一种适应无人驾驶汽车的路面结构设计

张默晗 张沈莘

【摘 要】文章分析了无人驾驶汽车对于道路结构的功能要求，进而引申到对道路结构的要求。在此基础上，提出一种可满足无人驾驶汽车功能的快速拼装、可修复的路面结构的构想，并对相关的设计细节进行解释。

【关键词】无人驾驶;道路结构;模块化;快速拼装

【中图分类号】U41 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）10-0065-03

0 引言

近年来，互联网技术的迅速发展给传统的汽车工业带来了革命性的变化，无人驾驶汽车的概念也是越来越热，越来越多的企业开始涉足这块领域，将尖端的IT技术运用到汽车领域中，希望为消费者驾车出行带来更多美好的体验[1]。

无人驾驶汽车是一种智能汽车，也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪实现无人驾驶，它是利用车载传感器感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，实现车辆的自主安全驾驶，安全高效地到达目的地并达到完全消除交通事故的目标。美国NHTSA（美国国家公路交通安全管理局）分5级定义汽车的自动化等级[2]。0级：由驾驶员驾驶;1级：具备1种以上自动化控制功能（如自适应巡航和车道保持系统ACC等）;2级：以汽车为主体执行多种操作功能;3级：当以汽车为主体的驾驶行不通时可指示驾驶员切换为手动驾驶;4级：完全可以无人驾驶。

麦肯锡咨询公司预测，到2025年，无人驾驶汽车可以产生2 000亿～1.9万亿美元的产值;市场研究公司IHS预测，到2035年，4级完全无人驾驶车每年销量可达480万辆。可以说，无人驾驶汽车必定会成为未来道路的重要参与者。

道路交通是一种情况复杂的交通模式，包含人、车、路、环境多项相互作用的关系，而且随着每项关系的变化及各项关系变化的组合，这种相互作用关系也更为复杂。因此，要实现无人汽车驾驶，需涉及环境感知、模式识别、导航定位、智能决策控制、交通流控制及计算机技术等众多技术。道路行驶环境复杂，而传统的道路环境可能已经无法满足无人驾驶的需求。例如：在积雪、暴雨等特殊天气下，无人驾驶汽车经常会面临无法“看清”道路标志及其他线索等，进而无法实现安全行驶。因此，要实现无人驾驶，道路设施、结构、材料等都需要改进。

1 无人驾驶汽车对道路结构的要求

为了满足无人驾驶汽车的安全、高效行驶，未来的道路结构必须具有一定的功能，而功能的实现也对应着结构的确定。本文总结了几点未来道路要满足无人驾驶汽车的功能要求。

（1）无人驾驶汽车涉及车辆与车辆、车辆与道路、车辆与其他交通参与者的信息交互，以保障无人驾驶汽车的安全行驶，提高出行效率。这涉及信息的采集及信息的及时传递。例如，道路面层可以埋设传感器，检测过往交通的流、密、速参数，将相关信息传送给中央控制器，处理得到路网交通状况，再引导无人驾驶汽车选择、优化路径。此外，无人驾驶汽车在行驶的过程中需要检测前方车辆、行人等信息，而这些信息可以通过在道路上的传感器获取，并及时反馈给无人驾驶车辆，进而保障行车安全。要进行交通流信息、车辆行人信息的检测，必不可少地会涉及检测信息的传感器，可以将这些传感器埋入道路结构中。

（2）道路交通是一种复杂的交通行为，不仅在于其参与者的灵活多变，更在于道路环境的多变，而环境的变化很可能会给车辆行驶带来影响。例如，大雪天气下，路面的积雪不仅会影响路面抗滑性能，威胁交通安全;也可能会阻挡交通标志标线，而这很可能会导致无人驾驶汽车不能正常行使。因此，一种可以提高道路自适应能力，降低对车辆行驶干扰的路面结构对于无人驾驶汽车尤为重要。因此，与智能的无人驾驶汽车相匹配的是一种信息化、自调节的道路路网结构，这种路网结构可以保障无人驾驶汽车的行车安全，提高人们的出行效率。要实现道路结构的自适应，道路结构不仅需要感知目前的环境状况，还需要对当前的环境状况进行调整，因此需要在道路结构中埋置相应的感知传感器及调整设备。

（3）道路可对自身的状况进行检测。道路在实际的使用过程中，可以对自身的状况进行监测，如板底脱空、裂缝开展等状况，并将这些信息及时传递给道路的养护部门，提早做好相关的预防、养护工作，因此会涉及相关的传感器埋置。

（4）道路能量收集。道路交通用地所占空间巨大，可以接受大面积的太阳辐射，因此可以考虑在道路上设置光能转化装置。此外，道路上巨大的交通流在流动的过程中，会产生机械能损耗，可以考虑在路面结构内埋置相应的能量传感器，将这部分能量转化为电能回收，因此也会涉及能量转化装置的埋置。

要实现道路的信息化、自检测、自调节及能量收集工作，需要在道路结构内埋设响应的传感器等设备。通过以往的工程经验可知，在道路施工现场安装传感器等设备，不仅会增加施工时间，而且现场的意外因素很难控制，如天气、施工人员素质等，这些因素会影响传感器的埋设质量，进而影响到功能的实现。如果将这种路面结构在工厂预制好，在预制的过程中将传感器埋入，不仅可以保证传感器的埋设质量，还可以避免施工现场出现不可控因素，缩短施工时间，提升施工质量。

此外，未來的道路结构是一种耐久、经济的土木结构，不仅可以快速施工，还可以快速维修，因此未来的道路结构很可能是一种模块化、可拼装的道路结构。铺面结构是一种多层体系的土工结构物，不同层次的结构所处环境、所受应力都不同。因此，未来的道路结构应该依旧是一种多层次的结构物，包含土基、基层、面层。其中，土基、基层是长寿命结构，使用寿命可长达100年甚至永久不破坏;道路的损坏都将集中在面层，而面层为可铺装化结构，方便维修、拆装，且施工受天气、环境的影响小。面层结构不仅可以快速安装、维修，内部还可以安装一些传感设备，进而实现道路的信息化、自检测、自调节及能量收集功能。

本文将从结构的角度出发，结合无人驾驶条件下人、车、路、环境的相互关系等信息，对未来适应无人驾驶的一种道路结构提出设想。

2 未来道路结构设计概述

图1、图2所示道路结构属于多层层状体系，主要包括表面可铺装的功能层、可拼装基层、支撑桩基及土基。在土基上沿道路线布设支撑桩基网络，将可拼装的基层板安装到桩基的支撑端头上，保证板四角底部与桩基充分接触，并且板底还有土体支撑。基层板为配筋的水泥混凝土板，内部可以埋设响应的传感器及为实现某功能的响应器。面层为一层较薄的柔性功能面层，在基层板安装并且整平后，将这种表面功能层铺装在基层板上，并且保证面层与基层有充分的黏结。可直接在面层功能层中埋置水位计、温度计等路表测试传感器，此外它还具有大孔隙、吸收噪音的功能。

这种道路结构涉及的功能面层、拼装基层及支撑桩基均为工厂预制。在新建这种道路结构时，将工厂预制的桩基、基层板、面层卷材运至工地附近。首先需要对土基进行压实处理，压实后，使用静压的方式将支撑桩基压入土基中，控制桩基之间的标高，形成桩基网络。然后在桩基端头设置接触支座，使用吊车将预制好的水泥混凝土基层板吊至桩基上，安装好后统一调整基层面板的位置标高。确定基层板的表面是否平整后，再在基层表面铺设功能面层卷材。铺设好后，进行层间加热处理及压实处理，保证层间的良好黏结。前期的土基及桩基安装好后，接下来的水泥混凝土板及面层卷材可以实现快速安装，缩短施工时间，提高施工质量。

在进行维修处理时，要确定维修范围。如果只是面层出现损坏，则将相应区域的功能面层清除，重新铺设一层功能面层卷材。如果是水泥混凝土板基层出现破坏，则将面层功能层清除后，使用吊车再使用吊车将水泥混凝土板掉出，将新预制好的水泥混凝土板放入原位，并且板周围的接缝间距都要符合设计间距。在预制新板过程中，可以先采集要更换的板的信息，如进行三维扫描及超声波扫描，了解板的相关信息后再对新板进行预制。将新板放入后，再在新板上铺设面层卷材。在施工的过程中可以只封闭相关区域，其他区域可以正常行驶车辆，且相对于现场摊铺，换板所需时间将大大缩短，对公路交通特别是干路交通具有重要意义。

3 设计细节描述

3.1 板底支撑及板间接缝

这种新型的道路结构将采用支座式的板底支撑，即在每块板板角下设置支座，路面板的受力类似于桥梁结构，因此与之对应的路面板需要进行加筋加强，从而保证道路结构的受力稳定，除此之外，板底结构依旧有土体支撑保护。

在传统的水泥混凝土路面结构中，板底脱空是引发接缝破碎、角隅断裂等路面结构破坏的主要原因之一。这种新设计的结构采用的是板角支座支撑，只要保证每块板的4个角都有有效支撑，就能避免板底脱空的出现，进而减少路面的损坏，延长路面结构的使用寿命。在板中埋置传力构件，并与桩基上的支座相接，这样可以约束水泥混凝土板的翘曲变形，抑制接缝因降温收缩，进而可以减少温度对接缝的影响。在接缝处填充一种可压缩的密封材料，防止面层下漏的水对下部进行冲刷。此外，支座可以调整高度，在实际的施工过程中可以根据需要调整板体标高（如图3所示）。

3.2 面层与基层黏结

在设计中，面层材料为一种使用柔性高分子聚合物作为胶结料的混合料，表面具有较大的空隙，可以快速排水、吸收噪音。将面层卷材摊铺在基层面板上，需要保证面层与基层之间的良好黏结能力，否则面层材料很容易与基层面板脱落，在车辆荷载的作用下将很快出现损坏。对此，在开发这种聚合物混合料面层的同时可以开发一种层间材料，这种材料具有较高的吸收微波的能力。在铺设好卷材后，使用微波加热面层，微波被该层间材料吸收后可以与基层面板更好地黏合在一起（如图4所示）。

3.3 纵曲线超高及横坡问题

道路线型是一种复杂的空间曲线，因此要满足空间曲线，这种拼装式结构也需要进行相应的设计，即横坡及纵坡的设计。可以将水泥混凝土板表面进行处理，使其上表面为空间曲面，在纵向上可以满足总曲线的线型要求，而板底依旧与桩基支座充分接触。为满足线型要求，纵向上相邻的两根桩基端头标高不同，相邻的两块板板底标高也有所不同（如图5所示）。

为满足横坡的要求，相关的设计思路与纵坡类似，即板顶表面也采用空间曲面的形式，相邻两块板之间的缝隙能够准确连接（如图6所示）。

由于道路线型复杂，因此这种道路结构区段内的每一块水泥混凝土板都不尽相同。可以采取BIM技术对整体的新建板块进行设计、模拟安装，在实际预制板块时可以控制侧模，在浇筑过程中通过工人或机器控制板顶面形状。

4 总结

互联网的高速发展促进了无人驾驶汽车的兴起。要适应无人驾驶汽车的行驶，道路结构功能也要有相应的改进。本文对未来适应无人驾驶汽车的道路进行了功能分析，再引申至道路结构，并构想设计了一种适应无人驾驶的路面结构。其中，面层、基层为可铺装结构，路基桩基为长寿命结构，施工过程中可将面层、基层依次快速拼装且面层、基层结构可以拆卸，从而实现快速施工、修复。在面层、基层结构内埋入相应的传感器、应答器，可以服务于无人汽车的行驶。这种结构改变了传统路面水泥混凝土板的受力模式，可避免传统的水泥混凝土板的接缝破坏。相对于传统的现场摊铺，这种可拼装道路结构在工厂预制，可以保证结构质量;在现场施工时间短，维修对交通带来的影响也会大大降低，有助于保障无人驾驶汽车的行驶安全，提高人们的出行效率。

本文提出的这种道路结构只是一种初步构想，具体实现还需要克服许多技术难题。相对于现场摊铺的道路结构，这种拼装式的道路结构也存在如下问题：对于坡度较大的纵向曲线如何设计？如何实现板表面的空間曲面？根据板体的受力如何对板进行配筋？如何考量经济性问题？

这些问题不仅是针对该路面设计结构，也针对所有预制板结构。目前，预制的路面板施工已经在国内外都有相关的研究与项目，但由于线型复杂，大多应用在机场道路，在公路上特别是曲线复杂的道路上应用较少。装配式的路面结构不仅能应用于新建的道路，对既有道路结构也能实现快速修复，因此这种路面施工方式必定会成为一种趋势，相信随着研究及工程应用的深入，这些相关技术难题都将被克服。

参 考 文 献

[1]陈超，吕植勇，付姗姗，等.国内外车路协同系统发展现状综述[J].交通信息与安全，2011（1）：102-105，109.

[2]杨帆.无人驾驶汽车的发展现状和展望[J].上海汽车，2014（3）：35-40.