“小問題”助力城市交通管理“大提升”

作者：張雙虎 來源： 中國科學報

“小問題”助力城市交通管理“大提升”

金建鋼（左二）和畢業(yè)生合影。受訪者供圖

■本報記者 張雙虎

地鐵是城市居民重要的通勤和出行工具，而以地鐵為主的城市公共交通系統(tǒng)卻經(jīng)常遇到故障、重大賽事、節(jié)日慶典等突發(fā)或特殊事件的“考驗”。盡管公共交通系統(tǒng)的“突發(fā)及特殊事件”不一定會帶來巨大的直接損失，但卻影響甚廣，頻繁中斷的地鐵服務會給公眾出行造成極大不便。

在國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）和加拿大魁北克研究基金會聯(lián)合資助下，上海交通大學教授金建鋼和加拿大蒙特利爾大學教授Aurelie Labbe共同牽頭，對突發(fā)和特殊事件對乘客出行造成的影響進行了深入研究。他們應用運籌優(yōu)化與機器學習理論和方法，提出一套“軌交應急接駁系統(tǒng)”，并以網(wǎng)絡化疏散的策略，在仿真模擬中將平均客流延誤時間從43分鐘降至18分鐘，將超30分鐘延誤滯留乘客從79%降至13%。

留意身邊的“小問題”

提及開展該項研究的初衷，金建鋼直言這始于一次久遠的出行。

2011年，金建鋼在新加坡國立大學攻讀博士學位。在公共交通系統(tǒng)發(fā)達的新加坡，地鐵是金建鋼日常出行的首選。2011年底，新加坡地鐵突發(fā)故障，導致市中心11個地鐵站服務中斷，地鐵停運長達5小時，幾十萬人的出行受到嚴重影響。

因為從事交通方面的研究，這次地鐵停運引起了金建鋼的特別關注。他查閱文獻并檢索相關報道，發(fā)現(xiàn)新加坡地鐵突發(fā)故障或停運非常頻繁。

“特大型城市，包括國內(nèi)一些地鐵建設較早的城市也常出現(xiàn)由于供電、軌道、列車故障等導致的地鐵運營中斷?！苯鸾ㄤ摳嬖V《中國科學報》，“后來到上海交通大學工作，我和同事也經(jīng)常遇到類似問題。”

金建鋼課題組長期跟蹤各類公共交通系統(tǒng)案例，因此關注了上海申通地鐵集團的官方微博，其上會實時發(fā)布一些運營信息，一旦遇到故障就會很快推送消息，提醒大家轉(zhuǎn)乘其他交通工具。跟蹤一段時間后，課題組發(fā)現(xiàn)上海地鐵出現(xiàn)各類故障的頻率很高。

2022年11月11日早高峰期間，上海地鐵11號線嘉定新城站區(qū)間供電設備發(fā)生故障。故障本身并不嚴重，但導致地鐵停運3小時。盡管地鐵公司緊急聯(lián)系上海市交通委員會，調(diào)動80輛公交接駁車投入嘉定北至南翔、安亭至南翔區(qū)段地面運營，仍造成了大面積擁堵。

“當天的地鐵停運甚至引起地鐵沿線的地面交通、高架道路擁堵。我的一位朋友也被堵在高架橋無法移動。”金建鋼說。

課題組在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，面對突發(fā)故障，當前地鐵運營部門較難快速掌握受影響的客流有多大、需要安排多少車輛、花多長時間能解決問題。通常的應對措施仍是基于經(jīng)驗，調(diào)用接駁車輛沿著地鐵線疏散客流。

“其實預測客流和乘客需求并不困難，大數(shù)據(jù)和機器學習模型就可進行預測，為地鐵運營管理提供依據(jù)?！苯鸾ㄤ撜f。

中加合作破解應急管理難題

2019年9月，自然科學基金委和加拿大魁北克研究基金會依據(jù)雙邊合作協(xié)議，共同發(fā)布以“智慧城市與大數(shù)據(jù)”為主題的合作研究項目指南，資助中國和加拿大魁北克科學家在相關領域開展合作研究。

這讓金建鋼看到了機會。他迅速聯(lián)系合作伙伴，準備深入探究突發(fā)和特殊事件對乘客出行造成的影響，并為城市公共交通系統(tǒng)運營和管理部門提供政策建議和決策支持。

“我們申請這個項目時有兩個有利條件：一是我們和Aurelie Labbe教授有很好的合作基礎；二是蒙特利爾市規(guī)模較小，但公交系統(tǒng)發(fā)達，用它做案例研究正好和上海市形成對照?！淮笠恍　瘍煞N城市類型的案例非常典型。”金建鋼說。

2020年4月，以金建鋼和Aurelie Labbe為雙方負責人的聯(lián)合團隊得到中加雙方支持，開始展開國際合作研究。其中，上海交通大學教授嚴駿馳、同濟大學教授王曉蕾、上海紐約大學教授陳志斌以及10多位研究生組成中方研究團隊。加方研究團隊由蒙特利爾大學、麥吉爾大學、蒙特利爾工學院3所高校的教授團隊組成。

項目針對公共交通運營部門、即時出行服務提供方、交通電力基礎設施部門在突發(fā)及特殊事件下所面臨的運營管理決策問題，運用數(shù)據(jù)科學、運籌優(yōu)化、仿真優(yōu)化等方法開展應急管理研究，為城市公共交通系統(tǒng)的運營和管理部門提供政策建議和決策支持，提高城市韌性和智慧化水平。

研究團隊從“需求預測”“事后應急響應”“事前防范”3個維度出發(fā)，為包括軌道交通、公交巴士、共享出行在內(nèi)的多模式公共交通系統(tǒng)提供應急管理決策支持。

從交通流分析視角，研究團隊開展了魯棒與靈活的機器學習理論和方法研究，提出適用于公交車流控制、出行需求預測的機器學習模型；從公共交通運營部門視角，他們開展了突發(fā)及特殊事件下的軌道交通與公交車一體化應急響應及整合優(yōu)化研究，構(gòu)建了應對大客流的快車跳站運行、客流引導、應急公交車接駁調(diào)度的優(yōu)化模型及算法；針對即時出行服務需求，他們開展了突發(fā)大客流事件下人員疏散效率及城市道路交通的影響和動態(tài)調(diào)度優(yōu)化研究，提出公交車及網(wǎng)約車雙模式交通系統(tǒng)的駛?cè)肼手芙缈刂品椒?，?gòu)建了高效的共享出行人車匹配及調(diào)度模型和求解算法。此外，團隊還針對交通充電基礎設施開展了需求分析、防范及應急管理研究，探討了電動網(wǎng)約車系統(tǒng)的多種監(jiān)管政策，提出了快速充電設施網(wǎng)絡的完善建議。

提高城市韌性和智慧化水平

在該項目支持下，金建鋼等人開發(fā)出一套仿真平臺，用可實時應急調(diào)度的數(shù)學優(yōu)化模型和算法輔助決策管理。如果某條線路出現(xiàn)故障，就可以通過仿真平臺分析車上有多少人、乘客流向是哪里、用不同的疏散方式可能帶來什么效果，還可以借助仿真平臺對各種接駁方案進行對比和優(yōu)化。

近期，該項目通過專家組驗收。專家們認為，該研究對交通流、公交車、軌道交通等城市交通系統(tǒng)的人員疏散和即時服務展開分析的同時，考慮了電力基礎設施遭遇網(wǎng)絡攻擊等突發(fā)事件影響的預測、分析、防范和應急處理。研究結(jié)果基于大數(shù)據(jù)運籌優(yōu)化算法，可為城市公共交通系統(tǒng)的運營和管理部門提供政策建議和決策支持，有利于提高城市韌性和智慧化水平。

“該項目的另一亮點在人才培養(yǎng)方面?！苯鸾ㄤ撗a充說，“科學基金的持續(xù)資助讓團隊成員迅速成長。在項目執(zhí)行期間，中方團隊4個子課題負責人中有3人獲得國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金項目資助；5人入選省部級人才計劃，獲科技獎項1項。同時，培養(yǎng)了一批有廣闊國際視野的研究生，其中博士研究生8位、碩士研究生6位?！?/p>

在項目執(zhí)行期間，中方團隊在Transportation Research等交通運輸領域主流期刊以及NeurIPS、SIGKDD等人工智能領域主流會議上共發(fā)表論文50余篇。研究團隊還向交通管理部門提交報告3份，部分建議被采納。

“國家自然科學基金特別重視‘頂天立地’的研究，我和國內(nèi)外合作伙伴都高度認同這一資助理念。”金建鋼說，“國際交流是全球科技治理的重要元素，也是科研人員解決當前全球治理問題的基礎。國際（地區(qū)）合作研究項目為各國同一領域的科研人員提供了交流機會、奠定了開展科研的基礎。目前，我們正與上海地鐵運營部門溝通，準備把研究成果應用到實踐中，用扎實的基礎研究解決公眾身邊的一些具體問題。”

《中國科學報》 (2023-08-28 第4版 自然科學基金)