汽車變革發(fā)展中的城市交通系統(tǒng)重構(gòu)與研究綜述

楊曉光，朱際宸，王一喆，章 程，時玉琦，馬成元，康 振

（1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

易經(jīng)道“天地交而萬物通也”。交通是人類生存、生產(chǎn)、生活及發(fā)展所依賴的人和物的移動，是世間萬物的交（連接）與通（達）。因此，交通具有復(fù)雜巨系統(tǒng)性，不僅廣泛地涉及與城市、經(jīng)濟、社會高度關(guān)聯(lián)的交通需求，還須借助自行車、汽車、列車、船舶、飛機等運輸工具實現(xiàn)人和物的移動。自第一次工業(yè)革命時期汽車誕生以來，極大地提升了人類移動的機動性。一方面，汽車歷經(jīng)百余年的變革與發(fā)展已深刻地融入了人類的生活，具有“人享其行”之基本性能。統(tǒng)計表明：2020 年底我國的汽車保有量已超2.8億輛（20 輛/百人），超過美國汽車保有量2.7 億輛（81 輛/百人）[1]。另一方面，為了修建城市及城市間的道路、停車設(shè)施付出了巨大的土地資源和投資。同時，汽車交通也始終面臨著阻塞、事故、污染和資源消耗等方面的挑戰(zhàn)，并在挑戰(zhàn)中不斷變革。

根據(jù)《未來城市出行藍皮書（2020）》，2006—2016 年，全國城市道路面積年復(fù)合增速為6%，但機動車保有量增速為其3 倍以上，現(xiàn)有道路（包括行車和停車）基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)不能滿足城市居民不斷增長的機動車出行需求，還造成嚴(yán)重的土地與道路資源消耗、環(huán)境污染、交通事故等。因此，亟須破解如此尖銳的交通問題，打造連續(xù)、可靠、便捷、舒適、公平、適應(yīng)各類出行者（老年、弱勢出行群體等）的多功能道路交通系統(tǒng)，充分回歸交通的“他服務(wù)”屬性，大幅提升出行品質(zhì)體驗，實現(xiàn)“人享其行，物優(yōu)其流”，促進城市及交通可持續(xù)融合發(fā)展。

與此同時，交通運輸系統(tǒng)的能耗與排放問題也已給人類生存環(huán)境帶來了巨大的挑戰(zhàn)。統(tǒng)計表明：我國的交通運輸行業(yè)碳排放量已約占碳排放總量的10%，其中道路交通運輸約占全方式的84%[2]；全球交通運輸碳排放量約占碳排放總量的25%，高度工業(yè)化國家（如英國）該占比約為37%[3]。因此，節(jié)能減排的重要方向應(yīng)是降低道路交通運輸系統(tǒng)的能耗與碳排放。

優(yōu)先發(fā)展公共交通是改善城市交通的關(guān)鍵。然而，常規(guī)的公共汽電車交通因受到通行環(huán)境與條件及運輸成本的制約，其服務(wù)水平的保障和提升極為艱難，不少城市已開始或準(zhǔn)備撤除公交專用道，甚至取消公交補貼。根據(jù)高德地圖《2021 Q1中國主要城市交通分析報告》，中國超大城市、特大城市的平均公交換乘系數(shù)為1.518,1.474，超大、特大和大中型城市換乘平均步行距離約為1 063m,1 058m 和943m，已超出法國巴黎和日本東京地鐵換乘距離300～500m。

因此，國內(nèi)外城市皆面臨著在土地資源和環(huán)境條件高度約束條件下，如何發(fā)展面向未來的“節(jié)能減排、安全高效、人享其行、物優(yōu)其流”交通運輸系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)。特別是如何發(fā)展已高度融合人類生活、連接綜合交通運輸、實現(xiàn)門到門出行的汽車交通，更是必須深入研究的重大課題。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和智能化等為特征的新工業(yè)革命（也稱第四次工業(yè)革命）的興起，新一輪科技進步和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮正席卷全球，并正在深刻地變革著交通運輸系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代后期，工業(yè)化國家?guī)缀跬瑫r面臨著城市交通阻塞、事故、資源與環(huán)境等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此催生了第一代智能交通運輸系統(tǒng)（Intelligent Transport Systems,ITS）。進入21 世紀(jì)，全球的交通問題特別是交通能源與環(huán)境問題再次尖銳，移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能科技迅速發(fā)展，2010 年上海世博會上出現(xiàn)了新一代網(wǎng)聯(lián)化、電動化和智能化車輛，標(biāo)志著第二代智能交通運輸系統(tǒng)發(fā)展的開啟。

新工業(yè)革命和汽車交通問題的挑戰(zhàn)，正在加快汽車及其交通系統(tǒng)朝著“輕量化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、自動化和智能化”等“六化”方向發(fā)展。我國的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》指出，需要加快汽車產(chǎn)品向新能源、輕量化、智能和網(wǎng)聯(lián)的方向發(fā)展，支持汽車共享技術(shù)的應(yīng)用，加強汽車與新一代智能交通技術(shù)融合發(fā)展與應(yīng)用[4]。顯而易見，新型汽車的發(fā)展將對道路交通出行方式及其系統(tǒng)產(chǎn)生深刻影響，進而使得基礎(chǔ)設(shè)施、土地資源與能耗、通行環(huán)境、通行規(guī)則、信息交互及整個交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變革，必將催生出交通系統(tǒng)重構(gòu)、交通科技研究與開發(fā)及應(yīng)用的再發(fā)展。

因此，在全新的汽車及其群體環(huán)境下，如何重構(gòu)新一代的道路交通體系，重構(gòu)道路交通與綜合交通運輸協(xié)同體系，以及構(gòu)建新一代交通系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)和方法及人才培養(yǎng)體系，賦能交通強國建設(shè)，已經(jīng)成為亟待研究的重大課題。為了理清汽車變革及其對道路交通系統(tǒng)等方面更廣泛的影響，本文綜述了進行中的汽車“六化”革新與發(fā)展方向，及其所帶來的交通系統(tǒng)變革與重構(gòu)，包括交通系統(tǒng)需求、運輸、設(shè)施、資源與能源、服務(wù)、管理與控制、綜合治理、信息化與智能化等研究領(lǐng)域的新發(fā)展，新一代交通（系統(tǒng)）工程（2.0）體系等，并展望了未來發(fā)展趨勢。研究成果對于未來城市交通與綜合交通系統(tǒng)發(fā)展及其研究與應(yīng)用具有重大的理論意義和實用價值。

1 汽車變革與發(fā)展方向

汽車自百余年前誕生以來，不僅為人類出行帶來便利，甚至變革了人類生活。同時，也伴隨交通阻塞、事故、資源消耗和環(huán)境污染等方面的挑戰(zhàn)而不斷變革。當(dāng)代的汽車及其交通系統(tǒng)正呈現(xiàn)“輕量化、電動化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、自動化、智能化”的“六化”特征。

1.1 輕量化

汽車輕量化的概念最早起源于賽車運動，相關(guān)研究主要集中于汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料研究以及制造工藝提升。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是以最小化結(jié)構(gòu)質(zhì)量或體積為目標(biāo)，對汽車尺寸、幾何外形、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計，即小型化汽車[5]。以高強度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、新型塑料及復(fù)合材料等為代表的汽車輕量化材料已經(jīng)成為當(dāng)前汽車行業(yè)亟需開發(fā)的重點技術(shù)領(lǐng)域。輕量化汽車的制造工藝研究中也出現(xiàn)了許多的探索性應(yīng)用，包括熱沖壓、膠接工藝、液壓成形、激光焊接等技術(shù)。

輕量化汽車可以有效提高整車燃料經(jīng)濟性及操控穩(wěn)定性，對于降低交通排放、提高通行能力具有重要意義。汽車輕量化所帶來的車輛小型化變革如圖1 所示，是對應(yīng)現(xiàn)實中大量的汽車出行為個體出行，而老齡及殘障人群出行不便等特征而產(chǎn)生的。道路及其停車空間資源的制約，也促進了小型車輛的發(fā)展。因此，輕量化汽車并輔以電動化、自動化和智能化發(fā)展，將對全面實現(xiàn)汽車交通節(jié)能減排，減少運行與停放空間占用，促進所有人群便利、機動、連續(xù)出行產(chǎn)生深刻的影響。不久的將來，輕量化小型汽車甚至能夠隨電梯進入建筑物內(nèi)部，最大限度地接近人們出行的出發(fā)地和目的地，真正意義上實現(xiàn)門到門出行服務(wù)。

圖1 多模式小型電動汽車

1.2 電動化

汽車電動化即新能源化，是指采用非傳統(tǒng)的車用電池等新能源燃料的汽車，這是解決傳統(tǒng)燃料汽車高能耗且產(chǎn)生環(huán)境污染等問題的有效途徑，主要包括純電動汽車、混合動力汽車及燃料電池汽車等。

電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池技術(shù)、電機技術(shù)及電控系統(tǒng)等[6]。其中，電池技術(shù)是電動汽車的基礎(chǔ)，目前主要有鉛酸電池、氫鎳電池、鋰離子電池技術(shù)等；電機是電動汽車動力系統(tǒng)的核心，車用電機系統(tǒng)正朝著高度集成化方向發(fā)展，以增強電機效能，減少能源消耗；電控系統(tǒng)是電動汽車正常運行的保障，可監(jiān)控和管理汽車的運行狀態(tài)。

近年來，以電動汽車為代表的新能源汽車產(chǎn)銷量與市場占比如圖2 所示。2021 年新能源汽車全年產(chǎn)量同比增長高達152.5%，市場占有率達到13.40%。新能源汽車發(fā)展勢頭強勁，已成為未來汽車行業(yè)與交通系統(tǒng)研究極其重要的方向，將加快交通系統(tǒng)碳達峰與碳中和進程。

圖2 2014—2021年中國新能源汽車產(chǎn)銷量及市場占有率

1.3 網(wǎng)聯(lián)化

網(wǎng)聯(lián)汽車通過車載設(shè)備，利用無線通信技術(shù)與周圍車輛、路側(cè)設(shè)備等進行通訊，感知周圍車輛信息與交通狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)提高通行效率、保障交通安全及高度智能化服務(wù)與管理等目標(biāo)。從早期的專用短程通信（Dedicated Short Range Communications,DSRC）技術(shù)，到基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)LTE-V2X 技術(shù)，再到5G 通信環(huán)境下的新一代5G-V2X技術(shù)[7]，網(wǎng)聯(lián)汽車的通信技術(shù)在覆蓋范圍、感知距離、穩(wěn)定性、傳輸時延等方面都有了巨大的進步。

汽車網(wǎng)聯(lián)化與發(fā)展，為進一步實現(xiàn)汽車交通網(wǎng)聯(lián)共享服務(wù)，以及汽車交通與綜合交通系統(tǒng)協(xié)同管理，特別是為車路協(xié)同管理與控制、主動安全與車速引導(dǎo)及路徑誘導(dǎo)管理等提供堅實的基礎(chǔ)條件。同時，網(wǎng)聯(lián)汽車還可提供極其豐富的交通系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將傳統(tǒng)的集計交通數(shù)據(jù)環(huán)境變革為實時非集計數(shù)據(jù)環(huán)境，從而為提高道路交通系統(tǒng)精細(xì)化、精準(zhǔn)化主動協(xié)同管理及控制水平與智能決策支持能力等奠定基礎(chǔ)。

1.4 共享化

共享汽車的核心意義在于駕駛員對車輛只有使用權(quán)而無需擁有所有權(quán)，是重復(fù)租賃制汽車。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與電子鑰匙、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、電子支付等技術(shù)的突破，共享汽車的行業(yè)規(guī)模不斷增長。

目前關(guān)于共享汽車的經(jīng)濟效益、運營模式、用戶選擇意愿、政策導(dǎo)向[8-10]等方面都有較為成熟的研究與應(yīng)用。共享汽車的出現(xiàn)，有助于減少城市汽車保有量，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的私家車出行模式，緩解交通擁堵與污染問題，影響城市道路交通系統(tǒng)的需求結(jié)構(gòu)與管理模式。

1.5 自動化

汽車自動化主要指汽車駕駛自動化，即車輛以自動的方式持續(xù)地執(zhí)行部分或全部動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的行為，是以駕駛自動化系統(tǒng)（實現(xiàn)駕駛自動化的硬軟件所共同組成的系統(tǒng)）為支撐。

汽車駕駛自動化功能，包括駕駛自動化系統(tǒng)在特定的設(shè)計運行條件內(nèi)執(zhí)行部分或全部動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的能力。一個駕駛自動化系統(tǒng)可實現(xiàn)一個或多個駕駛自動化功能，包括但不限于車輛橫向運動控制與車輛縱向運動控制等。

基于駕駛自動化系統(tǒng)能夠執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的程度，根據(jù)《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）》和在執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)中的角色分配[11]，以及有無設(shè)計運行范圍限制，駕駛自動化被劃分成0 級至5 級共6 個等級。其中，0～2 級為駕駛輔助，系統(tǒng)輔助人類執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)，駕駛主體仍為駕駛員；3～5級為自動駕駛，系統(tǒng)在設(shè)計運行條件下代替人類執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)，當(dāng)功能激活時，駕駛主體則轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)。鑒于汽車自動化不僅是技術(shù)層面的，還涉及復(fù)雜的行駛環(huán)境與條件乃至法律等，所以，實現(xiàn)完全自動化是一個不斷演進的過程。2021 年5 月上海車展會發(fā)布的信息表明，中國有望在2025 年實現(xiàn)70%的量產(chǎn)新車型具備L3級別自動駕駛水平、L4級別自動駕駛水平汽車開始規(guī)模化應(yīng)用，到2030年有望實現(xiàn)L5級別自動駕駛水平汽車的量產(chǎn)。因此，汽車自動化將深刻地變革交通系統(tǒng)基本要素與結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、設(shè)計、管理、服務(wù)、決策、治理，及其科學(xué)與技術(shù)體系。

1.6 智能化

智能汽車搭載先進的傳感系統(tǒng)、決策系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)，使汽車具備環(huán)境智能感知能力、智能決策與執(zhí)行能力，反映汽車自動化的不同能級。

傳感系統(tǒng)為智能汽車提供了智能感知的能力。目前相關(guān)研究主要針對傳感器及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，致力于提高傳感器系統(tǒng)在極端條件下的可靠性和數(shù)據(jù)采集的精確度。決策系統(tǒng)是智能汽車的大腦，讓汽車能夠模仿人類駕駛員，利用傳感系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)做出最優(yōu)的智能決策，其中基于機器學(xué)習(xí)[12]、效用模型[13]、深度學(xué)習(xí)[14]等方法的智能決策框架已經(jīng)有了較為深入的研究與應(yīng)用。執(zhí)行系統(tǒng)接收最優(yōu)決策方案后，對車輛速度、加速度、轉(zhuǎn)角等進行智能控制。

智能汽車的出現(xiàn)，不僅能夠在汽車自動化能力的基礎(chǔ)上更加智能化，解放人類駕駛員的雙手，還能夠充分地拓展城市道路交通系統(tǒng)的功能和性能。

2 汽車變革中的交通系統(tǒng)重構(gòu)

汽車作為最關(guān)鍵的、基礎(chǔ)的道路交通運載工具，不僅極大地提升了人類移動的機動性與便利性乃至改變了人們的日常生活，更深刻地影響并變革著整個綜合交通體系乃至城市系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)。具體體現(xiàn)在對交通系統(tǒng)要素，交通系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)有機關(guān)系，交通系統(tǒng)效能及目標(biāo)達成，以及交通系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)體系的變革、重構(gòu)和創(chuàng)新發(fā)展。

2.1 汽車“六化”變革對交通系統(tǒng)“七要素”的影響

交通系統(tǒng)不僅是道路交通系統(tǒng)，還包含軌道交通、航空交通、水運交通系統(tǒng)等綜合交通體系。作為一個有機的交通系統(tǒng)，具有基本的“七要素”：①移動主體（人和物）；②交通工具；③交通設(shè)施；④交通資源（時空與能源）；⑤交通環(huán)境（含物理、生態(tài)、心理環(huán)境）；⑥交通規(guī)則（含政策）；⑦系統(tǒng)交互（信息與聯(lián)系）等。因此，汽車“六化”變革對其可能產(chǎn)生的影響可歸納如表1。

表1 汽車變革對交通系統(tǒng)要素的影響

2.2 汽車“六化”變革對交通系統(tǒng)“八網(wǎng)絡(luò)”的影響

交通系統(tǒng)構(gòu)成要素的內(nèi)外在有機聯(lián)系以及系統(tǒng)功能與性能，主要通過以下“八網(wǎng)絡(luò)”（如圖3所示）實現(xiàn)：①需求網(wǎng)（與經(jīng)濟、社會、城市密切關(guān)聯(lián)）；②運輸網(wǎng)（不同運載模式）；③設(shè)施網(wǎng)（支撐不同運載模式與功能和性能）；④能源網(wǎng)（支撐運載能耗）；⑤服務(wù)網(wǎng)（支撐不同服務(wù)需求）；⑥管控網(wǎng)（提供運行與運營保障）；⑦治理網(wǎng)（提供政策和機制保障）；⑧信息網(wǎng)（支撐系統(tǒng)要素和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)感知與交互通信及互聯(lián)）。汽車“六化”變革對交通系統(tǒng)“八網(wǎng)絡(luò)”可能產(chǎn)生的影響可歸納如表2。

表2 汽車變革對交通系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的影響

圖3 交通系統(tǒng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基本關(guān)系

2.3 汽車“六化”變革對交通系統(tǒng)“九效能”的影響

交通系統(tǒng)的終極目標(biāo)是實現(xiàn)其效能并達成目標(biāo)。《交通強國建設(shè)綱要》提出我國交通強國建設(shè)的總目標(biāo)是“人民滿意、保障有力、世界前列”；《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》進一步確立了我國綜合立體交通系統(tǒng)發(fā)展的效能與目標(biāo)。面向“現(xiàn)代交通+”城市與社會和經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展，以及智能交通與智慧城市、智慧社會和智慧經(jīng)濟發(fā)展的趨勢，可將交通系統(tǒng)發(fā)展的效能和目標(biāo)歸納為以下九個方面：①便利順暢；②經(jīng)濟高效；③綠色集約；④智能先進；⑤安全可靠；⑥公平持續(xù)；⑦城市融合；⑧社會融合；⑨整合集成。汽車“六化”變革對交通系統(tǒng)“九效能”可能產(chǎn)生的影響可歸納如表3。

表3 汽車變革對交通系統(tǒng)效能的影響

3 汽車變革中交通系統(tǒng)科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)研究的發(fā)展

3.1 交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0發(fā)展

交通系統(tǒng)科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)研究，可追溯到20世紀(jì)30年代，伴隨著第一次工業(yè)革命而誕生的汽車及其交通問題凸顯而創(chuàng)立的，研究汽車交通為主的交通工程（1.0）學(xué)科專業(yè)體系。歷經(jīng)90 多年的發(fā)展，交通工程學(xué)科的內(nèi)涵與外延已發(fā)生了深刻的變化，從早期的汽車交通系統(tǒng)為主，逐步發(fā)展為綜合交通系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)研究，在我國還專門設(shè)立了“交通運輸工程”學(xué)科，研究鐵路、道路、水路、航空運輸系統(tǒng)及其基礎(chǔ)設(shè)施的布局規(guī)劃與設(shè)計、載運工具運用工程、交通信息與控制工程、交通運輸運行與運營管理、交通運輸安全與環(huán)境工程等，并培養(yǎng)相關(guān)人才。然而，其研究對象和主要內(nèi)容仍多局限于早期的學(xué)術(shù)框架。以物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為特征的新一代科技帶來了汽車及綜合交通系統(tǒng)的不斷變革，正在深刻地影響并導(dǎo)致了道路交通乃至綜合交通系統(tǒng)重構(gòu)。因此，新一代交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0 正在初步形成[15]，其研究對象、研究目標(biāo)、研究條件、研究內(nèi)容、研究方法等要旨如下。

（1）研究對象重構(gòu)

伴隨著信息化與智能化發(fā)展，交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0 研究對象如表4 所列，較交通（系統(tǒng)）工程學(xué)1.0 所研究的系統(tǒng)要素間作用和反作用關(guān)系及對其認(rèn)識的有限性，新的交通系統(tǒng)要素皆已發(fā)生質(zhì)的變化，其有機聯(lián)系性和相互作用與反作用性強、系統(tǒng)趨于透明化，具備充分的可認(rèn)知性。

表4 交通系統(tǒng)要素及研究對象

（2）研究目標(biāo)重構(gòu)

交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0 相關(guān)的研究目標(biāo)（如表5所示）將進一步加強與城市和社會及經(jīng)濟的結(jié)合，進一步揭示復(fù)雜交通系統(tǒng)的規(guī)律，建立科學(xué)體系，關(guān)注應(yīng)用研究。

表5 交通系統(tǒng)研究目標(biāo)

（3）研究條件重構(gòu)

交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0 相關(guān)的研究條件將發(fā)生巨大的變化（見表6），包括觀測條件、實驗條件、計算條件、研究需求、研究規(guī)模和研究復(fù)雜性等全面重構(gòu)。

表6 交通系統(tǒng)研究條件

（4）研究內(nèi)容重構(gòu)

交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0 相關(guān)的研究內(nèi)容將發(fā)生極其豐富的變化（見表7），主要包括：基于交通數(shù)據(jù)分析與建模方法研究，網(wǎng)聯(lián)與信息環(huán)境下交通系統(tǒng)解析，主動智能交通管理，主動智能交通控制，主動與共享服務(wù)，以及多目標(biāo)評價與決策等。

表7 交通系統(tǒng)研究內(nèi)容

（5）研究方法重構(gòu)

交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0 相關(guān)研究方法將發(fā)生革命性變化（見表8），包括：理論解析法、實驗分析法、計算實驗法、平行系統(tǒng)法、虛擬現(xiàn)實法以及綜合研討法等。

表8 交通系統(tǒng)研究方法

3.2 交通系統(tǒng)信息環(huán)境特征轉(zhuǎn)變

電子與信息技術(shù)的發(fā)展推動了交通信息采集技術(shù)由基于固定檢測器，如檢測線圈、雷達、紅外線等方式采集較短時間間隔內(nèi)的流量、占有率、平均速度等信息，進一步向基于射頻自動識別（Radio Frequency Identification,RFID）、汽車牌照視頻識別、浮動車數(shù)據(jù)及網(wǎng)聯(lián)交通軌跡數(shù)據(jù)等移動式信息采集技術(shù)的快速發(fā)展。

汽車的輕量化、電動化、共享化、網(wǎng)聯(lián)化與智能化發(fā)展，可以為道路交通系統(tǒng)提供更加豐富和完善的基礎(chǔ)信息，包括車輛類型、OD 信息、排放、車載人數(shù)等，采集精度也由以往的長間隔、粗粒度拓展為短延時、細(xì)粒度，時間維度從單一集計采集方式發(fā)展為時間與空間兩個維度上全時段、全要素?zé)o縫覆蓋的非集計采集方式，推動道路交通及綜合交通系統(tǒng)進入大數(shù)據(jù)時代，如表9所示。

表9 汽車變革中的交通系統(tǒng)信息環(huán)境特征

3.3 交通出行模式與結(jié)構(gòu)變革

傳統(tǒng)汽車僅局限為道路交通中的一種單純的交通運載工具。隨著汽車變革，人類將逐漸從駕駛中解放出來，出行者對于移動空間的功能性要求也會提高，汽車正在成為道路交通系統(tǒng)中的一個綜合性第三空間（居住、工作之外的休息空間），從而改變現(xiàn)有的出行模式與結(jié)構(gòu)。

3.3.1 交通出行模式變革

汽車輕量化（特別是小型化）和網(wǎng)聯(lián)化所具有的高度機動性，將與公共交通深度融合、協(xié)同發(fā)展，極大地改善“最后一公里”的交通出行與服務(wù)，小型汽車甚至可以乘電梯開進居民住宅或辦公空間，真正意義上實現(xiàn)門到門出行。網(wǎng)聯(lián)化、自動化與智能化汽車將解放駕駛員的雙手，在自動駕駛技術(shù)的加持下，出行者能夠充分地利用在途時間，享受舒適安心的交通出行環(huán)境以及更多的功能。共享汽車的發(fā)展亦將促進全新的出行模式出現(xiàn)，由傳統(tǒng)的私家車出行轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)約共享出行，實現(xiàn)汽車出行供需的最佳協(xié)同、按需調(diào)度，提升出行服務(wù)質(zhì)量。此外，電動汽車還將推動踐行綠色與安全出行等理念。

技術(shù)的變革與發(fā)展推動汽車朝著綜合性的移動空間方向發(fā)展，成為集出行、預(yù)約、社交、辦公、娛樂、支付等功能為一體的應(yīng)用終端，改變出行及其服務(wù)模式結(jié)構(gòu)。因此，方便快捷、綠色環(huán)保、智能互聯(lián)、預(yù)約共享、門到門出行模式將是未來的發(fā)展方向。

3.3.2 交通出行結(jié)構(gòu)變革

新型汽車對居民出行結(jié)構(gòu)的影響，將反映在未來的公共交通、汽車出行、慢行交通等出行結(jié)構(gòu)及其最佳匹配關(guān)系的重構(gòu)，從而極大地促進以公交為主體的綜合交通系統(tǒng)和諧發(fā)展。

3.4 交通規(guī)劃與設(shè)計體系變革

3.4.1 交通規(guī)劃體系變革

交通規(guī)劃是基于交通發(fā)展的目標(biāo)和需求及其資源條件，通過技術(shù)方法和政策研究而形成的面向近、中、遠(yuǎn)期的交通系統(tǒng)建設(shè)、管理及服務(wù)方案。傳統(tǒng)的基于交通需求四階段分析的規(guī)劃方法依據(jù)十分有限的抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)展開，存在調(diào)查成本高、主觀性大、預(yù)測分析不準(zhǔn)確等問題。汽車“六化”變革將帶來全新的交通系統(tǒng)“七要素”、“八網(wǎng)絡(luò)”及“九效能”體系的重構(gòu)，亦即新交通方式、新出行結(jié)構(gòu)、新數(shù)據(jù)環(huán)境等的結(jié)構(gòu)性變化。因此，交通規(guī)劃及其決策理念、方法和技術(shù)亟須創(chuàng)新發(fā)展，以適應(yīng)汽車變革中綜合交通系統(tǒng)規(guī)劃要求。

（1）土地利用高能化

未來汽車變革所帶來的便捷、高效、快速等特點，將大幅提升城市空間的可達性與連通性，由此改變土地利用模式與選址布局。研究發(fā)現(xiàn)，未來共享化與智能化汽車可減少90%以上的私家車出行[16]；輕量化汽車將減少單位車輛占用的通行及停車空間；網(wǎng)聯(lián)化汽車有助于實現(xiàn)停車設(shè)施的動態(tài)優(yōu)化布局[17]，從而實現(xiàn)城市停車用地的集約化管理。此外，汽車變革也將帶來居民住宅用地規(guī)劃、工業(yè)用地規(guī)劃等發(fā)生結(jié)構(gòu)化的變革[18]。

（2）交通設(shè)施高效化

汽車的變革還將充分地提升道路交通系統(tǒng)的本質(zhì)供給（人和物的通行）能力，通過設(shè)置專用車道和專用路等影響道路網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由此提高路網(wǎng)通行能力[19]。如Wu等[20]在網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境下提出了公交專用道動態(tài)優(yōu)先策略，為路網(wǎng)內(nèi)公交專用道規(guī)劃與管理提供了參考。此外，也有學(xué)者研究了基于共享出行的城市街道空間規(guī)劃方法[21]。

（3）能源網(wǎng)與設(shè)施網(wǎng)高度耦合

隨著新型汽車，特別是新能源汽車的發(fā)展與普及，未來交通系統(tǒng)的能源網(wǎng)與設(shè)施網(wǎng)耦合將更加密切[22]。相關(guān)研究旨在滿足能源負(fù)荷與交通需求的前提下，對基礎(chǔ)設(shè)施進行布局優(yōu)化，特別深刻地影響城市道路交通出行與能源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

目前的研究主要在電力網(wǎng)絡(luò)與充電設(shè)施的耦合規(guī)劃方面：Zhang 等[23]考慮了電動汽車的行駛范圍與隨機需求，以配電網(wǎng)絡(luò)投資和運行成本最小為目標(biāo)，設(shè)計了充電站的選址規(guī)劃模型；He等[24]結(jié)合直流最優(yōu)潮流（Direct Current Optimal Power Flow,DCOPF）模型與用戶均衡（User Equilibrium,UE）準(zhǔn)則，對城市道路交通系統(tǒng)的充電站選址與定容進行了規(guī)劃；還有許多研究是關(guān)于考慮能量損耗、發(fā)電成本、出行時間、充電站服務(wù)能力等多目標(biāo)耦合的規(guī)劃模型[25-26]。

未來，隨著氫燃料電池等為代表的新型能源技術(shù)的變革與突破，多類型能源網(wǎng)絡(luò)與交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)耦合互動的場景越來越多[27]，如何對不確定交通需求與時變能源傳輸特征進行建模，實現(xiàn)能源與交通系統(tǒng)高效協(xié)同優(yōu)化，提高耦合系統(tǒng)應(yīng)對事故風(fēng)險的韌性與可靠性，應(yīng)給予更多的關(guān)注。

（4）交通需求變革

汽車變革將顯著地改善出行的最后一公里乃至最后一百米的便捷性，誘增了出行意愿，老年人與未成年人的出行也將增加[28]，進而產(chǎn)生更多的汽車出行需求。在全新的汽車條件下，出行者對于出行成本與效用的敏感性將發(fā)生改變[29-31]，深刻地影響交通需求與方式分布。同時，可以利用汽車變革帶來的豐富的高精度數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地預(yù)估和把握個體出行需求；也為交通分配研究提供了新的方法和思路，如基于交叉口效益[32]、換乘需求[33]等的分配模型研究。

3.4.2 交通設(shè)計體系變革

交通設(shè)計[34]是基于城市與交通規(guī)劃的理念和成果，以交通通暢、安全、便利、公平與環(huán)境和諧為目標(biāo)，系統(tǒng)“資源”（時間資源、空間資源、環(huán)境容量、投資等）為約束，對現(xiàn)有和未來建設(shè)的交通系統(tǒng)及其設(shè)施進行優(yōu)化設(shè)計，尋求最佳交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)系、改善交通的方案，最佳地確定通行權(quán)、系統(tǒng)的時間和空間要素、管理與服務(wù)方案及設(shè)施布局等，中微觀性，體現(xiàn)構(gòu)思、創(chuàng)造、優(yōu)化、組合、整合性。交通設(shè)計上接城市與交通規(guī)劃，下接交通管理，直接交通設(shè)施工程設(shè)計，間接工業(yè)設(shè)計，基于系統(tǒng)工程（最佳化）原理，促使交通建設(shè)與改善方案適應(yīng)交通系統(tǒng)功能與微觀特征，從而整合交通系統(tǒng)各構(gòu)成要素，以實現(xiàn)交通系統(tǒng)和設(shè)施的最佳建設(shè)[35]。隨著汽車“六化”變革，交通系統(tǒng)發(fā)展的新思想、新理論、新方法和新技術(shù)層出不窮，如何重構(gòu)交通設(shè)計方法體系，基于新型汽車特征更加動態(tài)化、精細(xì)化、以人為本設(shè)計道路交通乃至綜合交通系統(tǒng)，重新配置時空資源，最大化利用并提升系統(tǒng)效能，將是交通設(shè)計理念、理論與方法發(fā)展的新方向。

（1）交通設(shè)計精細(xì)化與精準(zhǔn)化

輕量化汽車的出現(xiàn)將導(dǎo)致交通通行空間，如車道寬度、幾何線形及交通標(biāo)志標(biāo)線等設(shè)計要素的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范重新制定，以更好地適應(yīng)輕量化汽車便捷性、高機動性等特征；智能化與網(wǎng)聯(lián)化汽車將促使道路交通系統(tǒng)的時空資源利用從傳統(tǒng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)，可變車道功能設(shè)計、交叉口流線組織等設(shè)計內(nèi)容將更趨動態(tài)化。

（2）資源重構(gòu)交通設(shè)計

汽車的輕量化將極大地變革道路空間資源利用和優(yōu)化設(shè)計方法。一方面，Zahiri等[36]證明了輕量化汽車環(huán)境下，城市道路交通系統(tǒng)的平均行駛速度更高，污染和排放也將明顯減少，從而全面地提升交通的機動性。另一方面，車道寬度可以更窄、縱向容量更大，從而充分地利用道路空間資源，提高其通行能力[37]。在大型車輛和輕量化車輛混行的條件下，Zhao 等[38]探索了如圖4 所示的特殊車道設(shè)計在現(xiàn)實中的適用性：既可以是單個車道作為一輛輕量化汽車的行車道，也可以兩個車道合并為一個大型車輛的行車道。研究結(jié)果證明，當(dāng)大型車輛的數(shù)量較少時，交叉口的通行能力提高幅度能夠達到75%。文獻[39]進一步分析了這種特殊車道對于信號配時、交叉口設(shè)計方案等因素的敏感度。同時，停車場庫的資源重構(gòu)交通設(shè)計也有諸多亟待研究的課題[40]。有關(guān)資源重構(gòu)的交通設(shè)計研究方興未艾。

圖4 輕量化汽車行駛車道精細(xì)化設(shè)計[38]

（3）包容性交通設(shè)計

新型汽車還帶來了汽車的智能性和可控性顯著提升，因此對全新的交通設(shè)計理念和通行規(guī)則也有諸多研究。Li[41]提出的智能化汽車環(huán)境下“對稱交叉口”設(shè)計，改變了傳統(tǒng)車輛必須全部靠左或靠右行駛的規(guī)則，減少了交叉口內(nèi)部的沖突點，并提高了其通行能力。Wang等[42]提出了雙停車線設(shè)計并配以預(yù)信號，有效利用信號控制交叉口的綠燈間隔時間。此外，可變車道設(shè)計也更加動態(tài)化、精準(zhǔn)化：在網(wǎng)聯(lián)化、智能化汽車環(huán)境下，Levin 等[43]構(gòu)建了車道功能動態(tài)變化模型，使得車道在時空上均能夠適應(yīng)功能變化。

（4）集成化交通設(shè)計

道路交通系統(tǒng)的干線或者網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計在未來的研究中是十分重要的，可以基于汽車的“六化”變革充分地挖掘系統(tǒng)效能。此外，針對多種交通創(chuàng)新設(shè)計進行最佳組合、集成優(yōu)化，更是未來的發(fā)展方向。因此，隨著汽車轉(zhuǎn)型發(fā)展，亟需開展新型的交通設(shè)計理論與方法研究，并不斷進行實地應(yīng)用。

3.5 交通系統(tǒng)控制與管理體系變革

交通控制是調(diào)控與疏導(dǎo)交通流、保障交通系統(tǒng)安全與暢通的重要手段。伴隨著汽車的百余年發(fā)展，交通控制理論與方法不斷與時俱進。交通控制對象從單點交叉口擴展到干線，再擴展到路網(wǎng)（如圖5所示），基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源也從歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)、檢測器數(shù)據(jù)發(fā)展到多源數(shù)據(jù)融合與軌跡數(shù)據(jù)，從傳統(tǒng)的被動式控制方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮筋A(yù)測控制[44]。然而，以往的交通信號控制，更多的是對交叉口及多路口的通行權(quán)進行分配與協(xié)調(diào)，由于傳統(tǒng)車輛運行存在極強的隨機性和不可預(yù)測性，交通控制方案仍然面臨著極大的不精細(xì)和失效風(fēng)險。

圖5 交通控制發(fā)展歷程

汽車變革發(fā)展將充分拓展交通控制的能力和邊界，為實現(xiàn)多功能、多需求和多目標(biāo)交通控制提供可能。汽車的海量非集計數(shù)據(jù)豐富和擴展了交通控制方法，并為多目標(biāo)優(yōu)化控制提供了支撐[45]；新型汽車的可控性及調(diào)節(jié)交通流的能力，也將改變現(xiàn)有交通控制理論體系，推動交通控制從傳統(tǒng)的“燈控”轉(zhuǎn)變?yōu)椤败嚳亍保纬扇碌慕煌刂浦黧w；車路聯(lián)網(wǎng)與協(xié)同、人工智能、云邊協(xié)同等技術(shù)也將賦能交通控制，信號優(yōu)化配時參數(shù)計算方式迎來了革新[46-47]，更多先進的理念與方法將充分地應(yīng)用于交通控制領(lǐng)域。

3.5.1 交通控制目標(biāo)與手段變革

（1）交通控制目標(biāo)發(fā)生變化

新型汽車豐富的數(shù)據(jù)與信息環(huán)境，促進了多功能、多目標(biāo)交通優(yōu)化控制研究，除了傳統(tǒng)的減少延誤、提高通行能力等目標(biāo)外，基于汽車駕乘體驗的新控制目標(biāo)，如減少排放與能源消耗[48]、提高舒適性[49]、提高公平性[50]等，皆有相關(guān)進展。

（2）主動、精細(xì)的交通控制

新型汽車可為交通信號控制系統(tǒng)提供更加詳盡的軌跡數(shù)據(jù)與信息，包括位置、速度、轉(zhuǎn)向需求、排隊等待時間等，進而促使交通控制手段更加主動。如，He 等[51]基于車隊信息以及特殊車輛優(yōu)先通行請求，構(gòu)建了信號配時的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型；Bin Al Islam 等[52]利用網(wǎng)聯(lián)化汽車提供的位置與狀態(tài)信息，構(gòu)建了分布式的城市道路網(wǎng)交通信號協(xié)同優(yōu)化模型。此外，基于交通狀態(tài)預(yù)測的主動信號控制也有較多的研究[53-56]。

（3）交通控制對象發(fā)生變化

新型汽車可控性將交通控制對象精細(xì)到每輛車，使得汽車與信號協(xié)同優(yōu)化成為可能。Yu 等[57]建立了統(tǒng)一框架下信號配時和車輛軌跡的集成優(yōu)化模型，以達到延誤最小的目標(biāo)，并采用滾動規(guī)劃時間窗以實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化。Yao 等[58]提出了一個分布式控制模型，對信號配時和車輛的縱向跟馳行為進行優(yōu)化，以最小化每輛車的行駛時間、燃油消耗和安全風(fēng)險。目前的研究大多集中于車輛在車道上的縱向軌跡與信號配時的協(xié)同優(yōu)化，因此Ma等[59]提出了橫縱向軌跡耦合的信號與車輛協(xié)同優(yōu)化模型，以最小化車輛延誤、燃油消耗和換道成本，通過并行蒙特卡洛樹搜索算法提高換道策略的搜索效率。

（4）新型交通控制

汽車變革仍處于發(fā)展階段，傳統(tǒng)汽車與新型汽車組成的新型混合交通環(huán)境將長期存在，如何實現(xiàn)多控制主體的多功能、多需求與多目標(biāo)協(xié)同控制，將是未來的主要研究方向。此外，由于交通控制問題的高度復(fù)雜性，如何設(shè)計分布式、自組織等高效求解算法，也將是今后研究的熱點。未來，無信號控制交叉口將成為可能，傳統(tǒng)的交通控制也將被更加精細(xì)與精準(zhǔn)化的汽車協(xié)同駕駛替代[60-62]，相關(guān)研究值得期待。

3.5.2 汽車調(diào)度技術(shù)研究

在汽車共享化與智能化的影響下，如何進行汽車的運營調(diào)度管理，以實現(xiàn)全時空范圍內(nèi)匹配乘客的出行需求，提高道路交通系統(tǒng)的運行效率，已成為另一重要的研究領(lǐng)域。

（1）共享交通調(diào)度管理

汽車調(diào)度技術(shù)研究的主要目的是在降低調(diào)度運營成本的同時，盡可能滿足乘客出行需求。Vasconcelos 等[63]提出了共享化與電動化汽車環(huán)境下，車輛調(diào)度運營商關(guān)于成本與環(huán)境效益的評估方法；Bruglieri 等[64]構(gòu)建了調(diào)度工作量最少與用戶需求滿足最大化的多目標(biāo)優(yōu)化模型，利用兩階段求解方法探求多個目標(biāo)的平衡點，為共享汽車公司的車輛運營提供建議；Levin等[65]將共享化與智能化汽車作為公交車的一種補充，建立了線性規(guī)劃模型以確定最佳的智能共享汽車與公交車調(diào)度方案，以解決最后一公里問題；Yi 等[66]在自動駕駛環(huán)境下，提出了以車隊為單位共享汽車調(diào)度與收費決策方法，證明了車隊的運營形式能夠顯著減少車輛空載里程，從而降低運營成本。

除了基于模型的方法，強化學(xué)習(xí)方法在車輛調(diào)度技術(shù)中也有較為廣泛的應(yīng)用，如：Lin等[67]提出了一個組合的多智能體強化學(xué)習(xí)框架，以捕捉高維空間中復(fù)雜、隨機的供需變化；Mao 等[68]基于表演者-批評家（actor-critic）的強化學(xué)習(xí)框架，提出了匹配出行需求與車輛供應(yīng)的學(xué)習(xí)方法，以考慮不同的用戶優(yōu)先級，保證公平性。同時，考慮電動汽車充電行為的調(diào)度運營策略也有相關(guān)的研究[69]。

（2）多需求與多目標(biāo)調(diào)度管理

汽車調(diào)度與交通系統(tǒng)出行結(jié)構(gòu)及其需求水平息息相關(guān)，對于不確定需求的預(yù)測是未來車輛調(diào)度技術(shù)研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)。關(guān)于車輛調(diào)度的目標(biāo)，不僅局限于運營效益最大化，還應(yīng)當(dāng)考慮用戶體驗與公平性等目標(biāo)。此外，對于出行需求相似的乘客，動態(tài)優(yōu)化汽車調(diào)度方案，以匹配城市路網(wǎng)合乘拼車需求[70]，也是未來研究的重點。

3.5.3 預(yù)約出行研究

（1）出行預(yù)約

隨著共享化、網(wǎng)聯(lián)化等汽車技術(shù)的發(fā)展，預(yù)約出行成為改善交通系統(tǒng)需求時空不均衡問題的重要手段：通過準(zhǔn)確掌握出行需求的時空分布特征，為個體交通出行編排時間表、提供出行方案，從而達到緩解交通擁堵、避免途中排隊、降低出行過程中的無效損耗等目標(biāo)，將交通系統(tǒng)線下排隊轉(zhuǎn)化為線上排隊和在家等待[71]。

（2）車道預(yù)約通行

Liu等[72]首先對高優(yōu)先級的汽車設(shè)計了車道預(yù)約系統(tǒng)，然后對專用車道的使用權(quán)進行分配以提高專用車道的利用效率；Su 等[73]建立了預(yù)約出行系統(tǒng)的仿真模型，基于車路通信環(huán)境，道路交通系統(tǒng)可以為出行者預(yù)留一定的容量，仿真結(jié)果顯示，在交通需求水平較高的情況下，預(yù)約出行可減少58.6%的延誤和18.3%的二氧化碳排放；Roca-Riu 等[74]結(jié)合共享汽車調(diào)度問題，設(shè)計了出行時間的預(yù)約訂購機制和租金收費模式，在保障運營商收益的同時滿足消費者的出行需求；Perronnet等[75]利用預(yù)約出行方法來避免城市道路交通網(wǎng)絡(luò)死鎖現(xiàn)象，并提出了分層結(jié)構(gòu)的城市道路交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理方法，證明了預(yù)約出行對于避免嚴(yán)重的擁堵具有重要意義。

（3）預(yù)約機制

預(yù)約出行機制是在擁堵收費、可交易路權(quán)等需求管理手段的基礎(chǔ)上，結(jié)合汽車的變革，形成的一種更加高效和精準(zhǔn)的交通供需平衡手段。未來，道路交通及多模式交通協(xié)同的預(yù)約出行機制相關(guān)技術(shù)支撐研究，包括實時通信、路況監(jiān)測、仿真計算、收費標(biāo)準(zhǔn)、制度保障、多模式交通服務(wù)等方面[76]，尚待進一步的探索。

3.6 交通系統(tǒng)分析理論與方法

交通是一個綜合、復(fù)雜、開放、動態(tài)的系統(tǒng)，如何建立評價分析和計算理論及方法體系也是當(dāng)前的研究重點。以往城市道路交通評價分析多聚焦于交叉口和路網(wǎng)，在傳統(tǒng)車輛環(huán)境下，其評價多局限于單一指標(biāo)，未考慮多目標(biāo)之間的有機關(guān)系和綜合性，對于不同地區(qū)評價指標(biāo)選取及其適用范圍的確定也需更加專業(yè)化與科學(xué)化。

3.6.1 車輛運行機理解析

（1）個體車輛運行

車輛跟馳與換道模型是個體車輛運行機理解析的重要組成部分，是道路交通系統(tǒng)建模與仿真的關(guān)鍵基礎(chǔ)。傳統(tǒng)汽車的跟馳與換道模型主要任務(wù)是揭示和刻畫人類駕駛行為對周圍車輛的影響規(guī)律。汽車的變革將帶來車輛性能與特征的變化，導(dǎo)致微觀乃至細(xì)觀駕駛模型出現(xiàn)。

在電動汽車能耗模型的基礎(chǔ)上，以最小化車流總體能耗為目標(biāo)建立跟馳模型[77]。受限于汽車的電池容量，Tang 等[78]在行駛里程約束下，考慮汽車在充電站更換電池的行為，拓展了現(xiàn)有的跟馳模型。Yang 等[79]還討論了跟馳行為對汽車電池壽命的影響，研究結(jié)果表明，在平穩(wěn)的駕駛行為下，電池系統(tǒng)更加穩(wěn)定，從而電池壽命得以延長。

網(wǎng)聯(lián)化與智能化汽車環(huán)境下，自適應(yīng)巡航控制（Adaptive Cruise Control,ACC）是研究中一類重要的縱向跟馳技術(shù)，其模型主要包括智能駕駛模型（Intelligent Driver Model,IDM）[80]、PATH 模型[81]等，以提高車輛微觀駕駛的機動性、安全性和穩(wěn)定性。與此同時，協(xié)同的換道模型在新型汽車條件下也成為可能。Huang 等[82]構(gòu)造了車輛與周圍環(huán)境的人工勢場，利用勢場函數(shù)建立了多目標(biāo)優(yōu)化的協(xié)同換道軌跡規(guī)劃模型；Yao 等[83]提出了一個分布式智能網(wǎng)聯(lián)車輛換道軌跡優(yōu)化模型，在自動駕駛和人類駕駛車輛混行環(huán)境下，能夠提高車輛微觀換道的舒適性和路段通行能力。

現(xiàn)有的研究中，車輛個體運行建模與分析工作大多基于數(shù)值仿真手段，缺乏系統(tǒng)性的理論解析，難以捕捉汽車微觀運行與車流宏觀狀態(tài)之間的關(guān)系，因此，相關(guān)理論解析研究將是重點方向。以往針對未來汽車環(huán)境下不同特征的汽車運行狀態(tài)研究進展較為緩慢，有關(guān)新型汽車與傳統(tǒng)汽車混合行駛條件下的交通流解析將是亟待深入研究的領(lǐng)域。

（2）群體車隊運行

在汽車變革的推動下，道路上的車輛可以成車隊運行，通過優(yōu)化調(diào)控群體車輛的狀態(tài)，降低交通流能耗與排放，并提高其通行能力[84]。

在汽車微觀跟馳換道模型的基礎(chǔ)上，車輛編隊控制方法主要集中于縱向控制和橫向控制。縱向控制決定了車隊的運行狀態(tài)與穩(wěn)定性，如協(xié)同自適應(yīng)巡航技術(shù)（Cooperative Adaptive Cruise Control,CACC）。縱向控制一般以降低油耗、提高穩(wěn)定性作為控制目標(biāo)，如比例-積分-微分控制[85]、模型預(yù)測控制[86]、深度學(xué)習(xí)方法[87]等都有極強的適應(yīng)性，可以解決縱向動力學(xué)的非線性、不確定性等問題。車隊橫向控制則是針對車隊的形成與消散過程，以避免碰撞和保障安全為目標(biāo)，決定汽車如何以及何時執(zhí)行換道操作加入或離開車隊[88]。

此外，關(guān)于車輛編隊的穩(wěn)定性分析方法也有較為深入的研究。Ngoduy[89]提出了一種宏觀交通流動力學(xué)模型，將各個車隊之間視為跟馳，利用特征方程法推導(dǎo)了線性穩(wěn)定條件；Zhou 等[90]推導(dǎo)了網(wǎng)聯(lián)化與智能化汽車組成的車隊其穩(wěn)定性與排隊強度、通信時延等之間的關(guān)系，并考慮最大化道路容量和保證車隊穩(wěn)定性兩個目標(biāo)，給出了車隊規(guī)模的帕累托最優(yōu)解。未來，考慮多輛前后車信息交互[91]、人類駕駛員屬性[92]等條件下車隊穩(wěn)定控制，將是研究的重點。

3.6.2 交通系統(tǒng)再認(rèn)知與評價和分析計算

（1）交通系統(tǒng)分析與計算

交通系統(tǒng)解析與分析計算是極其重要的理論基礎(chǔ)。隨著汽車變革與發(fā)展，交通及其系統(tǒng)行為和狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與感知方法越來越豐富多樣，為包括安全、效率、排放、經(jīng)濟、公平等相關(guān)特征與機理解析和多目標(biāo)綜合交通評價體系構(gòu)建，提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化汽車運行所產(chǎn)生的實時、高精度、多顆粒度信息，有助于復(fù)雜交通系統(tǒng)解析、評價與動態(tài)分析計算，改變了傳統(tǒng)的集計統(tǒng)計分析計算方法。輕量化、電動化汽車將改變傳統(tǒng)交通駕駛行為，車輛正常運行、加減速、怠速時的動力學(xué)模型與評價分析方法也將重構(gòu)。

（2）交通系統(tǒng)體檢與健康診斷系統(tǒng)

交通系統(tǒng)要素、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及其效能間的不協(xié)同，將產(chǎn)生交通阻塞、事故、高能耗與排放等問題，即“交通病”。因此，對交通系統(tǒng)進行體檢、健康診斷對于交通病治理與交通改善具有極其重要的理論和應(yīng)用價值。交通體檢與診斷，旨在解析交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)運行狀態(tài)及其交通病若干關(guān)鍵指標(biāo)進行體檢，診斷交通病致因，進一步形成健康診斷系統(tǒng)，為快速致因診斷分析，保障交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供支撐。我國自然資源部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部已開展了包括交通體檢在內(nèi)的城市體檢工作，并編制了相關(guān)規(guī)程[93]。

汽車變革所帶來的全新交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境已為交通安全診斷與交通擁堵診斷、交叉口健康診斷、交通環(huán)境診斷等方面研究奠定了基礎(chǔ)，如：楊瑩等[94]構(gòu)建了組合權(quán)重診斷模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型，在汽車技術(shù)發(fā)展的加持下，基于海量的汽車駕駛數(shù)據(jù)與路網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，對城市道路交通安全態(tài)勢感知與診斷進行研究；Kim 等[95]提出了一種貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法，在汽車變革帶來的全新數(shù)據(jù)環(huán)境下，基于天氣、事件、車輛運行狀態(tài)、相鄰路段交通狀態(tài)等變量，診斷交通擁堵發(fā)生的概率及其可能的原因組合；江澤浩[96]通過問題庫、致因庫、診斷庫構(gòu)建了交叉口健康診斷系統(tǒng)，分析了交叉口診斷指標(biāo)、診斷標(biāo)準(zhǔn)、診斷實施、交通病致因等，并研究了交叉口安全與效率的診斷方法。

未來的交通健康診斷系統(tǒng)需要打破以往交通系統(tǒng)評價與體檢指標(biāo)單一、評價和診斷及治理與城市、綜合交通系統(tǒng)脫節(jié)的局限，推動綜合化理論體系研究，充分利用全新的系統(tǒng)理念、數(shù)據(jù)環(huán)境與先進的模型算法研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、封裝化的系統(tǒng)并推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

汽車的變革與發(fā)展是一個與時俱進的過程，其應(yīng)用也須循序漸進，相關(guān)影響已不僅局限于道路交通系統(tǒng)，還全面、深刻地影響綜合交通運輸系統(tǒng)，正帶來交通系統(tǒng)及其理論和關(guān)鍵技術(shù)的重構(gòu)，為新一代交通（系統(tǒng)）工程學(xué)2.0 研究創(chuàng)造了全新的場景、環(huán)境及條件。本文系統(tǒng)深入地分析了汽車變革發(fā)展的方向、特征與優(yōu)勢，解析了變革特征與優(yōu)勢，并闡述其交通系統(tǒng)的重構(gòu)特征；梳理分析了未來交通系統(tǒng)及其規(guī)劃、設(shè)計、管理與控制、服務(wù)方面研究的新理念、新方法和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展方向，以及變革中的車輛及其交通系統(tǒng)運行機理與解析方法，并對交通體檢、健康診斷等方面研究進行了展望。

新型汽車發(fā)展所帶來的不只是汽車制造業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的革新，其對交通系統(tǒng)的影響更是顛覆性的，深刻地影響未來人類的生存、生產(chǎn)、生活與發(fā)展。受限于資源和環(huán)境約束的交通系統(tǒng)的發(fā)展，將為2050年“人享其行，物優(yōu)其流”交通強國建設(shè)目標(biāo)的實現(xiàn)奠定堅定的基礎(chǔ)。與此同時，還將進一步推進“現(xiàn)代交通+”、智能交通、智慧城市、智慧社會和智慧經(jīng)濟的可持續(xù)融合發(fā)展。希望本論文能為交通行業(yè)及其學(xué)科專業(yè)體系創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)生引領(lǐng)作用。