無(wú)人駕駛環(huán)境下城市交通空間優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

王維禮， 鄭莘荑， 朱 杰

（1．天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072；2．天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300392）

2016 年以來(lái)，無(wú)人駕駛汽車進(jìn)入發(fā)展的快車道，2018 年4 月，工業(yè)和信息化部、公安部及交通運(yùn)輸部聯(lián)合頒布《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測(cè)試管理規(guī)范（試行）》，標(biāo)志著我國(guó)無(wú)人駕駛汽車時(shí)代正在急速到來(lái)。無(wú)人駕駛是交通發(fā)展的趨勢(shì)，盡早研究與無(wú)人駕駛相適應(yīng)的城市交通空間體系是引導(dǎo)城市可持續(xù)發(fā)展的重要前提，同時(shí)也是為保障無(wú)人駕駛高效運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)城市交通空間由機(jī)動(dòng)車尺度向行人尺度轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支撐。本文結(jié)合未來(lái)交通發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)深入研究無(wú)人駕駛、有人駕駛的各項(xiàng)指標(biāo)，建立相應(yīng)的評(píng)估體系，為城市交通空間的優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考，以保證交通高效運(yùn)行。

1 概述

1.1 無(wú)人駕駛

無(wú)人駕駛汽車是智能汽車的一種，也稱為輪式移動(dòng)機(jī)器人，主要依靠車內(nèi)以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的目標(biāo)。無(wú)人駕駛汽車通過(guò)車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，自動(dòng)規(guī)劃行車路線并控制車輛到達(dá)預(yù)定目標(biāo)。相比普通車輛，無(wú)人駕駛車輛具有節(jié)省時(shí)間、提高安全性、減少停車空間、提高單位車輛效益等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 無(wú)人駕駛與城市交通空間

無(wú)人駕駛汽車的作用機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方式均與傳統(tǒng)汽車不同，將較大程度改變城市交通空間設(shè)計(jì)的通用準(zhǔn)則。無(wú)人駕駛采用的全自動(dòng)感應(yīng)操作，能夠降低反應(yīng)時(shí)間、縮短跟車距離、提高道路通行能力；車路協(xié)同下的無(wú)人駕駛汽車可以減少交叉口、實(shí)現(xiàn)綠波交通、提高平均車速；實(shí)時(shí)路況分析可以增加安全系數(shù)、規(guī)劃最合理路線,以提高運(yùn)輸效率等。

無(wú)人駕駛對(duì)城市交通空間的影響還包括改變車行空間與人行空間的比例、行人過(guò)街方式、路側(cè)交通輔助設(shè)施功能、交通標(biāo)志標(biāo)線系統(tǒng)、非機(jī)動(dòng)車空間、停車場(chǎng)空間等。

2 無(wú)人駕駛環(huán)境下的城市交通特征

為確保研究的科學(xué)、合理性，本文是基于完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛進(jìn)行的相關(guān)研究；同時(shí)，為使研究更有指導(dǎo)意義，相關(guān)數(shù)據(jù)分析、設(shè)計(jì)方案與評(píng)估等內(nèi)容均以天津市為例。

2.1 出行方式與出行次數(shù)預(yù)測(cè)

1）出行方式。隨著城市發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步，天津市城市中心區(qū)居民的出行方式和出行結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。見(jiàn)表 1[1～2]。

表1 天津市中心城區(qū)居民出行方式 %

結(jié)合天津市居民出行方式變化特征、機(jī)動(dòng)車發(fā)展速度、天津市相關(guān)規(guī)劃和政府政策文件，對(duì)未來(lái)中心城區(qū)出行方式進(jìn)行初步預(yù)測(cè)[3]，見(jiàn)表2。

表2 不同時(shí)期城市出行方式比例 %

由表2 看出，隨著無(wú)人駕駛汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用，憑借高效、便利的特性，小汽車出行比例會(huì)有小幅提升；軌道交通出行相對(duì)穩(wěn)定；無(wú)人駕駛、共享汽車的應(yīng)用，使得公交車出行會(huì)有些許下降；自行車出行隨著人們的健康需求、街道空間的改善及城市環(huán)境的提升，比例會(huì)有所提升；步行比例基本不變。

2）出行次數(shù)。城市居民人均日出行次數(shù)是指城市調(diào)查范圍內(nèi)適齡人口全日出行總量與適齡人口總數(shù)的比值，這是相對(duì)穩(wěn)定、變化極為緩慢的指標(biāo)。天津市中心城區(qū)居民出行次數(shù)2000 年2.16 次（/人·d），2005 年2.21 次（/人·d），2006 年2.26 次（/人·d），2011年2.32次（/人·d），2018年2.45次（/人·d）。

可以預(yù)見(jiàn)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及出行方式的調(diào)整，人們的出行次數(shù)會(huì)逐步增加。特別是對(duì)乘坐公交車和軌道交通不便的居民，未來(lái)可以乘坐完全無(wú)人駕駛汽車、共享汽車出行，這也促進(jìn)出行總量的提升。

2035 年前后，初步預(yù)測(cè)居民出行2.66 次（/人·d）；考慮到人生理、心理因素的影響，居民出行次數(shù)一般不會(huì)超過(guò)3.0 次（/人·d），因此，2050 年前后的居民出行取值為3.0次（/人·d）。

2.2 城市道路交通流特征

2.2.1 城市路段選取

以天津市中心城區(qū)的交通要道——南京路為背景進(jìn)行分析。南京路處在天津市中心城區(qū)核心位置，是天津人心目中的商業(yè)、交通第一路，沿途串聯(lián)IT 產(chǎn)業(yè)、文化科技區(qū)、地鐵商圈、大型商場(chǎng)、寫(xiě)字樓群，是天津市最重要的城市功能發(fā)展軸。以鞍山道—營(yíng)口道長(zhǎng)890 m 路段進(jìn)行分析研究，沿途有商業(yè)中心、學(xué)校、公共管理服務(wù)中心、城市綠地，用地類型豐富，具有代表意義。機(jī)動(dòng)車交通流主要考慮小汽車、公交車兩種，其他緊急車輛數(shù)量較少，不會(huì)對(duì)交通流特征造成較大影響，暫不考慮。

2.2.2 現(xiàn)狀交通流特征

現(xiàn)狀南京路道路橫斷面為三塊板，紅線寬度為53.5 m，中央的一塊板設(shè)置為雙向8 車道的機(jī)動(dòng)車道，見(jiàn)圖1。路段交通流量見(jiàn)表3。

圖1 現(xiàn)狀南京路橫斷面

表3 現(xiàn)狀南京路高峰時(shí)段車輛分布

由表3 可知，路段高峰小時(shí)小汽車與公交車的比例約為27∶1，高峰時(shí)段交通流量約為6 400 pcu/h，現(xiàn)狀交通狀況較擁堵，車流平均速度約為30 km/h。

2.2.3 混合交通過(guò)渡期

在無(wú)人駕駛規(guī)模擴(kuò)張過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)有人駕駛汽車和無(wú)人駕駛汽車混行的過(guò)渡期。在保持現(xiàn)有道路通行條件的前提下，綜合考慮無(wú)人駕駛、有人駕駛小汽車及公交車的通行特征。

1）通行能力

（1）不考慮公交車與小汽車干擾?；就ㄐ心芰B是指道路與交通處于理想情況下，一條機(jī)動(dòng)車道在單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)的最大交通量。

式中：v為行車速度；t0為車頭最小時(shí)距；l0為車頭最小間隔，l0=行駛速度×平均反應(yīng)時(shí)間+剎車距離+安全距離。

設(shè)定30 km/h 的行駛速度，單車道的基本通行能力見(jiàn)表4。

表4 不同駕駛環(huán)境下道路通行能力

由表4可以看出，同一路段，30 km/h車速情況下，無(wú)人駕駛的單車道基本通行能力是有人駕駛的2.17倍。

根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)行的無(wú)人駕駛測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于無(wú)人駕駛、有人駕駛的混合交通車道，二者各占比50%時(shí)，相較于完全無(wú)人駕駛汽車的路況下，道路通行能力將下降30%左右。因此，對(duì)于南京路，混合交通過(guò)渡時(shí)期，單車道基本通行能力約為2 079 pcu/h。

（2）考慮公交車與小汽車相互干擾。公交車由于車速、車型、車輛性能、沿途停靠、路段流量等因素，會(huì)在一定程度上降低小汽車的通行能力。根據(jù)前文預(yù)測(cè)，2035 年前后，有人駕駛公交車出行比例為15%，其將降低8%～10%的道路通行能力；而對(duì)于無(wú)人駕駛公交車，2035 年前后通行比例為85%，參考現(xiàn)狀通行特征及相關(guān)的研究，將降低3%～5%的道路通行能力。

綜合考慮無(wú)人駕駛、有人駕駛公交車的折減，道路通行能力降低比例約為10%。因此2035年前后，綜合考慮無(wú)人駕駛、有人駕駛混行，同時(shí)兼顧公交車、小汽車混行的情況，對(duì)于無(wú)人駕駛、有人駕駛的混合交通車道，二者各占比50%時(shí)，相較于完全無(wú)人駕駛小汽車的通行能力會(huì)下降30%×（1+10%）=33%，對(duì)于南京路，混合交通過(guò)渡時(shí)期，單車道基本通行能力約為2 970×（1-33%）=1 990（pcu/h）。

2）路段流量與服務(wù)水平。依據(jù)2035 年的出行方式結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，小汽車與公交車的比例為33∶1（小汽車比例27%，按一人一車計(jì)；公交車18%，按22 人一車計(jì)），2035年南京路路段預(yù)測(cè)交通流量見(jiàn)表5。

表5 2035年南京路高峰時(shí)段流量預(yù)測(cè) pcu/h

現(xiàn)狀路網(wǎng)服務(wù)水平（道路飽和度）為（5 960+440）/（1 370×8）=0.58；在保持現(xiàn)狀道路通行條件不變的情況下，2035 年雖然交通流量有所增加，但是得益于無(wú)人駕駛汽車大幅度提升了單車道的通行能力，道路服務(wù)水平（道路飽和度）為（3 276+198+199）（/1 990×8）=0.44，較現(xiàn)狀有所提高。

2.2.4 完全無(wú)人駕駛環(huán)境

1）通行能力。進(jìn)入無(wú)人駕駛汽車時(shí)代，無(wú)人駕駛汽車比例超過(guò)95%，極小部分的有人駕駛汽車不會(huì)對(duì)城市道路交通流造成顯著影響。同樣在保持現(xiàn)有道路通行條件前提下，綜合考慮無(wú)人駕駛汽車的通行特征。

2050年，僅考慮無(wú)人駕駛公交車與小汽車的互相干擾，無(wú)人駕駛公交車對(duì)單車道通行能力的影響為降低約3%（考慮所有車道混行）。因此，對(duì)于南京路，2050 年前后單車道基本通行能力約為2 970×（1-3%）=2 881（pcu/h）。

2）路段流量與服務(wù)水平預(yù)測(cè)。依據(jù)2050 年的出行方式結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，小汽車與公交車為34∶1（小汽車比例26%，按一人一車計(jì)；公交車16%，按20人一車計(jì)），2050年南京路路段預(yù)測(cè)交通流量見(jiàn)表6。

表6 2050年南京路高峰時(shí)段流量預(yù)測(cè) pcu/h

在保持道路通行條件不變的情況下，道路服務(wù)水平（道路飽和度）為（7 402+435）/（2 881×8）=0.34，路段的通行情況進(jìn)一步優(yōu)化。

3 城市交通空間優(yōu)化設(shè)計(jì)方案探討

3.1 車道寬度與數(shù)量

為保證研究成果的可行性，以2050年完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車為前提，以南京路的車流量為基準(zhǔn)，首先基于2050 年的不同車道數(shù)、不同車道寬度進(jìn)行假設(shè)，通過(guò)計(jì)算相對(duì)應(yīng)的道路空間占有率和道路飽和度兩個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)比較。

式中：K為道路空間占有率；D車為機(jī)動(dòng)車車道總寬；D為道路紅線總寬度；λ為道路飽和度；V為高峰小時(shí)交通量；C為95%無(wú)人駕駛車輛環(huán)境下基本通行能力，C=μ·N·CB；μ為綜合修正系數(shù)，與無(wú)人駕駛汽車比例相關(guān)，取0.63～0.95；N為車道數(shù)。

由于無(wú)人駕駛汽車取消了駕駛操作臺(tái)，車寬普遍較有人駕駛車輛窄，約為2.2 m，在滿足車輛通行基本寬度的條件下，車道寬度對(duì)道路通行能力的影響可以忽略。因此，在車道數(shù)N一致的情況下，車道寬度對(duì)道路飽和度的影響可以忽略不計(jì)（車道寬度為3.0 m與3.5 m 條件下的道路飽和度曲線重合）；隨著車道數(shù)的增加，空間占有率增加，道路飽和度減小。見(jiàn)圖2。

圖2 道路飽和度與空間占有率曲線

最高效的斷面方案應(yīng)對(duì)應(yīng)最小的空間占有率和最適宜的道路飽和度。分析圖2，最適宜的車道數(shù)為4～6，最適宜的車道寬度為3.0 m。為使機(jī)動(dòng)車行空間最小化，建議設(shè)置雙向4車道，同時(shí)考慮過(guò)渡期無(wú)人駕駛和有人駕駛車輛混行環(huán)境，單方向選取3.0 m+3.5 m的斷面形式，其中無(wú)人駕駛車道寬3 m；外側(cè)車道為混行車道，需滿足有人駕駛車輛、公交車輛的通行以及作為無(wú)人駕駛汽車的上下乘客港灣車道空間，為3.5 m。見(jiàn)圖3。

圖3 南京路斷面優(yōu)化方案

3.2 交叉口通行能力

主路與支路相交時(shí)，交叉口的實(shí)際最大通行能力

式中：Cm為主路最大通行能力；Cn為支路最大通行能力；Kt為系統(tǒng)損失率，取0.88；p為主路支路通車的時(shí)間分配比，取0.6[4]。

計(jì)算得到優(yōu)化前后南京路交叉口理論通行能力，見(jiàn)表7。

表7 優(yōu)化前后南京路交叉口理論通行能力

由表7 可知，通過(guò)斷面優(yōu)化可將交叉口的通行效率提升約24%。

3.3 路段延誤

城市道路路段行車延誤最重要的影響因素為行人平面過(guò)街方式所造成的交通流中斷，而行人過(guò)街產(chǎn)生的路段通行延誤時(shí)間與行人過(guò)街所需用時(shí)密切相關(guān)，在步速相同的情況下，主要由行人過(guò)街需穿越的機(jī)動(dòng)車道寬度決定。

通過(guò)優(yōu)化道路斷面，機(jī)動(dòng)車道總寬度將縮短至13.5 m，行人與自行車通過(guò)交叉口的距離大大縮短。當(dāng)前南京路由北向南需穿越的機(jī)動(dòng)車道路空間為28.5 m，平均耗時(shí)約30 s；13.5m 平均耗時(shí)約14 s，降低約53%[5]。

行人通行時(shí)間的縮短，一方面可減少機(jī)動(dòng)車路段延誤，提高路段通行效率；另外一方面，也在很大程度上提高了行人的過(guò)街安全。

3.4 街道整體空間變化

在保持街道空間尺度不變的情況下，機(jī)動(dòng)車通行路面尺度縮小，其他空間尺度可相應(yīng)增大，尤其是行人通行與休閑空間。

3.4.1 讓渡空間設(shè)計(jì)

自行車專用車道作為自行車出行的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)促進(jìn)、提升自行車出行比例意義重大，尤其是在共享單車大潮的推動(dòng)效應(yīng)下，綠色慢行出行成為人們出行時(shí)尚之選。

現(xiàn)狀南京路的部分路段自行車專用車道是缺失的。無(wú)人駕駛汽車時(shí)代，得益于機(jī)動(dòng)車路面縮窄，自行車專用車道將得到充分保障，而且相應(yīng)的附屬設(shè)施也將會(huì)布置于街道空間之內(nèi)，使得自行車出行更加有舒適、有滿足、有興趣、有尊嚴(yán)。

3.4.2 慢行空間的設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛汽車時(shí)代，機(jī)動(dòng)車道數(shù)量與尺寸大幅減少，慢行空間大大增加，功能也更加多樣化，可以作為小型綠化場(chǎng)地，布置休閑設(shè)施，行人便利設(shè)施等[6]。

3.4.3 街道空間

街道空間尺度會(huì)逐漸由車的尺度向人的尺度轉(zhuǎn)變，南京路慢行空間包括活動(dòng)空間、人行道、非機(jī)動(dòng)車道、綠化帶，慢行空間與機(jī)動(dòng)車空間的比例將為2.96∶1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)狀的0.87∶1。

4 設(shè)計(jì)方案初步評(píng)估

4.1 指標(biāo)選擇

從交通運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、資源環(huán)境影響、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及人的駕乘和出行感受4 個(gè)方面，選取9 個(gè)可以量化的評(píng)估指標(biāo)構(gòu)建城市道路空間綜合評(píng)估體系。見(jiàn)圖4。

圖4 評(píng)估指標(biāo)體系

4.2 預(yù)測(cè)評(píng)估

以2050 年為基準(zhǔn)年，選擇如下3 種交通環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果見(jiàn)表8。

1）方案一：城市道路機(jī)動(dòng)車輛未發(fā)生太大改變，仍沿用現(xiàn)狀，使用有人駕駛的車輛出行。

2）方案二：無(wú)人駕駛車輛比例達(dá)到95%，但是城市道路保持現(xiàn)狀。

表8 各方案模擬運(yùn)行結(jié)果

3）方案三：無(wú)人駕駛車輛比例達(dá)到95%，同時(shí)城市道路調(diào)整為適合無(wú)人駕駛車輛的斷面形式。

由表8 可知：在運(yùn)行效率方面，方案二比較優(yōu)秀，道路飽和度最小，出行用時(shí)最低，方案三的交叉口運(yùn)行效率最高；資源環(huán)境評(píng)估方面，方案二和方案三在能源利用和污染防治上更有優(yōu)勢(shì)，但方案三的空間占有率最小，更有利于用地資源的節(jié)約；經(jīng)濟(jì)評(píng)估方面，方案二投資成本和安全成本最小，較方案一、方案三有優(yōu)勢(shì)；在駕乘體驗(yàn)上，方案一的駕乘期望值最低。初步判斷，方案二、方案三較方案一具有優(yōu)勢(shì)。

為更合理科學(xué)判斷3 個(gè)方案的優(yōu)劣，本文采用投影尋蹤原理[7]，利用Matlab 程序，運(yùn)算500 次優(yōu)化得到最優(yōu)投影方向向量αx=（-0.341 3,-0.369 3,0.341 2,-0.286 7,-0.235 4,-0.465 2,-0.267 8,0.317 3,0.323 0），各評(píng)估指標(biāo)權(quán)重及評(píng)估計(jì)算見(jiàn)表9。

表9 投影尋蹤法評(píng)估方案的計(jì)算

由表9可知，方案評(píng)分從優(yōu)到劣依次為方案三、方案二、方案一。這一排列順序與可預(yù)期的實(shí)施效果相符合。

5 結(jié)論與建議

1）相同道路條件下，無(wú)人駕駛車輛可顯著縮短車頭間距，減小車道寬度，無(wú)人駕駛車輛的道路通行能力是有人駕駛車輛的2.17倍。

2）通過(guò)實(shí)例分析研究，在充分滿足機(jī)動(dòng)車通行需求的前提下，無(wú)人駕駛將減少55%的機(jī)動(dòng)車通行空間，增加2.5 倍的行人空間，人行空間（25 m）大于車行空間（13.5 m），城市活動(dòng)空間顯著增加。

3）基于交通仿真模擬和投影尋蹤原理的城市交通空間評(píng)估體系表明，無(wú)人駕駛技術(shù)及其斷面設(shè)計(jì)，相較現(xiàn)階段的有人駕駛和斷面設(shè)計(jì)具有顯著優(yōu)勢(shì)，可改變目前以車為主的道路模式轉(zhuǎn)為以人為本的城市交通空間，實(shí)現(xiàn)交通效率與通行體驗(yàn)的雙贏。

4）初步研究結(jié)果表明，優(yōu)化調(diào)整的城市交通空間可以更高效地適應(yīng)未來(lái)無(wú)人駕駛車輛規(guī)?；瘧?yīng)用的新型交通特征，盡早研究與無(wú)人駕駛相適應(yīng)的城市交通空間體系，是引導(dǎo)城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)與前提。

基于本文的探索，可開(kāi)展更加深入、廣泛的交通空間優(yōu)化可行方案研究，選擇示范區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，形成一套可復(fù)制、可推廣的基于無(wú)人駕駛環(huán)境的城市道路空間調(diào)整體系標(biāo)準(zhǔn)，為國(guó)內(nèi)更多城市提供參考。