面向未來城市的智慧交通整體構思

張曉春，邵 源，孫 超,2

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

1 未來城市和交通發展趨勢

1.1 未來城市將發展成為以服務為核心導向的新型智慧城市

工業文明以來，城市由數字化、信息化時代逐漸步入高度智慧化的智慧城市3.0時代，即以服務為核心導向的新型智慧城市時代(見圖1)。智慧城市發展主要有四方面特征：1)數據采集，新型智慧城市由以往關注數據采集與信息獲取轉變為聚焦數據知識加工，提供更高附加值的信息服務；2)信息解析，新型智慧城市強調認知智能，在繼承以往快速運算與信息感知基礎上實現智慧化決策；3)城市建設主體，由政府主導演變為政企合作和多主體協同參與，以滿足多群體多元化服務需求；4)功能應用，新型智慧城市時代注重以用戶服務需求為核心導向實現應用整合。

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Fig.2 Perception ecology of future city and smart street

1.2 未來交通將實現按需響應的新型智慧交通服務

國際權威機構普遍認為，未來15～30年城市交通將發生顛覆性改變。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、新型基礎設施、物聯網普及。未來出行方式將依托萬物互聯的大數據感知，以新一代交通基礎設施和新一代交通工具為載體，提供按需響應的新型交通服務[4]。美國《2016—2045年新興科技趨勢報告》對未來30年交通相關的新興科技進行了預測，物聯網、清潔能源、數據挖掘、區塊鏈、量子計算等技術將對傳統交通模式進行洗牌，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鍵特征

新一代信息技術的創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、經濟的綜合交通體系呈現跨越式進步。未來城市和交通系統將以萬物互聯和全息感知為基礎，以城市的精明治理和人的出行為核心打造可持續移動性服務。具體體現為以下四個關鍵特征。

1）未來復雜交通巨系統要求構建一個萬物互聯、多元化、多維度的大數據全息感知體系。物理技術、數字技術和生物技術的創新融合與高速發展，為實現城市的萬物互聯提供基礎，未來交通系統將發展成為集成多源傳感、機器視覺、計算機網絡等技術的復雜巨系統，系統體系更加龐大、組織更加復雜、需求更加多樣、范圍更加寬廣。數字化與信息化作為城市發展的重要基礎，需通過加強無線通信和傳感系統，構建新一代信息感知環境，實現智慧交通系統的全面感知、高效傳輸與智能控制，建立滿足未來城市和交通系統的大數據全息感知體系(見圖2)。

2）未來城市更多強調治理而非管理，強調政府服務轉型、服務協同和創造社會價值，城市發展將突出精明治理、精明增長。未來城市治理體系將凝聚城市戰略體系、空間規劃體系、公共政策體系、智慧交通支撐體系和治理機制體系為一體，更加關注交通需求的精準管控、交通管理的精明控制和交通服務的個性提供，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）未來交通重點關注可持續移動性，更強調服務于人的出行需求和多方協同參與。未來城市將從關注交通的通行能力向提升出行的可達性、公平性與可持續性轉變，更注重多種出行方式融合與出行環境提升，公眾需求越來越得到政府和服務行業的重視，通過將交通規劃師、交通運營商、普通市民等利益相關團體聯合起來，讓他們全面、透明地參與交通可持續移動性規劃，從而構建高效、公平、健康的城市交通環境，營造宜居宜業的城市生態圈(見表1)。

4）未來的出行服務更加強調以多模式、網絡化、協同化的組織，向用戶提供滿足個性化需求、注重服務體驗的全過程一體化出行服務。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方案，提供差異化、多樣化的全過程服務，對出行鏈進行一體化整合與優化，以高品質、高質量、高效率的服務方式滿足市民出行的需要。

上述四個方面也是歐美發達國家智慧交通建設的核心內容。歐美智慧城市體系中，智慧交通是普遍關注的建設內容，其核心主要體現在四大體系建設(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(全鏈條個性服務，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展的必然方向[7]。

3 構建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展，強調利用未來科技推動城市治理服務轉型，實現城市高效能、包容性和可持續發展。未來城市將發展成為可感知、可運營、可管控、可服務的城市(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)和全程服務城市(Serving City)，簡稱“4C”。

3.1 建立基于空間單元大數據的全息感知系統

數據作為城市建設、管理、發展的基礎，數據感知體系正逐步由“被動建設、缺乏層次”向“深度洞察、全息感知”轉變。面向未來復雜的交通巨系統要求，需以前端設施標準布設、多源監測、智能分析為重點，對人流、物流、車流、資金流、基礎設施、城市運行、自然環境等所有與交通相關的社會生產生活要素進行全面數字化，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體系(見圖4)。

表1 傳統交通規劃與移動性規劃對比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Fig.3 Architecture of 4C smart mobility solutions for future city

1）全對象感知，對人、車、路的狀態及交通流、環境信息進行全面感知，構建交通系統的人-車-路-交通流-城市環境全息化感知體系。

2）全時空感知，對道路交通運行演化態勢、交通基礎設施全生命周期進行持續跟蹤和深度洞察分析，實現道路交通動態運行和交通基礎設施項目前期規劃設計、施工、竣工移交、監測、養護等業務的應用支撐，構建全方位、持續化的全時空監測體系，全面把握城市及交通綜合發展動態。

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據，斷面微波、視頻、廣域雷達檢測的路段數據，視頻、微波、手機信令檢測的行人數據及全網城市交通運行數據，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，對前端設施統一、整體布控，對采集數據分布式匯集、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測標準體系。

圖4 新一代智慧道路感知生態體系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，通過集成和整合數據，實現綜合感知服務。集成道路設施設備智能監控、車流量檢測、道路險情識別、車路協同交互、交通信息發布等功能于一體，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、自組網等功能于一體，集成先進的微傳感技術、微功耗處理器技術和低功耗無線通信技術，實現交通參數檢測、車輛軌跡跟蹤、行人過街警示、行車安全提示等應用，并與智慧路燈桿進行聯動，實現綜合監測。

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跨行業交通設施，通過前端邊緣計算與后臺集成管控，實現以智慧交叉口為單元的公交優先控制、運行智慧監測和設施智慧運維。

3.2 建立復雜環境下交通情景再現與預判的在線推演系統

基于人工智能和機器學習，在城市交通大腦中還原現實中的交通運行情況，實時推演和預測交通運行狀態，實現“感知-推演-管控-服務-感知”的自學習閉環，重塑交通“戰略制定-戰術演練-精準調控”的管理模式，這既是實現精細化交通管理與控制的技術要求，也是建設高效、安全、協同的智慧城市交通環境的必備條件。

1）基于在線仿真模型，實時推演各種復雜交通條件下現實道路交通運行狀況。

通過實時在線交通推演系統，實現對宏觀片區交通運行狀態及微觀走廊、節點交通流狀況的整體掌控。依托實時流量數據、浮動車數據和互聯網等大數據資源，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。既可實現區域交通聯控和交通流均衡，又可在交通預警與誘導、信號配時優化、預案評估與優選、微創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，實現道路高效有序運行。深圳市已經完成福田中心區在線交通仿真系統建設，在區域交通聯控和均衡交通流方面發揮重要作用，未來將進一步覆蓋全市，作為城市交通大腦實現交通整體調控和事件快速響應(見圖5)。

2）基于交通事故實時推演模擬，全面降低各種突發交通事件(事故)的負面影響。

通過實時在線推演，在發生交通事故時，即時生成交通應急方案，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。在過去沒有該系統的情況下，擁堵可能持續30 min以上。

3.3 構建交通規劃--設計--運營--管理的精明管控系統

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、被動響應向供需匹配、整體調控轉變，以交通大數據作為構建交通規劃-設計-運營-管理城市交通精明增長模式的新引擎，進一步推動政府規劃建設管理流程再造與升級。

1）建設面向未來城市的交通大數據規劃建設決策支持系統。

以交通大數據規劃建設決策支撐平臺為依托，通過多元大數據融合分析，為交通戰略政策制定、交通基建決策、交通綜合治理、環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劃的人口分析，將手機數據與人口普查數據、建筑物普查數據、城市用水用電量及垃圾產生量等數據融合分析，判斷實際管理人口規模、分布及增長趨勢，結果顯示深圳市實有人口持續增長，外圍增長更快。

2）實現基于大數據空間活動機理分析與仿真技術的交通精細化設計。

一是從傳統基于OD分析到基于居民活動空間的分析，建立從多源數據采集到需求特征識別再到交通設計細節落地的交通精細化設計流程。例如，深圳市在福田中心區街道設計和景觀提升工作中，通過無人機監測與視頻識別、共享單車訂單數據和過街流量監測數據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化、街道功能與臨街界面優化、街道景觀綜合提升等。二是通過數據模型和交通仿真進行樞紐、軌道交通車站、道路等交通組織設計預演模擬，輔助于設計方案的比選和優化，減少盲目建設和改造帶來的成本浪費。

3）打造面向未來車聯網和無人駕駛的智慧道路運營。

圖6 基于Metropia手機應用的主動交通需求管理應用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Fig.7 Smart travel solution based on MaaS

一是基于城市宏觀交通管控策略，實現從設施模式-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、基礎設施建設、無人駕駛車輛選型、無人駕駛管控中心和規范標準的城市級無人駕駛解決方案，為未來智慧城市建設探索有益路徑。三是構建全時空復雜環境下的車路協同管控中心，實現基于城市級在線推演平臺的無人車智能調度；通過搭建無人車單車智能調度、集群組織調度、動態路徑規劃、全自動停車等無人駕駛算法資源池，制定無人車調度策略資源庫；依托交通在線仿真技術，實時推演相應車輛調度策略，評估調度效果，實現無人車零干預、零操作、多場景的智能調度。

4）建設面向未來道路交通全時空資源優化配置的精明調控系統。

以全面提升未來道路交通的全時空資源優化配置為目標，從區域級、城市級、走廊級、節點級四個層級構建未來城市交通精明調控系統。①區域級調控，基于互聯網+大數據技術，在區域宏觀控制戰略指導下，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手機應用實現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城市級調控，基于交通溯源技術，構建全網協調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等數據，分析出行總量和路徑，搭建了全市交通溯源平臺，輔助制定策略來調控跨區及關鍵走廊的出行，在時間上削峰填谷，空間上控密補稀，實現區域時空平衡。③走廊級調控，基于實時交互和位置感知技術，實現不同公共交通流量、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先，同時預留車聯網環境下人、車、路協同控制功能。④節點級調控，結合城市特點與交通肌理，通過可變車道、借道左轉、拉鏈式通行、信號配時智能化等微創新服務，均衡節點時空資源，滿足特定交通需求時空變化，實現精細化管控與微創新挖掘。

3.4 構建綜合性--個性化的全鏈條智慧出行服務系統

出行即服務(Mobility as a Service,MaaS)是未來城市交通服務的主流趨勢，通過將各種交通方式全部整合到統一的服務體系與平臺，實現信息集成、運營集成和支付集成，優化社會資源配置，為用戶提供“綜合性-個性化”的全鏈條智慧出行服務(見圖7)。

1）MaaS基于強大的后臺出行規劃系統提供高效、綠色、智慧出行服務。

MaaS是以出行者體驗為導向，以準備時間、等待時間、響應時間以及狀態切換時間最小化為目標，提供共享、整合、服務和引導：共享，要求各種交通數據全面共享；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控交通需求，并實現支付體系一體化；服務，提供無縫銜接、安全便捷和舒適的全鏈條出行服務；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-市民合作和共同參與建設全過程出行服務。

全面整合各類出行的基礎數據和海量化動態信息，打破原有以政府為主導的交通規劃、建設、運行管理模式，建立政府-市場-企業-市民協同共建的交通規劃管理新模式。例如，芬蘭在歐盟率先試點推行MaaS服務，由政府引導，MaaS Global公司作為全球首個MaaS運營服務商，開發了名為Whim的手機應用，以實現不同模式的服務預定(見圖8)。

4 結語

本文面向以服務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、服務體系四大體系建設，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模式變革，也為新時期城市智慧管理和運行服務提供指引。