基于智能交通系統(tǒng)的路面材料及功能創(chuàng)新研究

寇小舟 王庭霞 張興軍 宋尚霖

（1甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730030；2蘭州市政集團(tuán)總公司，甘肅 蘭州 730030；3甘肅省高等級公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730050.）

基于智能交通系統(tǒng)的路面材料及功能創(chuàng)新研究

寇小舟1王庭霞2張興軍3宋尚霖3

（1甘肅省公路管理局，甘肅 蘭州 730030；2蘭州市政集團(tuán)總公司，甘肅 蘭州 730030；3甘肅省高等級公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730050.）

智能交通系統(tǒng)（ITS）的研究在道路與交通行業(yè)越來越受到各國的關(guān)注。為了解決道路交通相關(guān)問題，尋求道路建設(shè)與智能交通系統(tǒng)建設(shè)的最佳融合點(diǎn)，本文通過運(yùn)用多學(xué)科交叉與技術(shù)融合的研究方法，結(jié)合我國道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及交通運(yùn)輸管理與服務(wù)體系以及哲學(xué)思想，首先分析了智能交通系統(tǒng)的相關(guān)概念，并提出了ITS體系框架；其次，分析了我國現(xiàn)有功能路面及路面材料的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r，并進(jìn)行了對比分析；最后，面向我國智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展需求，強(qiáng)調(diào)了智能道路建設(shè)的重要性，并進(jìn)一步探討了新型路面材料及其材料、結(jié)構(gòu)、智能一體化的發(fā)展趨勢，提出了研究關(guān)鍵技術(shù)及其難點(diǎn)。

智能交通；體系框架；學(xué)科交叉融合；智能道路；功能創(chuàng)新

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，我國的交通系統(tǒng)及交通需求開始發(fā)生深刻的變革。為了解決交通安全、交通擁擠、環(huán)境污染，甚至結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)問題，我們在不斷加快道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時，必須加快城市智能交通系統(tǒng)的建設(shè)，及在基礎(chǔ)與應(yīng)用，傳統(tǒng)與現(xiàn)代，近期與遠(yuǎn)期，國內(nèi)與國外相結(jié)合協(xié)調(diào)發(fā)展模式下，進(jìn)行智慧基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。這樣才能從根本上加快我國道路現(xiàn)代化的建設(shè)步伐，從而更好的與國際智能道路系統(tǒng)接軌。

結(jié)合我國道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的現(xiàn)狀，在以創(chuàng)新性學(xué)科和交叉性學(xué)科發(fā)展基礎(chǔ)上，本文闡述了智能交通系統(tǒng)的相關(guān)概念，并提出了ITS體系框架。結(jié)合路面新型材料及材料功能創(chuàng)新，對路面材料及其功能進(jìn)行了分析，尋求基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和智能交通系統(tǒng)建設(shè)的最佳融合點(diǎn)，突出了材料、結(jié)構(gòu)、智能一體化建設(shè)的重要性，路面材料的發(fā)展是道路發(fā)展的核心，智能道路的建設(shè)尤為重要。最后從哲學(xué)層次進(jìn)行了分析總結(jié)。為我國智能型綜合交通體系的建設(shè)和道路現(xiàn)代化建設(shè)提供技術(shù)支撐和理論支撐。

1 智能交通系統(tǒng)（ITS）相關(guān)概念

1.1 ITS內(nèi)涵及發(fā)展現(xiàn)狀

ITS作為一個概念性名詞出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，但其思想早在20世紀(jì)30年代已有萌芽，在美國、歐洲和日本發(fā)展較快[1]。ITS將先進(jìn)的信息技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及人工智能技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于整個交通管理體系，在系統(tǒng)工程綜合集成思想的指導(dǎo)下，建立起來的一種在較大范圍內(nèi)發(fā)揮作用的，實時、準(zhǔn)確、高效的交通運(yùn)輸綜合管理與服務(wù)系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代以后,美國、歐洲、日本等國家在智能交通領(lǐng)域發(fā)展較快。目前世界上應(yīng)用最為廣泛的地區(qū)是日本，日本ITS的發(fā)展幾乎與歐洲同時起步，與美國、歐洲相比，其主要特點(diǎn)是：眾多政府部門參與、重視技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)和場地試驗,如今日本的智慧道路系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)完備和成熟；其次，歐洲ITS其主要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)國際合作和標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)調(diào)綜合運(yùn)輸系統(tǒng)智能化，綠色智能交通是其典型的代表；美國ITS起步相比比較晚，但發(fā)展迅猛，其特點(diǎn)主要是由國家統(tǒng)一規(guī)劃，投資力度大，智能駕駛戰(zhàn)略已經(jīng)取得了可喜的成果。如今，ITS的發(fā)展已不限于解決交通問題，在材料科學(xué)與信息技術(shù)方面也催生了好多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對社會的間接影響是不可估量的。

相對于發(fā)達(dá)國家，我國智能交通起步較晚，但面向國內(nèi)巨大的市場需求，智能交通系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展。2005 年，第一屆中國智能交通年會成功舉辦，2008年5月14日，中國智能交通協(xié)會在北京正式成立[2]。目前，中國的ITS產(chǎn)業(yè)也在以30%的年增長速率快速發(fā)展，交通物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其各種通用技術(shù)服務(wù)平臺也在慢慢普及。

1.2 ITS體系框架

智能交通系統(tǒng)作為融合通信、計算機(jī)、傳感等多種現(xiàn)代技術(shù)的智能化交通管理與服務(wù)手段，被認(rèn)為是解決日趨惡化的城市交通問題的有效途徑。為了更好的發(fā)揮ITS效能，最重要的任務(wù)是要重視ITS體系框架的設(shè)計。

智能交通系統(tǒng)，其實正是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要體現(xiàn)，并成為催生和帶動物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的主要動力，其組成主要承載于道路系統(tǒng)的感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]。智能交通系統(tǒng)的建立，其首先是建立在大量的調(diào)查和調(diào)研基礎(chǔ)之上的，在這里我們必須從社會、經(jīng)濟(jì)、政治以及哲學(xué)層面進(jìn)行深入的研究。其次，通過數(shù)據(jù)收集、二維碼、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及系統(tǒng)信息處理技術(shù)等建立感知層，再通過移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、其它專網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)融合技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)層，構(gòu)建信息采集站、信息數(shù)據(jù)庫、綜合系統(tǒng)運(yùn)行管理平臺等，最后將所有信息、技術(shù)在時間或空間上進(jìn)行融合，以獲得對應(yīng)用對象更合理性、準(zhǔn)確性的描述，即建立應(yīng)用層，通過手機(jī)終端、車載終端、電腦終端、廣播電臺等服務(wù)于用戶主體及相關(guān)設(shè)施、車輛。圖1所示為智能交通系統(tǒng)體系框架圖。

圖1 智能交通系統(tǒng)體系框架

資料表明，ITS利用高科技來管理交通，可將交通阻塞減少50%，交通事故率有望降低80%，使短途運(yùn)輸效率提高近70%，汽車油耗也可由此降低15%，如此大的效能，我們必須從源頭注重ITS體系框架的建設(shè)。著眼于未來，我們要加強(qiáng)系統(tǒng)創(chuàng)新，材料創(chuàng)新，功能創(chuàng)新。把智能道路建設(shè)放在首位，加強(qiáng)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，使得政府、企業(yè)、科研單位及高等院校共同參與，在跨行業(yè)、跨技術(shù)領(lǐng)域的條件下合理進(jìn)行角色定位和任務(wù)分擔(dān)，打造人、車、路三位一體協(xié)調(diào)發(fā)展模式。

2 路面材料發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 路面材料發(fā)展現(xiàn)狀及功能對比

材料是科學(xué)與工業(yè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，每一種材料的出現(xiàn)都會具有其特有的功能和社會物質(zhì)文明?；仡櫸覈访娌牧系陌l(fā)展，根據(jù)材料的不同可將道路劃分為土、石路面，水泥混凝土路面，瀝青路面和新型路面（功能性路面和環(huán)保性路面）[4]。各種路面特點(diǎn)如表1所示。

根據(jù)我國公路鋪裝情況來看，無鋪裝路面占32%，簡易鋪裝占11%，水泥混凝土鋪裝占38%，瀝青混凝土鋪裝占19%。因此水泥混凝土路面在我國相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍然扮演重要角色，阻礙了我國智能道路的發(fā)展。由此我們必須尋找新的材料取代，如建筑垃圾的使用，礦物摻和料代替水泥，或者研究開發(fā)新的復(fù)合智能材料，從基礎(chǔ)上加快我國智能道路系統(tǒng)的建設(shè)，使得材料和功能的創(chuàng)新為智能交通系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)揮重大的作用。

2.2 新型路面材料及功能創(chuàng)新

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 ，路網(wǎng)運(yùn)輸能力與需求矛盾日益尖銳，我們不能一味的擴(kuò)大路網(wǎng)規(guī)模來解決交通需求，而是要通過現(xiàn)有高新技術(shù)改善這種矛盾。如今，一些新型路面應(yīng)運(yùn)而生，比如環(huán)保型自融雪路面、自降解汽車尾氣路面、壓電式路面、磁性導(dǎo)向路面、辨識型的路面等等[5]。這些路面在路用性能提高的同時，部分也具有了智能化的功能，但其智能化程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了與智能交通系統(tǒng)進(jìn)行更好的搭接與融合，還存在巨大的差距。我們應(yīng)該尋找更好的融合點(diǎn)，將現(xiàn)有的材料進(jìn)行改進(jìn)或者利用多種材料進(jìn)行復(fù)合，或者開發(fā)研究新的路面智能材料，或者采用新的施工工藝，給道路路面加入智能組分，例如壓電材料、光導(dǎo)纖維、光伏發(fā)電等，這些無疑將會為我國道路智能化建設(shè)提供強(qiáng)大的支撐。

表1 不同路面性能對比表

由美國電力工程師布魯索夫婦發(fā)起的Solar Roadway項目，它是由相互咬合的鋼化玻璃面板鋪設(shè)，面板中嵌有光伏電池板，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，這些面板可以鋪設(shè)在道路或者大型停車場上，可以滿足企業(yè)及家庭等用電需求。2014年3月，在已完成的第二階段的試驗停車場上，已對該光伏路面進(jìn)行了荷載試驗，牽引力試驗和抗沖擊試驗，試驗結(jié)果大大超出預(yù)期。圖2是太陽能路面結(jié)構(gòu)圖，圖3是太陽能智能巷道設(shè)計圖。

圖2 太陽能路面結(jié)構(gòu)

圖3 太陽能巷道設(shè)計圖

該項目在路面光伏發(fā)電的同時，還集合了路面照明、融雪、雨水再分配等功能。人行橫道面板嵌入稱重傳感器，當(dāng)有人經(jīng)過時，面板開始自動識別，它會發(fā)出一個信號到埋設(shè)于路面的太陽能路燈小組，指示迎面而來的司機(jī)“減速”。在未來的計劃中，我們還可以考慮實現(xiàn)更多的功能與應(yīng)用，提供智能電網(wǎng)，給電纜一個安全的地方，公共事業(yè)部門將能夠輕松地訪問他們，通過功能模塊系統(tǒng)的開發(fā)與交通管理服務(wù)平臺實現(xiàn)對接，最后實現(xiàn)整個太陽能路面與智能交通系統(tǒng)的最佳融合。我們實現(xiàn)了太陽能巷道也將有助于過渡到電動車，并讓他們與陽光代替化石燃料充電，可以減少能源的消耗和環(huán)境的污染。因此，智能道路的建設(shè)尤為重要，我們?nèi)绾稳f(xié)調(diào)好各功能模塊與智能交通系統(tǒng)的搭接，如何實現(xiàn)路面材料和功能的創(chuàng)新，這些都是我們研究的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

2.3 材料、結(jié)構(gòu)、智能一體化

我們在“互聯(lián)網(wǎng)+交通”這個大背景下，更應(yīng)該注重路面材料的研發(fā)，最終實現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、智能一體化建設(shè)，促進(jìn)智能道路建設(shè)與智能交通系統(tǒng)的融合，加快我國道路的現(xiàn)代化建設(shè)。

路面材料的發(fā)展是路面發(fā)展的核心，著眼于未來，我們要加快智能道路的建設(shè)，在現(xiàn)有的道路交通基礎(chǔ)設(shè)施及先進(jìn)的傳感技術(shù)、計算機(jī)通訊技術(shù)基礎(chǔ)上，把智能材料結(jié)構(gòu)的思想運(yùn)用到傳統(tǒng)道路上[6]，及將傳感元件、驅(qū)動元件、以及信息處理控制系統(tǒng)集成于道路主體材料中，使道路路面不僅具有承受荷載傳遞的能力，又能具有檢測多種參數(shù)、分析、處理及控制等多種功能，從而建立交通道路綜合信息服務(wù)平臺，形成與智能交通系統(tǒng)的很好的對接。

當(dāng)然，我們不能滿足于簡單的材料開發(fā)，對于智能道路系統(tǒng)，我們更需要結(jié)合數(shù)據(jù)資源管理體系、交通組織與誘導(dǎo)體系、交通指揮管理體系、綜合運(yùn)輸體系等，通過各個體系的技術(shù)融合與協(xié)調(diào)，最大程度的發(fā)揮路面智能材料的優(yōu)勢。隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)、車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，我們可以考慮將無線充電技術(shù)嵌入到實際路面里,這樣電動汽車可以在行進(jìn)中充電，而不會再需要充電站，或者路面吸收陽光發(fā)電，或者把壓電材料嵌入道路，捕捉過往車輛的振動能，并將其轉(zhuǎn)換為可用的能源等等，通過這些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，我們結(jié)合ITS各種功能模塊，建立系統(tǒng)運(yùn)行管理平臺和信息服務(wù)平臺，使得各種功能和技術(shù)在時間和空間上得到很好的融合。

材料的創(chuàng)新會給整個行業(yè)帶來革命性的變革，施工工藝的改變也會給整個行業(yè)注入新的能量。如今，3D打印已經(jīng)得到了迅猛的發(fā)展，3D打印建筑已經(jīng)實現(xiàn)[7]。我們也可以借鑒此技術(shù)，研究和開發(fā)適合于3D打印的智能路面材料，這種材料融合了信息科學(xué)的內(nèi)容，把感知、尋優(yōu)和控制驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行融合滲透，使其路面材料、結(jié)構(gòu)、智能一體化，并且具有多種仿生功能，如基材模擬骨骼提供承載力，嵌入傳感網(wǎng)絡(luò)，模擬神經(jīng)系統(tǒng)提供感知、監(jiān)測等能力，這也將是我們研究的方向。如今，碳納米管的應(yīng)用，石墨烯的應(yīng)用，在3D打印方面都有嘗試，若我們可以把納米傳感器嵌入到路面材料中或者將含有響應(yīng)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電子等，這些若能實現(xiàn)，智能道路系統(tǒng)的發(fā)展將會更加明朗。

3 研究結(jié)論及思考

本文結(jié)合我國智能交通系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了ITS的概念，并提出了智能交通系統(tǒng)體系框架，以智能交通系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合我國現(xiàn)有路面材料發(fā)展?fàn)顩r，著重強(qiáng)調(diào)智能道路建設(shè)的重要性，提出了智能材料的發(fā)展對智能ITS系統(tǒng)的重要性。尋求智能道路建設(shè)和智能交通系統(tǒng)的最佳融合點(diǎn)，即實現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)、智能一體化發(fā)展，加快我國道路現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程，推進(jìn)我國智能道路與國外智能交通系統(tǒng)的接軌，結(jié)論及思考如下：

1）智能道路系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。我們在加快道路物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的同時，必須重視路面材料的開發(fā)與研究，路面材料的發(fā)展是路面發(fā)展的核心，智能材料應(yīng)用于路面具有戰(zhàn)略意義。通過材料、結(jié)構(gòu)、智能一體化建設(shè)，將數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、物聯(lián)網(wǎng)及云計算等運(yùn)用于我國道路與交通系統(tǒng)建設(shè)中，為我國智能交通體系提供強(qiáng)大技術(shù)支撐。

2）智能交通系統(tǒng)融合了信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、智能車輛技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)等，以實現(xiàn)交通運(yùn)輸服務(wù)和管理智能化為目的，最終解決交通安全、交通擁擠、環(huán)境污染等問題。由此我們必須要加強(qiáng)智能交通系統(tǒng)體系框架的研究，確定每個功能模塊以及模塊之間的協(xié)議和接口，通過各種模塊的技術(shù)融合與搭接，使得數(shù)據(jù)的采集、處理、融合、表達(dá)、分析等一體化，建立應(yīng)用服務(wù)平臺，發(fā)揮智能交通系統(tǒng)更大的效能。

3）智能交通系統(tǒng)涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，因此我們要以創(chuàng)新性學(xué)科和交叉性學(xué)科為基礎(chǔ)，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科技術(shù)的融合，通過舉辦年會或國際會議等有效活動來建立廣闊的交流平臺，實現(xiàn)重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的突破，并且加強(qiáng)國際合作，培養(yǎng)智能道路方面的復(fù)合型人才，為我國智能交通系統(tǒng)的建設(shè)儲備人才力量。

最后，我們也應(yīng)該從哲學(xué)的角度和層次去分析，透過技術(shù)工作層次而看到背后的哲學(xué)意義。傳統(tǒng)的交通體系是以管理者為主，管理者是主動的，而我們使用道路者處于被動地位，如今，智能交通系統(tǒng)更加注重人的能動性，在人的理性和價值取向發(fā)展基礎(chǔ)上，滿足人們不同的需求。由于事物總是不斷走向高級階段發(fā)展的，基于智能交通系統(tǒng)下的新型路面材料開發(fā)及功能創(chuàng)新研究，我們有理由在較高層次上進(jìn)行探索，我們的思維活動仍然是存在與意識、物質(zhì)的運(yùn)動和認(rèn)識的運(yùn)動這些層面，但我們滲透哲學(xué)意義，實現(xiàn)整個交通系統(tǒng)的智能化，雖然還是純物理系統(tǒng)的控制，但新材料、新功能及這個系統(tǒng)卻發(fā)生了質(zhì)的變化。我們也相信，我國在智能交通系統(tǒng)建設(shè)方面必將取得更大的進(jìn)步.

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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文獻(xiàn)辨識碼：B

1003-8965(2017)05-0023-03