時空大數據助力路網高效運營

文/北京航空航天大學

獲獎等級：特等獎

項目名稱：時空大數據驅動的公路網運行狀態精準辨識與主動控制技術及應用

“時空大數據驅動的公路網運行狀態精準辨識與主動控制技術及應用”項目屬于交通工程、信息技術多學科交叉領域。國家公路網是國家綜合運輸體系中的大動脈和骨干網，是強化城市群聯系、加快交通一體化建設的重要基礎。項目針對公路網網絡規模大、狀態成因雜、影響因素多所導致的數據處理慢、狀態辨識粗、應急救援難等關鍵問題，提出了利用有序群體行為認知路網運行的創新思路。項目基于海量固定與移動監測設備采集信息、車聯網日活躍車輛所匯聚的動軌跡信息，結合事件、氣象等外部環境信息，將人工智能等新一代信息技術與交通工程相融合，構建了時空大數據驅動的公路網運行狀態精準辨識及主動控制技術，建立了公路網運行狀態辨識新方法、風險防控新手段、態勢研判新視角與運行效率提升新模式。

強感知 能自適 控風險

←運行狀態突變環境下路段間聯通拓撲關系動態識別

← 重慶高速全網斷面車流量

項目針對監測設備總量多，但監測器點位設施布設分散，單一設備感知范圍有限，存在大量監測盲區的問題，提出了基于時空大數據挖掘的群體出行規律認知理論，揭示了路網空間結構與群體出行特征分層耦合的作用機理，構建了面向大規模監測數據關聯匯聚的時空大數據流式處理與認知計算體系，通過從無序個體軌跡中發現的有序群體移動規律，形成了公路網全域、全天候感知能力。

針對公路網整體波動小、局部波動大、運行狀態表征片面、安全隱患預判不精準等問題，項目提出了復雜公路網實時運行態勢研判與主動干預技術，構建了多因素融合的公路網交通事故風險閾值自適應模型，建立了基于歷史數據挖掘及態勢仿真推演的風險協同管控技術，以及道路通行能力折減典型場景下應急交通管控技術體系。

針對節假日、重大社會活動等供需影響下的交通需求預測瓶頸，項目提出了多群體出行需求聯合評估方法、面向大規模路網路段間運行狀態影響關系的自適應學習方法，形成了供需失衡環境下大規模公路網交通需求預測與出行誘導技術。

項目先后發表SCI、EI檢索論文82篇，ESI高被引用論文3篇，授權國家發明專利29項，軟件著作權8項，編制國家標準兩項，支撐了全國16萬公里高速公路網的系統應用，以及部級公路網運行監測管理與服務平臺的建設，社會經濟效益顯著，推廣應用前景廣闊。

降風險 提能效 促融合

引領行業技術進步 促進關鍵技術變革

項目建立了公路網運行狀態辨識新方法、態勢研判新視角、風險防控新手段與運行效率提升新模式，促使公路網運行監測與應急處置方式發生了重大變革，形成了部、省、段、站四級聯動。在增強交通系統主動控制能力的同時，從根本上降低了安全事故風險，帶動了物聯網、信息技術等行業發展與服務創新。

提升公路網交通系統整體效能與運行管理水平

項目創新了交通管理模式，增強了公路網運行監測與服務能力，形成了高速公路全天候感知能力。公路網運行監測管理、交通決策支持與政策實施效果評估由原有的局域化、被動式、粗粒度向整體化、主動式、精細化轉變，有效提高了群體出行效率，在緩解交通擁堵的同時降低了能耗排放。

強化安全管理與重大事件應對能力

面對地震、極端天氣等突發事件影響和節假日、重大社會活動等計劃事件影響，項目實現了影響時間、范圍的動態感知、路網運行態勢演化的精準預測，有效提升了部級層面對公路網運行的監測與決策能力，以及部省協同聯動管理效率，為事后應急向事前預警的轉移提供了支撐。

推動交通系統基礎理論與學科發展

項目成果取得的專利、論文、軟件著作權、國家標準等系列成果，創新了我國交通系統的感知、認知、預知與控制理論基礎，促進了大數據、人工智能等先進信息技術與交通運輸行業深度融合，對帶動交通智能化、綜合化發展，加快新基建與領域結合應用及培養解決復雜工程問題人才均具有積極推動作用。

頂級科研院校、頂層管理機構的強強聯合

← 層次化關系學習

← 多群體車流量預測

← 節假日車流量及擁堵指數精準預測

項目取得的突出成果離不開北京航空航天大學、交通運輸部路網中心、交通運輸部公路科學研究院三家主要完成單位的強強聯合與通力合作。

北京航空航天大學（以下簡稱“北航”）現隸屬于工業和信息化部，是全國第一批16所重點高校之一，也是20世紀80年代恢復學位制度后全國第一批設立研究生院的22所高校之一，首批進入“211工程”，2001年進入“985工程”，2017年入選國家“雙一流”建設高校名單。北航在航空、航天、動力、信息、材料、儀器、制造、管理等學科領域具有明顯的比較優勢，形成了航空航天與信息技術兩大優勢學科群，國防科技主干學科達到國內一流水平。工程學、材料科學、物理學、計算機科學、化學、社會科學總論6個學科領域的ESI排名進入全球前1%。北航現有1個國家實驗室——航空科學與技術國家實驗室，9個國家級重點實驗室，6個國家級工程研究中心，3個北京市高精尖創新中心，70余個省部級重點實驗室；有9個國家自然科學基金委創新研究群體，12個教育部創新團隊，10個國防科技創新團隊。學校突出自主創新，強化協同創新，積極搭建國家級創新平臺，組建大團隊，承擔重大科研項目，重大科技成果不斷涌現。“十五”以來，北航共獲國家三大科技獎勵70余項，其中近16年獲得15項國家級科技獎勵一等獎、3項國家自然科學獎二等獎，創造了一所大學連續獲國家高等級科技獎的紀錄，被社會譽為科技創新的“北航模式”。

← 群體行為特征重構

交通運輸部路網中心（以下簡稱“部路網中心”）是隸屬于交通運輸部的事業單位，主要開展路網監測、應急處置與出行信息服務相關工作，促進公路事業發展，全國公路網日常運行監測，全國公路網重大突發事件預警預測與應急處置，公路交通出行信息服務，公路數據庫技術開發與維護，公路交通信息平臺建設與維護，公路橋隧道安全運行技術支持，公路網建設養護造價及運營成本評估，收費公路聯網收費及不停車收費技術支持，相關科學研究、技術咨詢與國際交流。部路網中心自成立以來，按照“高起點起步，高標準要求，高效率運轉”的原則，以成為“交通運輸部的服務中心、處置中心、人才培養中心和部黨組進行決策提供建議的參謀中心”為目標，把“提高路網運行效率、保障路網安全暢通、服務百姓便捷出行”作為核心任務，以“懂路網、善研判、會溝通、精技能”為基本要求，加快推進各項職能建設。部路網中心積極穩步提升國家高速公路及重點干線路網監測、養護、應急處置和出行服務能力，并實現對區域性應急管理機構、應急隊伍、物資裝備等資源的統籌調度和管理；建成具有監測預警、綜合研判、輔助決策、異地會商、路網協調、輔助調度和模擬演練等功能的國家公路網運行管理與應急處置平臺；在路網運行管理體制機制、隊伍建設、制度建設等方面取得了積極進展。部路網中心在重大活動保障、重大節假日小型客車免費通行政策實施，以及重大自然災害應對等方面發揮了重要作用，多次獲得中央領導和交通運輸部黨組的高度肯定。

交通運輸部公路科學研究院（以下簡稱“公路院”）成立于1956年，是交通運輸部直屬公益二類科研事業單位，主要從事公路交通運輸領域的科學研究、技術研發、標準規范制修訂和科技服務、技術支撐、人才培養等工作。公路院擁有較為完善的科技創新體系，依托公路交通試驗場、5個國家級創新平臺、6個交通運輸行業重點實驗室、4個交通運輸行業研發中心和若干產業聯盟，形成了“一個基地+兩根鏈條”的科技創新體系，推動了科技創新能力的提升，在公路交通運輸行業的科學研究、技術研發、技術服務及應用示范等方面發揮了重要作用。