面向未來城市的智慧交通整體構(gòu)思

張曉春，邵 源，孫 超,2

(1.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計研究中心有限公司，深圳市交通信息與交通工程重點實驗室，廣東深圳518021；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804)

新時期，全球信息技術(shù)革命突飛猛進，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)環(huán)境催生了新的城市交通運行組織模式和服務(wù)模式，也為新時期城市交通全鏈條智慧決策和智慧城市構(gòu)建創(chuàng)造了可能。未來城市智慧交通發(fā)展的主流方向是圍繞服務(wù)于城市和綜合交通智能運行組織，以全面感知、泛在互聯(lián)，普適計算、集成應(yīng)用與人工智能應(yīng)用為支撐，實現(xiàn)城市智慧化管理和運行，保障城市的可持續(xù)發(fā)展。近年來，黨中央、國務(wù)院、相關(guān)部委密集出臺促進智慧交通發(fā)展的相關(guān)指導文件，為新時期智慧交通發(fā)展提供了新機遇。黨的十九大報告提出“交通強國”戰(zhàn)略，國務(wù)院推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動，提出利用大數(shù)據(jù)分析手段提升各級政府的社會治理能力；國家發(fā)展改革委和交通運輸部提出以“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通促進智能交通發(fā)展[1-3]。隨著新興信息技術(shù)的驅(qū)動，未來城市即將邁入高度智慧化的、以服務(wù)為核心導向的新型智慧城市，智慧交通的發(fā)展理念和模式也將產(chǎn)生更深刻的變革，將更強調(diào)利用未來科技推動城市治理服務(wù)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)城市高效能、包容性和可持續(xù)發(fā)展。

1 未來城市和交通發(fā)展趨勢

1.1 未來城市將發(fā)展成為以服務(wù)為核心導向的新型智慧城市

工業(yè)文明以來，城市由數(shù)字化、信息化時代逐漸步入高度智慧化的智慧城市3.0時代，即以服務(wù)為核心導向的新型智慧城市時代(見圖1)。智慧城市發(fā)展主要有四方面特征：1)數(shù)據(jù)采集，新型智慧城市由以往關(guān)注數(shù)據(jù)采集與信息獲取轉(zhuǎn)變?yōu)榫劢箶?shù)據(jù)知識加工，提供更高附加值的信息服務(wù)；2)信息解析，新型智慧城市強調(diào)認知智能，在繼承以往快速運算與信息感知基礎(chǔ)上實現(xiàn)智慧化決策；3)城市建設(shè)主體，由政府主導演變?yōu)檎蠛献骱投嘀黧w協(xié)同參與，以滿足多群體多元化服務(wù)需求；4)功能應(yīng)用，新型智慧城市時代注重以用戶服務(wù)需求為核心導向?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用整合。

圖1 未來城市演進方向Fig.1 Future urban evolution trend

圖2 未來城市和智慧街道感知生態(tài)Fig.2 Perception ecology of future city and smart street

1.2 未來交通將實現(xiàn)按需響應(yīng)的新型智慧交通服務(wù)

國際權(quán)威機構(gòu)普遍認為，未來15～30年城市交通將發(fā)生顛覆性改變。麥肯錫咨詢公司[4]認為未來15年出行方式將呈現(xiàn)七大趨勢：共享移動性、汽車電氣化、自動駕駛、新型公共交通、可再生能源、新型基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)普及。未來出行方式將依托萬物互聯(lián)的大數(shù)據(jù)感知，以新一代交通基礎(chǔ)設(shè)施和新一代交通工具為載體，提供按需響應(yīng)的新型交通服務(wù)[4]。美國《2016—2045年新興科技趨勢報告》對未來30年交通相關(guān)的新興科技進行了預測，物聯(lián)網(wǎng)、清潔能源、數(shù)據(jù)挖掘、區(qū)塊鏈、量子計算等技術(shù)將對傳統(tǒng)交通模式進行洗牌，我們正處于第四次科技革命的風口浪尖[5]。

2 未來城市和交通的關(guān)鍵特征

新一代信息技術(shù)的創(chuàng)新為未來城市注入了源源不斷的動力，推動安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟的綜合交通體系呈現(xiàn)跨越式進步。未來城市和交通系統(tǒng)將以萬物互聯(lián)和全息感知為基礎(chǔ)，以城市的精明治理和人的出行為核心打造可持續(xù)移動性服務(wù)。具體體現(xiàn)為以下四個關(guān)鍵特征。

1）未來復雜交通巨系統(tǒng)要求構(gòu)建一個萬物互聯(lián)、多元化、多維度的大數(shù)據(jù)全息感知體系。物理技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和生物技術(shù)的創(chuàng)新融合與高速發(fā)展，為實現(xiàn)城市的萬物互聯(lián)提供基礎(chǔ)，未來交通系統(tǒng)將發(fā)展成為集成多源傳感、機器視覺、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的復雜巨系統(tǒng)，系統(tǒng)體系更加龐大、組織更加復雜、需求更加多樣、范圍更加寬廣。數(shù)字化與信息化作為城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)，需通過加強無線通信和傳感系統(tǒng)，構(gòu)建新一代信息感知環(huán)境，實現(xiàn)智慧交通系統(tǒng)的全面感知、高效傳輸與智能控制，建立滿足未來城市和交通系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)全息感知體系(見圖2)。

2）未來城市更多強調(diào)治理而非管理，強調(diào)政府服務(wù)轉(zhuǎn)型、服務(wù)協(xié)同和創(chuàng)造社會價值，城市發(fā)展將突出精明治理、精明增長。未來城市治理體系將凝聚城市戰(zhàn)略體系、空間規(guī)劃體系、公共政策體系、智慧交通支撐體系和治理機制體系為一體，更加關(guān)注交通需求的精準管控、交通管理的精明控制和交通服務(wù)的個性提供，以尋求城市治理的突破點，提升未來城市智慧化治理水平。

3）未來交通重點關(guān)注可持續(xù)移動性，更強調(diào)服務(wù)于人的出行需求和多方協(xié)同參與。未來城市將從關(guān)注交通的通行能力向提升出行的可達性、公平性與可持續(xù)性轉(zhuǎn)變，更注重多種出行方式融合與出行環(huán)境提升，公眾需求越來越得到政府和服務(wù)行業(yè)的重視，通過將交通規(guī)劃師、交通運營商、普通市民等利益相關(guān)團體聯(lián)合起來，讓他們?nèi)妗⑼该鞯貐⑴c交通可持續(xù)移動性規(guī)劃，從而構(gòu)建高效、公平、健康的城市交通環(huán)境，營造宜居宜業(yè)的城市生態(tài)圈(見表1)。

4）未來的出行服務(wù)更加強調(diào)以多模式、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化的組織，向用戶提供滿足個性化需求、注重服務(wù)體驗的全過程一體化出行服務(wù)。未來的交通將以滿足不同出行者的個性化需求為目標，制定符合實際需求的服務(wù)方案，提供差異化、多樣化的全過程服務(wù)，對出行鏈進行一體化整合與優(yōu)化，以高品質(zhì)、高質(zhì)量、高效率的服務(wù)方式滿足市民出行的需要。

上述四個方面也是歐美發(fā)達國家智慧交通建設(shè)的核心內(nèi)容。歐美智慧城市體系中，智慧交通是普遍關(guān)注的建設(shè)內(nèi)容，其核心主要體現(xiàn)在四大體系建設(shè)(見表2)，即智慧感知(如智慧道路)、智慧決策(如智慧物流、智慧停車、定制化貨運)、智慧運營(如智慧交通控制)及智慧服務(wù)(全鏈條個性服務(wù)，如智慧接駁、定制化信息、機器人取貨)，這也代表了未來智慧交通發(fā)展的必然方向[7]。

3 構(gòu)建4C智慧交通完整體系

未來城市將朝著高度智慧化的方向發(fā)展，強調(diào)利用未來科技推動城市治理服務(wù)轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)城市高效能、包容性和可持續(xù)發(fā)展。未來城市將發(fā)展成為可感知、可運營、可管控、可服務(wù)的城市(見圖3)，核心是要依托智慧交通和未來科技打造四個城市，即全息感知城市(Perception City)、在線推演城市(DeductionCity)、精明管控城市(Managing City)和全程服務(wù)城市(Serving City)，簡稱“4C”。

3.1 建立基于空間單元大數(shù)據(jù)的全息感知系統(tǒng)

數(shù)據(jù)作為城市建設(shè)、管理、發(fā)展的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)感知體系正逐步由“被動建設(shè)、缺乏層次”向“深度洞察、全息感知”轉(zhuǎn)變。面向未來復雜的交通巨系統(tǒng)要求，需以前端設(shè)施標準布設(shè)、多源監(jiān)測、智能分析為重點，對人流、物流、車流、資金流、基礎(chǔ)設(shè)施、城市運行、自然環(huán)境等所有與交通相關(guān)的社會生產(chǎn)生活要素進行全面數(shù)字化，并對各要素的時空演化軌跡進行全鏈條跟蹤采集，打造覆蓋全對象、全時空、全粒度的新一代智慧道路感知生態(tài)體系(見圖4)。

表1 傳統(tǒng)交通規(guī)劃與移動性規(guī)劃對比Tab.1 Comparison of conventional transportation planning and mobility planning

表2 歐美智慧城市體系中的智慧交通建設(shè)重點Tab.2 Key points of smart mobility in European andAmerican smart city system

圖3 4C智慧交通解決方案架構(gòu)Fig.3 Architecture of 4C smart mobility solutions for future city

1）全對象感知，對人、車、路的狀態(tài)及交通流、環(huán)境信息進行全面感知，構(gòu)建交通系統(tǒng)的人-車-路-交通流-城市環(huán)境全息化感知體系。

2）全時空感知，對道路交通運行演化態(tài)勢、交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期進行持續(xù)跟蹤和深度洞察分析，實現(xiàn)道路交通動態(tài)運行和交通基礎(chǔ)設(shè)施項目前期規(guī)劃設(shè)計、施工、竣工移交、監(jiān)測、養(yǎng)護等業(yè)務(wù)的應(yīng)用支撐，構(gòu)建全方位、持續(xù)化的全時空監(jiān)測體系，全面把握城市及交通綜合發(fā)展動態(tài)。

3）全粒度感知，從宏觀—中觀—微觀多層次、全粒度采集線圈、地磁、卡口檢測的道路交叉口數(shù)據(jù)，斷面微波、視頻、廣域雷達檢測的路段數(shù)據(jù)，視頻、微波、手機信令檢測的行人數(shù)據(jù)及全網(wǎng)城市交通運行數(shù)據(jù)，對各類事件、行為、特征進行精準描述與刻畫。

在新一代感知體系框架下，未來城市交通將以智慧道路為載體單元，對前端設(shè)施統(tǒng)一、整體布控，對采集數(shù)據(jù)分布式匯集、加工，建立“智慧路段+智慧路面+智慧路口”三位一體的新型智慧道路感知監(jiān)測標準體系。

圖4 新一代智慧道路感知生態(tài)體系Fig.4 Anew generation of smart road perception ecosystem

圖5 深圳市實時在線交通仿真平臺Fig.5 Real-time traffic deduction platform in Shenzhen

1）智慧道路，以智慧路燈桿為載體，通過集成和整合數(shù)據(jù)，實現(xiàn)綜合感知服務(wù)。集成道路設(shè)施設(shè)備智能監(jiān)控、車流量檢測、道路險情識別、車路協(xié)同交互、交通信息發(fā)布等功能于一體，全面感知道路運行狀況。

2）智慧路面，以智慧路貼為載體，安裝在車道分割線或路肩表面上，含定位、檢測、提示、自組網(wǎng)等功能于一體，集成先進的微傳感技術(shù)、微功耗處理器技術(shù)和低功耗無線通信技術(shù)，實現(xiàn)交通參數(shù)檢測、車輛軌跡跟蹤、行人過街警示、行車安全提示等應(yīng)用，并與智慧路燈桿進行聯(lián)動，實現(xiàn)綜合監(jiān)測。

3）智慧交叉口，以智慧信號燈為載體，主動集成和整合道路內(nèi)跨行業(yè)交通設(shè)施，通過前端邊緣計算與后臺集成管控，實現(xiàn)以智慧交叉口為單元的公交優(yōu)先控制、運行智慧監(jiān)測和設(shè)施智慧運維。

3.2 建立復雜環(huán)境下交通情景再現(xiàn)與預判的在線推演系統(tǒng)

基于人工智能和機器學習，在城市交通大腦中還原現(xiàn)實中的交通運行情況，實時推演和預測交通運行狀態(tài)，實現(xiàn)“感知-推演-管控-服務(wù)-感知”的自學習閉環(huán)，重塑交通“戰(zhàn)略制定-戰(zhàn)術(shù)演練-精準調(diào)控”的管理模式，這既是實現(xiàn)精細化交通管理與控制的技術(shù)要求，也是建設(shè)高效、安全、協(xié)同的智慧城市交通環(huán)境的必備條件。

1）基于在線仿真模型，實時推演各種復雜交通條件下現(xiàn)實道路交通運行狀況。

通過實時在線交通推演系統(tǒng)，實現(xiàn)對宏觀片區(qū)交通運行狀態(tài)及微觀走廊、節(jié)點交通流狀況的整體掌控。依托實時流量數(shù)據(jù)、浮動車數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等大數(shù)據(jù)資源，實時模擬交通流運行狀況，預測短時交通流變化趨勢，分析交通擁堵成因和擁堵影響。既可實現(xiàn)區(qū)域交通聯(lián)控和交通流均衡，又可在交通預警與誘導、信號配時優(yōu)化、預案評估與優(yōu)選、微創(chuàng)新交通改善方案評估等方面提供精準的管控或預防措施，全面提升交通管控和決策水平，實現(xiàn)道路高效有序運行。深圳市已經(jīng)完成福田中心區(qū)在線交通仿真系統(tǒng)建設(shè)，在區(qū)域交通聯(lián)控和均衡交通流方面發(fā)揮重要作用，未來將進一步覆蓋全市，作為城市交通大腦實現(xiàn)交通整體調(diào)控和事件快速響應(yīng)(見圖5)。

2）基于交通事故實時推演模擬，全面降低各種突發(fā)交通事件(事故)的負面影響。

通過實時在線推演，在發(fā)生交通事故時，即時生成交通應(yīng)急方案，快速、智能化部署警力，最大限度降低事故造成的負面影響。以深圳南坪快速路牛咀大橋交通事故為例，基于在線仿真系統(tǒng)推演并通過針對性的警力部署與誘導分流方案制定，高效引導車輛避開事故點，實現(xiàn)15 min完成有效疏解，交通事故處理效率提升了一倍。在過去沒有該系統(tǒng)的情況下，擁堵可能持續(xù)30 min以上。

3.3 構(gòu)建交通規(guī)劃--設(shè)計--運營--管理的精明管控系統(tǒng)

為滿足新時期日益復雜的城市交通管控需求，城市交通管控體系由碎片化、被動響應(yīng)向供需匹配、整體調(diào)控轉(zhuǎn)變，以交通大數(shù)據(jù)作為構(gòu)建交通規(guī)劃-設(shè)計-運營-管理城市交通精明增長模式的新引擎，進一步推動政府規(guī)劃建設(shè)管理流程再造與升級。

1）建設(shè)面向未來城市的交通大數(shù)據(jù)規(guī)劃建設(shè)決策支持系統(tǒng)。

以交通大數(shù)據(jù)規(guī)劃建設(shè)決策支撐平臺為依托，通過多元大數(shù)據(jù)融合分析，為交通戰(zhàn)略政策制定、交通基建決策、交通綜合治理、環(huán)境安全評估等提供科學的決策支持。例如支撐深圳城市總體規(guī)劃的人口分析，將手機數(shù)據(jù)與人口普查數(shù)據(jù)、建筑物普查數(shù)據(jù)、城市用水用電量及垃圾產(chǎn)生量等數(shù)據(jù)融合分析，判斷實際管理人口規(guī)模、分布及增長趨勢，結(jié)果顯示深圳市實有人口持續(xù)增長，外圍增長更快。

2）實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)空間活動機理分析與仿真技術(shù)的交通精細化設(shè)計。

一是從傳統(tǒng)基于OD分析到基于居民活動空間的分析，建立從多源數(shù)據(jù)采集到需求特征識別再到交通設(shè)計細節(jié)落地的交通精細化設(shè)計流程。例如，深圳市在福田中心區(qū)街道設(shè)計和景觀提升工作中，通過無人機監(jiān)測與視頻識別、共享單車訂單數(shù)據(jù)和過街流量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析主要街道步行流量、行人駐停時間和活動、單車使用時間與停放特征，以針對性地進行人行道和非機動車道空間優(yōu)化、街道功能與臨街界面優(yōu)化、街道景觀綜合提升等。二是通過數(shù)據(jù)模型和交通仿真進行樞紐、軌道交通車站、道路等交通組織設(shè)計預演模擬，輔助于設(shè)計方案的比選和優(yōu)化，減少盲目建設(shè)和改造帶來的成本浪費。

3）打造面向未來車聯(lián)網(wǎng)和無人駕駛的智慧道路運營。

圖6 基于Metropia手機應(yīng)用的主動交通需求管理應(yīng)用Fig.6 Application of active travel demand management based on MetropiaApp

圖7 基于MaaS的智慧出行核心架構(gòu)Fig.7 Smart travel solution based on MaaS

一是基于城市宏觀交通管控策略，實現(xiàn)從設(shè)施模式-組織模式-城市級管控模式變革，提前預研未來街道設(shè)計及運行組織模式，如更窄更有效的車道+更充足的非機動交通空間。二是加快推動國家及地方無人駕駛測試標準制定，推動研究建立涵蓋無人駕駛運營組織模式、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、無人駕駛車輛選型、無人駕駛管控中心和規(guī)范標準的城市級無人駕駛解決方案，為未來智慧城市建設(shè)探索有益路徑。三是構(gòu)建全時空復雜環(huán)境下的車路協(xié)同管控中心，實現(xiàn)基于城市級在線推演平臺的無人車智能調(diào)度；通過搭建無人車單車智能調(diào)度、集群組織調(diào)度、動態(tài)路徑規(guī)劃、全自動停車等無人駕駛算法資源池，制定無人車調(diào)度策略資源庫；依托交通在線仿真技術(shù)，實時推演相應(yīng)車輛調(diào)度策略，評估調(diào)度效果，實現(xiàn)無人車零干預、零操作、多場景的智能調(diào)度。

4）建設(shè)面向未來道路交通全時空資源優(yōu)化配置的精明調(diào)控系統(tǒng)。

以全面提升未來道路交通的全時空資源優(yōu)化配置為目標，從區(qū)域級、城市級、走廊級、節(jié)點級四個層級構(gòu)建未來城市交通精明調(diào)控系統(tǒng)。①區(qū)域級調(diào)控，基于互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)，在區(qū)域宏觀控制戰(zhàn)略指導下，制定面向多元需求的個性化管控方案。例如，美國部分州基于Metropia手機應(yīng)用實現(xiàn)民眾全過程誘導和獎勵機制，影響了20%的人在高峰期改變出行計劃(見圖6)。②城市級調(diào)控，基于交通溯源技術(shù)，構(gòu)建全網(wǎng)協(xié)調(diào)運行的道路精明管控平臺。例如，深圳市通過融合手機信令、出租汽車OD等數(shù)據(jù)，分析出行總量和路徑，搭建了全市交通溯源平臺，輔助制定策略來調(diào)控跨區(qū)及關(guān)鍵走廊的出行，在時間上削峰填谷，空間上控密補稀，實現(xiàn)區(qū)域時空平衡。③走廊級調(diào)控，基于實時交互和位置感知技術(shù)，實現(xiàn)不同公共交通流量、不同控制模式、不同交通飽和度以及不同道路條件下的全場景特種車輛和公共交通信號優(yōu)先，同時預留車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下人、車、路協(xié)同控制功能。④節(jié)點級調(diào)控，結(jié)合城市特點與交通肌理，通過可變車道、借道左轉(zhuǎn)、拉鏈式通行、信號配時智能化等微創(chuàng)新服務(wù)，均衡節(jié)點時空資源，滿足特定交通需求時空變化，實現(xiàn)精細化管控與微創(chuàng)新挖掘。

3.4 構(gòu)建綜合性--個性化的全鏈條智慧出行服務(wù)系統(tǒng)

出行即服務(wù)(Mobility as a Service,MaaS)是未來城市交通服務(wù)的主流趨勢，通過將各種交通方式全部整合到統(tǒng)一的服務(wù)體系與平臺，實現(xiàn)信息集成、運營集成和支付集成，優(yōu)化社會資源配置，為用戶提供“綜合性-個性化”的全鏈條智慧出行服務(wù)(見圖7)。

1）MaaS基于強大的后臺出行規(guī)劃系統(tǒng)提供高效、綠色、智慧出行服務(wù)。

MaaS是以出行者體驗為導向，以準備時間、等待時間、響應(yīng)時間以及狀態(tài)切換時間最小化為目標，提供共享、整合、服務(wù)和引導：共享，要求各種交通數(shù)據(jù)全面共享；整合，各種交通方式高度整合，基于主動交通需求管理的思路調(diào)控交通需求，并實現(xiàn)支付體系一體化；服務(wù)，提供無縫銜接、安全便捷和舒適的全鏈條出行服務(wù)；引導，擴大綠色出行比例，引導公共交通出行。

2）政府-市場-企業(yè)-市民合作和共同參與建設(shè)全過程出行服務(wù)。

全面整合各類出行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和海量化動態(tài)信息，打破原有以政府為主導的交通規(guī)劃、建設(shè)、運行管理模式，建立政府-市場-企業(yè)-市民協(xié)同共建的交通規(guī)劃管理新模式。例如，芬蘭在歐盟率先試點推行MaaS服務(wù)，由政府引導，MaaS Global公司作為全球首個MaaS運營服務(wù)商，開發(fā)了名為Whim的手機應(yīng)用，以實現(xiàn)不同模式的服務(wù)預定(見圖8)。

4 結(jié)語

本文面向以服務(wù)為核心導向的新型智慧城市時代，借鑒歐美等先進智慧城市的發(fā)展趨勢判斷，圍繞未來智慧交通感知體系、決策體系、管控體系、服務(wù)體系四大體系建設(shè)，提出了全息感知城市、在線推演城市、精明管控城市和全程服務(wù)城市的新一代智慧交通整體解決方案和推進路徑。這有助于推動未來城市交通運行組織模式和服務(wù)模式變革，也為新時期城市智慧管理和運行服務(wù)提供指引。