適應無人駕駛的道路工程技術發展概況及構想

來自專欄 道路

此文是16年6月份完成的一篇小文章，開了一些腦洞，分享出來，以饗讀者。

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摘要：人類出行需求的變化以及交通工具的改進，對道路工程技術的要求不斷提高，進一步促進道路工程技術的發展。首先回顧了道路工程的發展歷史；簡要介紹了無人駕駛汽車技術的發展概況；最後結合當前的道路工程前沿技術，專門針對無人駕駛汽車當前的技術瓶頸，從車輛的定位與識別、能量供給和自診斷與感知路面技術等方面提出技術構想：提出借鑒磁導航技術，使無人駕駛汽車沿著磁軌釘所設定的路線行駛，避免雨雪、大霧天氣的影響，甚至無需設置道路標線；提出將壓電路面技術、太陽能道路技術或者熱電路面等轉化產生的電能輸出，在公路上安裝地下感應式充電裝置，實現無人駕駛汽車不停車充電；提出通過道路、橋樑等設施的診斷和感知技術，實時監測無人駕駛汽車行駛過程中可能面臨的危險，並及時採取相應措施，提高無人駕駛汽車的安全性。

關鍵詞：道路工程；道路發展簡史；無人駕駛汽車；磁導航技術；能量供應；自診斷

0 前言

道路（road）是指供各種無軌車輛和行人通行的基礎設施，而公路（highway）是指連接城市、鄉村和工礦基地之間，主要供汽車行駛並具備一定技術標準和設施的道路[1]。原始人徘徊於自然界的山川河流之間，打獵、捕魚、採集食物，其慣行的足跡便形成了道路。因此，可以說道路的演化歷史就是人類的發展歷史。人類社會、經濟生活創造了道路，道路的產生和發展有促進了社會發展和人類進步。

從道路的發展歷史中可以發現，道路技術的發展主要是因為原有的道路結構設計或材料無法滿足當時交通出行的要求，尤其是人們出行工具轉變為馬車後，道路設計產生了「強基薄面」的思想，並出現了碎石路面；當向汽車轉變之後，對路面結構和材料設計要求就更高，路面的結構層次變得越來越複雜，甚至產生了高速公路。近年，無人駕駛技術不斷完善，尤其是最近谷歌、Uber、百度等國內外科技公司不斷進行無人駕駛技術測試，讓人們看到無人駕駛技術是有可能實現的，甚至該技術的實現只是時間問題[2]。因此，無人駕駛技術的完全實現對道路工程有會提出怎樣的要求呢？即如何通過改善道路基礎設施來更好地解決無人駕駛技術所面對的難題，尤其是目前的無人駕駛技術受惡劣天氣的影響較大，至今未見在雨雪天氣下的測試報道。因此本文也將結合現有技術提出幾點技術構想。

1 道路發展簡史

1.1 世界道路發展歷史概述

世界古代道路按照不同的運輸工具可分為步行道路、馱運道路和馬車道路三個階段[3]。步行及馱運道路中比較著名的有莫亨約·達羅城市道路、亞蘇道路、羅馬道路和絲綢之路。莫亨約·達羅城市道路為鋪磚路面，而亞蘇道路採用塊料鋪砌，結構如圖1所示；羅馬道路是世界古代著名道路之一，主要由石料、礫石、砂及其混合料組成，其路面結構十分完整，總厚度一般為100~120cm，主要有礫石混凝土路面、石塊路面和塊料路面三種，前兩種為一般路面（如圖2a）所示），後一種叫費拉米道路（如圖2b）所示）。

馬車交通工具的出現，對道路寬度、坡度、平整度、強度等道路技術條件提出更高的要求，因此產生了「強基薄面」的路面結構思想，並出現了碎石路面，比較著名的有法國特雷薩蓋設計的路面、英國泰爾福路面、英國馬克當路面和俄國的碎石路面，其結構形式如圖3所示。在無砂石料地區，則發展了塊料路面結構形式，如俄國在彼得堡用木塊修築了塊料路面，歐美也發展了磚塊路面。

汽車誕生的初期，主要發展的是鐵路，這一時期也被稱為鐵路運輸時代，碎石路面得到推廣應用。1883年，美國紐約橫跨伊斯特河的布魯克纜索橋的建成，標誌著美國汽車和公路新時代的到來。第一、二次世界大戰期間，公路建設發展迅速，這一時期出現了高速公路（freeway），併產生了交通工程這門新興學科。公路運輸已在各種運輸方式中開始起著主導地位的作用。

1945年之後，公路發展進入現代道路階段，開始大量修築瀝青和混凝土鋪裝的公路。如今，高速公路已經成為現代化公路的標誌[4]。

1.2 我國道路發展歷史概述

人工修建道路，最早始於中國。中國從修建牛、馬車路到建成現代化的公路網的發展過程，大體可劃分為古代道路、近代道路和現代公路三個時期。具體發展歷程如圖4所示。其中西周時期就已經開始關注道路的規劃（「匠人營國，國中九經九緯，經塗九軌，環塗七環，野塗五軌」）、管理（「司空視途」，「列樹以表道，立鄙食以守路」，「雨畢而除道，水涸而成梁」）以及道路質量「周道如砥，其直如矢」。在秦漢時期還逐步發展了「絲綢之路」，促進當時的經濟文化繁榮。

中國近代道路的發展自20世紀初汽車輸入中國以後，通行汽車的公路開始發展起來。從推翻清朝建立中華民國到中華人民共和國成立是中國近代道路發展的時期，但發展緩慢，並屢遭破壞，原有的馬車路（有的也可勉強通行汽車）和馱運道仍是多數地區的主要交通設施。這個歷史時期大致可分為清末和北洋政府時期、國民黨政府前期、抗日戰爭時期和解放戰爭時期四個階段。

中華人民共和國成立以後，中國公路建設進入了逐步現代化的時期。其發展過程經歷了國民經濟恢復時期、第一個五年計劃時期、「大躍進」時期和國民經濟調整時期、十年動亂時期、社會主義經濟建設新時期五個階段[5]。目前，我國高速公路里程突破12萬公里，「7918」國高網基本建成。

圖4 中國道路發展簡史示意圖

Fig.4 Schematic diagram of Chinese road development history

2 無人駕駛車技術

無人駕駛車也叫智能車，英文名字包括autonomous car，driverless car，self-driving car，robotic car。它是通過車載感測系統感知道路環境，自動規划行車路線並控制車輛到達預定目標的智能汽車。其原理是利用車載感測器來感知車輛周圍環境，並根據感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛[6-8]。與傳統汽車相比，無人駕駛汽車減輕了駕駛員操縱汽車的勞動強度，降低了駕駛員的不規範操作和誤操作對汽車運行安全性的影響，提高了汽車行駛安全性和乘坐舒適性[9]。預計完全自動駕駛時的事故率可以降低90%，將會對交通行業帶來更深層改變[10]。

從20世紀70年代開始，美國、英國、德國等發達國家開始進行無人駕駛汽車的研究，在可行性和實用化方面都取得了突破性的進展[11-13]。中國從20世紀80年代開始進行無人駕駛汽車的研究，國防科技大學在1992年成功研製出中國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車[7]。2003 年，在中國第一汽車集團公司的贊助下，國防科技大學完成的紅旗旗艦CA7460 無人駕駛平台試驗，標誌著我國第一輛自主駕駛汽車的誕生[14]。2005年，首輛城市無人駕駛汽車在上海交通大學研製成功。同濟大學2006 年研發了一輛無人駕駛清潔能源電動遊覽車，最高時速為50 km/h，可應用於人們觀光旅遊[6]。

目前國內外主要的汽車製造商無不涉足無人駕駛車輛技術領域。2014 年9月，寶馬與百度正式建立了合作關係，預計未來 3 年內，實現無人駕駛車輛在中國複雜道路上的行駛技術突破[15]。奧迪近日在德國展示了無人駕駛概念車RS7，速度可達305km/h，是目前世界上速度最快的無人駕駛車輛。賓士也推出新S級無人駕駛車輛，雖然無人駕駛技術還不甚成熟，但車上的駕駛輔助系統已較為完備[16]。福特於 2014 年發布了第一款無人駕駛車輛，展示了其近10年來在無人駕駛技術研發方面的成果[17]。Google 公司於 2010 年開始無人駕駛車輛研究項目，到目前為止已經實現了無人駕駛車輛行駛里程 100 萬公里的記錄，獲得由美國加州政府頒發的公共道路測試許可[18]。國內無人駕駛車輛的研發還處於初級階段，其中一汽集團推出的無人駕駛車輛 HQ3，融合了20 余年中國汽車自動駕駛技術的研究成果，主要採用智能交通技術、最先進的主動安全技術。另外北汽、上汽、比亞迪等國內汽車廠商也紛紛開始投入到無人駕駛技術的研發中來。

綜上可以看出，未來無人駕駛技術將受到越來越多的重視，極有可能在不久的將來造福人類。圖5、圖6分別為UBER公司和谷歌研發的無人駕駛汽車。

3 適應無人駕駛的道路工程技術構想

3.1 車輛定位與識別技術

車輛定位（導航）與識別技術是無人駕駛汽車行駛的基礎。目前已經進行的各類無人駕駛車長距離測試過程中，目前常用的技術包括磁導航和視覺導航等。視覺導航中的核心在於車道線檢測，相關研究和技術應用較多，也逐步成熟[19-23]。但是在檢測過程中對光照、天氣狀況等提出較高要求，光照條件不同會使得由圖像處理所提取出的特徵信息也不同，從而導致地圖匹配失效。另外，太陽在路面上的鏡面反射會造成感測器過曝，建築物和樹木產生的大量陰影也會降低視覺檢測的可靠性[24]。尤其是目前的雷達、紅外線感測器、超聲波感測器、攝像頭等硬體的可靠性和分辨精度有限，對於道路積雪、大雨、大霧天氣等惡劣的、複雜的路況，難以做出準確的判斷，進而做出正確的決策[25, 26]。

圖7 埋設磁軌釘的道路與無人駕駛汽車交互原理示意圖

Fig.7 Schematic diagram of interaction principle

between road embedded magnetic and driverless car

所謂磁（道釘）導航技術，就是在車道中心線埋設等間距的磁軌釘作為信號源，當車輛以一定的速度通過磁軌釘時，由電磁感應原理，在車載磁感測器中產生了相應大小的感應電壓，獲取磁信號，並以此來控制車輛的運行[26-30]。該技術的研究主要是圍繞的是ITS中的車輛橫向控制，最大優點是不受天氣等自然條件的影響，即使風沙或大雪埋沒路面也一樣有效，而且便於維護。

筆者認為可以借鑒磁導航技術，在道路中埋設磁軌釘，當無人駕駛汽車該路面上行駛時，車載磁感測器與磁軌釘之間相互傳遞信息，使無人駕駛車在道釘所設定的路線行駛（類似示意圖如圖7），則可以避免雨雪、大霧天氣的影響，甚至該道路無需設置標線。

3.2 道路能量供應技術

當前能源與環境問題日益凸顯，交通運輸中的能源正逐步從化石能源向無污染的清潔能源轉變，新能源汽車發展迅猛，將來的無人駕駛汽車也必將會採用新能源。如何通過道路工程技術收集能量為無人駕駛汽車服務是道路工作者所需要思考的問題。

瀝青混凝土路面在設計使用期內，要承受數百萬次的車輛碾壓，荷載對路面所做的功轉變為應變能和振動能，最終這些能量一部分以熱能形式耗散，一部分使路面的結構發生變形。若能將壓電材料以一定方式埋入路面當中，則這些振動能就可以部分轉變為電能供給用電設施。目前研究較多的主要是基於壓電材料的能量回收技術，利用壓電效應將車輛動載對路面產生的機械能轉化為電能[31-35]。黃如寶等[34]將光電模式、熱能利用模式和壓電模式對比之後，認為壓電模式的能量轉換率較高，隨著交通量的增長，潛在可收集能量可觀。壓電路面能量收集利用示意圖如圖8所示。但是研究發現埋置壓電裝置對瀝青混凝土路面使用性能影響較小，可發電，但電量有限，僅可滿足微電子器件及 LED 燈供電需求[36]。

圖8 壓電路面能量收集利用示意圖[35]

Fig.8 Schematic diagram of energy collection and utilization of piezoelectric pavement[35]

光能與電能之間的能量轉化是較為成熟的技術之一。通過高純單晶硅光電池等光電材料將太陽能轉化為電能，其概念模型為：將太陽能板鋪設於透明材料製成的路面面層之下，產生的電能可用於公路的照明[34]。美國、義大利、英國、荷蘭、德國、瑞士、比利時、澳大利亞和日本等國先後開展了小規模的太陽能高速公路項目，但是形式稍有差別，其中美國愛達荷州提出的太陽能道路是選用可為汽車提供強大抓地力的超耐磨玻璃，玻璃下方是嵌入太陽能板，甚至可以設置LED燈來作為車道線，也可讓面板自動加熱以防止結冰。荷蘭鋪築了全球第一條太陽能道路，為230英尺的自行車道，由安裝了太陽能電池的混凝土模塊組成，上面覆蓋著一層薄薄的鋼化玻璃，可為街道、交通信號燈和路邊的居民家庭提供能量。

此外，還有一種將熱能轉化為電能的熱電模式，即在熱梯度空間中通過熱電轉化材料將熱能轉化為電能[34]。由於太陽光的照射以及行駛車輛與路面摩擦產生大量熱量致使路面溫度較高，尤其是黑色的瀝青路面具有很強的太陽能吸收能力，其吸收係數可達90%，且路面集熱面積大，因此可利用換熱介質經管道將路面吸收的熱量儲存或直接與其他物質進行熱交換[34]。Hasebe等[37]研究了利用路面收集的熱能並將其轉化為電能的可能性，並通過試驗與理論模型論證了其能量轉換效率等問題，其道路熱能轉換系統概念圖如圖9所示。

圖9 道路熱能轉換系統概念圖[37]

Fig.9 the concept of road heat energy conversion system[37]

目前瀝青混凝土太陽能集熱技術的應用主要是在於融雪除冰方面[38]，向電能方面的轉化研究相對較少。另一方面，化石燃料的使用污染環境，而目前電動車所用蓄電池單位重量儲存的能量太少，體積大，質量重，且成本高，續航里程有限。如何通過道路工程技術解決無人駕駛汽車的能量來源問題？筆者綜合上述前沿研究提出以下幾點構想：

1）將壓電路面技術、太陽能道路技術或者熱電路面等轉化產生的電能輸出，在公路上安裝地下感應式充電裝置，無人駕駛汽車駛過專門的感應優先車道時，無線充電技術即可自動實現不停車充電，而且能耗損失率較低。一旦該技術能夠實現，則可保證無人駕駛汽車連續長距離行駛，顯著降低交通行業的碳排放。圖10為不停車充電公路的原理示意圖。

2）冰雪路面對於行車安全不利，藉助上述能量轉化的方式，在無人駕駛汽車專門的道路輪跡帶實現融雪，則可保證無人駕駛汽車及時採取剎車指令，而不會因為輪胎打滑，與實際計算的制動距離出現誤差，進而造成不必要的交通事故。

圖10 不停車充電公路的原理示意圖

Fig.10 Schematic diagram of the charging Road without stoping

3.3 自診斷與感知路面技術

目前損傷自診斷混凝土、壓電智能混凝土、自修復智能混凝土、自調節智能混凝土、溫度自控智能混凝土等智能混凝土不斷出現，使得道路不斷向智能化方向發展。

自診斷智能混凝土賦予混凝土結構自我診斷的智能性，因為混凝土在使用過程中常會因內部缺陷積累而出現性能劣化，尤其是對橋樑等的安全性構成威脅，一旦混凝土能夠感知預報材料中的微小損傷，則可防範於未然。自診斷也就是內部診斷，主要是指依靠材料內部的組分或結構的變化所產生的信號而進行診斷的方法，診斷的內容包括應力狀態、應變數、溫度、相變、缺陷或裂紋發展過程等[39]。當前國內外研究比較熱門的自診斷混凝土主要有碳纖維機敏混凝土和光纖機敏混凝土兩種[40]。在國外，自診斷碳纖維溫敏混凝土已被應用於機場道路及橋樑路面的自適應融雪和融冰上，取得了很好的效果。同樣，也可利用導電瀝青混凝土的機敏特性來實現對道路外部應力及其產生的應變，甚至內部結構損傷的自診斷[41]。

筆者認為，通過自診斷與感知路面技術，隨時監測道路及橋樑的狀況，當超過一定的安全係數或是前方路段出現事故，則反饋相關信息至無人駕駛汽車中的信息接收端，並作出路線規劃等及時措施，尤其是可以防止災難性事故的出現。另一方面，受一種國外預防道路結冰的技術——固定自動噴淋技術[42, 43]（Fixed Automated Spray Technology，簡稱FAST）的啟發，在道路及附屬設施設置相關感測器，連續監測路表溫度、結冰條件，尤其是路表的摩擦係數，以此實時控制無人駕駛汽車的行駛速度，或決定是否封閉道路，並及時向無人駕駛汽車反饋。此時若結合上文構想的基於磁軌釘導航的車輛定位與識別技術，則可顯著提高無人駕駛汽車的冰雪天氣行車安全。

4 結語

無人駕駛汽車是未來汽車發展的方向，人類在不久的將來會用上智能型無人駕駛汽車。那是一種將探測、識別、判斷、決策、優化、優選、執行、反饋、糾控功能融為一體，會學習、會總結、會提高技能，集微電腦、微電機、綠色環保動力系統、新型結構材料等頂尖科技成果為一體的智慧型汽車[6]。

通過對國內外道路的發展歷史概述，可以發現人類出行工具或方式的改變往往會對道路提出一定的要求，進而促進了道路工程技術的發展。無人駕駛汽車的出現，將會顯著降低交通事故的發生率，甚至無需安裝喇叭、安全氣囊及許多被動安全相關的設計和部件，進一步降低汽車本身的自重，相應的路面所受汽車軸載就會降低，進而對於路面的結構設計要求就會降低。

必須認識到，儘管無人駕駛汽車已經取得了較大的進步，但卻受安全、能源等因素的制約而阻礙其進一步發展，因此筆者借鑒道路工程技術方面的前沿研究，進一步暢想了未來適應無人駕駛汽車的道路工程技術，希望為無人駕駛技術的推廣應用提供參考。

1）借鑒磁導航技術，在道路中埋設磁軌釘，使無人駕駛汽車沿著磁軌釘所設定的路線行駛，則可以避免雨雪、大霧天氣的影響，甚至無需設置道路標線；

2）將壓電路面技術、太陽能道路技術或者熱電路面等轉化產生的電能輸出，在公路上安裝地下感應式充電裝置，無人駕駛汽車駛過專門的感應優先車道時，無線充電技術即可自動實現不停車充電，而且能耗損失率較低。一旦該技術能夠實現，則可保證無人駕駛汽車連續長距離行駛，顯著降低交通行業的碳排放。

3）通過道路、橋樑等設施的診斷和感知技術，實時監測無人駕駛汽車行駛過程中可能面臨的危險，並及時採取相應措施，提高無人駕駛汽車的安全性。

無人駕駛汽車在交通領域的應用，從根本上改變了傳統車輛的控制方式，可大大提高交通系統的效率和安全性。隨著高科技的發展，我國無人駕駛車輛技術將會不斷發展，其功能也將更完善，學科內容將會更豐富，產業化前景更美好。

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