“小问题”助力城市交通管理“大提升”

金建刚(左二)与毕业生合影。

■本报记者张双虎

地铁是城市居民通勤和出行的重要工具，但以地铁为主的城市公共交通系统经常遭遇故障、重大活动、节日庆典等突发或特殊事件的“考验”。公共交通系统中的“突发特殊事件”虽然不一定会带来巨大的直接损失，但影响面广，地铁服务频繁中断会给公众造成极大不便。

在国家自然科学基金委员会(NSFC)和加拿大魁北克研究基金会的支持下，上海交通大学教授金建刚和加拿大蒙特利尔大学教授Aurelie Labbe共同对突发和特殊事件对旅客出行的影响进行了深入研究。利用运营优化和机器学习的理论和方法，他们提出了一套“轨道交通应急接驳系统”，并借助网络疏散的策略，在仿真中将乘客平均延误时间从43分钟降低到18分钟，延误30分钟以上的乘客从79%降低到13%。

注意你身边的“小问题”。

提到研究的初衷，金建刚直言是从一次长途旅行开始的。

2011年，金建刚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，地铁是金建刚日常出行的首选。2011年底，新加坡地铁突然发生故障，导致市中心11个地铁站服务中断，地铁停运5小时，严重影响了数十万人的出行。

因为从事交通研究，这次地铁停运引起了金建刚的特别关注。他查阅文献，搜索相关报道，发现新加坡地铁突发故障或停运非常频繁。

“超大型城市，包括国内一些地铁建设较早的城市，经常出现供电、轨道、列车故障导致的地铁运营中断。”金建刚告诉《中国科学报》，“当我来到上海交通大学工作时，我和我的同事经常遇到类似的问题。”

金建刚课题组长期跟踪各类公交系统案例，所以关注上海申通地铁集团官方微博，会实时发布一些运营信息，一旦遇到故障，会迅速推送消息，提醒大家换乘其他交通工具。课题组跟踪一段时间后发现，上海地铁各种故障发生的频率非常高。

2022年11月11日早高峰期间，上海地铁11号线嘉定新城站供电设备发生故障。故障本身并不严重，却导致地铁停运3小时。虽然地铁公司紧急联系上海市交通委，调集80辆公交摆渡车在嘉定北-南翔、安亭-南翔路段地面运营，但仍造成大面积拥堵。

“当天地铁停运甚至导致地铁沿线地面交通和高架道路拥堵。我的一个朋友也被卡在高架桥里，动弹不得。”金建刚说。

课题组在调研中发现，面对突发故障，目前的地铁运营部门很难快速掌握受影响的客流有多大，需要安排多少车辆，需要多长时间解决问题。通常的反应仍然是根据经验，呼叫连接车辆疏散地铁沿线的乘客。

“其实预测客流和客运需求并不难。大数据和机器学习模型可以进行预测，为地铁运营管理提供依据。”金建刚说。

中国和加拿大合作解决应急管理问题

2019年9月，中国自然科学基金委员会与加拿大魁北克研究基金会根据双边合作协议，联合发布了以“智慧城市与大数据”为主题的合作研究项目指南，资助中国与加拿大魁北克科学家开展相关领域的合作研究。

这让金建刚看到了机会。他迅速联系合作伙伴，准备深入探讨突发、特殊事件对乘客出行的影响，为城市公交系统运营管理部门提供政策建议和决策支持。

“我们在申请这个项目时有两个优势:一是与Aurelie Labbe教授有良好的合作基础；第二，蒙特利尔规模小，但公交系统发达，所以对比上海作为案例研究。‘一大一小’的案例非常典型。”金建刚说。

2020年4月，以金建刚和Aurelie Labbe为首的联合团队在中国和加拿大的支持下，开始了国际合作研究。其中，上海交通大学教授严俊池、同济大学教授王晓磊、上海纽约大学教授陈志斌等10余名研究生组成了中国研究团队。加拿大研究团队由蒙特利尔大学、麦吉尔大学和蒙特利尔理工大学的教授组成。

该项目针对公共交通运营者、即时出行服务提供者和交通、电力基础设施部门在突发、特殊事件下面临的运营管理决策问题，运用数据科学、运营优化、仿真优化等技术开展应急管理研究，为城市公共交通系统运营管理部门提供政策建议和决策支持，提高城市抗灾和智能化水平。

研究团队从需求预测、事后应急响应、事前预防三个维度，为包括轨道交通、公交、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。

从交通流分析的角度，研究团队开展了稳健、灵活的机器学习理论和方法研究，提出了适用于公交流量控制和出行需求预测的机器学习模型；从公交运营部门的角度，开展了突发、特殊事件下轨道交通与公交一体化应急响应和一体化优化研究，构建了应对大客流的快车跳站运行、客流引导、应急公交接驳调度的优化模型和算法；针对即时出行服务需求，开展了突发大客流事件下疏散效率、城市道路交通影响及动态调度优化研究，提出了公交和网约车双模交通系统入口率周界控制方法，构建了共享出行者高效匹配调度模型及求解算法。此外，该团队还开展了交通充电基础设施的需求分析、预防和应急管理研究，讨论了电网汽车共享系统的各项监管政策，并提出了快速充电设施网络的改进建议。

提高城市的韧性和智能。

在这个项目的支持下，金建刚等人开发了一套仿真平台，用可用于实时应急调度的数学优化模型和算法辅助决策管理。如果一条线路发生故障，可以利用仿真平台分析车上有多少人，乘客流向哪里，不同的疏散方式可能带来什么影响。该仿真平台还可以用来比较和优化各种连接方案。

近日，该项目通过了专家组的验收。专家认为，该研究不仅分析了交通流、公交和轨道交通等城市交通系统的疏散和即时服务，还考虑了网络攻击对电力基础设施影响的预测、分析、预防和应急处理。研究成果基于大数据运营优化算法，可为城市公共交通系统运营管理部门提供政策建议和决策支持，有助于提升城市韧性和智能化水平。

"该项目的另一个亮点是人员培训."金建刚补充道，“科学基金的持续支持使团队成员迅速成长。在项目实施过程中，中国团队的4个子项目负责人中有3人获得了国家杰出青年自然科学基金的资助。5人入选省部级人才计划，获科技奖1项。同时培养了一批具有广阔国际视野的研究生，其中博士生8人，硕士生6人。”

在项目执行过程中，中国团队在《交通研究》等交通领域主流期刊和NeurIPS、SIGKDD等人工智能领域主流会议上发表论文50余篇。课题组还向交管部门提交了三份报告，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，我和我的国内外合作伙伴都高度认同这一资助理念。”金建刚说，“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研究人员提供交流机会，为科学研究奠定基础。目前正在与上海地铁运营部门沟通，准备将研究成果应用于实践，以扎实的基础研究解决公众身边的一些具体问题。”