丁曉琦 于秀麗 李明月 王繁澤

(東北林業(yè)大學,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

項目背景：2019年10月31日，中國移動、聯(lián)通、電信三大運營商在中國國際信息通信展覽會上正式公布了5G商用套餐。這個舉動代表著中國5G的商用時代的正式到來，同時，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，無人駕駛技術(shù)越來越多地被考慮進去，并正在被許多專業(yè)學者探究。在這兩個大背景下，5G時代下無人駕駛汽車將在不久的將來普及，我們的生活環(huán)境將會被極大的改變，首當其沖的是道路系統(tǒng)改造問題。這必是未來急需解決的科技難題，同時也是一個技術(shù)難題，必須在智能城市化的背景下加以解決。

目前，在5G商用背景下，車路協(xié)同方案成為全球智慧交通的共識之路。國內(nèi)對于5G時代無人駕駛技術(shù)背景下道路改造的探索主要有以下：2019年，我國工信部部長苗圩在博鰲亞洲論壇上透露，5G最大的應用是移動狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)，而移動物聯(lián)網(wǎng)最大的市場可能是車聯(lián)網(wǎng)。以無人駕駛汽車為代表的5G技術(shù)應用，可能成為比較早的應用。而在推動無人駕駛汽車的開發(fā)方面，必須要涉及人和車、車和車、車和路之間的通訊。他已經(jīng)與交通運輸部部長達成了重要的共識，即在中國的公路上要加快推動數(shù)字化、智能化的改造，把道路標識、紅綠燈、管理規(guī)則通過智能化改造固化下來。與此同時，交通運輸部在全國布局認定了6家封閉場地測試基地，提升道路測試的安全水平，加強車路協(xié)同式自動駕駛的研發(fā)測試，研究制定了自動駕駛封閉測試場地建設技術(shù)指南(暫行)。我國也開展了新一代國家交通控制網(wǎng)和智慧公路的試點工作，推動5G通信和北斗導航等技術(shù)的應用，結(jié)合2022年冬奧會和第29屆世界智能交通大會，會同北京、上海等一些地方在京禮高速、東海大橋、雄安新區(qū)等推進一批自動駕駛和車路協(xié)同試點項目。國外對于5G時代無人駕駛技術(shù)背景下道路改造的探索也有成果，美國出臺了一系列智能交通戰(zhàn)略規(guī)劃，確立以汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化為核心的智能交通領域發(fā)展方向，并將5.905 GHz～5.925 GHz的頻段專用于C-V2X無線通信技術(shù)。

對此我們進行探索研究，綜合以上的研究資料，發(fā)現(xiàn)其中涉及到道路改造后對交通影響的內(nèi)容少之又少，因此我們把5G時代無人駕駛背景下道路的改造可行性探索作為本項目的研究內(nèi)容，進行可行性分析。

2 vissim道路交通檢仿真模型構(gòu)建

vissim是德國PTV公司開發(fā)的一款微觀的,基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具,用以城市交通和公交交通運行的交通建模軟件。從各種交通條件來看，可以分析道路安裝、交通構(gòu)成、交通信號、公交車站等城市交通和公共交通的運行情況，是衡量交通工學設計和城市規(guī)劃方案的有效手段，vissim使用的核心模式是生理—心理駕駛行為模型評價標準為高峰小時系數(shù)(PHF)，該系數(shù)是分析道路通行能力時，高峰小時內(nèi)交通量不均衡的修正系數(shù)。

具體建模流程分為以下10個：

1)調(diào)查或預測交通量，交通參數(shù)設置，初始配時;

2)新建文件與導入底圖；

3)導入底圖繪制路網(wǎng)；

4)輸入路網(wǎng)交通量(期望車速分布，車輛交通設置)；

5)路徑?jīng)Q策；

6)控制類型設置(優(yōu)先原則或信號燈設置)；

7)評價分析，設置輸出文件；

8)仿真運行并輸出評價文件；

9)檢查仿真是否合乎需求，調(diào)整設計方案；

10)輸出優(yōu)化后的方案。

根據(jù)以上步驟繪制流程圖，如圖1所示。

3 研究對象

通過人工計數(shù)法對東北林業(yè)大學北門和興路段高峰時間段的汽車交通量進行觀測的方法，人為收集數(shù)據(jù)，根據(jù)流程建立分段交通量觀測表的車輛種類圖，建立相應擁擠時間段的數(shù)據(jù)庫。以現(xiàn)存道路數(shù)據(jù)為主,利用vissim分析該路段的交通特性和變化規(guī)律。

3.1 研究對象的選取

由于時間的限制，我們先選擇在晚高峰進行調(diào)查。同時將調(diào)查車輛分為大貨車，小貨車，大客車，中客車，小客車和公交車進行統(tǒng)計，我們分為兩組，兩人一組，第一組調(diào)查東向車流量，第二組調(diào)查西向車流量。

3.2 調(diào)查時間的選取

我們選擇具有典型意義的晚高峰時間段2019年10月22日18：30～19：30以10 min為時間間隔將其劃分為6個時間段進行1 h的交通流量記錄。

觀測點鳥瞰圖如圖2所示。

3.3 交通流量統(tǒng)計和表示

為了更加科學的對交通流量數(shù)據(jù)進行整理和分析，我們將所有車輛折合成小汽車數(shù)量，詳細數(shù)據(jù)見表1，表2。

表1 觀測點1數(shù)據(jù)

表2 觀測點2數(shù)據(jù)

3.4 實驗過程

首先進行路網(wǎng)交通量輸入，本次模擬實驗以上述2019年10月22日18：30～19：30東北林業(yè)大學北門和興路晚高峰時段車流量為主進行數(shù)據(jù)輸入并進行仿真模擬,并對改造前后的高峰小時系數(shù)進行橫向?qū)Ρ取?/p>

進行建模：以上訴觀測記錄得到的數(shù)據(jù)和和興路主要道路樣式為基礎建立一條長度為1 000 m的含有三個信號交通路口的雙向六車道城市交通干線，車道寬度和是交叉路口按照中國標準公路寬度(雙向六車道是2×11.25 m)標準數(shù)據(jù)作為道路改造前的道路模型參數(shù)設置，并對其進行實驗分析(道路模型鳥瞰圖見圖3，交叉路口模型鳥瞰圖見圖4，路徑?jīng)Q策設置見圖5，交通信號設置見圖6)。

3.5 仿真運行輸出評價文件

通過輸出文件，我們可以發(fā)現(xiàn)在各車道上，傍晚高峰期的車輛流量很大，交通流量接近飽和狀態(tài)。道路交通高密度，處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)，從模擬情況看，東西方向車流量大，沒有足夠的通行能力。據(jù)美國《道路通行能力手冊》介紹,15 min的高峰交通量是造成交通阻塞的重要因素,在城市道路中,高峰小時系數(shù)(PHF)一般為0.8～0.98為正常值,其值較低是標識在高峰小時中具有較大的可變性,容易造成阻塞。高峰小時系數(shù)公式如下所示：

東向PHF=1 850/(552×(60/10))=0.558。

西向PHF=1 947/(433.5×(60/10))=0.749。

分析實驗結(jié)果得出結(jié)論和現(xiàn)實所檢測到的情況類似，晚高峰期間各條道路非常擁擠，PHF值低于正常值，東西雙向交通量不平衡，高峰集中現(xiàn)象明顯。

針對分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)實監(jiān)測情況的缺點和不足，我們根據(jù)第五代通信技術(shù)和無人駕駛技術(shù)的實現(xiàn)為前提，對現(xiàn)有城市雙向六車道進行道路改造。

1)取消道路中間的隔離帶及兩側(cè)停車位；2)減少橫向車道的距離和數(shù)量；3)取消某些現(xiàn)存公路設施(加油站，服務區(qū)，地鐵站，交通標識，紅綠燈等)；4)增加兩條雙向自行車道；5)基于L5級無人駕駛技術(shù)進行汽車參數(shù)設計(減小跟車距離為1/2車距)；經(jīng)過以上改進，改造后道路行駛模擬圖如圖7所示。

考慮到無人駕駛汽車特殊的行車模式和決策方式，我們將不再采用車輛換算關系對改造后的道路進行模擬，并以改造后西向道路數(shù)據(jù)為參考得出以下結(jié)果，改造后的西向道路數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 改造后西向道路數(shù)據(jù)

改造后道路同交通輸入量的PHF值。

西向PHF=1 947/(334×(60/10))=0.972。

3.6 評價方案

本部分通過對vissim軟件分析和多方搜尋查證，得出以下結(jié)論：1)本文將車道進行改造，雖然減少了車道數(shù)，但是改造后的車道仍能滿足在L5級自動駕駛級別的車流量需求。2)車道改造后，原有的道路資源被更好的利用規(guī)劃，進一步促進友好型智能型城市建設。3)車道被改造成智能化道路后，能夠很好的改善早晚汽車擁堵問題，不僅在道路方面改善了擁堵問題，還與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，更好的掌握道路情況。

4 結(jié)語

4.1 改造建議

1)取消道路中間的隔離帶及兩側(cè)停車位。取消雙向道路中間的隔離帶和雙側(cè)停車位，可以增寬原來的下車使用空間，令原有道路空間的多樣化使用，由此進一步加強綠色出行帶來的城市空氣質(zhì)量的提升和友好型智慧型城市的建設。2)減少橫向車道的距離和數(shù)量。根據(jù)L5級自動駕駛的智能程度假設，以及vissim模型數(shù)據(jù)的分析，無人駕駛車與車之間的跟車距離和橫向的車距可以進一步減小。實驗表明在相同條件下，減小跟車距離為1/2車距，單條車道的相同時間的車流量可以增加為原來的3倍～4倍，提高單條車道的行車效率。3)取消某些現(xiàn)存公路設施(加油站，服務區(qū)，交通標識，紅綠燈等)。加油站，服務區(qū)等傳統(tǒng)道路附屬空間也隨新型道路結(jié)構(gòu)的再規(guī)劃取消，取而代之的是城市空間多樣化的發(fā)展，如新型動態(tài)社區(qū)和公園的建設和城市綠化覆蓋率的進一步提升。將車道改造成智能型道路，并取消紅綠燈，可以解決城市道路高峰時刻的汽車低速行駛所產(chǎn)生的超標尾氣排放問題和緩解交通壓力。4)道路兩旁商鋪的新型發(fā)展模式，無人車的多樣性?！拔磥砩痰辍笔侵噶闶燮髽I(yè)通過運用最新的信息技術(shù)和智能技術(shù)而實現(xiàn)的一種新型商業(yè)模式。

4.2 可行性研究

本文通過對vissim軟件分析和多方搜尋查證，得出以下結(jié)論：

1)本文將車道進行改造，雖然減少了車道數(shù)，但是改造后的車道仍能滿足在L5級自動駕駛級別下車流量需求，因此說明本文對道路進行改造是具有一定可行性的。

2)車道改造后，原有的道路資源被更好的利用規(guī)劃，進一步促進友好型智能型城市建設。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通壓力越來越大，為了緩解交通壓力，節(jié)約投資和建設綠色環(huán)境，道路改造項目可以不斷普及，創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

3)車道被改造成智能化道路后，能夠很好的改善早晚汽車擁堵問題，通過與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，能使車輛更好的掌握道路情況，靈活駕車，減少在道路上浪費的不必要時間。

4)此次的研究成果有望在我國未來智能化城市發(fā)展與5G城市的打造上提供參考意見。