日夜飞驰——聊聊城市马路

2020-07-31豌豆皮

科学Fans 2020年8期

豌豆皮

咱们的博物馆盗窃案进入了关键环节——飞车捉贼！其实不止这次的盗窃案了，所有的警匪片中都有许多在城市中的追逐戏，这种情况在真实生活中也能见到。警察与小偷之间的这场追逐战是否精彩，与这个城市的道路尺度和布局很有关系。

城市道路的布局

“道路”这个概念，在《中华人民共和国道路交通安全法》里是这么规定的：“指公路、城市道路和虽然在单位管辖范围内但允许社会机动车通行的地方，包括广场、公共停车场等用于公众通行的场所。”城市内部的道路是“城市道路”，城市外的道路才叫“公路”。虽然道路的“本职功能”是解决交通问题，但它显然还有分割土地的作用，把城市划分成一个个大大小小的街区。所以，道路的尺度和布局，在很大程度上，与这个城市的生活方式互相影响。

城市道路的布局方式主要分两类：

第一类棋盘式

形式好像棋盘一样纵横交错的，把城市划分成许多个方格子。

我国许多古代城市都采用这种道路布局，用街道把城市划分成一个个坊，“街坊”这个词就是由此而来。这种棋盘式布局，最有名的例子是长安，在《长安十二时辰》这部剧里有很充分的展现。

优点这种布局胜在灵活，两点之间有无数种可能的抵达方式，在任何一个交叉口都能灵机一动改变路线，非常适合上演警匪追逐战。

缺点承载的交通量比较小，众多的交叉口虽然灵活，然而交通流的交叉就会降低车速，增加延误和拥堵的可能。而且这种布局比较依赖地形，地形起伏比较大的地区并不适用。

古代长安城的布局

第二类环形加放射线式

形式围绕中心的环形加放射线的布局把城市划分成中心和外围两部分。

优点适合大城市。

缺点路线选择不如棋盘式灵活，环形线路和放射状线路交叉的路口，常常不是直角相交的，形状不规则。另外，这种布局方式也受到一定的地形限制，比如地形狭长的城市就不能采用这种方式。

综合的城市结构

现代的大城市，一般采用在环形框架内填充棋盘的混合式道路布局，比如我们知道北京的道路以“横平竖直”著称，以致当地人特别习惯用东南西北指路，让不习惯辨认方向的游客一头雾水。但它又有从二环一直到传说中的七环的六道环路，还产生了“五环之歌”这种段子，这就是环路式+棋盘式混合布局的典型例子。

另外，有些地形地貌过于特殊的城市，比如山城重庆，就只能采取依地形而规划的自由式布局了。

北京市的主要交通布局

道路的分类

道路的核心功能是交通，交通的需求分两类，一类是“通”，一类是“达”。我们形容一个地方交通方便，说这里“四通八达”，但是通和达其实有着一定的内在矛盾。通的要求是迅速，需要快速通过;达的要求是方便，要在目的地靠边，还要减速停车。那么一部分车流要快速直线通过，另一部分车流要变向靠边，减速停车，这就产生了矛盾，因为方向和速度上的交会都会增加事故的风险。

最安全的行车状况是什么样的呢？所有车辆以同样的速度朝同一的方向行驶，这样才能把行车风险降到最低。车速越是参差不齐，发生事故的可能性就越大。处理这个矛盾，就要尽量把通和达的车流区分开来。道路与道路之间分出级别差别，划分车道，还有其他许多交通安全设施和管理设施，都是出于這个目的。

我国的城市道路，主要分为快速干道、主干道、次干道和支路，这也是城市道路规划的针对范围，在此之外，还有一些生活性的街坊小路，不在城市规划的范围中。

不同分类的体量

主动脉：快速千道和主干道

快速干道和主干道是城市中的主要交通走廊，它们的主要任务是“通”，快速干道限制非机动车进入，主干道要把机动车和非机动车分流，这都是为了保证车流速度尽量均衡稳定。这两类道路的两侧，都不会直接设置大型公共场所的出入口，比如大商场、大型博物馆，因为车辆在快速干道和主干道上是快速通过的，不能靠边停下来。在快速干道和主干道上接近目的地之后，一定是通过附近的出口，来到次干道和支路上，然后才能抵达目的地。这样的出口相距不会太远，太远会造成过多的绕路，但也不会太近，太近会造成过于频繁的变向和减速，降低行车效率。城市里快速干道的出入口，一般相距在1.5千米以上。

小动脉：次千道

次干道是介于城市主干道和支路之间的道路，也是车流、人流的主要交通集散道路，公交线路主要就分布在这一级道路上。

毛细血管：支路

如果说干道是城市的动脉，那支路就是城市的毛细血管。人们日常生活所需的各种便利设施，往往也是在支路街道的外立面上。一个城市是否宜居，可以从支路的路网密度看出端倪，交通的便利程度影响着人们的出行选择，从而影响生活方式。

次干道和支路是对城市交通走廊的扩展和补充，共同承担“达”的任务。大家可以在自己的城市观察一下，公共建筑、停车场、公交车站和出租车服务站等等设施，都分布在什么样的道路两侧，那就是城市的次干道。

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我国在《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中提出，到2020年，城市路网密度要达到8千米/平方千米的水平，但直到2018年底，全国主要城市中还只有深圳、厦门和成都达到了这一标准，其他城市尚未达标。

如何来规划城市道路

快速干道、主干道、次干道和支路的建设标准不同，承担的任务也不一样，它们各自应当在道路网络中占据多大的比例，需要根据每个城市各自的城市形态、地理条件、交通流的方向和交通量的大小来决定。

第一步：调查

对道路网的规划，首先从交通量的调查开始。规划员把这叫作O-D调查，O是起点（Origin），D是目的地（Destination），调查城市里居民、货物和机动车的出行情况。随后，在O-D调查的数据基础上把城市划分成许多个“交通小区”，通过计算各个小区之间的交通需求，来预测整个城市每天会有多少交通需求，发生多少交通量，这些交通量在空间上和时间上又是怎么分布的。这是一个数学建模和求解的过程，得到的结果是对整体情况的预测，并不是对实际情况的统计。因为道路的规划需要考虑的是未来将会发生的交通量，在道路建设完成后能够满足当时的情况，而不是用未来的道路来满足现在的需求。

第二步：分配

在出行调查和出行预测得到结果，知道了未来将会发生的交通量之后，需要再把预测的交通量“分配”到道路网络的具体路线上，看看现有道路的每条路线、每个交叉点上，在高峰时段会产生多少交通量，交通质量如何。这个“分配”的过程也涉及复杂的数学过程，因为既要考虑到路段、交叉口的通行能力限制，也要考虑到，人们的出行选择虽然总是倾向于用时或花费最少的路径，但也有随机的其他因素，而且他人的出行选择会影响到路段的交通情况，从而影响到自己的出行选择。众多的约束条件让建模求解变成了一个高维数学问题，在计算机的计算能力还不够发达的时候，这类问题的求解非常困难，要么需要很多近似的假设和简化，要么就采用模拟的办法。不过类似的计算，我们现在在生活中已经比较熟悉了：只要输入起点和终点，大多数的地图APP都能基于实时的路况，为你规划出从距离、用时，甚至红绿灯数量等方面综合考量后来说最优的路线。

不断优化的过程

城市道路规划的一个特点是，通常只能在现有的道路网络上进行调整，很少有机会规划一个全新的城市。所以，预测交通量的分配，首先是分配到现有的道路网络上，评估每一个路段、交叉口的通行质量，在此基础上做出修改。由于道路只能修建在道路用地上，道路规划的方案还必须结合未来城市用地的规划来进行。大致的原则是让快速干道和主干道连接城市的各个主要功能区，如果有大量穿过市中心的流量，则安排环形的快速干道或主干道;在城市的出入口，快速干道与高速公路应该方便地连接，每个方向要有至少两条出入口道路，地震风险高的城市需要更多;在快速干道和主干道的框架基础上填充次干道和支路，保证每一级的路网密度。做出规划方案后，往往還需要再次把预测的O-D量分配到规划的道路网络上，继续评估通行质量，重新修改。这个过程可能要反复多次，直到规划方案中的每一个路段、每一个交叉口都满足设计指标，才能作为一个可行方案。

限速60千米/小时的弯道

理论的构想与现实的交通

道路规划是一个只存在理论最优解，但实际上总是受到种种现实条件限制的过程。目前，我国的大部分城市还处在高速基建阶段，主要精力放在干道一级的建设上，普遍比较忽略支路的建设，而且在道路建设规范上主要以小汽车的通行为目标。这种道路分布客观上鼓励了开车出行，增大了交通量，虽然道路越修越宽，但车也越来越多，并不能从根本上解决拥堵问题。许多城市有鉴于此，大力提倡绿色出行，但道路网的分布如果让绿色出行显得很不方便的话，少量的经济鼓励其实并不能压过开车出行的便利，绿色出行的提倡因此也有可能变成一句空话。城市的交通体系和生活方式相互影响，在进行道路规划时，调整各级道路的密度比例和连通程度，也会对人们的生活方式起到引导的作用。

道路与车速

道路的网络是一个静态的体系，要加上在道路上行驶的车流，才构成交通体系。大部分的道路区分机动车道与非机动车道，机动车道又划分出多个车道。车道的宽度一般是3.5米，这样的宽度让车辆有一定的自由度，行驶起来比较顺畅。车道越窄，车流行驶的速度就会越慢，所以宽度原则上是宜宽不宜窄。不过如果车道的宽度富余太多，比如超过4.5米，就会有太多人试图从前车的间隙中超车，反而容易造成拥堵。

不同等级的道路、不同的车道都有各自不同的速度要求。对车速的要求是基于安全的考虑。一方面，需要车流尽可能保持一个均衡、稳定的速度，降低故障风险，所以不但有最高限速，有的快速干道和高速公路上还会有最低限速;另一方面，在拐弯的时候，车辆其实是沿着弧线行驶，需要足够的向心力，否则就会出现打滑失控甚至倾覆。行驶速度越快，拐弯越急，需要的向心力就越大。这个向心力是怎么来的呢？一部分是轮胎与地面的摩擦力，一部分是路面稍微倾斜的支撑力，两者都是有限的。所以，弯道的限速与道路曲线的半径有关。很多时候，由于地形或永久建筑物的限制，道路设计上不一定能有足够充裕的空间，随着道路曲线最小半径的减小，限速也会进一步降低。