1.3.2 在智能交通中的应用

智能交通即实现交通诱导、指挥控制、调度管理和应急处理的智能化。城市变得越来越现代化，但是问题也越来越多，如能耗增加、环境污染、交通拥堵等。城市公共交通智能化可以强化交通综合管理，有效调控、合理引导个体机动化交通需求，推动各种交通方式、城市道路交通管理系统的信息共享和资源整合，建立城市群成本共担和利益共享机制，推进跨区域互连、互通，促进基础设施和公共服务设施共建共享，促进创新资源高效配置和开放共享，推动区域环境联防联控联治，实现城市群一体化发展。在智能交通的建设过程中，要充分考虑智慧城市建设，着力解决城市、人、环境协调发展问题。充分发挥数据可视化在智能交通中的核心作用。数据可视化在智能航海、陆地交通、航空、载人航天等方面都有广泛的应用，限于篇幅，本节仅举几个例子，说明可视分析解决大城市交通拥堵的思路以及可视分析在人工智能中的应用。

城市计算（Urban Computing）是数据科学家郑宇教授主持的一个研究项目，该项目从2008年初开始，通过分析和融合城市中的各种大数据，实现了一系列关于智能交通、城市规划、环境和能源的实际案例。相关技术不仅被应用于微软公司的产品，而且服务于中国多个城市的政府部门。城市计算是一个交叉学科，是计算机科学以城市为背景，与城市规划、交通、能源、环境、社会学和经济等学科融合的新兴领域。更具体地说，城市计算是一个通过不断获取、整合和分析城市中多种异构大数据来解决城市所面临的挑战的过程。城市计算将无处不在的感知技术、高效的数据管理和分析算法，以及新颖的可视化技术相结合，致力于提高人们的生活品质、保护环境和促进城市运转效率。城市计算可以帮助人们理解各种城市现象的本质，甚至预测城市的未来。

图1-4给出了城市计算的基本框架，包括城市感知及数据捕获、数据管理、城市数据分析、服务提供4个环节。与自然语言分析和图像处理等“单数据单任务”系统相比，城市计算是一个“多数据多任务”系统。城市计算中的任务涵盖改进城市规划、缓解交通拥堵、保护自然环境、减少能源消耗等。而在一个任务中又需要同时用到多种数据。例如，在城市规划的设计过程中，需要同时参考道路结构、兴趣点分布、交通流等多种数据源。在线地图服务的同时考虑交通堵塞情况，可以比仅仅考虑最短路程取得更好的效果。其中关键的方法就是向出租车司机学习，因为他们每天都要被迫找到最好的路线。郑宇的团队分析了来自北京33000个出租车司机的GPS数据，并且找到了方法，利用精巧的技术将这些数据整合到了一个地图服务中。

1．实时大规模动态拼车服务

打车难是很多大城市都面临的一个问题。该项目通过出租车实时动态拼车的方案解决这一难题。用户通过手机提交打车请求，表明上、下车地点、乘客人数和期望到达的目的地。后台系统实时维护着所有出租车的状态，在接收到一个用户请求后，搜索满足新用户条件和车上已有乘客条件的最优的出租车。这里的最优是指出租车去接一个新的用户所增加的里程最小。该研究成果可以为城市节约大量的燃油、减少污染物排放量，大大提高整个出租车系统的运送能力，缩短乘客的等待时间，降低乘客的打车费用并提高司机的收入。项目难点在于如何高效地索引并计算出最优的车辆和拼车线路。

MIT感知城市实验室的科学家们研究了“共享汽车”出行的算法模型。他们分析了纽约1.7亿条出租车轨迹数据发现，用实时数据调动纽约的出租车系统，可以减少40%的运输线路。MIT的极客们用大数据的方法，将拼车这个时空共享问题转换成了图论框架，发明了“共享网络”模型。这个模型不仅解决了共享拼车的效率问题，还能够无压力地对海量数据进行计算。他们收集了纽约2011年共13586辆注册出租车的1.5亿条行驶数据，分析他们的行驶线路、接送乘客的情况等，最终形成了一个动态的拼车调度方案。不仅如此，他们甚至把结果做成了一个大型的可视化交互页面，让用户自己体会在纽约搭乘出租车的情况。在HubCab这个交互式的可视化项目中，MIT感知城市实验室以纽约出租车的行驶轨迹为切入口，研究了人们的出行习惯，旨在探索纽约城市化交通的未来。HubCab将纽约地图以40m为单位切分成了20万个街道块，描绘出了纽约超过13500辆黄色出租车，在这20万个街道块上可能出现400亿个轨迹图。这项分析不仅展示了人们是如何在城市中移动的，也通过开始和结束时间连接了每一次旅行的上车和下车的地点情况。研究人员通过这些数据可以计算“拼车”的机会，也可以介绍“共享网络”的概念。最终结果显示：乘客只需要牺牲一点点便利成本，共享拼车模式就可以减少纽约40%的通勤线路，从而减少汽车尾气排放，为数以百万计的城市人口提升经济效益。

2．路线通行时间估计

该项目根据一部分车的GPS轨迹数据，可以实时地估计全城任意路线的车辆通行时间。其难点：①数据稀疏性，在过去的一段时间里，很多道路上并没有轨迹数据；②不同轨迹的组合问题，对于有数据的路段，有很多种子轨迹组合的方式来估计时间，寻找最优解很困难；③效率、准确性和可扩展性的权衡，城市范围很大，轨迹快速变化，子轨迹组合方式很多，但时间估计的实时性要求很强，如图1-5所示。

3．基于出租车GPS轨迹的最快行车路线设计

装有GPS的出租车可以看作移动传感器，可以帮助人们不断感知路面的交通流量。因为出租车司机是相对有经验的司机，所以出租车的GPS轨迹既体现了交通流量的变化规律，也蕴含了人们选择道路的智能。该项目（T-Drive）利用北京3万多辆装有GPS传感器的出租车来感知交通流量，并为普通用户设计真正意义上的最快驾车线路。T-Drive的改进版进一步考虑了天气及个人驾车习惯、技能和道路熟悉程度等因素，提出了个性化最快线路设计。这个系统不仅可以为每30min驾车路程节约5min时间，也可以通过让不同用户选择不同的道路来缓解可能出现的拥堵。

4．自行车租借系统使用需求预测

自行车租借和共享系统在很多城市都得到了普及。人们在各个站点对自行车的需求不一致，导致某些站点出现无车可借，而另一些站点可能会出现大量车被换回而无法接纳。因此，提前预测各个自行车租赁点人们对车的需求量（如在未来1h内各个站点的借出和还回的自行车数量），将有助于提前调度不同租赁站点之间的自行车，做到供求平衡。由于人们对自行车的需求受到很多复杂因素的影响，如天气、事件和站点间的相互影响，因此预测单个站点自行车的借出和还回数量非常困难。文献[7]采用聚类和层次化预测的方法来克服这些难点，如图1-6所示。

以上项目都是让人们更多地关注大都市中出行人的长途通勤问题。而这些看起来异常复杂的交通出行问题，通过解释性分析和算法计算，并以可视化方法展示出来，就显得通俗直观，呈现出化繁为简的神奇效果。由此可见，数据可视化、数据可视分析在优化交通枢纽、解决出行难题上起到了至关重要的作用。

2016年，国家发展改革委和交通运输部联合发布了《推进“互联网+”便捷交通促进智能交通发展的实施方案》（以下简称《实施方案》），对促进交通与互联网深度融合、推动交通智能化发展提出了总体要求和具体任务。

《实施方案》的发布，突出强调了智能交通在我国交通运输发展新阶段的战略重点，准确把握了“互联网+”便捷交通与智能交通之间既有所侧重又密切相通的内在关系，清晰阐明了以“互联网+”便捷交通为切入点，推动智能交通发展，进而实现交通现代化的发展路径，研究探讨了新时期的智能交通体系框架。

一是突出强调了智能交通是我国交通运输发展新阶段的战略重点。经过改革开放以来30多年的大规模建设，我国交通运输基础设施网络初步形成，高速公路、高速铁路总里程位居世界第一，拥有一批吞吐量位于世界前列的大型港口和航空枢纽，服务能力已总体适应了经济社会发展需要。随着铁、公、水、航等交通基础设施的逐步完善，我国交通运输正在进入综合协调、优化发展的新阶段。在这个新的发展阶段，如何提高综合交通运输体系的运行效率和管理效率、如何为公众提供更优质的运输服务、如何与经济发展相结合培育新的增长点等，成为交通运输发展的关键问题。

近年来，大数据、物联网、云计算、互联网特别是移动互联网技术的快速发展，为交通运输提质增效升级提供了更好的条件。交通与互联网融合发展，产生了新业态，为公众出行等提供了更加便利、多元化的运输服务。因此，“十三五”及以后较长一段时期，应将推动“互联网+”便捷交通、智能交通发展作为我国交通运输的战略重点。

二是准确把握了“互联网+”便捷交通与智能交通之间既有所侧重又密切相通的内在关系。“互联网+”便捷交通是指通过互联网的创新成果与交通运输行业深度融合，实现供需双方信息高效精准对接，形成以互联网为信息基础设施和创新要素的交通运输服务，更多的是指新业态，为公众带来全方位的出行便利和高效的客货组织，强调的是多元化的服务和优质服务的获得感。而智能交通侧重于实现先进技术方法在交通系统中的全面应用，旨在优化综合交通运输体系的系统和管理，推动效率提升和组织变革，支撑安全和绿色发展，从而提高全要素生产率。

虽然两者侧重点有所不同，但也要看到，“互联网+”便捷交通的大部分内容也属于智能交通的范畴，如实时信息服务与智能移动支付等。此外，互联网新业态的市场主体也可能朝着更广泛的智能交通领域拓展，如百度公司依托自主开发的高精度电子地图和计算平台，正大力推进自动驾驶车辆的研发。

三是清晰阐明了以“互联网+”便捷交通为切入点，推动智能交通发展，进而实现交通现代化的发展路径。当前，移动互联网等新技术快速融入交通运输领域，网络约租车、互联网巴士、互联网停车、互联网汽车维修等新业态得到了快速兴起和发展，为人们提供了更加多样化、定制化、高质量的出行服务，正处于发展风口浪尖，应很好地利用该发展机遇，加以推动、因势利导。

同时，基于“互联网+”便捷交通与智能交通的相通性，新业态的市场主体也在朝着智能交通领域不断推进，如Google、百度等公司都在研发推广无人驾驶车辆等，本身就是智能交通的内容。因此，《实施方案》提出以“互联网+”便捷交通为切入点、推动智能交通发展思路是可行合理的，是本着立足当前、着眼长远、因势利导的原则，从与老百姓切身利益息息相关的交通运输服务抓起，为“互联网+”便捷交通新业态发展营造良好环境，并在此基础上进一步全面推动智能交通系统的发展，抢占国际制高点，最终实现我国交通运输在基础设施、技术装备、运营服务等各领域的现代化。

四是研究探讨了新时期的智能交通体系框架。我国曾经在2000年前后首次提出国家智能交通体系框架，但该体系框架更多侧重于公路和城市交通领域，对铁路、水运、民航等涉及不足，对各种运输方式的协同联动关注也较少。同时，随着大数据、物联网、云计算、互联网等新技术的快速发展和推广应用，以及自动化等技术的逐步成熟，交通新业态、新模式层出不穷，原有智能交通体系已不能适应新时期我国交通运输的发展形势，需要更新和完善。

面对形势要求，《实施方案》提出了逐步构建“三系统、两支撑、一环境”的体系框架。“三系统”包括从用户和提高服务质量角度提出的“完善智能运输服务系统”、从企业和提高运行效率角度提出的“构建智能运行管理系统”、从政府和提升决策监管水平角度提出的“健全智能决策支持系统”；“两支撑”是指侧重硬件的“加强智能交通基础设施支撑”和侧重软件的“全面强化标准和技术支撑”；另外还包括为新业态、新模式“营造宽松有序发展环境”。该智能交通体系框架是新时期我国发展智能交通的有益探索和尝试，是基于现阶段的技术发展和认识水平提出的，仍需要在实践中不断接受检验和调整完善。

《实施方案》的发布，从政策上支持了智能交通企业的全新产业链正在形成、未来辅助无人车驾驶的交通系统、移动通信系统及大数据产业的建设和发展，为更充沛的市场需求提供了政策保障，营造了宽松有序的发展环境。