• 王煒:城市群“綜合交通大腦”框架體系與關鍵技術—— 對“ 交通強國 ”背景下交通新基建的若干思考?

    2021-03-02 09:33:21 來源:中國智能交通協會 評論:
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     一、“交通強國”戰略與綜合交通體系高質量發展
      我國是名副其實的交通大國,高速公路世界第一、高速鐵路世界第一、城市軌道交通營運的里程世界第一,全球十大集裝箱碼頭中國占了七個,特別是一個上海港的集裝箱吞吐量就超過了美國整個國家的集裝箱吞吐量,集裝箱吞吐量意味著一個國家的國際貿易活躍程度,也說明了國家發展的經濟活力,我國的經濟發展在世界上發展活力是非常強的。
      我國是交通大國,但還不是交通強國,目前還有很多的問題,可以總結為以下七個方面:
      1)綜合交通網絡銜接不暢、運輸結構不合理,銜接不暢造成整個區域、國家、城市的交通運輸結構不合理。
      2)綜合交通系統運輸效率低、運輸成本高、服務水平差,我們建成了世界第一的交通運輸基礎設施,這是世界第一而不是世界一流。世界第一的交通基礎設施沒有產生世界一流的運輸效率和世界第一的服務質量。
      3)城市交通道路擁堵嚴重。
      4)交通系統能耗大、環境污染嚴重。
      5)交通安全形勢嚴峻、道路交通傷亡人數居高不下。
      6)區域發展不平衡,城鄉差距較大。
      7)交通科技創新能力不夠強。
      經過這么多年的努力這些情況有所改變但還沒徹底改變,那么這些問題如何解決?黨的十九大提出了交通強國國家發展戰略,交通強國發展戰略核心就是要推動三個轉型:速度和規模向效率和質量轉型、單一交通方向向一體化發展轉型、傳統要素驅動向創新要素轉型,通過一流設施、一流技術、一流管理、一流服務,打造現代交通體系。
      交通強國的實施實際上是我國整個交通行業發展的重大轉型,交通行業的重點、核心是大規模的交通系統基礎設施建設,這四十年對交通貢獻最大的是土木工程學科,核心技術理論和技術體系、關鍵技術,怎么樣把交通基礎設施造出來、設計出來、建造出來。但現在不一樣,通過四十年的建設,我國已經建成了世界第一的交通基礎設施,但還沒有創造出世界一流的服務質量。我們要做的是怎么把已經建成世界第一的交通設施產生出世界第一的服務質量,這需要現代化的交通系統運行服務。
      交通運輸工程逐步從次要地位走向主導地位,需要的基礎理論,最最重要的是系統科學,關鍵技術就是用新一輪的革命性技術,互聯網、5G、人工智能、虛擬仿真,用這些技術改造已經建成的交通基礎設施,使其產生世界一流的交通體系。
      以前四十年是老基建,現在我們的重點是新基建,不是說老基建不要了,老基建還是要的,我們的發展重心轉型了,要轉向新基建了。我們可以把交通強國發展綱要的基本內容進行梳理,我梳理出10個方面三十多條,實際上只有一個核心,依托新一輪的革命性技術,打造一體化融合、高質量發展的綜合交通體系。也就是說我們新基建就是要做一體化融合、高質量發展的綜合交通體系。

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    二、綜合交通體系高質量一體化發展的瓶頸與對策
      打造一體化融合發展的綜合交通體系,實施起來有一些具體的困難。五大運輸方式需要物理網、信息網、服務網的協同,通過五大運輸方式和城市交通的系統協同,打造旅客出行一站式聯程服務運輸體系。大家可以注意到,我們出行的模式發生了很大的變化,特別是高端出行越來越多了,高端出行可能是組合出行,比如說我從上個月30號到這個月的20號,這二十多天的時間,基本上每天一個城市,除了深圳待的時間多一點,航空、高鐵、高速公路、城市軌道交通,很多的客運交通方式都涉及到了。現在我的體會是每個行程都要買票,確認時間,我們能不能做到在大的行程一個時刻表,一張行程單,整個計劃定好以后,后面是一站式的服務,但我們現在做不到。現在的商務出行、旅游出行也不是兩個系列,高端出行越來越多了,對出行的質量要求越來越高了,這個問題要解決。
      關于物流的問題,要建立多式聯運的“門到門”的服務物流體系,推進大宗貨物及中長距離貨物運輸向鐵路和水運有序轉移,推動鐵水、公鐵、公水、空陸等聯運。

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    機制體制層面,各交通方式是獨立發展的,這四張圖是“十三五”綜合交通發展規劃,我們做“十三五”規劃是各自分開的,“十四五”的規劃也還是分開的,我們沒辦法把大運輸方式和城市交通用一張網做綜合的發展規劃,這里存在體制上的問題。2008年我國成立交通運輸部,當時的目標就是要把分散在七八個部委的交通職能整合在一起,交通運輸部把所有的交通功能統在一起來打破機制體制上的障礙,但是12年過去了,這個體制機制障礙還是沒打破,當然有了很大的改善。我們想到體制的問題是否能通過技術的措施來減少體制產生的影響,這是我們需要做的事情。

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    基礎設施方面,我們建設了質量很高的硬件設施,但它們之間的互動能力不同,造成多式聯運的能力較低。我們慢慢逐步重視,需要通過綜合交通樞紐實現各種交通方式之間的轉換。如今很多省市都在建綜合交通樞紐,我們這幾年往往關注的是大型交通樞紐。要做到提高整個交通系統的互聯互通的能力,關鍵是要建中小型的綜合樞紐,這樣的樞紐太少了,交通轉換到每個大城市轉換,現在地方上就轉換了,這個是缺少的。
      基礎理論方面我國是空白的,這幾十年基本上是鐵路做鐵路的、公路做公路的,五大運輸方式和城市交通融合在一起,整個基礎理論體系完全不一樣。因為這方面的研究幾乎是空白,所以高校、研究院所的壓力是非常大的。

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    我國這幾年在精準感知上取得了非常大的進步,通過精準的感知服務于精細的管理和精心服務,精細管理和精心服務是交通運輸行業的工作。我們把精準感知直接服務于精細的感覺和精細的服務,這是遠遠不夠的,我們精準感知的是表面數據,必須經過精確的分析,上升到對交通出行行為的認知,缺乏這方面的工作,使得我們的決策存在一些能力不是很強。
      那么這個能力怎么解決?我們提出了“綜合交通大腦”,“綜合交通大腦”是基于互聯網+大數據、人工智能的新一輪革命性技術的綜合交通系統的決策支持平臺,是綜合交通體系高質量發展、一體化融合發展的頂層設計,是交通運輸工程,交通新基建落地需要聰明的大腦,智慧的大腦。聰明的大腦和科學的決策才可能做到綜合交通體系的一體化、高質量發展。
      我們以前對高速公路、大型橋梁、高速鐵路、城市地鐵等這些基礎設施非常關注,但是對于什么時候要建,建在什么地方,多大的規模,這些決策支持方面的工作不是很重視。這四十年我們建設了世界第一的交通基礎設施,但沒產生世界一流的交通運輸效率、世界一流的交通服務質量。交通基礎設施的工程質量非常高,但是交通功能是低的,所以運輸效率低。它的系統功能是很弱的,所以服務能力就很差,我們需要改變,怎么改變?我們需要綜合交通大腦,通過精確的分析提升感知信息的,提升精細管理和精心服務。
      智慧交通體系是五大運輸方式和綜合交通,我們沒有辦法把這些部門整合在一起,但實際上已經整合了。很多城市有交通委,他的業務是分開的,沒辦法把它整合在一起,我們就會建立虛擬的交通分析平臺,這個平臺里有統一的數據、統一的模型、統一的軟件、統一的網絡,在共享的平臺上我們是可以把不同的部門整合到一起,來實現公路、鐵路、水陸、航空、城市交通各交通方式的跨行業一體化,這個實際上就是綜合交通大腦的基本概念。跨行業、跨部門的整合以外,規劃建設、管理控制、運行組織、安全保障也會做到一體化,這些也都是隔離的。
      最近我國要推智慧公路,馬上要出臺設計標準、技術標準,目前的智慧公路里六大板塊,路網管控、出行服務、收費服務、公路養護、路政管理、車路協同的能力。這是我們剛推出面向智慧交通的新東西,還沒做到一體化,這個不應該,應該把綜合交通大腦整合在一起,用統一的平臺解決。
      這樣的綜合交通大腦,實際上就是要建一個和現實的綜合交通系統完全一致的虛擬交通系統,有一個詞大家都比較熟悉--數字孿生。我們覺得數字孿生光有數字不夠,最核心的是里面的模型,一個是現實的系統,一個是虛擬的系統,現實系統中無法實現的東西,我們到虛擬系統里實現,根據系統效率再考慮實施。五大運輸方式的城市交通里,做到一起生成一個方案我們做不到,我們會到虛擬系統實施,實現全方式的一體化和某個方式全過程的一體化。

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    我們要做到實現四個方面的一體化。綜合交通的跨度很大,我們要實現跨區域的一體化,一個城市群的綜合交通涉及到另外一個城市的綜合交通,是跨區域的,最重要的是跨行業、跨部門的一體化。綜合交通在整個區域的生態平衡、資源利用包括安全保障都有很大的關系,我們要考慮和他們的一體化。
      三、綜合交通大腦系統框架與關鍵技術簡介
      綜合交通大腦由四大部分組成,數據是基礎,分析模型庫是核心。我們在做決策支持的時候,交通分析模型起到了非常主導的作用。綜合交通網絡非常復雜,因此需要有平面軟件。交通解決方案備選預案庫是一個工作平臺,是服務于中國交通各部門的。

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      綜合交通大腦核心的是交通分析模型,在綜合交通一體化發展里面,交通分析模型完全不一樣,這是核心的問題也是最大的難度。以前是單一的交通網絡,公路網都是公路,城市交通網都是道路,鐵路網都是鐵路,現在不一樣了,現在五大運輸方式都合在一起,它是多網、多元的交通網絡。以前我們建立的數學模型,基本上已經無法解決一體化的問題。

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    這些問題怎么解決?首先是多網合一的網絡結構拓撲的問題,如何把已經分離的五大運輸方式加城市交通六個網絡合在一起?這里首先是物理網絡的拓撲結構,物理網比較簡單,我們需要把五大運輸方式加城市交通,城市道路網、公路網是同質的。每個運輸方式的節點還要考慮綜合交通樞紐,只有綜合交通樞紐才可以實現各種交通方式之間的轉換,五大運輸方式放到一起,這個網絡只能是計算,不能實現各種交通方式之間的轉換效率。
      在這后面必須有一個虛擬網,現在物聯網每個交通樞紐再轉化為小型的虛擬網絡,比如說水路和公路的交通樞紐。物理網只是一個節點,虛擬網是一個小型網絡,不僅要能反映出各種交通方式轉換的阻抗,并需要計算出運輸效率,這個就比較復雜了。

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      例如三種交通方式轉換的綜合交通樞紐,它的虛擬網也是一個網絡。更復雜一點的,像虹橋綜合樞紐,虹橋綜合樞紐的物理網就是復雜的交通網絡,把每個點再轉成虛擬網以后,虹橋綜合交通樞紐就是上千個節點的虛擬網絡。綜合交通網非常復雜,這是京津冀一體化綜合交通網絡和粵港澳大灣區多網合一的交通網絡,這是多網合一的網絡模型。

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    還有很重要的一點是交通阻抗分析,阻抗函數是非常關鍵的。我們以往一直在做公路網分析和城市交通分析,用的是美國聯邦公路的模型。現在就不一樣了,現在我們要建立各種交通方式之間、各種交通組合模型,這些模型必須有可比性,才可以實現各種交通方式之間運輸效率的對比分析。如何把這些函數建立起來是非常復雜的問題,特別是各種交通方式轉換的交通阻抗模型,例如鐵路轉換成公路,再到機場、再到水運,各種運輸方式轉換客運的、貨運的,這里有非常多的問題需要解決。
      在綜合交通體系里三大類數據庫:靜態基礎大數據、實時流量數據和動態出行大數據,這個數據很多,并且都是碎片化、各自為政的,幾乎沒有共享。我們建立綜合交通大腦的核心就是要解決跨部門數據共享的問題,靜態的交通數據的共享,動態的數據共享和實時數據的融合問題。
      綜合交通網絡太復雜了,以往我們用的是國外軟件,比如美國TransCAD。我們堅持中國必須有自己的交通分析的平臺軟件,這是我的夢想,現在夢醒了要有理想,交運之星做得不錯了,已經集成起來進行交通分析。除了軟件,我們還要有自己的數據庫、模型庫。綜合交通大腦并不是為了向領導匯報、或同行參觀而開發的展示平臺,而是為了實現綜合交通系統一體化融合、高質量發展而開發,面向業務需求的工作平臺。

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      備選預案庫應支持寬部門非專業人員的“一鍵式”業務流程設計,適應綜合交通一體化融合條件下的各種業務場景:
      1)實現公路、鐵路、水運、航空、管道與城市交通等綜合交通網絡全方式一體化。
      2)實現規劃設計、運輸組織、運行管理、安全保障等綜合交通發展全過程一體化。
      3)實現綜合運輸、生態環境、國土資源,城市建設,公安交管跨部門一體化。
      4)實現綜合交通基礎設施體系規劃、建設與管理跨城、跨省、跨區域一體化。
      我希望把綜合交通大腦打造成交通運輸體系的BIM。
      四、案例:建設長三角城市群綜合交通大腦的建議
      長三角一體化發展和京津冀、粵港澳大灣區一樣是國家的發展戰略,最近習總書記做了很多的批示,要加快長三角一體化發展,國慶節前中國科協組織了幾個一級學會的專家做長三角基礎設施高質量建設一體化發展,向黨中央、國務院做咨詢建議。
      一是實現綜合交通基礎設施高質量發展的跨區域一體化,實現長三角城市群綜合交通基礎設施體系規劃、建設與管理的跨區域一體化,整個網絡上實現跨區域的一體化。
      二是實現綜合交通基礎設施高質量發展的跨部門一體化。
      三是實現綜合交通基礎設施高質量發展全方式一體化,這里面公路、鐵路、水運、航空管道與城市交通一體化,實現一體化的決策支持。
      四是實現綜合交通基礎設施高質量發展的全過程一體化。規劃建設、運輸組織、運行管理、安全保障必須做到一體化。

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    我們現在已經把長三角的網絡一體化模型建立起來,給定一個運輸矩陣就可以分析在綜合交通網上的交通分配問題,可以對很多的交通預案做定量化、可視化、精細化的評價。然而現在分析模型比較欠缺,中國有這么多的交通學院、交通部門、大學和研究院所,我們完全可以在比較短的時間里把整套理論體系建立起來。
      在新基建背景下下,新基建如何賦能城市群的發展,前文已經系統性地提出了城市群交通綜合大腦的內涵和外延,并且對城市群交通大腦的功能設計、框架設計、關鍵技術。下一步我們的目標就是打造中國式的BIM。

    作者:東南大學土建交通學部主任 王煒 教授

  • 關鍵字: 交通強國 交通大腦
  •    責任編輯:suyanqin
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