建设城市交通大脑的若干思考

陆化普，肖天正，杨 鸣

(清华大学交通研究所，北京100084)

随着城市交通复杂性增加和交通大数据不断积累，基于网络技术、移动通信技术、北斗位置服务、人工智能等技术的不断发展，通过建设城市交通大脑破解交通问题的期待和呼声越来越高。由于建设城市交通大脑需要巨大投入，加之其建设尚处于探索阶段，如果没有完善的顶层设计保证建设的科学性、没有有效的监督机制和严格的验收标准与环节，城市交通大脑的建设可能无法达到预期目标，造成投资浪费，延误解决城市交通问题的重要时机。

1 城市病的破解思路与城市交通大脑的功能需求

1.1 城市交通大脑助力破解城市交通难题

中国城市正面临着破解城市病的严峻挑战，例如缓解交通拥堵、减少交通排放、提升交通效率、强化交通安全、提升交通服务等，破解上述城市病的基本思路是坚持以系统科学为指导、以交通工程原理为依据，采取综合措施保持交通供求关系的最佳匹配状态和动态平衡(见图1)。其中智能交通是助力破解交通拥堵、降低排放、提升交通效率、提高安全水平和提升服务品质的关键，也是实现交通世界领先的重要抓手。

图1 交通拥堵对策思路Fig.1 Countermeasures to traffic congestion

随着信息技术和智能技术的发展，高智商的城市交通大脑无疑会助力解决城市交通难题，提高城市交通的分析、诊断、规划、决策、方案生成和方案实施、效果预评估与后评估能力，一个优秀的系统将具有优化反馈机制，使得系统的智能化水平不断有机生长。

1.2 城市交通大脑的功能需求

确定城市交通大脑的功能需求可从问题导向和目标导向两个方面考虑。从问题导向上看，城市交通大脑必须能够助力破解城市交通拥堵、减少交通工具排放、提高服务品质和交通安全水平、保证良好交通秩序、实现动态交通管理、规范出行者交通行为等。从目标导向上看，城市交通大脑要具有不断自我进化能力，逐步走向完全的自动化和智能化，包括基于多源异构信息的深度态势分析、问题症结及其机理研判、对策方案自动生成和实施、车路协同控制指挥服务一体化、交通组织诱导和自动驾驶逐步走向智能化等。这是一个过程，这个过程必须有标准判断、目标实现的时间节点、功能深度的具体描述和强有力的监督验收机制等。

2 城市交通大脑的内涵与主要特征

城市交通大脑是在大数据、云计算、人工智能等新一代信息和智能技术快速发展的大背景下，通过类人大脑的环境感知、行动控制、情感表达、学习记忆、推理判断、理解创造等综合智能，对城市及城市交通相关信息进行全面感知、深度分析、综合研判、智能生成方案、精准决策、系统应用、循环优化、创新发展来更好地实现对城市交通的治理和服务，破解城市交通问题并提供系统的综合服务(见图2)。

图2 基于人类大脑发展进程构建城市交通大脑的思路Fig.2 Urban traffic brain development based on the evolution of human brain

城市交通大脑的主要特征体现在大数据高度集聚与共享化、分析研判过程的高度智能化、需求响应的精准与实时化、方案生成与决策的高质量化、自我进化过程的动态化等，贯穿在城市交通大脑十大核心要素中：感知认知、学习记忆、逻辑推理、综合判断、智能进化、发现规律、形成对策、评估预测、实施方案、创新创造。

3 城市交通大脑智能等级分类

城市交通大脑由于智能等级不同、功能构成不同、投资水平不同而差异很大。必须明确城市交通大脑的进化等级和功能水平，以便使城市交通系统的规划设计者、系统建设者和交通管理者能够有共同语言、共同目标、共同评价，便于规划、决策、建设、验收、交通组织与管理等全环节的智能化，保证城市交通大脑具有智能升级基因和行为机理，并随着系统的运行不断走向更高阶别的智能化。

城市交通大脑应包括交通规划、建设、管理等交通系统的全环节。本文以城市交通管理大脑为例，建议将其进化过程分为5个阶段(见表1)。

表1 城市交通管理大脑智能等级分类Tab.1 Level of intelligence classification of urban traffic management system

4 城市交通大脑顶层设计要点

做好城市交通大脑的顶层设计是成功实现交通大脑建设目标的关键。城市交通大脑的顶层设计至少要回答和解决如下问题。

4.1 数据的采集和接入

顶层设计中要解决数据的采集和接入问题，数据采集类型应至少包括城市路网、城市客运方式、城市货运方式、交通警务、无人机、步行和自行车交通、交通枢纽及手机信令等社会资源数据。数据采集方法包括人工数据采集、检测器数据采集、数据共享等方式。应建立统一标准的数据接入接口，能够对多源数据进行接入，能够实现城市各部门交通数据的共享。通过构建统一的数据采集、分析及处理平台，实现信息资源高度共享、融合和综合利用，汇集成大数据资源池，实现交通数据的全覆盖、全关联、全开放和全分析，从而给市民提供更加优质和高效的交通服务。

4.2 数据结构与数据云设计

顶层设计中需要对数据的逻辑结构、物理结构和运算方式进行说明。基于当前云计算技术能够实现资源共享、按需动态调整的优点，在建设城市交通大脑时，需要搭建基于云技术架构的基础设施云平台，实现交通基础设施软硬件资源云化管理。

4.3 分析模型体系

城市交通大脑要建立多种分析模型，利用大数据分析技术，基于交通工程原理，建立需求分析、现状评价、违法态势、拥堵成因、控制优化、交通组织、安全预警、勤务督导、设施应用等多种大数据分析模型，实现对交通的全过程深度分析。

4.4 智能演化机理与能力

城市交通大脑要能够进行机器学习，能够从海量数据中洞悉人所没有发现的复杂隐藏规律。对交通拥堵等机理问题借助数据、通过系统能够实现自动演化，揭示交通运行规律，从机理上分析交通问题。

4.5 智能交通管理功能

城市交通大脑要能够实现城市交通管理的核心功能，具体包括交通运行状态实时监测、交通态势实时动态分析、交通异常状态智能预警与应对、交通战略与政策制定、快速辅助交通执法、精准交通信息发布、全生命周期交通设施管理等功能。

4.6 系统功能实现与交通状态自动评估

城市交通大脑要能够实现智能交通管理系统功能并且对交通状态进行自动评估，充分利用交通大数据，建立数据分析模型，对交通现状、交通态势自动进行评估，对交通问题进行自动诊断。

4.7 交通管理控制方案自动生成

为了应对不同需求特性、不同路网结构、不同环境下的交通拥堵，系统应能够自动生成不同类型的策略方案。总体来说重点包括四个方面：1)信号控制方案优化。通过实施点、线、面的配时方案优化，提高道路网的运行效率。2)路段和交叉口设计优化。根据交叉口的交通需求特性进行交通组织、根据道路的潮汐交通流特征动态划分车道等。3)道路网络交通流均衡。对于交通需求在道路网上分布不均衡引发的拥堵，通过信息发布引导交通流在路网上均匀分布。4)区域交通组织。对于交通量大、流向复杂引发的高拥堵区域，以及道路狭窄、通行效率过低的区域，通过设立单向通行以及限制转向等交通组织手段降低交通拥堵程度。

4.8 效果评价与实证检验

城市交通大脑不仅要具有自动方案生成能力，并且能够对方案进行效果评价和验证，借助当前能够获得的车辆位置等实时交通大数据，及时、多次对生成的方案进行动态评价和智能更新。

图3 城市交通大脑验收评价关键Fig.3 Key points of acceptance and assessment of urban traffic brain

5 城市交通大脑科学论证与验收标准

5.1 顶层设计论证与验收程序建议

城市交通大脑建设投资巨大，事前应该进行深入论证。国家应建立专家库，从专家库成员中抽取组成具体项目论证专家组。城市交通大脑项目经专家论证后方能进入实施推进阶段，专家组的论证意见及论证过程存档。

城市交通大脑建设完成后应进行严格验收。对验收流程建议如下：1)选择系统功能验收单位，组建验收项目组；2)审阅系统建设合同、系统建设方案等相关文件；3)根据上述相关文件，对城市交通大脑的所有功能模块进行逐一测试，从数据接入到功能实现，确保系统能够应用；4)给出系统验收意见，包括系统功能是否实现、应如何改进等，提交验收文档。

城市交通大脑预期功能的完全实现是系统发挥作用的前提，因此验收环节至关重要。为保证验收的科学性和准确性，建议制定验收标准。

5.2 验收标准建议

智能交通系统项目的验收方式尚没有真正关于系统功能、系统运行效果的实际检测的、细致的验收评价，有时只是形式上的验收，缺乏系统后评价标准和要求。建议根据当前情况，建立完善的智能交通系统建设项目的验收制度与验收程序，对城市交通大脑的建设成果进行验收，由独立第三方进行项目的验收审核，验收评价的要点要求如图3所示。

6 建设城市交通大脑面临的研究课题

6.1 基础理论研究

1）传统交通工程原理在城市交通大脑中的应用[3]。一方面，城市交通大脑是一个由现状数据、统计规律与专家经验共同构成的系统，如果没有专家经验的介入，仅依靠统计规律会得到严重脱离实际的分析结果和解决方案。另一方面，在系统中加入大量经过上百年交通领域学者探索获得的、已经被实践证实的理论规律可以大大节约分析、模拟和决策制定的时间，提高运行效率。

2）数据处理问题。当前的交通数据中，大量非结构化数据如视频、自然语言文字等占用了大部分存储空间，如何通过高效的运算与识别手段进行信息遗漏少、数据利用多的处理并量化给予权重，与高度结构化的数据融合分析，指导城市治理，将是城市交通大脑建设面临的重要研究课题。

3）数据分析与模拟问题。城市交通系统是一个复杂巨系统，当前还没有很好的方法对获取的海量数据全盘统筹加以利用，或通过现有数据全面、精准预测交通状态。未来在数据获取、数据分析以及交通状态演化分析的过程中，如何根据实际情况建立模型、揭示规律、更好地预测未来的交通状态问题需要进一步深化研究。

6.2 城市交通大脑技术

1）智能交通基础设施技术问题。城市交通大脑的高效运行需要大量传感器、控制器等底层设备的支持和配合，在提高城市交通大脑的分析、诊断、规划、决策、方案生成、效果评估水平的同时，也要尽力提高数据采集、方案实施的能力，特别是底层设施设备的技术能力。

2）数据融合问题。对于城市交通来说，多元数据汇聚、融合的一个基础性工作是数据的标准化、结构化以及统一的表达性。包括数据底盘总体设计、统一路网规范和试点城市样本数据、视频结构化数据接入标准、交通参数输出标准等。有了多源数据汇聚和融合，才能更加精准地解决城市交通难题，提供高效交通服务[4]。

3）数据安全问题[5]。城市交通大脑必须从软硬件两个角度确保数据安全。一方面，交通数据涉及国家安全、公共安全、交通安全、社会治理等多方面的重要信息，如果泄露将造成严重后果；另一方面，如果交通控制参数受到别有用心者的干预和影响，轻则城市运行效率下降，重则危及国家或个人安全。

6.3 城市交通大脑建设与社会治理

1）公众参与城市交通管理有利于解决城市交通问题。如何借助城市交通大脑建设，有效利用网络平台，调动百姓参与城市管理的积极性，形成人人参与城市管理的氛围，提升城市交通管理的科学性、及时性、有效性和针对性，在网络时代将是城市交通治理的关键。

2）构建城市交通大脑应该以问题为导向。随着城市的迅速发展，中小城市交通拥堵、污染、事故、违法等问题日益严重，如何在投资有限的情况下，建设能够解决实际交通问题、产生实际应用效果的城市交通大脑是建设城市交通大脑的工作重点。同时，交通管理科技信息化应用必然会涉及大量的技术开发和资金、人力投入，应进行充分的科学论证，避免投资失误和决策浪费。

3）做好顶层设计和科学论证是城市交通大脑健康发展的重要保障。当前城市交通大脑的宣传和推广十分迅速，然而其实施效果缺乏科学检验和论证。未来的城市交通大脑因其公共服务的属性应该是由政府主导建立的，政府应充分履行行业监管责任，进行科学、高效、有力的市场监管。

6.4 城市交通大脑建设机制

1）市场作用的发挥。在城市交通大脑的市场竞争过程中，存在不以技术或对城市发展的作用为重的现象。作为行业主体的一些公司本身也处在对智能交通行业、对信号优化配时工作的熟悉和了解过程中，有些关键数据以及不对外说明基本工作原理的做法等均值得商榷。这些信息的不透明造成了对城市交通大脑的预期过高，最终带来的结果是科技媒体上的“颠覆”和“革命”用词很多，却少有甚至没有机会了解实际效果。因此，应该建立确保市场基本透明度和竞争性的市场机制，制定基本的服务与系统验收规范。

2）政、产、学、研、用一体化攻关。由于城市交通问题的复杂性，城市交通拥堵等问题的解决是一个复杂的系统工程。城市交通大脑的功能实现需要对城市以及城市交通系统有深刻的理解和交通工程理论等基础理论和工程实践经验的有力支撑。也就是说，高等院校、科研机构以及高科技企业的联合攻关是成功建设城市交通大脑的基本前提。因此，以严谨的科学态度、务实负责的精神，政、产、学、研、用一体化攻关，是实现人工智能技术在交通领域深度应用的可能途径。

7 城市交通大脑建设后评价

城市交通大脑的后评价是保证政府投资效益、系统功能运行的必要环节。需要通过系统、科学的评价方法得出结论。按照城市交通大脑建成前后的对比分析，可以从四个方面开展评价：1)交通运行状况评价，包括路网整体和局部的运行状况；2)交通安全效益评价，在交通安全、交通违法等方面是否得到明显缓解和控制；3)社会经济效益评价，从交通参与者的出行成本、出行效率以及系统建设对交通投资的影响等方面进行分析评价；4)交通管理效率评价，对交通执法效率、快速反应能力等方面进行评价。

总之，城市交通大脑建设是破解交通问题、实现世界一流交通管理水平的重要手段，具有巨大的市场潜力和需求。从解决问题的角度分析，城市交通大脑的第一标准是能够实现的功能和能够取得的效果，而不是系统建设本身；从市场的角度来看，必须公开化、透明化、公平化，系统目标明确、验收标准清晰、专家论证充分。

目前阶段需要把握的关键是交通大脑建设要遵循交通工程原理，注重实际效果。有无实际效果是评价交通大脑的第一标准，同时系统要具有优化反馈机制(自我进化机制)。换句话说，智能进化机制应该是城市交通大脑的核心功能要求。