“智行合一”，人工智能建設(shè)美好城市

文/汪俊

1 合肥市人工智能建設(shè)發(fā)展歷程

1999年，是合肥的寶藏時代，成立輕軌辦、市府廣場改造、徽園的建成、北京華聯(lián)和東方商城開業(yè)。

2009年，合肥交通還不發(fā)達(dá)，大家出門主要靠公交、出租車、電動車，私家車還不多，路也不算堵。

2014年，曾經(jīng)的圓形天橋、繁鬧的女人街、古老科教書店、熱鬧的小香港，都成為合肥人心中最深處的記憶。破而后立，這是城市發(fā)展的代價。

2016年，合肥城市建設(shè)與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，“大湖名城，創(chuàng)新高地”不僅僅是個口號。然而居民出行的機(jī)動化程度增加，合肥市的機(jī)動車保有量逐年提升，路段的通行壓力日益增大，路口的緩行現(xiàn)象日益突出，城市擁堵排名全國居前。2016年12月，《智慧合肥建設(shè)“十三五”規(guī)劃綱要》出臺，明確指出聚焦城市交通物聯(lián)感知、優(yōu)化控制和綜合服務(wù)三個層面，構(gòu)建智慧交通綜合管理與應(yīng)用服務(wù)體系。

2017年12月，習(xí)近平總書記主持集體學(xué)習(xí)國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)要推動實(shí)施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，加快完善數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)數(shù)據(jù)資源整合和開放共享，保障數(shù)據(jù)安全，加快建設(shè)數(shù)字中國，更好服務(wù)我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生活改善。

繁重的科學(xué)和工程本是由人腦承擔(dān)，如今計算機(jī)不但能完成這類任務(wù)，而且能夠比人腦做得更快、更準(zhǔn)確。隨著人工智能的發(fā)展，人工智能技術(shù)的引入，引發(fā)鏈?zhǔn)酵黄?，推動?jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域向智能化加速躍升。

2 人工智能的重要性體現(xiàn)

我國發(fā)展人工智能具有良好基礎(chǔ)，國家在人工智能科技研發(fā)、應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面推出了一系列政策和措施，人工智能領(lǐng)域持續(xù)取得重要進(jìn)展，語音合成、語音識別技術(shù)世界領(lǐng)先，感知智能、認(rèn)知智能等技術(shù)具備跨越式發(fā)展能力。安徽省在人工智能領(lǐng)域具有良好的先發(fā)優(yōu)勢，以科大訊飛為代表的人工智能龍頭企業(yè)在國際上獲得廣泛關(guān)注和認(rèn)可，并建有全國唯一定位于人工智能領(lǐng)域的國家級產(chǎn)業(yè)基地——“中國聲谷”。

3 人工智能在生活中的具體應(yīng)用

立足于合肥市交通整體現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，合肥交警攜手科大訊飛、中科院自動化所及清華大學(xué)（以下簡稱“項目研究團(tuán)隊”），針對核心示范區(qū)，從流量感知、信號優(yōu)化、智能語音應(yīng)用及交通事件研判四個方面著重考慮，解決合肥市交通痛點(diǎn)問題，以此改善交通擁堵現(xiàn)狀，提高合肥交通智能化水平。

2018年11月，“項目研究團(tuán)隊”在合肥市包河區(qū)徽州大道-蕪湖路沿線率先試點(diǎn)，利用AI算法實(shí)現(xiàn)了信號配時優(yōu)化。整套方案采用視頻方式監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以精準(zhǔn)識別道路上每一條車道的全量數(shù)據(jù)，包括交通流量、車輛排隊長度等。同時，基于中科院自動化所和清華大學(xué)團(tuán)隊提出的平行強(qiáng)化學(xué)習(xí)新方法，根據(jù)感知到的道路車流擁堵情況，對交通進(jìn)行實(shí)時的區(qū)塊化綜合治理，算法可擇優(yōu)給出基于統(tǒng)計指標(biāo)的分時段相位配時方案；結(jié)合傳統(tǒng)信號燈時鐘同步和相位協(xié)調(diào)的方式，方案通過計算實(shí)驗對連續(xù)通過4個路口的車流合理分割策略的擇優(yōu)并投入執(zhí)行，保證流量均勻分布，避免集中在某個路口導(dǎo)致的交通壓力過大。

初步測試的優(yōu)化效果為：排隊長度降低13%左右，西方向直行排隊長度稍微增加（綠燈時間調(diào)整到其他三個方向）。未來，“項目研究團(tuán)隊”期望實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)交通數(shù)據(jù)到后端AI智能體的實(shí)時交互，實(shí)現(xiàn)信號燈實(shí)時控制策略。

目前交通信號控制大多采用單點(diǎn)控制、綠波控制，只能做到局部最優(yōu)，無法做到全局最優(yōu)。項目研究團(tuán)隊基于平行強(qiáng)化學(xué)習(xí)的信號控制可以將區(qū)域多個信號路口控制建模并計算，“牽一發(fā)而動全身”自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)整體全局優(yōu)化，不再需要人工對交通區(qū)域進(jìn)行控制子區(qū)劃分，無需單獨(dú)操作某個局部參數(shù)，無需要大量人工干預(yù)，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域信號控制效果的全局最優(yōu)或次優(yōu)解。合肥交通信號控制即將邁入“AI控制時代”。

流量不均衡現(xiàn)象時常伴隨公民出行每一天，不均衡程度、不均衡時段、不均衡方向（潮汐現(xiàn)象）等各項指標(biāo)都對路口信號燈相位設(shè)置、配時長短影響甚大。早晚高峰、午間高峰是每個城市最繁忙的時段，合理有效的設(shè)置信號燈相位、配時長短，有效緩解路面壓力，減輕路網(wǎng)擁堵指數(shù)不僅是合肥交警首要任務(wù)，也是公民最迫切的訴求。

4 人工智能的發(fā)展難點(diǎn)

異常突發(fā)事件，往往帶有一定的偶然性與“災(zāi)難性”，對于交通而言，突發(fā)事件往往造成事件地交通擁堵、混亂，如果不及時處理疏導(dǎo)，甚至?xí)斐蓳矶聟^(qū)域蔓延擴(kuò)散。項目研究團(tuán)隊所采用實(shí)時電警流量作為數(shù)據(jù)源，一方面全面準(zhǔn)確定位不均衡時段、不均衡方向、不均衡程度，另一方面動態(tài)感知各個高峰期來臨與結(jié)束時刻，同時對于突發(fā)事件、異常事件具有精準(zhǔn)感知力，能有效應(yīng)對以上場景下的信號控制。

5 解決措施

采用中科院自動化研究所團(tuán)隊開創(chuàng)性提出的平行智能管理與控制相關(guān)理論與方法，根據(jù)真實(shí)交通場景，結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)，采用面向智能交通管控的平行強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)化信號燈控制，提出構(gòu)建人工交通系統(tǒng)+強(qiáng)化學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的面向交通流量控制與引導(dǎo)的平行智能技術(shù)框架。

信號燈優(yōu)化的平行交通技術(shù)方案主要分為三個階段：首先基于合肥真實(shí)交通數(shù)據(jù)構(gòu)建人工交通系統(tǒng)；然后在人工系統(tǒng)中對信號控制方案進(jìn)行優(yōu)化；最后將優(yōu)化后的信控方案通過平行執(zhí)行應(yīng)用于真實(shí)交通場景中。

在構(gòu)建人工交通系統(tǒng)階段，以合肥真實(shí)路網(wǎng)、信號燈相位及傳感器配置為基礎(chǔ)，保持人工系統(tǒng)中的相關(guān)配置信息與真實(shí)系統(tǒng)一致，并在此基礎(chǔ)上基于真實(shí)電警卡口過車數(shù)據(jù)生成相應(yīng)人工車流。人工交通系統(tǒng)可較為準(zhǔn)確地模擬真實(shí)交通系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則，同時為信號控制研究提供了計算實(shí)驗及測試評估環(huán)境。

在信號控制方案計算優(yōu)化階段，采用基于策略迭代的平行深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，從零開始自主地學(xué)習(xí)信號控制策略。一個強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要由環(huán)境與智能體構(gòu)成，兩者通過狀態(tài)，動作及回報進(jìn)行交互。

環(huán)境為智能體提供當(dāng)前時刻的交通狀態(tài)，如各檢測點(diǎn)的車流量、平均速度、排隊長度及各信號燈的相位。智能體基于當(dāng)前狀態(tài)計算并選擇相應(yīng)控制策略并執(zhí)行控制動作，控制動作將指示信號燈是否切換到下一相位。在動作執(zhí)行后環(huán)境將會切換到下一個時刻的狀態(tài)，并向智能體返回即時回報，即時回報衡量了當(dāng)前控制策略的性能。例如，如果路口各向車輛均衡度較高并且路網(wǎng)凈流出車輛數(shù)為正，則控制策略將會有較高的即時回報。同時，智能體的控制策略通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)的輸入為當(dāng)前人工交通環(huán)境的狀態(tài)，輸出為信號燈是否切換相位的動作指令。在信號優(yōu)化過程中，通過策略迭代算法執(zhí)行計算實(shí)驗，訓(xùn)練該策略網(wǎng)絡(luò)以最大化控制方案在特定時段的累積回報。

通過計算實(shí)驗得到的控制策略，能夠在人工系統(tǒng)中提升區(qū)域路網(wǎng)車輛通行量，減少車輛的等待時間，均衡路口各向流量。在實(shí)際部署階段，由計算實(shí)驗擇優(yōu)生成的信號配時方案被部署到真實(shí)交通系統(tǒng)中。

真實(shí)系統(tǒng)與人工系統(tǒng)同時運(yùn)行，一方面該信控方案將在真實(shí)交通場景中有效引導(dǎo)系統(tǒng)有序運(yùn)行，提升真實(shí)交通系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。另一方面，真實(shí)交通運(yùn)行效果進(jìn)一步作為輸入被人工交通系統(tǒng)學(xué)習(xí)，作為經(jīng)驗累積，增強(qiáng)系統(tǒng)智能水平。

在人工系統(tǒng)的信號優(yōu)化算法性能測試中，就整個建設(shè)區(qū)范圍信號優(yōu)化效果來看，平行交通管理與控制的方案較現(xiàn)有方案在路口排隊長度、車輛等待時間、路網(wǎng)車輛總數(shù)等指標(biāo)均上均有明顯提升。區(qū)域路口車輛排隊長度，全網(wǎng)排隊長度在高峰期、平峰期均減少25%左右；區(qū)域路口車輛等待時長，全網(wǎng)平均等待時長在高峰期、平峰期分別減少30%、28%左右。

通過平行強(qiáng)化學(xué)習(xí)信號優(yōu)化算法，能準(zhǔn)確預(yù)測并感知早高峰時段的車流分布情況，及時應(yīng)對各種各向車流，指導(dǎo)信號燈快速、安全、穩(wěn)定的疏導(dǎo)路面交通情況，減輕路面執(zhí)勤民警的壓力。

6 成果和結(jié)語

2019年，百度中國城市交通報告中合肥市第二季度高峰擁堵指數(shù)環(huán)比下降4.86%。高德中國主要城市交通分析報告中，合肥市高峰擁堵排行從2017年的第9名下降至27名。合肥交警與科大訊飛、中科院自動化研究所以及清華大學(xué)的合作，必將為合肥智能交通發(fā)展打開嶄新局面。