中國交通建設(shè)股份有限公司 劉伯瑩

同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 田雨

我國已經(jīng)提出了建設(shè)交通強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略，包括公路和城市道路在內(nèi)的道路交通，是落實國家戰(zhàn)略的重要組成部分。目前，我國已經(jīng)建成了超大規(guī)模的公路和城市道路基礎(chǔ)設(shè)施，而且還在以較快的速度增長。我國的道路基礎(chǔ)設(shè)施從新建為主到建管并重，已經(jīng)步入了建、管、更新三者并駕齊驅(qū)的新時期。在新形勢下，如何結(jié)合未來的道路交通發(fā)展趨勢，探索適應(yīng)未來道路新建和更新要求的技術(shù)體系，不僅是中國的需求，也是國際共同面臨的挑戰(zhàn)。

智慧交通是智慧城市和智慧地球的核心組成部分，是國際交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展重點。智慧道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)包括智能道路、智能汽車和智能運(yùn)控3個基本組成部分，三者的一體化發(fā)展將成為智慧道路的新特征。本文圍繞智能道路的需求、內(nèi)涵、模式等相關(guān)問題進(jìn)行探討。

智能道路的發(fā)展需求

道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的愿景

道路是道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)中“人-車-路-環(huán)境”四要素的核心組成部分，其目的是為道路使用者提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。因此，未來道路設(shè)施的發(fā)展應(yīng)該與未來道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展相適應(yīng)，既需要適應(yīng)道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)中車輛、交通管控模式的升級發(fā)展，也需要通過自身的發(fā)展來推動道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)其他技術(shù)的進(jìn)步。雖然交通科技和運(yùn)行模式的發(fā)展往往超出人類的預(yù)知，使得無法準(zhǔn)確預(yù)測未來二三十年道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的變化，但是仍然可以透過道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的本質(zhì)和愿景，把握未來道路的基本方向。

道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的本質(zhì)，是為人和貨物的空間轉(zhuǎn)移提供安全、高效、經(jīng)濟(jì)、可靠的服務(wù)。同時，未來交通運(yùn)輸系統(tǒng)能夠滿足生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展等的時代要求。與該本質(zhì)相對應(yīng)，未來道路交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展愿景可歸納為“零傷害、零延誤、零失效、零排放、零維修”的“五維趨零”理想系統(tǒng)。其中，“零傷害”主要針對系統(tǒng)的安全，期望道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)能夠在任何環(huán)境和時刻都能保障所服務(wù)對象的生命和財產(chǎn)安全；“零延誤”主要針對系統(tǒng)的效率，期望在道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)中能夠保持正常的運(yùn)行速度；“零失效”主要針對系統(tǒng)的公平性，“零維修”主要針對設(shè)施，期望設(shè)施在設(shè)計使用期內(nèi)，在正常的使用條件下能夠自我保持良好的性能狀態(tài)，不用外部的介入實施維修和維護(hù)；“零排放”主要針對汽車，能夠采用新能源或電力驅(qū)動，在運(yùn)行中實現(xiàn)零尾氣排放。

為了逐步實現(xiàn)道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的“五維趨零”愿景，需要以系統(tǒng)最優(yōu)的視角考慮道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)中“人-車-路-環(huán)境”的每個要素，以及相互之間的作用與協(xié)同，特別是汽車和道路這兩大核心基礎(chǔ)要素及相互關(guān)系。

智能道路交通系統(tǒng)的趨勢

在面向“五維趨零”的發(fā)展進(jìn)程中，道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)有諸多的發(fā)展路徑，如智能化、數(shù)字化、超級化、綠色化等。其中，智能化多年來已經(jīng)被國際上認(rèn)為是解決道路交通運(yùn)輸問題的重要手段，是支撐未來智慧地球和智慧城市發(fā)展的重要技術(shù)手段。在過去近30年的發(fā)展中，智慧交通運(yùn)輸系統(tǒng)取得了巨大成就。面向未來，也呈現(xiàn)出了一些新的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在：

交通工具的變化。電動或新能源、智能網(wǎng)聯(lián)和自動駕駛汽車，成為發(fā)展趨勢；

運(yùn)行模式的變化。共享的交通運(yùn)輸運(yùn)行模式，將逐步成為出行和物流的主流模式；

科技環(huán)境的變化。人工智能、大數(shù)據(jù)、云霧計算、微電子系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速發(fā)展，不斷融入道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)之中；

服務(wù)要求的變化。出行和物流的服務(wù)要求，已經(jīng)從傳統(tǒng)的實現(xiàn)人和物的空間移動，開始最追求交通運(yùn)輸中價值的體現(xiàn)，對可利用時間、舒適程度、健康程度等提出了更高的要求。

為了適應(yīng)智慧道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢，需要綜合考慮道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的各個組成要素，包括智能汽車、智能管控和智能設(shè)施。越來越多的交通參與人員已經(jīng)意識到，道路的智能化是未來智慧道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分。而道路的智能化不僅僅依靠路側(cè)設(shè)施的智能化，應(yīng)該包括道路的所有組成部分，即路基、路面和附屬設(shè)施。因此，有必要構(gòu)建智能道路的技術(shù)體系，以找到系統(tǒng)最優(yōu)的智慧道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路徑。

智能道路的發(fā)展需求

智能道路的發(fā)展需求，主要可以分成以下幾個方面：

及時掌握道路設(shè)施的性能狀態(tài)，為道路設(shè)施本身的健康監(jiān)測、評估和養(yǎng)護(hù)決策提供信息需求；

為人和智能汽車提供更多的信息，包括交通事故、道路施工、路面安全狀態(tài)等；

主動為智能車輛提供定位和導(dǎo)引，解決靠車輛自身和衛(wèi)星定位無法解決的特殊情況，如隧道、高架下的地面道路、地下道路等；

為智能汽車和智能管控提供以往不能提供的一些信息，如路面舒適度、抗滑能力、幾何曲線等；

提高智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)中信息感知和傳輸、定位和導(dǎo)引、預(yù)測與預(yù)警等的系統(tǒng)可靠度。

圖1 智能道路與交通運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)系

表1 智能道路的基本要素

智能道路的內(nèi)涵

智能道路的基本要素

為了合理定義智能道路的概念，擬借鑒智慧生物體的基本特征和要素。在地球上，高等智慧生物體都不可或缺地包括了感官、神經(jīng)、大腦、肌體組織、心臟及循環(huán)系統(tǒng)和交互語言等基本要素。感官和神經(jīng)系統(tǒng)用于感知生物體內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境；大腦用于處理、記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的各類信息，并根據(jù)信息作出反應(yīng)，是神經(jīng)系統(tǒng)的中樞；肌體是生物體形體的組成部分，具有生長、修復(fù)、調(diào)節(jié)等自主適應(yīng)能力；語言，包括各類交互方式，是生物體之間進(jìn)行交流、溝通、互動的必要能力；心臟，包括循環(huán)系統(tǒng)，為生物體提供持續(xù)能量，從而保障生物體智能能力的發(fā)揮。

與智慧生物體的基本要素對應(yīng)，道路要具備智能能力，形成智能行為，同樣需要具備這五大基本要素，在智能道路中分別對應(yīng)為感知網(wǎng)絡(luò)、云霧中心、結(jié)構(gòu)材料、通信網(wǎng)絡(luò)和能源系統(tǒng)。智能道路的五大基本要素及提供的基本能力，如表1所示。

智能道路的定義

在明確智能道路基本組成要素的基礎(chǔ)上，可將智能道路定義為：由特定的結(jié)構(gòu)材料、感知網(wǎng)絡(luò)、云霧中心、通信網(wǎng)絡(luò)和能源系統(tǒng)組成，具有主動感知、自動辨析、自主適應(yīng)和動態(tài)交互等智能能力，以服務(wù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車和自動駕駛汽車為主要對象的道路設(shè)施。與傳統(tǒng)道路相比，智能道路與智能汽車具有良好的協(xié)同，并能有效降低安全風(fēng)險、提高道路性能、延長道路壽命、提升服務(wù)品質(zhì)。

智能道路是智慧道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，是交通運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)施部分，如圖1所示。因此，智能道路是智能化的道路設(shè)施，建議不包括交通的運(yùn)行組織和管理控制。智能道路解決的是道路設(shè)施本身的智能化，與道路設(shè)施的智能建造和智能維護(hù)等共同組成智能道路工程，并需全面適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求。智能建造更多關(guān)注于普通道路或智能道路的設(shè)計、建設(shè)和施工管理；智能維護(hù)更多是利用通過監(jiān)檢測獲得數(shù)據(jù)，采用人工智能等手段進(jìn)行智能化維護(hù)決策。智能道路的建造和維護(hù)一般均為智能建造和智能維護(hù)，但智能建造和智能維護(hù)也可以直接服務(wù)于普通非智能化的道路設(shè)施。

表2 智能道路的智能能力

智能道路的智能能力

智能道路的智能能力圍繞主動感知、自動辨析、自主適應(yīng)、動態(tài)交互等展開。道路依靠智能材料或傳感器件來主動感知狀態(tài)、性能、環(huán)境和行為；在感知的基礎(chǔ)上，道路可對信息進(jìn)行自動校驗、集成、管理、分析、診斷和評估等處理；依托感知的信息和辨析的結(jié)果，道路能夠適應(yīng)溫度、濕度、交通等的變化，主動調(diào)控，并可對損傷完成自我修復(fù)；同時，道路能在感知和辨析的基礎(chǔ)上，與外部動態(tài)交互；為了實現(xiàn)這些能力，離不開持續(xù)不間斷的能量供應(yīng)。因此，智能道路的智能能力，如表2所示。

智能道路的信息組織

在智能道路中實現(xiàn)對信息的組織是智能能力達(dá)成的核心。在智能道路的信息組織中需要構(gòu)建與車聯(lián)網(wǎng)（V2X,Vehicle to Everything）同等的路聯(lián)網(wǎng)（R2X，Road to Everything）系統(tǒng)，并融合形成VR2X系統(tǒng)，以支撐未來的智慧道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)，如圖2所示。

根據(jù)產(chǎn)生和使用的時效性，智能道路感知的信息可以分為動態(tài)信息、準(zhǔn)動態(tài)信息、準(zhǔn)靜態(tài)信息和靜態(tài)信息，如圖3所示。動態(tài)信息主要為與運(yùn)行安全緊密關(guān)聯(lián)的行為信息，需要實時為智能汽車提供服務(wù)，如汽車的位置、輪跡、速度等信息；準(zhǔn)動態(tài)信息，主要為道路正在變化的狀態(tài)信息，如下雨時的水膜厚度、交通事故、結(jié)冰情況、側(cè)風(fēng)情況等；準(zhǔn)靜態(tài)主要為一些變化比較緩慢的道路信息，比如道路損壞狀況、道路施工區(qū)信息、交通管制信息等；靜態(tài)信息主要為道路設(shè)施的物理特性，如道路的線形、坐標(biāo)、車道數(shù)、路面類型、結(jié)構(gòu)、材料等。不同的信息類型，需要采用不同的通信方式（DSRC、5G、IoT、Wi-Fi、光纖、電纜等）實現(xiàn)各個交通要素之間的信息交互。

智能道路的信息組織需要有一個底層的數(shù)字平臺和可視化的平臺，包括地理信息系統(tǒng)和動態(tài)地圖，都是信息組織不可或缺的組成部分。同濟(jì)大學(xué)教授陳雨人為智能道路提出了四元素交通運(yùn)輸信息模型TIM4（Transportation Information Model 4）的概念，如圖3所示。智能道路的信息通過TIM4中的駕駛員信息模型（TDIM，Transportation Driver Information Model）、車輛信息模型（TVIM，Transportation Vehicle Information Model）、設(shè)施信息模型（TBIM，Transportation Building Information Model）和環(huán)境信息模型（TEIM，Transportation Environmental Information Model）予以有效組織。

圖2 VR2X 的概念示意

圖3 交通運(yùn)輸信息模型TIM4 概念（模型創(chuàng)作者：陳雨人）

智能道路的驅(qū)動模式

為了實現(xiàn)道路的智能化，賦予其相關(guān)的智能能力，需要有不同的技術(shù)和方式予以驅(qū)動。目前一些道路的智能化主要以在既有道路設(shè)施上加裝或埋入相關(guān)的傳感器來實現(xiàn)。更加合理的智能道路，應(yīng)該具有智能道路的基因，即特定的結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)計，再加上各類智能技術(shù)的強(qiáng)化。

由于道路自身的物理和服務(wù)特征，會對智能化技術(shù)提出特殊的需求。智能道路的重點在為智能網(wǎng)聯(lián)汽車、人員和相關(guān)的管理運(yùn)行部門提供信息和決策支撐服務(wù)，這需要全面掌握道路上的所有信息。為此，道路的智能化需要實現(xiàn)對道路設(shè)施的空間全覆蓋，并且，盡可能滿足不同的功能需求，如健康監(jiān)測、道路交通安全、出行運(yùn)輸服務(wù)等。然而，對帶狀的公路而言，其長度長、空間跨度大，單條公路的里程可以從幾十公里到幾千公里，智能能力全覆蓋的成本將成為巨大的挑戰(zhàn)。對城市道路而言，雖然單條道路的長度并不長，但是路網(wǎng)的密度高，也存在同樣的技術(shù)和成本問題。所以，在智能道路的技術(shù)發(fā)展中，需要重點探索全覆蓋、低成本、低功耗、多功能的智能道路驅(qū)動模式。具體來說，可包括以下幾方面的技術(shù)驅(qū)動：

智能材料驅(qū)動，指用于修筑路面的設(shè)施的材料本身具有一定的智能度，如智能骨料、自愈合材料、性狀記憶材料、導(dǎo)電材料等；

壓電技術(shù)驅(qū)動，壓電材料由于具有電和力/變形之間的雙向轉(zhuǎn)換能力，可以在智能道路中設(shè)計成不同的器件實現(xiàn)不同的功能，包括能量收集、變形監(jiān)測、振動監(jiān)測、載重監(jiān)測等。建于壓電器件的多功能性，使其成為可能的智能道路驅(qū)動模式之一；

分布式光纖驅(qū)動，分布式光纖在過去的幾年中得到了快速發(fā)展，被用于變形、振動、濕度、溫度等的監(jiān)測。分布式光纖可以用來監(jiān)測道路的設(shè)施健康、交通流特性和環(huán)境信息，因此也具有多功能的特點。同時，分布式光纖本身的價格比較經(jīng)濟(jì)，具備在智能道路中大規(guī)模應(yīng)用的可能性；

單點傳感器驅(qū)動，當(dāng)智能道路的規(guī)模不大時，如交叉口、彎道、收費(fèi)口等，也可以采用傳統(tǒng)的單點或斷面應(yīng)變傳感器、位移傳感器、溫度和濕度傳感器、稱重傳感器等予以驅(qū)動。傳統(tǒng)單點傳感器的精度一般較高，也可以和分布式光纖等配合使用，構(gòu)建混合體系；

其他技術(shù)驅(qū)動，智能道路的技術(shù)發(fā)展才剛起步，需要廣大科技工作者不斷開發(fā)、探索適用道路特征的智能驅(qū)動技術(shù)，如聲子晶體、智能膜傳感器、智能涂層、智能道釘?shù)取?/p>

智能道路的預(yù)期實施路徑

智能道路涉及一個復(fù)雜的交叉技術(shù)體系，包括交通、土木、電子、信息、能源、人工智能等。智能道路的發(fā)展，預(yù)計是一個循序漸進(jìn)的過程，需要較長的時間穩(wěn)步推進(jìn)。對智能道路的技術(shù)體系，期望其內(nèi)涵和架構(gòu)在國際上形成統(tǒng)一的認(rèn)識，但在具體實施時，每一個國家或地區(qū)可以有自己特色的路徑，而且可以動態(tài)調(diào)整。

智能道路的發(fā)展趨勢

智能道路的發(fā)展趨勢，大致可以概括為從功能化到超級道路的逐步發(fā)展，如圖4所示。

設(shè)施功能化是指為了滿足特定需求而開發(fā)的，可以實現(xiàn)特定功能（或單一智能能力）的道路基礎(chǔ)設(shè)施。例如，高寒地區(qū)的自融雪公路、由透水瀝青材料建造的排水和低噪音路面、光伏路面等。雖然功能化道路并不具備完整的智能能力，也不是真正意義上的智能道路，但是總體上而言，從現(xiàn)在到未來很長的一段時間內(nèi)，功能化仍然是道路技術(shù)發(fā)展的重點之一。

在功能化發(fā)展的同時，以智能化為導(dǎo)向的概念、框架、路徑等將逐步明晰，主動感知、自動辨析、自主適應(yīng)、動態(tài)交互等智能化的技術(shù)得到逐步發(fā)展，單個或多個智能道路技術(shù)得到研究和應(yīng)用。由多智能能力協(xié)同運(yùn)行以完成復(fù)雜任務(wù)的第一代智能道路將會慢慢出現(xiàn)。例如，具備主動感知能力，并能夠通過感知數(shù)據(jù)自動預(yù)測路用性能，并生成項目級養(yǎng)護(hù)方案的智能道路。

隨著自動駕駛電動汽車的逐步投入使用，結(jié)合智能能力的綜合應(yīng)用，超級專用車道將成為智能道路發(fā)展的優(yōu)良載體和發(fā)展模式。在超級專用車道上，智能道路可以全方位的支持并實現(xiàn)第五級無人駕駛，包括超視距范圍感知、全局路線優(yōu)化、風(fēng)險預(yù)警、在途充電等。

在超級專用車道的基礎(chǔ)上，在未來專門為智能網(wǎng)聯(lián)汽車和自動駕駛汽車服務(wù)的超級道路或公路將得到研究和應(yīng)用。功能化、智能化、專用車道和超級道路的發(fā)展，具有一定的遞進(jìn)性，也具有較強(qiáng)的同步性。

智能道路的技術(shù)路徑

從智能道路的具體技術(shù)而言，可以分成幾個不同的部分有序推進(jìn)。近期需要重點發(fā)展智能道路的感知技術(shù)，包括既有監(jiān)檢測技術(shù)的提升改進(jìn)和新型感知技術(shù)、傳感器和裝備的研發(fā)；融合相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步研究智能道路的驅(qū)動模式；充分利用現(xiàn)有能夠掌握的監(jiān)檢測數(shù)據(jù)，構(gòu)建各類智能道路的應(yīng)用場景，發(fā)揮智能化的作用；分析考慮自動駕駛汽車的行為特征，以構(gòu)建適應(yīng)智能道路需求的路面結(jié)構(gòu)；再面向自動駕駛汽車的位置導(dǎo)引、信息交互、即時服務(wù)、能量供應(yīng)等發(fā)展。

圖4 智能道路的發(fā)展趨勢

智能道路的產(chǎn)業(yè)路徑

從產(chǎn)業(yè)鏈而言，在目前階段需要由政府、高校和企業(yè)來共同開展戰(zhàn)略性研究，提出智能道路的中國方案。在此基礎(chǔ)上，同步開展既有成果的總結(jié)提升、新的科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)、現(xiàn)場試驗與示范平臺建設(shè)，并有序推廣應(yīng)用具有不同功能和智能度的智能道路技術(shù)。在此過程中，有必要構(gòu)建從企業(yè)到行業(yè)，甚至到國際的協(xié)同創(chuàng)新平臺或聯(lián)盟。

幾點討論

本文對智能道路中的定義、內(nèi)涵、驅(qū)動模式和發(fā)展途徑等展開了一些探索性的思考，提出的相關(guān)技術(shù)和結(jié)論仍然比較初步，后續(xù)需要大量的研究和實踐工作予以細(xì)化和佐證。對其中涉及的幾個問題進(jìn)行進(jìn)一步的說明：

關(guān)于“智能”與“智慧”

在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中智能和智慧都有使用，也有一些不同的解釋和界定。本文無意對兩者做仔細(xì)區(qū)分，在當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)下，便于與智能汽車協(xié)同，采用智能道路予以定義。

關(guān)于“五維趨零”系統(tǒng)

交通運(yùn)輸系統(tǒng)是一個多目標(biāo)的系統(tǒng)，從服務(wù)的角度來講安全、效率、成本、舒適度等是重要的衡量指標(biāo)。然而，基礎(chǔ)設(shè)施的性能、壽命、養(yǎng)護(hù)維修工作等又影響著服務(wù)的品質(zhì)。同時，交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展必須服務(wù)社會可持續(xù)發(fā)展要求，環(huán)保、生態(tài)、韌性等貫穿于整個交通運(yùn)輸系統(tǒng)的各個部分和全壽命階段。因此，有許多因素都有“趨零”趨勢，本文從中提取了相對比較重要，涉及汽車、設(shè)施和運(yùn)行的5個方面予以描述。

關(guān)于邊界和外延

如何來界定智能道路的邊界和外延，是智能道路技術(shù)體系構(gòu)建的前提。在本文中，嘗試著把智能道路、智能道路工程（包括智能規(guī)劃、建造、管理、維護(hù)、更新等）、智能道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)（智能道路、智能汽車和智能運(yùn)控）加以區(qū)別，將智能道路的重點放在設(shè)施本身的范疇。