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王飞跃:交通5.0:何以实现智能交通到交通智能?

已有 926 次阅读 2020-11-19 10:40 |个人分类:论文交流|系统分类:论文交流

王飞跃交通5.0:何以实现智能交通到交通智能?


王飞跃,中国科学院自动化研究所研究员、复杂系统管理与控制国家重点实验室主任。他的主要研究领域为复杂系统、智能控制、智能机器人、无人驾驶等。他曾先后当选IEEEINCOSEIFACASME AAAS 等国际学术组织的Fellow,并且主持完成多项国家重大项目。曾获国家自然科学二等奖、IEEE SMC诺伯特.维纳奖。


王飞跃的演讲主题是《平行交通与交通5.0:从智能交通到交通智能》。在本次演讲中,王飞跃对人工智能与智能交通的发展现状和未来趋势进行了系统分析,并重点分享平行交通和交通 5.0 的基础理论、关键技术及最新进展。随着交通系统从机械化、电气化、信息化、网络化到智能化的不断完善和提高,以区块链为核心技术的交通5.0时代为智能社会奠定了基础。为了实现交通5.0和交通智能,王飞跃团队提出基于ACP的平行交通系统体系和研究开发了交通管控云网端协同平台,他和团队的研究成果已经成功应用于广州、青岛、杭州等城市的交通管控中并获得了显著的效果,并且在演讲的最后,王飞跃对人工智能的新未来进行展望。以下为演讲全文。


、来自AlphaGo的启示


王飞跃从AlphaGo将去向何方的问题引出对人工智能在交通领域重要性的探讨。目前,很多人认为AlphaGo已经无新技术可以研究,而王飞跃则认为AlphaGo是一个具有里程碑性质的工作,AlphaGo的出现把我们从Church-Turing Thesis推向AlphaGo Thesis的新时代,这个时代具备以下三个特征:


1. 平行世界:真实VS虚拟,现实的虚拟,虚拟的现实。


2. 从牛顿到默顿:从牛顿的“大定律小数据”到默顿的“大数据小定律”,按照默顿自我实现运营的一个新时代;


3. 智能活动的三部曲,即从小数据生产出大数据,从大数据凝练出深度智能


如何从大数据中提炼出深度智能,AlphaGo就是一个很好的样例。AlphaGo从人类的80万例博弈开始,自我对抗“生产”出7000多万例新的博弈,并利用强化学习提炼出“深”智能的二张网,价值网和对策网,战胜人类的围棋大师。在此基础上,AlphaGo进一步升级,成为AlphaGo Zero,人类博弈的小数据几乎为零,除了博弈规则之外,一例不用,仅凭自我对抗产生的不到3000万例博弈,就炼出一张智能更深的“小智能”网络,将过去的二张网合二为一,回头以100:0的战绩横扫AlphaGo。后来AlphaGo Zero再升级为AlphaZero,不但围棋可下,其它棋也可以下。这些深度智能使得AlphaGo之类变得“聪颖无比”,所以AlphaGo之类将成为未来智能决策及智能产业范式转移的示例和基础。


二、大趋势:三个三与五个五


接着,王飞跃介绍了AI “三个三,五个五” 的大趋势。三个三中的三个IT分别对应三个世界和三个轴心时代,具体为: 


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:人工智能的大趋势

“三个三”:


1. “老”IT工业技术是开发物理世界的工业时代的主要工具,其对应人性大觉醒,以哲学突破为核心的第一轴心时代;


2. “旧”IT信息技术是开发心理世界的信息时代的主要工具,其对应理性大觉醒,以科学突破为核心的第二轴心时代;


3. “新”IT智能技术是开发人工世界的智能时代的主要工具,其对应智性大觉醒,以技术突破为核心的第三轴心时代。


   “五个五” :


1. 大5G:从Grid 1.0Grid 5,即交通网,能源网,信息网,物联网及智联网;


2. 大5G的建设促使社会形态发生的巨变:五个范例,交通变成社会交通,能源变成社会能源,计算变成社会计算,3D打印机器人使制造会变成社会制造,最重要的是智能变成社会智能,最终社会变成智能社会,智慧社会。


3. 大5G建设完成后会形成大网,它把三个世界紧密联系在一起。并且在智能科技时代将数据的力量,计算的力量,算法的力量,网络的力量,区块链的力量融合在一起,形成五力合一”。


其中,区块链带给平行智能的技术特点为:TRUE(可信、可靠、可用、高效)+DAO(分布式的去中心化、自主性的自动化、组织化的有序性),从平方道D2A2O2-平行道迈向平行智能。要实现平行智能必须要有一个五度空间才可行。


1. 五度空间(CPSS物理空间,网络空间,人工世界,心理世界,物理世界),并将人与社会因素放在核心的位置,人是万物的度量,人必须是这五度空间的主人公。


2. 五类产业形态(工业1.0,2.0,3.0,4.0)很自然转变为工业5.0,认为我们仍在第三工业革命之中,它包括工业4.0和工业5.0二个阶级,虽然工业4.0和工业5.0的核心都是ICT+CPS,但是工业4.0是以工业自动化思维为基础。它们之间最主要的差别为从工业自动化向知识自动化的转变(图2)。王飞跃2000年和2004年的一篇题为《平行系统方法和复杂系统管理与控制》的文章正式引出了平行系统及工业5.0概念。


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图2:工业4.0迈向工业5.0


三、新理论: CPSSACP


然而,若想实现智能化就必须从CPS转变为CPSS,并且智能化的核心为知识自动化。即ARVR和人工智能之外,还要是通过平行系统实现的自动化智能。未来的机器就是一个平行机(图3所示),这个平行机把物理的牛顿机和软件定义的默顿机合二为一,把物理,社会,网络空间打通,把云端和边缘串起来,通过小数据生成大数据,把大数据变成小智能。因此,这个平行机可能给我们带来一系列新的工作,如决策、法务、评估、学习工程师等。 4为平行系统的理论计算框架(其中包括控制部分)。


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3:基于CPSS的平行机

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4:平行系统理论框架


2011复杂系统管理与控制国家重点实验室成立,其研究核心为发展平行智能与平行科技,主要研究平行管理与控制、平行机器人,平行制造、平行医药,平行健康、平行社会,平行生态等等。为什么要研究平行?回顾使人工智能陷入十年寒冬的Lighthill报告,当时,Lingthill认为人工智能的研究已经很久,但还在研究ABC水平的问题。有一部分学者研究先进自动化A,另一部分学者研究计算机仿真CNSC,而这两部分跨度太大,如何可以使两个世界联系更加密切呢?这就来了第三波人,利用机器人“桥”,Bridge,就是B。但是,干了25年,桥还是建的不好,还在水下,不行无法跨越“认知鸿沟”。王飞跃提出通过大数据填充鸿沟并提炼平行智能,再由平行系统架桥实现端到端的联结,跨越认知的鸿沟(图5所示)。


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5:平行智能:跨越知识鸿沟

 

为什么大数据和平行可以合在一起?首先,大数据的实质为“数据说话”,预测未来的最好方式就是创造未来”:


1. 数据说话多了就变成了人工社会(A)及软件定义的社会,变成社会的数字孪生,即描述智能;


2. 预测未来就是计算实验(C)把小数据变成大数据,把大数据变成小智能,即预测智能;


3. 创造未来就是虚拟世界与现实世界合二为一,通过平行执行(P)实现虚实空间之间的反馈闭环,即引导智能。

 

通过上述大数据的三点本质可以实现从以前在物理世界“吃一堑”、在知识世界“长一智”,变到在知识世界“吃一堑,吃多堑”、在物理世界“长一智,长多智”,通过大数据和平行智能达到在物理世界低成本高性能高智能的目标。

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 6 :大数据与基于ACP的平行系统


四、智能交通系统的新时代:从平行交通到交通5.0


随后,王飞跃介绍了如何将平行智能应用到交通领域。交通50%是工程复杂性,50%是社会复杂性,所以交通领域是一个天然应用平行智能的场景。图7为平行交通系统体系, PTMS(平行交通管理系统)既包括真实交通系统又含有虚拟交通系统,它使得计算机变成交通实验室用来进行实验评估、学习与培训和控制管理,然后把相应的硬件合成起来变成社会交通,图8是平行交通系统的软件接口。

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:平行交通系统体系

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图8 :平行交通系统软件接口示意图


上述虚实互动平行交通管理体系架构与技术可以解决交通领域的以下难题:


1. 应用人工交通作为交通数据输出器可以解决交通领域存在交通参与主体众多,影响因素复杂等研究难题,


2. 将计算机作为交通实验室,把小数据变成大数据,大数据变成小智能解决交通领域实验成本高,可重复性低的难题;


3. 通过虚实空间平行执行及双闭环控制解决交通领域决策效率低,控制质量差的问题。


虚实互动平行交通管理系统的最终目标是建成可认知,可计算,决策优的智慧交通系统。为实现这个虚实互动的平行交通管理系统,王飞跃提出了基于实验设计、自适应动态规划的大规模路网交通预案实验和优化方法;构建了交通实验场景生成和预案评估的计算引擎平台实现软件定义的交通场景;此外,他提出的基于人机混合增强智能的交通推荐技术,攻克了城市交通管控决策过程复杂、效率低、可靠性差等问题。


针对传统交通感知系统面临适用环境单一、安装条件受限、设备成本高、系统化程度低、无法满足复杂交通场景的精细刻画和管控需求等一系列难题,王飞跃提出了交通平行视觉感知技术,这个技术可以产生一个从少量真实场景快速生成大规模虚拟场景(人工场景)的方法,这个方法提高了虚实互动交通视觉模型的精度和鲁棒性,并且有效的解决了复杂交通场景数据难获取、标注成本高等问题。


在基于无线传感网的城市交通空间综合感知技术应用方面:王飞跃构建了融合多模式交通行为特性的传感网络拓扑结构设计与优化方法(图9),并提出了多源异构交通数据分层关联融合方法,这些方法大大提升了交通感知范围广域化和感知要素精细化水平。


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图9 :多模式交通行为特性传感网络架构


针对城市交通管控平台技术标准不统一的问题,以及我国城市交通在交通流组成、路网结构、出行习惯等方面的独特性,王飞跃通过基于交通云端模糊神经元网络与边缘侧模糊规则融合模型和城市道路混合交通智能协同控制关键技术开发了集主动控制、防溢流控制、关联控制于一体的交通管控云网端协同平台(图10),这个平台的原则是当地简单,远程复杂。


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图10 :云网端协同网络化交通平台关键技术

 

这个平台可以实现实际交通的按需控制。目前,这个平台主要应用的城市有青岛,苏州,广州等城市。


1. 平行交通:济南人工交通系统。这项应用主要是通过仿真进行交通压力测试,即假如城市拥有一百万辆车时实际交通到底怎么样?09的仿真实验结果表明只要路网中的车辆数目达到设计量约15%就会出现交通拥堵情况,而两年前杭州市的实测车辆数据显示当车辆数约等于设计量的15%会出现交通堵塞,这个数据印证了济南人工交通系统仿真结果的真实性。


2. 广州亚运会公共交通平行管理系统。这个系统可以把所有公共交通出行报告和方案在计算机实行进行评估,以优化公交的调度。这个系统特点是它采用平行控制理论,通过实际系统与人工系统的相互连接,通过对二者之间的行为进行对比和分析,完成对各自未来的状况的“借鉴”和“预估相应地调节各自的管理与控制方式;这个系统的应用效果是它可以和智能公交监控调度系统无缝接驳,实现对全市60多条线路8000多台公交车以及400多台中小巴平均每天130000条发班班次的实时优化与管理。


3. 青岛平行交通系统。这个系统可以实现人工交通和实际交通互动,该系统的实施效果为:主干道通行时间减少20%,主干道车辆停车次数减少45%,关键路段的早高峰拥堵里程减少30%,车辆平均行驶时间减少25%,路网通行效率提高43.39%,显著改善了青岛的交通环境。


4. 杭州西湖做交通推荐系统(实时配属系统)。王飞跃首次提出交通推荐系统的概念并将其应用到智能交通领域,这个交通推荐系统大大减少了拥堵报警,错误报警的次数,并且大大降低报警事件的平均处理时间(大约为一个红绿灯交替时间)。

 

接着,王飞跃讲述平行驾驶可以将虚拟驾驶和实际驾驶同步起来,提高交通运行效率。关于如何通过AlphaGo理论,实现智能交通系统的未来---从平行交通迈向交通的5.0,王飞跃把交通领域的发展划分为一百年。目前,他认为交通也进入了第五代系统,从以前的机器能源(交通1.0),电动(交通2.0),信息化(交通3.0),网络化(交通4.0),到即将迈进的平行交通(智能化交通,交通5.0)。若想实现交通5.0区块链技术必不可少,通过区块链把五个交通合成交通5.0(图11),把城市、公共、物流、静态、社会交通合二为一,打通部门之间的利益交割,做到即保密又公开,区块链可以解决各部门之间的矛盾,做到即安全又可靠,所以区块链技术为交通5.0的核心。并且未来社会的发展一定要是通过智能交通迈向智慧城市。


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图11 :交通5.0的核心技术---区块链


五、结语及展望:AI新未来


演讲最后,王飞跃对人工智能的新未来进行展望。关于人工智能可能会威胁人类的这一说法,王飞跃并不认为人工智能对人类会产生威胁。正如Godel定理所述,Godel不相信机器、计算机能超过人,除非数学不是人类发明的,就算数学不是人类发明的,计算机机器也超不过人的大脑。王飞跃把算法总结分为三个层次,第一个是算法智能,第二个是语言智能,第三个是想象智能。并且算法智能<<语言智能<<想象智能。正如爱因斯坦所言,智能的真正标识不是知识,而是想象。王飞跃相信人工智能及“新”IT智能技术是人类的朋友,相信人工智能会使人类社会更加开放、更加公平并且智能科技是时代的召唤和科技发展的必然结果,它不是人类的威胁,我们应以激动心、敬畏心和平常心面对人工智能的发展。此外,王飞跃希望人工智能只是过去的冬天和夏天,还要有春光明媚的春天和硕果累累的秋天。中国在人工智能的研究方面要自己的话语权,力争创造“人工智能的直道,在直道自然行车,别强调什么超车。就是超过什么人什么国,也与你我或中国无关!”。

 

参考文献:


[1] Fei-Yue Wang, Jun Jason Zhang, Xinhu Zheng, Xiao Wang, Yong Yuan, Xiaoxiao Dai, Jie Zhang, Liuqing Yang, Where does alpha Go go: from Church-Turing Thesis to Alpha Go thesis and beyond", IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica 2016,Vo.3,No.2,pp.113-120.


[2] Fei-Yue Wang. Wang Xiao, Li Li et al Steps toward Parallel Intelligence. IEEE/CAT JLS, 2016. 3(4): 345-348.


[3] Fei-Yue Wang, " Parallel Control and Management for Intelligent Transportation Systems: Concepts, Architectures, and Applications. "in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol, 11, no. 3, pp. 630-638, Sept. 2010.


[4] Wang. Fei-Yue. Five Transportations in One-A New Direction for ITS From Qingdao[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems 2015.


[5] Yuan Yong, Fei-Yue Wang. Towards blockchain-based intelligent transportation systems[C]//2016 IEEE 19th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE, 2016: 2663-2668.


[6] Fei-Yue Wang, A framework for social signal processing and analysis: from social sensing networks to computational dialectical analytic "China Academic Information Science, 2013, 43: 1598-16l1, doi:101360/N112013-00094.




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