交通健康诊断与智能医生系统关键技术研发与应用

　　一、案例总体介绍

　　道路交通(高速公路、城市道路)因其广泛地连接交通的出发地和目的地，以及各类交通方式，具有高度的直达性和机动性，因此，是城市交通的关键基础。长期以来交通阻塞、事故、高能耗与废气排放，以及低效能等“交通病”一直影响着城市的健康发展，特别是伴随着道路交通的高度机动化，道路与交通的问题已成“城市病”的主要致因和表现。习近平总书记在视察雄安工作时特别指出“交通是现代城市的血脉。血脉畅通，城市才能健康发展。”因此，如何科学有效地对城市病特别是道路与交通进行体检与诊断，找到其致因进而综合治理已是现代城市健康发展的重大课题。

　　住房城乡建设部正在大力推进城市体检工作，以支撑城市更新，提出“先体检、后更新，无体检、不更新”的工作要求，但其对至为关键的交通相关体检内容考虑尚为有限。鉴于城市道路与高速公路交通对于城市血脉性的关键作用，城市体检中对于交通体检亟待深化和强化。本项目正是在这一背景下城市与交通体检及综合治理关键技术——道路与交通体检及智能医生研发。

　　近年来，伴随着数据采集技术的日益成熟和人工智能技术的快速发展，交通大数据呈现爆炸式增长，为交通系统深度诊断提供了前所未有的技术条件。然而，丰富的数据资源与滞后的分析手段形成了鲜明对比，大量交通管理部门仍然依赖经验判断和简单的统计分析，缺乏系统性理论指导和智能化的技术手段支撑。我国道路交通环境具有显著的复杂性和开放性特征：交通参与者多元化(机动车、非机动车、行人混行)，交通需求时空分布不均衡，路网结构及道路几何条件与通行环境历史遗留问题突出。这种复杂性使得国外较为成熟的交通管理理论和技术在我国难以应用，特别是从体检系统层面诊断问题寻找致因尚为新的技术方向，迫切需要结合我国实际情况发展适用的方法和技术体系。

　　从学科发展角度看，医学诊断经过数百年发展和体检技术的进步，已形成完善的“症状识别-病因分析-精准治疗”理论体系，为解决复杂系统问题提供了宝贵借鉴。交通系统与人体循环体系在结构功能上具有高度相似性，因此，借鉴医学诊断理念于道路交通领域具有天然的理论基础和现实必要性。基于此，本项目致力于构建交通健康诊断技术体系，破解交通靶向改善难题及其理论与方法和技术工具。

　　二、案例技术体系

　　本项目创新提出基于数据的城市道路信号控制交叉口交通健康诊断理论，类比临床诊断学与桥梁健康诊断概念，建立“城市道路交叉口交通健康诊断”理论体系。构建了由“问题库”、“致因库”与“诊断库”组成的三库架构，其中问题库对应交叉口运行表现出的不良健康状况(安全病、效率病与秩序病)，致因库表征交叉口的系统要素，诊断库定位寻求问题库与致因库之间的关系，实现从“知其然”到“知其所以然”的跨越。

　　创新提出基于可靠性理论的“概率论”健康诊断阈值确定方法，突破传统“确定论”方法局限。以信号相位切换为例，利用高精度驾驶模拟器对感知-反应时间(PRT)与可接受的安全减速度(SAA)进行参数标定，基于驾驶员在绿灯闪烁和绿灯倒计时两种模式下的微观驾驶行为，给出信号相位切换的安全建议，并通过Monte-Carlo仿真计算考虑安全可靠度的黄灯时长。

　　在安全诊断方面，创新提出基于交通违法的交叉口安全评价方法。传统方法主要基于事故统计和冲突分析，存在数据滞后、获取困难等问题。本项目充分利用我国电子警察数据优势，构建“交通违法指数”诊断体系，通过两个城市的事故数据与违法数据验证，证明交通违法可以作为交通事故的替代指标，实现安全风险的前瞻性预警。

　　图1 基于数据的城市道路交通问题诊断与致因分析技术

　　(2)供给约束条件下道路交通精细优化设计与控制方法

　　针对老城区“高密度+功能混杂”路网与“高强度混合”交通需求的核心矛盾，本项目创新提出供给约束条件下交通优化设计与控制理论及方法。突破传统基于需求导向的设计思路，从供给约束角度重新审视交通设计与控制问题，建立了约束型供给资源整合与转换理论。该创新点与科技创新点一形成了强关联的逻辑关系：从优化设计与控制的角度反向确定体检指标，通过诊断发现的“交通病”往往根源于优化设计与控制的不足，而优化设计与控制的改进又能够从根本上治愈交通病，形成了“诊断-优化-再诊断”的闭环体系。

　　创新研发老城区窄车道设计优化方法，基于不同车型尺寸差距构建车道设计新方法，大车占有两条窄车道、小车占有一条窄车道，对老城区交叉口间距短、车辆行驶速度低、大车占有率低的现实情况展现良好适应性。通过敏感性分析验证，在车道宽度为2.6米时，该方法在极为有限的道路空间里能够有效增加交叉口通行能力。

　　提出“以空间换时间、以时间换空间”的时空协调策略，开发基于时空资源约束的交通系统失效机理与瓶颈识别理论。通过交通流组织和交通信号配时(周期、绿信比或相位等)形成时空资源转换，确保交通供需匹配。建立时空通行权协同优化设计方法，基于多模式混合交通的基本需求，以综合效益最佳为目标，实现行人、自行车、公交、应急交通和小汽车的时间通行权与空间通行权协同优化设计。

　　图2 供给约束条件下交通优化设计与控制方法

　　(3) 道路交通健康诊断系统架构与核心算法

　　本项目创新地构建智能道路与交通医生系统，采用类比人体医学诊疗的“望闻问切”四诊模式。望——通过系统可视化平台，实现“点(交叉口)、线(路段)、网(区域路网)”全方位监控;闻——基于静态、动态两大数据集，共20+数据源，应用数据分析、智能计算等技术对海量数据进行多元融合处理;问——基于云计算技术的Spring Cloud微服务架构，提供10大类、50余种诊断工具包;切——基于全国各省市共3000+交通工程专业领域的垂直案例积累构建知识图谱。

　　创新设计“致因诊断推理机”核心算法，突破传统“相关性分析”范式，通过交通系统要素与健康状况的有机关系解析，利用机器学习技术形成交通知识图谱，模拟人类专家决策过程对交通系统存在的问题进行推理和判断，找到引起安全、低效、污染等交通问题的症结所在。

　　建立数据采集、后台计算、诊断问题、方案生成、专家评审、效果评价的闭环决策流程。系统架构基于GIS/GPS等种类丰富的数据层，由大数据、人工智能技术支撑，结合Spark、MapReduce、WebAPI/WCF/Webservice、Hadoop、GIS平台等工具平台，对交通系统展开健康分析以及智能诊断系列应用，包含健康状况鉴定、致因诊断推理、改善方案生成和改善效果反馈。

　　(4) 智能道路交通医生软件平台研发与产业化应用

　　基于前三个创新点的技术突破，本项目成功研发了完整的道路与交通健康诊断及智能医生系统软件平台，实现理论技术向实用产品的成功转化。平台包括数据采集与处理层、算法引擎层、业务应用层和用户交互层，为城市道路交通系统提供系统性、精准性的诊疗工具。

　　(1)实现道路交通全要素诊断功能。平台聚焦道路交通核心问题，开发交叉口体检指标体系、交叉口渠化诊断、车道功能问题诊断及优化、潮汐车道方案及优化、交叉口基础信控方案评价与优化、干线协调方案及优化、高速公路交通诊断等核心功能模块。通过全时空尺度系统优化方法，从空间维度进行车道功能、可变车道、交叉口设计等方面的诊断和优化;从时间维度进行信号配时、潮汐车道分时段、可变车道分时段等方面的诊断和优化。

　　(2)构建城市道路交通在线诊断与优化体系。建立道路交通宏观、中观、微观三层次在线诊断优化系统，基于高精度地图及“互联网+交通”数据，可以自动建模并根据不同城市修改具体参数。区别于传统仿真软件，系统可以获得实时高效的交通仿真及评价结果，支持多种仿真参数配置，包括跟车模型、变道模型、信控方案等，并能够输出流量、通行能力、饱和度、平均延误、服务水平、排队长度等一系列专业指标，回归交通工程的服务水平进行评价。

　　(3)开发城市交叉口综合评价与优化系统。基于数据从设计角度提取交叉口物理属性及其阈值，找到影响交叉口交通运行效率与安全的致因。结合多变量函数综合模型，分析计算交叉口“健康指数”，涵盖安全视距、通行能力匹配、POI出入口、转角空间等关键要素。根据分析结果自动生成经过基础优化后的交叉口交通设计方案，实现从问题发现到方案生成的完整闭环。

　　三、取得成效

　　(1)经济效益

　　本项目与上海济安交通工程咨询有限公司、上海旷途科技有限公司等组成产学研合作联盟，团队技术成果的推广应用产生了显著的经济效益。根据主要应用单位的合同统计，相关项目合同总金额达到数千万元。除直接经济效益外，项目应用还产生了较好的间接经济效益。根据实际运营数据，系统可提高通行能力20-50%，避免事故50-90%，减少土地利用及建设投资10-20%。通行能力提升20-50%意味着在不增加道路基础设施投入的情况下，相当于增加了20-50%的道路通行资源。交通事故的减少不仅挽救了生命，也避免了因事故造成的直接和间接经济损失。事故减少50-90%充分说明了系统在提升交通安全方面的显著作用。通过优化交通组织，减少了新建道路的需求，节约了大量的土地资源和建设资金。在当前城市土地资源日益紧张的背景下，减少土地利用及建设投资10-20%具有重要的经济意义。

　　项目的实施还带动了智能交通产业链的发展。通过技术转让、技术服务、软件销售等方式，项目成果的应用推动了交通数据采集设备制造、信号控制系统开发、交通软件研发、系统集成服务等相关产业的发展，创造了大量的就业机会，促进了地方经济增长。从项目应用单位看，既有公安交警、交通局等政府交通管理部门，也有大型科技企业如北京北大千方科技有限公司、青岛海信网络科技股份有限公司，形成了协同发展的良好态势。同时，项目培养的专业技术人才也成为推动智能交通产业发展的重要力量。

　　(2)社会效益

　　本项目在推动科学技术进步、改善城市交通环境、提高居民生活质量、保障交通安全等方面产生了重大社会效益。项目将医学诊断理念引入交通工程领域，创新性地构建了“交通健康诊断与智能医生”技术体系，实现了交通管理模式的变革。通过“问题库-致因库-诊断库”三库架构和“望闻问切”四诊模式，帮助交通管理部门准确识别交通问题、精准分析致因、科学制定对策，显著提升了城市交通管理的科学化、精细化、智能化水平。这种创新的技术路径不仅解决了传统城市道路交通管理中“头痛医头、脚痛医脚”的问题，更实现了系统性、精细化、精准化的交通健康管理，为交通工程领域提供了新的理论框架和实践范式。

　　在改善城市交通环境方面，项目通过精准诊断和科学治理，有效缓解了城市交通拥堵。根据项目实施数据，空放时间缩短约17.3%，干线道路协调控制改善约36.5%，双向停车次数减少约53.5%，极大地提高了道路资源利用效率。这些改善不仅提高了交通效率，也减少了因拥堵造成的能源浪费和环境污染。交通流的优化减少了车辆怠速和频繁启停，降低了尾气排放和噪声污染，为改善城市环境质量做出了重要贡献。

　　在保障交通安全方面，项目创新提出的基于交通违法的交叉口安全评价方法，通过“交通违法指数”诊断体系，实现了安全风险的前瞻性预警。这种从事后处理到事前预防的转变，有效提升了交通安全管理水平，保护了人民群众的生命财产安全。传统的交通安全管理往往是在事故发生后进行分析和改进，而本项目通过对交通违法行为的系统性分析，能够提前识别潜在的安全隐患，实现了交通安全管理的关口前移。这种预防性的管理模式不仅减少了交通事故的发生，更重要的是建立了持续改进的机制。

　　项目实施还提升了市民的出行体验。通过系统优化，市民出行更加便捷、舒适、安全，市民出行体验提升约20.8%。这一数据的背后是出行时间的缩短、出行可靠性的提高、出行舒适度的改善等多方面因素的综合体现。公交准点率提升，步行和非机动车通行环境改善，居民对交通管理的满意度大幅提高，增强了市民的获得感和幸福感。特别是在当前倡导绿色出行的背景下，项目对公共交通和慢行交通的优化，有力支撑了城市交通结构的优化调整。

　　本项目成功实施和广泛应用，解决了城市交通管理中的实际问题，为加快建设交通强国、推进新型城镇化、实现城市可持续发展做出了重要贡献，具有重大的社会意义和推广价值。项目成果已在上海、眉山、济宁、宿迁、佛山、沧州、呼和浩特、无锡、杭州、蚌埠、自贡、松阳、泉州、晋江等城市成功应用，随着城市化进程的不断推进和智慧城市建设的深入发展，本项目成果预期将在更大范围内发挥作用，为更多城市交通健康发展贡献力量。