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道路工程學科前沿進展與道路交通系統的代際轉換
2019年08月21日    閱讀量:4930    新聞來源: 中國公路學報  |  投稿

當前,新一輪科技革命正在蓬勃發展,深刻影響并改變著各個行業,傳統的道路交通也不例外。本文試圖以新的視角總結梳理傳統道路學科的發展現狀和國際前沿,重在捕捉當前的研究熱點,以及繪制學科發展地貌,思考道路工程從汽車發展的促進因素成為制約因素面臨的挑戰和任務。在此基礎上,從道路加物質、資源、環境、能源、安全和光能等角度,描繪了適應新要求的未來道路應具備的典型特征,進而提出了道路工程基礎設施的代際劃分方法瀝青網sinoasphalt.com。針對新一代道路,梳理了超級道路的創新至零、工業化生產、免干擾維護、路-車協同、智慧運營和韌性管理等核心內涵,并就類人系統、能源場景、微生態化和速度不限等可能外延進行了預測。

00

引言

自古以來,科技創新就以一種不可逆轉、不可抗拒的力量推動著人類社會向前發展。16世紀以來,世界發生了多次科技革命,每一次都深刻影響了世界力量格局。從某種意義上說,科技實力和創新能力決定著世界經濟力量對比的變化,也決定著各個國家、各個民族的前途和命運。當前,新一輪世界科技革命和產業變革正在興起,它具有極大的沖擊力,正在對人類社會帶來難以估量的作用和影響,與此同時,它可能引發未來世界經濟政治格局深刻調整,重塑國家競爭力在全球的位置,顛覆現有諸多產業的形態、分工和組織方式,實現多領域融通,從而重構人們的生活、學習和思維方式,乃至改變人與世界的關系。這其中既蘊含著重大機遇,但也存在巨大的不確定性,未知遠大于已知,會帶來多方面挑戰。

具體到各個領域,科學技術從微觀到宏觀各個尺度向縱深演進,物質科學不斷向宏觀、微觀和極端條件拓展。生命科學走向精確化、可再造和可調控。移動互聯、云計算、智能終端快速發展,大數據將呈指數級增長,催生大量新型服務與應用。分布式、智能化、低碳化的新能源技術正在改變經濟社會發展的動力結構,可再生能源、非常規油氣技術大規模應用,第四代核能技術有望取得重大突破。以機器人、增材制造等為代表的先進制造技術推動制造業向智能化、網絡化、服務化方向演進,碳纖維、納米材料等新型材料的廣泛應用將極大降低產品制造成本,提升產品質量。

科學和技術的發展正在催生一批新的業態,只要哪個行業、場景、環節等有痛點,與人民的美好生活期望有差距,革新就可能在哪里發生。當前,作為人類活動基本需求的出行領域,也成為這種革新的熱點領域。。共享單車、滴滴等的涌現,在移動互聯網時代下引領了用戶的現代化出行,也在某種程度上改變了人們的生活方式。

人類自從為了生存或社交,有了出行的需求,實際上樸素的道路即已產生。近年來,在中國制造2025、互聯網+等的推動下,汽車工業迎來了快速發展的新時代。而道路作為直接服務汽車的載體,隨著自動駕駛、智能網聯、新能源等汽車領域的技術日新月異,部分量產車也已在我們身邊常態運行,與道路相關的一些規模性的測試也在世界各地漸次展開。然而,受限于交通的安全、擁堵、污染等問題,載運工具、基礎設施的供給不足,以及交通模式的不完善,當前的研究甚至無法準確判斷共享單車的騎行在現有路面上是否有足夠的安全保障。傳統道路工程系統的性能、壽命問題還未徹底解決,新的挑戰應運而生。新的技術、新的模式正在改變道路交通行業,一大批高科技、硬科技、黑科技正在顛覆我們對已有樸素出行的認知。

當前國民經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段,交通行業也正在推進品質工程建設,一場交通產業結構轉型升級、道路交通系統升級換代、公眾出行生態重新構建的變革已經萌發。本文試圖從已有復雜的技術發展中梳理道路交通系統的脈絡和框架,洞悉交通科學技術發展的趨勢和方向,描繪出行領域基礎設施發展的趨勢和未來。

01

道路工程學科前沿

長期以來,瀝青路面結構設計以彈性層狀理論體系為基礎,屬于連續介質理論范疇;瀝青路面材料設計側重考察組成材料的整體表現,以宏觀性能評價為主要指標;這在計算分析手段和材料認識視野有限的情況下,是一種較為理想的工程模型。但隨著對路面復雜性認識的深入,原有的連續介質體系在闡釋瀝青路面材料的損傷破壞機理、實現結構和材料的協同設計時,顯得尤為局限。事實上,瀝青路面材料組成中顆粒狀的集料按質量比計算占90%以上,體積比占85%以上,而瀝青路面車轍病害主要是集料顆粒流動變形形成,路面裂縫病害主要是由集料顆粒間的微損傷發展而來,路面水損壞病害主要源于瀝青在集料顆粒表面的剝落,因此瀝青路面材料是典型的顆粒物質體系,其服役性能與顆粒材料的形態、特性、級配和顆粒間界面等細觀參數密切相關。同時隨著X射線CT等微細觀探測手段的成熟,以及離散元(DEM)和分子動力學(MD)等數值模擬方法的出現,使得從多個尺度認識瀝青路面材料并進行精細化設計成為可能。下圖為使用MD軟件得到的四組分瀝青分子模型(圖1)與其支鏈端點-芳環質心-支鏈端點角度標記圖(圖2)。同時,瀝青路面材料的顆粒性又有其獨特性:顆粒粒徑尺度范圍達到5個數量級以上、顆粒呈硬球特性、顆粒間因粘結有具有溫度敏感性的瀝青材料而使得顆粒瀝青路面材料的行為更加復雜。基于顆粒物質的研究范式,革新瀝青路面材料物質屬性與服役行為的認知,有望成為道路工程領域下一輪理論突破的新動能。

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圖1 四組分瀝青分子模型

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圖2 瀝青質分子支鏈端點-芳環質心-支鏈端點角度標記圖

關于尺度問題,自然界和工程中的許多宏觀現象,均起源于微觀和細觀機制,材料的特性與響應也并非僅僅是宏觀上的不可分割量,其體現于從原子到微觀再到細觀直至宏觀的不同尺度視域中。將多尺度研究理念引入路面混合料的研究中,可突破傳統宏觀單一尺度的認知思路和研究方法在材料機理解釋及路用性能提升中的技術瓶頸,在宏觀、細觀、微觀和分子尺度上,分尺度逐級揭示瀝青混合料的內稟特性,跨尺度將宏觀、細觀、微觀乃至分子尺度的分析相結合,從定性與定量雙層次實現不同尺度上物理變量與幾何參數的有機關聯,為路面混合料優化設計提供多尺度控制依據。近年來,國內外道路研究人員也逐漸認識到精細尺度分析對于路用混合料性能研究的重要性。根據特征尺寸和研究側重點的不同,道路工程中混合料研究存在四個尺度視域:宏觀尺度、細觀尺度、微觀尺度與分子尺度,圖3為瀝青混合料多尺度示意圖。目前,路用混合料多尺度研究的主要難點包括混合料結構原理在跨尺度協同分析中的方法、混合料界面特性在精細尺度中的多學科交融以及混合料理化行為的多尺度感知等難題。為此,將顆粒和尺度的概念引入瀝青路面研究之中,形成顆粒路面材料的基礎理論,并聚焦其中的理論框架和物理機制,將會是該領域探索的主流方向。

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另一個研究熱點就是材料基因組。依賴于科學直覺與試錯的傳統材料的研究方法已然成為社會發展與技術進步的瓶頸,革新材料研發方法、加速材料從研究到應用的進程成為世界各國共同的需求。材料基因組目的就是通過整合材料計算、高通量實驗和數據庫,全面提高先進材料從發現到應用的速度,降低成本。基于基因組學理念和方法,挖掘顆粒材料所特有的幾何、物理、化學、表面等基因組信息,尋求這些基因信息與巖石形成歷史、加工工藝等遺傳因素的關系,從根本上研究這些基因信息如集料和瀝青的結構及其相互作用與道路鋪面路用性能之間的關系,從而實現瀝青混合料的數字化設計和按需設計。圖4為材料基因組三要素之間的協同關系。

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圖4  材料基因組三要素之間的協同關系

高速公路瀝青路面設計使用年限15年,但從道路使用狀況來看,大多數的路面難以達到預期使用年限,并且與沿線橋梁、隧道結構物較長的設計年限嚴重不協調。這種整體性的破壞是否存在系統性的設計偏差?當前,瀝青路面全壽命中的“設計-建設-運營-養護”相互割裂、“材料設計與結構設計”雙軌運行、“宏觀-細觀-微觀”相互脫節,是否有可行的方法,系統地解決這些問題?若要從根本上認識和理解瀝青路面,需要更新理念、革新方法,從理論上重構有關的模型。設計、施工、使用、維護本就是不可分割的有機整體,在微細觀基礎上認清材料的物理特性后,將瀝青路面建設期與運營期全壽命統一考慮,明確路面結構的全壽命服役性能演化行為便成為可能,進而可深入分析瀝青路面的材料與結構的耦合行為。在材料性能演化研究中考慮結構服役環境要求,在結構性能預測研究中考慮材料宏微觀因素,解決多尺度體系中跨尺度關聯效應及尺寸效應,從而實現雙軌并軌。同時,針對瀝青路面結構性能的演化、評價、預估和控制開展研究,發展適合瀝青路面損傷、開裂及破壞全過程模擬的計算新理論,從而探明初始損傷、施工缺陷和材料劣化條件下結構長期性能演變規律以及與環境相互耦合作用機制。在此基礎上,分析瀝青路面結構介入修復時機及基于性能退化的結構自適應修復理論,最終建立不同時空環境下瀝青路面全壽命最優維護理論,實現瀝青路面結構服役狀態的可知、可控。同時,在服役行為控制中引入風險管理的理念和理論,將使解決問題的方式更加科學化。事實上,全壽命是認識、理解和優化路面性能的一個全新角度,目標是長壽命。

在養護領域,信息、材料、無人機、物聯網等技術日新月異,為公路養護跨越式發展提供了可能。公路養護的發展愿景是長期的、全天候的、自動化的路況信息數據采集,快速的、少干擾的、低污染的、高效的養護作業。

環境問題是當今社會關注的焦點和研究的熱點。在道路交通領域,與人的日常生活密切相關的城市道路和運營空間相對封閉的公路隧道的環境問題比較突出。在城市生態道路領域,“洪水、噪聲、熱島、尾氣”是城市發展中面臨的四類主要環境問題,被稱為現代城市病,嚴重影響城市宜居水平。近年來,研究人員通過梳理論證城市道路基礎設施與沿線微環境之間的關系,發展了面向微環境的調控理論和關鍵材料。未來宜從被動適應向主動調控轉變,主動調控和營造路面微環境。我國高速公路路面多為瀝青路面,但是在與其相連的隧道內由于瀝青路面施工及運營過程中的潛在污染,一般多采用水泥混凝土路面,不僅破壞了路面的連續性,而且由于隧道進出口段水泥路面抗滑性能衰減較快存在安全隱患。為拓展長大隧道瀝青路面鋪裝,隧道內的污染問題逐漸引起廣泛關注。隧道是閉塞空間,只有進出口和有限通風設施與外界相通,污染物不能很快擴散,所以隧道內空氣污染物會逐漸積累。面對這種局面,影響瀝青路面在隧道中應用的三個關鍵問題逐漸清晰:施工階段瀝青煙氣排放、運營期間汽車尾氣集聚和突發火災時路面受熱煙氣排放問題。因此長大隧道路面的環境調控須采用分階段治理的方法,研發相應的新型高效材料。

汽車尾氣降解主要采用光催化技術,具有能耗低、操作簡便、反應條件溫和、可減少二次污染、可連續工作等優點,日益受到人們的重視。光催化凈化是指污染物在光照下,通過催化劑實現分解,催化劑的光催化活性和固定方式是這項新技術能否實用化的兩個決定性因素。目前用于光催化凈化環境污染物的催化劑多為 N 型半導體,如 TiO2、ZnO、CdS、SnO2 和 Fe2O3 等,其中 TiO2 因廉價無毒、穩定等優點倍受青睞,在凈化環境污染物方面應用最廣,理論研究也較成熟。目前在實驗室封閉條件下,TiO2對NOx敏感性最高,降解率可達50%左右,但對COx和HC化合物效果不理想,通過金屬離子負載、氣凝膠等多孔材料負載和Pt等多元復合,催化性能和光敏范圍有了很大改善,但仍有很大的提升空間。

城市基礎設施管理被國際著名學者認為是未來最具挑戰的科技創新領域之一。城市基礎設施點多面廣、敏感脆弱、類別繁多、系統復雜,受到全球氣候變化、城市人口井噴、資源能源短缺、承載能力受限的嚴重挑戰,承載著城市交通、通訊、供水、排污、電力、能源等生命線,與城市居民的日常生活、安全、環境、健康等密切相關,是城市生存、發展的工程性和社會性基礎設施。城市基礎設施的發展趨勢之一是綠色化或生態化,意指由城市中可以發揮調節空氣質量、水質、微氣候以及管理能量資源等功能的自然及人工系統和元素,發揮類似于自然過程與功能的作用。狹義講,綠色生態基礎設施中最為常見的內容包括林地、開放空間、草地與公園以及河流廊道等,廣義講包括城市一切人工構造物,包括道路、建筑等,通過模仿自然系統,可以形成所有具有滲水性地表和能夠支持植物生長的土壤場地。當前,城市基礎設施仍存在總量不足、標準不高、運行管理粗放等問題,這些問題不僅中國存在,世界各國城市也如此,是全球面臨的共同挑戰。新的時期,急需應用前瞻性、系統性、戰略性的眼光審視和破解這些城市基礎設施(尤其交通基礎設施)面臨的挑戰,應用現代大數據、云計算、新材料等技術改造和提升這些設施的適應能力。

研究道路與環境的關系,材料的循環利用是另一個重點。除了道路材料本身通過冷或熱再生外,固體廢棄物在道路中的高效、高摻量資源化利用也應被重視,如廢舊輪胎、廢舊塑料和建筑垃圾等城市礦產,未來目標是零廢棄、零污染、零干擾和零排放。

數字化浪潮使傳統行業面臨新的發展機遇。傳統的瀝青混合料設計方法有望通過與微觀力學結合研究,深入探索瀝青混合料設計與瀝青路面路用性能之間的關系實現數字化、可視化和定量化。基于數字圖像技術的瀝青混合料設計體系研究,可以為基于性能的瀝青混合料設計提供基礎。此外,通過傳感手段監測路面結構內部動態力學反應,可以進一步完善復雜環境下感知、通信、控制的脈絡結構,精準把握道路的服役狀態、安全狀態,并響應自適應決策、自我修復和主動實時預警,是另一種急需研究落地的數字化,道路數據采集架構如圖5所示。在狹義的傳感器監控方面的技術難題包括,針對路面結構特定的服役環境,研究溫濕度、加速度、裂縫開展度、變形、應力應變等物理量指標的狀態感知方式,研究不同狀態感知技術與顆粒材料的匹配、協調關系,發展動態、復雜條件、極端環境下的感知技術,實現感知結構性能參數空間在感知系統上的有效映射及魯棒控制,圖6為道路狀態智慧感知系統通信結構。依托BIM技術的推進,以及數字化基礎上的智慧化,可在高速公路的某些節點率先突破。

道路工程學科前沿進展與道路交通系統的代際轉換 瀝青網,sinoasphalt.com生物仿生是研究方法論體系中的常青樹。眾所周知,裂縫是瀝青路面的典型病害類型之一。裂縫的成因復雜,形態各異,端面異化,危害嚴重。如何防治和修復裂縫,尤其在裂紋萌生初期能夠早發現早修復,是現階段研究的難點。傳統瀝青路面裂縫的修復,由于受熱、力等環境因素的影響,不可避免地會再次產生裂紋等形式的損傷,修復效果有限。同時對于材料內部的損傷,傳統常規的修復技術已經不能滿足修復要求。為了解決這一難題,學者們從自然界吸取靈感,師法自然,自修復的概念隨之而出,希望自修復材料能夠像生物體一樣,在受到創傷后能夠迅速恢復自身的功能并具有一定的強度,從而使材料滿足更苛刻的使用條件、更高的安全性,更長的使用壽命和更少的后期維護的要求。發展“源于自然,超越自然”的路面仿生自修復材料,成了近年來的研究熱點。有關瀝青材料的自修復性能的研究表明,瀝青中裂縫的愈合程度主要受瀝青材料自身的流變性質、外界環境溫度和間歇時間的限制。目前,研究瀝青混凝土路面自修復的技術也主要是通過提高瀝青的自修復能力實現裂縫的愈合。

02

未來道路的典型特征

Monismith在總結1962年之前道路工程學科發展歷程的基礎上,提出了“四大發明”:彈性層狀體系理論、貝克曼梁、疲勞損傷概念、AASHTO試驗環道,并從路面力學分析、道路材料表征、M-E路面設計方法、加速路面測試、無損探傷和罩面設計、施工管理等6個方面回顧了1962到2012年半個世紀道路工程學科的進展。至今,傳統道路學科作為一門科學的雛形已經浮現,但其中仍有眾多的基本科學問題等待突破。與此同時,科技發展已經為諸多行業帶來顛覆性變革,科技創新的“紅利”理應惠及道路工程學科的發展,并順勢成為未來道路學科“新發明”的孕育點。

當前,“新”成為一個行業變革的開端,如新零售。道路交通系統的新,體現在理念上、體現在概念設計上、體現在流程再造上。新一代道路(或新道路),不再是一個單一的道路結構與材料的創新和變革,而是復雜道路交通系統理念、概念、理論、技術的巨大顛覆。受困于能源、環境、資源的制約,道路交通面臨巨大的挑戰。同時,自動駕駛時代、人工智能時代和新能源汽車時代帶給傳統行業的沖擊,也孕育著千載難逢的發展機遇。


2.1  道路+物質


自然世界是由物質組成的,物質科學是認識自然世界的基本手段。物質科學,是一切自然科學的基礎,致力于研究自然界物質的微觀結構、運動及其相互作用的一般規律。道路工程發展到今天,要從根本上解決所面臨的問題,必須進行源頭創新,運用物理、化學等物質科學的研究手段,才有可能走出目前研究中的自體循環,實現突破。其中顆粒作為物質來認識,是瀝青路面認識的重要回歸,多尺度和多物理場則是兩種重要的觀測角度,圖7展示了瀝青混合料相圖。顆粒路面材料是一種多孔缺陷體,基于連續介質假設下的傳統理論并不能解釋這種效應。建立一種能準確表征顆粒材料與尺度相關的力學、熱學、聲學、電磁學等宏觀性能的新理論體系以及如何在該理論框架下定量、可靠、系統地分析材料宏觀性能與微結構之間的依賴關系是當前的前沿科學問題。

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圖7 瀝青混合料相圖

2.2  道路+資源


筑路用的所有材料,包括瀝青、集料、水泥等,都是自然界的資源稟賦,都是有限資源。事實上,現在一些優質資源,如玄武巖等,跨省采掘和長距離運輸已不鮮見。應該樹立所有物質“皆為資源,皆可循環”的理念,集約、節約使用,多次循環使用。同時,應在固體廢棄物中尋找、發現骨料和結合料的替代材料,廢棄物的另一種解讀則是放錯了地方的資源,汽車廢舊輪胎、白色生活和生產塑料、廢棄土木建筑材料、工業尾礦和粉煤灰等副產品、農業副產品和廢棄物,以及日常生活中的廢棄物,不僅要大量直接加以利用,還要高效利用、無害利用和循環利用,必要時做改性、復配和工藝處理。在這些應用過程中,應首先建立道路材料的基因組數據庫和選用標準,面向不同區域、不同環境、不同等級、不同結構分類應用,物盡其用。城市廢棄物,有望成為城市礦山。

2.3  道路+環境


環境問題是當今社會關注的焦點和研究的熱點。未來汽車作為一種生活場景,宜居環境是所有用戶、全時需要的剛性需求。道路基礎設施的生態化,則可能成為城鎮化、鄉村振興等戰略中的核心要素,未來可能是一個規模巨大的產業鏈條。聲環境、大氣環境、光環境、熱環境等均需要再設計,如圖8反映了道路綜合運營環境。生態化的內涵包括營造良好的道路微環境和微生態,道路在微環境中要從被動適應向主動調控轉型。近年來,在此領域的努力取得了一定效果,各個地方海綿城市的建設也在梯度推進,但是離目標、要求還有很大的距離。

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圖8 道路綜合運營環境

2.4  道路+能源


能源結構向綠色低碳轉型,特別是向高比例的可再生能源發展,是中國能源革命的核心。能源轉型不僅可以改善環境質量、應對氣候變化,也可以培育新的動能、新的增長點,實現經濟社會可持續發展。從技術創新來看,清潔能源、綠色能源、能源互聯網、分布式能源將成為未來的發展方向,將會有很大的發展空間。因此,除了從汽車端發力之外,在道路端節能減排也大有可為。事實上,道路中蘊含著巨大的潛在能源。在路表,可利用光伏材料吸收轉化太陽能。汽車在道路上行駛時產生的機械能,也可轉化為電能加以利用。圖9為壓電振子的不同支撐方式。從原理角度分析,道路中的溫差也可用來發電,地熱也可在道路中使用。能量除了用來融雪外,最可期待的是通過無線耦合技術實現與新能源汽車的連接,實現在路實時充電,這也是此領域最大的挑戰。

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圖9 壓電振子的不同支撐方式

2.5  道路+安全


安全是道路交通永恒的主題。安全是由人、車、路、環境等眾多因素共同決定的,過去的認識和努力集中在靜態、抗滑,已經不能滿足安全評價的要求。構建新型胎-路關系,對于影響道路輪胎接觸的MPD、道路剛度、表面水/冰狀態等精細描述,將接觸、摩擦、磨耗等統一,將安全和耐久統一,以構建主動安全、全時安全的道路交通系統。目前,在冬季冰雪條件下的主動安全,基于監控和材料領域的技術有了突破。在未來公路系統中,雨、霧、冰、風等天氣條件影響的安全將得以有效解決。過去認識體系中的“人-車-路系統”,在自動駕駛時代,“人”將缺失,成為名副其實的“車-路系統”,車-路的協同成為單一主題,與人駕駛行為有關的預防措施和設施將不再重要,比如夜間安全、駕駛疲勞等。

2.6  道路+光能


在傳統認識中,太陽光對道路的影響主要是負面的,長期輻射造成的老化,高溫導致道路的流動車轍變形,低溫和大溫差導致的路面開裂。但是,換一個角度,道路中若能對太陽光加以利用,會有不一樣的效果。在自修復光敏材料中,光能被作為激發源,促進修復發生和進階,圖10為在紫外光下的自修復機理示意圖;可利用光伏材料,解決太陽能能源利用問題;在解決汽車尾氣的凈化問題中,納米TiO2也需要太陽光來催化;可用相變蓄熱材料,將太陽能存儲利用,白天吸熱,晚上放熱,平衡白晝;同樣可用來平衡白晝的,還有發光材料,白天吸光,晚上放光路面呈現熒光,照亮道路;還有植物光合作用,有待開發。

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圖10  在紫外光下的自修復機理示意圖

03

道路基礎設施的代際劃分

 隨著人工智能時代、無人駕駛時代、新能源汽車時代的到來,有關下一代道路交通系統的思考和展望引起關注。同時ABCD(AI(人工智能)、Block chain(區塊鏈)、Cloud(云計算)、Data(大數據))的研究及應用,促使各個行業發生變革,包括傳統的道路交通系統。道路工程的代際轉換正在形成,新一代道路蓄勢待發。

第一代道路——早期道路:與服務對象(乘客和載運工具)相互推動,彼此成就,功能上僅僅是通行,尚無統一的理論基礎和設計方法。

第二代道路——等級道路和高速公路:基本上適應了對載運工具安全、快速、經濟、舒適的要求,在自主耐久方面有很大的提高,很大程度上推動了出行的便利性、舒適性。

第三代道路——超級公路,在功能上主動適應載運工具的變革和乘客的多樣化與更高的需求,在定位上屬于整個社會生活場景的有機組成而不是獨立存在、相互割裂。將能科學處理三個關系:輪胎-道路、汽車-道路、環境-道路,將能有效應對三大需求:道路+能源、道路+智慧、道路+未來,將能實現自我革新:材料資源化、生產工業化、運行彈性化。設計中加關注人,更加寬容,更有冗余和更加透明。

代際的轉換和升級,不僅在于生產方式的轉變、功能定位的逐漸豐富,以及能力、效率和安全水平的質的變化,更在于認識理念、學科知識、概念設計、基礎理論、技術體系的徹底更新。

04

超級公路的內涵與外延

作為正在孕育的新生事物,超級公路的內涵逐漸在豐富,現就其核心內涵和可能外延進行梳理和預測。

4.1  核心內涵


(1)創新至零

創新至零的本意是零污染、零排放、零廢棄和零干擾。零污染就是全壽命過程實現聲、光、熱等的絕對無破壞或影響。零排放就是建設、運營和養護過程中無有害氣體的釋放,全程減排。零廢棄就是固態材料的多次資源化循環,包括道路工程中的小循環利用和整個社會系統內的大循環利用。零干擾是指所有道路工程對自然環境,包括水循環、植被、動物、地貌無擾動,實現工程與自然的和諧。廣義的道路工程創新至零發展理念包括在環境、資源、安全、新能源、全壽命和車路協同領域的全面發力。

(2)工業化生產

工業化生產可實現資源集約化、環境友好化。近幾年,在養護領域,預制混凝土塊板和地毯式瀝青混凝土是這一方面的有益嘗試,但是還遠遠不足。未來可能所有的道路建設和養護均是工業化生產、裝配式應用、移動式拼裝,這樣即可質量可控、成本節約、快速高效。可能的技術路徑有三種:地毯式瀝青鋪裝,合并拌和、攤鋪和碾壓的列車,以及基于廢舊材料的可移動裝配式路面。但是所有的技術,最后都應該具有普適性。

(3)免干擾維護或免維護

永久性道路是道路設計的一種理想境界,有關的探索一直是近年來的研究熱點。自感知、自修復、自決策和自適應對策,構成了免維護的主線。近期可做到的是主體結構永久不需維護,近荷載區實現短時快速維護而不干擾交通運行。遠期可實現整體結構免大型維護,僅僅是功能上的恢復。在近荷載區的功能修復中,自決策和自適應對策方法能夠根據病害類型、程度和范圍,以及考慮對策的適應性,可自主進行決策,決定修復的最佳時機和相適應的最適宜的對策。

(4)路-車協同

車路協同是采用先進的無線通信和新一代互聯網等技術,全方位實施車車、車路動態實時信息交互,并在全時空動態交通信息采集與融合的基礎上開展車輛主動安全控制和道路協同管理,充分實現人車路的有效協同,保證交通安全,提高通行效率,從而形成的安全、高效和環保的道路交通系統。在本文,著重探討車路協同中路側的可行性,所以稱之為路-車協同。通過路側、車道、標志標線等,能夠主動為交通流的誘導、控制和組織提供全息、泛在的信息服務,成為自動駕駛、新能源汽車的推動者,而不是制約者。由于車路通信時滯、范圍和強度不再成為問題,即時通信成就泛在互聯互通。

(5)智慧運營

在智慧運營領域,除了上述免干擾維護或免維護、車路協同外,所有影響交通運行效率、安全、能力、速度的痛點,均是需要突破的地方。我國公路里程470萬公里,高速公路13萬公里。如此龐大復雜的巨系統,保障其管理、運行的順暢,需要采用高科技的手段,對道路狀態和交通運行進行智能感控與自主適應,開展資產管理、風險管理、健康管理,建立自感知和可視化的健康監控系統。尤其在特殊場景條件,如夜間、災害性天氣條件,智慧運行尤為重要。目前本領域的所有實踐,主要集中在施工這一場景,拌和、壓實中皆有探索,但主要目標在于質量控制。此外,也包括在運營過程中埋設光纖類傳感器,進行道路服役狀態的感知。智慧運營,離不開智慧材料,壓電骨料、生物修復等都將成為可能。

(6)韌性管理

道路作為敷設于自然界的帶狀構造物,跨越區域長,風險缺陷多。道路要保持通行能力,須具有很強的抗災能力,基本災害通行不受影響,大型災害能夠快速恢復通行,在雨、雪、霧等災害性天氣條件下,不受約束自由通行,在地震等重災害條件下,能夠快速恢復通行。在韌性運營過程中,大數據和云計算輔助了其中的底層技術條件,最近兩年人工智能和區塊鏈技術的突飛猛進,提供了更多的想象空間。其中,基于多源異構數據的融合,包括設計信息、施工信息、年度檢測信息和狀態監測信息,建立數字道路,是可行的第一步。這些信息若與交通荷載信息結構化,則可能提高全壽命服役性能預測模型的精確度,提高資產管理的能力;若與微觀結構損傷信息結構化,則可能提高再設計的可靠性,降低管理的風險;若與養護決策模型結構化,則可能在時機、對策和財政約束之間實現平衡。

4.2  可能外延


(1)類人系統

人體有九大系統,運動系統、消化系統、呼吸系統、泌尿系統、生殖系統、內分泌系統、免疫系統、神經系統和循環系統。與此相對應,道路若也有諸如類似功能的系統,如由傳感器編織的可實現自主感知的神經系統,由具有自修復能力的材料或介質形成的免疫系統,由海綿體材料形成的自主呼吸系統,由壓電、光電、熱電等技術形成的自主供能系統,道路將更加智慧。將道路構建為具有類人的功能系統后,將可實現在自呼吸、自感知、自修復、自供能,形成具有類人皮膚系統、神經系統和免疫系統的道路生命體。同時對復雜交通流(有人駕駛、無人駕駛)、有缺陷駕駛人等做到及時感知,實時應對。

(2)能源場景

大量的化石能源消費,造成大氣污染、土地荒漠化、地下水系破壞、氣候變暖、冰川消融、海平面上升等生態環境問題,人類賴以生存的地球家園面臨嚴重危機。如果發展中國家也重復發達國家走過的高能耗、高排放的工業化道路,至少還需要3個地球的煤炭、油氣等化石能源和環境空間,這顯然行不通。優化能源結構,實現清潔低碳發展,是推動能源革命的本質要求。如何推動可再生能源持續發展,如何構建清潔低碳的能源體系,道路交通作為環境污染的分擔者和能源的主要消耗者,責無旁貸。從道路交通系統的消費者轉換為道路是交通工具能源的提供者將成為有效措施。道路電能的使用,既可以通過無線耦合充電技術實現新能源汽車的邊行駛邊充電,也可以通過分布式系統接入現有電力網絡,為傳統能源清潔化做出貢獻,圖11勾勒了未來道路的自發電及動態無線充電模式。

道路工程學科前沿進展與道路交通系統的代際轉換 瀝青網,sinoasphalt.com

圖11  動態無線充電系統

(3)微生態化

我國的城市道路網絡已有龐大的網絡規模,成為復雜的巨系統,面臨嚴峻的管理、養護和抗災挑戰。急需提升基礎設施和道路網絡的低環境影響能力。未來,道路交通系統將可能從環境污染的分擔者,逐漸演化為微環境的主動改善者,道路基礎設施與周圍環境統籌協調,形成宜居的微生態。水系統、熱系統、聲系統、光系統,最終均成為微生態的友好系統。在超級道路體系中,道路通行功能弱化,而社會場景中其他功能的賦能逐漸增強,碳排放銳減,逐漸形成開放的生態系統,道路即為環境。

(4)速度不限

安全無小事,關于速度的問題,從來都有正反兩方面的意見。不考慮其他因素,單從道路來考慮,可以做到的技術創新包括:全線無黑點,智能提示,及時糾偏,發揮規模和網絡效應,全網絡無限速(如收費站、不利地形),全線運行速度與設計車速統一。隨著移動支付試行,高速不停車收費,分時、分車道、分段、分交通狀態的收費實現成為可能。當前的無人駕駛和車路協同技術,一定程度上提高了道路的運行速度,進而提高了道路的安全水平和通行效率。如果做到高速公路不限速,則涉及到技術科學和社會科學兩個領域的系統論證。

05

結語

本文的目的在于在學術上引發討論、思考,在技術上促進產業鏈條的延伸與整合,旨在促使我國在新的交通科技革命和工業革命中占領先機,豐富交通強國內涵,把握交通學術前沿,引領世界交通發展,推動交通強國建設。

新的時期,急需應用前瞻性、系統性、戰略性的眼光審視和破解道路基礎設施面臨的挑戰,尤其是城市交通基礎設施。超級公路的誕生,為解決這些問題提供了可能。超級公路的發展,是個點、線、面逐漸突破的過程,內力外力共同推動的過程。超級公路的誕生,再一次讓人們的吃穿住行的等基本需求得以升華,使得人類探索未知世界的能力再次增強。


標簽:技術中心
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