導讀：城市“交通大腦”主要通過信號燈優(yōu)化、交通組織優(yōu)化、交通參與者誘導以及應急事件交通調度，實現(xiàn)對城市道路交通管控的迭代、升級，從而提升交通運行效率。
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本文轉載自微信公眾號“交通言究社”，作者高德未來交通與城市計算聯(lián)合實驗室研究員 姜明、董振寧、吳澤駒、張鵬飛，原標題《姜明、董振寧等：城市“交通大腦”對道路交通控制技術的支撐意義》。億歐智慧城市對文章進行二次編輯，供讀者參考。
城市道路交通涵蓋人、車、路、管理、環(huán)境、教育等諸多因素，是一個非常復雜的動態(tài)系統(tǒng)。近十年來，交通管理的標準化體系、理論體系、應用體系建設取得了卓越成就。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的快速發(fā)展，創(chuàng)新導向將會驅動越來越多的新技術在交通管理中進行嘗試和應用，城市“交通大腦”就是其中之一。城市“交通大腦”主要通過信號燈優(yōu)化、交通組織優(yōu)化、交通參與者誘導以及應急事件交通調度，實現(xiàn)對城市道路交通管控的迭代、升級，從而提升交通運行效率。而實現(xiàn)這一目標的重要抓手是交通控制設施，根據(jù)美國《統(tǒng)一交通控制措施手冊》（MUTCD）的解釋，交通控制設施是用于控制、警示、引導交通的交通設施，包括交通標志、標線、信號燈等。
痛點一：缺乏總體設計，不同體系間的設施設置不協(xié)調
由于管理體制原因，我國城市道路交通控制設施的建設與管理運營單位屬性比較復雜，部分地區(qū)由公安交通管理部門統(tǒng)一負責，還有部分地區(qū)由公安交通管理部門負責信號燈設施、交通運輸部門負責交通標志和標線。比較復雜的管理體制也影響著相關設施技術體系，主要體現(xiàn)在以下幾點：
技術標準體系缺乏總體設計。我國城市道路交通標志標線的相關技術標準包括《道路交通標志和標線》（GB 5768-2009）、《城市道路交通標志和標線設置規(guī)范》（GB 51038-2015），信號燈設置的相關技術標準為《道路交通信號燈設置與安裝規(guī)范》（GB14886-2016），但受到管理體制和標準體系的約束，不同技術標準僅應用于本標準所規(guī)定的空間范圍、設施范圍的設置，缺乏上層總體設計要求與具體的協(xié)調性設置方法。
在頂層設計層面，缺乏各種交通控制設施協(xié)調、統(tǒng)一的技術框架體系，需要明確統(tǒng)一的體系構建、完整的設置目標、確定的設置條件和適用性。比如國家標準《道路交通標志和標線》（GB 5768.2）中規(guī)定了“停車讓行標志”、“減速讓行標志”的設置條件；《道路交通信號燈設置與安裝規(guī)范》（GB14886-2016）中規(guī)定了信號燈設置條件，但是缺少對于兩者之間統(tǒng)籌關系的明確要求。在一些依靠“停車讓行標志”或“減速讓行標志”就可以解決問題的平面交叉口，卻設置了信號燈，降低了通行效率；一些信號燈控制的交叉口，應用“停車讓行標志”或“減速讓行標志” 約束接入交通流不夠規(guī)范、科學。
在具體的協(xié)調性設置方法方面，缺乏統(tǒng)籌性的具體技術要求。如，信號燈與交通標志能否合并設置于一個支撐結構上、兩者設置間距如何滿足視認性和駕駛安全性的要求，以及兩種設施的協(xié)調性設置方法等。技術標準的不完善，也影響到實際技術方案。近期，一些業(yè)內專家提出的交管設施共桿思想就非常典型，如圖1所示，將設置于城市道路交叉口區(qū)域的道路照明設施、信號燈、交通標志等設施合并設置于同一套桿件上，可達到節(jié)省設置空間、避免相互遮擋、降低造價、提升城市路容的目的。但在技術層面還有很多問題沒有解決，即使部分發(fā)達地區(qū)已經制定了針對性的設置標準，也只是將不同設施相關的技術標準拼湊在一起，并沒有解決多種設施共桿情況下的特異性問題。如，不同種類交通標志、信號燈并設時交通管控信息總量閾值；夜間信號燈亮度更高，交通標志與信號燈并設時如何保證自身視認性等，這些問題都會影響到共桿設施的設置效果。
圖1：交通控制設施共桿設計示意圖
技術實現(xiàn)體系不規(guī)范、不協(xié)調。主要體現(xiàn)在兩方面，一是一些具體設計并沒有遵循技術標準的要求，設置不規(guī)范；二是設置體系的不統(tǒng)一。例如，部分路段信號燈設置與交通標志、標線設置體系不統(tǒng)一，如前所述的交通信號燈、停車讓行、減速讓行標志協(xié)調性設計就是典型問題之一；信號燈與交通渠化的不匹配也是突出的問題之一，在一些路段設置了左轉專用信號，卻沒有專用左轉車道，影響了直行車的通行效率；部分路段的交通標志、標線設置不統(tǒng)一，不僅影響通行效率，還存在交通安全隱患。
圖2：交通標志、標線設置不協(xié)調
交通設施的全生命周期管理缺乏有效手段。面對道路上不同設置時間、不同種類的交通設施，需要有效的全生命周期管理手段。一方面，建立交通設施全生命周期檔案，實現(xiàn)可追溯、可查詢、可研判，通過有效的管理和養(yǎng)護，保證交通設施的效果；另一方面，建立設施之間的關聯(lián)關系，保證設施的設置協(xié)調性，如部分設施更換后，相配套的設施應相應調整。
痛點二：交通數(shù)據(jù)采集手段多，但數(shù)據(jù)不全面、不共享
數(shù)據(jù)是真實狀態(tài)的具象體現(xiàn)，是科學、有效設置交通控制設施的基礎。在《統(tǒng)一交通控制措施手冊》（MUTCD）、《美國道路通行能力手冊》（HCM）、《德國交通信號設施設置規(guī)范》以及我國相關技術標準中都對交通數(shù)據(jù)的采集方法、應用方法進行了規(guī)定，并且放在所有技術措施之前，足見其基礎性作用。交通流數(shù)據(jù)、交通運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、交通事件數(shù)據(jù)是制定交通控制策略、實施有效交通干預的根本支撐；交通運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、交通事故數(shù)據(jù)、駕駛行為數(shù)據(jù)是交通安全研究、設計與實施的重要支撐；出行規(guī)劃數(shù)據(jù)、出行方式數(shù)據(jù)是進行交通線網規(guī)劃、服務設施規(guī)劃與配置、路網指引系統(tǒng)設計的重要支撐?？梢哉f，任何一項交通控制設施的設置、控制策略的生成都應源于數(shù)據(jù)。
通過20余年的ITS建設，特別是最近十年的信息化建設，我國道路交通信息采集手段大幅度升級，極大提升了交通管理科技化和信息化水平。但也要看到，交通數(shù)據(jù)采集存在諸多問題，如交通采集設備多、數(shù)據(jù)質量不高；數(shù)據(jù)種類多、對交通支撐不足；觀測數(shù)據(jù)多、道路使用者出行規(guī)劃數(shù)據(jù)少；數(shù)據(jù)體量大、數(shù)據(jù)管理與分析能力不高等。這也造成很多交通咨詢、設計項目還需要進行大量、冗余的數(shù)據(jù)采集和處理工作；部分項目對數(shù)據(jù)調研工作打了折扣，項目成果無法落地，不能解決實際問題。舉例來說，針對是否要在某地設置信號燈的問題，需要考慮相交道路的等級、機動車交通量與運行速度、行人與非機動車過街流量，還要結合事故數(shù)量與嚴重性、視距、公共交通等情況進行綜合分析才能最終確定，這些工作都需要大量數(shù)據(jù)做支撐。一些技術項目受到數(shù)據(jù)采集條件的限制，就會對數(shù)據(jù)采集工作打折扣，從而造成交通控制設施設置缺乏科學論證，影響通行效率。
痛點三：技術措施不智能、不聯(lián)動
交通系統(tǒng)是一個動態(tài)變化的復雜系統(tǒng)，極為有限的城市交通管理技術人員與城市數(shù)千個管控交叉口之間存在巨大的差距。以往的交通控制手段以預先設置控制策略為主，這往往無法滿足瞬息萬變的交通需求：
信號燈無法根據(jù)交通流的實時需求，智能變化。例如無法識別路口溢出事件并智能調整相位；遇到突發(fā)事故、救援或消防等特種車輛需要優(yōu)先通行的異常事件時，路網各節(jié)點的信號控制難以達到智能、聯(lián)動。
信號燈聯(lián)網不聯(lián)控，缺乏科學的信號聯(lián)控規(guī)則與方案。
信號燈與交通組織方案不聯(lián)動。如無法根據(jù)新的交通狀態(tài)與需求，形成聯(lián)動的交通控制方案；交通組織方案優(yōu)化后，某條車道的功能由直行改為直行和左轉，而信號燈沒有按照新的通行規(guī)則相應調整相位、配時方案。
痛點四：道路使用者出行信息不對稱，引導手段不直接、不系統(tǒng)
路網指引系統(tǒng)對提升路網通行效率、提高交通安全具有重要作用。隨著位置服務的不斷發(fā)展，當前出行者所依靠的路網指引系統(tǒng)已經轉變?yōu)橛蓪Ш?、指路標志、電子地圖等多種指引設施供給、多維位置確認、多源信息服務構成的綜合體系。其中，導航是最為直接的指引手段，以聽覺服務為主；指路標志是最為權威和重要的路網指引信息載體，依靠視覺獲??；地圖是位置查詢和路線規(guī)劃的重要手段，以靜態(tài)服務為主要形式，不同的指引手段均發(fā)揮著重要的作用。
當前，我國道路指引系統(tǒng)的實際設置工作存在以下突出問題：
指引信息的發(fā)布存在不對稱的問題。缺乏比較精準的交通狀態(tài)發(fā)布信息（如對當前各路段擁堵狀況的準確發(fā)布）、預測信息（如對未來一段時間擁堵狀況的準確發(fā)布）、出行遵從（如禁止左轉、禁止停車）信息，導致道路出行者出行規(guī)劃中處于信息不對稱的狀態(tài)。在理論與實際管理中很難實現(xiàn)有效的交通出行行為控制，無法達到交通流動態(tài)分配的目標（如晚高峰時，主干道嚴重擁堵，替代路線卻并不擁堵）。
在誘導、指引手段方面，存在不協(xié)調、不系統(tǒng)的問題。經過國家公路網調整等重大工程的改造優(yōu)化，指路標志系統(tǒng)得到很大提升。但海量的指路標志缺乏科學的評價手段。路網中，指路標志設置不規(guī)范、不系統(tǒng)，指引信息選取不科學、發(fā)布不連續(xù)等問題仍比較普遍。
指路標志與導航缺乏融合，存在兩者指引不一致的情況，影響駕駛人判斷。
路網指引與旅游指引缺乏融合與互連。不同時間節(jié)點，比如黃金周時期，部分道路服務功能會由運輸為主轉為旅游為主，指引信息需考慮滿足不同的出行需求，“指路”與“指景”相協(xié)調。
“交通大腦”是大數(shù)據(jù)、實時通訊和互聯(lián)網人工智能發(fā)展到一定階段的產物。它既不是萬能的救世主，也不是冰冷的機械戰(zhàn)警，但對解決上文提到的四個突出痛點可發(fā)揮重要作用。下面，筆者僅就所了解的城市“交通大腦”來談談其對交通控制技術的意義。
交通大腦”在統(tǒng)一技術架構下，利用多種手段滿足交通管控的業(yè)務需求
針對當前交通控制技術缺乏總體設計這一問題，“交通大腦”構建了“數(shù)據(jù)基礎與技術應用相融合”的統(tǒng)一業(yè)務架構。簡單說，“交通大腦”有三項主要功能，一是對海量的交通觀測數(shù)據(jù)進行全時、全量的感知，并在基于高精地圖的數(shù)據(jù)平臺上進行統(tǒng)一的可視化表達和統(tǒng)一的交通參數(shù)、指標輸出（如交通量、交通組成、車頭時距、轉向比、排隊長度、行程時間等）；二是基于以上更加準確的交通運行參數(shù)數(shù)據(jù)，依托云計算和AI技術準確研判路網交通運行狀態(tài)與需求，第一時間發(fā)現(xiàn)問題、診斷并生成優(yōu)化策略；三是根據(jù)生成的優(yōu)化策略，協(xié)調、聯(lián)動 “信號燈優(yōu)化、交通組織優(yōu)化、交通參與者誘導、交通管理資源調度”等多種手段，對交通進行精準管控，實現(xiàn)提升交通運行效率和出行安全的總體目標。其中，多源數(shù)據(jù)，特別是互聯(lián)網數(shù)據(jù)以及強大的計算、存儲能力是大腦的核心競爭力；計算平臺，如數(shù)據(jù)資源管理平臺以及算法服務平臺等構成了“交通大腦”的核心技術。
不同的技術應用基于統(tǒng)一的基礎數(shù)據(jù)，然后形成統(tǒng)籌的優(yōu)化方案，在一個平臺上協(xié)調規(guī)劃、聯(lián)動各種交通控制設施并有效的誘導交通參與者，達到統(tǒng)籌交通管控的目的。
“交通大腦”的“數(shù)據(jù)底盤”，可精準提供實時的交通運行狀態(tài)。
數(shù)據(jù)是進行交通管控工作的基礎，也是最大的掣肘。雖然目前安裝了一些交通調查設備，但受到監(jiān)測范圍、設備完好度的影響，以往很多項目還需要人工穿著反光背心在路上數(shù)車、測車速，冒著較大風險，也僅能得到局部段落、有限時間的抽樣數(shù)據(jù)。“交通大腦”的底層是一個數(shù)據(jù)平臺，我們稱之為“數(shù)據(jù)底盤”。“數(shù)據(jù)底盤”的作用是匯聚各種感知數(shù)據(jù)，融合、生成反映真實交通運行狀態(tài)的各種交通參數(shù)和指標，也就是“交通大腦”的第一個主要功能。
首先，“數(shù)據(jù)底盤”融入了互聯(lián)網出行導航數(shù)據(jù)。利用海量的出行軌跡數(shù)據(jù)，可以提供行程速度、行程時間、OD數(shù)據(jù)等重要的基礎參數(shù)。此外，針對當前海量的城市視頻文件無法有效利用的問題，“交通大腦”通過視頻AI識別技術，對各種非結構化的視頻數(shù)據(jù)進行結構化處理，從海量的視頻圖像中解析出交通管控所需的排隊長度、車頭時距、轉向比等關鍵參數(shù)，將這些參數(shù)匯聚到“數(shù)據(jù)底盤”之中。這就像“交通大腦”的眼睛，凡是人眼所能觀察到的交通情況，都可以第一時間形成系統(tǒng)可以識別的結構化參數(shù)，而且覆蓋全時、全域。應該說，AI技術的應用實現(xiàn)了對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的“增值”。如圖3所示。
圖3：基于視頻識別技術生成交通參數(shù)
另一方面，“數(shù)據(jù)底盤”將現(xiàn)有各種感知設備，如卡口交通監(jiān)控系統(tǒng)、視頻車輛檢測器、線圈、微波雷達傳感器、地磁傳感器等的結構化數(shù)據(jù)也匯聚進來，最終利用不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)相互校驗、補位，形成真實、全面反映路網交通運行狀態(tài)的交通參數(shù)和指標，并精準地統(tǒng)一表達在高精地圖上。在“數(shù)據(jù)底盤”上，交通管理者、技術工程師可以根據(jù)需要，有效、精準的查詢實時交通運行狀態(tài)和歷史交通運行狀態(tài)，服務于交通管控的技術應用需求?！皵?shù)據(jù)底盤”補充了以往沒有的互聯(lián)網數(shù)據(jù)、視頻解析結構化數(shù)據(jù)，融合了現(xiàn)有感知結構化數(shù)據(jù)，生成統(tǒng)一的技術參數(shù)，對彌補目前數(shù)據(jù)質量不高、交通支撐不足、道路使用者出行規(guī)劃數(shù)據(jù)少等問題具有重要的支撐。如圖4所示。
例如，在路網交通管控工作中，“數(shù)據(jù)底盤”產出的交通量、交通組成、轉向比、排隊長度、停車次數(shù)、交通延誤等參數(shù)，服務于單路口信號燈、交通組織設計的評價與優(yōu)化；OD流量、停車次數(shù)、延誤、行程速度與行程時間服務于干道信號燈優(yōu)化、動態(tài)交通組織優(yōu)化；擁堵延時指數(shù)、平均速度、路網可靠度等指標服務于區(qū)域優(yōu)化。基于視頻識別的行人和非機動車流量、過街密度等基礎參數(shù)，則為優(yōu)化交通運行秩序，保障弱勢群體提供了支撐。
圖4：檢測設施、數(shù)據(jù)與底盤高精地圖的掛接
通過完整的算法規(guī)則和科學的量化研判體系，生成最優(yōu)的交通管控策略。
道路交通是一個動態(tài)、復雜的網絡系統(tǒng)。有了全量本、比較優(yōu)質的數(shù)據(jù)，我們可以對復雜的交通系統(tǒng)進行更為詳細和深入的解析?？蒲?、技術人員可以更為方便地將復雜的交通運行系統(tǒng)與交通特征參數(shù)建立更多維、更全面、更精確的關系模型，正如中南大學余志教授提出的形象比喻“求解交通DNA”。在此基礎上，“交通大腦”基于經典交通模型，融合機器學習算法（比如研判交通運行狀態(tài)）、人工智能算法、神經網絡算法（比如生成最優(yōu)的路網管控策略、優(yōu)化子區(qū)劃分等）等形成一套算法體系，可以更多維、更準確地研判狀態(tài)、生成策略。此外，“交通大腦”的運行機制不是封閉的，支撐其持續(xù)發(fā)展的是科學研究能力、算法迭代能力。有了數(shù)據(jù)的支撐，通過與行業(yè)內管理單位、高校、科研機構、咨詢與設計單位的共同應用與不斷迭代，算法與研判能力會不斷提高，對交通運行狀態(tài)的控制也會更加科學和有效。
圖5：交通控制策略的生成
協(xié)調、聯(lián)動多種管控手段，整體提高交通運行效率，增強路網可靠性。
“交通大腦”是一個立體結構體系，“數(shù)據(jù)底盤”上掛接著交通管控的各種動態(tài)、靜態(tài)設施，比如動態(tài)可控的信號燈、可變信息標志（VMS）；靜態(tài)的交通標志和標線、交通隔離設施等。通過“交通大腦”的計算平臺，基于生成的最優(yōu)化交通控制策略，自動化的協(xié)調、聯(lián)動調控相關管控設施，解決交通擁堵、處理交通事件等問題。比如，在交通高峰時段，通過對“數(shù)據(jù)底盤”生成的交通量、交通延誤、運行速度、飽和度、排隊長度等交通參數(shù)、指標的研判，及時調整信號燈的相位、周期、綠信比等參數(shù)；通過視頻解析，識別溢出事件，調整信號燈相位，提升路口的通行能力；同時，還可基于飽和度、車速與交通延誤預判擁堵區(qū)域范圍，調整擁堵區(qū)域外圍信號燈的周期與綠信比，控制進入擁堵區(qū)域的交通流率。除了信號燈調控外，“交通大腦”還可通過提升交通控制設施的智能性與協(xié)調性，實現(xiàn)對交通流的動態(tài)調控。比如，根據(jù)方向交通流的飽和度、交通延誤、方向不均勻系數(shù)及轉向比，動態(tài)調控車道功能、開放應急車道、調控潮汐車道，提升道路通行能力；關閉某快速路入口、禁止某方向通行，降低交通流率、擁堵事件，提升路網承載力。此外，動態(tài)交通調控是一個系統(tǒng)工程，在應用可變信息標志的同時，信號燈的相位也會相應進行改變。
除了上述道路交通管控措施之外，利用導航、可變信息標志（VMS）有效誘導交通流，可提升路網利用率與均衡性，實現(xiàn)不改變在途車輛數(shù)量的情況下，提升運行效率。以上綜合性的誘導措施，同時可賦能于交通管理的指揮、調度業(yè)務，滿足急救、消防等特殊出行需求，如杭州已實施的救護車一路護航服務，以及大型活動的交通組織服務等。
圖6：動態(tài)交通組織
此外，“交通大腦”對路網指路標志系統(tǒng)具有支撐作用。“交通大腦”的一個功能是OD分析與透出，該功能模塊可以基于導航中的海量出行規(guī)劃數(shù)據(jù)對路網中的信息進行指引需求量化分析，結合路網信息的行政等級、隸屬關系，得到路網中節(jié)點信息的指引需求度系數(shù)，從而對現(xiàn)有指路標志版面信息進行評價，分析指路標志指引信息的覆蓋度和系統(tǒng)性，并協(xié)調指路標志信息與導航信息，從而，改善交通誘導不直接、不系統(tǒng)的問題。
