一種適應無人駕駛汽車的路面結構設計

張默晗 張沈莘

【摘 要】文章分析了無人駕駛汽車對于道路結構的功能要求，進而引申到對道路結構的要求。在此基礎上，提出一種可滿足無人駕駛汽車功能的快速拼裝、可修復的路面結構的構想，并對相關的設計細節進行解釋。

【關鍵詞】無人駕駛;道路結構;模塊化;快速拼裝

【中圖分類號】U41 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0065-03

0 引言

近年來，互聯網技術的迅速發展給傳統的汽車工業帶來了革命性的變化，無人駕駛汽車的概念也是越來越熱，越來越多的企業開始涉足這塊領域，將尖端的IT技術運用到汽車領域中，希望為消費者駕車出行帶來更多美好的體驗[1]。

無人駕駛汽車是一種智能汽車，也可以稱之為輪式移動機器人，主要依靠車內以計算機系統為主的智能駕駛儀實現無人駕駛，它是利用車載傳感器感知車輛周圍環境，并根據感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，實現車輛的自主安全駕駛，安全高效地到達目的地并達到完全消除交通事故的目標。美國NHTSA（美國國家公路交通安全管理局）分5級定義汽車的自動化等級[2]。0級：由駕駛員駕駛;1級：具備1種以上自動化控制功能（如自適應巡航和車道保持系統ACC等）;2級：以汽車為主體執行多種操作功能;3級：當以汽車為主體的駕駛行不通時可指示駕駛員切換為手動駕駛;4級：完全可以無人駕駛。

麥肯錫咨詢公司預測，到2025年，無人駕駛汽車可以產生2 000億～1.9萬億美元的產值;市場研究公司IHS預測，到2035年，4級完全無人駕駛車每年銷量可達480萬輛?？梢哉f，無人駕駛汽車必定會成為未來道路的重要參與者。

道路交通是一種情況復雜的交通模式，包含人、車、路、環境多項相互作用的關系，而且隨著每項關系的變化及各項關系變化的組合，這種相互作用關系也更為復雜。因此，要實現無人汽車駕駛，需涉及環境感知、模式識別、導航定位、智能決策控制、交通流控制及計算機技術等眾多技術。道路行駛環境復雜，而傳統的道路環境可能已經無法滿足無人駕駛的需求。例如：在積雪、暴雨等特殊天氣下，無人駕駛汽車經常會面臨無法“看清”道路標志及其他線索等，進而無法實現安全行駛。因此，要實現無人駕駛，道路設施、結構、材料等都需要改進。

1 無人駕駛汽車對道路結構的要求

為了滿足無人駕駛汽車的安全、高效行駛，未來的道路結構必須具有一定的功能，而功能的實現也對應著結構的確定。本文總結了幾點未來道路要滿足無人駕駛汽車的功能要求。

（1）無人駕駛汽車涉及車輛與車輛、車輛與道路、車輛與其他交通參與者的信息交互，以保障無人駕駛汽車的安全行駛，提高出行效率。這涉及信息的采集及信息的及時傳遞。例如，道路面層可以埋設傳感器，檢測過往交通的流、密、速參數，將相關信息傳送給中央控制器，處理得到路網交通狀況，再引導無人駕駛汽車選擇、優化路徑。此外，無人駕駛汽車在行駛的過程中需要檢測前方車輛、行人等信息，而這些信息可以通過在道路上的傳感器獲取，并及時反饋給無人駕駛車輛，進而保障行車安全。要進行交通流信息、車輛行人信息的檢測，必不可少地會涉及檢測信息的傳感器，可以將這些傳感器埋入道路結構中。

（2）道路交通是一種復雜的交通行為，不僅在于其參與者的靈活多變，更在于道路環境的多變，而環境的變化很可能會給車輛行駛帶來影響。例如，大雪天氣下，路面的積雪不僅會影響路面抗滑性能，威脅交通安全;也可能會阻擋交通標志標線，而這很可能會導致無人駕駛汽車不能正常行使。因此，一種可以提高道路自適應能力，降低對車輛行駛干擾的路面結構對于無人駕駛汽車尤為重要。因此，與智能的無人駕駛汽車相匹配的是一種信息化、自調節的道路路網結構，這種路網結構可以保障無人駕駛汽車的行車安全，提高人們的出行效率。要實現道路結構的自適應，道路結構不僅需要感知目前的環境狀況，還需要對當前的環境狀況進行調整，因此需要在道路結構中埋置相應的感知傳感器及調整設備。

（3）道路可對自身的狀況進行檢測。道路在實際的使用過程中，可以對自身的狀況進行監測，如板底脫空、裂縫開展等狀況，并將這些信息及時傳遞給道路的養護部門，提早做好相關的預防、養護工作，因此會涉及相關的傳感器埋置。

（4）道路能量收集。道路交通用地所占空間巨大，可以接受大面積的太陽輻射，因此可以考慮在道路上設置光能轉化裝置。此外，道路上巨大的交通流在流動的過程中，會產生機械能損耗，可以考慮在路面結構內埋置相應的能量傳感器，將這部分能量轉化為電能回收，因此也會涉及能量轉化裝置的埋置。

要實現道路的信息化、自檢測、自調節及能量收集工作，需要在道路結構內埋設響應的傳感器等設備。通過以往的工程經驗可知，在道路施工現場安裝傳感器等設備，不僅會增加施工時間，而且現場的意外因素很難控制，如天氣、施工人員素質等，這些因素會影響傳感器的埋設質量，進而影響到功能的實現。如果將這種路面結構在工廠預制好，在預制的過程中將傳感器埋入，不僅可以保證傳感器的埋設質量，還可以避免施工現場出現不可控因素，縮短施工時間，提升施工質量。

此外，未來的道路結構是一種耐久、經濟的土木結構，不僅可以快速施工，還可以快速維修，因此未來的道路結構很可能是一種模塊化、可拼裝的道路結構。鋪面結構是一種多層體系的土工結構物，不同層次的結構所處環境、所受應力都不同。因此，未來的道路結構應該依舊是一種多層次的結構物，包含土基、基層、面層。其中，土基、基層是長壽命結構，使用壽命可長達100年甚至永久不破壞;道路的損壞都將集中在面層，而面層為可鋪裝化結構，方便維修、拆裝，且施工受天氣、環境的影響小。面層結構不僅可以快速安裝、維修，內部還可以安裝一些傳感設備，進而實現道路的信息化、自檢測、自調節及能量收集功能。

本文將從結構的角度出發，結合無人駕駛條件下人、車、路、環境的相互關系等信息，對未來適應無人駕駛的一種道路結構提出設想。

2 未來道路結構設計概述

圖1、圖2所示道路結構屬于多層層狀體系，主要包括表面可鋪裝的功能層、可拼裝基層、支撐樁基及土基。在土基上沿道路線布設支撐樁基網絡，將可拼裝的基層板安裝到樁基的支撐端頭上，保證板四角底部與樁基充分接觸，并且板底還有土體支撐。基層板為配筋的水泥混凝土板，內部可以埋設響應的傳感器及為實現某功能的響應器。面層為一層較薄的柔性功能面層，在基層板安裝并且整平后，將這種表面功能層鋪裝在基層板上，并且保證面層與基層有充分的黏結。可直接在面層功能層中埋置水位計、溫度計等路表測試傳感器，此外它還具有大孔隙、吸收噪音的功能。

這種道路結構涉及的功能面層、拼裝基層及支撐樁基均為工廠預制。在新建這種道路結構時，將工廠預制的樁基、基層板、面層卷材運至工地附近。首先需要對土基進行壓實處理，壓實后，使用靜壓的方式將支撐樁基壓入土基中，控制樁基之間的標高，形成樁基網絡。然后在樁基端頭設置接觸支座，使用吊車將預制好的水泥混凝土基層板吊至樁基上，安裝好后統一調整基層面板的位置標高。確定基層板的表面是否平整后，再在基層表面鋪設功能面層卷材。鋪設好后，進行層間加熱處理及壓實處理，保證層間的良好黏結。前期的土基及樁基安裝好后，接下來的水泥混凝土板及面層卷材可以實現快速安裝，縮短施工時間，提高施工質量。

在進行維修處理時，要確定維修范圍。如果只是面層出現損壞，則將相應區域的功能面層清除，重新鋪設一層功能面層卷材。如果是水泥混凝土板基層出現破壞，則將面層功能層清除后，使用吊車再使用吊車將水泥混凝土板掉出，將新預制好的水泥混凝土板放入原位，并且板周圍的接縫間距都要符合設計間距。在預制新板過程中，可以先采集要更換的板的信息，如進行三維掃描及超聲波掃描，了解板的相關信息后再對新板進行預制。將新板放入后，再在新板上鋪設面層卷材。在施工的過程中可以只封閉相關區域，其他區域可以正常行駛車輛，且相對于現場攤鋪，換板所需時間將大大縮短，對公路交通特別是干路交通具有重要意義。

3 設計細節描述

3.1 板底支撐及板間接縫

這種新型的道路結構將采用支座式的板底支撐，即在每塊板板角下設置支座，路面板的受力類似于橋梁結構，因此與之對應的路面板需要進行加筋加強，從而保證道路結構的受力穩定，除此之外，板底結構依舊有土體支撐保護。

在傳統的水泥混凝土路面結構中，板底脫空是引發接縫破碎、角隅斷裂等路面結構破壞的主要原因之一。這種新設計的結構采用的是板角支座支撐，只要保證每塊板的4個角都有有效支撐，就能避免板底脫空的出現，進而減少路面的損壞，延長路面結構的使用壽命。在板中埋置傳力構件，并與樁基上的支座相接，這樣可以約束水泥混凝土板的翹曲變形，抑制接縫因降溫收縮，進而可以減少溫度對接縫的影響。在接縫處填充一種可壓縮的密封材料，防止面層下漏的水對下部進行沖刷。此外，支座可以調整高度，在實際的施工過程中可以根據需要調整板體標高（如圖3所示）。

3.2 面層與基層黏結

在設計中，面層材料為一種使用柔性高分子聚合物作為膠結料的混合料，表面具有較大的空隙，可以快速排水、吸收噪音。將面層卷材攤鋪在基層面板上，需要保證面層與基層之間的良好黏結能力，否則面層材料很容易與基層面板脫落，在車輛荷載的作用下將很快出現損壞。對此，在開發這種聚合物混合料面層的同時可以開發一種層間材料，這種材料具有較高的吸收微波的能力。在鋪設好卷材后，使用微波加熱面層，微波被該層間材料吸收后可以與基層面板更好地黏合在一起（如圖4所示）。

3.3 縱曲線超高及橫坡問題

道路線型是一種復雜的空間曲線，因此要滿足空間曲線，這種拼裝式結構也需要進行相應的設計，即橫坡及縱坡的設計?？梢詫⑺嗷炷涟灞砻孢M行處理，使其上表面為空間曲面，在縱向上可以滿足總曲線的線型要求，而板底依舊與樁基支座充分接觸。為滿足線型要求，縱向上相鄰的兩根樁基端頭標高不同，相鄰的兩塊板板底標高也有所不同（如圖5所示）。

為滿足橫坡的要求，相關的設計思路與縱坡類似，即板頂表面也采用空間曲面的形式，相鄰兩塊板之間的縫隙能夠準確連接（如圖6所示）。

由于道路線型復雜，因此這種道路結構區段內的每一塊水泥混凝土板都不盡相同。可以采取BIM技術對整體的新建板塊進行設計、模擬安裝，在實際預制板塊時可以控制側模，在澆筑過程中通過工人或機器控制板頂面形狀。

4 總結

互聯網的高速發展促進了無人駕駛汽車的興起。要適應無人駕駛汽車的行駛，道路結構功能也要有相應的改進。本文對未來適應無人駕駛汽車的道路進行了功能分析，再引申至道路結構，并構想設計了一種適應無人駕駛的路面結構。其中，面層、基層為可鋪裝結構，路基樁基為長壽命結構，施工過程中可將面層、基層依次快速拼裝且面層、基層結構可以拆卸，從而實現快速施工、修復。在面層、基層結構內埋入相應的傳感器、應答器，可以服務于無人汽車的行駛。這種結構改變了傳統路面水泥混凝土板的受力模式，可避免傳統的水泥混凝土板的接縫破壞。相對于傳統的現場攤鋪，這種可拼裝道路結構在工廠預制，可以保證結構質量;在現場施工時間短，維修對交通帶來的影響也會大大降低，有助于保障無人駕駛汽車的行駛安全，提高人們的出行效率。

本文提出的這種道路結構只是一種初步構想，具體實現還需要克服許多技術難題。相對于現場攤鋪的道路結構，這種拼裝式的道路結構也存在如下問題：對于坡度較大的縱向曲線如何設計？如何實現板表面的空間曲面？根據板體的受力如何對板進行配筋？如何考量經濟性問題？

這些問題不僅是針對該路面設計結構，也針對所有預制板結構。目前，預制的路面板施工已經在國內外都有相關的研究與項目，但由于線型復雜，大多應用在機場道路，在公路上特別是曲線復雜的道路上應用較少。裝配式的路面結構不僅能應用于新建的道路，對既有道路結構也能實現快速修復，因此這種路面施工方式必定會成為一種趨勢，相信隨著研究及工程應用的深入，這些相關技術難題都將被克服。

參 考 文 獻

[1]陳超，呂植勇，付姍姍，等.國內外車路協同系統發展現狀綜述[J].交通信息與安全，2011（1）：102-105，109.

[2]楊帆.無人駕駛汽車的發展現狀和展望[J].上海汽車，2014（3）：35-40.