智能道路“智”在何处

2018-10-11

中国公路 2018年18期

中国交通建设股份有限公司刘伯莹

同济大学交通运输工程学院田雨

我国已经提出了建设交通强国的国家战略，包括公路和城市道路在内的道路交通，是落实国家战略的重要组成部分。目前，我国已经建成了超大规模的公路和城市道路基础设施，而且还在以较快的速度增长。我国的道路基础设施从新建为主到建管并重，已经步入了建、管、更新三者并驾齐驱的新时期。在新形势下，如何结合未来的道路交通发展趋势，探索适应未来道路新建和更新要求的技术体系，不仅是中国的需求，也是国际共同面临的挑战。

智慧交通是智慧城市和智慧地球的核心组成部分，是国际交通运输系统的发展重点。智慧道路交通运输系统包括智能道路、智能汽车和智能运控3个基本组成部分，三者的一体化发展将成为智慧道路的新特征。本文围绕智能道路的需求、内涵、模式等相关问题进行探讨。

智能道路的发展需求

道路交通运输系统的愿景

道路是道路交通运输系统中“人-车-路-环境”四要素的核心组成部分，其目的是为道路使用者提供优质的服务。因此，未来道路设施的发展应该与未来道路交通运输系统的发展相适应，既需要适应道路交通运输系统中车辆、交通管控模式的升级发展，也需要通过自身的发展来推动道路交通运输系统其他技术的进步。虽然交通科技和运行模式的发展往往超出人类的预知，使得无法准确预测未来二三十年道路交通运输系统的变化，但是仍然可以透过道路交通运输系统的本质和愿景，把握未来道路的基本方向。

道路交通运输系统的本质，是为人和货物的空间转移提供安全、高效、经济、可靠的服务。同时，未来交通运输系统能够满足生态文明、可持续发展等的时代要求。与该本质相对应，未来道路交通运输的发展愿景可归纳为“零伤害、零延误、零失效、零排放、零维修”的“五维趋零”理想系统。其中，“零伤害”主要针对系统的安全，期望道路交通运输系统能够在任何环境和时刻都能保障所服务对象的生命和财产安全；“零延误”主要针对系统的效率，期望在道路交通运输系统中能够保持正常的运行速度；“零失效”主要针对系统的公平性，“零维修”主要针对设施，期望设施在设计使用期内，在正常的使用条件下能够自我保持良好的性能状态，不用外部的介入实施维修和维护；“零排放”主要针对汽车，能够采用新能源或电力驱动，在运行中实现零尾气排放。

为了逐步实现道路交通运输系统的“五维趋零”愿景，需要以系统最优的视角考虑道路交通运输系统中“人-车-路-环境”的每个要素，以及相互之间的作用与协同，特别是汽车和道路这两大核心基础要素及相互关系。

智能道路交通系统的趋势

在面向“五维趋零”的发展进程中，道路交通运输系统有诸多的发展路径，如智能化、数字化、超级化、绿色化等。其中，智能化多年来已经被国际上认为是解决道路交通运输问题的重要手段，是支撑未来智慧地球和智慧城市发展的重要技术手段。在过去近30年的发展中，智慧交通运输系统取得了巨大成就。面向未来，也呈现出了一些新的发展趋势，主要表现在：

交通工具的变化。电动或新能源、智能网联和自动驾驶汽车，成为发展趋势；

运行模式的变化。共享的交通运输运行模式，将逐步成为出行和物流的主流模式；

科技环境的变化。人工智能、大数据、云雾计算、微电子系统、物联网等技术快速发展，不断融入道路交通运输系统之中；

服务要求的变化。出行和物流的服务要求，已经从传统的实现人和物的空间移动，开始最追求交通运输中价值的体现，对可利用时间、舒适程度、健康程度等提出了更高的要求。

为了适应智慧道路交通运输系统新的发展趋势，需要综合考虑道路交通运输系统中的各个组成要素，包括智能汽车、智能管控和智能设施。越来越多的交通参与人员已经意识到，道路的智能化是未来智慧道路交通运输系统的重要组成部分。而道路的智能化不仅仅依靠路侧设施的智能化，应该包括道路的所有组成部分，即路基、路面和附属设施。因此，有必要构建智能道路的技术体系，以找到系统最优的智慧道路交通运输系统发展路径。

智能道路的发展需求

智能道路的发展需求，主要可以分成以下几个方面：

及时掌握道路设施的性能状态，为道路设施本身的健康监测、评估和养护决策提供信息需求；

为人和智能汽车提供更多的信息，包括交通事故、道路施工、路面安全状态等；

主动为智能车辆提供定位和导引，解决靠车辆自身和卫星定位无法解决的特殊情况，如隧道、高架下的地面道路、地下道路等；

为智能汽车和智能管控提供以往不能提供的一些信息，如路面舒适度、抗滑能力、几何曲线等；

提高智能交通运输系统中信息感知和传输、定位和导引、预测与预警等的系统可靠度。

图1 智能道路与交通运输系统的关系

表1 智能道路的基本要素

智能道路的内涵

智能道路的基本要素

为了合理定义智能道路的概念，拟借鉴智慧生物体的基本特征和要素。在地球上，高等智慧生物体都不可或缺地包括了感官、神经、大脑、肌体组织、心脏及循环系统和交互语言等基本要素。感官和神经系统用于感知生物体内部状态和外部环境；大脑用于处理、记忆神经网络传递过来的各类信息，并根据信息作出反应，是神经系统的中枢；肌体是生物体形体的组成部分，具有生长、修复、调节等自主适应能力；语言，包括各类交互方式，是生物体之间进行交流、沟通、互动的必要能力；心脏，包括循环系统，为生物体提供持续能量，从而保障生物体智能能力的发挥。

与智慧生物体的基本要素对应，道路要具备智能能力，形成智能行为，同样需要具备这五大基本要素，在智能道路中分别对应为感知网络、云雾中心、结构材料、通信网络和能源系统。智能道路的五大基本要素及提供的基本能力，如表1所示。

智能道路的定义

在明确智能道路基本组成要素的基础上，可将智能道路定义为：由特定的结构材料、感知网络、云雾中心、通信网络和能源系统组成，具有主动感知、自动辨析、自主适应和动态交互等智能能力，以服务智能网联汽车和自动驾驶汽车为主要对象的道路设施。与传统道路相比，智能道路与智能汽车具有良好的协同，并能有效降低安全风险、提高道路性能、延长道路寿命、提升服务品质。

智能道路是智慧道路交通运输系统的重要组成部分，是交通运输系统的设施部分，如图1所示。因此，智能道路是智能化的道路设施，建议不包括交通的运行组织和管理控制。智能道路解决的是道路设施本身的智能化，与道路设施的智能建造和智能维护等共同组成智能道路工程，并需全面适应可持续发展的要求。智能建造更多关注于普通道路或智能道路的设计、建设和施工管理；智能维护更多是利用通过监检测获得数据，采用人工智能等手段进行智能化维护决策。智能道路的建造和维护一般均为智能建造和智能维护，但智能建造和智能维护也可以直接服务于普通非智能化的道路设施。

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围绕主动感知、自动辨析、自主适应、动态交互等展开。道路依靠智能材料或传感器件来主动感知状态、性能、环境和行为；在感知的基础上，道路可对信息进行自动校验、集成、管理、分析、诊断和评估等处理；依托感知的信息和辨析的结果，道路能够适应温度、湿度、交通等的变化，主动调控，并可对损伤完成自我修复；同时，道路能在感知和辨析的基础上，与外部动态交互；为了实现这些能力，离不开持续不间断的能量供应。因此，智能道路的智能能力，如表2所示。

智能道路的信息组织

在智能道路中实现对信息的组织是智能能力达成的核心。在智能道路的信息组织中需要构建与车联网（V2X,Vehicle to Everything）同等的路联网（R2X，Road to Everything）系统，并融合形成VR2X系统，以支撑未来的智慧道路交通运输系统，如图2所示。

根据产生和使用的时效性，智能道路感知的信息可以分为动态信息、准动态信息、准静态信息和静态信息，如图3所示。动态信息主要为与运行安全紧密关联的行为信息，需要实时为智能汽车提供服务，如汽车的位置、轮迹、速度等信息；准动态信息，主要为道路正在变化的状态信息，如下雨时的水膜厚度、交通事故、结冰情况、侧风情况等；准静态主要为一些变化比较缓慢的道路信息，比如道路损坏状况、道路施工区信息、交通管制信息等；静态信息主要为道路设施的物理特性，如道路的线形、坐标、车道数、路面类型、结构、材料等。不同的信息类型，需要采用不同的通信方式（DSRC、5G、IoT、Wi-Fi、光纤、电缆等）实现各个交通要素之间的信息交互。

智能道路的信息组织需要有一个底层的数字平台和可视化的平台，包括地理信息系统和动态地图，都是信息组织不可或缺的组成部分。同济大学教授陈雨人为智能道路提出了四元素交通运输信息模型TIM4（Transportation Information Model 4）的概念，如图3所示。智能道路的信息通过TIM4中的驾驶员信息模型（TDIM，Transportation Driver Information Model）、车辆信息模型（TVIM，Transportation Vehicle Information Model）、设施信息模型（TBIM，Transportation Building Information Model）和环境信息模型（TEIM，Transportation Environmental Information Model）予以有效组织。

图2 VR2X 的概念示意

图3 交通运输信息模型TIM4 概念（模型创作者：陈雨人）

智能道路的驱动模式

为了实现道路的智能化，赋予其相关的智能能力，需要有不同的技术和方式予以驱动。目前一些道路的智能化主要以在既有道路设施上加装或埋入相关的传感器来实现。更加合理的智能道路，应该具有智能道路的基因，即特定的结构、材料和设计，再加上各类智能技术的强化。

由于道路自身的物理和服务特征，会对智能化技术提出特殊的需求。智能道路的重点在为智能网联汽车、人员和相关的管理运行部门提供信息和决策支撑服务，这需要全面掌握道路上的所有信息。为此，道路的智能化需要实现对道路设施的空间全覆盖，并且，尽可能满足不同的功能需求，如健康监测、道路交通安全、出行运输服务等。然而，对带状的公路而言，其长度长、空间跨度大，单条公路的里程可以从几十公里到几千公里，智能能力全覆盖的成本将成为巨大的挑战。对城市道路而言，虽然单条道路的长度并不长，但是路网的密度高，也存在同样的技术和成本问题。所以，在智能道路的技术发展中，需要重点探索全覆盖、低成本、低功耗、多功能的智能道路驱动模式。具体来说，可包括以下几方面的技术驱动：

智能材料驱动，指用于修筑路面的设施的材料本身具有一定的智能度，如智能骨料、自愈合材料、性状记忆材料、导电材料等；

压电技术驱动，压电材料由于具有电和力/变形之间的双向转换能力，可以在智能道路中设计成不同的器件实现不同的功能，包括能量收集、变形监测、振动监测、载重监测等。建于压电器件的多功能性，使其成为可能的智能道路驱动模式之一；

分布式光纤驱动，分布式光纤在过去的几年中得到了快速发展，被用于变形、振动、湿度、温度等的监测。分布式光纤可以用来监测道路的设施健康、交通流特性和环境信息，因此也具有多功能的特点。同时，分布式光纤本身的价格比较经济，具备在智能道路中大规模应用的可能性；

单点传感器驱动，当智能道路的规模不大时，如交叉口、弯道、收费口等，也可以采用传统的单点或断面应变传感器、位移传感器、温度和湿度传感器、称重传感器等予以驱动。传统单点传感器的精度一般较高，也可以和分布式光纤等配合使用，构建混合体系；

其他技术驱动，智能道路的技术发展才刚起步，需要广大科技工作者不断开发、探索适用道路特征的智能驱动技术，如声子晶体、智能膜传感器、智能涂层、智能道钉等。

智能道路的预期实施路径

智能道路涉及一个复杂的交叉技术体系，包括交通、土木、电子、信息、能源、人工智能等。智能道路的发展，预计是一个循序渐进的过程，需要较长的时间稳步推进。对智能道路的技术体系，期望其内涵和架构在国际上形成统一的认识，但在具体实施时，每一个国家或地区可以有自己特色的路径，而且可以动态调整。

智能道路的发展趋势

智能道路的发展趋势，大致可以概括为从功能化到超级道路的逐步发展，如图4所示。

设施功能化是指为了满足特定需求而开发的，可以实现特定功能（或单一智能能力）的道路基础设施。例如，高寒地区的自融雪公路、由透水沥青材料建造的排水和低噪音路面、光伏路面等。虽然功能化道路并不具备完整的智能能力，也不是真正意义上的智能道路，但是总体上而言，从现在到未来很长的一段时间内，功能化仍然是道路技术发展的重点之一。

在功能化发展的同时，以智能化为导向的概念、框架、路径等将逐步明晰，主动感知、自动辨析、自主适应、动态交互等智能化的技术得到逐步发展，单个或多个智能道路技术得到研究和应用。由多智能能力协同运行以完成复杂任务的第一代智能道路将会慢慢出现。例如，具备主动感知能力，并能够通过感知数据自动预测路用性能，并生成项目级养护方案的智能道路。

随着自动驾驶电动汽车的逐步投入使用，结合智能能力的综合应用，超级专用车道将成为智能道路发展的优良载体和发展模式。在超级专用车道上，智能道路可以全方位的支持并实现第五级无人驾驶，包括超视距范围感知、全局路线优化、风险预警、在途充电等。

在超级专用车道的基础上，在未来专门为智能网联汽车和自动驾驶汽车服务的超级道路或公路将得到研究和应用。功能化、智能化、专用车道和超级道路的发展，具有一定的递进性，也具有较强的同步性。

智能道路的技术路径

从智能道路的具体技术而言，可以分成几个不同的部分有序推进。近期需要重点发展智能道路的感知技术，包括既有监检测技术的提升改进和新型感知技术、传感器和装备的研发；融合相关技术进一步研究智能道路的驱动模式；充分利用现有能够掌握的监检测数据，构建各类智能道路的应用场景，发挥智能化的作用；分析考虑自动驾驶汽车的行为特征，以构建适应智能道路需求的路面结构；再面向自动驾驶汽车的位置导引、信息交互、即时服务、能量供应等发展。

图4 智能道路的发展趋势

智能道路的产业路径

从产业链而言，在目前阶段需要由政府、高校和企业来共同开展战略性研究，提出智能道路的中国方案。在此基础上，同步开展既有成果的总结提升、新的科学技术和产品研发、现场试验与示范平台建设，并有序推广应用具有不同功能和智能度的智能道路技术。在此过程中，有必要构建从企业到行业，甚至到国际的协同创新平台或联盟。

几点讨论

本文对智能道路中的定义、内涵、驱动模式和发展途径等展开了一些探索性的思考，提出的相关技术和结论仍然比较初步，后续需要大量的研究和实践工作予以细化和佐证。对其中涉及的几个问题进行进一步的说明：

关于“智能”与“智慧”

在交通运输领域中智能和智慧都有使用，也有一些不同的解释和界定。本文无意对两者做仔细区分，在当前的发展状态下，便于与智能汽车协同，采用智能道路予以定义。

关于“五维趋零”系统

交通运输系统是一个多目标的系统，从服务的角度来讲安全、效率、成本、舒适度等是重要的衡量指标。然而，基础设施的性能、寿命、养护维修工作等又影响着服务的品质。同时，交通运输系统的发展必须服务社会可持续发展要求，环保、生态、韧性等贯穿于整个交通运输系统的各个部分和全寿命阶段。因此，有许多因素都有“趋零”趋势，本文从中提取了相对比较重要，涉及汽车、设施和运行的5个方面予以描述。