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未来交通先行者
——记清华大学-剑桥大学-麻省理工学院“未来交通”研究中心主任、清华大学教授吴建平

作者:徐芳芳    发布时间:2020-07-21

导读:  如此拼命地努力工作,倾注了他的所有理想,就是要将自己在海外所学植根于祖国的土壤之中,让未来交通能在中国生根发芽,茁壮发展。吴建平感慨道:“提升我们国家的交通科学技术水平,改善老百姓的出行体验和生活品质,是我一生的追求!”   

 

  他成长于1960年代,骨子里深深铭刻着那一个时代特有的“艰苦奋斗、报效祖国”的使命感和责任感。
  青年时期,凭借出色的能力成为1986年国家选拔“中英友好奖学金”留学项目浙江大学最终入围的四人之一,获得了赴英攻读博士学位的机会。
  世界名校的熏陶与磨砺,师从于英国乃至欧洲最早涉猎智能交通领域的顶尖专家麦克唐纳教授,他在前沿学科的高速公路上驰骋疾行。
  如今,学成归国,不以山海为远。他带着20余年的海外所学回到国内,开启了中国未来交通学科领域的新纪元。
  坚韧不拔潜心研究交通仿真与智能交通30年,2013年在清华大学成立世界首个“未来交通”研究中心,2014年开发完成“城市动态交通仿真平台”,使交通仿真成为智能交通、智慧城市的核心决策系统,2017年率先提出国际领先的虚拟仿真测试+实地测试场测试相结合的无人驾驶汽车测试研究策略和技术。
  他就是国际顶尖的智能交通领域专家、未来交通先行者吴建平,一位纯粹的科学家,一位坚定的爱国者。
  
英伦岁月:做世界前沿的科研
  吴建平是一个永远追求领先一步的人,他把这种性格自然也带入了他的科研工作当中。20世纪80年代末,中国刚刚开始计划实施高速公路建设,面对新兴事物,土木工程专业出身的吴建平抑制不住内心的兴奋,决心去学习欧洲修建高速公路的先进技术,立志回来后为中国的高速公路建设添砖加瓦!
  然而,到了英国之后才发现,英国高速公路的路网建设和技术研究早在30年前就已经基本完成了。这给吴建平泼了一盆冷水,不想“炒冷饭”的他面临着一个窘境,到底该何去何从?后来,经过观察发现,当时欧美发达国家正面临着道路拥堵的问题,而智能交通作为交通领域里面的最新学科才刚刚萌芽。吴建平敏锐地意识到,这样一种智能运输系统将是解决世界性交通难题的新途径,于是他决定进入智能交通这个新兴领域!吴建平是那一届英国留学的学生中唯一选择把智能交通作为学习方向的人,也成了最早向智能化交通迈进的中国学者之一。
  所谓智能交通,就是利用现代化的通信技术和信息技术对交通状况全面感知,然后进行智慧化分析,从而进行管理、组织和调度,实现最优化的交通服务,达到减少拥堵、减少污染、提升交通安全等目的。
  吴建平从20世纪90年代初开始了智能交通系统的研究与开发,在驾驶行为研究、交通仿真、智能交通系统规划与设计、GPS信息在交通管理中的应用、城市路网评价和智能交通系统综合评价等方面均有深入的研究,特别在驾驶行为研究和微观交通仿真方面取得多项国际领先的成果和发明专利。
  在最初十多年的研究生涯中,吴建平先后参与了20多个英国政府和欧盟的交通项目。他主持开发的FLOWSIM,是全球首个基于驾驶行为和模糊数学理论的微观交通仿真模型。从研究驾驶行为入手,以模糊数学模型为基础、通过模拟现实世界中汽车、自行车和行人在道路交通中的行为,FLOWSIM仿真模型可以在电脑上模拟各种道路使用者的交通行为。仿真系统里的每一辆汽车、每一辆自行车、每一个行人的行为都源于大量真实驾驶员、自行车、行人的行为数据。
  “因为人的行为是非常适合用模糊数学来描述的。”吴建平解释道,“包括人对外部世界的观测以及人做决策的过程,都和模糊数学非常相近。因此自1990年开始,我们在英国工程物理科学研究委员会(EPSRC)的支持下开始了研究。我们花了8年时间采集几百万条不同驾驶人的驾驶行为数据,基于这些数据,构建了我们今天的基于模糊数学的FLOWSIM微观交通仿真软件的核心模型。”
  FLOWSIM仿真模型在英国和欧洲的智能交通研究与教学中得到广泛的应用和赞赏,其核心技术和精度均胜于当年同时起步的其他一些模型,就算到将近20年后的今天,每年仍有很多研究智能交通和交通仿真的学者在大量检索引用吴建平当年的论文,足见其原创性和含金量之高。
  20世纪90年代中期,欧美国家开始研究编列行驶(platoon)的无人驾驶技术。据吴建平介绍,这与今天的网联车有点相似,但是当时的通信技术没有现在发达,编列行驶主要依靠车与车之间的雷达和短距离无线通信技术将无人驾驶汽车以“软连接”的方式组成队列以达到提升车流稳定性、道路交通安全性以及道路通行能力的目的。在这个英国政府支持的前沿研究项目里,吴建平承担了应用交通仿真软件FLOWSIM分析研究,负责构建和验证稳定的编列行驶控制策略,评价编列行驶无人驾驶车队的车流稳定性、安全性和道路能力提升,以及在发生信号丢失情况下如何保证编列行驶无人驾驶车队的安全性。这个阶段的研究为吴建平于2017年在国际上率先提出利用虚拟仿真测试+实体测试场测试相结合的无人驾驶汽车测试研究技术路线奠定了坚实的基础。
  吴建平的科研在欧洲得到了高度认可,但他始终没有忘记自己出国深造的初心,始终放不下为国服务的信念。吴建平介绍,自20世纪90年代中期开始,他作为留英中国学者社团的负责人,在中国教育部“春晖计划”和中国科协“海智计划”的大力支持下,积极组织留英的中国专家和学者回国服务和为国服务。这些活动对吸引留学人员回国和推动国内的科技创新及产业发展起到积极的促进和示范作用。“特别是中国科协的‘海智计划’一直持续到现在,我们很多优秀的留学归国人员都是直接或者间接通过这些活动和渠道回国创业、回国服务的,其中包括我本人最终于2011年到清华大学任教。”吴建平如是说。
  
叶落归根:做中国未来交通奠基人
  交通是一个国家国计民生的重要组成部分,也是综合国力的重要体现。国内智能交通的系统研究与应用始于20世纪90年代中期,但是进展比较缓慢。2000年,吴建平入选中国教育部智能交通领域的第一位“长江学者”特聘教授。为了把国外先进的智能交通理念和技术介绍给国内,在吴建平的努力推动下,中国科技部与英国贸工部联合成立了“中英智能交通中心(UK China ITS Center)”,并由吴建平担任第一任中英智能交通中心主任。在他的领导下,中心通过考察学习、学术交流等各种形式积极推动中英两国教育界、科技界和企业界的交流与合作,对推动中国智能交通的发展,使之快速跟上欧洲智能交通发展的步伐起了非常积极的作用。
  在担任“长江学者”特聘教授期间,吴建平将他倾尽多年心血的世界首个基于驾驶行为和模糊数学理论的微观交通仿真模型“FLOWSIM”带回中国,并在中国成功实现了本土化,使得这一仿真模型更适合于中国式混合交通流的行为。FLOWSIM具有强大的交通数据处理能力、丰富的路网编辑功能和快速的仿真计算能力,同时能够直观地表现交通流、信号控制以及路网的综合管理服务水平,适用于路网规划、交通管理、交通组织、交通控制系统的优化设计和智能交通系统的效益评价等。目前,FLOWSIM引领国际潮流,已经从离线仿真走向了在线仿真,可以直接与实时交通数据对接。2013年,由吴建平主持开发完成基于FLOWSIM的“城市动态交通仿真平台”,这一具有自主知识产权的微观交通仿真软件填补了国内外空白,获得北京市发明创新大赛金奖、中国仿真学会科学技术奖一等奖等多项荣誉。
  中国是一个交通大国,随着汽车保有量的持续攀升,能源用量也在不断加大。很多城市发展很快,但各种“城市病”也随之产生。其中,交通事故、拥堵和大气污染成为我国道路交通面临的主要痛点。中国要想从交通大国迈向交通强国,在智能化和绿色化方面还有很多功课要做。
  2013年11月,清华大学联合英国剑桥大学、美国麻省理工学院,成立低碳能源大学联盟未来交通研究中心,主要关注点就是目前人类社会面临的交通拥堵、交通环境(污染)、交通能源(低碳交通)和交通安全等领域的科学问题,由吴建平担任中心主任一职。
  吴建平介绍说,未来交通发展从近期讲就是应对解决交通拥堵、安全、能源和污染等问题,从长远和更宏观的角度讲则是探索一种可持续的、适合人类社会发展和与未来城镇发展相适应的绿色综合交通系统。
  多年的海外经历让吴建平养成了从更长远的方向考虑问题的思维习惯,他预测,随着人工智能、大数据、云计算、物联网、5G等技术的飞速发展,未来15至30年的城市交通状况将发生颠覆性的变化。30年后中国的城市和交通会向什么方向发展?我们对交通的出行需求有什么改变?未来的交通模式有什么改变?不畏浮云遮望眼,这些都是吴建平每时每刻在深度思索的问题,而在他的带领下,清华大学也领先全球开始了未来交通学科方向的研究与探索。
  未来交通研究中心从开始筹划到组建到运营,七八年下来,吴建平倾注了一腔的心血。他表示,国内一些城市已具备了相当先进和完善的硬件设施,缺乏的是先进的管理理念和方法,中国目前最紧要的是普及智能交通理念,要更有效地利用硬件设施,为出行者提供最好的出行体验。
  作为中国未来交通研究的探索者和引路人,吴建平在2017年提出了以大数据、人工智能和在线仿真为核心要素的城市交通超级大脑体系构架。他特别强调,智慧需要数据,但数据并不等于智慧。数据要经过分析,经过模型的运算之后,才能够转变成解决问题的办法。“我提出了智慧交通三要素,第一要素是数据,第二要素是方案,第三要素是(仿真)评价。”吴建平进一步解释道,“这三个要素是一环扣一环的,首先在对数据的分析基础上形成方案,但是方案往往不是唯一的,所以我们要通过仿真模拟的方法得出一个最优方案。如以信号灯优化设置为例,我们将实时交通数据输入仿真系统,然后经过多方案的仿真和优化选择,可以得出实时的红绿灯的最优时间设置。”
  2019年9月底,基于吴建平团队的智慧交通三要素形成的一项创新的交通管理控制技术——反馈门控制技术已经在广西南宁率先落地。近年来,南宁市机动车保有量迅猛增长,而旧城区的道路拓宽及路口改造的空间有限,道路交通在高峰期往往处于超负荷状态,导致交通拥堵不断趋于严重。南宁交警部门在全国率先启用“反馈门信号控制”系统,借助微观仿真手段和实地实验测试,改变原有依靠单点信号控制交通流量的方式,将交通信号控制、交通诱导及交通流量检测数据等进行融合,通过全新的交通管理技术实现车流的合理流动和导向,使车流在时间和空间上达到均衡。应用结果证明实施反馈门区域控制后,控制区域内车辆平均速度有显著增加,车辆平均旅行时间显著减少,区域的整体通行能力得到提升,有效缓解了高峰期该区域的交通压力。
  “交通问题是多方面因素的综合结果。近几年的统计年报显示,在我国交通事故的主要诱因中,交通参与者行为不当占了89%。”吴建平强调,“交通参与者的不当行为会造成极大的安全危害,因此,我们在注重工程技术的同时,必须从行为学和社会学角度分析交通安全问题,并给出比以往更全面、更合理的解决方案。”
  目前,吴建平团队与世界人因工程知名专家、英国南安普顿大学Neville Stanton教授领导的团队合作的STARS项目独辟蹊径,在英国国家健康研究所的资助下,用社会科学的方法和人因工程的手段,解读交通事故的人为影响因素。团队通过收集合作方中国、英国、肯尼亚、越南、孟加拉国5个国家当地驾驶员、行人的行为及语言数据,分析获得被调查者在采取某一特定动作时的想法,从而发现构成交通安全隐患行为背后的心理活动,帮助政府提出更有针对性的政策方针与宣传方案,比如,从理论和实践等方面提升驾驶员的道德水准和安全理念、完善相关法律法规、加强对驾驶员的教育和监管等。
  吴建平介绍说,以往传统的交通安全问题研究包含3个“E”:即工程(Engineering)、执法(Enforcement)和教育(Education)。而STARS项目则将3“E”增加为7“E”,另加了人因工程(Ergonomics)、经济(Economics)、应急响应(Emergency Response)和能力提升(Enablement)四大方面,为世界交通安全领域的研究开拓了全新的道路,具有里程碑式的意义。
  
开启未来:做最好的自己
  大约从2000年起,吴建平就开始习惯了“空中飞人”的生活。往往一年的时间里,他总是行走在“一半英国,一半中国”的奔波中。
  如此拼命地努力工作,倾注了他的所有理想,就是要将自己在海外所学植根于祖国的土壤之中,让未来交通能在中国生根发芽,茁壮发展。“这些年来,国内的形势非常好,特别是在智能交通、智慧城市领域发展非常快,国内有比国外更好的机会。”吴建平感慨道,“提升我们国家的交通科学技术水平,改善老百姓的出行体验和生活品质,是我一生的追求!”
  “积极,自信,简单”是吴建平的自我评价,也是每一位与他共事过的同伴对他的肯定。作为一位国际知名的科学家,他有着极其开放的理念和胸怀,无论是身处欧洲还是国内,吴建平一直强调闭门造车根本不可能跟上时代的步伐,必须把大门敞开,同行业之间甚至是跨行业之间进行合作,让新鲜空气流通起来,才会有更多的机会和成就。
  回到国内,在清华大学的平台上,吴建平也找到了很多志同道合的合作者。他的学生们自然也是他的“合作者”,他对青年人才的培养不遗余力。一年之计,莫如树谷;十年之计,莫如树木;终身之计,莫如树人。谁拥有更多更好的人才,谁就能在竞争中取得主动,赢得未来。他宽容每个人的个性、发挥每个人的闪光点。通过团结协作,为一个更大的、一致的理想和目标而努力。正因如此,他拥有的是一个朝气蓬勃、面向未来充满了正能量的团队!吴建平会根据每个人的性格、特点因材施教,时刻激发团队成员的潜能。比如,有些人数学很强,就引导其去做数学模型;有些人擅长沟通,就让他去做社会调查研究。“做最好的自己”是吴建平对于自己,也是对于每一位团队成员的寄语。“每个人都有自己的特点和长处,把自身的强项发挥到极致,做‘最好的自己’,就是对国家、对世界的最大贡献。”
  吴建平介绍说,未来交通是一个方向,随着新一代信息技术的快速发展及“互联网+”的推进,各种创新性和颠覆性的新生事物与技术将出现在通往未来的道路上,包括人的出行方式、出行行为都会发生深刻的变化。这些年来,中国的智能交通领域发展十分迅猛,在这股风起云涌的激流中,吴建平带领着他的团队成员们劈波斩浪,不断前行。
  “要做就做全新的研究,要敢于创新,勇立潮头!”吴建平的话掷地有声。最近他就正忙碌于一件未来交通领域发展中的大事,研究未来无人驾驶与有人驾驶汽车的混行交通情况下交通系统的安全与效率,以及未来无人驾驶汽车的上路许可条件、标准和测试流程。这对于推动中国未来几十年的无人驾驶和未来交通系统的法律法规、道路基础设施标准、交通管理控制系统标准等一系列标准化建设非常重要。因为要研究透这些标准化的东西,我们才能更清晰地把握未来。
  未来交通是一道门,门后是无穷无尽的可能性。吴建平为记者描述了未来交通的一种场景:随着清洁能源光伏公路的研究与应用,以及非接触式充电技术的进步,新能源汽车可以在路上边走边充电,可以不停止地跑下去;而随着无人驾驶的实现和共享经济的发展,未来交通的出行将是由社会提供的共享模式。你如果想去哪里,就按下一个按钮,车就会在约定的时间和地点等你。因为它是无人驾驶,等它把你送到你要去的地方后,它又会随着下一个单去接下一个人这样,家家户户不必再去买车养车,从而节省了许多社会资源。绿色、智能、共享的未来交通既解决了能源和环境污染问题,也解决了城市交通拥堵、交通安全问题。同时,对于这次新冠肺炎疫情的蔓延,吴建平表示也给未来交通提出了新的挑战,人们将期待更安全可靠、低交叉感染风险的,更舒适、更便捷的交通出行方式和交通工具,这也将是未来交通研究者要特别关注和解决的新课题。
  听着吴建平教授的讲述,让记者对于未来点对点、门到门,个性化、定制化的智慧立体交通走进现实充满了憧憬。而正是因为有了以吴建平为代表的一批未来交通科研工作者的不断探索,不断去寻找适应未来人类社会和城市发展的新的交通模式、新的科学技术,才会使我们拥有了更加美好的生活,才会让我们感觉未来并不遥远,未来正在加速到来!
  
专家简介  
  吴建平,清华大学教授,清华大学-剑桥大学-麻省理工学院“未来交通”研究中心主任,教育部“长江学者”特聘教授。英国工程技术学会会士(FIET),联合国世界工程组织(WFEO)工程环境委员会委员,国际智能交通效益评估委员会(IBEC ITS)常务理事,英国工程和技术学会智能交通系统(IET ITS)杂志副主编(SCI检索),中国仿真学会常务理事,交通部智慧机场专家委员会委员,浙江省大湾区建设院士专家委员会委员,北京、杭州、南宁、海口等城市顾问。主要研究领域为智慧城市与智慧交通、交通建模与交通仿真、低碳交通与生态交通等。先后负责过由欧洲联盟委员会、英国皇家学会、中国自然科学基金委员会、中国科学技术部等资助的国家级和国际合作科研项目50多项,获得和申报发明专利18项。作为核心设计者和主要开发者,拥有FLOWSIM交通仿真软件的全部核心技术和相关软件著作权登记20余项,获国际及国内省部级以上科研成果奖10余项,在国际学术期刊和重要学术会议上发表论文300多篇,编写交通类专著6本。
  
  

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