一種適應(yīng)無人駕駛汽車的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張默晗 張沈莘

【摘 要】文章分析了無人駕駛汽車對于道路結(jié)構(gòu)的功能要求，進(jìn)而引申到對道路結(jié)構(gòu)的要求。在此基礎(chǔ)上，提出一種可滿足無人駕駛汽車功能的快速拼裝、可修復(fù)的路面結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，并對相關(guān)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行解釋。

【關(guān)鍵詞】無人駕駛;道路結(jié)構(gòu);模塊化;快速拼裝

【中圖分類號】U41 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0065-03

0 引言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展給傳統(tǒng)的汽車工業(yè)帶來了革命性的變化，無人駕駛汽車的概念也是越來越熱，越來越多的企業(yè)開始涉足這塊領(lǐng)域，將尖端的IT技術(shù)運(yùn)用到汽車領(lǐng)域中，希望為消費(fèi)者駕車出行帶來更多美好的體驗(yàn)[1]。

無人駕駛汽車是一種智能汽車，也可以稱之為輪式移動(dòng)機(jī)器人，主要依靠車內(nèi)以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀實(shí)現(xiàn)無人駕駛，它是利用車載傳感器感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，實(shí)現(xiàn)車輛的自主安全駕駛，安全高效地到達(dá)目的地并達(dá)到完全消除交通事故的目標(biāo)。美國NHTSA（美國國家公路交通安全管理局）分5級定義汽車的自動(dòng)化等級[2]。0級：由駕駛員駕駛;1級：具備1種以上自動(dòng)化控制功能（如自適應(yīng)巡航和車道保持系統(tǒng)ACC等）;2級：以汽車為主體執(zhí)行多種操作功能;3級：當(dāng)以汽車為主體的駕駛行不通時(shí)可指示駕駛員切換為手動(dòng)駕駛;4級：完全可以無人駕駛。

麥肯錫咨詢公司預(yù)測，到2025年，無人駕駛汽車可以產(chǎn)生2 000億～1.9萬億美元的產(chǎn)值;市場研究公司IHS預(yù)測，到2035年，4級完全無人駕駛車每年銷量可達(dá)480萬輛?？梢哉f，無人駕駛汽車必定會(huì)成為未來道路的重要參與者。

道路交通是一種情況復(fù)雜的交通模式，包含人、車、路、環(huán)境多項(xiàng)相互作用的關(guān)系，而且隨著每項(xiàng)關(guān)系的變化及各項(xiàng)關(guān)系變化的組合，這種相互作用關(guān)系也更為復(fù)雜。因此，要實(shí)現(xiàn)無人汽車駕駛，需涉及環(huán)境感知、模式識別、導(dǎo)航定位、智能決策控制、交通流控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多技術(shù)。道路行駛環(huán)境復(fù)雜，而傳統(tǒng)的道路環(huán)境可能已經(jīng)無法滿足無人駕駛的需求。例如：在積雪、暴雨等特殊天氣下，無人駕駛汽車經(jīng)常會(huì)面臨無法“看清”道路標(biāo)志及其他線索等，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)安全行駛。因此，要實(shí)現(xiàn)無人駕駛，道路設(shè)施、結(jié)構(gòu)、材料等都需要改進(jìn)。

1 無人駕駛汽車對道路結(jié)構(gòu)的要求

為了滿足無人駕駛汽車的安全、高效行駛，未來的道路結(jié)構(gòu)必須具有一定的功能，而功能的實(shí)現(xiàn)也對應(yīng)著結(jié)構(gòu)的確定。本文總結(jié)了幾點(diǎn)未來道路要滿足無人駕駛汽車的功能要求。

（1）無人駕駛汽車涉及車輛與車輛、車輛與道路、車輛與其他交通參與者的信息交互，以保障無人駕駛汽車的安全行駛，提高出行效率。這涉及信息的采集及信息的及時(shí)傳遞。例如，道路面層可以埋設(shè)傳感器，檢測過往交通的流、密、速參數(shù)，將相關(guān)信息傳送給中央控制器，處理得到路網(wǎng)交通狀況，再引導(dǎo)無人駕駛汽車選擇、優(yōu)化路徑。此外，無人駕駛汽車在行駛的過程中需要檢測前方車輛、行人等信息，而這些信息可以通過在道路上的傳感器獲取，并及時(shí)反饋給無人駕駛車輛，進(jìn)而保障行車安全。要進(jìn)行交通流信息、車輛行人信息的檢測，必不可少地會(huì)涉及檢測信息的傳感器，可以將這些傳感器埋入道路結(jié)構(gòu)中。

（2）道路交通是一種復(fù)雜的交通行為，不僅在于其參與者的靈活多變，更在于道路環(huán)境的多變，而環(huán)境的變化很可能會(huì)給車輛行駛帶來影響。例如，大雪天氣下，路面的積雪不僅會(huì)影響路面抗滑性能，威脅交通安全;也可能會(huì)阻擋交通標(biāo)志標(biāo)線，而這很可能會(huì)導(dǎo)致無人駕駛汽車不能正常行使。因此，一種可以提高道路自適應(yīng)能力，降低對車輛行駛干擾的路面結(jié)構(gòu)對于無人駕駛汽車尤為重要。因此，與智能的無人駕駛汽車相匹配的是一種信息化、自調(diào)節(jié)的道路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以保障無人駕駛汽車的行車安全，提高人們的出行效率。要實(shí)現(xiàn)道路結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)，道路結(jié)構(gòu)不僅需要感知目前的環(huán)境狀況，還需要對當(dāng)前的環(huán)境狀況進(jìn)行調(diào)整，因此需要在道路結(jié)構(gòu)中埋置相應(yīng)的感知傳感器及調(diào)整設(shè)備。

（3）道路可對自身的狀況進(jìn)行檢測。道路在實(shí)際的使用過程中，可以對自身的狀況進(jìn)行監(jiān)測，如板底脫空、裂縫開展等狀況，并將這些信息及時(shí)傳遞給道路的養(yǎng)護(hù)部門，提早做好相關(guān)的預(yù)防、養(yǎng)護(hù)工作，因此會(huì)涉及相關(guān)的傳感器埋置。

（4）道路能量收集。道路交通用地所占空間巨大，可以接受大面積的太陽輻射，因此可以考慮在道路上設(shè)置光能轉(zhuǎn)化裝置。此外，道路上巨大的交通流在流動(dòng)的過程中，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能損耗，可以考慮在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)埋置相應(yīng)的能量傳感器，將這部分能量轉(zhuǎn)化為電能回收，因此也會(huì)涉及能量轉(zhuǎn)化裝置的埋置。

要實(shí)現(xiàn)道路的信息化、自檢測、自調(diào)節(jié)及能量收集工作，需要在道路結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)響應(yīng)的傳感器等設(shè)備。通過以往的工程經(jīng)驗(yàn)可知，在道路施工現(xiàn)場安裝傳感器等設(shè)備，不僅會(huì)增加施工時(shí)間，而且現(xiàn)場的意外因素很難控制，如天氣、施工人員素質(zhì)等，這些因素會(huì)影響傳感器的埋設(shè)質(zhì)量，進(jìn)而影響到功能的實(shí)現(xiàn)。如果將這種路面結(jié)構(gòu)在工廠預(yù)制好，在預(yù)制的過程中將傳感器埋入，不僅可以保證傳感器的埋設(shè)質(zhì)量，還可以避免施工現(xiàn)場出現(xiàn)不可控因素，縮短施工時(shí)間，提升施工質(zhì)量。

此外，未來的道路結(jié)構(gòu)是一種耐久、經(jīng)濟(jì)的土木結(jié)構(gòu)，不僅可以快速施工，還可以快速維修，因此未來的道路結(jié)構(gòu)很可能是一種模塊化、可拼裝的道路結(jié)構(gòu)。鋪面結(jié)構(gòu)是一種多層體系的土工結(jié)構(gòu)物，不同層次的結(jié)構(gòu)所處環(huán)境、所受應(yīng)力都不同。因此，未來的道路結(jié)構(gòu)應(yīng)該依舊是一種多層次的結(jié)構(gòu)物，包含土基、基層、面層。其中，土基、基層是長壽命結(jié)構(gòu)，使用壽命可長達(dá)100年甚至永久不破壞;道路的損壞都將集中在面層，而面層為可鋪裝化結(jié)構(gòu)，方便維修、拆裝，且施工受天氣、環(huán)境的影響小。面層結(jié)構(gòu)不僅可以快速安裝、維修，內(nèi)部還可以安裝一些傳感設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)道路的信息化、自檢測、自調(diào)節(jié)及能量收集功能。

本文將從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，結(jié)合無人駕駛條件下人、車、路、環(huán)境的相互關(guān)系等信息，對未來適應(yīng)無人駕駛的一種道路結(jié)構(gòu)提出設(shè)想。

2 未來道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

圖1、圖2所示道路結(jié)構(gòu)屬于多層層狀體系，主要包括表面可鋪裝的功能層、可拼裝基層、支撐樁基及土基。在土基上沿道路線布設(shè)支撐樁基網(wǎng)絡(luò)，將可拼裝的基層板安裝到樁基的支撐端頭上，保證板四角底部與樁基充分接觸，并且板底還有土體支撐。基層板為配筋的水泥混凝土板，內(nèi)部可以埋設(shè)響應(yīng)的傳感器及為實(shí)現(xiàn)某功能的響應(yīng)器。面層為一層較薄的柔性功能面層，在基層板安裝并且整平后，將這種表面功能層鋪裝在基層板上，并且保證面層與基層有充分的黏結(jié)?？芍苯釉诿鎸庸δ軐又新裰盟挥?jì)、溫度計(jì)等路表測試傳感器，此外它還具有大孔隙、吸收噪音的功能。

這種道路結(jié)構(gòu)涉及的功能面層、拼裝基層及支撐樁基均為工廠預(yù)制。在新建這種道路結(jié)構(gòu)時(shí)，將工廠預(yù)制的樁基、基層板、面層卷材運(yùn)至工地附近。首先需要對土基進(jìn)行壓實(shí)處理，壓實(shí)后，使用靜壓的方式將支撐樁基壓入土基中，控制樁基之間的標(biāo)高，形成樁基網(wǎng)絡(luò)。然后在樁基端頭設(shè)置接觸支座，使用吊車將預(yù)制好的水泥混凝土基層板吊至樁基上，安裝好后統(tǒng)一調(diào)整基層面板的位置標(biāo)高。確定基層板的表面是否平整后，再在基層表面鋪設(shè)功能面層卷材。鋪設(shè)好后，進(jìn)行層間加熱處理及壓實(shí)處理，保證層間的良好黏結(jié)。前期的土基及樁基安裝好后，接下來的水泥混凝土板及面層卷材可以實(shí)現(xiàn)快速安裝，縮短施工時(shí)間，提高施工質(zhì)量。

在進(jìn)行維修處理時(shí)，要確定維修范圍。如果只是面層出現(xiàn)損壞，則將相應(yīng)區(qū)域的功能面層清除，重新鋪設(shè)一層功能面層卷材。如果是水泥混凝土板基層出現(xiàn)破壞，則將面層功能層清除后，使用吊車再使用吊車將水泥混凝土板掉出，將新預(yù)制好的水泥混凝土板放入原位，并且板周圍的接縫間距都要符合設(shè)計(jì)間距。在預(yù)制新板過程中，可以先采集要更換的板的信息，如進(jìn)行三維掃描及超聲波掃描，了解板的相關(guān)信息后再對新板進(jìn)行預(yù)制。將新板放入后，再在新板上鋪設(shè)面層卷材。在施工的過程中可以只封閉相關(guān)區(qū)域，其他區(qū)域可以正常行駛車輛，且相對于現(xiàn)場攤鋪，換板所需時(shí)間將大大縮短，對公路交通特別是干路交通具有重要意義。

3 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)描述

3.1 板底支撐及板間接縫

這種新型的道路結(jié)構(gòu)將采用支座式的板底支撐，即在每塊板板角下設(shè)置支座，路面板的受力類似于橋梁結(jié)構(gòu)，因此與之對應(yīng)的路面板需要進(jìn)行加筋加強(qiáng)，從而保證道路結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定，除此之外，板底結(jié)構(gòu)依舊有土體支撐保護(hù)。

在傳統(tǒng)的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)中，板底脫空是引發(fā)接縫破碎、角隅斷裂等路面結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。這種新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)采用的是板角支座支撐，只要保證每塊板的4個(gè)角都有有效支撐，就能避免板底脫空的出現(xiàn)，進(jìn)而減少路面的損壞，延長路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。在板中埋置傳力構(gòu)件，并與樁基上的支座相接，這樣可以約束水泥混凝土板的翹曲變形，抑制接縫因降溫收縮，進(jìn)而可以減少溫度對接縫的影響。在接縫處填充一種可壓縮的密封材料，防止面層下漏的水對下部進(jìn)行沖刷。此外，支座可以調(diào)整高度，在實(shí)際的施工過程中可以根據(jù)需要調(diào)整板體標(biāo)高（如圖3所示）。

3.2 面層與基層黏結(jié)

在設(shè)計(jì)中，面層材料為一種使用柔性高分子聚合物作為膠結(jié)料的混合料，表面具有較大的空隙，可以快速排水、吸收噪音。將面層卷材攤鋪在基層面板上，需要保證面層與基層之間的良好黏結(jié)能力，否則面層材料很容易與基層面板脫落，在車輛荷載的作用下將很快出現(xiàn)損壞。對此，在開發(fā)這種聚合物混合料面層的同時(shí)可以開發(fā)一種層間材料，這種材料具有較高的吸收微波的能力。在鋪設(shè)好卷材后，使用微波加熱面層，微波被該層間材料吸收后可以與基層面板更好地黏合在一起（如圖4所示）。

3.3 縱曲線超高及橫坡問題

道路線型是一種復(fù)雜的空間曲線，因此要滿足空間曲線，這種拼裝式結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，即橫坡及縱坡的設(shè)計(jì)?？梢詫⑺嗷炷涟灞砻孢M(jìn)行處理，使其上表面為空間曲面，在縱向上可以滿足總曲線的線型要求，而板底依舊與樁基支座充分接觸。為滿足線型要求，縱向上相鄰的兩根樁基端頭標(biāo)高不同，相鄰的兩塊板板底標(biāo)高也有所不同（如圖5所示）。

為滿足橫坡的要求，相關(guān)的設(shè)計(jì)思路與縱坡類似，即板頂表面也采用空間曲面的形式，相鄰兩塊板之間的縫隙能夠準(zhǔn)確連接（如圖6所示）。

由于道路線型復(fù)雜，因此這種道路結(jié)構(gòu)區(qū)段內(nèi)的每一塊水泥混凝土板都不盡相同?？梢圆扇IM技術(shù)對整體的新建板塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、模擬安裝，在實(shí)際預(yù)制板塊時(shí)可以控制側(cè)模，在澆筑過程中通過工人或機(jī)器控制板頂面形狀。

4 總結(jié)

互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展促進(jìn)了無人駕駛汽車的興起。要適應(yīng)無人駕駛汽車的行駛，道路結(jié)構(gòu)功能也要有相應(yīng)的改進(jìn)。本文對未來適應(yīng)無人駕駛汽車的道路進(jìn)行了功能分析，再引申至道路結(jié)構(gòu)，并構(gòu)想設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)無人駕駛的路面結(jié)構(gòu)。其中，面層、基層為可鋪裝結(jié)構(gòu)，路基樁基為長壽命結(jié)構(gòu)，施工過程中可將面層、基層依次快速拼裝且面層、基層結(jié)構(gòu)可以拆卸，從而實(shí)現(xiàn)快速施工、修復(fù)。在面層、基層結(jié)構(gòu)內(nèi)埋入相應(yīng)的傳感器、應(yīng)答器，可以服務(wù)于無人汽車的行駛。這種結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)路面水泥混凝土板的受力模式，可避免傳統(tǒng)的水泥混凝土板的接縫破壞。相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場攤鋪，這種可拼裝道路結(jié)構(gòu)在工廠預(yù)制，可以保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量;在現(xiàn)場施工時(shí)間短，維修對交通帶來的影響也會(huì)大大降低，有助于保障無人駕駛汽車的行駛安全，提高人們的出行效率。

本文提出的這種道路結(jié)構(gòu)只是一種初步構(gòu)想，具體實(shí)現(xiàn)還需要克服許多技術(shù)難題。相對于現(xiàn)場攤鋪的道路結(jié)構(gòu)，這種拼裝式的道路結(jié)構(gòu)也存在如下問題：對于坡度較大的縱向曲線如何設(shè)計(jì)？如何實(shí)現(xiàn)板表面的空間曲面？根據(jù)板體的受力如何對板進(jìn)行配筋？如何考量經(jīng)濟(jì)性問題？

這些問題不僅是針對該路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也針對所有預(yù)制板結(jié)構(gòu)。目前，預(yù)制的路面板施工已經(jīng)在國內(nèi)外都有相關(guān)的研究與項(xiàng)目，但由于線型復(fù)雜，大多應(yīng)用在機(jī)場道路，在公路上特別是曲線復(fù)雜的道路上應(yīng)用較少。裝配式的路面結(jié)構(gòu)不僅能應(yīng)用于新建的道路，對既有道路結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，因此這種路面施工方式必定會(huì)成為一種趨勢，相信隨著研究及工程應(yīng)用的深入，這些相關(guān)技術(shù)難題都將被克服。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳超，呂植勇，付姍姍，等.國內(nèi)外車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].交通信息與安全，2011（1）：102-105，109.

[2]楊帆.無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].上海汽車，2014（3）：35-40.