基于時空圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通預(yù)測

金仲明

達(dá)摩院城市大腦是國家首批人工智能開放創(chuàng)新平臺之一，城市大腦從總體來說，是希望通過AI+算力，基于城市當(dāng)中的大規(guī)模數(shù)據(jù)發(fā)揮價值，服務(wù)整個城市，包括城市安全、人民幸福以及經(jīng)濟(jì)繁榮。

城市大腦首先需要匯集大量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源有微波、線圈、GP等，還有一些需要通過大量復(fù)雜計算才能獲取的數(shù)據(jù)，城市大腦通過計算機視覺計算對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、認(rèn)知、理解。城市普遍都會存在道路交通擁堵的煩惱，我們?nèi)绻肓私猱a(chǎn)生交通擁堵狀況的原因，就可以交給城市大腦進(jìn)行深度挖掘，充分判斷到底是因為出行汽車流量過大，還是因為交通事故的發(fā)生，進(jìn)而提出應(yīng)對措施，比如調(diào)配紅綠燈，使道路交通更通暢，這就屬于決策方面的內(nèi)容。決策性行為的完成可以幫助城市大腦做更深入的挖掘，去觸摸整個城市的運行規(guī)律，包括擁堵的原因和交通事故發(fā)生的規(guī)律等。挖掘信息的最終目的是對未來進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測未來一段時間的交通出行流量的變化，預(yù)測未來一段時間事故發(fā)生的概率，預(yù)測未來一段時間交通發(fā)生擁堵的概率，并且既可以進(jìn)行短時間范圍內(nèi)的預(yù)測，也可以進(jìn)行長時間范圍內(nèi)的預(yù)測。

城市大腦的預(yù)測性行為的完美執(zhí)行面臨著一些挑戰(zhàn)，由于人的主觀意識變化的不可預(yù)測性，生活中一個矛盾點的產(chǎn)生就會導(dǎo)致不同出行選擇的可能性，一旦要舉辦大型活動，每個人的出行選擇難以琢磨，就會使城市的交通流變得很復(fù)雜，這種時候如何進(jìn)行預(yù)測，是一項非常大的挑戰(zhàn)。

城市大腦在預(yù)測工作完成后就要開始準(zhǔn)備進(jìn)行有效的干預(yù)，以避免擁堵和事故的發(fā)生。從數(shù)據(jù)接入到大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析挖掘，再到預(yù)測、干預(yù)是城市大腦的一條行為鏈路，包括三大組成部分：第一部分是數(shù)據(jù)的接入，第二部分是在線和離線的計算，第三部分是數(shù)據(jù)的挖掘。

關(guān)于杭州城市大腦的整體設(shè)計，我們主要做了三個方面的事情：第一方面是我們對城市路口數(shù)量、交通流量，以及每個路口的車輛流量進(jìn)行實時的監(jiān)測;第二方面是對交通事件的預(yù)測感知，通過遍布城市的攝像頭進(jìn)行視覺認(rèn)知識別，并結(jié)合大數(shù)據(jù)實時地感知交通事件發(fā)生的地點、事件性質(zhì)和事態(tài)等級等;第三方面是結(jié)合得到的交通態(tài)勢和事件感知信息調(diào)配信號燈，優(yōu)化信號燈，使道路變得更通暢。

城市大腦結(jié)合各種各樣的數(shù)據(jù)，包括流量數(shù)據(jù)、交通事故的數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)等，把整個城市的交通流抽象成水波的流動，一個波紋推動另一個波紋。也就是說，在某一個交通路口未來一段時間的交通流的變化會受到周圍交通流的影響，這個影響包括兩方面：一個是流量，另一個是速度。我們將周圍交通流傳播規(guī)律與被測路口交通流傳播變化的關(guān)系映射作為研究場景，構(gòu)建一個深度學(xué)習(xí)的AI模型，探索城市交通流的變化規(guī)律，建立起動態(tài)的交通流預(yù)測模型。這個預(yù)測模型包括兩方面：一個是對實時交通流變化的刻畫，另一個是對交通流未來變化規(guī)律的刻畫。

預(yù)測的目的是做出有效的干預(yù)，干預(yù)性行為又會反饋回來影響數(shù)據(jù)分布，進(jìn)而影響到預(yù)測的模型，我們把這種動態(tài)的變化與技術(shù)相結(jié)合，以此評價未來一段時間交通流流量分布情況，制定優(yōu)化流量速度的方案。我們希望在城市大腦運作的過程中能生成干預(yù)數(shù)據(jù)，使干預(yù)數(shù)據(jù)進(jìn)入行為鏈路，形成一個動態(tài)調(diào)整的環(huán)路，得到更好的交通狀況預(yù)測結(jié)果，這其實就是預(yù)測干預(yù)的動態(tài)模型。

城市大腦本身是人工智能開放創(chuàng)新平臺，包括了數(shù)據(jù)接入、大規(guī)模數(shù)據(jù)分析，以及搜索挖掘預(yù)測。城市大腦用到很多開源的軟件和技術(shù)，其中最核心的是實時分析和計算。阿里巴巴在開源社區(qū)有一個專門針對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析和各種各樣實時的、離線的計算框架，整個框架流程很靈活，可以依據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)流程調(diào)動適合的算法，可以應(yīng)用在不同的異構(gòu)平臺上，包括CPU、GPU、AI專用芯片。城市大腦要完成一個動態(tài)的、實時的有效操作，無論是在交通應(yīng)用方面，還是在未來其他的應(yīng)用方面，都需要接入實時數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)分析，這就需要低延時、高并發(fā)的技術(shù)，這其中包含的模型很復(fù)雜，比如識別模型，搜索模型，預(yù)測模型等，我們需要接入不同的模型來使實時性得到保證。

城市大腦是一個開源、開放的平臺，對于城市大腦項目，開放是一個非常重要的任務(wù)。它能夠支持第三方的算法接入，能夠很好地保證第三方算法安全、穩(wěn)定地運行在這個平臺上面，有效保護(hù)IPU的安全，不會泄漏里面的具體模型細(xì)節(jié)、代碼，用戶可以很放心地在這樣的開源平臺上面運行。

現(xiàn)在智慧城市的切入點主要在交通領(lǐng)域，未來我們希望通過技術(shù)去覆蓋更多的行業(yè)，包括安全、環(huán)境、醫(yī)療健康等領(lǐng)域，我們希望能夠更好地挖掘城市當(dāng)中的痛點，通過AI技術(shù)解決這些問題。阿里巴巴希望能夠和更多合作伙伴一起將智慧城市的生態(tài)建立起來，讓城市能夠更美好。

（根據(jù)演講內(nèi)容整理，未經(jīng)本人審核）