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  • 智能道路中几个问题的探讨

    2018-11-19 10:55:53 来源:《中国公路》 评论:
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    中国已经提出了建设交通强国国家战略,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。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,也是国际上共同面临的挑战。

    1、智能道路的发展需求

     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。

     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内容。面向未来,道路交通运输系统呈现出了一些新的发展趋势,主要表现在:

    (1)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。

    (2)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。

    (3)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。

    (4)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。

     越来越多的交通参与人员已经意识到道路的智能化不仅仅是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。智能道路的发展需求,主要可以分成以下几个方面:

    (1)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。

    (2)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。

    (3)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。

    (4)为智能汽车、运控和服务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。

    (5)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。

    2、智能道路的内涵

    为了合理定义智能道路的概念,拟借鉴智慧生物体的感官、神经、大脑、语言、心脏等基本特征和要素。智能道路要具备智能能力,形成智能行为,需要与智慧生物类似的5大基本要素,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。

    在基本要素的基础上,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。

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    图1 智能道路与交通运输系统的关系

    3、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辆网(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,示意如图2。

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    图2 VR2X的概念示意

    智能道路感知的信息根据产生和使用的时效性可以分为动态信息、准动态信息、准静态信息和静态信息,示意如图3。同时,智能道路的信息组织需要有一个底层的数字及可视化平台。同济大学陈雨人教授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。 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)、环境信息模型(TEIM,Transportation Environmental Information Model)予以有效组织。

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    图3 交通运输信息模型TIM4概念(概念创建人:陈雨人 教授)

    4、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。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,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,具体可包括以下几方面的驱动技术:

    (1)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、导电材料等等。

    (2)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。

    (3)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。

    (4)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。

    (5)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。

    5、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能形成统一的认识,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大致可以概括为从功能化到超级道路的逐步发展,示意如图4。

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    图4 智能道路的发展趋势

    从产业链而言,在目前阶段需要由政府、高校和企业来共同进行战略性研究,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。

    6、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讨论和说明:

    (1)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。

    (2)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、设施和运行的五个方面予以描述。

    (3)关于边界和外延。如何来界定智能道路的边界和外延,是智能道路技术体系构建的前提。在本论文中,尝试着把智能道路、智能道路工程(包括智能规划、建造、管理、维护、更新等)、智能道路交通运输系统(智能道路、智能汽车和智能运控)加以区别,将智能道路的重点放在设施本身的范畴。

    来源:《中国公路》

    作者:赵鸿铎,同济大学交通运输工程学院副院长、中国交通研究院副院长;

                刘伯莹,中国交通建设股份有限公司科技部总经理;

                田   雨,同济大学交通运输工程学院助理教授。


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