无人驾驶语境下新型城市交通系统模型的探索

2022-08-19王西亚张雯雯刘思雨

电视技术 2022年7期

王西亚，张雯雯，刘思雨

（西南民族大学建筑学院，四川成都 610200）

0 引言

近几年，科学技术突飞猛进，许多大型汽车公司一直在探索无人驾驶技术，无人驾驶汽车成为一大趋势。无人驾驶的便捷性很好地响应了新时代高效与智能的主题，无人驾驶的到来势必会影响人们的生活方式，也会给城市空间带来巨大的改变。未来，无人驾驶将在生活中的各个方面普及，传统交通系统可能无法满足无人驾驶汽车的发展。基于此，本文进行大胆尝试与探索，提出一种既适合无人驾驶汽车发展，又能将路网结构的缺陷降到最低的路网结构。本文将以未来一种理想化的无人驾驶汽车作为研究基础，提出一种新型城市交通系统模型。

1 研究综述

当前，无人驾驶发展的研究已经初具规模，众多学者也在加快对无人驾驶改变城市空间的研究。例如，张森等分析了无人驾驶技术会带来城市时空平衡性提高、空间活力点的分散化、公共空间需求增加以及空间布局形态变化等方面的影响[1]。沈旺荣重点从道路利用、停车设施两个方面研究无人驾驶对于城市交通、空间形态带来的影响，提出了城市规划中应对无人驾驶的方法[2]。薛冰冰等重点研究了无人驾驶汽车在城市道路空间规划、道路设计、交通规划及交通管控等方面的影响和新要求，并提出了无人驾驶时代道路交通规划设计和管理控制工作变革的关键点[3]。陈晓荣等明确了无人驾驶公交专用道系统的运行模式及支撑体系[4]。张延鹏等探究了无人驾驶汽车时代，城市在“点”“线”“面”三个维度的提升，以及未来无人驾驶汽车给城市交通带来的挑战，进而提出相应的行动指南[5]。

上述研究大多针对城市面对无人驾驶汽车应做出的改变，而关于可以应对无人驾驶汽车的新型城市模型、新型交通系统的研究较少。由于无人驾驶在使用上存在巨大优越性以及其对于城市空间带来了诸多的积极影响，未来无人驾驶汽车的发展会更加势不可挡。本文将基于新型城市模型的交通系统进行探索，为无人驾驶下的城市空间的研究做出贡献。

2 无人驾驶技术简介

无人驾驶的关键技术包括对车辆行驶环境的感知、对车辆行驶路径的规划、对驾驶行为的智能决策、对车辆的导航定位以及对车辆的自动控制[6]。目前，Uber、谷歌等各大汽车公司都为无人驾驶投入了巨大的经济和人力资源，未来无人驾驶汽车的发展会更加势不可挡。无人驾驶技术将广泛运用在生活中，无人驾驶公交车、无人驾驶轨道交通、无人送货车、无人售货汽车等将成为城市交通系统的主要角色。而由于无人驾驶汽车的特殊性，普及之后的道路空间、交通系统及交通管控等方面都会发生一系列的变化，因此，对城市的规划也要提出新的思路。

3 无人驾驶给城市带来的新机遇

无人驾驶技汽车可以根据周围环境而判断自身的行驶轨迹。如果无人驾驶技术能够广泛应用，必然会引起一场道路交通及城市空间的变革，主要体现在以下方面。

3.1 汽车数量减少

麻省理工学院有数据表明，目前美国的汽车平均有95%的时间处于停放的状态。汽车共享已经导致停车场需求的下降。据预计，每辆共享汽车大约能够取代10 ～30 辆运营车辆。所以无人驾驶普及到城市中后，共享成为城市中交通出行的主题，这意味着汽车的数量将会大幅减少。

3.2 城市道路空间变化

传统汽车的宽度被限制在2.5 m 内，而道路宽度却宽达3.5 m 及以上。原因在于传统汽车由人驾驶，行驶状况不稳定，车行道需要留有一定的容错空间。而无人驾驶汽车在技术的支撑下可避免此种情况，无人驾驶汽车的体积能大幅缩减，由此，机动车道路空间的减少是必然的，可以将更多的城市空间留给公共空间。

3.3 用地布局改变

现代城市用地布局的规划十分注重效率，人们需要考虑通勤时间，那么居住区的布局就会靠近城市交通便捷的地带。而由于无人驾驶时代的交通便利性，交通问题将迎刃而解。居住地点与工作地点的距离将不再是人们选择住所的最大影响因素。人们更倾向于选择居住在建筑密度低、景观优美的地带。居住区可能会分散地分布在城市的各个区域。

3.4 道路通行能力增加

道路的通行能力与交通流平均车速和最小车头间距有关。而无人驾驶汽车可以在互联网的帮助下，与周围的其他无人驾驶汽车联系，从而进行自行组织车流、变道、控制车速等行为。同时，无人驾驶的安全系数增加，反应时间缩短，车辆之间的最小车头间距随之减少。道路的通行能力取值60 ～120 km/h 时，小型和大型无人驾驶汽车的最小车头间距分别是传统汽车的21.6%～35.5%和29.8%～45.9%。因此，无人驾驶时代，道路基本通行能力将大约提高2.6 ～4.2 倍[3]。

3.5 社会停车场减少

由于大部分无人驾驶汽车具有共享性，闲置汽车数量将减少，目前有车无处停的问题便会迎刃而解。社会也不再需要修建大量公共停车场，多余的空间可以进行绿地空间、休闲空间等建设。

4 新型城市模型的交通系统研究

4.1 新型城市模型提出的背景

目前，大多数城市的道路系统采用的是方格网或环状放射式的形式。为了满足城市的扩张，这两种布局方式似乎已经是能最大限度配合城市交通需求的状态。而无人驾驶的普及或许能从根本解决问题，人们无需将思想禁锢在传统布局形式上。提出新的城市模型之前，需要考虑的是，当无人驾驶成为城市中主要的交通工具时，方格网或环形道路是否还有利于无人驾驶的发展和人们的高效生活。方格网道路将城市用地划分成形状整齐的地块，利于城市的用地布局，城市交通线路的选择较为灵活。但是这也造成了对角线方向的地点之间的交通联系较远，难免会增加市民的无效出行距离，增加道路的负担。此外，方格网道路系统形成的交叉口也造成了现有的交通难题，十字路口成为车流冲突点，若想使车辆在道路上较为流畅、有秩序地行驶，需要在交通信号灯的帮助下组织交通相位，这影响了整体的运行速度和效率。虽然在方格网的道路系统下，无人驾驶的接入能避免车流混乱，但也不能完美地解决上述所有问题。

环形放射式道路网的放射形干道虽然优势众多，如有利于市中心的对外联系，使整个城市有向心发展的生命活力，保持中心地区的繁荣等，但是在一定程度上，放射形干道容易把外围的交通集中引入中心地区，造成中心区路网负荷过大，交通拥堵。而且，外围区域的路网整体使用效率偏低，浪费了路网时空资源，城市外围也会继续依托此种形式的道路“摊大饼”式发展。更重要的是，环形道路虽大体上呈现环形放射状，但在中观角度，城市依然存在大量接近方格网形式布局的道路，上述问题依然存在。

4.2 城市模型结构的提出

要提出新型城市道路系统模型，必须既要能避免以上传统道路系统形式的缺点并结合其优点，又要能适合无人驾驶的发展。首先从解决对角线方向的交通联系不变的问题入手，考虑交通路网布局时的非直线系数的概念。非直线系数是指道路讫点间的实际交通距离与两点间空间直线距离之比。用于评价不同路网形式和客货流线路集散点之间联系的便捷程度。方格网式路网的非直线系数在1.2～1.4，而五边形、六边形等多边形的相邻的点的非直线系数要比方格网式的更小，这就意味着从非直线系数的角度来讲，多边形式路网的便捷程度更高。

在自然界中，龟壳、蜂巢、苯的分子结构等都呈现六边形形状，这与正六边形的特点密切相关。平面几何形体中，只有正三角形、正方形以及正六边形是一种可以无限扩张且不留空隙、不重叠的多边形。同时，在能够铺满同等面积的情况下，正六边形所需要的周长之和是最小的，这代表着此种交通道路网形式在城市中的道路用地占比会相应缩小。如果设计目的是使无人驾驶接入后更多的城市道路面积还给城市作为其他功能，整个城市相比于车更注重以人为本，那么便可以大胆尝试一种新的城市模型结构——蜂窝状，即以正六边形为主要道路划分的城市模型。如图1 所示。

图1 六边形新型城市模型

4.3 新型城市模型的尺度

确定了城市模型的结构之后，对整个城市的尺度进行基本定义：在方格网的城市道路系统中，主干道之间的间距为800 ～1 200 m，城市被划分为基本单元。同样，在六边形的城市模型中，主干道将城市划分为六边形构成城市的基本单元。每个六边形单元包含完整的配套设施，满足内部居民的各种需求，包括衣、食、住、行、就业、教育、医疗等。假定此单元内的无人驾驶平均速度为20 km/h，那么在乘坐无人驾驶汽车的5 min 内，行驶的最远距离在1 600 m 左右。那么以半径距离大约为800 m 的圆为基础，使六边形外切于此圆，得到的这个六边形为一个新型的城市单元。这个城市单元可以保证人们在5 min 内乘坐无人驾驶车到达这个模型中的任何一个地方，满足生活上的所有需求。

4.4 新型城市模型的道路系统

每个六边形为一个基本城市单元，每个六边形的边是连接各个六边形的通道。基于此，可以将六边形的边作为城市模型的主干道。次干道作为联系主干道的辅助交通道路，需要贯穿整个六边形城市单元。如图2 所示。如果采用六边形的对角线为次干道，会把原本主干道形成的“Y”型路口变成复杂的交叉口，使得交通系统更加混乱。因此，本文尝试以六边形内切圆的圆心为起点，向最邻近的六边形的三条边作垂线，得出的垂线为次干道。这样，新型城市模型的交叉口全部为Y 型或者T 型。Y型及T 交叉口的车流冲突点较少，并且“Y”型交叉口的转弯半径较大，可以保证车辆行驶具有较大的速度。而无人驾驶车辆的自动避让功能，在一定程度上可以避免车辆发生交通事故。

图2 六边形新型城市模型

可见，在某一程度上，Y 字路口比十字路口可能更加适合无人驾驶。城市模型内部的支路则以用地功能来决定，规划方式可以更加自由灵活，旨在方便快捷地服务小范围的人和车。传统城市的部分支路设置非机动车专用道，大多呈现人车分流的状态。而在无人驾驶时代，无人驾驶汽车具有自动避让行人的功能，在支路上可以轻松呈现人与车共存的状态。因此，新型城市交通体系的模式为六边形的主干道连接城市单元，垂直于六边形的次干道分解城市单元，灵活的内部支路布满城市单元。

4.5 新型城市交通体系的模式与结构

新型城市交通体系的模式为六边形的主干道连接城市单元，垂直于六边形的次干道分解城市单元，灵活的内部支路布满城市单元。此外，考虑到主干道与次干道上行驶的无人驾驶汽车的体量以及性能不同，都各自适用于不同的行驶速度。为了使整个城市的交通系统运行更加方便快捷，呈现一种内慢外快的高效交通体系，可以在主干道以及次干道的连接处设置车辆换乘点。在支路上的无人驾驶汽车体型小，并且行驶速度很低，对于支路上的交通系统的运行影响很小，如果只是短暂地停留5 min 左右，无人驾驶汽车可以随即停留。若停留等待时间较长，可前往附近的临时待客点，以免影响其他无人驾驶汽车和行人的使用。临时待客点的合理间距大约在300 m。

4.6 新型城市交通体系的运行

在无人驾驶时代，各种性能和形态的无人驾驶车辆适用于不同等级的道路。当乘客需要使用无人驾驶汽车时，最近的无人驾驶汽车收到乘客的信号后，便会以最快的速度接到乘客，并在此乘客的目的地附近迎接下一个乘客。无人驾驶汽车可以在主次干道顺利行驶与停泊，实现“通”，支路上人车混行，无人驾驶汽车慢速行驶，实现“达”。

在此新型城市模型中，无人驾驶也很好地解决了停车问题。所有共享的无人驾驶车辆都在数据网络的支持下被调动利用着，无人驾驶车辆只有在需要补充能量和等待客人的时候会停歇下来。此外，城市道路上需要设置一系列临时充电站、加油加气站、维护站等基础设施，更高效便捷地支撑整个城市交通系统正常运行。