2021 WICV | 郭仁忠:通过可变限速和预约出行全局优化城市道路交通

2021 WICV | 郭仁忠:通过可变限速和预约出行全局优化城市道路交通
2021-09-26 07:36:26 EV世纪

  9月25日,2021世界智能网联汽车大会(WICV)在北京隆重开幕,大会由北京市人民政府、工业和信息化部、公安部、交通运输部、中国科学金沙备用网址协会共同主办,工业和信息化部装备工业发展中心、北京市经济和信息化局、中国电子信息产业发展研究院、北京市顺义区人民政府、中国国际贸易促进委员会机械金沙集团分会、中国电工金沙备用网址学会共同承办。本届大会主题为“引新荟智 绿创未来”。

在大会主论坛环节,中国工程院院士,国际欧亚科学院院士发表了主题为《城市道路交通全局优化路径探讨》的演讲,他在演讲中表示,要解决交通问题应该追求城市道路交通的全局最优,换句话说就是要提升整体通行能力,而不是个体的通行速度。

  城市交通需求是可以计算和预测的,城市交通网络承载能力也是可计算的。在需求不变的前提下,交通是可以优化的。道路通行效率与车辆速度和车辆密度直接相关。

  与人们普遍认为的情况不同的是,很多研究表明,车辆行驶速度快了以后,道路的通行率不但没有提高,反而下降了。郭仁忠举了车辆从干道出匝道的实证例子。在没有信号灯的情况下,干道限速80公里,匝道限速40公里。实验表明,如果车辆在下匝道之前提前减速,也就是可变限速,通行效率会提高,如果车辆下匝道前不减速,通行效率反而会降低。

  另外,在车辆通过有信号灯的路口时,不管是传统信号灯,还是智能信号灯,道路限速30km/h时通行效率是最高的,显著高于道路限速60km/h和40km/h时。

关于预约出行,郭仁忠认为,预约出行的本质是密度调控,或者叫需求调控,它与可变限速是等价的。可变限速是为了下一条路口能够流畅的出行,把通过当前路口的速度适当降下来,这样就对下一个路口的需求做了调控。本质上讲预约出行和可变限速逻辑上,背后的逻辑是一致的。

首先,出行需求是有弹性的,这为预约出行提供了条件。道路不管怎么拥堵,所有人都完成了出行任务,这说明出行是具有弹性的。只不过有些人为了准时到达目的地,会提前出行。

预约出行就是首先确定目的地和到达时间,在已知交通流量条件下对不同个体的出行需求进行优化,从而达到全局最优。如果将预约出行与目前的导航系统进行对比,就很容易理解。比如,目前的导航是要先确定出发点和目的地,以及确定什么时候出发,系统会告诉你从哪里走,估计什么时候到。预约出行是提前告诉系统我要到哪里去,从哪里出发,希望什么时间到达,系统告诉你如果要这个时间到达,大概应该什么时候出发。

郭仁忠表示,城市交通尽可能利用道路交通资源满足居民自由出行需求。在现有条件下,基于流量动态感知,实行可变限速,目的是协调道路与道路之间的关系,使得能够达到全局的最优,提高整体的出行效率。基于中心化的计算来调控,在足够算力的支撑下,实行预约出行,我们相信在已知的条件下实行路径全局优化,应有空间。

以下为郭仁忠的演讲内容(现场速记,未经本人审阅):

非常感谢大会给我这样一个机会在这里做一个分享,我是深圳大学智慧城市研究院的,我们是研究智慧城市的,在研究智慧城市过程当中我们深切的感觉到交通问题是城市里面最重要的,排在最前面的问题之一。交通领域大家一直在讨论一个问题就是如何能够解决所谓全局最优的问题,目前每个人都希望自己走的最快,但是造成的结果是城市不必要的拥堵,效果不好。

  我有这么一个认识,现在研究自动驾驶,研究智能网联的时候,可能是全球最优。尤其在万物互联的时代,所以我想把我们团队关于城市道路交通优化的路径怎么做,我有一个思考跟大家分享,可能不太专业。

  我们讨论的前提,任何人任何时候都希望拥有更高的自由度和更好的便利性,在这个逻辑下,如果有良好的交通环境我相信大部分人都还是喜欢选择自己驾驶出行,这是我们讨论问题的前提,如果这个问题不讨论,后面就没意义了。要解决城市道路交通拥堵这是非常大的城市问题,涉及到时间成本油耗成本、管理成本,有很多相关数据不细说了,有很多专家都这样说,大城市的交通拥堵成本大概占到这个城市GDP的3%-5%,有可能占到7%甚至更多,我们肯定要解决交通拥堵,至于怎么弄我们再说。

  我们有道路导航系统,有些专家认为它能解决一些道路的交通拥堵问题,但是真的能解决吗?我感觉有一点点问题,这个图是北京的图,任何一个导航系统,当你要到一个地方去的时候在高峰时段,会给你三个选择方案,第一个方案往往是速度最快的方案,但可能也是路程稍微长一点的方案。从这个逻辑来讲,导航系统给你的是一个整体上增加交通流量的方案,一个整体上增加交通流量的方案,我个人认为是很难认可它是一个能解决交通拥堵的方案,事实上也有这样的案例,我不在这里细说了。

  我们还有其他的努力,比如用绿波系统,比如用智能信号灯,我个人理解它不是解决交通的问题,它是解决路口管理的自动化问题,为什么这样说?因为在上世纪80年代的时候,交通路口,90年代还是这样的,都有一个警察,警察指挥交通,后来我们用信号灯来取代了警察。现在我们用智能信号灯,我个人理解智能信号灯的能力跟一个交警的指挥交通的能力应该是差不多的,可能还赶不上一个警察的指挥能力,智能信号灯是解决交通路口管理的自动化问题。

  我们要解决交通问题还是应该追求城市道路交通的全局最优,换句话说就是要提升整体通行能力,怎么提升?有一个前提条件,决定了我们能不能提升。我们认为城市交通是需求,是可以计算的,是可以预测的,广州做了一个一天24小时道路交通平均的情况,说明它是可计算的,这个数据非常重要。我们认为城市交通网络承载能力是可计算的,一个城市道路资源如果现在数字孪生城市作为背景,我们能把每个小区,每条小路、大路干道,我相信它在满足交通安全的情况下,承载能力是可以计算出来的,这方面有很多很多研究,有这么多研究本身就说明它是可能的,如果它不可能我相信我们不会再做它。

  我们认为在需求不变的前提下,交通是可以优化的。我用一个交通领域比较著名的布雷斯悖论的讨论做一个案例,一个小时之内从A点到B点,两个路径可选择,平均每个人通行时间是65分钟,总时间是26万分钟一辆车,后来中间加了一条路,通行效率特别高,几乎不花时间,有了这条路以后老路交通系统平均通行时间变成80分钟,总时间变成32万分钟,很多专家都说这条路不该修。在所谓用户均衡,大家追求个人速度最快的时候,造成整个系统的混乱,所以很多专家研究了一些城市网络,比如伦敦、纽约等等,也有人说哪些路该修,哪些路不该修,我们认为这个问题非常简单,只要列一个二元二次方程,一个简单的二元二次函数,我们做二次函数机制最优的点,所以它肯定是全球最优的。我们做了优化以后发现只要25万分钟多一点就能完成全部的交通流量。这个案例说明金沙备用网址在非常特殊的条件下,我们还是可以做,只不过对于城市路网来讲成本高于这样一个场景,不可能用简单的二元二次函数来解决这个问题,但是给了我们一个提醒。

  车开的快了以后,道路的通行率不但没有提高,还下降了。右边的图就是道路的通行效率跟车辆速度和车辆密度有关系,所以我们要提高通行效率,通行效率在全球最优了,在两个维度考虑问题,一个是速度,一个是密度,密度就是需求。

  下面我们从速度来考虑,在没有信号灯的情况下,它的干到限速80公里,匝道限速40公里,没有信号灯,我们做了一个假设,在下匝道之前车子要提前减速,我们叫可变限速,车辆密度要减速,减速以后我们做了相关的实验,上面一行是不做减速的,下面一行是做减速的,做一个简单的对比,大家现在可以看到上面不做减速的,不做限速的,已经开始有点堵了,有限速的还好一点。实验结果是什么?如果在高峰时段,每个小时900辆车甚至1000辆车的时候,每个车道限速是没有意义的,如果高峰时期,每小时1000辆车就有意义,到了1200辆车限速非常有意义,能提高通行效率差不多20%,这是没有信号灯的时候。我们再来看看有信号灯的时候是什么情况,这是路口,我们也做限速,由于时间关系我就直接说了,我们有四个不同的速度,道路限速60公里、40公里、30公里和20公里,在高峰时段限速30公里,路口的通行效率是最高的。不管是用智能信号灯还是用人工,还是用传统信号灯,但是限速30公里效率高于限速40公里,限速20公里太慢了,这是一个简单的数据。

  第二个是预约出行,我们是这样的基本理解,道路交通十都可能出现拥堵,道路不管怎么拥堵,所有人都完成了出行任务,该上班的还是上班了,这说明出行是具有弹性的。有些人为了上班,为了准时到单位,会提前走,说明出行是弹性的,出行弹性为我们预约出行提供了条件,这是一个前提条件。预约出行是把交通流从位置定位已知,从不确定变为确定,这样使全球优化成为可能。已知交通流量条件之下的优化,这个优化前面我也讲了,说明它是可能的,但是有它的挑战,老百姓配合不配合,我走了以后让我预约,预约可能是有问题的。我们有很多手段,比如行政手段、法律诉讼等等,有专家做了研究,他说一条道路上只要有60%的车辆是服从系统作业的,尊重作业规则的,效率就很高,几乎能够达到全球最优,这里一个具体的图讲起来时间比较长,大概是这么一个概念。这是麻省理工的专家做的研究,只要有60%的人都用,我们的系统就能大部分使用。

  麻省理工的专家在特定的路段上,如果采用预约出行,平均出行效率会提高50%,甚至特殊情况下,可以提高到67%,这是非常可观非常诱人的效果。

  预约出行的本质是密度调控,或者叫需求调控,它跟前面讲的可变限速是等价的。可变限速是为了下一条路口能够流畅的出行,这个路口的速度要适当降下来,这样就对下一个路口的需求做了调控。本质上讲预约出行和可变限速逻辑上,背后的逻辑是等价的,是一致的。可变限速预约跟现在的交通系统,比如跟当前的导航系统有什么区别?其实区别很简单,导航是不管到哪里去,出发点、目的地,然后什么时候出发,系统会告诉你从哪里走,估计什么时候到。预约出行是提前告诉你我到哪里去,从哪里出发到哪里去,我希望什么时候到达,系统告诉你你要这个时间到达,大概应该什么时候出发。前面讲了几个基本条件,第一交通量是可以计算的,事实上如果是预约出行完全是确定的。第二道路资源,交通通行能力是可计算的,道路是死的,它的通行能力我们完全能算出来。第三老百姓配不配合,应该是有办法让他配合的。就像80年代、90年代老撞红灯,现在老百姓的速度提高了,我们的管理手段也跟上来了,所以应该是有意义、有价值的。当然还有很多问题要讨论,比如说预约是按时间段预约,还是高峰期预约,不高峰期不要预约,或者哪些地方预约,要提前多长时间预约,这些问题我个人理解随着计算能力的提升,随着感知能力的提升,这些问题我认为应该都不是问题。

  最后我就说一个简单的小结,城市交通尽可能利用道路交通资源满足居民自由出行需求。在现有条件下,基于流量动态感知,实行可变限速,目的是协调道路与道路之间的关系,使得能够达到全局的最优,提高整体的出行效率。基于中心化的计算来调控,在足够算力的支撑下,实行预约出行,我们相信在已知的条件下实行路径全局优化,应有空间。这意味着交通体系、社会出行行为是一个交通方式的变化。

作者:EV君

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