑物中安装充电站。ChargePoint是世界上最大的电动汽车充电站网络，通过它的APP和网站能提供使用资料等。这个城市打算为更多的充电设备提供当前网络的扩展。此外，特斯拉、日产、宝马和丰田等汽车制造商正考虑在共享移动车队中建立一个电子充电站网络，在这些车队中，车辆的所有权由统一的用户网络共享。

愿景9.公民联网

在利用新技术和社交媒体方面，旧金山处于公民参与的前沿。居民们使用一部智能手机来处理不同的服务。例如，SFGov移动应用可以让市民了解最新的城市和州相关新闻，而SF311呼叫服务、SFpark和StreetLightsSF等应用则用于市民的举报和服务反馈。这个城市已经在街道、图书馆和33个公共公园和空间里都有免费的无线网络。该城市正在构建其现有的数据共享功能，让市民了解数据，并允许他们通过开放API在应用程序开发中使用这些数据。随着旧金山继续沿着智能城市的道路走下去，目前的数据中心将会开放更多的数据源，这些数据可以提供原始的、源数据的数据。

3)智慧城市目标：

愿景10.架构和标准

SECAV中的联网汽车参考 (CVRIA)标准，这些标准是使用智能交通工具(set-it)的系统工程工具开发，这些标准是欧洲联盟法院的标准。旧金山将使用CVRIA体系结构来设计医疗、企业和通信。并擅长set-it工具，它可以生成多个“层次”的视图和全面的版本，或者更低的层次。数据中心集成了开放数据标准。例如，餐馆的健康分数是根据Yelp开发的“生活标准”开发的，这样分数就可以直接集成到应用中，该市利用交通类开放数据标准ISO 26262和SAE和自动驾驶委员会，以充实框架、指导方针和保障措施。

愿景11.低成本、高效、安全、有弹性的信息和通信技术(ICT)

旧金山新启动了一项为期五年的信息和通信技术计划，在全市范围内开发一种安全的低成本和高效的信息通信技术：

①支持和维护安全的基础设施——城市的信息通信技术基础设施是支持政府运作的基本系统。持续投资以确保城市的关键基础设施得到适当的保护和支持。

②提高效率和有效性——政府更加高效的按照轻重缓急进行投资。

③提高政府透明度——优先考虑信息通信技术项目，提高城市服务的及时性，使政府更加透明。政府部门将继续改进和提高信息通信技术的弹性，支持SECAV的实施。

愿景12.智慧的土地利用

旧金山有着悠久的智慧土地使用历史，原因是它的地理位置、街道网格、停车限制以及交通支持政策。例如，旧金山是美国最重要的12个可持续城市之一(Moyers and Company, 2013)。就业人数预计将从2010年的568,720人增长到2040年的近76万人。4600套住房正在建设中，有超过43000套正在计划。

3.3 风险管理和控制

实现SECAV包括以下几个方面：

1)政策层面：制定框架结构，并随着时间和变化修改和完善；

2)社会方面：社区采用新服务，尝试并分享经验；

3)技术层面：新的软件在用户和使用者之间提供了新的体验（不再使用汽车钥匙，你可以轻敲你的手机获得服务，驾驶者与乘车者请求分是分开的）。

4)社区和公共空间层面：街道重新设计，或者用作其它用途以增加行人的吞吐量，公共空间，交通安全。

旧金山充分认识到这一努力的文化和技术复杂性，并与合作伙伴和利益攸关方合作，共同解决这些问题，努力实现一个包容、宜居的城市和地区的发展道路。

表 1 评价指标

3.4 评价体系

城市将根据关键性能指标来构建基于数据驱动的方法，以评价和展示“智能城市”建设的结果。

4 经验与启示

4.1 旧金山智能交通的经验和总结

1)重视前期的规划、规范标准制定和顶层设计

图 2 2040年工作地点（左图）和住房（右图）

美国在1991年集中了当时国内各种力量， 在政府和国会的参与下成立了智能交通系统建设领导和协调机构，并于当年制订了《陆上综合输效率化法案》（ISTEA），从此美国的智能交通系统建设研究、开发进入了系统、有序、全面的发展阶段。1995年5月美国制定的《国家智能交通规划》和第一版《国家运输智能交通系统通信协议》（NTCIP）以及1996年颁布的《国家系统结构》，详尽地描述了美国智能交通技术的发展策略、各参与者所扮演的角色与责任，规定了各种交通系统模式及设计实施技术细则。美国交通部于2015年颁布了《国家智能交通系统2015- 2019年发展策略》，明确了以“改变社会的移动方式”为愿景和以“汽车的智能化、网联化”为战略计划核心，通过研究、开发和教育活动促进技术和信息的交流，创建更安全、更智能的交通系统，为美国未来 5 年在智能交通领域的发展明确了方向[2]。

在此背景下旧金山交通运输局制定了智能交通的发展规划，并且在详细的分析了现有出行数据的前提下，制定了切实可行的愿景目标，明确了系统建设的目标、要求、风险管理和控制，为智慧交通的建设打下了坚实的基础。

2)跨部门间的数据资源共享

智能交通系统是一个整合了诸多子系统平台 的、庞大的综合平台。基于各个部门的管理范围和业务需求为出发点而建设的智能交通系统，都应隶属于这个大平台的子系统。对于一个城市或区域的交通管理而言，很多情况下在某一时段往往需要多个部门的协同参与，通过部门间数据横向整合，建立不同运输方式的信息采集、交换和共享机制，为便捷交通运输服务提供精准、可靠的数据支持，为管理决策提供基础支撑。

旧金山交通管理局通过联合运用资源来提供高效的交通和紧急事件管理服务，从而使公众的出行安全及机动性最大化。其主要功能包括交通管理、紧急事件管理、事故管理、环境保护和土地利用等。

3)分阶段的实现计划

首先将交通运输作为一个软件及平台(TaaP)：城市政策框架和合作伙伴，使共享的移动服务提供者能够参与到一个更安全、可负担得起、可访问的、可操作的、可持续的和有弹性的交通网络中。其次：交通运输作为一种服务(TaaS)：一个以客户为中心的框架，通过“数据共享”，通过一个提供路由、预订和支付的“数据共享”，并通过街道运营和优先级来创造无缝的旅行体验。最后实现智能道路：一个政策和设计框架，用来管理控制空间，经营需求，并优先考虑旅行路线以发展共享模式，并指导联网和自动驾驶阶段。

4)物联网、无人驾驶、智能网联汽车等先进技术的高度应用

第一，将传感、通信、决策控制等相关技术的投入到智能交通的建设中，更高级别的驾驶员辅助系统，如车道保持、全自动泊车、车辆跟随等将逐步提高技术成熟度，降低生产成本，实现大规模产业化。第二，将自主式和网联式技术加速融合，为行车提供安全性更高、自动化程度更高、使用成本更低的解决方案。网联协同感知，通过V2X完成车与外界的信息交换，帮助车辆进行决策与控制。V2X指包括V2V（车对车）、V2I（车对基础设施）、V2P（车对行人）等模式的车联网通信技术[3]。

5)完善的评价体系

智能交通系统评价评价体系是对智能交通系统部署应用后的效益和项目投资的价值进行评估，对于确保项目建设能够围绕智能交通运输系统建设之初的愿景和目标，具有重要的意义。同时，通过评价体系可以更好地量化智能交通系统项目的价值、效益和影响，并促进智能交通系统战略的持续改进。

旧金山智能交通的评价体系由六个方面组成。分别为安全、可达性、负担力、可用性、互操作性和可持续发展。在建设阶段，评价体系起到监督指导作用，保证项目的建设方向与联邦政府的规定一致；在项目部署阶段，评价体系对项目进行跟踪对比。同时整合其他系统的建设经验，指导项目的部署。在项目运行阶段，对于系统的运行效果可进行量化的评价，并且基于积累的海量数据进行分析，为智能交通的建设和修正提供依据。

4.2 旧金山智能交通对我国智能交通建设的启示

城市智能交通系统是智慧城市建设的重要组成部分，是解决大城市病和城市交通问题的重要策略，将为实现绿色交通出行、建设安全顺畅且环保节能的交通系统做出贡献。基于对旧金山智能交通建设的经验和国内的实践总结，我国智能交通系统发展中可借鉴国际经验之处如下：

1)建设前做好科学的规划和顶层设计

智能交通系统顶层设计对系统资源共享、系统整体能力发挥、系统功能要求的可续性均是最为首要和关键的环节[4]。加强对智能交通系统的顶层规划设计，明确系统建设的目标和需求，对构筑统一高效、功能强大、先进实用的智能交通系统，服务智慧城市建设显得尤为重要。

2)坚持以人为本，提高公众的参与度

公众参与城市交通规划，本质是要通过公众对规划制定和实施全过程的参与，保证规划行为的公平、公正与公开性，使规划能切实体现公众的利益诉求，真正做到以人为本，提升规划的合理性并确保规划工作的成功实施。提高规划的公众参与程度，也是构建和谐社会的重要措施。美国城市交通规划十分重视规划方案对研究区域居民工作、生活的影响，对公众意见的征询贯穿于整个规划编研过程。我国公众参与城市交通规划的形式主要有两种，即专家咨询和项目批前公示，仍处于公众参与的初级阶段。为此，必须研究确立公众参与城市交通规划的法律地位，确定公众参与的法定程序，构建合理的公众参与组织形式和反馈机制。

3)加强跨部门间的协作和数据的共享

2016年“世界上最遥远的距离”引发争议。在阿里巴巴集团技术委员会主席王坚眼中，世界上最遥远的距离却是红绿灯和交通监控摄像头之间的距离。“它们都在一根杆子上，却从来没有通过数据被连接过。”纠其原因，就是监控摄像头、红绿灯信号控制机、高识别率的视频识别算法、交通信号控制算法和整个系统的集成之间的数据和接口不能共享。

智能交通系统是一个庞大的系统，系统的规划设计需要统一标准和技术规范。大数据技术在智能交通中的应用，使得人、车、路、环境之间建立起互联的网络，而获取数据的能力，决定了交管部门的决策和管控水平。因此首先要围绕提高信息采集强度及采集量为核心，研究出台适合本地区交通设施设备的接口标准，以高度的兼容性实现信息采集的范围广覆盖、内容动静态和实时反馈。同时，配套完善信息交换和共享机制和关键标准，保证数据的正确性、安全性和实时性。

要充分实现部门之间资源共享。智能交通领域涉及的主要部门包括公安、交通、规划等多个职 能部门，部门之间各自发展、自成体系，行业间 标准、规范不统一，交通资源分散、信息孤岛现象严重。解决上述问题的途径就是在规划设计环节进行充分的分析论证，通过平台建设，打通部门之间的信息壁垒，将可以共享的信息充分共享。同时，要认识到不同子系统有不同的信息采集目的和采集内容要求，有时无法兼顾众多目的，因此也不能追求形式上的共享，而弱化系统功能。 在管理机制上，要积极争取党委政府重视智能交通建设工作，健全政府牵头、部门协作的综合协调机制；技术层面上，研究引入第三方机构的可行性，以第三方机构作为协调和建设城市智能交通系统平台的重要角色。

[1] Smart City Challenge［EB/OL］. https://www.transportation.gov/smartcity，2017-6/2017-10

[2]李灿强. 美国智慧城市政策述评[J]. 电子政务,2016,(7):101-112.

[3]易汉文. 美国智能交通10年发展规划[J]. 国际城市规划,2009,24(S1):221-226.[4]陆化普,李瑞敏. 城市智能交通系统的发展现状与趋势[J]. 工程研究-跨学科视野中的工程,2014,6(1):6-19.