“改革开放”40年来,我国大多数城市都经历了交通基础设施的大规模建设过程,以道路交通网络为主体的城市交通基础设施已逐步完善,大城市的轨道交通建设也全面展开。可以说,我国仅用了40年时间就完成了发达国家100多年的建设过程,这期间,我国城市居民出行方式也经历了由非机动化主导向机动化主导的重大转型。

随着城镇化的快速推进,城市规模不断扩大,城市居民出行距离越来越长,引发私人小汽车大量进入家庭。快速增长的机动化交通需求总量(小汽车出行与公交、地铁出行)与稳步增长的机动化交通供给能力(城市道路、地面公交与轨道交通建设)之间不协调,城市交通系统供需失衡,造成了道路交通拥堵、交通事故频发、交通环境污染等一系列城市交通问题。

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面对当前的城市交通问题,单靠交通基础设施建设已经无法满足日益增长的机动化交通需求,人们开始寻求基于新一轮科技革命的高新技术来提升城市交通系统的现代化管理水平与智能化服务能力,以破解城市交通难题。而同时,我国也正在抢抓人工智能发展的重大战略机遇,构筑人工智能发展的先发优势。人工智能技术被视为提升城市精细化管理水平,破解人口膨胀、交通拥堵、环境恶化等“大城市病”的有效手段,类似于“城市大脑”这样的智慧城市系统相继在杭州、苏州、雄安、马来西亚吉隆坡等国内外城市落地,并逐渐成为大城市、特大城市的“标配”,而作为“城市大脑”的核心,“城市交通大脑”(或类似平台)在全国很多城市立项建设。

“城市交通大脑”试图将人、车、路和流量数据都接入系统,通过人工智能分析技术,把互联网大数据转化为业务策略,形成城市交通实时大视图,以此来完成城市交通系统的精明组织、精致设计与精准管控,比如“互联网+”信号优化等。但是,当前的“城市交通大脑”建设也存在很大争议,突出问题是主导建设的互联网公司对城市交通系统的复杂性、专业性了解不够,过于相信数据特别是短时流量数据的作用,过度依赖末端“高精尖”的交通管理与控制,忽视城市规划、土地开发、交通政策、设施建设等深层次因素,缺乏专业的交通建模与分析,导致“城市交通大脑”缺乏交通优化的思维能力,由此得到的城市交通解决方案其实施效果往往差强人意甚至适得其反。很多城市的“城市交通大脑”只是一个摆设,成了相关部门向市政府领导汇报工作或向其他城市同行炫耀“智能交通成果”的展示平台,没有实质性作用。

综合理论和实践经验,我们认为,“城市交通大脑”应该采用人工智能和专业判断相结合、互联网大数据和交通模型双轮驱动的技术路线,集成互联网公司、传统智能交通企业和交通专业科研院所等各家优势,做好顶层设计,有序推进实施,才能避免很多城市已经出现的一些弊端,使“城市交通大脑”真正具有交通优化的思维能力。而“城市交通大脑”建设应以“城市虚拟交通系统”平台建设为核心和先导。

“城市虚拟交通系统”的作用是给“城市交通大脑”赋予“交通优化的思维能力”,“城市虚拟交通系统”按照“以精确感知为基础,以精细建模为依据,以精明交通规划、精致交通设计、精准交通管控为策略”的技术思路,通过互联网技术等手段获取城市交通系统的静态基础数据、动态出行数据和实时流量数据,将基于大数据的交通状态感知上升到基于交通模型的交通机理认知,研发能够把互联网大数据用于提升城市交通系统规划建设、运行组织、管理控制和政策制定水平的理论模型、系统软件、场景预案与测试平台,突破由交通状态感知上升为交通机理认知的虚拟仿真关键技术,形成城市交通从“末端管理”上溯至“前端治理”,涵盖城市土地利用、交通政策制定、交通设施建设、交通管理控制等环节的整体解决方案,使“城市交通大脑”具有“交通优化”的决策支持能力。

当前,我国正在全面实施“交通强国”国家发展战略,城市交通体系的高质量发展是城市交通建设与管理相关职能部门的首要任务。我们认为,城市交通体系的高质量发展需要三大关键技术的支撑:决策支持技术、工程建造技术和系统管理技术。在我国,交通基础设施的工程建造技术已经得到了长足发展,进入新世纪以来,我国各大中城市都相继建成了一批高质量、有影响的交通基础设施,如:高铁站、地铁、高架桥、城市隧道以及道路网络等。但这些交通基础设施“要不要建,建在什么地方,建多大规模,什么时候开始建”的决策过程科学性不足,这些设施建成后的系统管理跟不上城市交通现代化、智能化要求。由于城市交通发展中的决策支持技术、系统管理技术远远落后于工程建造技术,造成了一个尴尬局面:高质量的硬件基础设施、低效率的交通运输网络、低水平的居民出行服务。因此,提升城市交通发展中的决策支持技术与系统管理技术是城市交通高质量发展的当务之急。

“城市虚拟交通系统”是城市交通发展中的决策支持技术与系统管理技术的集成分析与仿真平台。通过构建“基础数据库、分析模型库、系统软件库、场景预案库”,用“统一的数据、统一的模型、统一的软件、共享的平台”实现城市交通系统多部门协同,为城市交通高质量发展中的城市土地开发、交通政策制定、交通设施建设、交通管理控制等环节的整体解决方案提供决策支持平台。

城市虚拟交通系统基本原理

城市虚拟交通系统决策支持平台跨部门协同的示意图

《城市虚拟交通系统》针对城市虚拟交通系统的基础理论、关键技术与案例分析三部分主要内容,分三篇进行系统介绍,希望通过各篇的阐述,让读者在掌握相关理论技术研究现状的同时也能了解其未来的发展趋势。

本书第一篇为城市虚拟交通系统基础理论,共6章,主要针对城市交通系统的复杂演变规律,介绍了城市交通网络、交通需求、交通分配、公交系统、交通评价等方面的虚拟交通基础理论体系。

本书第二篇为城市虚拟交通系统关键技术,共7章,从虚拟交通系统的技术框架与平台软件发展出发,介绍了交通数据库构建、交通需求分析、交通运行分析、公交系统分析、交通综合评估等关键技术及其实现过程,并特别针对上述关键技术的高效实现提出了虚拟场景设计、人机交互设计、一键式仿真流程设计等通用技术,形成了从城市虚拟交通系统基础理论到实用关键技术之间的有效衔接。

本书第三篇为城市虚拟交通系统典型案例,共4章,依托重庆市、南京市、宁波市、哈尔滨市的实际交通系统发展情况与交通业务决策支持需求,分别搭建了4个城市的城市虚拟交通系统平台,并结合典型案例介绍了城市虚拟交通系统在城市交通系统规划建设、运行组织、管理控制和政策制定等方面的应用成效。

系统仿真结果图

本书三大篇章的切入点、关注对象、研究重点均有不同,各具特色的同时又紧密联系,力求全面、准确、深入浅出地向读者构建起城市虚拟交通系统的完整概念、理论内涵、技术体系与应用架构。本书面向科学研究人员、工程技术人员、本科生及研究生,可以作为交通工程及相关专业本科生、研究生的教材,以及交通运输工程领域科学研究、规划设计、行业管理等相关人员的参考用书。

作者简介

王炜,东南大学首席教授、博士生导师,土建交通学部主任。国家高层次人才计划入选者、国家杰出青年科学基金获得者、长江学者特聘教授、全国高等学校教学名师,获首届全国创新争先奖、首届全国教材建设奖、全国五一劳动奖章、宝钢教育基金优秀教师特等奖等荣誉称号。

长期致力于交通运输工程领域的人才培养与科学研究工作,研究方向覆盖城市交通规划、城市交通管理、智能交通系统、综合交通体系等领域,主持研发了我国首个完全自主知识产权的交通系统分析大型平台软件“交运之星-TranStar”,研究成果获国家科技进步二等奖5项(4项排名第一、1项排名第二)、国家教学成果二等奖3项(均排名第一)、省部级科技进步奖与教学成果奖一、二等奖20多项。

(本文编辑:王芳)