[00358912]城市交通海量数据分析处理技术及协同控制平台

近年来中国城市交通问题日趋突出，道路资源供需矛盾明显、城市规划不合理等问题相比国外情况更为复杂。作为拥有18年行业经验的国内城市智能交通首家上市公司，针对交通数据海量异构且缺乏统一标准、控制系统缺乏联动、海量交通数据分析处理技术工程化应用等难题与挑战，突破海量交通数据云平台与分析处理技术、基于“节点-巡线-区域”的城市交通协同控制体系及平台等领域核心环节，形成了具有自主知识产权的城市智能交通管控解决方案并产业化应用，引领新一代智能交通控制系统的发展，为提高国际竞争力提供了技术支撑。主要突破如下：牵头制定国标《城市交通流信息采集与存储》(GB/T29192-2012)，定义了交通流信息参数、规定了信息采集与信息要求和信息参数存储格式，使交通流信息的处理、发布等更具规范和条理性，为众多智能交通系统的互联、协同奠定了坚实基础。构建城市交通协同控制平台，形成“节点-巡线-区域”的交通多层次主动控制与协同体系，实现了全路网交通流实时采集与融合、海量交通数据分析处理、交通综合运行监测、应急协作与指挥、信号控制、匝道控制、潮汐控制等功能，支持城市复杂交通的实时监测、短时预测与区域交通协调控制优化，提高了道路交通整体通行能力。构建城市交通高性能云计算服务平台，开展交通流数据预处理、多源异构数据融合、实时交通运行状态分析、交通流运行规律分析等海量交通数据分析技术研究，提出了单元―区间协作的交通状态分析、多维数据拥堵分析、时空关联的动态交通流预测、多视角融合的交通小区划分、交通控制区域动态划分、基于模型容器和模型管理技术的交通数据云处理与信息融合等方法，及时空分离的交通控制协同、基于效用的交叉路口交通信号控制、基于警情的车辆分流和限流等技术。提出了基于物联网的全路网交通流实时感知技术，在城市混合交通、多种传感器、复合型检测技术应用等复杂环境下获取断面、区间、区域等不同层次的多源异构交通参数信息，有效支撑城市交通协同控制技术的研发。项目主持制定国家标准1项，获得授权发明专利5项，获得软件著作权7项，出版著作3本，发表论文7篇，技术达到国际先进水平。成果已在浙江、江西等10多个省20多个大中型城市应用，近三年新增产值10.01亿元、净利润1.62亿元、税金0.52亿元。项目成果的应用，实现了对道路交通的精细化管理，提高了道路通行效率，极大缓解交通拥堵问题，改善了交通生态环境。立项背景：中国城市道路交通(堵塞、事故、污染、能耗)问题日趋突出，并正在各类城市蔓延，交通拥堵都已经成为国内城市的常态，改善交通已成重大民生需求。与发达国家相比有以下几个重要特征：供需矛盾明显：国内道路资源总量少(发达国家的1/2)、人均道路面积低、车均道路面积低(为东京的1/2，芝加哥的1/3)；职住分离情况严重，呈现城市向心性和潮汐交通特征；快速路建设较慢、断头路多、支小路利用率低等城市规划、路网结构不合理；人车混合交通、违章停车等人为干扰情况严重；上述诸多因素的重叠加重了交通拥堵。据统计国内百万人口以上城市有80％的路段和90％的路口通行能力已经接近极限(处于极限状态)。智能交通系统是国际公认的缓解城市交通问题的有效手段和重要途径，而交通控制是其核心组成部分。经过60多年的发展，智能交通已进入车路协同、主动控制的时代，面临的主要挑战在于交通信息多源异构性、交通系统复杂度剧增、交通大数据远远超过传统交通控制平台的承载能力，以及交通控制理念转变(高智能化控制、单目标向多目标、开环向闭环)等方面。该项目直面中国城市交通特征(极大多数城市在极大多数时间内道路通行能力处于极限状态)、改善与可持续发展的重大需求，兼顾现状条件，克服国内外特别是在国内占有率较高的国外引进系统的水土不服(极限状态下的交通控制手段失效)，项目团队系统地研究了“城市交通海量数据分析技术及协调控制平台”，并在多个城市进行产业化应用。技术创新内容：鉴于上述研究背景，该项目提出了城市交通海量数据分析处理技术及协调控制解决方案，主要解决智能交通领域中的关键核心问题。从海量交通数据云计算服务平台、海量交通数据分析处理技术、基于“节点-巡线-区域”的城市交通协同控制体系及平台等方面进行了创新。基于“节点-巡线-区域”的城市交通协同控制平台：城市交通控制手段多样化，信号控制、匝道控制、潮汐控制等系统已逐步建设，但各智能交通交通控制独自建立，系统间缺乏数据共享和协同反馈，只能对交通进行局部的优化，无法发挥更大的作用。交通拥堵往往由交通流在节点上冲突造成，蔓延到巡线道路，严重时甚至扩散到一片区域，造成大面积的交通瘫痪，课题组应思考如何从宏观层上主动预防或对策交通阻塞，从微观层高精准地实施交通流的最佳控制，预防非常态的发生，实现交通非常态与常态最佳转换。全面研究并构建了“节点-巡线-区域”的交通多层次主动控制与协同体系，研制了城市交通协同控制平台。在技术上，采用SOA架构、通过服务方式实现跨平台跨业务的各类交通控制系统的集成。在业务上，提出时空分离的协同控制技术：在空间上，基于城市道路分级，采用匝道系统、交通信号系统、潮汐系统、微循环系统等主动控制手段，研发基于交通事件的指挥调度及交通疏导技术、基于拥堵分析的交叉口管理系统等节点交通主动控制技术，匝道控制与潮汐交通控制等巡线交通主动控制技术，以及全路网区域动态交通信号控制技术、全网在线动态交通流优化方针平台等全路网区域交通控制技术，实现了不同层次城市道路的分层控制策略；在时间上，通过可变车道动态控制、匝道动态控制、潮汐控制策略以及信号自适应控制等技术，动态优化控制策略，弹性调整区域通行能力。基于“节点-巡线-区域”的城市交通协同控制体系及平台构建了立体多层的交通控制模式，由点切入、扩展及线、深入至面，实现了对道路交通的精细化管理，提高了道路通行效率，极大缓解交通拥堵。海量交通数据云计算服务平台：交通数据具有多源异构性、数据海量化等特点，一方面城市交通流采集设备种类繁多且异构，需要规定标准的交通数据格式来进行统一的数据描述，同时由于采集设备处于室外易出故障，交通数据易出现丢失、异常情况；另一方面，交通数据海量化量集中表现为系统存在数万以上并发数据读写、TB级甚至PB级数据存储、数GB/s高峰吞吐量，传统架构无法满足计算实时性的需要。在平台架构方面，国内外较多采用传统的技术架构，采用特定的算法实现交通流数据信息的预处理和融合处理，无法兼顾实时性和准确性的要求，难以适应大规模的实际应用。牵头制定了《城市交通流信息采集与存储》国家标准(GB/T 29192—2012)，定义了城市道路交通管理中交通流信息参数、规定了信息采集与信息要求和信息参数存储格式，使交通流信息的处理、发布等工作更加规范和具有条理性。项目团队率先研发了交通海量数据云计算服务平台，运用分布式的计算架构，并发分析计算，提升海量数据在线分析能力。提出了基于“模型容器”和“模型管理”的交通信息处理方法，通过构建基于云的数据处理服务，动态组合服务实现多源异构数据信息的修复和融合，解决海量数据的实时分析计算问题，克服修复模型计算复杂度高、运算速度慢等问题，并提高了数据分析处理的精度。海量交通数据分析处理技术：交通状况复杂，定量分析困难，且交通状况瞬息万变，需对交通进行前瞻性的预判方能对交通进行有效的控制；针对该问题，国内外基本上进行了交通状况的定量分析技术以及短时预测技术，但在实际应用过程中普遍存在精度较差，短时预测准确率较低的问题。该项目通过构建基于大数据的网络状态与特征提取技术、网络状态预测预报预警预防及控制技术、单点交叉口主动反馈优化控制技术、多交叉口连线主动反馈协调控制技术、网络控制小区主动性智能反馈划分模型与算法，研究交通控制与交通流诱导系统的时空协调运行机理，扩大数据信息的分析范围，建立基于道路交通局部和全局状态全息感知的网络交通协同时机分析模型，以全路网为分析对象并基于此提出并实现基于单元-区间协作的交通状态分析方法以及基于时空关联的动态交通流预测方法，通过将断面的交通流信息映射到区间交通流信息，从而更加准确的进行交通状态分析；同时，结合空间信息，根据交通流的流动规律进行短时交通流预测，提高预测的精度。国内外同类技术的主要参数比较：智能交通管理系统的发展趋势主要体现在集成性、预测性、主动性、实时性等方面，即集成了众多交通管理功能，并基于全面的检测信息及预测分析进行主动性交通管理，摆脱被动适应性管理的滞后性。国内城市交通信号控制系统的主流产品是国外产品，缺少紧密结合中国混合交通流特点的具有自主知识产权的国产技术和产品。项目团队采用基于分布式的云计算系统构架，主要研究了海量交通分析处理技术与控制应用的协同技术，较好的解决了实时性、准确性等问题。该项目成果在杭州市应用，经测算，早晚高峰期间，中河高架南向北(复兴路至平海路)流量增加约895辆/小时，约29.6%，北向南(湖州街至环城北路)增加约900辆/小时，约29.4%；单车道平均流量为657辆/小时，同比上升5.9%，相当于每个车道1小时增加39辆，6个车道每小时共增加通行量为234辆，断面流速提高了2个百分。曙光路保俶路口、上塘路文晖路口及体育场路中河路口的单车道每小时平均流量提升都在10个百分点以上。综上所述，该团队所提出的学术思想和新技术与方法，具有高度的集成创新性，又鉴于中国城市数据源和交通状态的复杂性与需求的多样性，所以该成果技术将与国内外同类技术和产品相比更具先进性和竞争力。社会效益和间接经济效益：有利于提高城市交通管理能力和服务水平：通过该项目的建设，城市交通管理和建设部门可以充分利用数据资源，大幅度提高城市智能交通在规划、项目新建、原有系统维护以及整体交通信息化管理中的工作效率，为有效缓解城市交通的出行难问题提供关键技术支撑。通过该项目的建设，推进交通管理部门对城市交通状况的全局范围和微观深度两个方面的拓展和延伸，有利于更迅速更有效地发现网络中存在的各种固有的或临时突发性的交通瓶颈的原因所在，并能够在第一时间进行警力和设备资源的调度，从而有针对性的解决问题。有利于带动智能交通相关产业发展，形成新的经济增长点：通过该项目的建设，带动相关电子芯片、光纤、传感器、摄像机、硬盘录像机等硬件设备行业的发展，拉动高科技产业增长，创造大量的就业岗位。同时，通过改善交通信息处理与利用能力，实现多种数据源的信息融合，积极推动产业相关技术标准的发展与完善，提升整个产业链的发展速度。有利于改善交通生态环境，促进城市可持续和谐发展通过该项目的建设，提高城市交通系统的整体服务能力和服务水平，带动城市各区域的均衡快速发展。改善投资环境和创业环境，为城市的可持续和谐发展提供强有力的基础性保障。同时，在城市范围内减少尾气排放，减免交通信息系统重复建设、提高公共设施资源的利用效率、间接节省公共资源的损耗，促进智慧城市体系建设。