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道路工程学科前沿进展与道路交通系统的代际转换
2019年08月21日????阅读量:1522????新闻来源: 中国公路学报??|??投稿

当前,新一轮科技革命正在蓬勃发展,深刻影响并改变着各个行业,传统的道路交通也不例外。本文试图以新的视角总结梳理传统道路学科的发展现状和国际前沿,重在捕捉当前的研究热点,以及绘制学科发展地貌,思考道路工程从汽车发展的促进因素成为制约因素面临的挑战和任务。在此基础上,从道路加物质、资源、环境、能源、安全和光能等角度,描绘了适应新要求的未来道路应具备的典型特征,进而提出了道路工程基础设施的代际划分方法yabo狗亚体育下载网sinoasphalt.com。针对新一代道路,梳理了超级道路的创新至零、工业化生产、免干扰维护、路-车协同、智慧运营和韧性管理等核心内涵,并就类人系统、能源场景、微生态化和速度不限等可能外延进行了预测。

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引言

自古以来,科技创新就以一种不可逆转、不可抗拒的力量推动着人类社会向前发展。16世纪以来,世界发生了多次科技革命,每一次都深刻影响了世界力量格局。从某种意义上说,科技实力和创新能力决定着世界经济力量对比的变化,也决定着各个国家、各个民族的前途和命运。当前,新一轮世界科技革命和产业变革正在兴起,它具有极大的冲击力,正在对人类社会带来难以估量的作用和影响,与此同时,它可能引发未来世界经济政治格局深刻调整,重塑国家竞争力在全球的位置,颠覆现有诸多产业的形态、分工和组织方式,实现多领域融通,从而重构人们的生活、学习和思维方式,乃至改变人与世界的关系。这其中既蕴含着重大机遇,但也存在巨大的不确定性,未知远大于已知,会带来多方面挑战。

具体到各个领域,科学技术从微观到宏观各个尺度向纵深演进,物质科学不断向宏观、微观和极端条件拓展。生命科学走向精确化、可再造和可调控。移动互联、云计算、智能终端快速发展,大数据将呈指数级增长,催生大量新型服务与应用。分布式、智能化、低碳化的新能源技术正在改变经济社会发展的动力结构,可再生能源、非常规油气技术大规模应用,第四代核能技术有望取得重大突破。以机器人、增材制造等为代表的先进制造技术推动制造业向智能化、网络化、服务化方向演进,碳纤维、纳米材料等新型材料的广泛应用将极大降低产品制造成本,提升产品质量。

科学和技术的发展正在催生一批新的业态,只要哪个行业、场景、环节等有痛点,与人民的美好生活期望有差距,革新就可能在哪里发生。当前,作为人类活动基本需求的出行领域,也成为这种革新的热点领域。。共享单车、滴滴等的涌现,在移动互联网时代下引领了用户的现代化出行,也在某种程度上改变了人们的生活方式。

人类自从为了生存或社交,有了出行的需求,实际上朴素的道路即已产生。近年来,在中国制造2025、互联网+等的推动下,汽车工业迎来了快速发展的新时代。而道路作为直接服务汽车的载体,随着自动驾驶、智能网联、新能源等汽车领域的技术日新月异,部分量产车也已在我们身边常态运行,与道路相关的一些规模性的测试也在世界各地渐次展开。然而,受限于交通的安全、拥堵、污染等问题,载运工具、基础设施的供给不足,以及交通模式的不完善,当前的研究甚至无法准确判断共享单车的骑行在现有路面上是否有足够的安全保障。传统道路工程系统的性能、寿命问题还未彻底解决,新的挑战应运而生。新的技术、新的模式正在改变道路交通行业,一大批高科技、硬科技、黑科技正在颠覆我们对已有朴素出行的认知。

当前国民经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段,交通行业也正在推进品质工程建设,一场交通产业结构转型升级、道路交通系统升级换代、公众出行生态重新构建的变革已经萌发。本文试图从已有复杂的技术发展中梳理道路交通系统的脉络和框架,洞悉交通科学技术发展的趋势和方向,描绘出行领域基础设施发展的趋势和未来。

01

道路工程学科前沿

长期以来,yabo狗亚体育下载路面结构设计以弹性层状理论体系为基础,属于连续介质理论范畴;yabo狗亚体育下载路面材料设计侧重考察组成材料的整体表现,以宏观性能评价为主要指标;这在计算分析手段和材料认识视野有限的情况下,是一种较为理想的工程模型。但随着对路面复杂性认识的深入,原有的连续介质体系在阐释yabo狗亚体育下载路面材料的损伤破坏机理、实现结构和材料的协同设计时,显得尤为局限。事实上,yabo狗亚体育下载路面材料组成中颗粒状的集料按质量比计算占90%以上,体积比占85%以上,而yabo狗亚体育下载路面车辙病害主要是集料颗粒流动变形形成,路面裂缝病害主要是由集料颗粒间的微损伤发展而来,路面水损坏病害主要源于yabo狗亚体育下载在集料颗粒表面的剥落,因此yabo狗亚体育下载路面材料是典型的颗粒物质体系,其服役性能与颗粒材料的形态、特性、级配和颗粒间界面等细观参数密切相关。同时随着X射线CT等微细观探测手段的成熟,以及离散元(DEM)和分子动力学(MD)等数值模拟方法的出现,使得从多个尺度认识yabo狗亚体育下载路面材料并进行精细化设计成为可能。下图为使用MD软件得到的四组分yabo狗亚体育下载分子模型(图1)与其支链端点-芳环质心-支链端点角度标记图(图2)。同时,yabo狗亚体育下载路面材料的颗粒性又有其独特性:颗粒粒径尺度范围达到5个数量级以上、颗粒呈硬球特性、颗粒间因粘结有具有温度敏感性的yabo狗亚体育下载材料而使得颗粒yabo狗亚体育下载路面材料的行为更加复杂。基于颗粒物质的研究范式,革新yabo狗亚体育下载路面材料物质属性与服役行为的认知,有望成为道路工程领域下一轮理论突破的新动能。

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图1 四组分yabo狗亚体育下载分子模型

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图2 yabo狗亚体育下载质分子支链端点-芳环质心-支链端点角度标记图

关于尺度问题,自然界和工程中的许多宏观现象,均起源于微观和细观机制,材料的特性与响应也并非仅仅是宏观上的不可分割量,其体现于从原子到微观再到细观直至宏观的不同尺度视域中。将多尺度研究理念引入路面混合料的研究中,可突破传统宏观单一尺度的认知思路和研究方法在材料机理解释及路用性能提升中的技术瓶颈,在宏观、细观、微观和分子尺度上,分尺度逐级揭示yabo狗亚体育下载混合料的内禀特性,跨尺度将宏观、细观、微观乃至分子尺度的分析相结合,从定性与定量双层次实现不同尺度上物理变量与几何参数的有机关联,为路面混合料优化设计提供多尺度控制依据。近年来,国内外道路研究人员也逐渐认识到精细尺度分析对于路用混合料性能研究的重要性。根据特征尺寸和研究侧重点的不同,道路工程中混合料研究存在四个尺度视域:宏观尺度、细观尺度、微观尺度与分子尺度,图3为yabo狗亚体育下载混合料多尺度示意图。目前,路用混合料多尺度研究的主要难点包括混合料结构原理在跨尺度协同分析中的方法、混合料界面特性在精细尺度中的多学科交融以及混合料理化行为的多尺度感知等难题。为此,将颗粒和尺度的概念引入yabo狗亚体育下载路面研究之中,形成颗粒路面材料的基础理论,并聚焦其中的理论框架和物理机制,将会是该领域探索的主流方向。

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另一个研究热点就是材料基因组。依赖于科学直觉与试错的传统材料的研究方法已然成为社会发展与技术进步的瓶颈,革新材料研发方法、加速材料从研究到应用的进程成为世界各国共同的需求。材料基因组目的就是通过整合材料计算、高通量实验和数据库,全面提高先进材料从发现到应用的速度,降低成本。基于基因组学理念和方法,挖掘颗粒材料所特有的几何、物理、化学、表面等基因组信息,寻求这些基因信息与岩石形成历史、加工工艺等遗传因素的关系,从根本上研究这些基因信息如集料和yabo狗亚体育下载的结构及其相互作用与道路铺面路用性能之间的关系,从而实现yabo狗亚体育下载混合料的数字化设计和按需设计。图4为材料基因组三要素之间的协同关系。

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图4? 材料基因组三要素之间的协同关系

高速公路yabo狗亚体育下载路面设计使用年限15年,但从道路使用状况来看,大多数的路面难以达到预期使用年限,并且与沿线桥梁、隧道结构物较长的设计年限严重不协调。这种整体性的破坏是否存在系统性的设计偏差?当前,yabo狗亚体育下载路面全寿命中的“设计-建设-运营-养护”相互割裂、“材料设计与结构设计”双轨运行、“宏观-细观-微观”相互脱节,是否有可行的方法,系统地解决这些问题?若要从根本上认识和理解yabo狗亚体育下载路面,需要更新理念、革新方法,从理论上重构有关的模型。设计、施工、使用、维护本就是不可分割的有机整体,在微细观基础上认清材料的物理特性后,将yabo狗亚体育下载路面建设期与运营期全寿命统一考虑,明确路面结构的全寿命服役性能演化行为便成为可能,进而可深入分析yabo狗亚体育下载路面的材料与结构的耦合行为。在材料性能演化研究中考虑结构服役环境要求,在结构性能预测研究中考虑材料宏微观因素,解决多尺度体系中跨尺度关联效应及尺寸效应,从而实现双轨并轨。同时,针对yabo狗亚体育下载路面结构性能的演化、评价、预估和控制开展研究,发展适合yabo狗亚体育下载路面损伤、开裂及破坏全过程模拟的计算新理论,从而探明初始损伤、施工缺陷和材料劣化条件下结构长期性能演变规律以及与环境相互耦合作用机制。在此基础上,分析yabo狗亚体育下载路面结构介入修复时机及基于性能退化的结构自适应修复理论,最终建立不同时空环境下yabo狗亚体育下载路面全寿命最优维护理论,实现yabo狗亚体育下载路面结构服役状态的可知、可控。同时,在服役行为控制中引入风险管理的理念和理论,将使解决问题的方式更加科学化。事实上,全寿命是认识、理解和优化路面性能的一个全新角度,目标是长寿命。

在养护领域,信息、材料、无人机、物联网等技术日新月异,为公路养护跨越式发展提供了可能。公路养护的发展愿景是长期的、全天候的、自动化的路况信息数据采集,快速的、少干扰的、低污染的、高效的养护作业。

环境问题是当今社会关注的焦点和研究的热点。在道路交通领域,与人的日常生活密切相关的城市道路和运营空间相对封闭的公路隧道的环境问题比较突出。在城市生态道路领域,“洪水、噪声、热岛、尾气”是城市发展中面临的四类主要环境问题,被称为现代城市病,严重影响城市宜居水平。近年来,研究人员通过梳理论证城市道路基础设施与沿线微环境之间的关系,发展了面向微环境的调控理论和关键材料。未来宜从被动适应向主动调控转变,主动调控和营造路面微环境。我国高速公路路面多为yabo狗亚体育下载路面,但是在与其相连的隧道内由于yabo狗亚体育下载路面施工及运营过程中的潜在污染,一般多采用水泥混凝土路面,不仅破坏了路面的连续性,而且由于隧道进出口段水泥路面抗滑性能衰减较快存在安全隐患。为拓展长大隧道yabo狗亚体育下载路面铺装,隧道内的污染问题逐渐引起广泛关注。隧道是闭塞空间,只有进出口和有限通风设施与外界相通,污染物不能很快扩散,所以隧道内空气污染物会逐渐积累。面对这种局面,影响yabo狗亚体育下载路面在隧道中应用的三个关键问题逐渐清晰:施工阶段yabo狗亚体育下载烟气排放、运营期间汽车尾气集聚和突发火灾时路面受热烟气排放问题。因此长大隧道路面的环境调控须采用分阶段治理的方法,研发相应的新型高效材料。

汽车尾气降解主要采用光催化技术,具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染、可连续工作等优点,日益受到人们的重视。光催化净化是指污染物在光照下,通过催化剂实现分解,催化剂的光催化活性和固定方式是这项新技术能否实用化的两个决定性因素。目前用于光催化净化环境污染物的催化剂多为 N 型半导体,如 TiO2、ZnO、CdS、SnO2 和 Fe2O3 等,其中 TiO2 因廉价无毒、稳定等优点倍受青睐,在净化环境污染物方面应用最广,理论研究也较成熟。目前在实验室封闭条件下,TiO2对NOx敏感性最高,降解率可达50%左右,但对COx和HC化合物效果不理想,通过金属离子负载、气凝胶等多孔材料负载和Pt等多元复合,催化性能和光敏范围有了很大改善,但仍有很大的提升空间。

城市基础设施管理被国际着名学者认为是未来最具挑战的科技创新领域之一。城市基础设施点多面广、敏感脆弱、类别繁多、系统复杂,受到全球气候变化、城市人口井喷、资源能源短缺、承载能力受限的严重挑战,承载着城市交通、通讯、供水、排污、电力、能源等生命线,与城市居民的日常生活、安全、环境、健康等密切相关,是城市生存、发展的工程性和社会性基础设施。城市基础设施的发展趋势之一是绿色化或生态化,意指由城市中可以发挥调节空气质量、水质、微气候以及管理能量资源等功能的自然及人工系统和元素,发挥类似于自然过程与功能的作用。狭义讲,绿色生态基础设施中最为常见的内容包括林地、开放空间、草地与公园以及河流廊道等,广义讲包括城市一切人工构造物,包括道路、建筑等,通过模仿自然系统,可以形成所有具有渗水性地表和能够支持植物生长的土壤场地。当前,城市基础设施仍存在总量不足、标准不高、运行管理粗放等问题,这些问题不仅中国存在,世界各国城市也如此,是全球面临的共同挑战。新的时期,急需应用前瞻性、系统性、战略性的眼光审视和破解这些城市基础设施(尤其交通基础设施)面临的挑战,应用现代大数据、云计算、新材料等技术改造和提升这些设施的适应能力。

研究道路与环境的关系,材料的循环利用是另一个重点。除了道路材料本身通过冷或热再生外,固体废弃物在道路中的高效、高掺量资源化利用也应被重视,如废旧轮胎、废旧塑料和建筑垃圾等城市矿产,未来目标是零废弃、零污染、零干扰和零排放。

数字化浪潮使传统行业面临新的发展机遇。传统的yabo狗亚体育下载混合料设计方法有望通过与微观力学结合研究,深入探索yabo狗亚体育下载混合料设计与yabo狗亚体育下载路面路用性能之间的关系实现数字化、可视化和定量化。基于数字图像技术的yabo狗亚体育下载混合料设计体系研究,可以为基于性能的yabo狗亚体育下载混合料设计提供基础。此外,通过传感手段监测路面结构内部动态力学反应,可以进一步完善复杂环境下感知、通信、控制的脉络结构,精准把握道路的服役状态、安全状态,并响应自适应决策、自我修复和主动实时预警,是另一种急需研究落地的数字化,道路数据采集架构如图5所示。在狭义的传感器监控方面的技术难题包括,针对路面结构特定的服役环境,研究温湿度、加速度、裂缝开展度、变形、应力应变等物理量指标的状态感知方式,研究不同状态感知技术与颗粒材料的匹配、协调关系,发展动态、复杂条件、极端环境下的感知技术,实现感知结构性能参数空间在感知系统上的有效映射及鲁棒控制,图6为道路状态智慧感知系统通信结构。依托BIM技术的推进,以及数字化基础上的智慧化,可在高速公路的某些节点率先突破。

道路工程学科前沿进展与道路交通系统的代际转换 yabo狗亚体育下载网,sinoasphalt.com生物仿生是研究方法论体系中的常青树。众所周知,裂缝是yabo狗亚体育下载路面的典型病害类型之一。裂缝的成因复杂,形态各异,端面异化,危害严重。如何防治和修复裂缝,尤其在裂纹萌生初期能够早发现早修复,是现阶段研究的难点。传统yabo狗亚体育下载路面裂缝的修复,由于受热、力等环境因素的影响,不可避免地会再次产生裂纹等形式的损伤,修复效果有限。同时对于材料内部的损伤,传统常规的修复技术已经不能满足修复要求。为了解决这一难题,学者们从自然界吸取灵感,师法自然,自修复的概念随之而出,希望自修复材料能够像生物体一样,在受到创伤后能够迅速恢复自身的功能并具有一定的强度,从而使材料满足更苛刻的使用条件、更高的安全性,更长的使用寿命和更少的后期维护的要求。发展“源于自然,超越自然”的路面仿生自修复材料,成了近年来的研究热点。有关yabo狗亚体育下载材料的自修复性能的研究表明,yabo狗亚体育下载中裂缝的愈合程度主要受yabo狗亚体育下载材料自身的流变性质、外界环境温度和间歇时间的限制。目前,研究yabo狗亚体育下载混凝土路面自修复的技术也主要是通过提高yabo狗亚体育下载的自修复能力实现裂缝的愈合。

02

未来道路的典型特征

Monismith在总结1962年之前道路工程学科发展历程的基础上,提出了“四大发明”:弹性层状体系理论、贝克曼梁、疲劳损伤概念、AASHTO试验环道,并从路面力学分析、道路材料表征、M-E路面设计方法、加速路面测试、无损探伤和罩面设计、施工管理等6个方面回顾了1962到2012年半个世纪道路工程学科的进展。至今,传统道路学科作为一门科学的雏形已经浮现,但其中仍有众多的基本科学问题等待突破。与此同时,科技发展已经为诸多行业带来颠覆性变革,科技创新的“红利”理应惠及道路工程学科的发展,并顺势成为未来道路学科“新发明”的孕育点。

当前,“新”成为一个行业变革的开端,如新零售。道路交通系统的新,体现在理念上、体现在概念设计上、体现在流程再造上。新一代道路(或新道路),不再是一个单一的道路结构与材料的创新和变革,而是复杂道路交通系统理念、概念、理论、技术的巨大颠覆。受困于能源、环境、资源的制约,道路交通面临巨大的挑战。同时,自动驾驶时代、人工智能时代和新能源汽车时代带给传统行业的冲击,也孕育着千载难逢的发展机遇。


2.1? 道路+物质


自然世界是由物质组成的,物质科学是认识自然世界的基本手段。物质科学,是一切自然科学的基础,致力于研究自然界物质的微观结构、运动及其相互作用的一般规律。道路工程发展到今天,要从根本上解决所面临的问题,必须进行源头创新,运用物理、化学等物质科学的研究手段,才有可能走出目前研究中的自体循环,实现突破。其中颗粒作为物质来认识,是yabo狗亚体育下载路面认识的重要回归,多尺度和多物理场则是两种重要的观测角度,图7展示了yabo狗亚体育下载混合料相图。颗粒路面材料是一种多孔缺陷体,基于连续介质假设下的传统理论并不能解释这种效应。建立一种能准确表征颗粒材料与尺度相关的力学、热学、声学、电磁学等宏观性能的新理论体系以及如何在该理论框架下定量、可靠、系统地分析材料宏观性能与微结构之间的依赖关系是当前的前沿科学问题。

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图7 yabo狗亚体育下载混合料相图

2.2? 道路+资源


筑路用的所有材料,包括yabo狗亚体育下载、集料、水泥等,都是自然界的资源禀赋,都是有限资源。事实上,现在一些优质资源,如玄武岩等,跨省采掘和长距离运输已不鲜见。应该树立所有物质“皆为资源,皆可循环”的理念,集约、节约使用,多次循环使用。同时,应在固体废弃物中寻找、发现骨料和结合料的替代材料,废弃物的另一种解读则是放错了地方的资源,汽车废旧轮胎、白色生活和生产塑料、废弃土木建筑材料、工业尾矿和粉煤灰等副产品、农业副产品和废弃物,以及日常生活中的废弃物,不仅要大量直接加以利用,还要高效利用、无害利用和循环利用,必要时做改性、复配和工艺处理。在这些应用过程中,应首先建立道路材料的基因组数据库和选用标准,面向不同区域、不同环境、不同等级、不同结构分类应用,物尽其用。城市废弃物,有望成为城市矿山。

2.3? 道路+环境


环境问题是当今社会关注的焦点和研究的热点。未来汽车作为一种生活场景,宜居环境是所有用户、全时需要的刚性需求。道路基础设施的生态化,则可能成为城镇化、乡村振兴等战略中的核心要素,未来可能是一个规模巨大的产业链条。声环境、大气环境、光环境、热环境等均需要再设计,如图8反映了道路综合运营环境。生态化的内涵包括营造良好的道路微环境和微生态,道路在微环境中要从被动适应向主动调控转型。近年来,在此领域的努力取得了一定效果,各个地方海绵城市的建设也在梯度推进,但是离目标、要求还有很大的距离。

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图8 道路综合运营环境

2.4? 道路+能源


能源结构向绿色低碳转型,特别是向高比例的可再生能源发展,是中国能源革命的核心。能源转型不仅可以改善环境质量、应对气候变化,也可以培育新的动能、新的增长点,实现经济社会可持续发展。从技术创新来看,清洁能源、绿色能源、能源互联网、分布式能源将成为未来的发展方向,将会有很大的发展空间。因此,除了从汽车端发力之外,在道路端节能减排也大有可为。事实上,道路中蕴含着巨大的潜在能源。在路表,可利用光伏材料吸收转化太阳能。汽车在道路上行驶时产生的机械能,也可转化为电能加以利用。图9为压电振子的不同支撑方式。从原理角度分析,道路中的温差也可用来发电,地热也可在道路中使用。能量除了用来融雪外,最可期待的是通过无线耦合技术实现与新能源汽车的连接,实现在路实时充电,这也是此领域最大的挑战。

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图9 压电振子的不同支撑方式

2.5? 道路+安全


安全是道路交通永恒的主题。安全是由人、车、路、环境等众多因素共同决定的,过去的认识和努力集中在静态、抗滑,已经不能满足安全评价的要求。构建新型胎-路关系,对于影响道路轮胎接触的MPD、道路刚度、表面水/冰状态等精细描述,将接触、摩擦、磨耗等统一,将安全和耐久统一,以构建主动安全、全时安全的道路交通系统。目前,在冬季冰雪条件下的主动安全,基于监控和材料领域的技术有了突破。在未来公路系统中,雨、雾、冰、风等天气条件影响的安全将得以有效解决。过去认识体系中的“人-车-路系统”,在自动驾驶时代,“人”将缺失,成为名副其实的“车-路系统”,车-路的协同成为单一主题,与人驾驶行为有关的预防措施和设施将不再重要,比如夜间安全、驾驶疲劳等。

2.6? 道路+光能


在传统认识中,太阳光对道路的影响主要是负面的,长期辐射造成的老化,高温导致道路的流动车辙变形,低温和大温差导致的路面开裂。但是,换一个角度,道路中若能对太阳光加以利用,会有不一样的效果。在自修复光敏材料中,光能被作为激发源,促进修复发生和进阶,图10为在紫外光下的自修复机理示意图;可利用光伏材料,解决太阳能能源利用问题;在解决汽车尾气的净化问题中,纳米TiO2也需要太阳光来催化;可用相变蓄热材料,将太阳能存储利用,白天吸热,晚上放热,平衡白昼;同样可用来平衡白昼的,还有发光材料,白天吸光,晚上放光路面呈现荧光,照亮道路;还有植物光合作用,有待开发。

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图10? 在紫外光下的自修复机理示意图

03

道路基础设施的代际划分

?随着人工智能时代、无人驾驶时代、新能源汽车时代的到来,有关下一代道路交通系统的思考和展望引起关注。同时ABCD(AI(人工智能)、Block chain(区块链)、Cloud(云计算)、Data(大数据))的研究及应用,促使各个行业发生变革,包括传统的道路交通系统。道路工程的代际转换正在形成,新一代道路蓄势待发。

第一代道路——早期道路:与服务对象(乘客和载运工具)相互推动,彼此成就,功能上仅仅是通行,尚无统一的理论基础和设计方法。

第二代道路——等级道路和高速公路:基本上适应了对载运工具安全、快速、经济、舒适的要求,在自主耐久方面有很大的提高,很大程度上推动了出行的便利性、舒适性。

第三代道路——超级公路,在功能上主动适应载运工具的变革和乘客的多样化与更高的需求,在定位上属于整个社会生活场景的有机组成而不是独立存在、相互割裂。将能科学处理三个关系:轮胎-道路、汽车-道路、环境-道路,将能有效应对三大需求:道路+能源、道路+智慧、道路+未来,将能实现自我革新:材料资源化、生产工业化、运行弹性化。设计中加关注人,更加宽容,更有冗余和更加透明。

代际的转换和升级,不仅在于生产方式的转变、功能定位的逐渐丰富,以及能力、效率和安全水平的质的变化,更在于认识理念、学科知识、概念设计、基础理论、技术体系的彻底更新。

04

超级公路的内涵与外延

作为正在孕育的新生事物,超级公路的内涵逐渐在丰富,现就其核心内涵和可能外延进行梳理和预测。

4.1? 核心内涵


(1)创新至零

创新至零的本意是零污染、零排放、零废弃和零干扰。零污染就是全寿命过程实现声、光、热等的绝对无破坏或影响。零排放就是建设、运营和养护过程中无有害气体的释放,全程减排。零废弃就是固态材料的多次资源化循环,包括道路工程中的小循环利用和整个社会系统内的大循环利用。零干扰是指所有道路工程对自然环境,包括水循环、植被、动物、地貌无扰动,实现工程与自然的和谐。广义的道路工程创新至零发展理念包括在环境、资源、安全、新能源、全寿命和车路协同领域的全面发力。

(2)工业化生产

工业化生产可实现资源集约化、环境友好化。近几年,在养护领域,预制混凝土块板和地毯式yabo狗亚体育下载混凝土是这一方面的有益尝试,但是还远远不足。未来可能所有的道路建设和养护均是工业化生产、装配式应用、移动式拼装,这样即可质量可控、成本节约、快速高效。可能的技术路径有三种:地毯式yabo狗亚体育下载铺装,合并拌和、摊铺和碾压的列车,以及基于废旧材料的可移动装配式路面。但是所有的技术,最后都应该具有普适性。

(3)免干扰维护或免维护

永久性道路是道路设计的一种理想境界,有关的探索一直是近年来的研究热点。自感知、自修复、自决策和自适应对策,构成了免维护的主线。近期可做到的是主体结构永久不需维护,近荷载区实现短时快速维护而不干扰交通运行。远期可实现整体结构免大型维护,仅仅是功能上的恢复。在近荷载区的功能修复中,自决策和自适应对策方法能够根据病害类型、程度和范围,以及考虑对策的适应性,可自主进行决策,决定修复的最佳时机和相适应的最适宜的对策。

(4)路-车协同

车路协同是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术,全方位实施车车、车路动态实时信息交互,并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理,充分实现人车路的有效协同,保证交通安全,提高通行效率,从而形成的安全、高效和环保的道路交通系统。在本文,着重探讨车路协同中路侧的可行性,所以称之为路-车协同。通过路侧、车道、标志标线等,能够主动为交通流的诱导、控制和组织提供全息、泛在的信息服务,成为自动驾驶、新能源汽车的推动者,而不是制约者。由于车路通信时滞、范围和强度不再成为问题,即时通信成就泛在互联互通。

(5)智慧运营

在智慧运营领域,除了上述免干扰维护或免维护、车路协同外,所有影响交通运行效率、安全、能力、速度的痛点,均是需要突破的地方。我国公路里程470万公里,高速公路13万公里。如此庞大复杂的巨系统,保障其管理、运行的顺畅,需要采用高科技的手段,对道路状态和交通运行进行智能感控与自主适应,开展资产管理、风险管理、健康管理,建立自感知和可视化的健康监控系统。尤其在特殊场景条件,如夜间、灾害性天气条件,智慧运行尤为重要。目前本领域的所有实践,主要集中在施工这一场景,拌和、压实中皆有探索,但主要目标在于质量控制。此外,也包括在运营过程中埋设光纤类传感器,进行道路服役状态的感知。智慧运营,离不开智慧材料,压电骨料、生物修复等都将成为可能。

(6)韧性管理

道路作为敷设于自然界的带状构造物,跨越区域长,风险缺陷多。道路要保持通行能力,须具有很强的抗灾能力,基本灾害通行不受影响,大型灾害能够快速恢复通行,在雨、雪、雾等灾害性天气条件下,不受约束自由通行,在地震等重灾害条件下,能够快速恢复通行。在韧性运营过程中,大数据和云计算辅助了其中的底层技术条件,最近两年人工智能和区块链技术的突飞猛进,提供了更多的想象空间。其中,基于多源异构数据的融合,包括设计信息、施工信息、年度检测信息和状态监测信息,建立数字道路,是可行的第一步。这些信息若与交通荷载信息结构化,则可能提高全寿命服役性能预测模型的精确度,提高资产管理的能力;若与微观结构损伤信息结构化,则可能提高再设计的可靠性,降低管理的风险;若与养护决策模型结构化,则可能在时机、对策和财政约束之间实现平衡。

4.2? 可能外延


(1)类人系统

人体有九大系统,运动系统、消化系统、呼吸系统、泌尿系统、生殖系统、内分泌系统、免疫系统、神经系统和循环系统。与此相对应,道路若也有诸如类似功能的系统,如由传感器编织的可实现自主感知的神经系统,由具有自修复能力的材料或介质形成的免疫系统,由海绵体材料形成的自主呼吸系统,由压电、光电、热电等技术形成的自主供能系统,道路将更加智慧。将道路构建为具有类人的功能系统后,将可实现在自呼吸、自感知、自修复、自供能,形成具有类人皮肤系统、神经系统和免疫系统的道路生命体。同时对复杂交通流(有人驾驶、无人驾驶)、有缺陷驾驶人等做到及时感知,实时应对。

(2)能源场景

大量的化石能源消费,造成大气污染、土地荒漠化、地下水系破坏、气候变暖、冰川消融、海平面上升等生态环境问题,人类赖以生存的地球家园面临严重危机。如果发展中国家也重复发达国家走过的高能耗、高排放的工业化道路,至少还需要3个地球的煤炭、油气等化石能源和环境空间,这显然行不通。优化能源结构,实现清洁低碳发展,是推动能源革命的本质要求。如何推动可再生能源持续发展,如何构建清洁低碳的能源体系,道路交通作为环境污染的分担者和能源的主要消耗者,责无旁贷。从道路交通系统的消费者转换为道路是交通工具能源的提供者将成为有效措施。道路电能的使用,既可以通过无线耦合充电技术实现新能源汽车的边行驶边充电,也可以通过分布式系统接入现有电力网络,为传统能源清洁化做出贡献,图11勾勒了未来道路的自发电及动态无线充电模式。

道路工程学科前沿进展与道路交通系统的代际转换 yabo狗亚体育下载网,sinoasphalt.com

图11? 动态无线充电系统

(3)微生态化

我国的城市道路网络已有庞大的网络规模,成为复杂的巨系统,面临严峻的管理、养护和抗灾挑战。急需提升基础设施和道路网络的低环境影响能力。未来,道路交通系统将可能从环境污染的分担者,逐渐演化为微环境的主动改善者,道路基础设施与周围环境统筹协调,形成宜居的微生态。水系统、热系统、声系统、光系统,最终均成为微生态的友好系统。在超级道路体系中,道路通行功能弱化,而社会场景中其他功能的赋能逐渐增强,碳排放锐减,逐渐形成开放的生态系统,道路即为环境。

(4)速度不限

安全无小事,关于速度的问题,从来都有正反两方面的意见。不考虑其他因素,单从道路来考虑,可以做到的技术创新包括:全线无黑点,智能提示,及时纠偏,发挥规模和网络效应,全网络无限速(如收费站、不利地形),全线运行速度与设计车速统一。随着移动支付试行,高速不停车收费,分时、分车道、分段、分交通状态的收费实现成为可能。当前的无人驾驶和车路协同技术,一定程度上提高了道路的运行速度,进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,则涉及到技术科学和社会科学两个领域的系统论证。

05

结语

本文的目的在于在学术上引发讨论、思考,在技术上促进产业链条的延伸与整合,旨在促使我国在新的交通科技革命和工业革命中占领先机,丰富交通强国内涵,把握交通学术前沿,引领世界交通发展,推动交通强国建设。

新的时期,急需应用前瞻性、系统性、战略性的眼光审视和破解道路基础设施面临的挑战,尤其是城市交通基础设施。超级公路的诞生,为解决这些问题提供了可能。超级公路的发展,是个点、线、面逐渐突破的过程,内力外力共同推动的过程。超级公路的诞生,再一次让人们的吃穿住行的等基本需求得以升华,使得人类探索未知世界的能力再次增强。


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