5G時(shí)代無人駕駛背景下道路改造可行性探索

丁曉琦 于秀麗 李明月 王繁澤

(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

項(xiàng)目背景：2019年10月31日，中國(guó)移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商在中國(guó)國(guó)際信息通信展覽會(huì)上正式公布了5G商用套餐。這個(gè)舉動(dòng)代表著中國(guó)5G的商用時(shí)代的正式到來，同時(shí)，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(jìn)去，并正在被許多專業(yè)學(xué)者探究。在這兩個(gè)大背景下，5G時(shí)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(huì)被極大的改變，首當(dāng)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(shí)也是一個(gè)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(shí)之路。國(guó)內(nèi)對(duì)于5G時(shí)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(guó)工信部部長(zhǎng)苗圩在博鰲亞洲論壇上透露，5G最大的應(yīng)用是移動(dòng)狀態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)，而移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)最大的市場(chǎng)可能是車聯(lián)網(wǎng)。以無人駕駛汽車為代表的5G技術(shù)應(yīng)用，可能成為比較早的應(yīng)用。而在推動(dòng)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(yùn)輸部部長(zhǎng)達(dá)成了重要的共識(shí)，即在中國(guó)的公路上要加快推動(dòng)數(shù)字化、智能化的改造，把道路標(biāo)識(shí)、紅綠燈、管理規(guī)則通過智能化改造固化下來。與此同時(shí)，交通運(yùn)輸部在全國(guó)布局認(rèn)定了6家封閉場(chǎng)地測(cè)試基地，提升道路測(cè)試的安全水平，加強(qiáng)車路協(xié)同式自動(dòng)駕駛的研發(fā)測(cè)試，研究制定了自動(dòng)駕駛封閉測(cè)試場(chǎng)地建設(shè)技術(shù)指南(暫行)。我國(guó)也開展了新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路的試點(diǎn)工作，推動(dòng)5G通信和北斗導(dǎo)航等技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合2022年冬奧會(huì)和第29屆世界智能交通大會(huì)，會(huì)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(jìn)一批自動(dòng)駕駛和車路協(xié)同試點(diǎn)項(xiàng)目。國(guó)外對(duì)于5G時(shí)代無人駕駛技術(shù)背景下道路改造的探索也有成果，美國(guó)出臺(tái)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(lǐng)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(duì)此我們進(jìn)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(duì)交通影響的內(nèi)容少之又少，因此我們把5G時(shí)代無人駕駛背景下道路的改造可行性探索作為本項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，進(jìn)行可行性分析。

2 vissim道路交通檢仿真模型構(gòu)建

vissim是德國(guó)PTV公司開發(fā)的一款微觀的,基于時(shí)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(yùn)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(hào)、公交車站等城市交通和公共交通的運(yùn)行情況，是衡量交通工學(xué)設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為高峰小時(shí)系數(shù)(PHF)，該系數(shù)是分析道路通行能力時(shí)，高峰小時(shí)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(gè)：

1)調(diào)查或預(yù)測(cè)交通量，交通參數(shù)設(shè)置，初始配時(shí);

2)新建文件與導(dǎo)入底圖；

3)導(dǎo)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(shè)置)；

5)路徑?jīng)Q策；

6)控制類型設(shè)置(優(yōu)先原則或信號(hào)燈設(shè)置)；

7)評(píng)價(jià)分析，設(shè)置輸出文件；

8)仿真運(yùn)行并輸出評(píng)價(jià)文件；

9)檢查仿真是否合乎需求，調(diào)整設(shè)計(jì)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(duì)象

通過人工計(jì)數(shù)法對(duì)東北林業(yè)大學(xué)北門和興路段高峰時(shí)間段的汽車交通量進(jìn)行觀測(cè)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(cè)表的車輛種類圖，建立相應(yīng)擁擠時(shí)間段的數(shù)據(jù)庫(kù)。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(duì)象的選取

由于時(shí)間的限制，我們先選擇在晚高峰進(jìn)行調(diào)查。同時(shí)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(shí)間的選取

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

觀測(cè)點(diǎn)鳥瞰圖如圖2所示。

3.3 交通流量統(tǒng)計(jì)和表示

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

表1 觀測(cè)點(diǎn)1數(shù)據(jù)

表2 觀測(cè)點(diǎn)2數(shù)據(jù)

3.4 實(shí)驗(yàn)過程

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

進(jìn)行建模：以上訴觀測(cè)記錄得到的數(shù)據(jù)和和興路主要道路樣式為基礎(chǔ)建立一條長(zhǎng)度為1 000 m的含有三個(gè)信號(hào)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)公路寬度(雙向六車道是2×11.25 m)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為道路改造前的道路模型參數(shù)設(shè)置，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shè)置見圖5，交通信號(hào)設(shè)置見圖6)。

3.5 仿真運(yùn)行輸出評(píng)價(jià)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(dòng)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(guó)《道路通行能力手冊(cè)》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(shí)系數(shù)(PHF)一般為0.8～0.98為正常值,其值較低是標(biāo)識(shí)在高峰小時(shí)中具有較大的可變性,容易造成阻塞。高峰小時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論和現(xiàn)實(shí)所檢測(cè)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(duì)分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)監(jiān)測(cè)情況的缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)為前提，對(duì)現(xiàn)有城市雙向六車道進(jìn)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(shè)施(加油站，服務(wù)區(qū)，地鐵站，交通標(biāo)識(shí)，紅綠燈等)；4)增加兩條雙向自行車道；5)基于L5級(jí)無人駕駛技術(shù)進(jìn)行汽車參數(shù)設(shè)計(jì)(減小跟車距離為1/2車距)；經(jīng)過以上改進(jìn)，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(guān)系對(duì)改造后的道路進(jìn)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(píng)價(jià)方案

本部分通過對(duì)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(jìn)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(jí)自動(dòng)駕駛級(jí)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(jìn)一步促進(jìn)友好型智能型城市建設(shè)。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(yǔ)

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(jìn)一步加強(qiáng)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(shè)。2)減少橫向車道的距離和數(shù)量。根據(jù)L5級(jí)自動(dòng)駕駛的智能程度假設(shè)，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(jìn)一步減小。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shè)施(加油站，服務(wù)區(qū)，交通標(biāo)識(shí)，紅綠燈等)。加油站，服務(wù)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(dòng)態(tài)社區(qū)和公園的建設(shè)和城市綠化覆蓋率的進(jìn)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(shí)刻的汽車低速行駛所產(chǎn)生的超標(biāo)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。“未來商店”是指零售企業(yè)通過運(yùn)用最新的信息技術(shù)和智能技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的一種新型商業(yè)模式。

4.2 可行性研究

本文通過對(duì)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(jìn)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(jí)自動(dòng)駕駛級(jí)別下車流量需求，因此說明本文對(duì)道路進(jìn)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(jìn)一步促進(jìn)友好型智能型城市建設(shè)。隨著經(jīng)濟(jì)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(shè)綠色環(huán)境，道路改造項(xiàng)目可以不斷普及，創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(fèi)的不必要時(shí)間。

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