面向自動駕駛技術的公路設計發(fā)展方向探索

王強

（重慶交通大學，重慶400074）

道路是為車輛提供物理的行駛平臺，車輛的行駛特性決定了道路的功能類型。在如今人工智能如火如荼的發(fā)展前景下，自動駕駛智能汽車也終將實現(xiàn)量產(chǎn)，那么從現(xiàn)有公路到自動駕駛汽車所需的路型，其設計技術標準又將發(fā)生怎樣的變化，這值得公路設計者深入思考。

1 彎道半徑

1.1 彎道半徑取值

彎道半徑取值決定因素主要有：行車橫向穩(wěn)定性、行車的滑動穩(wěn)定性、乘客的舒適性、營運經(jīng)濟性。現(xiàn)行規(guī)范《公路路線設計規(guī)范》[1]（JTGD20-2017）對彎道最小半徑取值作出了規(guī)定。

1.2 自動駕駛車輛過彎相關技術

為保證汽車能夠安全轉(zhuǎn)彎，需要對汽車的橫向力系數(shù)（G值）進行限制[2]，橫向G 值表示汽車在不發(fā)生側(cè)滑的情況下，車輛的速度和彎道角度之間的關系值，即汽車在以某個車速改變方向時所承受的離心力極限。若汽車在轉(zhuǎn)向時突破了所承受的最大G 值，可能會出現(xiàn)推頭、甩尾、側(cè)滑等一系列危險。在高速公路轉(zhuǎn)彎處，G 值會隨著車速和彎道角度的變化而變化。而目前自動駕駛車輛在彎道上還無法根據(jù)彎道角度的改變而及時實施變速行駛，只能以一個定值速度行駛。

圖1 自動駕駛車輛過彎過程示意圖

自動駕駛車輛在彎道行駛時，需要預設一條與彎道半徑曲率大致相同的曲線路徑，其行駛航向是不斷變化的，因此需要在彎道路徑上選取較多的點保證預設路徑盡可能接近于道路曲線，這就會造成兩點之間的距離較小，此時自動駕駛車輛的過彎路徑如圖1 所示，路徑是由一段一段長度比較小的折線組成。一旦自動駕駛車輛航向偏差超過限幅，就需要進行迅速的調(diào)整，在車速比較大的情況下這種控制方式會造成車身擺動頻繁過彎耗時較長，乘客的乘坐體驗也比較差。

1.3 自動駕駛技術對彎道半徑的影響

當公路或匝道曲率過大、半徑過小時，自動駕駛車輛無法在短時間內(nèi)做出安全的大轉(zhuǎn)彎動作。依據(jù)調(diào)研，長安汽車自動駕駛車輛前向識別距離為150～200m、左右為30m 以內(nèi)（一般情況下為20m）、后向為50～60m，可知自動駕駛的傳感器對前方的探測距離比左右和后方的探測距離遠。這是因為傳感的探測范圍大概是一個以車為中心的定值的圓，車輛所在道路的半徑越大，覆蓋的道路路徑越長，半徑越小則覆蓋的路徑越短，因此目前出于安全考慮，在高速公路上需要對自動駕駛汽車方向盤的轉(zhuǎn)角做限制，從而限制自動駕駛汽車的最大轉(zhuǎn)彎角度，也是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)計算錯誤，避免高速公路急轉(zhuǎn)向而側(cè)翻的情況。

高速公路彎道半徑是按照設計速度定的，不同的設計速度下彎道半徑一般值與極限值是不同的[3]。以設計速度80km/h 為例，彎道半徑一般值為400m，極限值為220m（最大超高值為10%時），但彎道半徑在設計時應考慮停車視距的要求，且視距要求為強制性指標。當考慮視距要求時，對于設計速度為80km/h 的彎道半徑，設計方給出的建議是大于650m，但當受地形限制時，也可以考慮小于650m 的彎道半徑，且需采取內(nèi)側(cè)加寬等措施來達到視距的要求，除此之外還要結(jié)合經(jīng)濟性綜合考慮彎道半徑的取值。從表1 可知，高速公路上，彎道設計的停車視距要求最小為110m，大于自動駕駛車輛目前在高速路彎道的探測距離（100m），由此可見，自動駕駛車輛的普及有可能改變彎道設計時的半徑推薦值。

表1 高速公路、一級公路停車視距

2 設計速度

2.1 設計速度概念

20 世紀50 年代，我國引入設計速度的概念作為道路路線設計的基礎技術指標，設計速度曾被稱之為計算行車速度，《公路工程技術標準》[4]（JTGB01-2003）。改稱為設計速度。設計速度是一個設定值，通常作為通用基礎技術參數(shù)用于制定一條道路的設計標準，是控制公路幾何線形、視距、超高、加寬等設計要素標準的核心指標。一條公路的設計車速確定后，相應的最小圓曲線半徑、超高、最大縱坡、坡長等指標隨之確定。

在我國目前的公路線形設計中，不論是高速公路還是地方低等級公路采用是設計速度理念，而設計速度的理念中存在著以下不足[5]：（1）設計要素可能采用最低指標；（2）前后線形指標的一致性和均衡性差；（3）與車輛實際行駛特性不符。

2.2 自動駕駛技術對設計速度的影響

據(jù)資料，德國高速公路不限速，意大利高速公路最高限速為150km/h，我國高速公路最高限速為120km/h。而自動駕駛的車輛由于不存在人為操作因素的影響，并能夠通過車輛自身的車載電腦、GPS、車載黑匣子等設備與道路雷達測速儀、道路通信基站的互聯(lián)互通，達到自行調(diào)節(jié)速度的作用。從高速公路設計實踐和運行管理的情況分析[6]，采用設計速度作為限制速度將可能出現(xiàn)不合理的情況。高速公路路況復雜，車型多樣，不同的天氣也會導致公路運行條件發(fā)生變化。用自動駕駛技術可以使得車輛在道路上行駛時，速度始終保持在設計速度允許的偏差范圍內(nèi)。這樣，設計速度的制定與計算方式會發(fā)生一定的變化。另外，通過對我國自動駕駛政策上的解讀可知，我國政策層面上主推的是自主式智能駕駛與網(wǎng)聯(lián)式協(xié)同駕駛的融合發(fā)展。因此可以預見，在未來自動駕駛技術與車聯(lián)網(wǎng)體系足夠完善之時，我國高速公路的最高限速亦將會隨之改變。

3 隧道出入口凈距

3.1 隧道出入口的明暗適應

《公路路線設計規(guī)范》[1]（JTG D20-2017）對互通式立體交叉及其他設施與隧道之間的距離作出了要求。

由于隧道是一個半封閉的環(huán)境，隧道的進出口路段相對于開闊的公路而言，有著完全不一樣的行車環(huán)境，研究表明，由人- 車- 環(huán)組成的系統(tǒng)中，人是整個系統(tǒng)中最為重要的部分[7]。而根據(jù)統(tǒng)計，眼睛占各種感覺器官給駕駛員提供信息比例的80%，可見對于駕駛員而言，視覺特性對行車安全有著重要的影響。

在視覺特征中，視覺適應是視覺特征的重要部分。視覺適應分為“暗適應”和“明適應”[8]。“暗適應”是指人從亮的地方進入黑暗處時，人的瞳孔放大，視覺感受提高的過程，該過程持續(xù)時間為3-6 分鐘。當車輛駛?cè)胨淼罆r，視覺上產(chǎn)生暗適應，由于在隧道外看不到出口，進入隧道就像進入了一個黑洞，會不由自主的產(chǎn)生緊張、焦慮的感覺，引發(fā)駕駛不適，這就是“黑洞效應”。而“明適應”的過程則相反，但相對于“暗適應”來說適應較快，一般1 分鐘之內(nèi)可恢復正常視力。

在隧道行車中，“明適應”和“暗適應”所帶來的“黑洞效應”和“白洞效應”都會使駕駛員出現(xiàn)短暫的視覺障礙。隧道內(nèi)部行車環(huán)境單調(diào)乏味，空間封閉性較強，視野范圍相對狹小，而車輛的運行速度較高，這會降低駕駛?cè)藢Νh(huán)境信息的正確感知，一旦發(fā)生緊急狀況，駕駛員將難以在有限的時間內(nèi)作出正確的判斷，所以隧道進出口成為事故多發(fā)路段。

但是，如果采用智能駕駛技術，就不存在視覺的明暗適應過程，大大提高了行車的安全性，降低了事故的發(fā)生。

3.2 隧道出入口凈距與自動駕駛

現(xiàn)行規(guī)范《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20-2017）中對于隧道與前方主線出口之間最小凈距的要求是以考慮車輛出隧道后駛離主線的運行過程所需要的最小距離，該過程包括駕駛?cè)嗣鬟m應、尋找間隙、變換車道和出口確認等；主線入口與隧道之間的最小凈距考慮的是剛駛?cè)胫骶€的車輛在進入隧道前的安全準備距離，包括車輛駛?cè)胫骶€后調(diào)整車速和位置等所需要的最小距離。

隨著我國山區(qū)高速公路的發(fā)展，隧道與前方主線出口之間的凈距普遍偏小的情況越來越多，因此需要增加完善的交通組織、管理和運行安全保障措施等，勢必增加工程造價。而自動駕駛汽車在反應速度上、明適應能力上均明顯不同于人類駕駛員，因此自動駕駛有可能改變凈距要求，達到節(jié)省土工規(guī)模，節(jié)約工程造價的效果。

4 結(jié)論

自動駕駛作為一項多學科綜合發(fā)展的新興技術，它的出現(xiàn)和發(fā)展必將對傳統(tǒng)道路的設計帶來變化，從而推動交通行業(yè)朝著智慧、快速、安全等方向發(fā)展。本文選取了對道路設計影響較大的三個控制因素，并總結(jié)出自動駕駛的出現(xiàn)對其產(chǎn)生的影響。從道路設計者的角度可以看出，道路設計要與自動駕駛相匹配還有很長一段路要走。