海歸科學(xué)家劉攀：從海量數(shù)據(jù)中“挖”出交通隱患

　　帶隊(duì)十年如一日采數(shù)據(jù)、建模型、搭平臺(tái)，形成高速公路交通流主動(dòng)控制技術(shù)體系

　　劉攀：從海量數(shù)據(jù)中“挖”出交通隱患

　　本報(bào)記者 金 鳳

　　這幾天，在河北省新元高速公路新樂(lè)段，一個(gè)“智慧交通大腦”默默運(yùn)行著。每隔30秒，安裝在道路兩側(cè)的傳感器會(huì)將每個(gè)車道的車流量、車道占有率等數(shù)據(jù)傳送到高速公路交通控制中心。之后，計(jì)算機(jī)再將這些交通流數(shù)據(jù)，結(jié)合天氣、路面情況等其他數(shù)據(jù)，依據(jù)一定的模型、算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出高速公路發(fā)生交通事故和交通擁堵的概率，并給出相應(yīng)的解決方案。

　　這個(gè)“大腦”的設(shè)計(jì)者是東南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師劉攀，他就像一位“道路偵探”，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)每天從海量的交通數(shù)據(jù)中尋找可能存在的安全隱患，為提升高速公路行車安全，打通“堵點(diǎn)”提供破解之術(shù)。

　　過(guò)去10年，劉攀帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)廣泛采集高速公路數(shù)據(jù)、建立算法模型、開(kāi)發(fā)控制策略、研發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)、推動(dòng)工程應(yīng)用，形成了高速公路交通流主動(dòng)控制的理論方法和技術(shù)體系，不斷努力嘗試為高速公路“溶栓”……前不久，他榮獲第十六屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)。

　　十年磨出交通事故預(yù)警系統(tǒng)

　　劉攀團(tuán)隊(duì)成員、東南大學(xué)交通學(xué)院教授徐鋮鋮，現(xiàn)在每天清晨第一件事就是打開(kāi)新元高速公路交通事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的界面，檢查系統(tǒng)運(yùn)行是否正常。

　　不久的將來(lái)，這一系統(tǒng)將被運(yùn)用到京德、榮烏高速公路新線的100公里路段。這兩條新線，是雄安新區(qū)對(duì)外骨干路網(wǎng)的重要組成部分。

　　如何從龐雜的數(shù)據(jù)中，找出可能存在的交通隱患？答案藏在一套被打磨了約10年的數(shù)據(jù)模型中。

　　2008年，劉攀回國(guó)任教，用了快2年時(shí)間，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員研發(fā)出我國(guó)第一套具有完整知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速公路可變限速控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在當(dāng)時(shí)的滬杭甬高速公路杭州段實(shí)驗(yàn)路段。

　　“那時(shí)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有‘智慧高速’的概念，相關(guān)部門(mén)對(duì)交通流主動(dòng)控制技術(shù)的理解也比較有限。剛剛開(kāi)始做這個(gè)研究時(shí)，我們能獲得的支持比較少，總感覺(jué)挺孤獨(dú)的?！眲⑴侍寡裕瑥臄?shù)據(jù)采集、控制策略研發(fā)、系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，乃至設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝和施工，都是由團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成的。

　　經(jīng)過(guò)技術(shù)設(shè)計(jì)，他們安裝的微波檢測(cè)器和氣象站可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)交通流和天氣數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)據(jù)此計(jì)算交通事故風(fēng)險(xiǎn)值，一旦風(fēng)險(xiǎn)值超過(guò)閾值，會(huì)立即啟動(dòng)可變限速控制，上下游的可變情報(bào)板會(huì)自動(dòng)調(diào)整限速值，以調(diào)節(jié)路段交通量和交通流。

　　那段時(shí)間，劉攀每天起床后的第一件事，就是盯著屏幕檢查各種傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，生怕設(shè)備出問(wèn)題，有時(shí)還要跑到現(xiàn)場(chǎng)去查看路側(cè)設(shè)備的情況。從南京到杭州，要開(kāi)將近4小時(shí)的車，這一路他不知來(lái)回開(kāi)了多少趟，就這樣堅(jiān)持了近3年。

　　項(xiàng)目雖然做得辛苦，收獲卻很大?！拔覀冋e累了幾年的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為后來(lái)完善模型和算法提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，令人感到欣慰的是，系統(tǒng)使用期間，示范路段車輛通行速度離散差下降了28%，事故率減少了17%，不利天氣下事故率降低了31%?！眲⑴收f(shuō)。

　　這僅僅是開(kāi)始，此后近10年，劉攀帶隊(duì)采集了1萬(wàn)多起高速公路交通事故案例，并很快有了新發(fā)現(xiàn)。

　　“一些人認(rèn)為，交通事故的發(fā)生完全是偶然的，沒(méi)有任何規(guī)律可循。實(shí)際上，交通事故的發(fā)生，受到人、車、環(huán)境等多種因素的影響。我們發(fā)現(xiàn)，大約65%到75%的高速公路交通事故發(fā)生前，在臨近路段交通流中都會(huì)觀測(cè)到一些有別于正常情況下的狀態(tài)，表現(xiàn)為交通流在時(shí)間和空間上的不均勻分布。”劉攀認(rèn)為，這種非正常現(xiàn)象，就是交通事故發(fā)生的前兆。只要能發(fā)現(xiàn)前兆的出現(xiàn)規(guī)律，再用模型“畫(huà)”出這些前兆的特征，就可以實(shí)現(xiàn)高速公路交通事故風(fēng)險(xiǎn)的主動(dòng)預(yù)警。

　　制定交通流主動(dòng)控制策略庫(kù)

　　“要想保障道路交通安全，需要將安全作為目標(biāo)要素，融入道路交通系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和運(yùn)行管理的全過(guò)程。這就要準(zhǔn)確理解道路設(shè)計(jì)和交通控制要素對(duì)安全的影響，在對(duì)交通事故風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)預(yù)警的同時(shí)，還要主動(dòng)控制交通流。”劉攀說(shuō)。

　　基于這一思路，劉攀帶隊(duì)在公路進(jìn)行實(shí)地研究，他們把高速公路劃分為若干段長(zhǎng)度不超過(guò)2公里的路段，通過(guò)檢測(cè)器獲取每個(gè)路段、每條車道的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通流數(shù)據(jù)，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)路段內(nèi)的交通流處于不利狀態(tài)，主動(dòng)控制系統(tǒng)就會(huì)立即啟動(dòng)。

　　“針對(duì)不同的場(chǎng)景，我們應(yīng)用了可變限速、匝道控制、車道控制等技術(shù)手段，主動(dòng)調(diào)整匯入目標(biāo)路段的車流量和速度，從而大大消除了交通事故風(fēng)險(xiǎn)，提升通行效率。在此基礎(chǔ)上，我們又應(yīng)用人工智能的方法，基于海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化控制策略，使控制系統(tǒng)反應(yīng)更加迅速，控制更加精準(zhǔn)?！眲⑴收f(shuō)。

　　針對(duì)京德、榮烏高速公路的交通特點(diǎn)，結(jié)合新元高速公路的實(shí)際數(shù)據(jù)，劉攀領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出追尾事故預(yù)防、分車道動(dòng)態(tài)限速、貨車專用車道動(dòng)態(tài)控制、應(yīng)急車道開(kāi)閉動(dòng)態(tài)控制、不利天氣下準(zhǔn)全天候通行等十大類、二十余種交通流主動(dòng)控制策略，形成了高速公路交通流主動(dòng)控制策略庫(kù)，基本涵蓋了我國(guó)高速公路環(huán)境下所有重要的控制場(chǎng)景。目前，除雄安新區(qū)對(duì)外路網(wǎng)外，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高速公路交通流動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)已應(yīng)用在多條高速公路。

　　立足實(shí)踐不做架空式科研

　　從工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題，從實(shí)際數(shù)據(jù)中提煉科學(xué)規(guī)律，讓劉攀從科研中不斷收獲，也讓他嘗到坐冷板凳的滋味。

　　“在美國(guó)讀博時(shí)很辛苦，有段日子挺難熬的?！眲⑴拾櫫税櫭碱^。

　　2002年初赴美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)讀博時(shí)，劉攀的導(dǎo)師承擔(dān)了佛羅里達(dá)州交通部門(mén)的研究項(xiàng)目，要系統(tǒng)評(píng)估遠(yuǎn)引掉頭技術(shù)對(duì)交通安全和通行效率的影響。這個(gè)題目挺冷門(mén)，而且對(duì)數(shù)據(jù)的要求非常高。

　　“我讀博的前兩年，幾乎天天都在‘?dāng)€’數(shù)據(jù)?！蹦菐啄?，劉攀和一位同學(xué)每天清晨5點(diǎn)起床，開(kāi)著拖車，裝著錐桶、腳手架等一大堆設(shè)備，前往南佛羅里達(dá)州的各條主要公路，安裝攝像頭、拍攝道路信息，晚上再將攝像頭取下來(lái)，調(diào)取視頻記錄并對(duì)其進(jìn)行分析，之后再準(zhǔn)備好第2天要用的設(shè)備。為了找到合適的觀測(cè)點(diǎn)，他們幾乎把整個(gè)佛羅里達(dá)州都跑遍了。

　　這項(xiàng)工作很繁瑣，兩年下來(lái)，僅錄像帶就塞滿了十幾平方米的房間。觀測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)1000小時(shí)，每小時(shí)的數(shù)據(jù)文件需要3到4小時(shí)來(lái)提取，工作量巨大。別的同學(xué)都開(kāi)始發(fā)論文了，劉攀卻還在采集數(shù)據(jù)，他心里難免著急，“那時(shí)常會(huì)質(zhì)疑自己，這么做到底是否有意義”。

　　不過(guò)，劉攀很快就發(fā)現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)的價(jià)值?！爱?dāng)時(shí)，美國(guó)需要計(jì)算掉頭車流的通行能力來(lái)推廣公路遠(yuǎn)引掉頭技術(shù)，但由于數(shù)據(jù)不足，一直缺少合適的掉頭車流通行能力模型，而我那兩年的積累，恰好派上了用場(chǎng)?！彼f(shuō)。

　　從2004年開(kāi)始，劉攀基于前期實(shí)際采集的數(shù)據(jù)，陸續(xù)發(fā)表了多篇高水平的學(xué)術(shù)論文。其中有關(guān)掉頭車流通行能力的研究成果，先后被美國(guó)《道路通行能力手冊(cè)(2010版)》、美國(guó)《交通工程手冊(cè)(2016版)》等交通工程領(lǐng)域的國(guó)際權(quán)威文獻(xiàn)采用。

　　劉攀認(rèn)為，對(duì)于交通工程的研究者來(lái)說(shuō)，要始終堅(jiān)持從工程實(shí)踐中來(lái)，到工程實(shí)踐中去，不能做架空式科研。

　　“一旦認(rèn)準(zhǔn)了一個(gè)方向，就要堅(jiān)持下去，把工作做透，要從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)平臺(tái)，一直做到工程應(yīng)用。這個(gè)過(guò)程往往是十年磨一劍，因此特別需要耐心和堅(jiān)持，而且在初期要有坐冷板凳的思想準(zhǔn)備?！彼f(shuō)。

　　如今的劉攀，雖有行政職務(wù)在身，但每晚10點(diǎn)后的獨(dú)處時(shí)間和不被工作占用的周末、假日時(shí)光，他總會(huì)留給科研。閱讀文獻(xiàn)、申請(qǐng)課題、和團(tuán)隊(duì)成員討論技術(shù)問(wèn)題，他樂(lè)在其中。