車路協(xié)同環(huán)境下的交通工程

王云鵬，魯光泉，于海洋

（北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

一、前言

傳統(tǒng)的智能交通系統(tǒng)通過“感傳知用”實(shí)現(xiàn)交通要素一體化集成，是道路交通有序運(yùn)行的重要保障。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，車輛由駕駛輔助向協(xié)同智能發(fā)展已成定勢，車路協(xié)同技術(shù)作為解決交通安全問題、提升通行效率的重要技術(shù)手段日益受到國內(nèi)外學(xué)者和交通行業(yè)管理部門的重視[1]。車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步改變交通系統(tǒng)的組織形式、運(yùn)營模式和運(yùn)行方式，引發(fā)交通系統(tǒng)技術(shù)的一系列變革性發(fā)展。交通工程學(xué)科需要在新的技術(shù)環(huán)境下發(fā)展新的理論體系，建立新的技術(shù)架構(gòu)。

二、交通系統(tǒng)是人車路耦合的復(fù)雜系統(tǒng)

交通運(yùn)輸系統(tǒng)包括載運(yùn)工具、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營服務(wù)等要素，涵蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營等內(nèi)容，旨在實(shí)現(xiàn)高效、安全、綠色等目標(biāo)[2]。交通運(yùn)輸工程其所涵蓋的內(nèi)容越來越廣泛而發(fā)散，但所有的交通技術(shù)都必須堅(jiān)持交通運(yùn)輸工程系統(tǒng)性的理念。交通運(yùn)輸系統(tǒng)是人車路等交通要素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各種行為都是人車路交通要素相互作用的結(jié)果，任何目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都與人車路之間的作用密切相關(guān)。因此，不能把人車路割裂開來，而應(yīng)站在系統(tǒng)的高度談交通工程。

人車路的耦合關(guān)系首先表現(xiàn)在駕駛行為上。駕駛行為在表象上體現(xiàn)在駕駛過程中，可分為三個(gè)階段：路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃和軌跡控制。路徑規(guī)劃階段涉及到駕駛?cè)藢?duì)路徑選擇行為、宏觀的路網(wǎng)規(guī)劃，以及車路間的匹配等。駕駛?cè)肆?xí)慣于選擇自己熟悉的路，或是根據(jù)路網(wǎng)交通狀態(tài)信息選擇路徑，這是人與路網(wǎng)的耦合；不同的車需要走不同的路，受大型車輛道路條件（如限高等）的影響，大型車輛駕駛?cè)说穆窂竭x擇受到車與道路的耦合關(guān)系的限制。因此，人車路等交通要素之間的耦合關(guān)系很大程度上影響著路徑規(guī)劃的過程。軌跡規(guī)劃及控制相比路徑規(guī)劃更為微觀，涉及車輛在運(yùn)行過程中的具體運(yùn)動(dòng)過程，如換道、跟馳、超車等。車車、車路之間的耦合關(guān)系對(duì)軌跡規(guī)劃存在一定的約束，人車、車路之間的關(guān)系也影響著駕駛?cè)藢?duì)于車輛的操控行為。

人車路的耦合關(guān)系也體現(xiàn)在交通流特征上。如單車道的通行能力很大程度上取決于駕駛?cè)藢?duì)于車頭時(shí)距的選擇，這是人車路相互作用的結(jié)果；換道行為影響車流的穩(wěn)定性，這是車與車相互作用的結(jié)果；這些都會(huì)影響交通流特征，從而影響道路通行能力和服務(wù)水平。

人車路的耦合關(guān)系還是交通設(shè)計(jì)組織的基礎(chǔ)。比如設(shè)計(jì)視距時(shí)需要結(jié)合人的行為特征以及車路的參數(shù)，達(dá)到相互協(xié)調(diào)的目的。坡道、彎道、橋梁的幾何設(shè)計(jì)也需要考慮到車與路之間的相互作用關(guān)系。而道路交通的信號(hào)控制與交通流組織更是離不開人車路之間的耦合作用。因此，只有把人車路交互作為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的基本要素來考量，才能在交通設(shè)計(jì)組織時(shí)更游刃有余。

三、從車路協(xié)調(diào)到車路協(xié)同

目前的交通系統(tǒng)主要是從人車路協(xié)調(diào)的角度去設(shè)計(jì)，而將來可能走向人車路協(xié)同的發(fā)展路線。

（一）中國交通發(fā)展進(jìn)入新的階段

目前中國的道路交通系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。我國的高速公路面積密度已經(jīng)達(dá)到了1.4 km/100 km2，高于美國的1.1 km/100 km2，低于日本的2.2 km/100 km2；而高速公路每萬輛車所擁有的高速公路里程數(shù)已經(jīng)超過了美國和日本。到2020年前后，大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)張式建設(shè)將基本結(jié)束，主要的工作轉(zhuǎn)向設(shè)施完善及服務(wù)提升。那么如何才能更好地利用現(xiàn)有的交通資源來提升服務(wù)水平呢？利用新技術(shù)提升現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)能力是重要的解決手段。

（二）新技術(shù)釋放交通系統(tǒng)能力

2030年后，交通系統(tǒng)將更多地結(jié)合新技術(shù)來提升交通的體驗(yàn)、提供多樣化的出行服務(wù)。有預(yù)測表明智能交通技術(shù)的應(yīng)用能夠使交通系統(tǒng)的能力提升1.5倍。目前，交通技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出如下趨勢：載運(yùn)工具智能化的快速發(fā)展；信息技術(shù)與交通深度融合；交通系統(tǒng)呈協(xié)同運(yùn)行趨勢。近年來以構(gòu)建車路協(xié)同系統(tǒng)為目標(biāo)的研究也引起了廣泛重視[3]。

1. 載運(yùn)工具智能化

載運(yùn)工具智能化的發(fā)展速度遠(yuǎn)超想象，無人駕駛汽車近年來一直處在行業(yè)的風(fēng)口浪尖，成為高校、企業(yè)和媒體的寵兒。無人駕駛汽車作為繼智能手機(jī)之后的下一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)的主要終端，將是汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的一個(gè)重要趨勢[4]。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）把汽車智能化水平分為五級(jí)。其中0級(jí)為人工駕駛；1級(jí)為具有特殊功能的智能化；2級(jí)為具有多項(xiàng)功能的智能化；3級(jí)為具有限制條件的無人駕駛；4級(jí)為全工況無人駕駛。目前許多中高級(jí)車輛已經(jīng)具備了1級(jí)到2級(jí)的車輛智能化水平，而3級(jí)無人駕駛是正在突破的技術(shù)瓶頸，全球各地正在測試驗(yàn)證。然而，單獨(dú)以車輛為主體的自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)，需要很強(qiáng)的人工智能技術(shù)、高昂的經(jīng)濟(jì)成本和較難預(yù)測的時(shí)間周期。目前其安全性和可靠性仍有較大局限，難以在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用，迫切需要借助完備的車路信息交互下的聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控實(shí)現(xiàn)車路各要素的智能一體化耦合與協(xié)同，達(dá)到系統(tǒng)總體的最優(yōu)。車路之間的發(fā)展實(shí)際上是相互促進(jìn)的過程，而無人駕駛汽車出現(xiàn)之后，交通設(shè)施也需要做出相應(yīng)的變化來適應(yīng)其發(fā)展。汽車的智能化已經(jīng)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的智能化提出了新的需求。

2. 信息技術(shù)與交通深度融合

移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)對(duì)于交通工程科技的改變是革命性的，兩者的深度融合催生了諸多交通行業(yè)的新業(yè)態(tài)[5]。如移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用在租車行業(yè)產(chǎn)生汽車共享服務(wù)；大數(shù)據(jù)與交通行業(yè)的融合更是對(duì)交通信息采集、分析與預(yù)測產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著信息技術(shù)與交通的深度融合，新的業(yè)態(tài)、新的運(yùn)行模式還在不斷產(chǎn)生。國內(nèi)外專家對(duì)車路協(xié)同也給予了極大的期待。

3. 交通系統(tǒng)呈現(xiàn)協(xié)同運(yùn)行趨勢

傳統(tǒng)的自動(dòng)駕駛汽車在發(fā)展初期甚至目前階段，都是考慮讓車輛更智能地適應(yīng)現(xiàn)有的交通系統(tǒng)。比如利用機(jī)器視覺識(shí)別道路標(biāo)線，但這在一定程度上增加了計(jì)算負(fù)荷，同時(shí)降低了可靠性。而隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，車與車之間的互聯(lián)，車與基礎(chǔ)設(shè)施之間的互聯(lián)得到了越來越廣泛的關(guān)注。如果交通系統(tǒng)能夠稍微做一些改變，實(shí)際效果往往可能事半功倍。如標(biāo)線、標(biāo)志信息電子化后能夠直接發(fā)送給車輛，對(duì)于自動(dòng)駕駛的設(shè)計(jì)也是革命性的變化。因此，未來的交通系統(tǒng)不僅僅包括車輛的智能化，還涵蓋車與人車路等對(duì)象的互聯(lián)互通及互操作[6]。

綜上所述，傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)通過平、縱曲線設(shè)計(jì)，視距設(shè)計(jì)及路側(cè)環(huán)境設(shè)計(jì)等方法來實(shí)現(xiàn)人車路的協(xié)調(diào)，達(dá)到高效、安全、綠色的目標(biāo)。但在未來的交通系統(tǒng)中，高度智能化的車輛將變成主要交通元素，車車/車路間的信息交互能力不斷增強(qiáng)，車輛能夠根據(jù)道路信息調(diào)整行為，路也能夠根據(jù)車的行為調(diào)整狀態(tài)。因此，未來將通過構(gòu)建動(dòng)態(tài)的車路協(xié)同系統(tǒng)使整個(gè)交通系統(tǒng)更高效、更安全、更環(huán)保。

四、車路協(xié)同系統(tǒng)帶來的交通工程變化

理想的車路協(xié)同狀態(tài)下，車輛都具備高度自動(dòng)駕駛能力，將傳統(tǒng)交通系統(tǒng)中的人為因素弱化甚至去除，所以交通系統(tǒng)中的諸多模式將發(fā)生變化。感知模式從駕駛?cè)烁兄優(yōu)檐囕v感知；決策模式由駕駛?cè)藳Q策變?yōu)闄C(jī)器決策；管控模式從交通誘導(dǎo)變?yōu)檐囕v主動(dòng)控制。傳統(tǒng)交通系統(tǒng)是時(shí)變、強(qiáng)非線性、不連續(xù)、不可控、不可測的，理論上是無解的，因?yàn)榈缆飞系钠嚩疾皇芸?。而車路協(xié)同系統(tǒng)卻有可能通過模型解構(gòu)將其變成可控可解的問題，使一切問題回歸到物理領(lǐng)域[7]。

《交通工程手冊》中將交通工程學(xué)定義為：研究道路交通中人、車、路、環(huán)境之間的關(guān)系，探討道路交通規(guī)律，建立交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)、控制和管理的理論方法，以及有關(guān)設(shè)施、裝備、法律和法規(guī)等，使道路交通更加安全、高效、快捷、舒適的一門技術(shù)科學(xué)。交通工程教科書中所涵蓋的內(nèi)容基本為交通調(diào)查、交通流理論、通行能力、服務(wù)水平、交通規(guī)劃等。那么，車路協(xié)同將給這些交通工程的內(nèi)容帶來什么樣的變化呢？

首先是交通調(diào)查的變化，獲取參數(shù)方式從傳統(tǒng)的人工觀察、地磁到多傳感器、全時(shí)空的自動(dòng)采集，基本解決了交通可測性問題。分析方法從問卷調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到多傳感器數(shù)據(jù)融合；數(shù)據(jù)顆粒度也從斷面、局部數(shù)據(jù)變?yōu)榫珳?zhǔn)的全時(shí)空軌跡數(shù)據(jù)。

在交通流理論方面，傳統(tǒng)的交通流理論主要基于動(dòng)力學(xué)分析，個(gè)體相對(duì)獨(dú)立、被動(dòng)反應(yīng)，而在車路協(xié)同環(huán)境下，信息交互性強(qiáng)、協(xié)同性好，更多地將通過數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)。

車路協(xié)同能夠充分挖掘現(xiàn)有交通系統(tǒng)的資源，在提高服務(wù)水平和通行能力的同時(shí)也使其變得更為彈性。目前成熟的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）技術(shù)能夠極大地提高高速公路出入口的服務(wù)水平，車路協(xié)同的發(fā)展不但可以使收費(fèi)系統(tǒng)得到極大的改善，還能夠?qū)崿F(xiàn)目前ETC技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的電子路票、按里程收費(fèi)等更多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的潮汐車道一般通過固定的標(biāo)志標(biāo)線實(shí)現(xiàn)控制，而車路協(xié)同環(huán)境下，可以通過實(shí)時(shí)的交通狀態(tài)來調(diào)整潮汐車道的數(shù)量和方向。

在交通規(guī)劃上，眾所周知，傳統(tǒng)的交通規(guī)劃的交通起訖點(diǎn)調(diào)查（OD調(diào)查）普遍存在難以解決的諸多問題。車路協(xié)同環(huán)境下的大數(shù)據(jù)技術(shù)將給城市交通規(guī)劃的建模仿真帶來革命性變化。

交通管理與控制方面的變化涉及多源、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)態(tài)勢分析以及精細(xì)化的交通控制。主要涵蓋交通信息采集的變化：從斷面信息到軌跡全息；交通管理方法的變化：從現(xiàn)場、人工操作到遠(yuǎn)程信息化管理；交通控制方法的變化：從交通流群體控制到車輛個(gè)體控制。

傳統(tǒng)的交通安全比較關(guān)注駕駛?cè)?，著重于提高駕駛?cè)藢?duì)于車輛控制的安全性，而將來更可能以系統(tǒng)可靠性為重點(diǎn)。車車、車路的協(xié)同作用將突破傳統(tǒng)的駕駛視距限制，達(dá)到超視距預(yù)警控制的目的。此外，駕駛過程中的控制模式由駕駛?cè)丝刂妻D(zhuǎn)變?yōu)槿藱C(jī)共駕，這也將帶來人機(jī)交互協(xié)同的安全問題。

交通設(shè)施未來將向數(shù)字化、智能化、共享化方向發(fā)展。目前的交通設(shè)施主要為適應(yīng)駕駛?cè)硕O(shè)計(jì)，能適應(yīng)人機(jī)共駕、適應(yīng)車路協(xié)同、適應(yīng)自動(dòng)駕駛、適應(yīng)智能車的控制是未來交通設(shè)施應(yīng)著力解決的問題。

五、需要解決的科學(xué)問題

在車路協(xié)同環(huán)境下，許多交通科學(xué)上的基礎(chǔ)理論方法都面臨著重構(gòu)的過程[8]。

（1）車路協(xié)同環(huán)境下的交通系統(tǒng)要素運(yùn)行規(guī)律。車路協(xié)同環(huán)境下交通系統(tǒng)要素的運(yùn)行規(guī)律明顯區(qū)別于有駕駛?cè)丝刂栖囕v的交通系統(tǒng)，主要包括車路協(xié)同環(huán)境下的車車/車路耦合機(jī)理以及群體車輛與道路設(shè)施的協(xié)同運(yùn)行機(jī)理等。

（2）個(gè)體服務(wù)與群體控制的平衡機(jī)理。理想的完全無人駕駛情況下，理論上可以精確控制到每一輛車、服務(wù)到每一個(gè)人。如此一來，在面臨個(gè)體最優(yōu)與系統(tǒng)最優(yōu)的矛盾時(shí)，平衡精準(zhǔn)服務(wù)與群體優(yōu)化顯得至關(guān)重要。

（3）面向車路協(xié)同的新型智能基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建理論與方法。一方面，在智能車輛、無人駕駛成熟之后，道路需要做出變化來適應(yīng)車輛的變化；另一方面，優(yōu)化車輛感知的數(shù)字化道路系統(tǒng)，使其在環(huán)境感知方面更可靠、更精準(zhǔn)。

（4）不同智能等級(jí)車輛混行條件下的交通設(shè)計(jì)。無人駕駛的目標(biāo)并不是一蹴而就的，其發(fā)展過程必定要經(jīng)歷不同智能等級(jí)混行的階段，而交通系統(tǒng)也將長時(shí)間處于人機(jī)共駕的狀態(tài)。因此在這種情況下進(jìn)行交通設(shè)計(jì)以讓系統(tǒng)最優(yōu)，也是亟待解決的問題。

（5）智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)與外部環(huán)境的耦合關(guān)系。交通本身并不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，而車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展將不斷加強(qiáng)未來交通與外部環(huán)境的耦合關(guān)系。比如智能網(wǎng)聯(lián)交通與能源網(wǎng)、信息網(wǎng)、支付網(wǎng)、交通網(wǎng)等的耦合，涉及包括電子收費(fèi)、環(huán)境污染、城市擁堵等方面。

六、結(jié)語

總而言之，交通系統(tǒng)整體上是一個(gè)人–車–路耦合的系統(tǒng)，交通工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)也需要考慮系統(tǒng)各元素之間的關(guān)系和相互作用。目前我國道路交通也在從以建設(shè)為主，走向存量優(yōu)化的過渡階段。車路協(xié)同將是未來交通發(fā)展的必然趨勢。因此，交通工程學(xué)科的發(fā)展也應(yīng)該適應(yīng)交通發(fā)展的新趨勢，從前瞻性的角度研究解決在該趨勢下的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

車路協(xié)同系統(tǒng)的交通工程重構(gòu)需要汽車、交通、通信等領(lǐng)域的全面、深度融合，作為跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的系統(tǒng)工程，需將其視為集國家法律、中國標(biāo)準(zhǔn)、國家科技創(chuàng)新、智能制造以及市場經(jīng)濟(jì)模式下的社會(huì)服務(wù)等多重要素于一體的系統(tǒng)性“國家工程”，按照“堅(jiān)定的國家意志、活躍的科技力量、嚴(yán)肅的市場經(jīng)濟(jì)”三位一體的組織方式，著力夯實(shí)控制與感知硬件、核心軟件、可靠通信、核心平臺(tái)等技術(shù)演進(jìn)與產(chǎn)業(yè)化相關(guān)聯(lián)配套的工程，堅(jiān)持迭代地推動(dòng)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)落地，在國家重大標(biāo)志性工程及重點(diǎn)城市先行示范應(yīng)用，最終完成現(xiàn)有交通工程模式的轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從而在未來10年產(chǎn)生萬億級(jí)的國民經(jīng)濟(jì)的新增長點(diǎn)。

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