【城市智能交通創(chuàng)新發(fā)展】以交通模型為基礎(chǔ)的城市智能交通系統(tǒng)---姜靖

霹圖衛(wèi)軟件科技（上海）有限公司（PTV）中國(guó)區(qū)總經(jīng)理 姜靖

　　研究城市交通系統(tǒng)往往是圍繞四個(gè)方面展開，需求、基礎(chǔ)設(shè)施、交通工具或者說(shuō)出行方式，以及ITS。核心的問題是解決人的問題，交通的復(fù)雜性和困難的地方是在跟人打交道。人的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性對(duì)每一個(gè)交通環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生影響，出了這些問題可以在同一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行就是交通模型。現(xiàn)在的交通模型不僅是傳統(tǒng)意義上的四階段法或者是微觀仿真，同時(shí)也是實(shí)時(shí)交通管理系統(tǒng)和智慧出行系統(tǒng)的計(jì)算核心。
　　這里就不針對(duì)需求和基礎(chǔ)設(shè)施展開討論，而是簡(jiǎn)要的談?wù)劷煌Ｐ驮谥悄芙煌ㄏ到y(tǒng)方面的應(yīng)用。
　　共享汽車和共享出行現(xiàn)在是全球業(yè)界討論的話題，包括國(guó)際交通論壇，國(guó)際交通論壇ITF是政府間的國(guó)際組織，它是有59個(gè)成員國(guó)，中國(guó)是成員國(guó)之一。ITF是全球唯一一個(gè)涵蓋全出行模式的國(guó)際組織，PTV是ITF企業(yè)合作董事會(huì)成員之一。
　　ITF開展了一項(xiàng)在里斯本關(guān)于共享出行的研究，首先做了這樣的假定，我們保留大運(yùn)力的公交系統(tǒng)，其他所有的出行都是以共享出行的方式完成。最后的結(jié)果非常令人震驚，只需要5%的車輛就能滿足同數(shù)量的交通出行。在這樣的情況下，城市將不再為交通擁堵、停車、城市的空間問題而頭痛。這是一個(gè)極致的情況，個(gè)人認(rèn)為可以朝著這個(gè)方向去努力，慢慢向這個(gè)方向去過渡。
　　PTV為MASS智慧出行打造了MASS加速計(jì)劃，MASS MODULE是針對(duì)運(yùn)營(yíng)規(guī)劃，為運(yùn)營(yíng)商提供決策支持，包括共享出行服務(wù)的車型，每種車型所需要的數(shù)量，服務(wù)水平比如乘客的等待時(shí)間，車輛的繞行力等等。如果已經(jīng)有模型可以加MASS MODULE的模塊，這樣就可以將MASS和所有的出行方式進(jìn)行整合的分析，這樣就可以分析他們之間相互的影響。政府也可以在同樣的平臺(tái)上，針對(duì)新的出行方式、新的出行工具，而展開的對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施改造研判的工作。
　　在明年底我們將推出PTV OPTMA，為運(yùn)營(yíng)商提供以模型為基礎(chǔ)的派車及運(yùn)營(yíng)服務(wù)，這是MASS MODELLER的案例。這個(gè)共享出行服務(wù)區(qū)域大概是50平方公里，出行的需求通過網(wǎng)絡(luò)來(lái)搜集一共有1378個(gè)上下乘客點(diǎn)，預(yù)約時(shí)間是1分鐘，最大的等待時(shí)間是15分鐘，最大繞行率是50%。在這個(gè)案例分析里面，我們選擇的是六座車，在把所有的需求導(dǎo)入模型之后，圖1是模型里面需求的空間分布，圖2是需求的時(shí)間分布，我們可以看到在晚上7點(diǎn)的時(shí)候有最高的出行需求。

圖1. 模型空間分布

圖2. 每小時(shí)交通需求數(shù)

　　這是模型的結(jié)果，這里我們對(duì)兩種方案做了一個(gè)比較，一種是車的數(shù)量是100輛車，另外一種方案是257輛車。我們可以看到257輛車可以滿足所有的服務(wù)，出行的需求，100輛能滿足75%的需求。在這個(gè)時(shí)候決策者做一個(gè)決定，我是否愿意多出157的投資來(lái)滿足25%的需求。

表1. 模型結(jié)果

圖3. 模型結(jié)果

　　在這個(gè)圖表上面我們可以看到橫坐標(biāo)是車的數(shù)量，縱坐標(biāo)是滿足需求的百分比，在150輛車的時(shí)候可以滿足90%出行的需求。下面這張圖橫坐標(biāo)是在車?yán)锩嫫骄丝偷臄?shù)字，縱坐標(biāo)是百分比。我們可以看到90%的情況下，車?yán)锩娉丝偷臄?shù)字是4個(gè)人。我們剛才假設(shè)的條件是6座車，在這里決策者或者運(yùn)營(yíng)商是否可以做這樣的決定，我們不需要六座車，四座車就能滿足我運(yùn)營(yíng)的需求。
　　MASS CONTROLLER是幫助城市將車、人、基礎(chǔ)設(shè)施、控制系統(tǒng)緊密的結(jié)合，進(jìn)行全局的需求分析、系統(tǒng)優(yōu)化、實(shí)時(shí)控制，圖4列出了一個(gè)智能城市交通系統(tǒng)需要的組件。在實(shí)時(shí)控制方面PTV OPTMA可以幫助決策者對(duì)全路網(wǎng)當(dāng)下和接下來(lái)發(fā)生的交通狀態(tài)進(jìn)行分析、評(píng)定，并預(yù)先設(shè)定解決方案，比如交通誘導(dǎo)或紅綠燈的配時(shí)方案。

圖4. 實(shí)時(shí)的城市運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)組件

　　OPTMA是模型應(yīng)用的延伸，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將離線模型轉(zhuǎn)化成實(shí)時(shí)模型，它同時(shí)是數(shù)據(jù)放大器，可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)采集的缺口，也就是不需要在全路網(wǎng)部所有路口采集的設(shè)備，只需要部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸入。在模型的基礎(chǔ)上，可以生成全網(wǎng)交通的流量，它同時(shí)也是數(shù)據(jù)中心，它包括需求數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)、信號(hào)燈數(shù)據(jù)、公交數(shù)據(jù)等等，它更是一個(gè)決策支持的平臺(tái)，可以幫助我們實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的智能交通控制系統(tǒng)。
　　這里對(duì)交通管理目標(biāo)采用不同的方法做了一個(gè)比較，對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)的方法，它在數(shù)據(jù)很大的情況下可以對(duì)交通現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，但不能做交通預(yù)測(cè)，也不能做方案比較和優(yōu)化。由于數(shù)據(jù)量很大，可以做交通現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)，但它對(duì)交通預(yù)測(cè)只限于常態(tài)的交通，對(duì)于易常的交通無(wú)法預(yù)測(cè)。因?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)不了還沒有發(fā)生過的事情，因?yàn)樗皇窃谀Ｐ偷钠脚_(tái)上，所以不可以做多方的比較和決策的支持。交通模型既可以做現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)也可以做交通預(yù)測(cè)，也可以做方案遴選和決策的支持。
　　需要強(qiáng)調(diào)的是對(duì)交通狀況的研判不能只考慮速度，而是要同時(shí)考慮速度加上流量。在交通方向它可以整合不同的數(shù)據(jù)源，為用戶提供只需唯一的平臺(tái)來(lái)展示全路網(wǎng)的交通狀況，可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和交通模型來(lái)做交通的評(píng)定、月側(cè)。同時(shí)根據(jù)設(shè)定的KPI，在這個(gè)模型里面有很多的參數(shù)，不管是時(shí)間延誤、排隊(duì)的長(zhǎng)度、速度、密度等等你可以自己去選擇。設(shè)定KPI來(lái)做不同方案比較，最后系統(tǒng)會(huì)幫助你來(lái)選擇最優(yōu)的解決方案。
　　這是我們希望的結(jié)果減輕交通擁堵，減少尾氣排放，減少時(shí)間延誤和交通事故。在優(yōu)化方面，在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上我們對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化。圖5所示為OPTMA功能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，它分離線和在線的兩個(gè)部分。離線部分是一個(gè)模型，而是以動(dòng)態(tài)交通模型，包括路網(wǎng)的數(shù)據(jù)、OD數(shù)據(jù)還有路徑選擇的數(shù)據(jù)，還有交通策略。在這個(gè)基礎(chǔ)上模型可以對(duì)我交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)，在這個(gè)離線模型里面還包括公共交通網(wǎng)絡(luò)還有時(shí)刻表的信息，作為公交的實(shí)時(shí)在線控制基礎(chǔ)。

圖5. 組件式功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　在線的部分通過多元的數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)路徑的數(shù)據(jù)可以生成路段的速度，再加上斷面的流量，在我們模型里面可以生成綜合交通的狀態(tài)，同時(shí)路網(wǎng)中發(fā)生交通事故，道路的施工等等交通的實(shí)踐也可以導(dǎo)入到模型里面來(lái)。這些事件也對(duì)我的交通狀態(tài)進(jìn)行影響，我的模型是在在線的環(huán)境里面，不斷地對(duì)交通的狀態(tài)進(jìn)行在線仿真。
　　在這樣的基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)對(duì)交通狀態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)并且可以做短期和中期的預(yù)測(cè)。系統(tǒng)有一個(gè)報(bào)警的模塊，也可以將信息發(fā)布到信息顯示牌，可以發(fā)送到網(wǎng)頁(yè)，可以預(yù)測(cè)巴士到站的信息。里面有一模塊可以做多出行形成計(jì)劃，同時(shí)也可以與第三方的平臺(tái)來(lái)做一個(gè)對(duì)接。還有一個(gè)很強(qiáng)大的功能，我們?cè)谕瑯右粋€(gè)模型上面能生成PTV可以和這個(gè)系統(tǒng)對(duì)接，就可以做自適應(yīng)紅綠燈配時(shí)方案。
　　維也納連續(xù)8年被評(píng)為生活品質(zhì)最高的城市，PTV OPTMA是維也納智能交通系統(tǒng)的核心軟件。這是第三方做出效果的評(píng)價(jià)，它可以節(jié)省實(shí)踐50%，減少顆粒污染60%，減少二氧化碳排放量15%。
　　下面介紹一下OPTMA不同模塊的用戶界面，圖6為短期交通預(yù)測(cè)的界面，我們可以看到在紅色的地方發(fā)生了一起交通事故，每5分鐘有一個(gè)全路網(wǎng)交通模型的更新，并可以看道不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上排隊(duì)增加和消散的過程。而且系統(tǒng)可以自動(dòng)地檢測(cè)到事故并且發(fā)出報(bào)警，用戶可以自定義發(fā)出報(bào)警的門檻值，比如速度、流量密度和排隊(duì)長(zhǎng)度等等，并且和可以第三方系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。

圖6. 短期交通預(yù)測(cè)界面

圖7. 監(jiān)測(cè)和控制界面

圖8. 實(shí)時(shí)方案評(píng)定

　　在系統(tǒng)里可以預(yù)先設(shè)定好的，針對(duì)發(fā)生不同的交通狀況，采取不同交通管理的措施。交通管理者可以在菜單里選擇不同的措施，并生成不同的解決方案來(lái)近來(lái)比較。在這里可以設(shè)定不同的KPI，在這里有三個(gè)不同的方案，可以在同一個(gè)界面上選擇一個(gè)最優(yōu)化的方案（如圖8）。
　　每天在短時(shí)間內(nèi)我們的交通網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)生非常多的交通事件，怎樣管理信息的發(fā)布，也是信息管理者需要重視的問題。OPTMA可以幫助交通管理者對(duì)不同的交通事件，對(duì)交通影響的程度進(jìn)行排序，將最緊急、最重要的信息發(fā)表出去。同時(shí)，模型有每一條道路在當(dāng)下和未來(lái)的流量速度，也就是說(shuō)我們可以對(duì)每一條道路的交通狀況進(jìn)行預(yù)警。
　　同時(shí)OPTMA可以預(yù)測(cè)巴士到站的時(shí)間（如圖9），并將公共交通和私人汽車交通的相互影響，在同樣的界面上顯示。在這里可以看到一輛巴士被困在車流里排隊(duì)的情況，同時(shí)我們可以看到排隊(duì)的長(zhǎng)度和延誤的時(shí)間?？梢陨扇肪W(wǎng)路口的紅綠燈配時(shí)方案，達(dá)到相關(guān)聯(lián)的信號(hào)燈控制。中央系統(tǒng)每5分鐘優(yōu)化一次，特定的地點(diǎn)可以達(dá)到秒級(jí)優(yōu)化，而且可以和公交優(yōu)先信號(hào)燈來(lái)配合，對(duì)期望的效果進(jìn)行調(diào)整。

圖9. 公交實(shí)時(shí)到站信息

　　還有一個(gè)特點(diǎn)是我們不需要太多的探測(cè)設(shè)備，比如說(shuō)我們知道在路口需要做自適應(yīng)的紅綠燈配時(shí)，我們需要不同方向交通的流量，一定要探測(cè)設(shè)備來(lái)探知交通的流量。我們不需要太多的探測(cè)設(shè)備，不要忘記我們智能交通系統(tǒng)里面有一個(gè)交通模型作為基礎(chǔ)，有一個(gè)全路網(wǎng)的交通流量。