2017, Vol. 45
2. 同济大学 交通运输工程学院，上海 201804
2. College of Transportation Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China
未来交通运输的发展愿景是“零伤害、零延误、零维护、零排放、零失效”的“五零”理想系统.在发展进程中，以智能网联、智慧共享、耐久安全和绿色生态为特征的新一代交通运输系统将成为达成“五零”目标的重要阶段，其中智能化已成为必然技术趋势.交通运输系统的智能化需要协同考虑“人-车(交通工具)-路(基础设施)-环境”的各个组成部分.因此，除智能网联车、智能交通之外，智能交通基础设施以及“人-车-路-环境”之间的智能网联交互，将成为交通运输系统智能化进程中新的增长点和支撑点.铺面(Pavement)是交通运输系统的重要基础设施，包括了公路和城市道路路面、机场场道道面、港口码头铺装、以及非机动车和人行路面等.智能铺面技术的研发与应用，将成为实现交通基础设施智能化的重点.
国内外对智能铺面的研究源于自动公路、智能监测和功能性铺面.美国从1992年启动研发自动公路系统(automated highway system, AHS)，以适应未来面向全自动驾驶的需求[1]，并提出了独立自动车辆、网联自动车辆和设施支持自动驾驶这3种模式[2].在设施支持模式中提出建设专用智能车道为车辆运行提供服务[2]，但其智能化主要依靠路侧的感知设备，或埋入路面的断面式传感器来实现.在现有的智慧交通和智能网联车系统中，也基本延续了这一做法[3-4].此外，为了延长铺面寿命，保障铺面性能，采用各类传感器的铺面智能监测系统在国内外得到了研究与实践[5-6].同时，国内外研发了具有自愈合[7]、能量收集[8]、自动融冰雪[9]等能力的功能性铺面技术.这些技术从不同的层面体现了智能铺面的特征，但未对智能铺面技术体系进行系统的阐述.2009年欧洲提出了永久开放道路概念(称之为第五代道路)，认为新一代道路应该具有自适应、自动和环境影响复原三大特征，较系统地描述了未来道路的特征[10].同济大学在此基础上，进一步提出了智能道路的概念与框架[11]，但也未对智能铺面进行明确的描述.
智能网联汽车、铺面智能监测系统和功能性铺面的不断发展，使铺面朝着更加智能、集成的趋势发展.智能铺面将在智能化交通运输系统中扮演更加重要的角色.然而，国内外对智能铺面尚未进行明确的界定.因此，本文以路面和道面这两类铺面为主，从智能铺面的内涵和架构等出发，阐述智能铺面的基本概念和功能，为国内外智能铺面技术的研发与应用提供参考.
1 智能铺面的内涵 1.1 智能铺面的基本要素智能可理解为物体所具备的智慧程度的能力.为了合理定义智能铺面的概念，拟借鉴智慧生物体的基本特征和要素.在地球上，高等智慧生物体都不可或缺地包括了感官、神经、大脑、肌体组织、心脏及循环系统和交互语言等基本要素.感官和神经系统用于感知生物体内部状态和外部环境；大脑用于处理、记忆神经网络传递过来的各类信息，是神经系统的中枢；肌体是生物体形体的组成部分，具有生长、修复、调节等自主适应能力；语言，包括各类交互方式，是生物体之间进行交流、沟通、互动的必要能力；心脏，包括循环系统，为生物体提供持续能量，从而保障生物体智能能力的发挥.
与智慧生物体的基本要素对应，铺面要具备智能能力，形成智能行为，同样需要具备这5大基本要素，在智能铺面中分别定义为感知网络、数据中心、结构材料、通信网络和能源系统.智能铺面的5大基本要素及提供的基本能力，如表 1所示.
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下载CSV 表 1 智能铺面的基本要素 Tab.1 Basic elements of smart pavement |
在智能铺面5大基本要素及其提供的基本能力的基础上，可以将智能铺面定义为：由先进的结构材料、感知网络、数据中心、通信网络和能源系统组成，具有主动感知、自动辨析、自主适应、动态交互、持续供能等智能能力的铺面设施.与传统铺面相比，智能铺面应能有效延长铺面寿命、提高铺面性能、降低安全风险、提升服务品质.
2 智能铺面的特征为了实现智能能力，发挥应有作用，智能铺面应该具备4个层次的核心特征，包括：基本性能、智能能力、网联服务和可持续发展.基本性能是铺面满足荷载和环境需求的基本特征；智能能力是智能铺面的核心特征；网联服务是智能铺面在形成智能能力的过程中，成为信息源所带来的延伸特征；此外，在新形势下智能铺面必须符合未来可持续发展的要求.对这4个核心特征的诠释如下.
(1) 基本性能
智能铺面的基本性能要求与传统铺面类似，包括功能(全天候服务、安全、舒适)、结构(足够的承载力和耐久性)、经济(全寿命成本低)、环境(低噪音、环保和景观等)等4个方面[12]，以满足作用在铺面上的车辆、飞机、非机动车、行人、货物等的使用需求.
(2) 智能能力
与定义相对应，智能铺面所具备的智能能力包括主动感知、自动辨析、自主适应、动态交互、持续供能等5大能力，具体内容如表 2所示.铺面依靠智能材料或传感器件来主动感知状态、性能、环境和行为；在感知的基础上，铺面可对信息进行自动的校验、集成、管理、分析、诊断和评估等处理；依托感知的信息和辨析的结果，铺面能够适应温度、湿度、交通等的变化，主动进行调控，并可对损伤进行自我修复；同时，铺面能在感知和辨析的基础上，与外部进行动态的交互；为了实现这些能力，离不开持续不间断的能量供应.
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下载CSV 表 2 智能铺面的智能能力 Tab.2 Smart ability of smart pavement |
在智能铺面中，根据不同的目的和需求，所具备的智能能力并不相同.而且，并无必要对所有的智能铺面都按照同样的智能等级要求进行建设.为了区别不同的智能铺面能力，按照智能能力的高低，将铺面的智能能力分为Ⅰ~Ⅴ五个不同的层级.各个等级所应具备的基本能力列于表 3.
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下载CSV 表 3 铺面智能能力分级 Tab.3 Smart ability levels of smart pavement |
(3) 网联服务
为了实现智能铺面的智能能力，铺面内部往往装备有可以感知内部状态、外部环境、人车信息、行为信息等的传感器件.这些传感器件的使用，将使铺面成为综合信息源.通过这些信息将可实现对智能车辆、车路协同、智慧城市等的全面支持.同时，面向铺面的拥有者、管养者、使用者等，可形成以铺面为信息源的“铺面对多目标”(P2X，pavement to everything)网联服务体系，并可构筑P2X网联服务动态风险评估与预警系统，其中“X”包括了管养部门、车辆、驾驶员、行人、自行车、移动终端、附属设施等.针对典型路面和机场道面，不同铺面的P2X基本服务功能列于表 4.
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下载CSV 表 4 铺面的P2X基本功能 Tab.4 P2X functions of smart pavement |
(4) 可持续发展特性
在新形势下铺面的建设与管养需要符合社会可持续发展的要求.因而，智能铺面除了满足基本性能要求、形成智能能力、提供网联服务外，还应该更耐久、更安全、更节能、更低碳、更生态，并对荷载和环境的外部破坏和干扰具有很强的抵抗能力，在受到破坏后更加容易恢复，以适应可持续发展对未来交通运输系统提出的新要求.
3 智能铺面的架构智能铺面的架构可以分为物理要素、信息流向、能量路径、空间位置、P2X服务体系等5个层面进行设计和构建.由于不同的铺面类型，针对的服务对象不同，其架构也会存在一定的差异性.
(1) 物理要素
智能铺面由结构材料、感知网络、数据中心、通信网络、能源系统等5大基本要素组成，因此在智能铺面中必须包括铺面结构与材料本身、铺面内部性能状态和外部环境的感知系统、处理各类感知信息的中央信息集成处理系统(云系统)、为智能铺面提供持续能源的供电系统、保障智能铺面与外部交互的通讯系统、为铺面实现特定智能能力的特殊附属设施及系统等物理要素(图 1).
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图 1 智能铺面的物理要素 Fig.1 Physical elements of smart pavement |
(2) 信息流向
信息在铺面中的获取、流动和应用是智能铺面的重要特征.各类铺面信息被主动感知、传输、集成、分析和发布，从铺面内部流向管理者、车辆、公众等各类用户.智能铺面的主要信息流向如图 2所示.
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图 2 智能铺面的信息流向 Fig.2 Information direction of smart pavement |
(3) 能量路径
智能铺面在运行过程中需要大量能量以保障智能行为.为了使智能铺面符合可持续发展的要求，其所需要的能量应该是绿色能量，即从路域范围或临近区域采集的太阳能、热能、风能、机械能等.能量通过铺设在铺面表面、埋设在铺面内部、架设于道路两侧等的能量收集装置获得，在铺面设施的旁侧设置能量存储系统，再通过各类线路给各类传感器件、采集仪、路侧设施、终端和车辆供电(图 3).
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图 3 智能铺面的能量路径 Fig.3 Energy way of smart pavement |
(4) 空间分布
为了使铺面具有智能能力，需要各类传感器件和附属设施，并处于不同的空间(表 5).各类材料铺筑于地表形成铺面结构；各类传感、供能等器件铺设于铺面的内部或表面；信息采集和传输设施、能源装置、气象站、充电桩等各类附属设施设置在道路的内部、两侧或上方；用于存储、管理、处理和发布信息的中央数据中心(云平台)，位于靠近或远离铺面设施的专门部门；为实现智能铺面中的定位、无线通信等功能还需借助远端的基站或空中的卫星.
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下载CSV 表 5 不同空间位置的智能铺面要素 Tab.5 Elements of smart pavement with position |
(5) 智能铺面的P2X服务架构
在智能铺面中，为了给交通工具、人员、管理部门等提供各类服务，需构建优良的P2X服务架构，示意如图 4所示.
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图 4 智能铺面的P2X架构 Fig.4 P2X framework of smart pavement |
针对不同的铺面类型，智能铺面的架构会存在一定的差别.智能铺面中的传感器件选型、组网方式、所需的信息种类、P2X内涵、各类设施的布设位置等，需要针对具体的铺面类型和工程条件等进行有针对性的设计.
4 智能铺面的建造途径智能铺面内往往埋设有大量的传感器，这些传感器一般都对振动、压力、变形等敏感.因此，传统的粗旷式铺面施工工艺，会对传感器带来极大的威胁，轻则影响传感器的采集精度，重则会使传感器失效.为了给智能铺面提供一个可靠的实施途径，建议采用装配化、模块化、工业化的建造手段来替代传统的铺面施工工艺.如装配式水泥混凝土铺面、装配式复合铺面、装配式沥青混合料铺面、沥青混合料卷材等.建筑信息模型(BIM)、3D打印等先进技术的研发与应用，将为智能铺面的工业化途径提供更加有力的支撑.
为了使智能铺面有更大的推广应用空间，需要控制智能铺面的建设成本，并尽可能地延长铺面的使用寿命.因此，在铺面的智能感知技术上，宜采用分布式光纤等低成本感知器件，对不同的信息尽可能采用同样的技术进行感知，以减少对解调设备的投入.以装配式水泥混凝土铺面为例，若板块为长5 m、宽3.75 m、厚0.25 cm，采用单层的分布式光纤作为感知铺面状态和交通流的手段，其增加的成本约为普通装配式水泥混凝土铺面的10%(不包括解调仪).随着智能化技术的发展和大规模应用，智能铺面的成本还将进一步降低.
5 结论本文诠释和定义了智能铺面的内涵与架构，主要结论如下：
(1) 给出了未来交通运输系统的愿景，在此基础上明确了智能铺面的基本要素为传感网络、数据中心、结构材料、通信网络、能源系统，并进一步给出了智能铺面的内涵与定义.
(2) 从4个方面出发明确了智能铺面的特征，提出了5层级智能铺面智能能力等级，以及智能铺面的P2X信息服务的概念.
(3) 分别从物理要素、信息流向、能量路径、空间分布和P2X服务5个方面构建了智能铺面的基本架构.
(4) 智能铺面的建设不仅使铺面本身具有智能能力，同时使铺面成为信息源，从而为智能网联车和智慧交通提供新模式服务，这将对未来交通运输系统的智能化带来技术变革和新支撑点.
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