無人駕駛語境下新型城市交通系統模型的探索

王西亞，張雯雯，劉思雨

（西南民族大學 建筑學院，四川 成都 610200）

0 引 言

近幾年，科學技術突飛猛進，許多大型汽車公司一直在探索無人駕駛技術，無人駕駛汽車成為一大趨勢。無人駕駛的便捷性很好地響應了新時代高效與智能的主題，無人駕駛的到來勢必會影響人們的生活方式，也會給城市空間帶來巨大的改變。未來，無人駕駛將在生活中的各個方面普及，傳統交通系統可能無法滿足無人駕駛汽車的發展。基于此，本文進行大膽嘗試與探索，提出一種既適合無人駕駛汽車發展，又能將路網結構的缺陷降到最低的路網結構。本文將以未來一種理想化的無人駕駛汽車作為研究基礎，提出一種新型城市交通系統模型。

1 研究綜述

當前，無人駕駛發展的研究已經初具規模，眾多學者也在加快對無人駕駛改變城市空間的研究。例如，張森等分析了無人駕駛技術會帶來城市時空平衡性提高、空間活力點的分散化、公共空間需求增加以及空間布局形態變化等方面的影響[1]。沈旺榮重點從道路利用、停車設施兩個方面研究無人駕駛對于城市交通、空間形態帶來的影響，提出了城市規劃中應對無人駕駛的方法[2]。薛冰冰等重點研究了無人駕駛汽車在城市道路空間規劃、道路設計、交通規劃及交通管控等方面的影響和新要求，并提出了無人駕駛時代道路交通規劃設計和管理控制工作變革的關鍵點[3]。陳曉榮等明確了無人駕駛公交專用道系統的運行模式及支撐體系[4]。張延鵬等探究了無人駕駛汽車時代，城市在“點”“線”“面”三個維度的提升，以及未來無人駕駛汽車給城市交通帶來的挑戰，進而提出相應的行動指南[5]。

上述研究大多針對城市面對無人駕駛汽車應做出的改變，而關于可以應對無人駕駛汽車的新型城市模型、新型交通系統的研究較少。由于無人駕駛在使用上存在巨大優越性以及其對于城市空間帶來了諸多的積極影響，未來無人駕駛汽車的發展會更加勢不可擋。本文將基于新型城市模型的交通系統進行探索，為無人駕駛下的城市空間的研究做出貢獻。

2 無人駕駛技術簡介

無人駕駛的關鍵技術包括對車輛行駛環境的感知、對車輛行駛路徑的規劃、對駕駛行為的智能決策、對車輛的導航定位以及對車輛的自動控制[6]。目前，Uber、谷歌等各大汽車公司都為無人駕駛投入了巨大的經濟和人力資源，未來無人駕駛汽車的發展會更加勢不可擋。無人駕駛技術將廣泛運用在生活中，無人駕駛公交車、無人駕駛軌道交通、無人送貨車、無人售貨汽車等將成為城市交通系統的主要角色。而由于無人駕駛汽車的特殊性，普及之后的道路空間、交通系統及交通管控等方面都會發生一系列的變化，因此，對城市的規劃也要提出新的思路。

3 無人駕駛給城市帶來的新機遇

無人駕駛技汽車可以根據周圍環境而判斷自身的行駛軌跡。如果無人駕駛技術能夠廣泛應用，必然會引起一場道路交通及城市空間的變革，主要體現在以下方面。

3.1 汽車數量減少

麻省理工學院有數據表明，目前美國的汽車平均有95%的時間處于停放的狀態。汽車共享已經導致停車場需求的下降。據預計，每輛共享汽車大約能夠取代10 ～30 輛運營車輛。所以無人駕駛普及到城市中后，共享成為城市中交通出行的主題，這意味著汽車的數量將會大幅減少。

3.2 城市道路空間變化

傳統汽車的寬度被限制在2.5 m 內，而道路寬度卻寬達3.5 m 及以上。原因在于傳統汽車由人駕駛，行駛狀況不穩定，車行道需要留有一定的容錯空間。而無人駕駛汽車在技術的支撐下可避免此種情況，無人駕駛汽車的體積能大幅縮減，由此，機動車道路空間的減少是必然的，可以將更多的城市空間留給公共空間。

3.3 用地布局改變

現代城市用地布局的規劃十分注重效率，人們需要考慮通勤時間，那么居住區的布局就會靠近城市交通便捷的地帶。而由于無人駕駛時代的交通便利性，交通問題將迎刃而解。居住地點與工作地點的距離將不再是人們選擇住所的最大影響因素。人們更傾向于選擇居住在建筑密度低、景觀優美的地帶。居住區可能會分散地分布在城市的各個區域。

3.4 道路通行能力增加

道路的通行能力與交通流平均車速和最小車頭間距有關。而無人駕駛汽車可以在互聯網的幫助下，與周圍的其他無人駕駛汽車聯系，從而進行自行組織車流、變道、控制車速等行為。同時，無人駕駛的安全系數增加，反應時間縮短，車輛之間的最小車頭間距隨之減少。道路的通行能力取值60 ～120 km/h 時，小型和大型無人駕駛汽車的最小車頭間距分別是傳統汽車的21.6%～35.5%和29.8%～45.9%。因此，無人駕駛時代，道路基本通行能力將大約提高2.6 ～4.2 倍[3]。

3.5 社會停車場減少

由于大部分無人駕駛汽車具有共享性，閑置汽車數量將減少，目前有車無處停的問題便會迎刃而解。社會也不再需要修建大量公共停車場，多余的空間可以進行綠地空間、休閑空間等建設。

4 新型城市模型的交通系統研究

4.1 新型城市模型提出的背景

目前，大多數城市的道路系統采用的是方格網或環狀放射式的形式。為了滿足城市的擴張，這兩種布局方式似乎已經是能最大限度配合城市交通需求的狀態。而無人駕駛的普及或許能從根本解決問題，人們無需將思想禁錮在傳統布局形式上。提出新的城市模型之前，需要考慮的是，當無人駕駛成為城市中主要的交通工具時，方格網或環形道路是否還有利于無人駕駛的發展和人們的高效生活。方格網道路將城市用地劃分成形狀整齊的地塊，利于城市的用地布局，城市交通線路的選擇較為靈活。但是這也造成了對角線方向的地點之間的交通聯系較遠，難免會增加市民的無效出行距離，增加道路的負擔。此外，方格網道路系統形成的交叉口也造成了現有的交通難題，十字路口成為車流沖突點，若想使車輛在道路上較為流暢、有秩序地行駛，需要在交通信號燈的幫助下組織交通相位，這影響了整體的運行速度和效率。雖然在方格網的道路系統下，無人駕駛的接入能避免車流混亂，但也不能完美地解決上述所有問題。

環形放射式道路網的放射形干道雖然優勢眾多，如有利于市中心的對外聯系，使整個城市有向心發展的生命活力，保持中心地區的繁榮等，但是在一定程度上，放射形干道容易把外圍的交通集中引入中心地區，造成中心區路網負荷過大，交通擁堵。而且，外圍區域的路網整體使用效率偏低，浪費了路網時空資源，城市外圍也會繼續依托此種形式的道路“攤大餅”式發展。更重要的是，環形道路雖大體上呈現環形放射狀，但在中觀角度，城市依然存在大量接近方格網形式布局的道路，上述問題依然存在。

4.2 城市模型結構的提出

要提出新型城市道路系統模型，必須既要能避免以上傳統道路系統形式的缺點并結合其優點，又要能適合無人駕駛的發展。首先從解決對角線方向的交通聯系不變的問題入手，考慮交通路網布局時的非直線系數的概念。非直線系數是指道路訖點間的實際交通距離與兩點間空間直線距離之比。用于評價不同路網形式和客貨流線路集散點之間聯系的便捷程度。方格網式路網的非直線系數在1.2～1.4，而五邊形、六邊形等多邊形的相鄰的點的非直線系數要比方格網式的更小，這就意味著從非直線系數的角度來講，多邊形式路網的便捷程度更高。

在自然界中，龜殼、蜂巢、苯的分子結構等都呈現六邊形形狀，這與正六邊形的特點密切相關。平面幾何形體中，只有正三角形、正方形以及正六邊形是一種可以無限擴張且不留空隙、不重疊的多邊形。同時，在能夠鋪滿同等面積的情況下，正六邊形所需要的周長之和是最小的，這代表著此種交通道路網形式在城市中的道路用地占比會相應縮小。如果設計目的是使無人駕駛接入后更多的城市道路面積還給城市作為其他功能，整個城市相比于車更注重以人為本，那么便可以大膽嘗試一種新的城市模型結構——蜂窩狀，即以正六邊形為主要道路劃分的城市模型。如圖1 所示。

圖1 六邊形新型城市模型

4.3 新型城市模型的尺度

確定了城市模型的結構之后，對整個城市的尺度進行基本定義：在方格網的城市道路系統中，主干道之間的間距為800 ～1 200 m，城市被劃分為基本單元。同樣，在六邊形的城市模型中，主干道將城市劃分為六邊形構成城市的基本單元。每個六邊形單元包含完整的配套設施，滿足內部居民的各種需求，包括衣、食、住、行、就業、教育、醫療等。假定此單元內的無人駕駛平均速度為20 km/h，那么在乘坐無人駕駛汽車的5 min 內，行駛的最遠距離在1 600 m 左右。那么以半徑距離大約為800 m 的圓為基礎，使六邊形外切于此圓，得到的這個六邊形為一個新型的城市單元。這個城市單元可以保證人們在5 min 內乘坐無人駕駛車到達這個模型中的任何一個地方，滿足生活上的所有需求。

4.4 新型城市模型的道路系統

每個六邊形為一個基本城市單元，每個六邊形的邊是連接各個六邊形的通道?；诖?，可以將六邊形的邊作為城市模型的主干道。次干道作為聯系主干道的輔助交通道路，需要貫穿整個六邊形城市單元。如圖2 所示。如果采用六邊形的對角線為次干道，會把原本主干道形成的“Y”型路口變成復雜的交叉口，使得交通系統更加混亂。因此，本文嘗試以六邊形內切圓的圓心為起點，向最鄰近的六邊形的三條邊作垂線，得出的垂線為次干道。這樣，新型城市模型的交叉口全部為Y 型或者T 型。Y型及T 交叉口的車流沖突點較少，并且“Y”型交叉口的轉彎半徑較大，可以保證車輛行駛具有較大的速度。而無人駕駛車輛的自動避讓功能，在一定程度上可以避免車輛發生交通事故。

圖2 六邊形新型城市模型

可見，在某一程度上，Y 字路口比十字路口可能更加適合無人駕駛。城市模型內部的支路則以用地功能來決定，規劃方式可以更加自由靈活，旨在方便快捷地服務小范圍的人和車。傳統城市的部分支路設置非機動車專用道，大多呈現人車分流的狀態。而在無人駕駛時代，無人駕駛汽車具有自動避讓行人的功能，在支路上可以輕松呈現人與車共存的狀態。因此，新型城市交通體系的模式為六邊形的主干道連接城市單元，垂直于六邊形的次干道分解城市單元，靈活的內部支路布滿城市單元。

4.5 新型城市交通體系的模式與結構

新型城市交通體系的模式為六邊形的主干道連接城市單元，垂直于六邊形的次干道分解城市單元，靈活的內部支路布滿城市單元。此外，考慮到主干道與次干道上行駛的無人駕駛汽車的體量以及性能不同，都各自適用于不同的行駛速度。為了使整個城市的交通系統運行更加方便快捷，呈現一種內慢外快的高效交通體系，可以在主干道以及次干道的連接處設置車輛換乘點。在支路上的無人駕駛汽車體型小，并且行駛速度很低，對于支路上的交通系統的運行影響很小，如果只是短暫地停留5 min 左右，無人駕駛汽車可以隨即停留。若停留等待時間較長，可前往附近的臨時待客點，以免影響其他無人駕駛汽車和行人的使用。臨時待客點的合理間距大約在300 m。

4.6 新型城市交通體系的運行

在無人駕駛時代，各種性能和形態的無人駕駛車輛適用于不同等級的道路。當乘客需要使用無人駕駛汽車時，最近的無人駕駛汽車收到乘客的信號后，便會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個乘客。無人駕駛汽車可以在主次干道順利行駛與停泊，實現“通”，支路上人車混行，無人駕駛汽車慢速行駛，實現“達”。

在此新型城市模型中，無人駕駛也很好地解決了停車問題。所有共享的無人駕駛車輛都在數據網絡的支持下被調動利用著，無人駕駛車輛只有在需要補充能量和等待客人的時候會停歇下來。此外，城市道路上需要設置一系列臨時充電站、加油加氣站、維護站等基礎設施，更高效便捷地支撐整個城市交通系統正常運行。

5 結 語

由于無人駕駛在使用上存在巨大的優越性，對于城市空間帶來了諸多的積極影響，因此城市的發展將會對城市規劃提出更高、更新的要求。本文從分析城市現有道路系統的優缺點入手，通過提出非直線系數得出一個新型城市模型，主要結論有：

（1）以城市模型的六條邊為主干道，內部垂直于六邊形的路為次干路，其余支路合理布置在每個城市單元；

（2）以六邊形為一個基本單元，其內切圓半徑為800 m，一個單元內包含各類公共服務設施；

（3）城市內部需設置停車點和服務于無人駕駛車輛的基礎設施等。

本文提出的新型城市模型下的交通系統是基于目前無人駕駛所能達到的技術而言的，缺乏一定的普遍性與可實踐性，并且在管理與支撐體系方面需要更加完善。隨著時代的進步，無人駕駛系統會更加完善，這會給此基礎模型帶來更多需要完善的地方。