东南大学王炜教授：城市群“综合交通大脑”框架体系与关键技术

我国是名副其实的交通大国,高速公路世界第一、高速铁路世界第一、城市轨道交通营运的里程世界第一,全球十大集装箱码头中国占了七个,特别是一个上海港的集装箱吞吐量就超过了美国整个国家的集装箱吞吐量,集装箱吞吐量意味着一个国家的国际贸易活跃程度,也说明了国家发展的经济活力,我国的经济发展在世界上发展活力是非常强的。

我国是交通大国,但还不是交通强国,目前还有很多的问题,可以总结为以下七个方面:

1、综合交通网络衔接不畅、运输结构不合理,衔接不畅造成整个区域、国家、城市的交通运输结构不合理。

2、综合交通系统运输效率低、运输成本高、服务水平差,我们建成了世界第一的交通运输基础设施,这是世界第一而不是世界一流。世界第一的交通基础设施没有产生世界一流的运输效率和世界第一的服务质量。

3、城市交通道路拥堵严重。

4、交通系统能耗大、环境污染严重。

5、交通安全形势严峻、道路交通伤亡人数居高不下。

6、区域发展不平衡,城乡差距较大。

7、交通科技创新能力不够强。

经过这么多年的努力这些情况有所改变但还没彻底改变,那么这些问题如何解决?党的十九大提出了交通强国国家发展战略,交通强国发展战略核心就是要推动三个转型:速度和规模向效率和质量转型、单一交通方向向一体化发展转型、传统要素驱动向创新要素转型,通过一流设施、一流技术、一流管理、一流服务,打造现代交通体系。

交通强国的实施实际上是我国整个交通行业发展的重大转型,交通行业的重点、核心是大规模的交通系统基础设施建设,这四十年对交通贡献最大的是土木工程学科,核心技术理论和技术体系、关键技术,怎么样把交通基础设施造出来、设计出来、建造出来。但现在不一样,通过四十年的建设,我国已经建成了世界第一的交通基础设施,但还没有创造出世界一流的服务质量。我们要做的是怎么把已经建成世界第一的交通设施产生出世界第一的服务质量,这需要现代化的交通系统运行服务。

交通运输工程逐步从次要地位走向主导地位,需要的基础理论,最最重要的是系统科学,关键技术就是用新一轮的革命性技术,互联网、5G、人工智能、虚拟仿真,用这些技术改造已经建成的交通基础设施,使其产生世界一流的交通体系。

以前四十年是老基建,现在我们的重点是新基建,不是说老基建不要了,老基建还是要的,我们的发展重心转型了,要转向新基建了。我们可以把交通强国发展纲要的基本内容进行梳理,我梳理出10个方面三十多条,实际上只有一个核心,依托新一轮的革命性技术,打造一体化融合、高质量发展的综合交通体系。也就是说我们新基建就是要做一体化融合、高质量发展的综合交通体系。

综合交通体系高质量一体化发展的瓶颈与对策

打造一体化融合发展的综合交通体系,实施起来有一些具体的困难。五大运输方式需要物理网、信息网、服务网的协同,通过五大运输方式和城市交通的系统协同,打造旅客出行一站式联程服务运输体系。大家可以注意到,我们出行的模式发生了很大的变化,特别是高端出行越来越多了,高端出行可能是组合出行,比如说我从上个月30号到这个月的20号,这二十多天的时间,基本上每天一个城市,除了深圳待的时间多一点,航空、高铁、高速公路、城市轨道交通,很多的客运交通方式都涉及到了。现在我的体会是每个行程都要买票,确认时间,我们能不能做到在大的行程一个时刻表,一张行程单,整个计划定好以后,后面是一站式的服务,但我们现在做不到。现在的商务出行、旅游出行也不是两个系列,高端出行越来越多了,对出行的质量要求越来越高了,这个问题要解决。

关于物流的问题,要建立多式联运的“门到门”的服务物流体系,推进大宗货物及中长距离货物运输向铁路和水运有序转移,推动铁水、公铁、公水、空陆等联运。

机制体制层面,各交通方式是独立发展的,这四张图是“十三五”综合交通发展规划,我们做“十三五”规划是各自分开的,“十四五”的规划也还是分开的,我们没办法把大运输方式和城市交通用一张网做综合的发展规划,这里存在体制上的问题。2008年我国成立交通运输部,当时的目标就是要把分散在七八个部委的交通职能整合在一起,交通运输部把所有的交通功能统在一起来打破机制体制上的障碍,但是12年过去了,这个体制机制障碍还是没打破,当然有了很大的改善。我们想到体制的问题是否能通过技术的措施来减少体制产生的影响,这是我们需要做的事情。

基础设施方面,我们建设了质量很高的硬件设施,但它们之间的互动能力不同,造成多式联运的能力较低。我们慢慢逐步重视,需要通过综合交通枢纽实现各种交通方式之间的转换。如今很多省市都在建综合交通枢纽,我们这几年往往关注的是大型交通枢纽。要做到提高整个交通系统的互联互通的能力,关键是要建中小型的综合枢纽,这样的枢纽太少了,交通转换到每个大城市转换,现在地方上就转换了,这个是缺少的。

基础理论方面我国是空白的,这几十年基本上是铁路做铁路的、公路做公路的,五大运输方式和城市交通融合在一起,整个基础理论体系完全不一样。因为这方面的研究几乎是空白,所以高校、研究院所的压力是非常大的。

我国这几年在精准感知上取得了非常大的进步,通过精准的感知服务于精细的管理和精心服务,精细管理和精心服务是交通运输行业的工作。我们把精准感知直接服务于精细的感觉和精细的服务,这是远远不够的,我们精准感知的是表面数据,必须经过精确的分析,上升到对交通出行行为的认知,缺乏这方面的工作,使得我们的决策存在一些能力不是很强。

那么这个能力怎么解决?我们提出了“综合交通大脑”,“综合交通大脑”是基于互联网+大数据、人工智能的新一轮革命性技术的综合交通系统的决策支持平台,是综合交通体系高质量发展、一体化融合发展的顶层设计,是交通运输工程,交通新基建落地需要聪明的大脑,智慧的大脑。聪明的大脑和科学的决策才可能做到综合交通体系的一体化、高质量发展。

我们以前对高速公路、大型桥梁、高速铁路、城市地铁等这些基础设施非常关注,但是对于什么时候要建,建在什么地方,多大的规模,这些决策支持方面的工作不是很重视。这四十年我们建设了世界第一的交通基础设施,但没产生世界一流的交通运输效率、世界一流的交通服务质量。交通基础设施的工程质量非常高,但是交通功能是低的,所以运输效率低。它的系统功能是很弱的,所以服务能力就很差,我们需要改变,怎么改变?我们需要综合交通大脑,通过精确的分析提升感知信息的,提升精细管理和精心服务。

智慧交通体系是五大运输方式和综合交通,我们没有办法把这些部门整合在一起,但实际上已经整合了。很多城市有交通委,他的业务是分开的,没办法把它整合在一起,我们就会建立虚拟的交通分析平台,这个平台里有统一的数据、统一的模型、统一的软件、统一的网络,在共享的平台上我们是可以把不同的部门整合到一起,来实现公路、铁路、水陆、航空、城市交通各交通方式的跨行业一体化,这个实际上就是综合交通大脑的基本概念。跨行业、跨部门的整合以外,规划建设、管理控制、运行组织、安全保障也会做到一体化,这些也都是隔离的。

最近我国要推智慧公路,马上要出台设计标准、技术标准,目前的智慧公路里六大板块,路网管控、出行服务、收费服务、公路养护、路政管理、车路协同的能力。这是我们刚推出面向智慧交通的新东西,还没做到一体化,这个不应该,应该把综合交通大脑整合在一起,用统一的平台解决。

这样的综合交通大脑,实际上就是要建一个和现实的综合交通系统完全一致的虚拟交通系统,有一个词大家都比较熟悉--数字孪生。我们觉得数字孪生光有数字不够,最核心的是里面的模型,一个是现实的系统,一个是虚拟的系统,现实系统中无法实现的东西,我们到虚拟系统里实现,根据系统效率再考虑实施。五大运输方式的城市交通里,做到一起生成一个方案我们做不到,我们会到虚拟系统实施,实现全方式的一体化和某个方式全过程的一体化。

我们要做到实现四个方面的一体化。综合交通的跨度很大,我们要实现跨区域的一体化,一个城市群的综合交通涉及到另外一个城市的综合交通,是跨区域的,最重要的是跨行业、跨部门的一体化。综合交通在整个区域的生态平衡、资源利用包括安全保障都有很大的关系,我们要考虑和他们的一体化。

综合交通大脑系统框架与关键技术简介

综合交通大脑由四大部分组成,数据是基础,分析模型库是核心。我们在做决策支持的时候,交通分析模型起到了非常主导的作用。综合交通网络非常复杂,因此需要有平面软件。交通解决方案备选预案库是一个工作平台,是服务于中国交通各部门的。

综合交通大脑核心的是交通分析模型,在综合交通一体化发展里面,交通分析模型完全不一样,这是核心的问题也是最大的难度。以前是单一的交通网络,公路网都是公路,城市交通网都是道路,铁路网都是铁路,现在不一样了,现在五大运输方式都合在一起,它是多网、多元的交通网络。以前我们建立的数学模型,基本上已经无法解决一体化的问题。

这些问题怎么解决?首先是多网合一的网络结构拓扑的问题,如何把已经分离的五大运输方式加城市交通六个网络合在一起?这里首先是物理网络的拓扑结构,物理网比较简单,我们需要把五大运输方式加城市交通,城市道路网、公路网是同质的。每个运输方式的节点还要考虑综合交通枢纽,只有综合交通枢纽才可以实现各种交通方式之间的转换,五大运输方式放到一起,这个网络只能是计算,不能实现各种交通方式之间的转换效率。

在这后面必须有一个虚拟网,现在物联网每个交通枢纽再转化为小型的虚拟网络,比如说水路和公路的交通枢纽。物理网只是一个节点,虚拟网是一个小型网络,不仅要能反映出各种交通方式转换的阻抗,并需要计算出运输效率,这个就比较复杂了。

例如三种交通方式转换的综合交通枢纽,它的虚拟网也是一个网络。更复杂一点的,像虹桥综合枢纽,虹桥综合枢纽的物理网就是复杂的交通网络,把每个点再转成虚拟网以后,虹桥综合交通枢纽就是上千个节点的虚拟网络。综合交通网非常复杂,这是京津冀一体化综合交通网络和粤港澳大湾区多网合一的交通网络,这是多网合一的网络模型。

还有很重要的一点是交通阻抗分析,阻抗函数是非常关键的。我们以往一直在做公路网分析和城市交通分析,用的是美国联邦公路的模型。现在就不一样了,现在我们要建立各种交通方式之间、各种交通组合模型,这些模型必须有可比性,才可以实现各种交通方式之间运输效率的对比分析。如何把这些函数建立起来是非常复杂的问题,特别是各种交通方式转换的交通阻抗模型,例如铁路转换成公路,再到机场、再到水运,各种运输方式转换客运的、货运的,这里有非常多的问题需要解决。

在综合交通体系里三大类数据库:静态基础大数据、实时流量数据和动态出行大数据,这个数据很多,并且都是碎片化、各自为政的,几乎没有共享。我们建立综合交通大脑的核心就是要解决跨部门数据共享的问题,静态的交通数据的共享,动态的数据共享和实时数据的融合问题。

综合交通网络太复杂了,以往我们用的是国外软件,比如美国TransCAD。我们坚持中国必须有自己的交通分析的平台软件,这是我的梦想,现在梦醒了要有理想,交运之星做得不错了,已经集成起来进行交通分析。除了软件,我们还要有自己的数据库、模型库。综合交通大脑并不是为了向领导汇报、或同行参观而开发的展示平台,而是为了实现综合交通系统一体化融合、高质量发展而开发,面向业务需求的工作平台。

备选预案库应支持宽部门非专业人员的“一键式”业务流程设计,适应综合交通一体化融合条件下的各种业务场景:

1、实现公路、铁路、水运、航空、管道与城市交通等综合交通网络全方式一体化。

2、实现规划设计、运输组织、运行管理、安全保障等综合交通发展全过程一体化。

3、实现综合运输、生态环境、国土资源,城市建设,公安交管跨部门一体化。

4、实现综合交通基础设施体系规划、建设与管理跨城、跨省、跨区域一体化。

我希望把综合交通大脑打造成交通运输体系的BIM。

案例:建设长三角城市群综合交通大脑的建议

长三角一体化发展和京津冀、粤港澳大湾区一样是国家的发展战略,最近习总书记做了很多的批示,要加快长三角一体化发展,国庆节前中国科协组织了几个一级学会的专家做长三角基础设施高质量建设一体化发展,向党中央、国务院做咨询建议。

一是实现综合交通基础设施高质量发展的跨区域一体化,实现长三角城市群综合交通基础设施体系规划、建设与管理的跨区域一体化,整个网络上实现跨区域的一体化。

二是实现综合交通基础设施高质量发展的跨部门一体化。

三是实现综合交通基础设施高质量发展全方式一体化,这里面公路、铁路、水运、航空管道与城市交通一体化,实现一体化的决策支持。

四是实现综合交通基础设施高质量发展的全过程一体化。规划建设、运输组织、运行管理、安全保障必须做到一体化。

我们现在已经把长三角的网络一体化模型建立起来,给定一个运输矩阵就可以分析在综合交通网上的交通分配问题,可以对很多的交通预案做定量化、可视化、精细化的评价。然而现在分析模型比较欠缺,中国有这么多的交通学院、交通部门、大学和研究院所,我们完全可以在比较短的时间里把整套理论体系建立起来。

在新基建背景下下,新基建如何赋能城市群的发展,前文已经系统性地提出了城市群交通综合大脑的内涵和外延,并且对城市群交通大脑的功能设计、框架设计、关键技术。下一步我们的目标就是打造中国式的BIM。

(本文根据速记整理,未经本人确认)