海归科学家刘攀:从海量数据中“挖”出交通隐患

带队十年如一日采数据、建模型、搭平台,形成高速公路交通流主动控制技术体系

刘攀:从海量数据中“挖”出交通隐患

本报记者 金 凤

这几天,在河北省新元高速公路新乐段,一个“智慧交通大脑”默默运行着。每隔30秒,安装在道路两侧的传感器会将每个车道的车流量、车道占有率等数据传送到高速公路交通控制中心。之后,计算机再将这些交通流数据,结合天气、路面情况等其他数据,依据一定的模型、算法,实时计算出高速公路发生交通事故和交通拥堵的概率,并给出相应的解决方案。

这个“大脑”的设计者是东南大学教授、博士生导师刘攀,他就像一位“道路侦探”,带领团队每天从海量的交通数据中寻找可能存在的安全隐患,为提升高速公路行车安全,打通“堵点”提供破解之术。

过去10年,刘攀带领团队广泛采集高速公路数据、建立算法模型、开发控制策略、研发平台系统、推动工程应用,形成了高速公路交通流主动控制的理论方法和技术体系,不断努力尝试为高速公路“溶栓”……前不久,他荣获第十六届中国青年科技奖。

十年磨出交通事故预警系统

刘攀团队成员、东南大学交通学院教授徐铖铖,现在每天清晨第一件事就是打开新元高速公路交通事故风险预警系统的界面,检查系统运行是否正常。

不久的将来,这一系统将被运用到京德、荣乌高速公路新线的100公里路段。这两条新线,是雄安新区对外骨干路网的重要组成部分。

如何从庞杂的数据中,找出可能存在的交通隐患?答案藏在一套被打磨了约10年的数据模型中。

2008年,刘攀回国任教,用了快2年时间,他带领团队成员研发出我国第一套具有完整知识产权的高速公路可变限速控制系统,并将其应用在当时的沪杭甬高速公路杭州段实验路段。

“那时,国内还没有‘智慧高速’的概念,相关部门对交通流主动控制技术的理解也比较有限。刚刚开始做这个研究时,我们能获得的支持比较少,总感觉挺孤独的。”刘攀坦言,从数据采集、控制策略研发、系统平台开发,乃至设备现场安装和施工,都是由团队独立完成的。

经过技术设计,他们安装的微波检测器和气象站可实时动态检测交通流和天气数据,系统会据此计算交通事故风险值,一旦风险值超过阈值,会立即启动可变限速控制,上下游的可变情报板会自动调整限速值,以调节路段交通量和交通流。

那段时间,刘攀每天起床后的第一件事,就是盯着屏幕检查各种传回来的数据,生怕设备出问题,有时还要跑到现场去查看路侧设备的情况。从南京到杭州,要开将近4小时的车,这一路他不知来回开了多少趟,就这样坚持了近3年。

项目虽然做得辛苦,收获却很大。“我们整整积累了几年的数据。这些数据为后来完善模型和算法提供了坚实的基础。同时,令人感到欣慰的是,系统使用期间,示范路段车辆通行速度离散差下降了28%,事故率减少了17%,不利天气下事故率降低了31%。”刘攀说。

这仅仅是开始,此后近10年,刘攀带队采集了1万多起高速公路交通事故案例,并很快有了新发现。

“一些人认为,交通事故的发生完全是偶然的,没有任何规律可循。实际上,交通事故的发生,受到人、车、环境等多种因素的影响。我们发现,大约65%到75%的高速公路交通事故发生前,在临近路段交通流中都会观测到一些有别于正常情况下的状态,表现为交通流在时间和空间上的不均匀分布。”刘攀认为,这种非正常现象,就是交通事故发生的前兆。只要能发现前兆的出现规律,再用模型“画”出这些前兆的特征,就可以实现高速公路交通事故风险的主动预警。

制定交通流主动控制策略库

“要想保障道路交通安全,需要将安全作为目标要素,融入道路交通系统规划、设计、运营和运行管理的全过程。这就要准确理解道路设计和交通控制要素对安全的影响,在对交通事故风险主动预警的同时,还要主动控制交通流。”刘攀说。

基于这一思路,刘攀带队在公路进行实地研究,他们把高速公路划分为若干段长度不超过2公里的路段,通过检测器获取每个路段、每条车道的实时动态交通流数据,一旦系统发现某个路段内的交通流处于不利状态,主动控制系统就会立即启动。

“针对不同的场景,我们应用了可变限速、匝道控制、车道控制等技术手段,主动调整汇入目标路段的车流量和速度,从而大大消除了交通事故风险,提升通行效率。在此基础上,我们又应用人工智能的方法,基于海量实测数据不断优化控制策略,使控制系统反应更加迅速,控制更加精准。”刘攀说。

针对京德、荣乌高速公路的交通特点,结合新元高速公路的实际数据,刘攀领导团队研发出追尾事故预防、分车道动态限速、货车专用车道动态控制、应急车道开闭动态控制、不利天气下准全天候通行等十大类、二十余种交通流主动控制策略,形成了高速公路交通流主动控制策略库,基本涵盖了我国高速公路环境下所有重要的控制场景。目前,除雄安新区对外路网外,团队研发的高速公路交通流动态控制系统已应用在多条高速公路。

 立足实践不做架空式科研

从工程实践中发现科学问题,从实际数据中提炼科学规律,让刘攀从科研中不断收获,也让他尝到坐冷板凳的滋味。

“在美国读博时很辛苦,有段日子挺难熬的。”刘攀皱了皱眉头。

2002年初赴美国南佛罗里达大学读博时,刘攀的导师承担了佛罗里达州交通部门的研究项目,要系统评估远引掉头技术对交通安全和通行效率的影响。这个题目挺冷门,而且对数据的要求非常高。

“我读博的前两年,几乎天天都在‘攒’数据。”那几年,刘攀和一位同学每天清晨5点起床,开着拖车,装着锥桶、脚手架等一大堆设备,前往南佛罗里达州的各条主要公路,安装摄像头、拍摄道路信息,晚上再将摄像头取下来,调取视频记录并对其进行分析,之后再准备好第2天要用的设备。为了找到合适的观测点,他们几乎把整个佛罗里达州都跑遍了。

这项工作很繁琐,两年下来,仅录像带就塞满了十几平方米的房间。观测数据超过1000小时,每小时的数据文件需要3到4小时来提取,工作量巨大。别的同学都开始发论文了,刘攀却还在采集数据,他心里难免着急,“那时常会质疑自己,这么做到底是否有意义”。

不过,刘攀很快就发现了这些数据的价值。“当时,美国需要计算掉头车流的通行能力来推广公路远引掉头技术,但由于数据不足,一直缺少合适的掉头车流通行能力模型,而我那两年的积累,恰好派上了用场。”他说。

从2004年开始,刘攀基于前期实际采集的数据,陆续发表了多篇高水平的学术论文。其中有关掉头车流通行能力的研究成果,先后被美国《道路通行能力手册(2010版)》、美国《交通工程手册(2016版)》等交通工程领域的国际权威文献采用。

刘攀认为,对于交通工程的研究者来说,要始终坚持从工程实践中来,到工程实践中去,不能做架空式科研。

“一旦认准了一个方向,就要坚持下去,把工作做透,要从基础理论、关键技术、系统平台,一直做到工程应用。这个过程往往是十年磨一剑,因此特别需要耐心和坚持,而且在初期要有坐冷板凳的思想准备。”他说。

如今的刘攀,虽有行政职务在身,但每晚10点后的独处时间和不被工作占用的周末、假日时光,他总会留给科研。阅读文献、申请课题、和团队成员讨论技术问题,他乐在其中。

文章来源:中国侨网
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