获奖作品展播 | 任刚、曹奇、李大韦：交通状态感知向出行机理认知的演进

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金奖

第十四届（2024年）钱学森城市学金奖

获奖作品展播

导语

两千多年前，古希腊大思想家、大哲学家亚里士多德曾说过：“人们来到城市是为了生活，人们在城市居住是为了生活得更好。” 1985年，中国的“两弹一星”之父钱学森指出：城市是一个复杂巨系统，必须以系统科学的方法，去科学系统地研究城市。

2011年起，杭州国际城市学研究中心以城市学领域开创者钱学森先生为名设立 “钱学森城市学金奖”，分别围绕城市人口、交通、教育、卫生健康、土地住房、文化遗产、环境等七大主题开展优秀作品征集评选活动，表彰和奖励国内对城市学做出突出贡献的集体和个人。

今天，我们带来的是第十四届钱学森城市学（交通）金奖作品——任刚、曹奇、李大韦著作《智能交通工程：从状态感知到机理认知》。

一、获奖理由

该作品是比较典型的模型方法类丛书，其运用现代城市的交通大数据，挖掘城市车辆出行过程中的轨迹，再通过轨迹进一步挖掘交通状态，从而推断交通问题，同时形成了一个仿真软件。这部成果在多个城市进行了数据验证，产生了多篇论文、专利以及相关的知识产权，与当今关于大数据处理、智能AI等前沿领域的特点与方法比较吻合。

二、作品介绍

随着交通工程和人工智能技术的融合发展，在海量的车辆轨迹数据和其他数据的共同支撑下，动态追溯交通流来源和去向以及隐藏在背后的出行行为意图成为可能。这将重塑智能环境下的交通工程技术方法和交通管控模式，实现由表象的交通状态感知向源头的出行机理认知的演进，也契合新一代人工智能发展由感知智能向认知智能转化的大趋势。基于上述思路，本书撰写团队历时十年从智能交通工程的感知辨识和认知推演两个层面展开研究，取得了阶段性的理论研究成果和实践应用成果，累计授权国家发明专利19项（实施成果转化6项）、软件著作权5项，发表学术论文20篇，制订技术标准2项，在重庆、南京、宁波等境内城市，白俄罗斯、肯尼亚等“一带一路”沿线国家，雄安新区、北京冬奥会等重大工程中进行了大规模应用。本书为上述成果的理论依据和技术基础，入选智能工程前沿丛书，经国家出版基金管理委员会专家评审，获国家出版基金资助。

（1）研究背景

面对交通拥堵日趋严重、突发事件频繁发生的挑战，通过创新智能交通建设、提升协同管控能力，已成为各城市普遍选择，也是交通强国和智慧城市建设的重要任务。近些年，我国城市智能交通建设每年费用超过1000亿元。然而，对智能交通系统的巨大投入尚未取得理想的建设效果。“数字孪生交通”等新概念新产品存在“中看不中用”的倾向，实际上多停留在可视化层面，未能为精准化交通管控提供有效支撑；常态化治堵与非常态应急管控手段存在“治标不治本”的局限，主要关注当前和局部的拥堵现象，无法从源头上应对未来和全局的拥堵态势，未能满足人民群众美好出行需要，不足以支撑交通强国建设等重大战略需求。

正如网络上曾经热议“世界上最遥远的距离是摄像头到红绿灯?”。究其原因，智能化交通管控系统在感知辨识（眼看）、认知推演（脑想）、管理控制（手抓）环节仍存在以下突出瓶颈：（1）外在表象“看不全”，难以从片段化的检测数据中还原出全时空车辆路径轨迹，使得多场景交通状态辨识精度低；（2）内在机理“想不清”，不能动态追溯交通流的演化路径及隐藏在背后的出行意图，无法深刻认知拥堵现象产生机理；（3）控制逻辑“抓不准”，基于关键路径的信号控制与诱导技术尚未融合，无力实现面向出行本质的跨子区管控。

 智能化交通管控系统核心环节与瓶颈问题

本书聚焦感知辨识（眼看）和认知推演（脑想）两个层面，提出创新解决思路：依托我国广泛应用的视频电警数据，创建基于车辆路径重构的全时空交通状态辨识技术，实现对交通问题表象观察由断面检测向连续监测的转变；厘清交通流的来龙去脉及其行为意图，突破城市交通流动态溯源与仿真推演技术，实现对交通拥堵机理解析由状态感知向需求认知的转变。

（2）章节内容与创新点

本书聚焦智能交通工程的感知辨识（第2-5章）和认知推演（第6-9章）两个层面，主要内容包括车辆轨迹重构、出行路径识别、出行链提取、交通状态估计与拥堵溯源、出行选择行为建模等。

本书章节结构与创新点

创新点一：片段化观测条件下的全时空车辆路径重构模型【第2-4章】

针对大规模路网检测器布设有限造成的车辆轨迹观测片段化等问题，改进了随机效用理论与车辆时空轨迹重构算法，克服了有监督学习标记成本高和无监督学习识别精度差的缺陷，首次提出了基于半监督学习与出行链的车辆路径全时空重构方法，实现了路网车辆出行起讫点、行驶路线、时空位置等连续路径信息的完整识别。在检测器空间覆盖率不高于10%、观测样本规模10万级/小时的条件下（如南京），路径重构精度达82%以上。

路径重构技术思路（以苏A·1***5车辆某日通勤出行为例）

代表性成果评价：提出的路径重构模型发表在智能交通顶级期刊TR Part C（2020，2023）、IEEE TITS（2022）上，得到了WCTRS（世界交通研究会）科学委员会主席Lori Tavasszy、图灵学者Choudhury剑桥大学智能设施与建造研究中心主任Jennifer Schooling、代尔夫特理工大学DAS实验室主任Hans van Lint等学者的正面评价。其中，Lori Tavasszy教授认为提出的半监督学习方法及混合Logit模型显著提高了稀疏样本下路径识别的精度，并将其应用于卡车司机路径选择建模的研究中。

创新点二：大规模路网交通状态估计与拥堵溯源方法【第5章】

针对大规模路网交通状态辨识实时性、准确性和可移植性差的问题，研发了融合交通流模型与深度学习方法的交通拥堵辨识技术，构建了考虑多层异质性的路径与目的地选择集成模型，突破了车辆出行起讫点与偏好路径推断技术，提出了面向大规模路网的交通流量在线估计与快速求解方法，开发基于轨迹-路径的路网交通运行状态判别系统。支持万节点级路网的交通状态辨识准确率超过90%，交通流动态溯源精度达到80%以上。

乌鲁木齐示范应用界面

交通流溯源可视化实例

代表性成果评价：提出的大规模路网交通状态估计与拥堵溯源方法，通过了由中国公路学会、中国智能交通协会、中国电子科技集团有限公司等机构组织的科技成果评价，评价委员会专家包括中国工程院院士戴浩、交通运输部原总工程师周伟等权威人士，鉴定本书所创新的交通状态估计与拥堵溯源方法“总体达到国际先进水平”，以其为基础开发的“兼容阶段流和相位环控制结构”路径级信号控制技术（见5.6节）“达到国际领先水平”。此外，将交通拥堵溯源方法应用于应急疏散道路交通组织，主编了中国智能交通协会团体标准《应急疏散道路交通组织指南（T/CITSA 14-2021）》，填补了当前我国在应急交通管控方面的标准空白。

创新点三：多模式交通链式出行选择行为建模理论【第6-8章】

针对大规模数据或在线连续数据流背景下的出行行为建模效率低、个体异质性复杂等问题，构建了融合自适应特性与宽度学习的交通方式选择模型，提出了融合出行活动时空特征的目的地选择行为模型，攻克面向出行全过程的多模式链式广义路径动态选择行为建模方法。实现出行选择行为参数估计精度不低于80%，参数迭代更新不超3秒。

多模式链式广义路径动态选择行为建模路线图

代表性成果评价：发表在TR Part E（2022）、IEEE TITS（2020）等期刊的论文，得到了中国科学院院士/英国社会科学院院士叶嘉安（Yeh, Anthony G.O.）教授、美国工程院院士Petros Ioannou教授、IEEE fellow Joao Gama教授等学者的正面评价。Yeh, Anthony G.O.教授认为提出的考虑出行方式链的多模式路径建模方法可以应用于MaaS平台中，通过仿真分析发现其可以提高公共交通利用效率。Joao Gama教授认为该论文提出的多方式Logit核模型有效解决了广义路径重叠问题，同时有助于道路异常状态下的拥堵检测和疏散应用。

创新点四 数据与模型双驱动的城市交通仿真推演技术及平台【第9章】

针对传统交通仿真软件行为假设偏差大、动态性不足等问题，解析了出行者出发时刻、出行方式、活动目的、目的地等多维选择行为之间的动态关系，研究了出行者群体选择异质性，构建了基于动态离散选择模型的多模式链式交通需求模型，提出了基于大样本轨迹/路径数据的参数估计-整体标定两阶段模型校核方法，开发了基于活动的道路交通仿真推演平台。该平台支持万节点级大规模路网交通仿真推演与管控方案量化仿真分析时间降至1分钟以内。

道路交通仿真推演平台软硬件实景

代表性成果评价：依托此技术自主开发的大型宏观交通仿真软件于2019年正式发布，经软件测试和专家评价认为，系统架构合理，数据库承载量大，软件界面人机交互性强，方案设计易用性高，量化评估速度快。2020年，城市交通系统集成仿真技术及服务应用案例成功入选由世界互联网大会发布的世界互联网领先科技成果（全球范围内50项，同期入选的还有腾讯、阿里、微软、高通、卡巴斯基等国内外科技成果）。目前，软件的各类用户已超200家，初步改变了交通仿真核心技术受制于人、交通仿真应用市场被国外软件垄断的局面。

三、作者简介

主编人员为东南大学交通学院的任刚、曹奇和李大韦。编写队伍拥有交通运输规划与管理、计算机科学等专业方向的学位，具备与本书主题匹配的学科交叉背景。通过共同承担的国家重点研发计划等项目展开紧密合作，在交通大数据挖掘、出行行为建模与分析、交通仿真建模与系统开发等智能交通重点方向的取得了阶段性的科学研究与实践应用成果。主编人员简介如下：

任刚，东南大学特聘教授，博士生导师。任江苏省城市智能交通重点实验室常务副主任、中国智能交通协会城市交通专委会秘书长。主持国家级研究课题11项、省部级课题7项，负责国家重点研发计划项目（交通仿真方向首个国家级重大项目）。发表SCI论文60余篇，出版专著和教材7部，授权国家发明专利35项。获国家科技进步二等奖1项、省部级和国家一级学会科技奖励12项。

曹奇，东南大学助理研究员，入选江苏省卓越博士后、东南大学至善博士后。主持国家自然科学基金青年项目“基于AVI数据的机动车出行路径识别及交通拥堵溯源方法”等国家省部科研项目3项。以第一作者身份在TR part C、IEEE TITS等交通类顶级期刊发表SCI/EI论文6篇；申请专利8项，授权5项。获江苏省科学技术二等奖、中国公路学会科学技术一等奖。

李大韦，教授、博导。现任东南大学交通工程系副主任，东南大学应急交通研究中心副主任。主持国家重点研发项目青年科学家课题1项、子课题2项，国家自然科学基金项目2项；发表SCI&SSCI论文50余篇；荣获中国公路学会科学技术一等奖、江苏省科学技术二等奖、中国交通运输协会科技进步一等奖。

供稿：戴   辰

编辑：林玥玥

审核：接栋正

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