基于智能交通系统的路面材料及功能创新研究

寇小舟 王庭霞 张兴军 宋尚霖

（1甘肃省公路管理局，甘肃 兰州 730030；2兰州市政集团总公司，甘肃 兰州 730030；3甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730050.）

基于智能交通系统的路面材料及功能创新研究

寇小舟1王庭霞2张兴军3宋尚霖3

（1甘肃省公路管理局，甘肃 兰州 730030；2兰州市政集团总公司，甘肃 兰州 730030；3甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730050.）

智能交通系统（ITS）的研究在道路与交通行业越来越受到各国的关注。为了解决道路交通相关问题，寻求道路建设与智能交通系统建设的最佳融合点，本文通过运用多学科交叉与技术融合的研究方法，结合我国道路基础设施建设及交通运输管理与服务体系以及哲学思想，首先分析了智能交通系统的相关概念，并提出了ITS体系框架；其次，分析了我国现有功能路面及路面材料的应用与发展状况，并进行了对比分析；最后，面向我国智能交通系统的应用和发展需求，强调了智能道路建设的重要性，并进一步探讨了新型路面材料及其材料、结构、智能一体化的发展趋势，提出了研究关键技术及其难点。

智能交通；体系框架；学科交叉融合；智能道路；功能创新

随着我国城市化进程的加快，我国的交通系统及交通需求开始发生深刻的变革。为了解决交通安全、交通拥挤、环境污染，甚至结构健康监测相关问题，我们在不断加快道路基础设施建设的同时，必须加快城市智能交通系统的建设，及在基础与应用，传统与现代，近期与远期，国内与国外相结合协调发展模式下，进行智慧基础设施建设。这样才能从根本上加快我国道路现代化的建设步伐，从而更好的与国际智能道路系统接轨。

结合我国道路交通基础设施建设的现状，在以创新性学科和交叉性学科发展基础上，本文阐述了智能交通系统的相关概念，并提出了ITS体系框架。结合路面新型材料及材料功能创新，对路面材料及其功能进行了分析，寻求基础设施建设和智能交通系统建设的最佳融合点，突出了材料、结构、智能一体化建设的重要性，路面材料的发展是道路发展的核心，智能道路的建设尤为重要。最后从哲学层次进行了分析总结。为我国智能型综合交通体系的建设和道路现代化建设提供技术支撑和理论支撑。

1 智能交通系统（ITS）相关概念

1.1 ITS内涵及发展现状

ITS作为一个概念性名词出现于20世纪90年代，但其思想早在20世纪30年代已有萌芽，在美国、欧洲和日本发展较快[1]。ITS将先进的信息技术、控制技术、数据通信技术、传感器技术以及人工智能技术等有效地综合运用于整个交通管理体系，在系统工程综合集成思想的指导下，建立起来的一种在较大范围内发挥作用的，实时、准确、高效的交通运输综合管理与服务系统。

20世纪90年代以后,美国、欧洲、日本等国家在智能交通领域发展较快。目前世界上应用最为广泛的地区是日本，日本ITS的发展几乎与欧洲同时起步，与美国、欧洲相比，其主要特点是：众多政府部门参与、重视技术、产品开发和场地试验,如今日本的智慧道路系统已经相当完备和成熟；其次，欧洲ITS其主要特点是强调国际合作和标准化、强调综合运输系统智能化，绿色智能交通是其典型的代表；美国ITS起步相比比较晚，但发展迅猛，其特点主要是由国家统一规划，投资力度大，智能驾驶战略已经取得了可喜的成果。如今，ITS的发展已不限于解决交通问题，在材料科学与信息技术方面也催生了好多产业的发展，对社会的间接影响是不可估量的。

相对于发达国家，我国智能交通起步较晚，但面向国内巨大的市场需求，智能交通系统也得到了迅速的发展。2005 年，第一届中国智能交通年会成功举办，2008年5月14日，中国智能交通协会在北京正式成立[2]。目前，中国的ITS产业也在以30%的年增长速率快速发展，交通物联网技术及其各种通用技术服务平台也在慢慢普及。

1.2 ITS体系框架

智能交通系统作为融合通信、计算机、传感等多种现代技术的智能化交通管理与服务手段，被认为是解决日趋恶化的城市交通问题的有效途径。为了更好的发挥ITS效能，最重要的任务是要重视ITS体系框架的设计。

智能交通系统，其实正是互联网应用的重要体现，并成为催生和带动物联网行业发展的主要动力，其组成主要承载于道路系统的感知层，网络层和应用层[3]。智能交通系统的建立，其首先是建立在大量的调查和调研基础之上的，在这里我们必须从社会、经济、政治以及哲学层面进行深入的研究。其次，通过数据收集、二维码、传感器网络组网及系统信息处理技术等建立感知层，再通过移动通信网、互联网、其它专网和异构网融合技术建立网络层，构建信息采集站、信息数据库、综合系统运行管理平台等，最后将所有信息、技术在时间或空间上进行融合，以获得对应用对象更合理性、准确性的描述，即建立应用层，通过手机终端、车载终端、电脑终端、广播电台等服务于用户主体及相关设施、车辆。图1所示为智能交通系统体系框架图。

图1 智能交通系统体系框架

资料表明，ITS利用高科技来管理交通，可将交通阻塞减少50%，交通事故率有望降低80%，使短途运输效率提高近70%，汽车油耗也可由此降低15%，如此大的效能，我们必须从源头注重ITS体系框架的建设。着眼于未来，我们要加强系统创新，材料创新，功能创新。把智能道路建设放在首位，加强数字基础设施建设，使得政府、企业、科研单位及高等院校共同参与，在跨行业、跨技术领域的条件下合理进行角色定位和任务分担，打造人、车、路三位一体协调发展模式。

2 路面材料发展现状及发展趋势

2.1 路面材料发展现状及功能对比

材料是科学与工业技术发展的基础，每一种材料的出现都会具有其特有的功能和社会物质文明。回顾我国路面材料的发展，根据材料的不同可将道路划分为土、石路面，水泥混凝土路面，沥青路面和新型路面（功能性路面和环保性路面）[4]。各种路面特点如表1所示。

根据我国公路铺装情况来看，无铺装路面占32%，简易铺装占11%，水泥混凝土铺装占38%，沥青混凝土铺装占19%。因此水泥混凝土路面在我国相当长一段时间内仍然扮演重要角色，阻碍了我国智能道路的发展。由此我们必须寻找新的材料取代，如建筑垃圾的使用，矿物掺和料代替水泥，或者研究开发新的复合智能材料，从基础上加快我国智能道路系统的建设，使得材料和功能的创新为智能交通系统的建设发挥重大的作用。

2.2 新型路面材料及功能创新

随着社会经济的快速发展 ，路网运输能力与需求矛盾日益尖锐，我们不能一味的扩大路网规模来解决交通需求，而是要通过现有高新技术改善这种矛盾。如今，一些新型路面应运而生，比如环保型自融雪路面、自降解汽车尾气路面、压电式路面、磁性导向路面、辨识型的路面等等[5]。这些路面在路用性能提高的同时，部分也具有了智能化的功能，但其智能化程度还远远不够，为了与智能交通系统进行更好的搭接与融合，还存在巨大的差距。我们应该寻找更好的融合点，将现有的材料进行改进或者利用多种材料进行复合，或者开发研究新的路面智能材料，或者采用新的施工工艺，给道路路面加入智能组分，例如压电材料、光导纤维、光伏发电等，这些无疑将会为我国道路智能化建设提供强大的支撑。

表1 不同路面性能对比表

由美国电力工程师布鲁索夫妇发起的Solar Roadway项目，它是由相互咬合的钢化玻璃面板铺设，面板中嵌有光伏电池板，将太阳能转化为电能，这些面板可以铺设在道路或者大型停车场上，可以满足企业及家庭等用电需求。2014年3月，在已完成的第二阶段的试验停车场上，已对该光伏路面进行了荷载试验，牵引力试验和抗冲击试验，试验结果大大超出预期。图2是太阳能路面结构图，图3是太阳能智能巷道设计图。

图2 太阳能路面结构

图3 太阳能巷道设计图

该项目在路面光伏发电的同时，还集合了路面照明、融雪、雨水再分配等功能。人行横道面板嵌入称重传感器，当有人经过时，面板开始自动识别，它会发出一个信号到埋设于路面的太阳能路灯小组，指示迎面而来的司机“减速”。在未来的计划中，我们还可以考虑实现更多的功能与应用，提供智能电网，给电缆一个安全的地方，公共事业部门将能够轻松地访问他们，通过功能模块系统的开发与交通管理服务平台实现对接，最后实现整个太阳能路面与智能交通系统的最佳融合。我们实现了太阳能巷道也将有助于过渡到电动车，并让他们与阳光代替化石燃料充电，可以减少能源的消耗和环境的污染。因此，智能道路的建设尤为重要，我们如何去协调好各功能模块与智能交通系统的搭接，如何实现路面材料和功能的创新，这些都是我们研究的关键技术和难点。

2.3 材料、结构、智能一体化

我们在“互联网+交通”这个大背景下，更应该注重路面材料的研发，最终实现材料、结构、智能一体化建设，促进智能道路建设与智能交通系统的融合，加快我国道路的现代化建设。

路面材料的发展是路面发展的核心，着眼于未来，我们要加快智能道路的建设，在现有的道路交通基础设施及先进的传感技术、计算机通讯技术基础上，把智能材料结构的思想运用到传统道路上[6]，及将传感元件、驱动元件、以及信息处理控制系统集成于道路主体材料中，使道路路面不仅具有承受荷载传递的能力，又能具有检测多种参数、分析、处理及控制等多种功能，从而建立交通道路综合信息服务平台，形成与智能交通系统的很好的对接。

当然，我们不能满足于简单的材料开发，对于智能道路系统，我们更需要结合数据资源管理体系、交通组织与诱导体系、交通指挥管理体系、综合运输体系等，通过各个体系的技术融合与协调，最大程度的发挥路面智能材料的优势。随着汽车智能网联技术、车路协同技术的发展，我们可以考虑将无线充电技术嵌入到实际路面里,这样电动汽车可以在行进中充电，而不会再需要充电站，或者路面吸收阳光发电，或者把压电材料嵌入道路，捕捉过往车辆的振动能，并将其转换为可用的能源等等，通过这些基础设施的建设，我们结合ITS各种功能模块，建立系统运行管理平台和信息服务平台，使得各种功能和技术在时间和空间上得到很好的融合。

材料的创新会给整个行业带来革命性的变革，施工工艺的改变也会给整个行业注入新的能量。如今，3D打印已经得到了迅猛的发展，3D打印建筑已经实现[7]。我们也可以借鉴此技术，研究和开发适合于3D打印的智能路面材料，这种材料融合了信息科学的内容，把感知、寻优和控制驱动技术进行融合渗透，使其路面材料、结构、智能一体化，并且具有多种仿生功能，如基材模拟骨骼提供承载力，嵌入传感网络，模拟神经系统提供感知、监测等能力，这也将是我们研究的方向。如今，碳纳米管的应用，石墨烯的应用，在3D打印方面都有尝试，若我们可以把纳米传感器嵌入到路面材料中或者将含有响应型聚合物的石墨烯薄片用于打印道路路面的一些功能性柔性电子等，这些若能实现，智能道路系统的发展将会更加明朗。

3 研究结论及思考

本文结合我国智能交通系统的发展现状，阐述了ITS的概念，并提出了智能交通系统体系框架，以智能交通系统为基础，结合我国现有路面材料发展状况，着重强调智能道路建设的重要性，提出了智能材料的发展对智能ITS系统的重要性。寻求智能道路建设和智能交通系统的最佳融合点，即实现材料、结构、智能一体化发展，加快我国道路现代化建设进程，推进我国智能道路与国外智能交通系统的接轨，结论及思考如下：

1）智能道路系统是智能交通系统的重要组成部分。我们在加快道路物联网建设的同时，必须重视路面材料的开发与研究，路面材料的发展是路面发展的核心，智能材料应用于路面具有战略意义。通过材料、结构、智能一体化建设，将数字基础设施建设、物联网及云计算等运用于我国道路与交通系统建设中，为我国智能交通体系提供强大技术支撑。

2）智能交通系统融合了信息技术、数据通讯传输技术、智能车辆技术、材料科学技术等，以实现交通运输服务和管理智能化为目的，最终解决交通安全、交通拥挤、环境污染等问题。由此我们必须要加强智能交通系统体系框架的研究，确定每个功能模块以及模块之间的协议和接口，通过各种模块的技术融合与搭接，使得数据的采集、处理、融合、表达、分析等一体化，建立应用服务平台，发挥智能交通系统更大的效能。

3）智能交通系统涉及多个技术领域，因此我们要以创新性学科和交叉性学科为基础，促进相关学科技术的融合，通过举办年会或国际会议等有效活动来建立广阔的交流平台，实现重点技术领域和关键技术领域的突破，并且加强国际合作，培养智能道路方面的复合型人才，为我国智能交通系统的建设储备人才力量。

最后，我们也应该从哲学的角度和层次去分析，透过技术工作层次而看到背后的哲学意义。传统的交通体系是以管理者为主，管理者是主动的，而我们使用道路者处于被动地位，如今，智能交通系统更加注重人的能动性，在人的理性和价值取向发展基础上，满足人们不同的需求。由于事物总是不断走向高级阶段发展的，基于智能交通系统下的新型路面材料开发及功能创新研究，我们有理由在较高层次上进行探索，我们的思维活动仍然是存在与意识、物质的运动和认识的运动这些层面，但我们渗透哲学意义，实现整个交通系统的智能化，虽然还是纯物理系统的控制，但新材料、新功能及这个系统却发生了质的变化。我们也相信，我国在智能交通系统建设方面必将取得更大的进步.

[1]王笑京.智能交通系统研发历程与动态述评[J]. 城市交通, 2008,1(1): 6-12.

[2]金茂菁.中国智能交通发展历程浅谈[J].交通科技, 2013,2(2): 140-142.

[3]谢辉, 董德存,欧冬秀.基于物联网的新一代智能交通[J]. 交通科技与经济, 2011,1(1): 33-36.

[4]向源,张兰军.道路路面材料发展现状及趋势[J].公路交通技术, 2007,2(2): 75-79.

[5]于向阳.论新型道路的结合与发展[J].山西建筑,2014,3(3): 163-164.

[6]李惠,欧进萍.智能混凝土与结构[C].第16届全国结构工程学术会议,2007.20.

[7]宋尚霖, 赵千,汪林兵.3D打印建筑技术的发展及其材料结构—智能一体化展望[J].中外建筑, 2015,9(9):110-112.

Research on pavement material and functional innovation based on Intelligent transportation systems

The research of intelligent Transportation Systems (ITS) in the road and transport gets more and more attention.In order to solve issues related to road traffic,road construction,seeking the best fusion point and intelligent transportation system construction.The paper through the use of multi-disciplinary research and technology integration,combined with our road infrastructure and traffic management and service system and Philosophy，firstly analysis the concepts of intelligent transportation systems and proposed ITS Architecture; Secondly,the existing functionality and application and development of the road pavement material in our country, and comparative analysis;and finally,for our intelligent transportation system application and development needs, stressed the importance of intelligent road construction, and to further explore the new pavement materials and materials,structur al,intelligent integration of the development trend,it proposed the research of key technologies and difficulties.

intelligent transportation ；framework；interdisciplinary integration； intelligent road；function innovation

U416文献辨识码：B

1003-8965(2017)05-0023-03