中国交通报:《积聚科研优势力量 服务交通强国建设》

发布时间:2019-01-02作者:冯秋香来源:中国交通报字体: 设置

铺筑更安全更环保更智能的路面


近日,全国首条应用于机动车道的全透水柔性结构沥青路面,在陕西省西咸新区沣西新城顺利完工。这条全透水沥青路面由长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室沙爱民教授科研团队主持研发设计,是全国首次将全透水柔性结构沥青路面应用于城市机动车道。


透水路面的结构层采用多孔材料,雨水通过路面材料的连通孔隙从面层入渗并部分渗入路基,能够较大限度缓解城市洪涝灾害,并补充地下水资源。在“2018海绵城市建设国际研讨会”上,这条透水路面作为主要示范工程向国内外学者和同行展示,获得广泛关注与赞誉。


长安大学道路加速加载试验研究中心作为特殊地区公路工程教育部重点实验室的重要组成部分,主要进行道路材料和结构的长期性能以及道路功能的试验与展示,包括路面长期性能加速加载试验与新型路面研究。在这里,像透水路面这样的新型路面还有好几种:保水降温路面、低噪音路面、反光路面、热反射路面、集能路面……可以说,每一种路面都呼应着未来交通发展的需求,凝结了团队的智慧和科研力量,具有良好的应用前景。

深耕路面承载力及耐久性研究


路面是暴露在室外的层状结构物,在自然环境中受车辆成千上万次的重复荷载,性能会不断衰变;不同的路面结构和材料,其使用寿命和使用性能有很大差别,“道路加速加载试验”就是以此为背景展开。


在室内铺筑路面结构后,模拟实际车辆轮胎的碾压作用,对路面结构和相关材料进行持续不断的往复加载试验,掌握和评价路面结构与材料的性能变化规律,对路面结构理论研究和路面材料组成优化研究具有重要意义,特别是在探索新型路面承载能力和耐久性方面,具有不可替代的作用。


道路加速加载试验研究中心实验大厅约2000平方米,拥有3台路面加速加载试验设备,包括1台道路路面加速加载试验机、1台小型路面加速加载试验机、1台学校自主研制的环形路面加速加载试验机,以及相关配套路面铺筑设备和测试仪器,形成了从直道到环道、低速到高速、常载到重载的加速加载试验系统,可以全面测试评价路面材料和结构的长期性能。


科研团队瞄准我国公路建设中的重大课题和关键技术,开展路面结构理论研究和路面材料组成优化研究,围绕我国高速公路建设中存在的长期性能不足,对涉及冻土地区公路、长寿命路面、盐渍土路基等西部特殊恶劣环境条件下的高等级公路修筑技术难题开展技术攻关。团队先后承担了国家科技支撑计划课题“多年冻土区高速公路高性能路面结构与材料耐久性能研究”、交通部西部交通科技项目“公路半刚性基层损坏机理分析及结构适应性研究”、港珠澳大桥主体工程岛遂工程研究专题“节段式沉管隧道路面关键技术”等多项课题的研究,科研成果在世界海拔最高的青藏公路、世纪工程港珠澳大桥等多个重大项目建设中应用,有力支撑了我国公路重大工程建设。


以半刚性基层材料为代表的路面材料和结构研究,攻克了我国高速公路路面基层开裂损坏的难题,突破了基层损坏对路面服役寿命的制约。路面服役性能的改善和使用寿命的延长,使半刚性基层沥青路面继续得以成为我国各级公路路面的典型结构,创造了巨大的经济和社会效益。

创新环保路面设计理论与方法


科研团队面向国家战略需求,围绕城镇化发展、“海绵城市”建设过程中面临的公路基础设施建设与自然、人居环境之间的矛盾,在国际上率先提出了“路面不仅是汽车行驶和行人行走的通道,而且是人们工作和生活的环境”的理念,建立了环保型路面的设计理论与方法。团队研发了具有我国自主知识产权的透水路面、低噪声路面、低吸热路面、尾气分解路面、主动融冰雪路面、明色反光路面等新型路面,并在加速加载试验大厅两侧铺筑了多种新型路面,使之成为集科研成果展示和课外教学实践于一体的“新型路面公园”。


透水沥青路面是由多孔沥青混合料、级配碎石等大孔隙材料作为路面结构层、允许路表水进入路面内部并流出路面或渗入路基土体的一种路面结构。根据其透水特点和适用场合等条件,分为三种类型:Ⅰ型—面层排水,Ⅱ型—基层(或垫层)排水,Ⅲ型—路表水直接进入路基。


根据对流、辐射和传导的传热方式,团队开发了保水式路面、遮热式路面和隔热式路面。保水式路面是利用路面孔隙保水材料中的水分蒸发,降低路面温度;遮热式路面是在路表形成热反射涂层,减少太阳热辐射;隔热式路面是在路面中设置导热系数小的隔热层,阻止热量向路面内部传递。


低噪音路面通过削弱轮胎与路面噪声声源和控制声波传播途径两个方式降低噪音。路侧远场测试方法测出的多孔降噪路面噪音值,较普通密级配路面大约低3—8分贝。相当于将听者与噪声源的距离扩大了一倍,或者交通量减少了50%以上。
反光路面主要是利用玻璃等反光材料对光的反射作用,提高沥青路面的可见度。玻璃在沥青混凝土中的大小和排列形式不规则,玻璃沥青混凝土路面中同时存在镜面反射和漫反射两种反射形式。反光路面可提高路面能见度,降低照明能耗,实现废弃物循环利用。


新型路面结构的研发,使我国在环保型路面领域达到国际先进水平,对建设环境友好型、资源节约型社会产生了积极影响和示范带动作用,为国家新型城镇化建设,尤其是“海绵城市”建设提供了强有力的技术保障。

集能路面研究取得重大进展


面向未来国家建设需求和世界交通科技发展前沿,该团队着眼于运用“互联网﹢技术”,面向智能道路,积极研发路面发电、智能传感、无线传输等高新技术,期待在路面能量收集与利用、路面信息状态智能分析等关键技术上取得突破,引领道路工程领域的技术创新,辐射和促进材料、信息、电子、能源等相关产业发展。目前,集能路面研究已取得重大进展,并在“新型路面展示区”铺设示范。


集能路面主要包括压电路面、热电路面和光电路面。压电路面是在路面内埋设压电晶体,在车辆荷载作用下压电晶体产生形变,激发出电荷,通过收集这部分电荷实现发电。热电路面通过在路面内或者路面外布设热电模块(TEG),将路面吸收的热能转化为电能。所获得的电能通过相关电力设置转换和存储,可用于路侧照明指示、电子信息牌、通信传输、周边居民用电以及通过无线传输汽车充电等。


千古百业兴,先行在交通。在丝绸之路的起点西安,长安大学将进一步强化公路交通、国土资源、城乡建设三大学科优势,提升人才培养、科学研究、服务社会的能力和水平,以不懈奋斗为交通强国建设作出更大的贡献。


以车路协同技术护航智慧交通


这里是全国高校唯一的车联网与智能汽车试验场,长达2.4公里的高速环形跑道上,曾疾驶过数不清的轿车、卡车等各类测试车辆。近几年,飞驰在这条跑道上的测试车辆又加入新成员,它就是智慧交通的重要载体之一——自动驾驶智能汽车。


近年来,长安大学车联网与智能汽车测试技术工程研究中心从车路协同系统概念入手,以智能交通领域的热点需求为目标,采用模块化构建方法,逐一攻克系统中的技术难题,取得了显著效果,为智慧交通发展提供了重要的科技支撑。

启动智能汽车﹢测试技术研发


为提高中国智能车研发水平,国家自然科学基金委2008年启动了“视听觉信息的认知计算”研究计划,并从2009年开始至今,举办了8届无人车“中国智能车未来挑战赛”。2010年,第二届“中国智能车未来挑战赛”在长安大学渭水校区汽车综合性能试验场举行。此后,长安大学从未缺席智能车挑战赛。


长安大学高度重视自动驾驶技术对交通运输行业未来产生的深远变革,组建了一支以赵祥模教授为带头人,以汽车、信息、电控、机械等学科中、青年专家和相关专业优秀博士生为骨干,包括相关领域优秀企业精英的自动驾驶汽车与车路协同研发队伍,经过多年协同创新,取得了丰硕成果。


团队开发了“信达号”和“前行者”无人车,多传感器融合技术的使用,实现了车载视觉传感器、激光雷达、毫米波雷达等多源异构传感器的融合,达到了对周围环境、障碍物、移动目标的精确感知,并通过多层次决策实现了无人车的最佳路线规划和轨迹精准控制,可以在完全无人操作的情况下完成既定任务。


在自动驾驶测试理论方面,团队建立了智能汽车测试的金字塔模型。该模型可将智能汽车测试分为“元功能测试—性能测试—加速虚拟测试—真实环境测试—用户体验测试”5个层次和“仿真测试、实验室测试、封闭测试、开放测试”4种类型。这一模型对智能汽车的功能与性能进行分级、分类测试,做到由易到难、由简入繁,通过多尺度、多层次等形式,反映智能汽车最全面的功能和性能指标,从而保证智能汽车上路前的安全。


在多年从事汽车检测理论研究与检测装备研发的基础上,团队开发出一套智能汽车快速测试系统,构建了一个包含城市道路、乡村道路、高速公路等多种道路交通场景的数据库,完成了车辆、台架和虚拟现实子系统之间的深度融合,制定了科学的测试流程和规范性测试方法,可实现复杂智能汽车任务的自动化和流程化测试,并最终完成了样机开发。


团队开发的世界上首套无人车室内测试平台,可以模拟车辆运动轨迹控制精度测试、移动目标物体防碰撞测试、平面交叉口信号灯识别与响应测试、隧道模拟测试、综合工况测试等30多个虚拟场景,可以在台架上实现无人车智能度和控制稳定性加速测试,还可以实现混合现实场景下无人车与人工驾驶车辆的博弈能力测试。

测试场地﹢设备性能国内领先


长安大学车联网与智能汽车测试技术工程研究中心拥有的车联网与智能汽车测试场,是在长安大学渭水校区汽车综合性能试验场基础上,通过电子化、信息化和智能化改造完成的,是通过交通运输部认定的自动驾驶封闭场地测试基地。


目前,研究中心拥有多种形式的道路与路面组合,建有2.4公里汽车高速环形跑道、2.6公里模拟乡村城市道路、1.1公里直线试车道,以及5种可靠性强化典型试验道路、1.3万平方米操纵稳定性实验广场、汽车驾驶适应性训练场、3种低附着系数路面、两种爬坡坡道、涉水路等智能汽车专用实验道路设施;构建了自动驾驶与车路协同测试场景40余项,可以开展各种极端条件下的自动驾驶车辆运动控制性能测试、自动驾驶车辆道路通行能力测试、自动驾驶车辆交叉口通行能力测试、自动驾驶车辆避撞能力测试、V-X车路协同测试五大类型的试验100余项。


同时,研究中心建成了世界上最完整的车联网异构网络,覆盖最全的车联网无线通信方式,包括4G-LTE、LTE-V、Wi-Fi、802.11p、EUHT五种无线网络,并连接各通信系统的光纤网络。同时建有大型的网络资源管理后台,真正实现了异构网络的融合、调度、管理及QoS质量保证。2019年,还将建成面向自动驾驶和车路协同应用及测试的低时延、高带宽、泛在连接的5G网络。


研究中心还构建了基于城市道路、乡村道路、高速公路的30多种柔性交通场景,用于车联网与无人车的功能和性能测试。已开发完成了一条基于柔性化组合和压缩交通场景的自动驾驶汽车赛道,可实现自行车避撞、行人避撞、S弯道快速通行、紧急停车避碰、交叉口自动通行、隧道自动通行、无人车之间相互超车等复杂场景环境下的无人车功能与性能测试。

着力推进产学研用紧密结合


近年来,长安大学先后承担了智能汽车、车辆检测与智能交通领域的国家863计划、国家物联网重大示范工程项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、教育部长江学者和创新团队发展计划项目、陕西省重点研发计划等科研项目20多项;承担了国内第一个系统研究自动驾驶车辆封闭场地测试理论与技术的国家重点研发专项课题《自动驾驶电动汽车封闭环境构建与场地测试技术研究》;在车联网与智能汽车测试领域申请/获得国家发明专利70余项,实用新型专利和软件著作权90余项;发表学术研究论文260余篇,其中被SCI、EI检索200余篇;获得国家科技进步二等奖两项、省级一等奖7项,形成了多项产学研成果,创造了良好的社会与经济价值。


研究团队先后完成了“汽车综合性能智能检测技术与装备”“道路信息智能检测技术与装备”“交通信息智能检测技术与装备”3个方向实验设备的集成及试验环境建设工作。近几年,“综合交通信息处理与共享平台”“交通信息云计算和云存储平台”“智能汽车半实物仿真测试平台”“车联网网络测试实验平台”“道路交通智能测控、仿真与预警技术平台”陆续搭建。良好的设备和实验环境为完成各类项目的道路试验、仿真实验、数值计算奠定了良好的基础,为项目研究过程中的数据获取、平台共享和人才培养提供了强有力保障。


在现有科研成果的基础上,长安大学大力推进行业发展联盟建设和科研成果产学研用转化工作,促进高校与企业深度合作,以及科研成果的转化推广工作。


2016年,长安大学与中国移动、清华大学组建了车联网教育部联合实验室,着力解决以下问题:车联网环境下汽车智能出行基础理论与方法、车辆和交通移动通信及大数据基础理论;基于车联网的汽车安全与节能理论和方法、用于车联网大数据信息服务的系统集成理论与方法;ADAS/自动驾驶对通信的需求理论、基于LTE-V/5G的自动驾驶理论与方法等。


2017年3月,由长安大学与清华大学、中国移动共同发起,联合相关高校、科研院所、通信与汽车制造企业、行业主管部门等近30家单位,组建了“车联网与智能汽车测试技术”创新联盟。长安大学为首届理事长单位,清华大学和中国移动为副理事长单位。联盟以市场需求为导向,以服务行业企业为目标,通过政产学研用深入合作交流,探索以企业为主体、产学研用为纽带的车联网和智能汽车发展新模式,推进我国车联网与智能汽车产业的快速发展。创新联盟的工作开展,则依托汽车综合性能试验场内建设的各类真实交通设施,用于智能汽车与车联网应用场景测试。


当前,我国在智能汽车、车路协同、智慧交通等相关领域问题的科学研究方兴未艾。长安大学车联网与智能汽车测试技术工程研究中心将以促进智能汽车、车路协同和车联网产业技术进步与人才培养为己任,着力解决产业发展中的关键技术,加快科技成果转化和推广应用,培养创新型研发人才和团队,为推动车联网与智能汽车产业可持续发展,全面提升交通运输行业创新能力提供强有力的智慧保障和科技支撑。


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