智能道路“智”在何處

中國交通建設股份有限公司 劉伯瑩

同濟大學交通運輸工程學院 田雨

我國已經(jīng)提出了建設交通強國的國家戰(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設施，而且還在以較快的速度增長。我國的道路基礎設施從新建為主到建管并重，已經(jīng)步入了建、管、更新三者并駕齊驅的新時期。在新形勢下，如何結合未來的道路交通發(fā)展趨勢，探索適應未來道路新建和更新要求的技術體系，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，是國際交通運輸系統(tǒng)的發(fā)展重點。智慧道路交通運輸系統(tǒng)包括智能道路、智能汽車和智能運控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、模式等相關問題進行探討。

智能道路的發(fā)展需求

道路交通運輸系統(tǒng)的愿景

道路是道路交通運輸系統(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)質的服務。因此，未來道路設施的發(fā)展應該與未來道路交通運輸系統(tǒng)的發(fā)展相適應，既需要適應道路交通運輸系統(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輸系統(tǒng)其他技術的進步。雖然交通科技和運行模式的發(fā)展往往超出人類的預知，使得無法準確預測未來二三十年道路交通運輸系統(tǒng)的變化，但是仍然可以透過道路交通運輸系統(tǒng)的本質和愿景，把握未來道路的基本方向。

道路交通運輸系統(tǒng)的本質，是為人和貨物的空間轉移提供安全、高效、經(jīng)濟、可靠的服務。同時，未來交通運輸系統(tǒng)能夠滿足生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展等的時代要求。與該本質相對應，未來道路交通運輸?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，期望道路交通運輸系統(tǒng)能夠在任何環(huán)境和時刻都能保障所服務對象的生命和財產(chǎn)安全；“零延誤”主要針對系統(tǒng)的效率，期望在道路交通運輸系統(tǒng)中能夠保持正常的運行速度；“零失效”主要針對系統(tǒng)的公平性，“零維修”主要針對設施，期望設施在設計使用期內(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；“零排放”主要針對汽車，能夠采用新能源或電力驅動，在運行中實現(xiàn)零尾氣排放。

為了逐步實現(xiàn)道路交通運輸系統(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要素及相互關系。

智能道路交通系統(tǒng)的趨勢

在面向“五維趨零”的發(fā)展進程中，道路交通運輸系統(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)被國際上認為是解決道路交通運輸問題的重要手段，是支撐未來智慧地球和智慧城市發(fā)展的重要技術手段。在過去近30年的發(fā)展中，智慧交通運輸系統(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；

運行模式的變化。共享的交通運輸運行模式，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)等技術快速發(fā)展，不斷融入道路交通運輸系統(tǒng)之中；

服務要求的變化。出行和物流的服務要求，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。

為了適應智慧道路交通運輸系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢，需要綜合考慮道路交通運輸系統(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設施的智能化，應該包括道路的所有組成部分，即路基、路面和附屬設施。因此，有必要構建智能道路的技術體系，以找到系統(tǒng)最優(yōu)的智慧道路交通運輸系統(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：

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

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；

提高智能交通運輸系統(tǒng)中信息感知和傳輸、定位和導引、預測與預警等的系統(tǒng)可靠度。

圖1 智能道路與交通運輸系統(tǒng)的關系

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)絡傳遞過來的各類信息，并根據(jù)信息作出反應，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、調節(jié)等自主適應能力；語言，包括各類交互方式，是生物體之間進行交流、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，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為感知網(wǎng)絡、云霧中心、結構材料、通信網(wǎng)絡和能源系統(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上，可將智能道路定義為：由特定的結構材料、感知網(wǎng)絡、云霧中心、通信網(wǎng)絡和能源系統(tǒng)組成，具有主動感知、自動辨析、自主適應和動態(tài)交互等智能能力，以服務智能網(wǎng)聯(lián)汽車和自動駕駛汽車為主要對象的道路設施。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險、提高道路性能、延長道路壽命、提升服務品質。

智能道路是智慧道路交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分，是交通運輸系統(tǒng)的設施部分，如圖1所示。因此，智能道路是智能化的道路設施，建議不包括交通的運行組織和管理控制。智能道路解決的是道路設施本身的智能化，與道路設施的智能建造和智能維護等共同組成智能道路工程，并需全面適應可持續(xù)發(fā)展的要求。智能建造更多關注于普通道路或智能道路的設計、建設和施工管理；智能維護更多是利用通過監(jiān)檢測獲得數(shù)據(jù)，采用人工智能等手段進行智能化維護決策。智能道路的建造和維護一般均為智能建造和智能維護，但智能建造和智能維護也可以直接服務于普通非智能化的道路設施。

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、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；在感知的基礎上，道路可對信息進行自動校驗、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果，道路能夠適應溫度、濕度、交通等的變化，主動調控，并可對損傷完成自我修復；同時，道路能在感知和辨析的基礎上，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。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成的核心。在智能道路的信息組織中需要構建與車聯(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、準動態(tài)信息、準靜態(tài)信息和靜態(tài)信息，如圖3所示。動態(tài)信息主要為與運行安全緊密關聯(lián)的行為信息，需要實時為智能汽車提供服務，如汽車的位置、輪跡、速度等信息；準動態(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、結冰情況、側風情況等；準靜態(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)信息主要為道路設施的物理特性，如道路的線形、坐標、車道數(shù)、路面類型、結構、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。同濟大學教授陳雨人為智能道路提出了四元素交通運輸信息模型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 交通運輸信息模型TIM4 概念（模型創(chuàng)作者：陳雨人）

智能道路的驅動模式

為了實現(xiàn)道路的智能化，賦予其相關的智能能力，需要有不同的技術和方式予以驅動。目前一些道路的智能化主要以在既有道路設施上加裝或埋入相關的傳感器來實現(xiàn)。更加合理的智能道路，應該具有智能道路的基因，即特定的結構、材料和設計，再加上各類智能技術的強化。

由于道路自身的物理和服務特征，會對智能化技術提出特殊的需求。智能道路的重點在為智能網(wǎng)聯(lián)汽車、人員和相關的管理運行部門提供信息和決策支撐服務，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、出行運輸服務等。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，也存在同樣的技術和成本問題。所以，在智能道路的技術發(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動模式。具體來說，可包括以下幾方面的技術驅動：

智能材料驅動，指用于修筑路面的設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、導電材料等；

壓電技術驅動，壓電材料由于具有電和力/變形之間的雙向轉換能力，可以在智能道路中設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動模式之一；

分布式光纖驅動，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，具備在智能道路中大規(guī)模應用的可能性；

單點傳感器驅動，當智能道路的規(guī)模不大時，如交叉口、彎道、收費口等，也可以采用傳統(tǒng)的單點或斷面應變傳感器、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，構建混合體系；

其他技術驅動，智能道路的技術發(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動技術，如聲子晶體、智能膜傳感器、智能涂層、智能道釘?shù)取?/p>

智能道路的預期實施路徑

智能道路涉及一個復雜的交叉技術體系，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，預計是一個循序漸進的過程，需要較長的時間穩(wěn)步推進。對智能道路的技術體系，期望其內(nèi)涵和架構在國際上形成統(tǒng)一的認識，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）的道路基礎設施。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發(fā)展的重點之一。

在功能化發(fā)展的同時，以智能化為導向的概念、框架、路徑等將逐步明晰，主動感知、自動辨析、自主適應、動態(tài)交互等智能化的技術得到逐步發(fā)展，單個或多個智能道路技術得到研究和應用。由多智能能力協(xié)同運行以完成復雜任務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)自動預測路用性能，并生成項目級養(yǎng)護方案的智能道路。

隨著自動駕駛電動汽車的逐步投入使用，結合智能能力的綜合應用，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、風險預警、在途充電等。

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

智能道路的技術路徑

從智能道路的具體技術而言，可以分成幾個不同的部分有序推進。近期需要重點發(fā)展智能道路的感知技術，包括既有監(jiān)檢測技術的提升改進和新型感知技術、傳感器和裝備的研發(fā)；融合相關技術進一步研究智能道路的驅動模式；充分利用現(xiàn)有能夠掌握的監(jiān)檢測數(shù)據(jù)，構建各類智能道路的應用場景，發(fā)揮智能化的作用；分析考慮自動駕駛汽車的行為特征，以構建適應智能道路需求的路面結構；再面向自動駕駛汽車的位置導引、信息交互、即時服務、能量供應等發(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。在此基礎上，同步開展既有成果的總結提升、新的科學技術和產(chǎn)品研發(fā)、現(xiàn)場試驗與示范平臺建設，并有序推廣應用具有不同功能和智能度的智能道路技術。在此過程中，有必要構建從企業(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，提出的相關技術和結論仍然比較初步，后續(xù)需要大量的研究和實踐工作予以細化和佐證。對其中涉及的幾個問題進行進一步的說明：

關于“智能”與“智慧”

在交通運輸領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區(qū)分，在當前的發(fā)展狀態(tài)下，便于與智能汽車協(xié)同，采用智能道路予以定義。

關于“五維趨零”系統(tǒng)

交通運輸系統(tǒng)是一個多目標的系統(tǒng)，從服務的角度來講安全、效率、成本、舒適度等是重要的衡量指標。然而，基礎設施的性能、壽命、養(yǎng)護維修工作等又影響著服務的品質。同時，交通運輸系統(tǒng)的發(fā)展必須服務社會可持續(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、設施和運行的5個方面予以描述。

關于邊界和外延

如何來界定智能道路的邊界和外延，是智能道路技術體系構建的前提。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、更新等）、智能道路交通運輸系統(tǒng)（智能道路、智能汽車和智能運控）加以區(qū)別，將智能道路的重點放在設施本身的范疇。