“小问题”助力城市交通管理“大提升”

本文转自：中国科学报

金建钢（左二）和毕业生合影。受访者供图

■本报记者 张双虎

地铁是城市居民重要的通勤和出行工具，而以地铁为主的城市公共交通系统却经常遇到故障、重大赛事、节日庆典等突发或特殊事件的“考验”。尽管公共交通系统的“突发及特殊事件”不一定会带来巨大的直接损失，但却影响甚广，频繁中断的地铁服务会给公众出行造成极大不便。

在国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）和加拿大魁北克研究基金会联合资助下，上海交通大学教授金建钢和加拿大蒙特利尔大学教授Aurelie Labbe共同牵头，对突发和特殊事件对乘客出行造成的影响进行了深入研究。他们应用运筹优化与机器学习理论和方法，提出一套“轨交应急接驳系统”，并以网络化疏散的策略，在仿真模拟中将平均客流延误时间从43分钟降至18分钟，将超30分钟延误滞留乘客从79%降至13%。

留意身边的“小问题”

提及开展该项研究的初衷，金建钢直言这始于一次久远的出行。

2011年，金建钢在新加坡国立大学攻读博士学位。在公共交通系统发达的新加坡，地铁是金建钢日常出行的首选。2011年底，新加坡地铁突发故障，导致市中心11个地铁站服务中断，地铁停运长达5小时，几十万人的出行受到严重影响。

因为从事交通方面的研究，这次地铁停运引起了金建钢的特别关注。他查阅文献并检索相关报道，发现新加坡地铁突发故障或停运非常频繁。

“特大型城市，包括国内一些地铁建设较早的城市也常出现由于供电、轨道、列车故障等导致的地铁运营中断。”金建钢告诉《中国科学报》，“后来到上海交通大学工作，我和同事也经常遇到类似问题。”

金建钢课题组长期跟踪各类公共交通系统案例，因此关注了上海申通地铁集团的官方微博，其上会实时发布一些运营信息，一旦遇到故障就会很快推送消息，提醒大家转乘其他交通工具。跟踪一段时间后，课题组发现上海地铁出现各类故障的频率很高。

2022年11月11日早高峰期间，上海地铁11号线嘉定新城站区间供电设备发生故障。故障本身并不严重，但导致地铁停运3小时。尽管地铁公司紧急联系上海市交通委员会，调动80辆公交接驳车投入嘉定北至南翔、安亭至南翔区段地面运营，仍造成了大面积拥堵。

“当天的地铁停运甚至引起地铁沿线的地面交通、高架道路拥堵。我的一位朋友也被堵在高架桥无法移动。”金建钢说。

课题组在调研中发现，面对突发故障，当前地铁运营部门较难快速掌握受影响的客流有多大、需要安排多少车辆、花多长时间能解决问题。通常的应对措施仍是基于经验，调用接驳车辆沿着地铁线疏散客流。

“其实预测客流和乘客需求并不困难，大数据和机器学习模型就可进行预测，为地铁运营管理提供依据。”金建钢说。

中加合作破解应急管理难题

2019年9月，自然科学基金委和加拿大魁北克研究基金会依据双边合作协议，共同发布以“智慧城市与大数据”为主题的合作研究项目指南，资助中国和加拿大魁北克科学家在相关领域开展合作研究。

这让金建钢看到了机会。他迅速联系合作伙伴，准备深入探究突发和特殊事件对乘客出行造成的影响，并为城市公共交通系统运营和管理部门提供政策建议和决策支持。

“我们申请这个项目时有两个有利条件：一是我们和Aurelie Labbe教授有很好的合作基础；二是蒙特利尔市规模较小，但公交系统发达，用它做案例研究正好和上海市形成对照。‘一大一小’两种城市类型的案例非常典型。”金建钢说。

2020年4月，以金建钢和Aurelie Labbe为双方负责人的联合团队得到中加双方支持，开始展开国际合作研究。其中，上海交通大学教授严骏驰、同济大学教授王晓蕾、上海纽约大学教授陈志斌以及10多位研究生组成中方研究团队。加方研究团队由蒙特利尔大学、麦吉尔大学、蒙特利尔工学院3所高校的教授团队组成。

项目针对公共交通运营部门、即时出行服务提供方、交通电力基础设施部门在突发及特殊事件下所面临的运营管理决策问题，运用数据科学、运筹优化、仿真优化等方法开展应急管理研究，为城市公共交通系统的运营和管理部门提供政策建议和决策支持，提高城市韧性和智慧化水平。

研究团队从“需求预测”“事后应急响应”“事前防范”3个维度出发，为包括轨道交通、公交巴士、共享出行在内的多模式公共交通系统提供应急管理决策支持。

从交通流分析视角，研究团队开展了鲁棒与灵活的机器学习理论和方法研究，提出适用于公交车流控制、出行需求预测的机器学习模型；从公共交通运营部门视角，他们开展了突发及特殊事件下的轨道交通与公交车一体化应急响应及整合优化研究，构建了应对大客流的快车跳站运行、客流引导、应急公交车接驳调度的优化模型及算法；针对即时出行服务需求，他们开展了突发大客流事件下人员疏散效率及城市道路交通的影响和动态调度优化研究，提出公交车及网约车双模式交通系统的驶入率周界控制方法，构建了高效的共享出行人车匹配及调度模型和求解算法。此外，团队还针对交通充电基础设施开展了需求分析、防范及应急管理研究，探讨了电动网约车系统的多种监管政策，提出了快速充电设施网络的完善建议。

提高城市韧性和智慧化水平

在该项目支持下，金建钢等人开发出一套仿真平台，用可实时应急调度的数学优化模型和算法辅助决策管理。如果某条线路出现故障，就可以通过仿真平台分析车上有多少人、乘客流向是哪里、用不同的疏散方式可能带来什么效果，还可以借助仿真平台对各种接驳方案进行对比和优化。

近期，该项目通过专家组验收。专家们认为，该研究对交通流、公交车、轨道交通等城市交通系统的人员疏散和即时服务展开分析的同时，考虑了电力基础设施遭遇网络攻击等突发事件影响的预测、分析、防范和应急处理。研究结果基于大数据运筹优化算法，可为城市公共交通系统的运营和管理部门提供政策建议和决策支持，有利于提高城市韧性和智慧化水平。

“该项目的另一亮点在人才培养方面。”金建钢补充说，“科学基金的持续资助让团队成员迅速成长。在项目执行期间，中方团队4个子课题负责人中有3人获得国家自然科学基金优秀青年科学基金项目资助；5人入选省部级人才计划，获科技奖项1项。同时，培养了一批有广阔国际视野的研究生，其中博士研究生8位、硕士研究生6位。”

在项目执行期间，中方团队在Transportation Research等交通运输领域主流期刊以及NeurIPS、SIGKDD等人工智能领域主流会议上共发表论文50余篇。研究团队还向交通管理部门提交报告3份，部分建议被采纳。

“国家自然科学基金特别重视‘顶天立地’的研究，我和国内外合作伙伴都高度认同这一资助理念。”金建钢说，“国际交流是全球科技治理的重要元素，也是科研人员解决当前全球治理问题的基础。国际（地区）合作研究项目为各国同一领域的科研人员提供了交流机会、奠定了开展科研的基础。目前，我们正与上海地铁运营部门沟通，准备把研究成果应用到实践中，用扎实的基础研究解决公众身边的一些具体问题。”