無人駕駛公交專用道系統(tǒng)

上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引 言

隨著人工智能和傳感器技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注，各類科技公司以及車企紛紛發(fā)力，能應(yīng)對大部分行駛環(huán)境的L4級無人駕駛車輛已在實(shí)驗(yàn)場地甚至實(shí)際道路上測試行駛。在實(shí)際的城市道路行駛環(huán)境中，不僅有超車、轉(zhuǎn)向、變道等行駛現(xiàn)象，更會出現(xiàn)非機(jī)動車和行人的干擾等情況，因此實(shí)際的城市道路對無人駕駛技術(shù)要求較高。雖然目前無人駕駛汽車在技術(shù)上已經(jīng)可以在絕大多數(shù)情況下無需人工干預(yù)行駛，但其在復(fù)雜情況的處理能力依然被質(zhì)疑，因而根據(jù)目前無人駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，無人駕駛車輛尚不具備大規(guī)模直接在城市道路復(fù)雜環(huán)境行駛的能力。

目前很多城市公交服務(wù)水平不能滿足居民出行需求，乘客抱怨最多的問題是等候時間長和不準(zhǔn)時。重要原因是公交運(yùn)營的司機(jī)成本高，約占總成本的40%，在資金投入不足的情況下，會造成運(yùn)營車輛增加困難；經(jīng)濟(jì)條件一旦允許，乘客就轉(zhuǎn)向使用小汽車出行，因而又造成道路擁擠，加劇公交的不準(zhǔn)時和等候時間長，最終使公交車運(yùn)營面臨更加困難的局面。

綜上，鑒于公交車輛的行駛相對于普通的車輛諸如私家車而言更為可控，因此如果能夠?qū)⒁延械臒o人駕駛技術(shù)應(yīng)用于公交系統(tǒng)，無疑是公交走出困境的重要途徑。然而，鑒于無人駕駛技術(shù)尚有不成熟之處以及缺乏大范圍實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)的情況，亟需提供一種適于無人駕駛公交車輛的專用道系統(tǒng)，從而為諸如L4級無人駕駛公交車輛提供場景簡單、監(jiān)控全面、能充分發(fā)揮協(xié)同駕駛作用的運(yùn)行環(huán)境，幫助無人駕駛公交車輛的實(shí)際運(yùn)行得以適應(yīng)并融入復(fù)雜的城市道路環(huán)境，并確保其安全行駛，尤其是安全穿越道路交叉口并避免造成與其它車輛或行人的相互沖突和干擾。這也是無人駕駛技術(shù)在短期內(nèi)最為可行的可較大規(guī)模實(shí)施的實(shí)際應(yīng)用場景。

1 系統(tǒng)規(guī)劃思路

為克服現(xiàn)有的城市道路交通條件或環(huán)境不適于投入無人駕駛公交車輛應(yīng)用的缺陷，綜合應(yīng)用無人駕駛、智能交通、先進(jìn)通訊等技術(shù)，本文提出一種新的在新建或既有城市道路中適于不低于L4級無人駕駛公交車運(yùn)行的專用道系統(tǒng)。

無人駕駛公交專用道系統(tǒng)是智能車路協(xié)同的一種方式。智能車路協(xié)同系統(tǒng)是采用先進(jìn)的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全方位實(shí)施車車、車路動態(tài)實(shí)時信息交互，并在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上開展車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理，充分實(shí)現(xiàn)人車路的有效協(xié)同，保證交通安全，提高通行效率，從而形成安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[1]。

無人駕駛公交專用道系統(tǒng)由公交專用道網(wǎng)絡(luò)和無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)組成。

（1）公交專用道網(wǎng)絡(luò)

公交專用道網(wǎng)絡(luò)是指多個交叉口和連接至各交叉口通行區(qū)的沿多個方向的多條道路構(gòu)成的適于無人駕駛公交車通行的道路網(wǎng)。公交專用道網(wǎng)絡(luò)主要由五部分構(gòu)成：路中專用道、專用道交叉口、專用道站點(diǎn)、人行過街橫道線和公交車場。

無人駕駛公交專用道是指在道路中央設(shè)置至少雙向2車道、外側(cè)有物理分隔的專用通道，除人行過街橫道線處，禁止其它車輛及行人進(jìn)入。專用道交叉口設(shè)置公交專用信號相位，該時段內(nèi)任何其它車輛和行人嚴(yán)禁進(jìn)入交叉口控制區(qū)域。交叉口控制區(qū)域由專用道交叉口通行區(qū)和相鄰的部分專用道區(qū)域組成。通過物理隔離的專用道和交叉口專用信號相位，為無人駕駛公交車行駛創(chuàng)造與行人和其它車輛完全分隔的行駛環(huán)境，使其能在復(fù)雜的城市道路環(huán)境下安全高效地通行。

專用道站點(diǎn)包括公交站點(diǎn)和備用車?？空尽Ｂ范稳诵羞^街必須由信號燈控制，紅燈期間嚴(yán)禁行人和車輛橫穿專用道。公交車場供無人駕駛公交車能源補(bǔ)給、維護(hù)保養(yǎng)和夜間停車，與專用道直接相連，規(guī)模和數(shù)量根據(jù)實(shí)際需要而定。

（2）無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)

無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)是根據(jù)全面的道路交通信息智能控制信號燈、協(xié)同引導(dǎo)無人駕駛公交車輛在交叉口和專用道上高效通過沖突點(diǎn)、并保障行駛安全的控制系統(tǒng)。無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)包括道路感知裝置、控制信號傳輸裝置、協(xié)同控制裝置等。公交專用道網(wǎng)絡(luò)各組成部分均可布設(shè)相應(yīng)設(shè)備，實(shí)時采集并傳輸?shù)缆方煌ǜ黝愋畔?，?shí)現(xiàn)與無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)及無人駕駛公交車輛的信息實(shí)時傳輸。無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)可根據(jù)需要協(xié)同控制無人駕駛公交車輛。

2 系統(tǒng)構(gòu)建方法

2.1 專用道網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

通過對公交專用道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特殊的規(guī)劃設(shè)計(jì)，使其滿足諸如L4級無人駕駛車輛的行駛條件。規(guī)劃設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：

（1）時空封閉原則——專用道路段僅供無人駕駛公交車輛使用，避免其它車輛、行人等隨意進(jìn)入；交叉口公交專用信號相位時段嚴(yán)禁其他車輛、行人占用或進(jìn)入交叉口控制區(qū)域。

（2）全系統(tǒng)智能化原則——專用道網(wǎng)絡(luò)各組成部分均可根據(jù)其功能按需布設(shè)相應(yīng)設(shè)備。

（3）多模式適應(yīng)原則——系統(tǒng)構(gòu)建方法充分考慮適應(yīng)多種公交運(yùn)行模式。

2.2 專用道智能控制模式

無人駕駛公交車輛采用協(xié)同控制和單車主動控制相結(jié)合的模式。協(xié)同控制即道路協(xié)同管理，在全時空動態(tài)車、路信息采集和融合的基礎(chǔ)上，管理在專用道網(wǎng)絡(luò)上行駛的無人駕駛公交車輛的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行最優(yōu)化。單車主動控制即車輛根據(jù)實(shí)時采集的道路交通信息，進(jìn)行主動的安全控制行駛，實(shí)現(xiàn)單車運(yùn)行最優(yōu)化。

圖1 無人駕駛公交專用道橫斷面一般形式

圖2 借道超車示例

無人駕駛公交車輛在專用道網(wǎng)絡(luò)上行駛時，根據(jù)行駛區(qū)域和路況，可自動切換協(xié)同控制和單車主動控制模式，實(shí)現(xiàn)行駛?cè)^程的安全高效。無人駕駛公交車輛初始啟動時可進(jìn)入?yún)f(xié)同控制模式，當(dāng)某區(qū)域車輛發(fā)生突發(fā)情況時，可自動切換成單車主動控制模式，并將信息實(shí)時反饋至無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)，協(xié)同控制系統(tǒng)再根據(jù)各車輛情況調(diào)整控制方法。

2.3 專用道一般路段

2.3.1 路段橫斷面規(guī)劃

一般情況，無人駕駛公交專用道適于布置在兩側(cè)帶非機(jī)動車道的雙向4車道或6車道以上的主、次干路上，道路中間布置雙向或單向無人駕駛公交專用道且專用道之外仍可為其它車輛和行人留有通行空間（見圖1）。特殊情況，可考慮設(shè)置公交專用路，僅供公交車輛和慢行交通通行。

無人駕駛公交專用道設(shè)置于道路中央，避免設(shè)于路側(cè)受地塊出入口影響。專用道設(shè)置至少2車道，與其它車道一般由物理隔離帶相互分隔，從而提供更易于現(xiàn)有無人駕駛公交車輛安全運(yùn)行的道路環(huán)境。

2.3.2 一般路段無人駕駛公交協(xié)同控制

無人駕駛公交車輛行駛于一般路段時，可處于協(xié)同控制狀態(tài)，智能控制系統(tǒng)可控制車輛直行、加減速、借道超車等，實(shí)時調(diào)整車輛運(yùn)行排列情況?？紤]乘客對公交車輛準(zhǔn)點(diǎn)率的要求，控制系統(tǒng)綜合各車輛的到站時間要求協(xié)調(diào)控制，可提升公交車輛的整體準(zhǔn)點(diǎn)率。

例如，1號車到站時間要求為09:31分，2號車到站時間要求為09:30分，則協(xié)同控制系統(tǒng)可命令2號車加速，借道超車，在1號車前到達(dá)公交站點(diǎn)（見圖2）。

2.4 專用道交叉口

2.4.1 交叉口控制區(qū)域設(shè)定

為確保專用道的行駛封閉性，專用道交叉口必須設(shè)置無人駕駛公交專用信號相位，在該相位期間，任何其它車輛和行人嚴(yán)禁占據(jù)和進(jìn)入交叉口控制區(qū)域。交叉口控制區(qū)域的設(shè)定可保證交叉口無人駕駛公交專用信號相位期間，無人駕駛公交車輛能夠協(xié)同調(diào)整車速和路徑等，高效通過交叉口。交叉口控制區(qū)域由交叉口通行區(qū)和自交叉口通行區(qū)的邊緣向外沿多個方向延伸的無人駕駛公交專用道部分區(qū)域構(gòu)成（見圖3）。交叉口通行區(qū)指無人駕駛公交車輛通過交叉口需要占用的交叉口行駛區(qū)域。無人駕駛公交專用道部分區(qū)域是指由交叉口的部分進(jìn)口專用道和部分出口專用道組成的控制區(qū)域，簡稱為專用道控制區(qū)。交叉口無人駕駛公交車輛進(jìn)交叉口排隊(duì)以及出交叉口通過協(xié)同控制同步利用進(jìn)、出口道，可提升交叉口整體通行效率。

有了交叉口控制區(qū)域的設(shè)置，無人駕駛公交可以不受任何其它車輛和行人的干擾，完全按照協(xié)同控制系統(tǒng)制定的路徑和速度行駛。在交叉口控制區(qū)域設(shè)定中可依據(jù)如下原則：交叉口內(nèi)，基于最優(yōu)行駛軌跡+安全距離形成交叉口通行區(qū)；專用道上，基于交叉口專用道停止線向后延伸至合理距離形成專用道控制區(qū)。交叉口控制區(qū)域包括交叉口通行區(qū)和專用道控制區(qū)，相鄰交叉口的交叉口控制區(qū)域彼此不重疊。交叉口控制區(qū)域進(jìn)口道上不得有人行過街橫道線、公交站點(diǎn)和備用車停靠站等有可能影響車輛行駛速度的設(shè)施。

無人駕駛公交專用道為交叉口與相鄰交叉口之間的僅供無人駕駛公交車輛行駛的專用車道，無人駕駛公交專用道控制區(qū)僅為其中一部分，該部分長度設(shè)置考慮多方面因素，可基于如下步驟進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合圖3具體說明：

（1）根據(jù)沖突區(qū)域的分布，各車流方向遇到的第一個沖突區(qū)域距離停止線的距離為L，其中最近的距離為Lmin，其中，沖突區(qū)域?yàn)檐囕v在交叉口控制區(qū)域內(nèi)自各個進(jìn)口道沿各個方向行駛會產(chǎn)生彼此沖突的區(qū)域，圖中示意性地表達(dá)了諸多沿車輛直線行駛線路或沿車輛轉(zhuǎn)彎的弧線行駛線路的塊狀區(qū)域作為沖突區(qū)域。

（2）根據(jù)無人駕駛公交加速度（乘客舒適的加速度）及直行方向的最大車速等條件，計(jì)算各方向車輛從停止?fàn)顟B(tài)加速至最大允許車速通過的距離為S。

（3）交叉口控制區(qū)域?qū)Ｓ玫揽刂茀^(qū)進(jìn)口道部分：停止線向進(jìn)口道路段延伸至少S-Lmin的距離長度，同時，根據(jù)具體情況，依據(jù)專用相位的最大允許時長，利用可通過的車輛數(shù)反推所需要的延伸距離長度，再綜合各種因素包括至停止線減速停車距離，給出進(jìn)口道路段延伸的范圍。

（4）在不影響出口道車輛運(yùn)行的情況下，交叉口出口道處最大允許排隊(duì)長度為S1，車輛按照最大允許車速由進(jìn)口道變道至出口道所經(jīng)過的距離長度為S2，S1、S2和S-Lmin中不長于進(jìn)口道延伸長度的最大值為Smax，交叉口控制區(qū)域?qū)Ｓ玫揽刂茀^(qū)出口道部分即停止線向出口道路段延伸Smax的距離長度的范圍。

圖3 交叉口控制區(qū)域示意圖

2.4.2 交叉口無人駕駛公交協(xié)同控制

交叉口無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)包括道路感知裝置、控制信號傳輸裝置、協(xié)同控制裝置等。道路感知裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測進(jìn)入或離開或行駛于所述交叉口控制區(qū)域的無人駕駛公交車輛，并將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給控制信號傳輸裝置及交叉口協(xié)同控制裝置。交叉口協(xié)同控制裝置能夠根據(jù)所述監(jiān)測結(jié)果形成專用于指揮所述交叉口控制區(qū)域內(nèi)的無人駕駛公交車輛互不沖突地按各自的預(yù)定路線通過所述交叉口的交叉口控制邏輯，并依據(jù)所述交叉口控制邏輯生成對所述交叉口控制區(qū)域的各個無人駕駛公交車輛的控制指令，并將控制指令發(fā)送至控制信號傳輸裝置。控制信號傳輸裝置能夠?qū)⒖刂浦噶罴氨O(jiān)測結(jié)果發(fā)送至交叉口控制區(qū)域的各個無人駕駛公交車輛。

交叉口無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)是無人駕駛公交協(xié)同控制系統(tǒng)的重要組成部分，智能控制交叉口信號燈和交叉口車輛通行。

（1）交叉口信號智能控制

設(shè)置無人駕駛公交專用道的道路中所有需要平面穿越該道路的交叉口均須設(shè)置信號燈控制。在該交叉口中，無人駕駛公交專用道享有信號燈專用相位。專用相位是指信號燈專門分配給無人駕駛公交通行的相位。在專用相位期間，任何其它車輛和行人不得占據(jù)和進(jìn)入交叉口通行區(qū)，其它車輛指非無人駕駛公交車輛。

交叉口協(xié)同控制裝置包括信號燈裝置，信號燈裝置能夠提供專用于無人駕駛公交車輛通過交叉口的專用相位，專用相位時長根據(jù)所述監(jiān)測結(jié)果和所述交叉口控制邏輯形成。信號燈裝置還能夠提供專用于指揮其它車輛或行人通過交叉口的普通相位。

無人駕駛公交擁有專用相位。信號燈周期和專用相位時長是根據(jù)其它機(jī)動車和無人駕駛公交車的運(yùn)行狀況，在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行智能化的動態(tài)調(diào)整。專用相位在開啟時，交叉口通行區(qū)內(nèi)必須沒有任何行人和其它車輛；專用相位結(jié)束后普通相位開啟時，交叉口通行區(qū)內(nèi)必須沒有任何無人駕駛公交車輛。由此，兼顧道路的通行效率和安全性。

（2）交叉口通行控制模式

專用相位期間可基于交叉口通行控制模式對交叉口的車輛通行進(jìn)行控制，控制模式根據(jù)交叉口控制邏輯形成。交叉口控制邏輯是指使受控?zé)o人駕駛公交車輛互不沖突地按各自的設(shè)定路線通過交叉口的協(xié)同控制指揮方法，包括但并不限于交錯模式、虛擬信號燈模式、混合模式，應(yīng)用時可以根據(jù)具體情況選用。交錯模式是指通過控制車輛到達(dá)沖突區(qū)域的時間差，在專用相位開啟時各方向車輛同時放行，交錯通過沖突點(diǎn)，這種通行模式對控制精度要求高，因時間利用充分，通行效率較高；虛擬信號燈模式是指在無人駕駛公交相位中虛擬出不同轉(zhuǎn)向的信號燈相位供無人駕駛公交車通行，通行過程沒有沖突點(diǎn)，在專用相位開啟后，各進(jìn)口按照虛擬相位順序放行，這種虛擬相位對控制精度要求較低，時間利用遜于前者；混合模式是指交錯模式與虛擬信號燈控制的結(jié)合，是有部分沖突點(diǎn)，有幾個進(jìn)口共用一個虛擬相位，時間利用介于前兩者之間。

2.5 專用道站點(diǎn)

專用道站點(diǎn)包括公交站點(diǎn)和備用車?？空?。公交站點(diǎn)設(shè)置可根據(jù)需要選擇路邊停靠站、港灣停靠站、樞紐?？空镜刃问?。備用車?？空景葱璨贾糜跓o人駕駛公交專用道外側(cè)，可獨(dú)立設(shè)置成港灣停靠形式，也可與公交港灣站結(jié)合布置。備用車?？空竟﹤溆脽o人駕駛公交車停靠，可配備能源補(bǔ)給裝置。無人駕駛公交專用道系統(tǒng)還包括調(diào)度中心，調(diào)度中心能夠向無人駕駛公交車輛下發(fā)任務(wù)和導(dǎo)航指令，以及指令當(dāng)前無任務(wù)的無人駕駛公交車輛自動駛向指定的備用車?？空就？看蜓a(bǔ)充能源。備用車輛可根據(jù)客流需求隨時加入或退出運(yùn)營，更好地平衡客運(yùn)的供需變化，高效利用客運(yùn)資源。

無人駕駛公交專用道系統(tǒng)中的部分公交港灣?？空净蛘邆溆密囃？空究烧龑Σ贾糜谝欢蔚缆返膬蓚?cè)，無人駕駛公交車輛可利用正對設(shè)置的公交?？空净騻溆密囃？空具M(jìn)行車輛掉頭。

3 應(yīng)用方法說明

無人駕駛公交專用道系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種無人駕駛公交的運(yùn)行模式，包括固定線路的常規(guī)公交運(yùn)營模式、需求響應(yīng)式公交運(yùn)營模式等。以下結(jié)合圖4對無人駕駛公交專用道系統(tǒng)可實(shí)施的需求響應(yīng)式公交運(yùn)營模式的應(yīng)用方法進(jìn)行簡要說明。需求響應(yīng)式無人駕駛公交的運(yùn)行過程如下：

（1）運(yùn)營開始，車輛由公交車場出發(fā)，到達(dá)公交?？空窘涌突虻竭_(dá)指定備用車?？空镜却涌腿蝿?wù)；

（2）公交調(diào)度中心根據(jù)乘客需求實(shí)時定制線路，車輛按照定制線路站點(diǎn)順序到達(dá)各個公交站點(diǎn)上客或下客，并可按路徑導(dǎo)航在路段?？空净蚪徊婵诘纛^；

（3）乘客下完并且沒有新的乘客，車輛行駛至指定的備用車?？空镜却碌慕涌腿蝿?wù)或補(bǔ)充能源；

（4）車輛當(dāng)天運(yùn)營結(jié)束后，可進(jìn)入公交車場。

需求響應(yīng)式公交是按乘客需求實(shí)時定制線路，沒有固定線路，無人駕駛公交車輛送完乘客后，在無后續(xù)接客任務(wù)時可停靠備用車?？空?。

與之相比，常規(guī)公交模式是按固定線路運(yùn)營。由于無人駕駛的常規(guī)公交不需要駕駛員休息場所，起終點(diǎn)不設(shè)置傳統(tǒng)的首末站，而是將車輛按乘客需求，?？吭趥溆密囃？空?，車輛發(fā)車地點(diǎn)不一定在線路起終點(diǎn)，也可能在線路的中間某個重要的需求站點(diǎn)，因此，所使用的道路設(shè)置與響應(yīng)式公交可以完全一致。由此可見，本文提出的無人駕駛公交專用道系統(tǒng)，既可實(shí)施需求響應(yīng)式公交運(yùn)營模式，也可實(shí)施常規(guī)公交的運(yùn)營模式，有其顯著的多模式適應(yīng)性優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

無人駕駛公交專用道系統(tǒng)的積極進(jìn)步效果在于：可以為諸如L4級無人駕駛公交車輛提供場景簡單、監(jiān)控全面、能充分發(fā)揮協(xié)同駕駛作用的運(yùn)行環(huán)境，并有助于協(xié)同控制無人駕駛公交車輛在城市道路環(huán)境中安全行駛，避免造成與其它車輛或行人的相互沖突和干擾，以及適用于多種公交運(yùn)營模式。從長遠(yuǎn)來看，無人駕駛技術(shù)應(yīng)用于公交專用道系統(tǒng)可大幅降低常規(guī)公交運(yùn)營成本，是公交系統(tǒng)發(fā)展的新契機(jī)。

圖4 需求響應(yīng)式無人駕駛公交運(yùn)營模式