智慧交通的重要的实现方法

引子

前段时间在自驾游的路途上，在省道的一些山体遮挡急弯盲区处，导航软件会发出急促的“嘀嘀”音，并以语音提醒注意对向来车。提示后，对向车道弯处果然就迎来一辆汽车，有一次迎面而过的居然是一辆疾驰的摩托车。这件事情发生后，笔者一直充满疑惑，一方面疑惑这些山区急弯处安全提醒何以有如此之高的智能化程度？另一方面则是疑惑路侧设备感知到的对向来车信息是如何能够及时共享给导航软件并发出警示的？

直到几天后，某导航软件厂商在推文上宣布在其导航软件中升级了盲区会车服务能力，推出全新的无灯路口会车预警功能，基于北斗卫星导航系统定位技术以及自研模型，提供路口其他方向道路的车辆会车情况，旨在帮助驾驶人员在无交通信号灯覆盖的路口，能够更好地保障自身驾驶安全。

这个消息使我恍然大悟，原来山区道路上急弯处盲区会车预警，并不是路方在路侧布设了智能感知设备，也就是说这种智能并不是来自于公路建养部门、也不是来自交警部门的信息化智能化软硬件的建设，而是导航软件纯粹通过软件算法实现的。其实弯道会车预警功能，该厂商早在今年4月份就在导航软件上实现了，并号称是业内首发的、基于智能手机端实现的盲区预警类创新服务。

这使笔者再次地关注到了智慧交通中的软件定义交通的话题。

软件定义的涵义

我们正处于软件定义一切（SDX）的时代，软件定义网络（SDN）、软件定义汽车、软件定义手机等等概念耳熟能详，信息化、数字化、智能化发展的水平和质量如何，可以说归根结底是由软件决定的，比如说苹果手机IOS、Android系统等，直接在其上构建了一个广泛的智能手机生态，让我们一部智能手机在手，就可以徜徉遨游在智能世界中。

软件定义的本质是通过软件的方法解决资源需求中的冲突和竞争，或者通过软件来调度分配资源，这样既能提供资源利用的效率，也可以满足用户的需求。计算机中的CPU、内存、打印机外设等等都是资源，也称之为计算机硬件，当多个用户共享（竞争）使用这些资源时，在操作系统没有出现的时候，每个用户都要跟这些资源直接打交道，等待这些资源没有被别人占用时才可以使用，这种情况下，计算机硬件资源的利用率不高，用户的工作效率也不高。

当操作系统这个软件出现时，相当于在硬件资源和用户之间增加了一个媒介，软件为用户屏蔽了硬件资源的细节，用户只需向操作系统提出资源需求，操作系统就会根据特定的资源调度策略，为用户分配相应的资源。在操作系统这个软件的作用下，我们就得到一台“软件定义的计算机”，通过这个软件来调度分配计算机资源，既能大幅提升计算机资源的利用率，又可以满足不同用户的差异化需求。

在交通方面，出租车就是一种运输运力资源，在“软件定义出租车”的网约车平台软件出现之前，出租车司机要在路上“空跑”找客，乘客要在路边“空等”找车，更不要说拒载、绕路这些违规现象了，“空跑”是运力资源的浪费，“空等”是乘客的时间浪费，因此，存在运力资源利用率不高，用户需求不好的问题。

当网约车软件出现之后，在运力资源和用户之间增加了软件媒介，用户无需关注运力资源的忙闲状态，他只需在软件平台上下单提交约车需求，输入始发地和目的地，软件平台就会根据运力资源调度策略，为用户匹配相应的网约车，同时还能满足不同用户的差异化乘车需求，如拼车、高端商务车等需求。因此，网约车平台就是通过软件定义了出租车服务。

这里笔者要特别提到软件定义网络（SDN），计算机世界的网络和我们现实世界中的交通路网有很多可以类比的地方，交通是真实世界的连接器，网络是虚拟世界的桥梁，因此，笔者后面涉及到的软件定义交通的理念很多是借鉴了软件定义网络的理念，双方达成的目的也基本是一致的，即负载均衡、差异化控制、智能化调度和拥塞控制等等，达到提升网络（路网）运行效率的目标。

软件定义网络是网络虚拟化的一种实现方式，通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络变得更加智能；在控制面，将网络中交换设备的控制逻辑集中到一个计算设备上，可以提高网络的集中管控能力，支持网络资源调度的智能化和差异化，通过实现网络负载均衡，从而更大发挥网络的效率。

传统交通管理和服务模式的局限

在交通供需中，道路资源的管理者、运输服务的运力资源提供者是供给方，出行者则是需求方，在传统的交通管理和服务模式下，由于供给方和需求方的信息不对称，即供给方不了解有什么样的需求、需求方不了解能资源供给的状态，供给方一般采取固定模式、固定数量的资源供给模式，也就是交通管理者采用了固定的路权分配方法，而出行者的出行时段和路段的选择却有很大“随机性”，固定性与随机性导致了较为严重的供需错位，既可能造成资源的浪费、效率不高的问题；也会带来供需冲突，也可能造成资源供给不足、或者资源利用不均衡的问题。

传统交通管理和服务模式，笔者称之为“铁板一块”，对资源的管理和调度缺乏应有的弹性。比如城市交通中的交叉口固定时序、固定时长信号灯控制方法，会导致绿灯信号因无车通行空放的问题和长时间红灯信号排队拥堵的问题，所以我们经常会看到同向的道路上，直行车道空空如野而左转车道上却排起了长长的车队的现象。

城市道路固定路权分配大多数情况下采取的是平均主义的方法，同一道路双向的车道数量一定是相同的，城市通勤潮汐特征对这样的固定路权的分配方式带来了严重的挑战，特定时段（如集中上下班期间）潮汐特征带来了城市道路双向车道一个方向车流拥堵另一个方向车少人稀的严重不均衡的问题。从整个路网运行效率看，固定路权分配模式实质上是没有对道路相关资源按需进行调度和再分配，路网负载很难达到相对均衡，这就导致了路网运行效率普遍不高问题。

从需求端来看，以司乘人员为例，其出行路线规划大多是依靠经验和习惯，比如优先选择熟悉的线路、优先选择主干道、最短路径优先等等，由于掌握不了及时的路况信息，所以，其在路线选择上，有时候就避免不了遇上了交通拥堵，从而增加了路上的时间，长时间的拥堵会导致出行体验不佳，甚至出现 “路怒族”群体。

关于软件定义交通的理解

Software Defined Transportation

是否有一种方法能让交通管理者实时感知路网交通流（负载）状态、根据交通流需求变化实时动态分配路权或者调度道路资源，从而将“铁板一块”的交通变成弹性的交通，从而提升整体路网运行的效率？同时，从出行者的角度来看，是否有一种根据路网实时状态动态规划出行路径，尽量避免拥堵路段或者拥堵时段，从而改善个体出行时间、提升出行体验？

智慧交通中软件定义交通的方法（Software Defined Transportation，SDT）为这种交通运行中的效率问题提供了一种解决手段，当然软件定义交通能够解决的不仅仅是交通中的效率的问题，它还可以为交通实现公平普惠、安全便捷、绿色低碳等提供一些解决手段，比如本文开头中的导航软件定义盲区会车预警功能就是很好的软件定义交通安全的例子，可以有效地降低安全事故。

相比于依靠硬件尤其是大量布设的感知设备、边缘设备而言，软件实现的智慧交通优势在于通过软件的不断升级迭代，其功能会越来越强大和完善，对用户而言只要更新软件就可以使用软件的最新功能；而大量硬件的维护工作和设备的快速更新换代，都是非常艰巨的任务和巨大的挑战。

但是，值得提醒的是，软件定义交通的方法在整体的智慧交通体系中，它也不是万能钥匙，有其实现的前提和特定化的场景，也有其功能上的局限。软件定义交通的优势在于其不依赖大量的硬件设备的配置和安装，软件的功能可以持续迭代升级，越迭代其功能就会越来越强大，从成本和易维护性上来说都优于大规模的硬件建设的模式；升级后的软件可以迅速触达到所有用户，即升级即使用，比如导航软件、网约车软件等等。

 软件定义交通的实现有赖于云计算（分布式计算）技术、大数据技术、人工智能、无线网络通信技术尤其是4G/5G通信技术、北斗导航定位技术、浮动车数据以及移动智能终端等等的兴起和技术的不断进步，尤其4G/5G移动通信为交通移动化场景提供了快速信息连接、北斗则为交通移动化场景提供了实时的位置感知（车道级）（见本人拙文《5G+北斗，交通行业新基建的正确打开方式》）。

目前城市交管部门推进的统一信控平台建设工作可以使交管部门在统一的路网运行状态视角下通过软件的方法对城市道路区域或全域道路交通资源进行实时调控和优化，这与网络通信中的软件定义网络（SDN）的思想非常一致。统一信控平台基本遵循感知（浮动车位置、移动终端定位等车道级定位数据）、计算（控制策略、算法）、决策（资源调度）、执行（按新的路权、信号时序通行）、再感知这样的循环过程，从这个角度看，笔者将这种软件定义交通的方式可以纳入交通工程的范畴。

对于出行者而言，主要是通过软件做出合理的出行路径规划，然后按照推荐的规划路径完成一次出行任务，其遵循提出需求（输入出发、目的地）、软件路径计算（根据浮动车实时数据、可以选择高速优先、最短路径优先等等路线规划策略）、软件推荐可选路径、选择路径、执行路径的驾驶导航等这样的过程。

对软件定义交通做一个不太精确的定义，就是把物理世界的交通状态通过感知技术在数字空间实时展现、把物理世界交通运行的管理、调度、规划的方法策略通过算法设计、深度学习人工智能的方法等通过软件编程实现，并反作用到物理世界交通资源的调控、分配中，从而提升交通资源的利用效率和提升个体出行的时间效率。

这样的定义可能会便于下面软件定义交通场景案例的描述，更像是路网调度的软件方法问题，通过软件控制或者调度实现道路虚拟化、差异化和智能化，借鉴软件定义网络的思想，将一条条道路、一条条车道、一个个交叉口看作是路网的资源，通过软件的方法提升这些资源的利用率，从而提升路网运行的效率，缓解拥堵，减少司乘人员的驾乘时间。

这只是软件定义交通的一个方面而已，作为一个更广泛的概念，软件定义交通当然还包括软件定义公交、软件定义道路客运实现的定制客运、软件定义货运（网络货运）等等，这些都可以有效地提升运力资源效率，限于篇幅的限制，下面对这方面就不再赘述。

软件定义交通的场景

（一）弹性交通之道—基于统一信控平台的城市道路资源的动态调控与优化

单点交叉口信号灯动态调控之由“车看灯”到“灯看车”

交叉口信号灯固定时序、时长与各方向随机到达的车流量会造成诸多的矛盾，比如当前方向绿灯时长为30秒，如果车辆很少10秒钟就全部通过了路口，那么就会造成绿灯信号空放的问题，而此时其他方向可能因长时间的红灯信号已经造成了交通拥堵。智能化的交叉口可以实时感知路口的排队长度，根据排队长度为不同方向分配绿灯信号时长，形象的比喻就是由信号灯“看”车流长度，动态进行调整，这样的智能交叉口可以大大提升交通的通行效率，这个过程就可以由软件完成实现。

但单点交叉口信号灯的动态调控容易对上下游交叉口的交通流造成扰动，如果每一个交叉口都进行单点动态调控，会造成合成谬误，即微观上看每一个路口都进行了动态信号调控，但宏观上的路网运行的效率反而会更差了。因此，单点信号动态调控的选择尤其大量的交叉口选择是需要谨慎考虑的。

虚拟快速路之城市道路绿波带

在城市的一些主干道，交管部门通过统一信控平台，对主干道上联网信号灯路口设置相位差，改变上、下游路口绿灯的启亮时间，使车辆以一定的速度或者速度区间在该主干道上行驶使，就可以实现一路绿灯通过主干道沿线的所有路口。这就当于用软件控制的方法将有红绿灯的主干道虚拟化成了一条城市的快速路，大大提升了主干道的通行效率。

绿波带效果的发挥一方面有赖于司乘人员对绿波带的了解，加大宣传力度；另一方面也依赖于司乘人员严格按照绿波带通行的速度建议进行驾驶。同时，绿波带的畅通在城市的平峰时段更容易达成，高峰时段因车流量过大可能效果会大打折扣。

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交通流负载均衡控制和路网效率之全域（区域）信控优化

统一信控平台为交管部门提供了全局的路网运行态势感知能力，这就为自适应信控系统提供了有力的支撑，笔者认为路网级的自适应系统一方面能够做到减少路口车辆长时间排队现象，另一方面通过自适应控制能够将引导车流能够均衡地分布到路网中，改变路网中道路忙闲不均的问题。自适应信控系统需要建立很好的算法模型和人工智能技术的支撑。最近，襄阳市车联网先导区“智慧网联+智慧交管”全域融合的模式，经车联网系统优化后的信控信号，通过交警统一信控平台下发到各个智能路口，可以让襄阳中心城区的红绿灯实现秒级自适应控制，这是一个比较好的区域信控优化的案例。

动态路权分配之可变（潮汐）车道

前面提到了城市交通的潮汐特征，在潮汐特征明显的路段设置潮汐车道，对于提升路网运行效率和路段通行效率是显而易见的。潮汐车道通行方向的变化显然是信控后台根据检测到的实时潮汐车流特征动态进行设置，这就是动态路权分配的问题。

另一个场景则是路口的左转车道通常只设置一条、直行车道设置多条的情形。经常出现这样的情况：左转车道出现了排长队车辆要等几轮红灯才能通过，而直行车道却出现了绿灯空放的现象。为了解决这种忙闲不均的问题，可变车道应运而生，当出现路口左转排长队的时候，为了加大左转车辆的通行效率，可变车道设置为左转方向，当左转排队消除后，可变车道设置为直行方向。这也是根据车道流量感知动态分配路权的问题。

（二）软件定义出行—基于导航软件地图的个体出行规划与导航

现在司乘人员的出行尤其是在陌生的场景下，几乎已经离不开导航软件地图了，司机只要在车载导航地图或者手机导航软件上输入始发地、目的地后，基于融合浮动车位置数据等多源实时感知数据，导航地图对当前的路网态势有较为准确的感知，哪里拥堵、哪里畅通、哪里事发生故、哪里进行了管制等等，基于对路网运行状态的感知，导航地图会为司机避开拥堵路段、事故路段、管制路段等，为其规划一条合理、相对畅通的路线，并能够基本准确地预估抵达时间，司机只要按照导航地图的提示驾驶就可以顺利抵达终点，这就是“导航软件定义的出行路线”，也即“软件定义出行”。

导航地图显著提升了司机的感知能力，为司机提供了全局的交通运行状态视角，导航语音播报使司机在眼观六路的同时做到了耳听八方，由此，减轻了司机驾乘过程中的自我导航的负担。通过语音提示，可以避免诸如超速、错过出入口等等很多的事故风险概率，提升驾乘的安全性。

导航地图通过接入交通信号灯灯态信息、或者通过算法算出来灯态信息（有一定的误差）后，实现了灯态信息上图，这种条件下，能够通过“软件定义绿波”的方法实现“动态虚拟绿波”，做到“凡路皆可绿波”，提升司机驾乘的效率。前面提到的实体绿波带是交管部门通过“软件定义信控”的方法，定义了一条虚拟的快速路。但现实中的实体绿波带有诸多物理条件限制，并不是所有道路、随时随地都可以有绿波。

具有灯态信息的导航软件地图，当司机用导航地图规划出行时，其出行路线上经过路口的灯态变化信息导航地图也就掌握了，当司机通过一个路口时的接下来一个或者连续几个路口的灯态变化，如果在合理的速度区间抵达，能以绿灯直接通过，那么导航地图就会以语音播报的方式，提醒司机要保持该速度区间驾驶，可以连续绿波通过这些路口。

实际上，这个绿波并不是实体绿波，是导航地图通过软件定义的虚拟绿波，在任何道路上、任何满足绿灯连续通行的条件下都会以语音播报方式提醒司机绿波通行，所以能够做到“凡路皆可绿波”，绿波建议引导能够明显减少司机个体出行时间成本和提升驾乘体验。

每一个人看见的实体路网的视图都是一样的，但不同的司乘群体通过导航软件的软件定义路网，看到的逻辑路网就各不一样了，软件定义路网对不同的群体而言，其所能“看到”就是其所能通行的区域，比如城市中限制大型货车进入的区域，这在导航软件上对这类车型的司机就是不可“见”的，在导航路线规划上，软件会避开此类区域，从而避免“闯禁”问题的发生。

在限号出行的城市，被限号的车辆其导航地图上的逻辑路网视图为“无”，因此，导航软件在限行时段不会为其规划路线。再比如杭州亚运会这样的大型活动，为了保障赛事的顺利举办，会有很多针对不同类型车辆限行的措施，那么在导航软件上针对不同车辆的导航路线的规划，都会自然避开其对应的限制区域。

因此，导航软件地图这个软件对个体出行者而言，既减轻了自我规划导航的负担，又提升了出行的效率，更重要的是会避免很多人为的错误，保证了驾驶出行的安全。

（三）差异化收费政策下的客货车分流—高速公路高效运行可能的场景

交通运输部等三部委印发的高速公路差异化收费实施方案的一个目的是提高高速公路网通行效率。现实影响路网运行效率的一个因素是客货车混行，尤其是在双向四车道的这样主通道上，客货车混行对路网运行效率影响尤甚，如果客车限速为120公里、货车为100公里、重载货车为80公里，那么按照木桶理论的短板效应，那么这条高速公路的整体通行时速为80公里左右。同时，密集的客货车混行，因超车等导致的安全风险更高，事故损失更大。

如果有平行的A、B两条类似的高速公路，那么可以考虑采用差异化收费是政策实现客货车分流，比如客车行驶在A高速公路上其收费比B低，反之，货车行驶在B高速公路上其收费比A低，那么这个收费政策反应在导航软件的行驶路径规划上，软件就会根据收费最便宜的原则，将客车引流到A高速公路上、货车引流到B高速公路上，一个显而易见的好处是A高速公路上的通行效率会有明显的提升。相当于用软件的方法虚拟化了一条客车专用通道和一条货车专用通道。

虽然技术上可行，但如果A、B两条高速公路由不同的经营主体运营，这就牵涉到了运营方的通行费收益的问题，这种情况下的差异化收费的策略就很难得以落实。

结语

软件定义交通是一个更广泛的范畴，是智慧交通的重要的实现方法，笔者坚信其有更强的生命力和引领力，本文只是抛砖引玉，对其进行了较为肤浅的描述，限于笔者学识水平能力，有些观点或者表达并一定正确，请行业内外专家学者批评指正。