应用第一性原理思维探索未来城市交通变革

伍速锋

(中国城市规划设计研究院，北京100037)

应用第一性原理思维探索未来城市交通变革

伍速锋

(中国城市规划设计研究院，北京100037)

第一届宝马未来出行青年实践营活动选取北京市三里屯地区作为研究对象，鼓励国内外青年学者对该地区进行仔细调研、深入研究，提出有针对性的解决方案。参与过程中应用第一性原理思维，对交通系统中的人、车、路和环境的关系进行系统梳理。第一性原理思维本质是通过发现系统的基本规律，突破性地对系统进行改进和变革。基于对三里屯地区现状公共交通、道路运行、出行环境等方面的分析，创新性地提出该地区未来交通系统的优化思路。方案涉及车辆共享、无人驾驶、空间维度、动态调整停车费、出行积分制等方面。结果表明，该思维方式是从底层规律研究问题，更容易得到创新性的解决方法。

城市交通；交通变革；第一性原理；公共交通；无人驾驶

0 引言

交通工程学是把道路工程和轨道交通工程中的静态结构物(道路、轨道，以下简称“路”)、汽车工程和运输工程中的动态物体(车辆，以下简称“车”)、人体工程中的人(行人、驾驶人、乘客)，综合在统一的交通环境中进行研究，以寻找通行能力最大、交通事故最少、交通公害最低的科学措施，从而达到安全、便利、有效、经济、舒适和低公害的目的[1]。随着社会经济发展、城市不断扩张和交通工具迅猛增长，交通问题成为城市的焦点问题之一。宝马(中国)汽车贸易有限公司、中国人民对外友好协会、中国城市规划学会城市交通规划学术委员会和宇恒可持续交通研究中心等单位联合组织了第一届宝马未来出行青年实践营活动。活动选取北京市三里屯地区作为研究对象，鼓励国内外青年学者对该地区进行仔细调研、深入研究，提出有针对性的解决方案。活动主题是“更好的未来，更好的生活”(BetterFuture,BetterLife)。该活动旨在通过建立公益平台鼓励青年人为中国社会未来交通提供解决方案。

笔者在参与该活动中，应用第一性原理思维，对人、车、路和环境四大要素及其相互关系进行梳理，指导队员对三里屯地区的未来交通模式进行畅想，最终获得最佳设计呈现奖。

1 第一性原理思维

第一性原理思维是近几年的一个创新性热门词汇，最早由古希腊哲学家亚里士多德提出：“在每个系统探索中存在第一性原理。第一性原理是基本的命题和假设，不能被省略和删除，也不能被违反。”[2]从物理学角度，第一性原理是最基本的物理定律。硅谷创业家埃隆·马斯克在电动汽车、火箭发射等领域均做出杰出贡献，他非常强调第一性原理思维的重要性：“我们运用第一性原理而不是比较思维去思考问题非常重要。我们在生活中总是倾向于比较，对别人已经做过或者正在做的事情我们也都去做，这样发展的结果只能产生细小的迭代发展。第一性原理的思想方式是用物理学的角度看待世界，也就是说一层层拨开事物表象，看到里面的本质，再从本质一层层往上走。”[2]

随着科技的发展，传统的人、车、路和环境四大要素及其相互关系有望发生变革。无人驾驶技术的发展正在促进人和车的关系变革。现状交通环境中车辆主要由人驾驶，驾驶人的心理、生理和行为特征对车辆行驶有重要影响。人在驾驶车辆的过程中，总是遵循着刺激—感觉—判断—行动的活动规律。驾驶人对车辆进行制动的反应时间是影响驾驶安全的重要因素，包括接受刺激后大脑反射时间、脚从加速踏板移动到制动踏板的更换时间以及踩下制动踏板到制动器起作用的制动传递延误时间，三者总和一般需要2～3 s[3]。而无人驾驶汽车能达到0.2 s[4]。无人驾驶汽车普及后，车辆与车辆的安全车距将大幅缩短，车辆还可以自行进入停车场停放，对用车模式也会产生巨大影响。未来道路和车辆的关系也可能发生变革。法国已经建成1 km长的太阳能公路试验段(见图1)，太阳能道路可给路灯提供电源，还能为1 000人的村庄提供照明用电。远期还考虑在太阳能面板中加入发光粒子，使路面升级为屏幕，实现动态划分车道和调节车辆限速等功能[5]。

在城市交通领域，比较思维经常被应用，但这种思维方式也存在一定的缺陷。文献[6]提出了比较思维方式可能存在的问题。例如，很多城市对停车配建指标缺乏认真研究，习惯于借鉴其他城市的指标，很可能重复其他城市的错误。文献[6]认为，如果没有合理的停车收费费率，难以通过单纯的设施供给满足停车需求，容易陷入停车位不足—增加停车位—小汽车出行增加—停车位再次不足的恶性循环。文献[6]从第一性原理出发，通过小汽车年均行驶里程、停车位每年的实际成本和实收费用等数据，计算得出结论：小汽车免费停车或者低于实际成本的停车费，相当于给小汽车提供变相停车补贴，这一补贴甚至超过每次出行的平均油费，因此提出抑制小汽车出行，必须让停车收费回归合理值。从国内外的缓堵效果来看，提高停车收费费率也确实是最有效的措施之一。

2 三里屯地区现状

三里屯地区给人的总体印象可以用时尚、高端、多元来概括。该地区是时尚生活聚集地，有太古里、世茂百货、屯三里、苹果专卖店等知名商场、商店以及工人体育场、多国大使馆。大数据分析显示，三里屯地区是东城区和朝阳区高端餐厅和酒吧的集聚地(见图2)。无论是工作日还是周末，三里屯凌晨以后出租汽车载客率均高于国贸、西单等商业区(见图3)，呈现出独有的夜生活文化。

总体来看，该地区活力十足，人流量巨大，因此面临较为严重的交通问题，主要概括为四个方面。

1）交通设施不足，公共交通服务水平低。

与上海、香港、东京的休闲娱乐文化中心相比(同尺度、同范围)，三里屯地区道路网长度和密度不足，轨道交通车站、公共汽车站数量与密度亦远低于其他中心，导致公共交通服务水平与车站覆盖率较低(见表1)。

图1 法国太阳能公路功能示意Fig.1 Functionaldiagram of solarpower roadways in France

图3 北京市不同商业区出租汽车24 h载客率对比Fig.3 24 h taxi loading ratesamong differentcommercialareas in Beijing

表1 不同城市商业区交通设施对比Tab.1 Comparison on transportation infrastructures in commercialareasof differentcities

2）道路运行不畅，应急保障能力薄弱。

交通拥堵呈现常态化态势。0:00以后交通拥堵也较为严重，位居北京市拥堵地区排名前列(见表2)。

大型活动交通应对能力不足。足球比赛、演唱会甚至苹果新品发售，都会造成局部地区大量人群集聚，人群的疏散给交通带来瞬时的巨大压力(见图4)，现场缺乏针对性的交通疏导措施。

3）出行环境不佳，步行和自行车交通是短板。

三里屯作为北京市国际形象对外宣传的窗口，仍然存在诸多负面空间。街道品质不佳，步行和自行车出行环境差，安全性低，停车占路、机非干扰、商贩占路现象严重，与其国际化的功能定位极其不符。步行和自行车交通网络不连续，降低了区域内自行车使用强度，导致到达轨道交通车站的大量短距离出行仍然需要公共汽车接驳(见图5)。此外，小汽车过度使用也使得该地区机动车污染物排放居全市前列(见图6)。

3 未来交通发展趋势

通过对三里屯地区进行现状调研发现，该地区由于人、车、路和环境四者之间的不协调，交通问题较为严重，影响本地区品质的进一步提升，需要对未来的交通状况进行谋划。

表2 北京市2016年10月某日0:00后交通拥堵排名Tab.2 Traffic congestion rank after0:00 of a typicalday in October,2016 in Beijing

图4 足球比赛日与平日地铁车站客流量对比Fig.4 Comparison on subway passenger flowsbetween a football-match day and a normalday

图5 三里屯地区地铁换乘公共汽车的接驳距离Fig.5 Transfer distance between subway and bus in Sanlitun area

图6 北京市机动车尾气排放分布Fig.6 Vehicle emissions in Beijing

初赛阶段项目组提出四大改善策略：1)推行共享交通、实现绿色低碳发展；2)发展智慧交通、提高系统整合效益；3)实施完整街道设计、提升街区环境品质；4)推行停车动态收费、实现社会效益最大化。策略可操作性较强，但畅想不足，还是局限于国内外比较常用的解决措施。在复赛阶段，项目组应用第一性原理思维，以人、车、路和环境四者协调发展为基本目标，充分发挥交通工程师的想象力，提出有新意的解决措施。

3.1 人与车的关系变革

人与车的关系可以根据车辆拥有情况和驾驶模式分为两个维度。将人对车的权属关系分为两种：既拥有所有权又拥有使用权；不拥有所有权但拥有使用权。将车辆的驾驶模式分为非自动驾驶(或半自动驾驶)和自动驾驶。未来机动化发展情形根据上述两个维度分为四类(见图7)。从资产使用效率而言，共享化的无人驾驶出行模式效率最高。文献[8]对美国城市新型交通工具销量进行预测，2040年无人驾驶的共享小汽车将会占据主导，其他小汽车也有一定的市场份额(见图8)。可以预测未来三里屯地区也将存在这四种情形，交通系统设计时需要合理考虑各自的使用空间。

图7 未来机动化发展情形Fig.7 Development trend of futuremotorization

图8 美国新型交通工具的市场份额预测Fig.8 Forecasting onmarketshare of new type vehicles in the U.S.

3.2 车与路的关系变革

由于城市土地资源严重短缺和交通需求大幅增长，交通拥堵成为大中城市普遍的焦点问题。为高效利用道路资源，一般用水平、垂直和时间三个维度来对道路的时空资源进行分隔，再分配给车和人使用。

水平分隔可以将道路分为多条车道，并赋予车辆对其一定的使用权，除传统车道外，还有可变车道、公交专用车道、高承载率车道等形式。可变车道根据车道流量的潮汐特征，定时增加某个方向的车道数，以提升该方向的通行能力[9]。公交专用车道即在规定时间内只允许公共交通车辆及特殊车辆通行的车道。由于公共汽车相对于小汽车单位面积载客人数有明显优势，在公共交通客流较大道路设置公交专用车道能有效提高通行效率。高承载率车道指在道路上设置只能供2人及以上乘客的客车使用的专用车道。上述三种方式一般能有效提高通行效率，但从未来科技发展的角度，三个维度分类较为粗放，如时间上一般分为高峰时段(如7:00—9:00，16:00—19:00)、白天(如7:00—19:00)和24 h。

从第一性原理考虑，空间可以分为三个维度，再考虑时间维度，道路的时空资源可以分为横向、纵向、垂直和时间四个维度。例如，公交专用车道并不完全禁止小汽车通行，只有当小汽车可能会干扰公共汽车正常运行时，通过道路颜色变化，对小汽车发出警示，并督促其驶离该车道。还可以通过道路颜色的变化对各车道的路权进行动态分配。例如，高峰时段让非机动车有更多的行驶空间，缩减小汽车的行驶空间。基于上述理论分析，项目组提出动态彩色道路的理念，即通过道路颜色的动态变化，实现道路路权实时的精准分配(见图9)。

另外，垂直分隔可以通过道路高架、下穿等形式减少交通流之间的相互干扰。借鉴《北京折叠》《我机器人》等文艺作品中空间分层的理念，对未来三里屯地区的空间进行畅想：地面层留给步行和自行车交通、公共汽车、出租汽车等使用；高架层供个人快速公共交通系统(PersonalRapid Transit,PRT)使用；地下一层为地铁普线；地下二层供地铁快线和地下货运系统使用，参考伦敦通过管道实现邮政运输的思路；地下三层供无人驾驶小汽车使用(见图10和图11)。

3.3 人、车与环境的关系变革

由于供需关系失衡，三里屯地区交通压力巨大，人、车、路和环境之间产生巨大的负外部性，其中最突出的表现是交通拥堵，具体表征为时间延误、能源浪费、大气污染等负面效应。其解决思路在于通过经济、行政等手段使外部性内部化。

车辆包含行驶和停放两种状态，行驶环节的政策主要依托于北京全市的政策，停放环节则可以根据需要制定有针对性的措施。可以在停车管理智能化的基础上，引入价格杠杆，缓解停车矛盾，并有效减少车辆为寻找停车位产生的绕行。建立停车收费费率动态调整机制，根据停车占有率动态调整收费价格，定期(如每两周)调整各个停车场和路内停车收费费率，始终保障15%左右的空置率，坚持以社会效益最大化而非收费最大化为目标(见图12)。

图9 彩色动态道路示意Fig.9 Changeable roadwayswith colorpavement

图10 空间分层和功能示意Fig.10 Spatialhierarchy and functionaldiagram

图11 个人快速公共交通系统布局Fig.11 Layoutof personal rapid transit

图12 停车场财务收入曲线Fig.12 Gross financial revenue curve for parking lots

在车辆使用环节通过信用积分制、经济杠杆进行调节。这一模式还可以拓展至交通方式的选择环节，例如对采用轨道交通、公共汽车、个人快速公共交通、自行车等方式的出行者给予一定的积分奖励，积分可以用于支付后期个人小汽车等高资源消耗模式的出行，亦可以兑换奖品、现金等。

4 结语

交通工程学研究的人、车、路、环境等四大要素及其相互关系，若仅应用比较思维，通常只能获得局部细节的突破，甚至被传统认知束缚，重复其他城市的错误。在研究其他交通问题时，也可以利用第一性原理思维，先探求问题的基本规律，再通过推演、计算寻求解决办法。第一性原理思维也存在局限性，当研究对象非常复杂，难以通过推理计算得出想要的结论，就需要采用构建模型或者进行实验等方法来研究。

致谢

参与第一届“宝马未来出行青年实践营”的中规院和北工大联合体团队成员有康浩、赖见辉(北京工业大学)、张洋、曹雄赳、王芮、张毅，团队指导老师为伍速锋。感谢赵一新、毛海虓、吴子啸对项目的大力支持。

[1]段里仁.城市交通概论：交通工程学原理与应用[M].北京：北京出版社，1984.

[2]周恒星.马斯克那个巨牛的思维方式“第一性原理”是什么？[EB/OL].2017[2017-04-01].http://36kr.com/p/5068808.htm l.

[3]周商吾.交通工程[M].上海：同济大学出版社，1987.

[4]余建斌.无人驾驶，也许更安全[N].人民日报，2017-03-24(18版).

[5]知闻网.国外高科技公路，每公里造价3650万，真涨见识[EB/OL].2017[2017-04-01].http://www.56.com/u17/v_MTQ0M jQ1M jk0.htm l.

[6]Shoup D C.The High Costof Free Parking[J].Journal of Planning Education and Research,1997,17(1):3-20.

[7]康浩，赖见辉，张洋，等.悦畅三里屯：宝马未来出行青年实践营汇报材料[R].北京：中国城市规划设计研究院，2016.

[8]Corwin S,Jameson N,Pankratz DM,Willigmann P.The Future of Mobility:What's Next?[EB/OL].2016[2017-04-01].https://dupress.deloitte.com/dup-us-en/focus/future-of-mobility/roadmap-for-future-of-urban-mobility.htm l.

[9]王亿方，朱洪.美国道路交通多样化的路权管理[J].交通与运输，2007，23(6)：36-37.

Application of First Princip le in Exp loring Future Urban Transportation Innovation

Wu Sufeng
(China Academy of Urban Planning&Design,Beijing 100037,China)

The first practice camp activities for youth upon BMW's future travel chose Sanlitun area in Beijing as the pilot project.Such an activity encourages youth professionals of China and abroad to propose intensive investigation and research aswell as sorting out the solutions.Based on the first principle,the camp group investigates the relationship among people,vehicle,road,and environment.The essence of firstprinciple is to improve and reform a system by exploring the fundamental law of the system.Based on the analysis on existing public transit,road operation,and travel environment in Sanlitun area,the camp group proposes an innovative scheme for the future transportation.The blue picture of the developed scheme includes several critical elements,including car sharing,driverless technology,spatial dimension,dynam icalparking fees,travelaccumulation system,and etc.The results show thatapplication of firstprinciple isable to gain an innovative solution to this condition.

urban transportation;transportation innovation;firstprinciple;public transit;driverless

1672-5328（2017）04-0084-07

U491

A

10.13813/j.cn11-5141/u.2017.0412

2017-05-26

伍速锋(1977—)，男，湖北天门人，博士，高级工程师，主要研究方向：交通规划。E-mail:wusufeng@126.com