應(yīng)用第一性原理思維探索未來城市交通變革

伍速鋒

(中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100037)

應(yīng)用第一性原理思維探索未來城市交通變革

伍速鋒

(中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100037)

第一屆寶馬未來出行青年實(shí)踐營活動選取北京市三里屯地區(qū)作為研究對象，鼓勵國內(nèi)外青年學(xué)者對該地區(qū)進(jìn)行仔細(xì)調(diào)研、深入研究，提出有針對性的解決方案。參與過程中應(yīng)用第一性原理思維，對交通系統(tǒng)中的人、車、路和環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)梳理。第一性原理思維本質(zhì)是通過發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的基本規(guī)律，突破性地對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和變革?；趯θ锿偷貐^(qū)現(xiàn)狀公共交通、道路運(yùn)行、出行環(huán)境等方面的分析，創(chuàng)新性地提出該地區(qū)未來交通系統(tǒng)的優(yōu)化思路。方案涉及車輛共享、無人駕駛、空間維度、動態(tài)調(diào)整停車費(fèi)、出行積分制等方面。結(jié)果表明，該思維方式是從底層規(guī)律研究問題，更容易得到創(chuàng)新性的解決方法。

城市交通；交通變革；第一性原理；公共交通；無人駕駛

0 引言

交通工程學(xué)是把道路工程和軌道交通工程中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)物(道路、軌道，以下簡稱“路”)、汽車工程和運(yùn)輸工程中的動態(tài)物體(車輛，以下簡稱“車”)、人體工程中的人(行人、駕駛?cè)?、乘?，綜合在統(tǒng)一的交通環(huán)境中進(jìn)行研究，以尋找通行能力最大、交通事故最少、交通公害最低的科學(xué)措施，從而達(dá)到安全、便利、有效、經(jīng)濟(jì)、舒適和低公害的目的[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市不斷擴(kuò)張和交通工具迅猛增長，交通問題成為城市的焦點(diǎn)問題之一。寶馬(中國)汽車貿(mào)易有限公司、中國人民對外友好協(xié)會、中國城市規(guī)劃學(xué)會城市交通規(guī)劃學(xué)術(shù)委員會和宇恒可持續(xù)交通研究中心等單位聯(lián)合組織了第一屆寶馬未來出行青年實(shí)踐營活動?；顒舆x取北京市三里屯地區(qū)作為研究對象，鼓勵國內(nèi)外青年學(xué)者對該地區(qū)進(jìn)行仔細(xì)調(diào)研、深入研究，提出有針對性的解決方案?；顒又黝}是“更好的未來，更好的生活”(BetterFuture,BetterLife)。該活動旨在通過建立公益平臺鼓勵青年人為中國社會未來交通提供解決方案。

筆者在參與該活動中，應(yīng)用第一性原理思維，對人、車、路和環(huán)境四大要素及其相互關(guān)系進(jìn)行梳理，指導(dǎo)隊(duì)員對三里屯地區(qū)的未來交通模式進(jìn)行暢想，最終獲得最佳設(shè)計(jì)呈現(xiàn)獎。

1 第一性原理思維

第一性原理思維是近幾年的一個(gè)創(chuàng)新性熱門詞匯，最早由古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出：“在每個(gè)系統(tǒng)探索中存在第一性原理。第一性原理是基本的命題和假設(shè)，不能被省略和刪除，也不能被違反?！盵2]從物理學(xué)角度，第一性原理是最基本的物理定律。硅谷創(chuàng)業(yè)家埃隆·馬斯克在電動汽車、火箭發(fā)射等領(lǐng)域均做出杰出貢獻(xiàn)，他非常強(qiáng)調(diào)第一性原理思維的重要性：“我們運(yùn)用第一性原理而不是比較思維去思考問題非常重要。我們在生活中總是傾向于比較，對別人已經(jīng)做過或者正在做的事情我們也都去做，這樣發(fā)展的結(jié)果只能產(chǎn)生細(xì)小的迭代發(fā)展。第一性原理的思想方式是用物理學(xué)的角度看待世界，也就是說一層層撥開事物表象，看到里面的本質(zhì)，再從本質(zhì)一層層往上走?！盵2]

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的人、車、路和環(huán)境四大要素及其相互關(guān)系有望發(fā)生變革。無人駕駛技術(shù)的發(fā)展正在促進(jìn)人和車的關(guān)系變革?，F(xiàn)狀交通環(huán)境中車輛主要由人駕駛，駕駛?cè)说男睦?、生理和行為特征對車輛行駛有重要影響。人在駕駛車輛的過程中，總是遵循著刺激—感覺—判斷—行動的活動規(guī)律。駕駛?cè)藢囕v進(jìn)行制動的反應(yīng)時(shí)間是影響駕駛安全的重要因素，包括接受刺激后大腦反射時(shí)間、腳從加速踏板移動到制動踏板的更換時(shí)間以及踩下制動踏板到制動器起作用的制動傳遞延誤時(shí)間，三者總和一般需要2～3 s[3]。而無人駕駛汽車能達(dá)到0.2 s[4]。無人駕駛汽車普及后，車輛與車輛的安全車距將大幅縮短，車輛還可以自行進(jìn)入停車場停放，對用車模式也會產(chǎn)生巨大影響。未來道路和車輛的關(guān)系也可能發(fā)生變革。法國已經(jīng)建成1 km長的太陽能公路試驗(yàn)段(見圖1)，太陽能道路可給路燈提供電源，還能為1 000人的村莊提供照明用電。遠(yuǎn)期還考慮在太陽能面板中加入發(fā)光粒子，使路面升級為屏幕，實(shí)現(xiàn)動態(tài)劃分車道和調(diào)節(jié)車輛限速等功能[5]。

在城市交通領(lǐng)域，比較思維經(jīng)常被應(yīng)用，但這種思維方式也存在一定的缺陷。文獻(xiàn)[6]提出了比較思維方式可能存在的問題。例如，很多城市對停車配建指標(biāo)缺乏認(rèn)真研究，習(xí)慣于借鑒其他城市的指標(biāo)，很可能重復(fù)其他城市的錯(cuò)誤。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，如果沒有合理的停車收費(fèi)費(fèi)率，難以通過單純的設(shè)施供給滿足停車需求，容易陷入停車位不足—增加停車位—小汽車出行增加—停車位再次不足的惡性循環(huán)。文獻(xiàn)[6]從第一性原理出發(fā)，通過小汽車年均行駛里程、停車位每年的實(shí)際成本和實(shí)收費(fèi)用等數(shù)據(jù)，計(jì)算得出結(jié)論：小汽車免費(fèi)停車或者低于實(shí)際成本的停車費(fèi)，相當(dāng)于給小汽車提供變相停車補(bǔ)貼，這一補(bǔ)貼甚至超過每次出行的平均油費(fèi)，因此提出抑制小汽車出行，必須讓停車收費(fèi)回歸合理值。從國內(nèi)外的緩堵效果來看，提高停車收費(fèi)費(fèi)率也確實(shí)是最有效的措施之一。

2 三里屯地區(qū)現(xiàn)狀

三里屯地區(qū)給人的總體印象可以用時(shí)尚、高端、多元來概括。該地區(qū)是時(shí)尚生活聚集地，有太古里、世茂百貨、屯三里、蘋果專賣店等知名商場、商店以及工人體育場、多國大使館。大數(shù)據(jù)分析顯示，三里屯地區(qū)是東城區(qū)和朝陽區(qū)高端餐廳和酒吧的集聚地(見圖2)。無論是工作日還是周末，三里屯凌晨以后出租汽車載客率均高于國貿(mào)、西單等商業(yè)區(qū)(見圖3)，呈現(xiàn)出獨(dú)有的夜生活文化。

總體來看，該地區(qū)活力十足，人流量巨大，因此面臨較為嚴(yán)重的交通問題，主要概括為四個(gè)方面。

1）交通設(shè)施不足，公共交通服務(wù)水平低。

與上海、香港、東京的休閑娛樂文化中心相比(同尺度、同范圍)，三里屯地區(qū)道路網(wǎng)長度和密度不足，軌道交通車站、公共汽車站數(shù)量與密度亦遠(yuǎn)低于其他中心，導(dǎo)致公共交通服務(wù)水平與車站覆蓋率較低(見表1)。

圖1 法國太陽能公路功能示意Fig.1 Functionaldiagram of solarpower roadways in France

圖3 北京市不同商業(yè)區(qū)出租汽車24 h載客率對比Fig.3 24 h taxi loading ratesamong differentcommercialareas in Beijing

表1 不同城市商業(yè)區(qū)交通設(shè)施對比Tab.1 Comparison on transportation infrastructures in commercialareasof differentcities

2）道路運(yùn)行不暢，應(yīng)急保障能力薄弱。

交通擁堵呈現(xiàn)常態(tài)化態(tài)勢。0:00以后交通擁堵也較為嚴(yán)重，位居北京市擁堵地區(qū)排名前列(見表2)。

大型活動交通應(yīng)對能力不足。足球比賽、演唱會甚至蘋果新品發(fā)售，都會造成局部地區(qū)大量人群集聚，人群的疏散給交通帶來瞬時(shí)的巨大壓力(見圖4)，現(xiàn)場缺乏針對性的交通疏導(dǎo)措施。

3）出行環(huán)境不佳，步行和自行車交通是短板。

三里屯作為北京市國際形象對外宣傳的窗口，仍然存在諸多負(fù)面空間。街道品質(zhì)不佳，步行和自行車出行環(huán)境差，安全性低，停車占路、機(jī)非干擾、商販占路現(xiàn)象嚴(yán)重，與其國際化的功能定位極其不符。步行和自行車交通網(wǎng)絡(luò)不連續(xù)，降低了區(qū)域內(nèi)自行車使用強(qiáng)度，導(dǎo)致到達(dá)軌道交通車站的大量短距離出行仍然需要公共汽車接駁(見圖5)。此外，小汽車過度使用也使得該地區(qū)機(jī)動車污染物排放居全市前列(見圖6)。

3 未來交通發(fā)展趨勢

通過對三里屯地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)由于人、車、路和環(huán)境四者之間的不協(xié)調(diào)，交通問題較為嚴(yán)重，影響本地區(qū)品質(zhì)的進(jìn)一步提升，需要對未來的交通狀況進(jìn)行謀劃。

表2 北京市2016年10月某日0:00后交通擁堵排名Tab.2 Traffic congestion rank after0:00 of a typicalday in October,2016 in Beijing

圖4 足球比賽日與平日地鐵車站客流量對比Fig.4 Comparison on subway passenger flowsbetween a football-match day and a normalday

圖5 三里屯地區(qū)地鐵換乘公共汽車的接駁距離Fig.5 Transfer distance between subway and bus in Sanlitun area

圖6 北京市機(jī)動車尾氣排放分布Fig.6 Vehicle emissions in Beijing

初賽階段項(xiàng)目組提出四大改善策略：1)推行共享交通、實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展；2)發(fā)展智慧交通、提高系統(tǒng)整合效益；3)實(shí)施完整街道設(shè)計(jì)、提升街區(qū)環(huán)境品質(zhì)；4)推行停車動態(tài)收費(fèi)、實(shí)現(xiàn)社會效益最大化。策略可操作性較強(qiáng)，但暢想不足，還是局限于國內(nèi)外比較常用的解決措施。在復(fù)賽階段，項(xiàng)目組應(yīng)用第一性原理思維，以人、車、路和環(huán)境四者協(xié)調(diào)發(fā)展為基本目標(biāo)，充分發(fā)揮交通工程師的想象力，提出有新意的解決措施。

3.1 人與車的關(guān)系變革

人與車的關(guān)系可以根據(jù)車輛擁有情況和駕駛模式分為兩個(gè)維度。將人對車的權(quán)屬關(guān)系分為兩種：既擁有所有權(quán)又擁有使用權(quán)；不擁有所有權(quán)但擁有使用權(quán)。將車輛的駕駛模式分為非自動駕駛(或半自動駕駛)和自動駕駛。未來機(jī)動化發(fā)展情形根據(jù)上述兩個(gè)維度分為四類(見圖7)。從資產(chǎn)使用效率而言，共享化的無人駕駛出行模式效率最高。文獻(xiàn)[8]對美國城市新型交通工具銷量進(jìn)行預(yù)測，2040年無人駕駛的共享小汽車將會占據(jù)主導(dǎo)，其他小汽車也有一定的市場份額(見圖8)?？梢灶A(yù)測未來三里屯地區(qū)也將存在這四種情形，交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要合理考慮各自的使用空間。

圖7 未來機(jī)動化發(fā)展情形Fig.7 Development trend of futuremotorization

圖8 美國新型交通工具的市場份額預(yù)測Fig.8 Forecasting onmarketshare of new type vehicles in the U.S.

3.2 車與路的關(guān)系變革

由于城市土地資源嚴(yán)重短缺和交通需求大幅增長，交通擁堵成為大中城市普遍的焦點(diǎn)問題。為高效利用道路資源，一般用水平、垂直和時(shí)間三個(gè)維度來對道路的時(shí)空資源進(jìn)行分隔，再分配給車和人使用。

水平分隔可以將道路分為多條車道，并賦予車輛對其一定的使用權(quán)，除傳統(tǒng)車道外，還有可變車道、公交專用車道、高承載率車道等形式。可變車道根據(jù)車道流量的潮汐特征，定時(shí)增加某個(gè)方向的車道數(shù)，以提升該方向的通行能力[9]。公交專用車道即在規(guī)定時(shí)間內(nèi)只允許公共交通車輛及特殊車輛通行的車道。由于公共汽車相對于小汽車單位面積載客人數(shù)有明顯優(yōu)勢，在公共交通客流較大道路設(shè)置公交專用車道能有效提高通行效率。高承載率車道指在道路上設(shè)置只能供2人及以上乘客的客車使用的專用車道。上述三種方式一般能有效提高通行效率，但從未來科技發(fā)展的角度，三個(gè)維度分類較為粗放，如時(shí)間上一般分為高峰時(shí)段(如7:00—9:00，16:00—19:00)、白天(如7:00—19:00)和24 h。

從第一性原理考慮，空間可以分為三個(gè)維度，再考慮時(shí)間維度，道路的時(shí)空資源可以分為橫向、縱向、垂直和時(shí)間四個(gè)維度。例如，公交專用車道并不完全禁止小汽車通行，只有當(dāng)小汽車可能會干擾公共汽車正常運(yùn)行時(shí)，通過道路顏色變化，對小汽車發(fā)出警示，并督促其駛離該車道。還可以通過道路顏色的變化對各車道的路權(quán)進(jìn)行動態(tài)分配。例如，高峰時(shí)段讓非機(jī)動車有更多的行駛空間，縮減小汽車的行駛空間?；谏鲜隼碚摲治觯?xiàng)目組提出動態(tài)彩色道路的理念，即通過道路顏色的動態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)道路路權(quán)實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)分配(見圖9)。

另外，垂直分隔可以通過道路高架、下穿等形式減少交通流之間的相互干擾。借鑒《北京折疊》《我機(jī)器人》等文藝作品中空間分層的理念，對未來三里屯地區(qū)的空間進(jìn)行暢想：地面層留給步行和自行車交通、公共汽車、出租汽車等使用；高架層供個(gè)人快速公共交通系統(tǒng)(PersonalRapid Transit,PRT)使用；地下一層為地鐵普線；地下二層供地鐵快線和地下貨運(yùn)系統(tǒng)使用，參考倫敦通過管道實(shí)現(xiàn)郵政運(yùn)輸?shù)乃悸?；地下三層供無人駕駛小汽車使用(見圖10和圖11)。

3.3 人、車與環(huán)境的關(guān)系變革

由于供需關(guān)系失衡，三里屯地區(qū)交通壓力巨大，人、車、路和環(huán)境之間產(chǎn)生巨大的負(fù)外部性，其中最突出的表現(xiàn)是交通擁堵，具體表征為時(shí)間延誤、能源浪費(fèi)、大氣污染等負(fù)面效應(yīng)。其解決思路在于通過經(jīng)濟(jì)、行政等手段使外部性內(nèi)部化。

車輛包含行駛和停放兩種狀態(tài)，行駛環(huán)節(jié)的政策主要依托于北京全市的政策，停放環(huán)節(jié)則可以根據(jù)需要制定有針對性的措施。可以在停車管理智能化的基礎(chǔ)上，引入價(jià)格杠桿，緩解停車矛盾，并有效減少車輛為尋找停車位產(chǎn)生的繞行。建立停車收費(fèi)費(fèi)率動態(tài)調(diào)整機(jī)制，根據(jù)停車占有率動態(tài)調(diào)整收費(fèi)價(jià)格，定期(如每兩周)調(diào)整各個(gè)停車場和路內(nèi)停車收費(fèi)費(fèi)率，始終保障15%左右的空置率，堅(jiān)持以社會效益最大化而非收費(fèi)最大化為目標(biāo)(見圖12)。

圖9 彩色動態(tài)道路示意Fig.9 Changeable roadwayswith colorpavement

圖10 空間分層和功能示意Fig.10 Spatialhierarchy and functionaldiagram

圖11 個(gè)人快速公共交通系統(tǒng)布局Fig.11 Layoutof personal rapid transit

圖12 停車場財(cái)務(wù)收入曲線Fig.12 Gross financial revenue curve for parking lots

在車輛使用環(huán)節(jié)通過信用積分制、經(jīng)濟(jì)杠桿進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一模式還可以拓展至交通方式的選擇環(huán)節(jié)，例如對采用軌道交通、公共汽車、個(gè)人快速公共交通、自行車等方式的出行者給予一定的積分獎勵，積分可以用于支付后期個(gè)人小汽車等高資源消耗模式的出行，亦可以兌換獎品、現(xiàn)金等。

4 結(jié)語

交通工程學(xué)研究的人、車、路、環(huán)境等四大要素及其相互關(guān)系，若僅應(yīng)用比較思維，通常只能獲得局部細(xì)節(jié)的突破，甚至被傳統(tǒng)認(rèn)知束縛，重復(fù)其他城市的錯(cuò)誤。在研究其他交通問題時(shí)，也可以利用第一性原理思維，先探求問題的基本規(guī)律，再通過推演、計(jì)算尋求解決辦法。第一性原理思維也存在局限性，當(dāng)研究對象非常復(fù)雜，難以通過推理計(jì)算得出想要的結(jié)論，就需要采用構(gòu)建模型或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等方法來研究。

致謝

參與第一屆“寶馬未來出行青年實(shí)踐營”的中規(guī)院和北工大聯(lián)合體團(tuán)隊(duì)成員有康浩、賴見輝(北京工業(yè)大學(xué))、張洋、曹雄赳、王芮、張毅，團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)老師為伍速鋒。感謝趙一新、毛海虓、吳子嘯對項(xiàng)目的大力支持。

[1]段里仁.城市交通概論：交通工程學(xué)原理與應(yīng)用[M].北京：北京出版社，1984.

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Application of First Princip le in Exp loring Future Urban Transportation Innovation

Wu Sufeng
(China Academy of Urban Planning&Design,Beijing 100037,China)

The first practice camp activities for youth upon BMW's future travel chose Sanlitun area in Beijing as the pilot project.Such an activity encourages youth professionals of China and abroad to propose intensive investigation and research aswell as sorting out the solutions.Based on the first principle,the camp group investigates the relationship among people,vehicle,road,and environment.The essence of firstprinciple is to improve and reform a system by exploring the fundamental law of the system.Based on the analysis on existing public transit,road operation,and travel environment in Sanlitun area,the camp group proposes an innovative scheme for the future transportation.The blue picture of the developed scheme includes several critical elements,including car sharing,driverless technology,spatial dimension,dynam icalparking fees,travelaccumulation system,and etc.The results show thatapplication of firstprinciple isable to gain an innovative solution to this condition.

urban transportation;transportation innovation;firstprinciple;public transit;driverless

1672-5328（2017）04-0084-07

U491

A

10.13813/j.cn11-5141/u.2017.0412

2017-05-26

伍速鋒(1977—)，男，湖北天門人，博士，高級工程師，主要研究方向：交通規(guī)劃。E-mail:wusufeng@126.com