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杨晓光:道路交通结构化精准优化与智能控制系统

杨晓光 教授

同济大学智能交通运输系统(ITS)研究中心主任




01


道路交通及其优化再认识



1.交通与运输再认识-路之功能

我们讲道路交通,会想起鲁迅先生讲的话:“其实地上本没有路,走的路多了,也便成了路”。这引起了我们的思考,路是因人而生的,我们走的目的、需求、条件、方式是什么?怎样走得最佳?这些问题可以引出来。

人为什么要移动?交通是人和物的移动,从来不是汽车,也不是火车,也不是飞机,在这个世界上我们只要动,就跟交通有关系,后面我也会讲到我国为什么提交通强国的问题。强调一点,交通是人和物的移动,平时讲各种各样交通问题的时候,不要忘记初衷。交通包含但不是汽车、列车,也不是道路与轨道或机场,它是其集合,运输融于交通之中。

现在面临几个基本的问题,交通为何而生?这是需求问题。如何实现交通运输?这是供给问题。交通为何低效不安全?这是一个目标问题。怎样实现交通运输最优?这是优化问题。未来交通运输系统如何?这是发展问题。我们可以进一步看到,人类面临的挑战有如下几个大问题:社会问题、生存问题、资源问题、生存与发展问题,而这一切几乎跟交通都是密切相关的。

如果我们对这个世界拍一个视频,你会发现在视频中只有两样东西,一个是静的,一个是动的,而动的是道路交通。试想如果一座城市你拍的视频都动不了,这个城市肯定面临衰败。所以你会发现,交通空间是联系另外几个居住、工作、游憩空间。


我们讲的是道路交通,道路交通是连接这么多交通模式的重要方式。一座城市的交通,应该是几种交通模式共存的,如何让它们共存最佳?少不了道路交通。我们平时一讲交通,很容易讲道路交通,确实是这样,因为道路交通实现人和物的连接。但要强调一点,我们讲道路最好放在综合交通体系里看这条路。

2.交通运输系统


道路交通究竟和哪些因素有关系?从图片中很容易看到,有六个要素:移动主体、交通工具、交通设施、通行环境、通行规则、信息引导。以往教科书上经常讲交通是人、车、路、环境构成的系统,这个是有误区的。


交通的第二个关键词,系统。系统是若干要素相互联系、相互作用形成的具有某些功能的整体,交通系统恰恰是这样。纠正以往教科书的几点内容,一个是人、车、路、环境,这个有偏颇,必须把物放进去,还需要把规则放进去,这样才有治理之说,才有政策、法规之讲,还要把信息放进去。我们讨论功能的时候,以前很容易讲到安全、通畅、环保、便捷,但是要把效率放进去,城市交通要以人分配资源。另外一点要强调的,钱学森先生讲了一个很重要的观点,对我们思考交通问题来说非常重要。他认为任何一个系统都是更大系统的子系统,所以我们必须要把认识进行空间放大。

3.综合交通系统

交通运输系统以往之所以没搞明白,或者说很难搞明白,或者说未来想搞明白,至少要把这十张网好好研究一下。

一是需求网,二是运输网,三是设施网,四是能源网,五是服务网(现在的交通系统是很强的服务体系),六是管控网(不能任其任性发展),七是感知网,八是通信网,九是互联网,十是治理网。这十张网如果能够和谐相处,实际并不是一件容易的事,任何的不和谐就可能出现交通问题。怎样让它和谐?以前是比较困难的,现在容易一些,我们有信息,信息网络可以穿透它,这一点非常重要。现在所有的互联网公司、IT公司都全面关注交通,和机器有关系,网络关系把交通系统要素和城市、经济、社会、生态、体制、科技紧密关系起来,我们必须要从这些维度观察。

4.交通问题及对策

实际有一定的方法论。传统的方法论,以交通阻塞为例,我们怎样供需平衡、有效改善交通?这个方法论源于1930年代汽车交通凸显后,美国首先提出交通工程的概念,它不是交通相关联的工程,是以科学原理和工程技术的方法研究多种模式交通的规划、设计、管理。《交通工程学》对我们来讲很重要,我们现在既然要去研究交通和智能交通,要注意到,《交通工程学》是破解交通问题的学理和基础。

中国在对《交通工程学》的认识上还有不少误区,有人认为它是软科学,然而事实并非如此,它现在非常之硬,像钢铁一样硬。交通工程不是标志、防护栏、收费系统,它是认知交通问题的工程科学,以及破解交通问题的工程科学技术方法。现在我们注意到,缺了《交通工程学》,会发现现实的交通问题有很多,大家会简单归结为一些原因导致的,其实就是《交通工程学》做得不够。


现在我们人类面临的挑战是需求和供给之间没办法调和,怎么破解这个问题?供给曲线非常艰难在增长,因为要消耗资源,而需求曲线不断增长,怎么办?给大家提供六个方案决策:公共交通、精准优化、交通管理、公共政策、智能交通、科技创新。

人类在历史上有重要的“几个三十年”。一是汽车出来以后近三十年催生了《交通工程学》,大家发现有相应的学问破解它。第二个三十年,汽车严重阻塞,人们想到应该发展公交。第三个三十年,交通阻塞又严重了,人们想到用智能交通破解问题。我国提出的交通强国,目标是2030年人便其行,2045年人享其行,这个问题很重要,交通优化应该提升人的获得感,而不是车的不堵,车堵有时候是好事,只要人不堵就行了。

02


道路交通结构化精准优化



1. 综合治理与优化


如何精准优化。首先,为什么要提结构化优化。我们现在发展的很多也就20%的空间,我们要想办法把空间扩大,比如图上的这条鱼,一个就是鱼头的规划,一个就是鱼头的建设,七分建,三分管,七分建好了,三分管就能提高到30%。我们经常有美好的愿望,想做一个非常和谐的世界一流的交通,但经常到了马头的时候做出来的东西面目全非,只剩下马尾巴,技术上没有很好的体系。

2. 规划与设计层优化

如果交通有十八般武艺,大家可以看到,如果觉得第一次有比较新的词出来,那就是交通设计。缺乏交通设计的城市交通管理、控制乃至智能交通之发展基础不牢,难以达到目标。大家去看我们的路是怎么产生的,一座城市花了几千万搞城市规划、交通规划,做到最后建设的时候,就剩下几行字,这条路红线多少,道路断面怎么样,道路性质怎么样,然后就开始转入路基、路面的设计,全是力学、材料学的东西,所以会出现很多问题。为什么不考虑一下,真正在这个路上跑的是人呢?我们应该把人整个移动的过程、所有的需要揣摩清楚,做出来的路要适应于他的需要。为什么交通不能以车分资源,应该以人来分配?道理很简单,不展开了。


交通拥堵的公式很简单,交通需求还在增长,交通供给难以增长,因为现在做得是低能交通。我们交通工程人来看,一条路有这么多元素,但是道路工程人来看,就是一条红线加上断面。为什么我们搞房子建设的时候有非常好的体系,要进行城市建筑规划、城市建筑设计、结构,然后再往下走。可是我们做交通系统的时候,缺了面向建设和管理的交通设计这两个工作,所以我们提出必须要改变现在做路的范式,要从功能、性能和系统的最佳化出发做系统,而不是简单的力学和材料学。这样一来,促使我们要形成专业的交通体系,即把规划想法和现实条件约束整合到一起,寻求最佳改善交通的方案。


交通设计和交通控制和交通管理有什么区别?交通设计对交通系统要素、功能、性能及时空要素做最佳组合;交通控制是用技术手段调整通行的;交通管理是基于法规和政策来调整交通,和设施设计不一样,设施是土木工程的工作。

我们今后在建设的时候有相应的交通设计工作,在管理的时候进一步再做交通设计工作,两道把关。我们的交警今后信号灯的控制将会变得比现在产生更大的效益。追加一点,现在的设计不仅仅是要向管理延伸,还要向服务延伸。

我们有很多工作,首先从区域上要组织好,一条路从交叉口要不断组织,特别是到后来的信号控制,一条城市的交叉口堵了,一条城市就堵了。美国研究表明,75%以上的交叉口资源并没有很好地利用。其实全世界的交通都是混合的,只是中国的交通是混乱的,不要把混乱认为是混合,我们完全可以让它有序,把通行学分配好。我们经常在现实世界看到,一个城市可以像美术作品一样把交叉口做出来,也有研究实践表明,如果我们不把这些问题处理好,搞了智能交通,最后智能交通会瘫痪掉。你稍微在现实世界里看一看人和车是怎么走的,虽然有时候行人已经违章了,但其实是合理的。像我们看到经常出事故的地方,需要好好处理,这是精细的概念。


这个路口左边稍微做了处理,会发现交叉口就有序了,这是我的家乡,当时说是文明城市,有关领导说文明城市要栏杆干嘛?所以就把栏杆拿掉了。后来交警同志反对,每天骑自行车的人也反对,开车的人也反对,什么原因?因为没有把交通乱的问题搞定,具体能产生多少效益我就不展开了。

后来我们进一步在国内许多城市陆续改造,因为我个人有一个小小的目标,希望能帮助国家的每个城市有那么一二十个路口做出来,然后放到世界上,跟人家说我们的路口跟你们的水平是一样的,这就满足了,我们还在不断推进。


这个交叉口奥妙在哪里?通行学明确,通行学分配得合理,四个拐角首先封掉,我认为这是非常刚性的,封掉以后可以把混乱交通流变少,这样处理完以后,十秒到二十秒就可以上来。还有一个个人观点,国内现在很多城市导入渠化岛的交叉口,个人认为能拆掉的应该拆掉。前段时间我看到微信公众号上的内容,深圳已经在拆这种交通路口了,这个非常值得我们注意。

我们接下来要精准诊断,找到致因,从而破解交通问题。药要对症,我们经常症没搞清楚就下药了,诊断和分析因为时间原因我不展开了,想告诉大家,我们已经有充分的办法从时间维、状态维、空间维把交通流剖析得非常精准,就像做CT一样,所谓的精细化,要时间、空间、对象上细分,最后做到精准化交通管理、精致化交通管理,可以切片式进行各种各样的分析,进行各种各样优化方案的制定。

我们把路进行综合治理,速度可以从15公里提升到30公里,在我看来,我们的资源还有很多。

03


道路交通之智能控制系统



智能控制,实际上2006年我们就在做这个事情,当时我们就注意到,人出事故有三个原因,认知、判断、控制出问题。你有问题,我们提供信息给你,后来发现认知出问题是很重要的原因,这些信息上去以后,导致我们现在的控制系统不能在原来的体系下推进,要做车路联网的主动控制,所以我们在推进相应的控制系统。具体来说,就是推进主动交通服务管理与控制,包括安全、效率、便捷、节能减排、公交、特殊交通。当时我们做了一个试验,如何最快救援、最快回来、最快把病人送到医院,包括里面也做了对公交的优先。


交叉口的信号灯可以取消,当人类掌握穿越的时候,往往保守的人会浪费通行能力,而冒险者会出事故,所以我们做了一项工作,可以让大家协商着通过,时间上你可以调整速度,主线两边调也可以,分头调也可以。这样做了以后,可以解决停车让路的拥堵和废气排放,并降低延误,这些措施变得非常简单。

现在人工智能很热,我想讲一个基本观点,人工智能的交通领域是天然的人工智能领域,但也不要过于迷信,曾经我听到一个人工智能的大专家说过一个观点,他说人工智能就是葡萄干面包里的葡萄干,主要还是面包。交通的人工智能是什么?必须是“交通工程学2.0”+先进软件工程。

04


结语



一开始我用了“我是交通医生”,我们在华南理工挂诊治疗交通病,因为现在的交通病越来越重。

我的基本观点:现在的问题不是交通本身,城市也有问题。我们的对策是活血化瘀,标本兼治。问题导向是治标,追根求源对策是治本,系统要素对策是治标,系统综合对策是治本,短期动态对策是活血,长期持续对策是化瘀。道是学与理,术是技与术,道术相长,方得益彰。冲动是魔鬼,魔鬼在细节里,智能是葡萄干,交通是面包。我国智能交通发展需要政产学研用精诚合作,实现实质突破。我国交通强国的九方格的核心是智能交通,我们这个大会论坛非常重要,未来的交通关注社会问题、安全问题、通畅问题、社会问题等等。



(本文根据速记整理,未经本人确认)


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