宋軒：讓城市更智慧

吳應清

他2010年在北京大學獲得了工學博士學位，之后進入東京大學空間信息科學中心歷任博士后、特任助理教授、特任副教授、副教授，并于2017年入選了日本國家卓越研究員計劃。他的主要研究方向為人工智能、大數(shù)據(jù)分析、城市計算、智慧城市等。如今，他載著夢想，帶著知識，來到于一個新型的城市——深圳，為智慧城市發(fā)展貢獻著自己的力量——他就是南方科技大學研究員宋軒。

疫情之下，連續(xù)奮戰(zhàn)構建模擬推演平臺

14世紀的黑死病，19世紀的霍亂大流行……當那些人類與疫病的慘烈遭遇已經(jīng)淹沒于時間隧道的時候，我們似乎已經(jīng)證明了人類文明的勝利。然而，新冠肺炎疫情的全球爆發(fā)，再次將“瘟疫與人”的古老命題，帶到人類面前。在經(jīng)歷了大航海時代的全球化之后，疫病以其傳染的本質，迅速蔓延全球。截至2020年7月20日，約翰斯.霍普金斯大學發(fā)布的世界188個國家、地區(qū)和郵輪的疫情數(shù)據(jù)顯示，全球累計確診1453008例，累計死亡606810例，死亡率4.2%。

此刻，南方科技大學計算機科學與工程系的實驗室里，宋軒和他的研究團隊，已經(jīng)連續(xù)奮戰(zhàn)數(shù)月。他們的工作，是針對新冠病毒的傳播，在城市尺度上構建細粒度預測模型和模擬推演平臺。

在新冠肺炎疫情爆發(fā)后，南方科技大學緊急成立“新冠病毒傳播建模預測項目組”，宋軒擔任項目攻關負責人。面對重任，宋軒表示，“作為一名中國科學家，責無旁貸”。該項目組的研究成員，主要來自南科大計算機科學與工程系和南方科技大學-東京大學超智慧城市聯(lián)合研究中心，他們的研究背景大多是計算機科學。

推演平臺是一個針對新冠病毒傳播的大數(shù)據(jù)分析和AI建模平臺，通過整合、處理和分析各類多模態(tài)人流移動和出行大數(shù)據(jù)，結合新一代的人工智能技術，完成對新冠病毒的傳播和感染人群細粒度建模，從而實現(xiàn)在城市區(qū)域內(nèi)細粒度預測、模擬和動態(tài)推演傳播感染情況。宋軒告訴記者，“推演平臺最重要的功能是預測和模擬推演，其模型完全由數(shù)據(jù)驅動，需要使用人流大數(shù)據(jù)進行訓練和優(yōu)化”。研究團隊夜以繼日地工作，就是為了優(yōu)化訓練模型，通過大數(shù)據(jù)完成預測模型的迭代訓練，并輸出相關的預測和模擬推演的可視化結果。這一過程中，平臺模型的預測和模擬推演精度是由訓練數(shù)據(jù)的質量、精細度和覆蓋度決定的。因此，模型建設完成之后的第二個重難點就轉移到了數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)最重要的是在保護用戶隱私的基礎上高效使用。

為了最大限度地保護隱私，宋軒團隊需要在不跟蹤個人移動軌跡、僅使用聚合數(shù)據(jù)的情況下完成模型訓練，這對模型選擇和算法設計提出了更高的要求。經(jīng)過近一個月的研發(fā)，平臺可以通過新冠病毒和人流移動的映射模型的建立，對傳染概率進行確定，對潛伏期與傳染代數(shù)等進行分析，同時也分析隱藏病患、風險人群和潛在病原地的挖掘。在這些功能基礎上，平臺還可以實現(xiàn)在城市尺度上，基于人流移動的新型冠狀病毒傳播感染情況的細粒度預測和模擬，并根據(jù)預測結論制定不同的隔離和公共防疫政策，助力高效抗疫。

在平臺研發(fā)過程中，宋軒越來越感覺到，在自然界的災難和病毒面前，人類是渺小的。戰(zhàn)勝它，人類需要跨越國家、宗教和種族的界限，聯(lián)合起來。宋軒表示，作為科學工作者，雖不能像奮戰(zhàn)一線的醫(yī)護人員一般舍生忘死地抗疫，但也希望可以盡一份綿薄之力。針對平臺的研發(fā)、維護與使用，宋軒表示，后續(xù)將與相關部門開展合作，集合多方數(shù)據(jù)接入平臺，進行更深層的測試，并完善改進平臺。與此同時，平臺也將無償提供給防疫部門使用，通過用戶對實際需求的反饋，不斷優(yōu)化平臺功能，助力新冠疫情的常態(tài)化精準防控。

災難之中，構建災難人流遷徙預測模型

2011年3月11日，日本東北部太平洋海域發(fā)生震級達到9.0級的地震，被稱為繼1960年智利瓦爾迪維亞9.5級、1964年美國阿拉斯加州威廉王子灣9.2級、1957年美國阿拉斯加州安德烈亞諾夫群島9.1級、2004年印度尼西亞蘇門答臘島9.3級之后的歷史第五大地震。此次地震震中位于日本宮城縣以東，宮城、福島、巖手等地的大量災民被海嘯卷走，還直接引發(fā)了福島第一核電站核泄漏。這次災難，也成為人類歷史上最大的復合型災難之一。

那一年，宋軒通過對海量人流移動數(shù)據(jù)的分析，研發(fā)了多個應急人流移動預測模型。同時，他又研發(fā)了一套用于分析災后災民避難遷徙情況的智能決策系統(tǒng)，幫助日本政府高效地制定災后重建國家政策。

正是在不斷地歷煉與實踐中，宋軒團隊研發(fā)出了較為成熟的針對災難行為進行分析的數(shù)據(jù)挖掘算法和針對災難移動行為進行預測和推斷的模型。通過理論建模，在災難發(fā)生的第一時間，可以將數(shù)據(jù)導入模型，指導救災。同時，他們基于海量數(shù)據(jù)開發(fā)了針對災難行為的分析和推斷系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以自動對災難事故中的人類災難遷移行為進行挖掘、分析和預測。

災難面前，沖在第一線已經(jīng)成為宋軒的生活和科研常態(tài)。能將自己的一技之長，應用于社會，為人類造福，宋軒是幸福的。

探究城市智能化管理，服務國家重大需求

城市化是一個不太可逆的進程。21世紀進入第二個十年，短短5年內(nèi)，已經(jīng)有超過半數(shù)的全球人口實現(xiàn)了城鎮(zhèn)化，而此后，每周都有300萬新的農(nóng)村人口來到城市定居。隨著越來越多的人口涌向城市，鱗次櫛比的水泥高樓取代了郁郁蔥蔥的有氧森林，川流不息的街道取代了波光粼粼的湖面，各種各樣的“城市病”層出不窮。在當今世界信息化發(fā)展的大趨勢下，傳統(tǒng)的城市管理和交通調(diào)度手段已經(jīng)不再適應現(xiàn)在社會發(fā)展的需要。因此，城市大腦平臺以及各類智能交通平臺作為智慧城市的重要組成部分，成為未來城市信息化、數(shù)字化的重要發(fā)展方向。

宋軒說，城市大腦平臺和智能交通平臺可以充分運用人工智能、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、自動控制、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，通過高新技術匯集城市信息化領域全方面以及城市管理全過程進行管控支撐，以保障出行安全、發(fā)揮城市基礎設施效能、提升交通系統(tǒng)運行效率和城市治理水平，最大程度上緩解各類“城市病”。而在這之中，城市尺度下的人流建模和預測研究則是重中之重。

通過大數(shù)據(jù)，分析與挖掘城市尺度上的人類移動行為的感知、理解，并進行建模、模擬和預測，是宋軒早在日本做訪問學生時就開始的一項研究。

這要從他在北京大學攻讀人工智能說起。當時，宋軒所在的北京大學智能科學系，是國內(nèi)第一個人工智能專業(yè)。宋軒說，“在讀碩士博士的時候，人工智能還是一個比較冷門的專業(yè)”。他當時所在的實驗室，叫視覺與聽覺實驗室。導師是實驗室主任，因此宋軒就跟著導師在實驗室做人工智能計算機視覺方面的研究。他的學習方向，自然就專注于人工智能。

后來，宋軒到日本東京大學做交換生，跟隨導師學習空間信息處理。畢業(yè)后，宋軒到東京大學做博士后，在東京大學空間信息科技中心，主要是對時空大數(shù)據(jù)進行分析，包括遙感救災和人流移動的挖掘、災難應急管理等。同時，他自己的專業(yè)方向還是人工智能。所以，宋軒在信息科技中心主要做的事情，就是把人工智能技術應用于時空大數(shù)據(jù)分析。此時，宋軒開始關注城市數(shù)據(jù)，并著力解決一些城市問題。

通過對歷史數(shù)據(jù)的挖掘，得到關于城市內(nèi)在規(guī)律性的模式。通過對實時數(shù)據(jù)的分析，能夠推斷城市當前的狀態(tài)。然而對于城市問題的解決，僅僅通過分析是不夠的，還需要人們能夠根據(jù)分析結果提出切實可行的決策方案。這需要綜合考慮多方面因素，在優(yōu)化目標與現(xiàn)實約束中尋求最優(yōu)的組合解。宋軒所做的，就是通過分析數(shù)據(jù)，建模實踐，精準預測和模擬，實現(xiàn)組合最優(yōu)解。

通過數(shù)據(jù)分析與挖掘，宋軒提出并設計了一個針對人類應急行為和移動軌跡進行建模的多任務深度學習模型，該模型可以有效地融合多模態(tài)城市大數(shù)據(jù)，并可以在城市尺度下對人流移動進行較高精度的模擬和預測；他還提出了一個針對城市人流移動的瞬時預測模型，該模型可以在獲得較少觀測數(shù)據(jù)的情況下對瞬時人流移動實現(xiàn)精準預測，并對可能發(fā)生的城市應急事件提出預警；基于上述模型宋軒設計并開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)的城市應急管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在發(fā)生大規(guī)模災難時進行預測和模擬。

在這一領域，宋軒團隊已經(jīng)深耕10年之久，在國際高水平期刊會議上發(fā)表論文80余篇，獲得了UbiComp 2015的最佳論文提名獎，研究成果被聯(lián)合國“全球脈動”和探索頻道重點報道。宋軒及其研究團隊在日本落地了多個人流預測、智能交通、城市應急管理的系統(tǒng)?，F(xiàn)在，宋軒將這一研究成果運用于災難應急和重大傳染病防疫，取得了良好的效果。

如今，宋軒來到位于深圳的南方科技大學，為城市智能化管理以及城市大腦平臺的研究與發(fā)展，進行更多的探索，在祖國城市數(shù)字化、城市信息化、智慧城市領域，貢獻自己的力量。