郭偉娜,田大江,張勝雷
(中國城市科學研究會數字城市工程研究中心)
2016年,美國交通部舉辦了“智慧城市”設計挑戰,本次賽事是針對中等規模大都市如何應對未來自動駕駛汽車、智能傳感器以及聯網交通設備等新發展的基礎設施創新設計大賽。其中:奧斯汀、哥倫比亞、丹佛、堪薩斯城、彼茲堡、波特蘭以及舊金山,進入了最后的決賽階段。
值得注意的是,運輸部的項目排除了紐約、洛杉磯、芝加哥、休斯敦等大城市。“我們選擇中型城市的原因在于,中型城市的案例既可以在大型城市復制,也可以在小型城市復制。”美國運輸部部長安東尼·福克斯說。
“智慧城市挑戰”確定了12個“愿景目標”,用于評選申請者。這些目標反映了運輸部制定的《超越交通》報告主題,包括:技術目標、智慧城市目標和城市交通的創新方式目標三大類。其中,技術目標包括城市自動化、聯網車輛、智能、基于傳感器的基礎設施;智慧城市目標包括架構和標準,低成本、高效、安全和彈性的信息通信技術,智能土地利用;城市交通的創新方式目標包括城市分析,關注于用戶的移動服務和選擇,城市配送和物流,戰略業務模型和合作機會,智能電網、道路電氣化和電動汽車,互聯、公民參與[1]。
這些愿景既規劃了未來人類出行的方式,也規劃了人類生活的方式。世界經濟論壇創始人施瓦布稱,第四次工業革命已經來臨,智慧城市是其重要內容,許多城市會將服務、公共設施以及道路接入互聯網,這將能夠對能源、物料流、物流運輸及交通等領域進行管控。
筆者以入圍的城市舊金山為例,詳細的介紹了其在智慧城市尤其是智能交通領域所作的工作和努力。文中包括舊金山的城市背景,舊金山智能交通未來的藍圖,12大愿景目標,風險管理和評價體系,以及對我國智能交通發展的啟示。
舊金山(San Francisco),位于加利福尼亞州西北部,美國西海岸中點,是太平洋沿岸僅次于洛杉磯的第二大港口城市。市區面積119km2。大市區包括附近4個省和奧克蘭、伯克利等城鎮,面積7475 km2。舊金山城區中心街道呈格子狀向東西、南北伸展。住宅區房屋密集程度很高。馬基特大街為最繁華的商業街,從市中心伸向城東北隅山腰;金門路一帶高層建筑林立;蒙哥馬利街及其附近地區為金融區,有“西部華爾街”之稱,高52層的美洲銀行大廈就聳立在這里。
舊金山人口80.5萬(2010年),人口密度是6879人/km2(17818人/mile2),為美國西部人口密度最高的城市。舊金山灣區65歲以上的人口占總人口的12%,到2040年,這一比例將上升至22%。
舊金山交通管理局(SFMTA)是世界上為數不多的有廣泛授權管理所有交通方式的機構,包括公共交通、出租車、停車場和交通信號等。該機構的愿景:“卓越的交通出行選擇”,將為所有的市民提供了一個交通藍圖。
舊金山交通管理局負責計劃、設計、建造、運營、管理和維護世界上最全面的交通網絡之一。該機構直接管理舊金山的五種公共交通工具(長途客車、有軌電車、輕軌、老式有軌電車和纜車),此外還負責監督帕拉特蘭的服務,為無法使用固定路線交通服務的個人提供服務。舊金山交通管理局為加州灣區提供了超過40%交通運輸,每年運送旅客超過2.25億人次。
在2012年,舊金山交通局戰略計劃的目標是到2018年實現50%的非自駕出行和50%的綠色出行(步行、交通、自行車、共享出行)。未來三年,即使在人口和就業快速增長的情況下,舊金山也能實現50%的非自駕出行。隨著城市的發展,不僅要保持發展速度,而且還要增加共享和積極的出行模式。舊金山交通管理局有創新的已交付、試點和示范工程。并且擁有專業知識、技術和穩定的人際和合作伙伴關系,以實現“智慧城市挑戰賽”的目標。
舊金山的領導層高度重視此項目,并努力將智慧城市變成現實。通過接受這一挑戰,這座城市可以啟動并加速已經在進行中的轉型。舊金山收到了許多優秀的共享移動、CAV技術提供商和其他關鍵利益攸關方的支持信。該倡議將由舊金山交通局及其合作伙伴牽頭。該市將成為世界上第一個全面整合共享、電力、聯網和自動化車輛系統的城市,為所有居民、通勤者、游客和商業開發一個完全集成的、電動的、自動化的智能網聯汽車系統。
舊金山是一個高度成熟的數據開發城市,同時也具有很強的創新文化。SFOpenData(https://data.sfgov.org/)是一個開放的數據平臺,是舊金山市和州的數據交換和清算中心。該平臺托管了不同行業的350多個數據集,并且使用這些數據構建許多創新產品。有超過30個交通數據集(機器可讀)已經發布,并且可以通過這個門戶向公眾開放,一旦相關政策建立,我們將在共享、聯網和自動駕駛車輛上提供數據。
1)目標
為了擴大和集成共享移動服務的能力,舊金山將實現車聯網和無人駕駛(智能聯網汽車)作為實現智能交通的方法。自從2011年,舊金山已經著手智慧城市建設,利用科技手段讓其建筑更加高效,減少能源利用、減化垃圾處理系統、擴大交通運輸系統。所有的手段都是為了讓出行更加簡單。智能聯網汽車目標是下一步達到:
①2020年達到零垃圾;2020年達到零排放;2024年達到零交通事故。
②到2017年溫室氣體排放有望降低到1990年的25%。
③交通方面,2015年計劃,到2018年達到50%的無人駕駛。
2)挑戰
目前加州交通出行方式并不協調。城市人口和商業激增,導致車輛交通擁擠,交通事故,尾氣排放,噪音,停車場需求增大。通行時間和成本提高也影響了出行方式的選擇。具體如下:
①城市的快速增長超過了基礎設施的承載能力,導致了交通的擁堵和街道的擁擠,造成嚴重的交通安全問題。
②人們有限的財力和高房價增加了更長的通勤時間。
③越來越多的移動終端供應商各自為政,為安全、可訪問性、互操作性、可用性和可持續性的服務。
④大多數人居住在城市的外圍區,他們沒有更多的交通選擇,只能以私家車出行,增加了交通成本。
⑤越來越晚的夜間經濟使城市變得更加明亮,但是服務工下班后回家的交通方式有限。
⑥舊金山每天有超過50000的旅游者,大部分都是區域性的。由于缺少交通部門的信息和協調為部分地區制造了更多的擁擠和停車緊張。
⑦城市商業運輸不斷增加,尺寸不合格的車輛進出社區,裝卸貨區也顯得非常的緊張和擁擠。
3)機遇
利用智能聯網汽車技術(CAV)和智能交通系統(ITS)提高了居民出行、公平、進入、安全和支付的能力:
①共享出行(共享汽車、共享自行車、共享電動車、拼車、出租車和私家車)和公共交通一起解決出行,減少交通成本、個人擁有汽車的需求,節省了時間和金錢。
②智能網聯汽車能夠解決多個城市發展問題,包括:交通事故、尾氣排放、擁堵、噪音、個人和城市的運行成本。
③聯合的、共享的出行、公共交通和智能網聯汽車技術,可以有效的減少對街道停車空間和的需求,增加的道路可以供給給人們休閑、自行車,或者為人們提供更多的廉價房屋。
4)關鍵點
為了實現上述目標,加州將社區居民、企業、利益相關者結合起來,并引入社會資本。安排如下:
①建設一個區域進行試點,用于解決這些問題,至少包括一個或多個社區。
②培養專業的工作人員作為相關企業提供人才和指導。
③與有資格的共享出行提供者整合路徑設計、支付軟件、易用性,同時應對快速的擴張。
④以數據驅動解決城市的目標,在社區中激勵共享出行的人可以享受路邊停車和專用車道。
⑤邀請智能網聯技術公司和相關專家學者參與到這個領域中來。
⑥“導則”包括不局限于Wi-Fi,收費,智能信號燈,車道,傳感器,信號燈,最后一公里班車,靈活的上下車,快遞服務,停車管理,地理圍欄,定價管理,激勵,自行車、汽車、電摩托,貨船共享規則。
⑦為相關工作人員和公眾不間斷的提供手機的數據、信息、和分析的效果,以支持新的服務和技術。
舊金山將分階段實現共享電動網聯智能汽車(簡稱:SECAV)。每一階段都包含了智慧城市挑戰的幾個基本要素。在這一階段,城市會看到交通擁堵,溫室氣體排放和交通事故會隨著時間的推移而下降,而可支付能力和可靠性則會上升。隨著時間的推移,人們對街道和停車場的需求將會大大下降,從而使空間能夠被重新利用。圖1是12個美國交通運輸部(USDOT)提出的愿景目標,這些愿景目標都是為SECAV的實現。
1)技術目標:
愿景1.城市自動化
SECAV旨在加速自動化和共享的部署,使用這一方法來鼓勵創新和應用。SECAV的目標是通過為居民、工人和游客提供方便的通勤選擇,從而減少單獨開車出行。自動駕駛汽車出現了。在加州的圣拉蒙,“最后一英里”公共汽車正在開發和測試全自動汽車,許多新車都有自適應巡航控制,自動停車和自動車道控制。舊金山目前有10家公司正在測試他們的技術,他們希望將這些技術應用到特定的城市環境中去研究、測試和改進。
愿景2.聯網汽車(CV)
城市的聯網汽車的目標已經不僅僅局限于汽車,已經延伸到了聯網的基礎設施、車輛、旅行者、行人和交通工具上。舊金山是美國交通部的聯網車輛安全駕駛試點之一。作為SECAV愿景的一部分,該市將進一步分析城市CV應用的組合以致力于城市移動問題的解決。專用的短程通信(DSRC)將被用于支持需要高頻率通信的應用程序。聯網汽車的應用包括:聯網汽車安全區域、多模式智能交通信號系統(MMITSS)、低排放節能區設定、節能進場離場系統和行人自行車安全系統。
愿景3.智能的、基于傳感器的基礎設施

圖1 SECAV的潛力
舊金山通過綜合使用導電回路、磁場感應器、雷達、視頻監控和高性能交換機來收集數據,探測車輛、行人和自行車。舊金山通過無線市政高速寬帶網絡(LTE-U)能夠把各個十字路口連接起來進行遠程管理。這些應用在今天得到了應用:①公交信號優先;② 閉路電視(CCTV)交通監控;③遠程訪問車載閉路電視和音頻。LTE-U網絡也可以支持對Muni乘客的無線網絡服務,同時也可以調整信號的時間。該城市還擁有首個自行車計數器,通過使用環探測器的數據收集自行車旅行數據,并在SFMTA網站上提供數據。
2)城市交通目標的創新方法:
愿景4.城市分析
城市分析是智慧城市的一個重要要素,開放數據門戶將從基礎設施元素,如路邊傳感器、天氣傳感器、聯網車輛車隊等基礎設施中獲得更多的實時原始數據。城市可以在性能評估和運營決策中使用這些數據。
城市領導者利用城市分析來分析數據,解決復雜的城市問題,吸引市民,衡量交通網絡的績效。可以為智慧城市挑戰做一個門戶網站,以跟蹤在智慧城市建設方面的進展。舊金山現有的開放數據政策將使開發者能夠對手機應用和信息網站等創新產品進行本地化。通過城市分析,舊金山打算提供個性化的旅游推薦,并積極的預測分析未來的狀態,并少負面影響。
愿景5.以人為本的出行服務
從私有出行模式到共享交通服務的出行模式的轉變是一種深刻的文化變革,并對當前的政策、監管、供應和融資體系如何應對這種變化提出了挑戰。人們正在改變他們的行為,從抓起汽車鑰匙到拿起手機尋找交通服務。對舊金山來說平衡這一需求和供應問題,將為我們提供一個重新思考我們的權利、減少停車供應的絕佳機會。城市適應并致力將這種改變融入到迭代的框架和治理中。
愿景6.城市物流
作為SECAV愿景的一部分,該城市的目標是上線更智能的物流和貨運配送系統。這包括一些概念,如智能交付系統、空間管理、裝載/卸載接入點,以及對貨運車輛的優化、路由和導航。
愿景7.戰略性的商業模式和合作機會
實現SECAV愿景需要強有力的合作伙伴。舊金山交通局(SFCTA),是國家指定的交通擁堵管理機構,負責全州合作伙伴的協調,并提供技術支持。加州正在與一個非盈利的組織City Innovate在城市里成立一個公民創新實驗室。城市創新是政府和個人間的紐帶,它能夠增進對彼此需求的了解,為城市發展雙贏提供解決方案。
愿景8.智能電網、電氣化道路和電動汽車
舊金山在推廣可替代燃料使用,以及嚴格的排放和能效指導方針方面有著悠久的歷史。舊金山非常支持零排放和電動汽車的愿景。這一措施的一個主要動機是將停車空間的優先級放在公共場所,以及在整個城市的建筑物中安裝充電站。ChargePoint是世界上最大的電動汽車充電站網絡,通過它的APP和網站能提供使用資料等。這個城市打算為更多的充電設備提供當前網絡的擴展。此外,特斯拉、日產、寶馬和豐田等汽車制造商正考慮在共享移動車隊中建立一個電子充電站網絡,在這些車隊中,車輛的所有權由統一的用戶網絡共享。
愿景9.公民聯網
在利用新技術和社交媒體方面,舊金山處于公民參與的前沿。居民們使用一部智能手機來處理不同的服務。例如,SFGov移動應用可以讓市民了解最新的城市和州相關新聞,而SF311呼叫服務、SFpark和StreetLightsSF等應用則用于市民的舉報和服務反饋。這個城市已經在街道、圖書館和33個公共公園和空間里都有免費的無線網絡。該城市正在構建其現有的數據共享功能,讓市民了解數據,并允許他們通過開放API在應用程序開發中使用這些數據。隨著舊金山繼續沿著智能城市的道路走下去,目前的數據中心將會開放更多的數據源,這些數據可以提供原始的、源數據的數據。
3)智慧城市目標:
愿景10.架構和標準
SECAV中的聯網汽車參考 (CVRIA)標準,這些標準是使用智能交通工具(set-it)的系統工程工具開發,這些標準是歐洲聯盟法院的標準。舊金山將使用CVRIA體系結構來設計醫療、企業和通信。并擅長set-it工具,它可以生成多個“層次”的視圖和全面的版本,或者更低的層次。數據中心集成了開放數據標準。例如,餐館的健康分數是根據Yelp開發的“生活標準”開發的,這樣分數就可以直接集成到應用中,該市利用交通類開放數據標準ISO 26262和SAE和自動駕駛委員會,以充實框架、指導方針和保障措施。
愿景11.低成本、高效、安全、有彈性的信息和通信技術(ICT)
舊金山新啟動了一項為期五年的信息和通信技術計劃,在全市范圍內開發一種安全的低成本和高效的信息通信技術:
①支持和維護安全的基礎設施——城市的信息通信技術基礎設施是支持政府運作的基本系統。持續投資以確保城市的關鍵基礎設施得到適當的保護和支持。
②提高效率和有效性——政府更加高效的按照輕重緩急進行投資。
③提高政府透明度——優先考慮信息通信技術項目,提高城市服務的及時性,使政府更加透明。政府部門將繼續改進和提高信息通信技術的彈性,支持SECAV的實施。
愿景12.智慧的土地利用
舊金山有著悠久的智慧土地使用歷史,原因是它的地理位置、街道網格、停車限制以及交通支持政策。例如,舊金山是美國最重要的12個可持續城市之一(Moyers and Company, 2013)。就業人數預計將從2010年的568,720人增長到2040年的近76萬人。4600套住房正在建設中,有超過43000套正在計劃。
實現SECAV包括以下幾個方面:
1)政策層面:制定框架結構,并隨著時間和變化修改和完善;
2)社會方面:社區采用新服務,嘗試并分享經驗;
3)技術層面:新的軟件在用戶和使用者之間提供了新的體驗(不再使用汽車鑰匙,你可以輕敲你的手機獲得服務,駕駛者與乘車者請求分是分開的)。
4)社區和公共空間層面:街道重新設計,或者用作其它用途以增加行人的吞吐量,公共空間,交通安全。
舊金山充分認識到這一努力的文化和技術復雜性,并與合作伙伴和利益攸關方合作,共同解決這些問題,努力實現一個包容、宜居的城市和地區的發展道路。

表 1 評價指標
城市將根據關鍵性能指標來構建基于數據驅動的方法,以評價和展示“智能城市”建設的結果。
1)重視前期的規劃、規范標準制定和頂層設計

圖 2 2040年工作地點(左圖)和住房(右圖)
美國在1991年集中了當時國內各種力量, 在政府和國會的參與下成立了智能交通系統建設領導和協調機構,并于當年制訂了《陸上綜合輸效率化法案》(ISTEA),從此美國的智能交通系統建設研究、開發進入了系統、有序、全面的發展階段。1995年5月美國制定的《國家智能交通規劃》和第一版《國家運輸智能交通系統通信協議》(NTCIP)以及1996年頒布的《國家系統結構》,詳盡地描述了美國智能交通技術的發展策略、各參與者所扮演的角色與責任,規定了各種交通系統模式及設計實施技術細則。美國交通部于2015年頒布了《國家智能交通系統2015- 2019年發展策略》,明確了以“改變社會的移動方式”為愿景和以“汽車的智能化、網聯化”為戰略計劃核心,通過研究、開發和教育活動促進技術和信息的交流,創建更安全、更智能的交通系統,為美國未來 5 年在智能交通領域的發展明確了方向[2]。
在此背景下舊金山交通運輸局制定了智能交通的發展規劃,并且在詳細的分析了現有出行數據的前提下,制定了切實可行的愿景目標,明確了系統建設的目標、要求、風險管理和控制,為智慧交通的建設打下了堅實的基礎。
2)跨部門間的數據資源共享
智能交通系統是一個整合了諸多子系統平臺 的、龐大的綜合平臺。基于各個部門的管理范圍和業務需求為出發點而建設的智能交通系統,都應隸屬于這個大平臺的子系統。對于一個城市或區域的交通管理而言,很多情況下在某一時段往往需要多個部門的協同參與,通過部門間數據橫向整合,建立不同運輸方式的信息采集、交換和共享機制,為便捷交通運輸服務提供精準、可靠的數據支持,為管理決策提供基礎支撐。
舊金山交通管理局通過聯合運用資源來提供高效的交通和緊急事件管理服務,從而使公眾的出行安全及機動性最大化。其主要功能包括交通管理、緊急事件管理、事故管理、環境保護和土地利用等。
3)分階段的實現計劃
首先將交通運輸作為一個軟件及平臺(TaaP):城市政策框架和合作伙伴,使共享的移動服務提供者能夠參與到一個更安全、可負擔得起、可訪問的、可操作的、可持續的和有彈性的交通網絡中。其次:交通運輸作為一種服務(TaaS):一個以客戶為中心的框架,通過“數據共享”,通過一個提供路由、預訂和支付的“數據共享”,并通過街道運營和優先級來創造無縫的旅行體驗。最后實現智能道路:一個政策和設計框架,用來管理控制空間,經營需求,并優先考慮旅行路線以發展共享模式,并指導聯網和自動駕駛階段。
4)物聯網、無人駕駛、智能網聯汽車等先進技術的高度應用
第一,將傳感、通信、決策控制等相關技術的投入到智能交通的建設中,更高級別的駕駛員輔助系統,如車道保持、全自動泊車、車輛跟隨等將逐步提高技術成熟度,降低生產成本,實現大規模產業化。第二,將自主式和網聯式技術加速融合,為行車提供安全性更高、自動化程度更高、使用成本更低的解決方案。網聯協同感知,通過V2X完成車與外界的信息交換,幫助車輛進行決策與控制。V2X指包括V2V(車對車)、V2I(車對基礎設施)、V2P(車對行人)等模式的車聯網通信技術[3]。
5)完善的評價體系
智能交通系統評價評價體系是對智能交通系統部署應用后的效益和項目投資的價值進行評估,對于確保項目建設能夠圍繞智能交通運輸系統建設之初的愿景和目標,具有重要的意義。同時,通過評價體系可以更好地量化智能交通系統項目的價值、效益和影響,并促進智能交通系統戰略的持續改進。
舊金山智能交通的評價體系由六個方面組成。分別為安全、可達性、負擔力、可用性、互操作性和可持續發展。在建設階段,評價體系起到監督指導作用,保證項目的建設方向與聯邦政府的規定一致;在項目部署階段,評價體系對項目進行跟蹤對比。同時整合其他系統的建設經驗,指導項目的部署。在項目運行階段,對于系統的運行效果可進行量化的評價,并且基于積累的海量數據進行分析,為智能交通的建設和修正提供依據。
城市智能交通系統是智慧城市建設的重要組成部分,是解決大城市病和城市交通問題的重要策略,將為實現綠色交通出行、建設安全順暢且環保節能的交通系統做出貢獻。基于對舊金山智能交通建設的經驗和國內的實踐總結,我國智能交通系統發展中可借鑒國際經驗之處如下:
1)建設前做好科學的規劃和頂層設計
智能交通系統頂層設計對系統資源共享、系統整體能力發揮、系統功能要求的可續性均是最為首要和關鍵的環節[4]。加強對智能交通系統的頂層規劃設計,明確系統建設的目標和需求,對構筑統一高效、功能強大、先進實用的智能交通系統,服務智慧城市建設顯得尤為重要。
2)堅持以人為本,提高公眾的參與度
公眾參與城市交通規劃,本質是要通過公眾對規劃制定和實施全過程的參與,保證規劃行為的公平、公正與公開性,使規劃能切實體現公眾的利益訴求,真正做到以人為本,提升規劃的合理性并確保規劃工作的成功實施。提高規劃的公眾參與程度,也是構建和諧社會的重要措施。美國城市交通規劃十分重視規劃方案對研究區域居民工作、生活的影響,對公眾意見的征詢貫穿于整個規劃編研過程。我國公眾參與城市交通規劃的形式主要有兩種,即專家咨詢和項目批前公示,仍處于公眾參與的初級階段。為此,必須研究確立公眾參與城市交通規劃的法律地位,確定公眾參與的法定程序,構建合理的公眾參與組織形式和反饋機制。
3)加強跨部門間的協作和數據的共享
2016年“世界上最遙遠的距離”引發爭議。在阿里巴巴集團技術委員會主席王堅眼中,世界上最遙遠的距離卻是紅綠燈和交通監控攝像頭之間的距離。“它們都在一根桿子上,卻從來沒有通過數據被連接過。”糾其原因,就是監控攝像頭、紅綠燈信號控制機、高識別率的視頻識別算法、交通信號控制算法和整個系統的集成之間的數據和接口不能共享。
智能交通系統是一個龐大的系統,系統的規劃設計需要統一標準和技術規范。大數據技術在智能交通中的應用,使得人、車、路、環境之間建立起互聯的網絡,而獲取數據的能力,決定了交管部門的決策和管控水平。因此首先要圍繞提高信息采集強度及采集量為核心,研究出臺適合本地區交通設施設備的接口標準,以高度的兼容性實現信息采集的范圍廣覆蓋、內容動靜態和實時反饋。同時,配套完善信息交換和共享機制和關鍵標準,保證數據的正確性、安全性和實時性。
要充分實現部門之間資源共享。智能交通領域涉及的主要部門包括公安、交通、規劃等多個職 能部門,部門之間各自發展、自成體系,行業間 標準、規范不統一,交通資源分散、信息孤島現象嚴重。解決上述問題的途徑就是在規劃設計環節進行充分的分析論證,通過平臺建設,打通部門之間的信息壁壘,將可以共享的信息充分共享。同時,要認識到不同子系統有不同的信息采集目的和采集內容要求,有時無法兼顧眾多目的,因此也不能追求形式上的共享,而弱化系統功能。 在管理機制上,要積極爭取黨委政府重視智能交通建設工作,健全政府牽頭、部門協作的綜合協調機制;技術層面上,研究引入第三方機構的可行性,以第三方機構作為協調和建設城市智能交通系統平臺的重要角色。
[1] Smart City Challenge[EB/OL]. https://www.transportation.gov/smartcity,2017-6/2017-10
[2]李燦強. 美國智慧城市政策述評[J]. 電子政務,2016,(7):101-112.
[3]易漢文. 美國智能交通10年發展規劃[J]. 國際城市規劃,2009,24(S1):221-226.[4]陸化普,李瑞敏. 城市智能交通系統的發展現狀與趨勢[J]. 工程研究-跨學科視野中的工程,2014,6(1):6-19.