【大数据与AI驱动的交通规划方法创新】
《大数据与AI驱动的交通规划方法创新》是响应国家新一代人工智能发展规划的号召,由北京市城市规划设计研究院交通规划所联合中国科学研究院自动化研究所和中国联通旗下的智慧足迹数据科技有限公司共同开展的,基于手机数据为代表的大数据结合人工智能算法在城市交通规划领域的应用方法探索。希望借助大数据和人工智能算法的融合为城市交通规划行业带来新空气,甚至革命性变革。进而为城市规划注入新活力。
主要作者:
张宇,北京市城市规划设计研究院高级工程师,课题组执行负责人;
吕宜生,中国科学研究院自动化研究所副研究员,课题组核心成员;
张晓东,北京市城市规划设计研究院交通所副所长,教授级高级工程师,课题组负责人。
摘 要
随着通过全面感知社会空间、网络空间、物理空间的技术手段日趋完善。城市交通系统的相关数据和信息有了更多的描述分析的基础。利用数据驱动、机理和经验建模等方法对实际交通系统进行刻画并形成软件定义的人工交通系统,两个系统共同构成完整的平行交通系统,是实现城市交通规划智能化的重要途径。本篇拟从平行系统理论入手探讨构建城市平行交通系统服务交通规划的可行性、基本构架及重要意义。
引子
科幻电影之所以吸引人,不仅因为其高炫的科幻情景,更因为它基于科学前沿的脑洞大开的畅想,以及给整个社会带来的强大冲击力和变革动力。电影《源代码》讲述了男主角在源代码创造的“源代码世界”中穿梭,通过改变比现实世界时间提前的源代码世界,进而使得“平行的现实世界”也得到了改变。类似的关于平行世界的电影还有《盗梦空间》、《蝴蝶效应》等。这些火爆的电影当然也并非空穴来风,其背后的科学理论基础即所谓的“平行世界”。
平行系统理论
当前已经进入信息驱动的数字智能化时代。一个明显的趋势就是,物理世界和与之对应的数字世界将形成两大体系平行发展相互作用。举个例子,当我们在浏览网页、使用手机APP时,在网络空间中已经留下了足迹,在虚拟的网络世界里勾勒了平行的“你”,时时刻刻伴你生活、学习、工作……,这个虚拟的“你”可以在许多方面督促、帮助、指引物理空间中的你,与你一起成长、变化,协助你解决各种问题。同样,物理设备、工厂也是如此。
事实上,其背后的理论和方法早在2004年就已提出,即:平行系统理论与方法。平行系统是指由某一个自然的现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统所组成的共同系统,是计算技术和分析方法的进一步发展、是控制系统和计算机仿真随着系统复杂程度的增加而导致的必然结果,是弥补很难甚至无法对复杂系统进行精确建模和实验之不足的一种有效手段,也是对复杂系统进行管理和控制的一种可行方式。
平行系统理论主要包含ACP三部曲,即:通过构造人工系统(Artificial Systems)对实际系统进行建模;在人工系统上开展计算实验(Computational Experiments),对复杂系统进行分析、预测、评估;将人工系统和实际系统联接,通过虚实互动、平行执行(Parallel Execution)完成对系统的管理与控制等。
ACP基本框架图[1,2]
平行交通系统
那么,我们可否创造一个面向交通规划的人工交通系统,通过该系统事先描述、预测、优化规划方案,从而改变平行的现实交通世界呢?答案应该是可行的。以四阶段模型为代表的传统交通需求预测模型其实就是人工交通系统的雏形阶段。但得益于当前人工智能、大数据、云计算、移动互联网、物联网等技术的发展,以及信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPS)、信息物理社会系统(Cyber-Physical-Social Systems,CPSS)、数字孪生(Digital Twin)等平行系统理念的发展,让我们的传统交通模型有了向平行交通系统升级的契机与可能。
人工交通系统的构建基础和出发点是现实世界,同时构建目的是以更好的指引城市交通规划为目标。为此,人工交通系统需涵盖现实世界交通系统的相关元素。各类交通系统因素在计算机上的人工系统中均需有虚拟对照,虚实同步平行运行。人工交通系统用以对现实世界进行建模,建模不仅仅是简单的数字化过程,更重要的是人口、事、物、行为、规划方案等的数据和机理驱动的模型、算法,使平行世界中的交通系统“活”起来、“动”起来,能够自主演化,完成对现实世界的“描述智能”。
一个典型的人工交通系统组成如下所示:
人工交通系统构成图(作者自绘)
通过全面感知社会空间、网络空间、物理空间中与城市交通规划相关的数据、信息,利用数据驱动、机理和经验建模等方法对实际交通系统进行刻画并形成软件定义的人工交通系统。软件定义的集成人工交通系统是实现城市交通规划智能化的基础。纵观DeepMind的AlphaGo、GE的发动机Digital Twin,均离不开计算机中的虚拟模型环境。针对城市交通系统的工程复杂性和社会复杂性特征,选取典型任务,分别构建数据和模型驱动的多尺度、多分辨率城市交通模型;根据人工交通系统各组成部分及相互关系,借助基于代理和高效计算手段完成实际交通系统的软件化定义,形成人工交通系统模型生成的支持环境和解析工具,是我们对人工交通系统构建的初步想法。
平行交通系统的使用方法
平行交通系统与现实世界交通系统各自平行运行,我们称其为平行执行。可针对不同的任务设置平行世界中交通系统的时钟,使其超前、同步、甚至滞后运行。通过将平行世界中的交通系统与现实世界系统连接、互动,构成一种虚实互动而产生的新型反馈控制机制,促使整个平行系统向设定或涌现的目标收敛,形成所谓的“引导智能”。
平行执行把软件定义的人工交通系统嵌入在整个规划流程环内:根据CPSS空间感知到的数据、信息,不断地调整、优化软件定义的人工交通系统,产生各种各样的场景以及真正意义上的大数据;借助于人工交通系统产生的数据和实际系统中的数据,通过人机结合、平行学习、平行动态规划、机器学习等方式或方法得到应用于具体场景和任务的“小知识”,并用于预测、控制和决策,从而增强系统的智能化水平。可测度应用包含城市更新设计、交通规划方案评估、交通设施选址、公交规划、停车规划等。
测试方案场景设定与联络关系图(作者自绘)
课题组认为,作为城市交通规划智能化的重要发展方向之一,平行交通系统在未来将会作为城市运行的基础设施而存在。阿里巴巴在雄安拟开展的数字孪生城市构建及京东刚刚成立的智能城市研究院均与我们的判断不谋而合。因此我们正在朝着这个方向进行探索性研究,后续也将逐步和大家分享阶段研究成果。希望未来平行交通系统的整体实现之时,可带来城市交通规划行业、甚至整个交通行业的革命性变革,进而改变整个城市规划运营的面貌。
参考文献:
1、王飞跃, "人工社会、计算实验、平行系统——关于复杂社会经济系统计算研究的讨论," 复杂系统与复杂性科学, no. 04, pp. 25-35, 2004.
2、F.-Y. Wang, "Parallel Control and Management for Intelligent Transportation Systems: Concepts, Architectures, and Applications," IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 11, no. 3, pp. 630-638, 2010.
3、王飞跃, "交通5.0: 迈向CPSS的智能平行交通体系," 中国自动化学会第8期智能自动化学科前沿讲习班, 2018年10月13日.
4、周瑜,刘春成, "雄安新区建设数字孪生城市的逻辑与创新," 城市发展研究, 2018.