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智能道路:当代公路工程的创新与发展
工程科学与技术,国际期刊25(2022)100986审查智能道路:智能时代高速公路创新的艺术状态Andrea Pompigna,Raffaele MauroDICAM University of Trento,Via Mesiano,77,38123 Trento,TN,意大利阿提奇莱因福奥文章历史记录:2020年12月31日收到2021年3月2日修订2021年4月14日接受2021年5月7日网上发售保留字:智慧公路智慧公路智能交通系统自动驾驶汽车A B S T R A C T我们正在经历的这些年通常被认为是智能技术时代。Smart现在是一个很流行的词,意思是聪明、聪明、敏锐、领悟力强如果我们把它看作是自我监控分析和报告技术的首字母缩写,就可以理解它的广泛含义,以表明当今社会日常生活中的创新技术的基本特征因此,智能时代的到来,也就是智能技术的时代,与过去相比,已经极大地改变了当今社会的许多方面在这一背景下,出现的一些问题涉及运输基础设施系统,首先是公路运输。这项研究提出了一个主要问题:道路如何适应这场智能革命?实际上,本文旨在通过对智能道路领域的创新现状进行广泛讨论,概述道路工程中的智能方法,即智能时代的道路在明确了智能道路的主要功能后,综述了实现这些功能的创新技术。对高速公路型基础设施、城市道路和交叉口进行了深入研究,关注各种技术方面以及管理层、用户和社区可感知的利益。因此,本文通过创新技术为新的智能和互联移动性提供了这个极具活力的行业的鸟瞰©2021作者。 由Elsevier B.V.代表Karabuk大学出版这是一个开放获取CC BY-NC-ND许可证下的文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。内容1.介绍22.公路工程中的智能道路概念3.智能道路的关键功能和创新技术3.1.倾听自己声音的道路3.2.连接、通知和规范63.3.适应环境的道路83.4.第9章养活自己的路3.5.智能城市、智能道路和智能交叉口104.智能道路作为社会和环境可持续的现代道路运输愿景5.结论13竞争利益声明参考文献14*通讯作者。电子邮件地址:andrea. unitn.it(A. Pompigna),raffaele. unitn.it(R. Mauro)。由Karabuk大学负责进行同行审查。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.04.0052215-0986/©2021作者>。由爱思唯尔公司出版代表Karabuk大学这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestchA. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)10098621. 介绍在20世纪80年代,从模拟电子和机械设备到数字技术的进步导致了人类的革命,即所谓的数字革命。也被称为第三次工业革命,从60年代开始的创新推动[1],它标志着信息时代的开始,在接下来的几年里,通常被称为计算机时代,数字时代或新媒体时代。从世界经济论坛创始人克劳斯·施瓦布(Klaus Schwab)给出的定义开始,在过去的几年里,一些人已经认识到第四次工业革命是在第三次工业革命的基础上发展起来的这场新的革命通常也被称为工业4.0,它将把计算机化和互联带入传统行业,将物理世界与虚拟世界连接起来,实现更高水平的自动化,提高运营生产力和效率。我们现在所经历的通常被认为是智能技术时代,描述了一个个人在数字领域之间移动的世界,使用互联技术来实现和管理他们的生活[2]。如今,智能是一个非常热门的术语,其含义是实际上,术语“智能”可以被视为“自我监控分析和报告技术”的首字母缩写[5],尽管这个首字母缩写是在计算机科学中创建的,用于表示控制硬盘驱动器可靠性的因此,与过去相比,智能时代的到来严重改变了当今社会的许多方面。这方面的重大创新正在逐步体现当前现实的多个方面,包括科学、经济、教育、卫生、治理,改变人们的生活方式,并提出对地球生态系统可持续性的新关注。智能技术正在深刻改变商业模式、制度和整个社会,使协作资源变得可用和可及。其中包括若干信息和通信技术(ICT),如终端用户互联网服务系统、物联网(IoT)、云服务、大数据、人工智能(AI)和边缘计算(EC)。从智能技术的概念出发,一个自然的延伸将我们引向了“智慧城市”的概念现代城市集合了现代社会生活的诸多方面,流动性作为一个重要的问题以广泛而反复的方式出现智慧城市的关键使能技术大多在ICT领域得到具体化[7]。工业4.0及其在物联网(IoT)中的具体表达允许创建一个由嵌入电子设备、软件、传感器和网络连接的互连物理对象组成的庞大网络,成为下一代智能城市的构建模块[8]。因此,智慧城市整合了来自传感器、通信技术和各种物理设备的信息,以优化城市运营和服务的效率,为市民提供可持续、繁荣和包容的未来[9]。因此,智能技术可以以富有成效和有效的方式组织起来,以促进智能和互联的移动方案,从而优化城市功能和服务,提高能源效率,促进社会,经济和环境的可持续性。信息和通信技术使智能交通系统的设计和实施成为可能[10,11]。ITS结合了各种技术和服务来优化移动性,使运输部门更安全,更可持续和更高效。在这方面,出现的一些问题涉及运输基础设施系统,首先是公路运输。从这个角度来看,一些问题出现了:道路如何适应这场智能革命?如果需要对道路和高速公路的概念进行一些革命性的改变,他们如何变得聪明?“智能道路”和“智能高速公路”是什么我们可以找到“智能高速公路”的许多定义从更深层次上讲,这是一个关于未来道路的广泛概念,着眼于以智能方式应用新技术提供的机会的创新想法。 因此,我们可以说智能高速公路将物理基础设施与软件和数据相结合。在这些方面,道路本身可以成为创新的平台。智能高速公路将允许将技术集成到当前的交通道路中,包括连接设备和物联网,以提高运输效率,司机随着“智能”、“智能城市”、“智能移动”和“智能高速公路”概念的普遍吸引力,从2010年1月到2021年2月,Google趋势[15]特别是,考虑到2010年和2020年的整体年度价值,“智能”增长约94%,“智能城市”增长165%,“智能移动”增长82%,“智能高速公路”增长64%。更具体地说,如果我们看看过去二十年的研究领域,增长更加一致。图2显示了2000年至2020年Scopus[16]索引的年度文档数量的指数增长趋势,其中包含“智能”、“智能城市”、“智能移动”和“智能高速公路”等术语。+参考字段中的“智能道路”。在过去的十年中,世界上已经启动了几个使用应用于道路运输的创新技术的实验项目,例如支持高速公路走廊管理项目的智能系统和设备,特别是由基础设施管理者和地方政府[17]。最近,人们对智能道路的兴趣已呈现出系统性的特点。在过去的几年里,许多政府和交通管理部门已经将智能技术的价值理解为不是在单一基础设施走廊层面上进行的孤立和循环实验,而是对整个道路网络进行有效和创新管理的综合系统设计。智能高速公路可以从作为各国交通系统骨干因此,智能道路似乎是道路网络的不久的将来,智能正在成为道路工程领域研究和开发的一个有前途的方向,无论是在建设和管理[13]中,建筑信息建模(BIM)[18,19]和智能交通系统(ITS)[10,20]的不同集成应用促进创新,自动化,连接,合作,主动性,安全性和成本节约。智能道路是欧盟计划“合作英特尔”的关键部分智能交通系统创新、合作、连通性和自动化将使欧洲2016年11月30日,欧盟委员会通过了欧洲C-ITS战略,A. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)1009863Fig. 1. Google趋势搜索兴趣的时间序列-从2010年1月到2021年2月的以促进欧洲各国投资和监管框架的趋同[21]。在此背景下,欧洲国家(以及一些市场运营商)组织了在一个共享智能道路创新项目和经验的共同框架中,这就是C-ROADS平台[22]。A. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)1009864从环境和社会可持续性的角度来看,事实上,本讨论旨在根据智能时代移动性的焦点,强调这些当前创新在道路移动性基础设施和服务市场中的一些优势和关键性。本文件的结构如下。在第2节中,将在道路基础设施设计和管理的更广泛背景下讨论智能道路主题。因此,第3节介绍了公路运输技术及其一体化政策的一些进展,这些进展确定了未来公路的发展道路。最后,第4节讨论了对创新的环境和社会可持续性方面进行了综述,第5节定义了一些结论。图二. 2000年至2020年Scopus索引的年度文献数量(对数尺度)[16]这些在欧洲层面上表达的重要立场正在启动成员国的政策,随后是倡议以及所涉及的实体和运营商的第一批行动。在这方面可以指出的一个例子是:意大利案件。2018年4月,意大利基础设施和交通部(MIT)发布了一项具体的法律,即所谓的智能道路法令(DM28/02/2018)[23],智能道路还应该指出的是,意大利议会于2017年底批准了2018年预算法中对国家层面智能道路的重要参考。智能道路法令确定了功能标准创造更多连接和更安全的道路,可以与车辆上的用户进行通信,提供有关交通,事故,天气状况的实时信息,以及新技术带来的其他信息,以提高旅行舒适性和更好的基础设施管理。麻省理工学院还确定了这一创新方向的第一批干预措施,这些措施将涉及高速公路网络,考虑新建设或需要特别维护的路段。在第一阶段,到2025年,将对属于TEN-T网络的意大利基础设施,跨欧洲网络运输和整个国家高速公路网络采取行动;逐步地,服务将扩展到综合国家运输系统的整个网络。在欧洲和国家机构,Anas S.p.A.自2018年以来一直是FS Italiane集团的一部分,负责管理意大利国家拥有的道路和高速公路的股份公司已经准备好其智能道路计划为该国提供一个高效的道路网络,迎接未来的新挑战,在未来10年内总投资约10亿欧元。回到国际范围,如INDUSTRY在2009年报告的那样,根据《2019年ITS行业报告》[25],智能道路技术属于一个不断扩大的领域,具有巨大的市场前景和机会。该报告估计,未来几年该市场的增长率将达到每年7%,2022年欧洲的年度预测将超过20亿欧元。在这一背景下,这是创新和动态的职业,本文旨在提供一个概述的智能方法在道路工程提出了广泛的,但不是详尽的,讨论了目前的最先进的智能道路发展。从定义智能道路的功能以及智能城市背景下更普遍的移动性开始,这项工作回顾了因此,本文建议讨论这些创新实现愿景目标的实际能力2. 用于公路工程中的智能道路概念几十年前,法拉利[26]概述了未来的汽车道路。在交通控制技术出现之初,他确定了基础设施发展的方向,即更加专业化,利用交通管理控制系统,通过有效的干预和有限的资本和土地使用承诺,确保公路基础设施的效率、可靠性和安全性法拉利[26]将交通基础设施的更高安全性和可靠性与车辆使用的更少自由度联系起来。这样,可靠性和安全性在城市道路上最低,在铁路基础设施上最高;它们也随着车辆数量的增加而下降。从这个意义上说,他认为高速公路是20世纪30年代和40年代试图建立一个比城市道路更严格的规则和控制的公路运输系统的结果,使其性能更接近铁路。控制,可靠性和安全性之间的联系显然来自这些考虑,并进入智能时代,这是法拉利[26]所写的未来。在智能时代,控制策略与传感器网络、连接与合作、物联网和AI齐头并进,而这一切都以一种示范性的方式发生in the world世界of transport交通systems系统.正如在引言中已经提到的,合作智能交通系统(C-ITS,根据欧洲命名法)是一种基于车辆之间以及车辆与物理基础设施之间的通信和合作的新兴技术。这是如此真实,所谓的联网车辆(CV)和智能道路概念通常被认为是同义词。尽管这肯定是一种简化,但正如在引言中所看到的以及在前面的项目中所阐明的那样,CV代表了智能道路的核心元素。在一个非常综合的方式中,我们可以说CV配备了先进的通信技术,允许在运输系统的各个元素之间交换信息,配置通常被称为Vehicle to Everything或V2X的东西。V2X网络连接实际上是相对于车辆与外部世界之间的关系的性质来指定的,包括车辆到车辆(V2V),车辆到基础设施(V2I),车辆到人(V2P),车辆到网络(V2N)。新的V2X技术,即使与非CV混合,也引起了越来越多的关注,因为它引入了新的运营模式,改变了交通流基础和管理,并重新设计了安全和移动管理[28,29]。正如Guerrieri等人[30]所强调的那样,车辆自动化的最新创新使得有必要研究公路工程中的新设计标准。这些作者指出,未来的道路发展将产生一个过渡,从目前的交通系统的基础上相互作用的人-车-路组成部分A. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)1009865图三. 智能道路的主要特征。智能系统,只有因此,设计标准将被修改,因为在驾驶过程中人为因素将不那么重要[31]。根据这些假设,Guerrieri et al.[30]提出自动化公路的设计准则,包括停车视距、直道设计、平圆曲线设计、缓和曲线设计、顶竖曲线设计、凹竖曲线设计、通行能力估算和安全状况评估。如果连接和合作成为V2X背景下智能道路配置的基本主题,那么必须扩展视角,以全面展示智能道路概念。对此,赵武[13]和基于枚举定义是非常有用的充分分类的条款和功能。因此,对于这些作者来说,智能道路涉及四个基本项目(见图1)。(3):信息交互,即链接用于道路和车辆监控的智能设备以及连接智能通信系统内的传感器网络和数据库的能力;自适应,即自动调整以适应道路的各种情况的能力;能量收集,即能够从路面、路基和其他基础设施收集绿色能量,并为整个智能道路系统或其他物体提供能量。根据列举式定义[13],每个项目通过一定数量的功能(例如,结构健康监测或自我感知服务项目的流量检测)来体现自己,这些功能又通过技术(例如,无损检测技术或分布式传感器检测)来实现。显然,为了正确分类,智能道路不能被视为单一和独立的服务项目,功能或技术的集合。就其本质而言,智能道路是一个系统,其中集成了项目以及允许其实施的功能和技术或设计解决方案。这种集成必须遵循两个层次[13]:一个逻辑层次,定义主题项之间的连接(例如,自我意识和自我适应之间的逻辑联系,即基于所监测的内容的适应;自我意识和信息之间的逻辑联系,即告知现有状况;自我适应和信息之间的逻辑联系,即告知发生的变化;等等);物理框架,是逻辑框架的具体实现,实现智能道路功能的技术从这个角度来看,回顾项目列表,对未来智能公路的设计标准和施工技术的关注必须包括在更广泛的背景下与基础设施“学习”,“互动”,“适应”和“饲料”能力相关的其他方面以下部分将对这些方面进行深入研究,确定智能道路的关键功能和创新技术即智能时代的高速公路概念3. 智能道路的关键功能和创新技术3.1. 倾听自己声音的路在智能道路系统中,所有组件都是在短时间内生成的大量有用数据的来源。这是因为智能道路利用传感器和设备来监测基础设施的状况或交通状态。这些数据是大数据资源[32],包含有关基础设施状况和驾驶员行为的详细信息在智能道路系统中,可以从各种来源[33,34]获得数据,例如大量传感器、智能卡、卫星系统、摄像头、社交网络等。这些大数据资源在逻辑上和物理上都是分散的,但它们需要在可接受的时间内集中、处理和互连,以便系统的每个组件都可以使用Lopes等人[33]确定了三种主要的交通数据收集方法,即路边数据、广域数据和浮动车数据。路边数据涉及车辆交通,涉及微观和宏观交通变量、车辆类型和重量,这些变量由位于路边的传感器和设备测量。这些传感器和设备可以是:感应磁环、气动路管、压电环阵列;微波雷达、超声波和声 学 传 感 器 系 统 、 磁 力 计 检 测 器 、 红 外 系 统 、 光 检 测 和 测 距(LIDAR)以及视频图像检测器。广域数据监控公路交通条件在一个定义的区域内使用:摄影测量采集和处理,视频和音频分析,卫星采集从空间。随着最近的技术发展,基于车辆的检测代表了越来越多使用的数据收集方法浮动汽车数据(FCD)是指使用车辆作为传感器并提供点对点路径的移动数据收集,其中包含有关行程的详细信息FCD技术的示例是:无线通信和全球导航卫星系统(GNSS),诸如用于V2V和V2X协作的全球定位系统(GPS)设备、车牌识别(LPR)系统、车载应答器单元(OBTU)。配备各种浮动传感器的车辆有可能成为使用移动交通单元中的众包传感器进行交通基础设施监控的完美工具[35]。一种适用于智能道路的扩展监控系统电容传感器、振动传感器、加速度传感器、红外传感器和光纤传感器,以获取关于基础设施的状态(振动、应力、磨损、故障等)的信息。和周围环境(温度、天气湿度、压力、风、照明、能见度等)。考虑到基础结构和环境状况,我们可以区分路面和路基/土壤监测[13]。路面状况传感器涉及例如温度、湿度检测、结冰状况、结构损坏检测;路基/土壤斜坡传感器涉及路基冻融监测、路基沉降监测、斜坡稳定性监测。因此,由于安装了大量连接的传感器,智能道路能够倾听自己的声音。近年来,传感器领域的发展是巨大的,因此在道路领域的应用也越来越多。●●●●A. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)1009866bly,允许开发这样的系统,在该系统中,事物和人可以在任何地方连接,激活流程并以富有成效的方式交换数据 这是物联网的前沿,被称为万物互联和无处不在(IoEE),从智能城市和智能移动的角度来看,这是一个无处不在的连接网络[36]。小型化是在IoEE背景下操作的技术设备的研究和生产的驱动因素这些微器件网络形成了所谓的在获取最新和详细信息的领域,无人机(UAV)也提供了越来越多的机会。无人机,或最常被称为无人机,以其高时空分辨率和灵活性呈现出强大的动态集成能力。它们可以用于与道路安全(事故调查,风险评估),交通监控和管理(车辆检测和交通参数提取,交通流量和交通行为分析)以及公路基础设施管理(结构检查,路面状况,道路病害监测)相关的不同目的[37]。这些不同性质的传感器以及由此产生的与基础设施、环境和交通状况相关的大量数据,执行了被确定为智能道路自我意识的关键功能。3.2. 连接、通知和规范的道路如上所述,共享信息、连接和合作成为智能道路的基本主题。因此,信息交换系统是智能道路中需要配备的关键要素,提供条件(基础设施和环境)数据和车辆数据的上传和相关反馈[12]。用于智能道路的IT网络基本上基于无线通信技术,并且特别是基于确保快速漫游和连续通信服务的动态这些通信系统在确保人与数字设备之间的连接、车辆连接、基础设施连接及其相互连接方面发挥着重要作用。智能道路使用者共享传感器收集的信息,并通过技术系统和应用程序进行处理,以获得更舒适、可靠和安全的驾驶体验。因此,通过车载设备和/或个人设备(例如智能手机和平板电脑)向用户提供实时服务每个装有传感器的技术设备,无论是道路上的结构还是车辆,都是IT网络的一部分所有这些连接的设备,每天每分钟都收集大量的数据,共同形成了所谓的物联网(IoT)。实际上,物联网是机器对机器通信(M2M)的演变如果M2M将一个设备连接到另一个设备,则IoT将不同的M2M技术连接在一起,以便在相同类型的多个设备之间传输数据,而无需人为干预[38]。因此,在设备和传感器之间收集和交换的关于车辆、基础设施和周围环境的大数据是智能道路的生命线。在不久的将来,预计大数据分析将显著增加其在道路管理、安全和维护中的作用,使我们能够在现有的道路网络物理基础设施上建立数字层,以收集有关我们的高速公路的更好的数据[39]。为了确保积极的感知(即倾听自己),并将其转化为自动识别(学习和告知),智能道路所需的能力[40],这些涉及基础设施及其日常运营各个方面的大量数据?(or更好的是,其瞬时功能)必须被适当地收集、过滤、处理和分类。一方面,物联网产生了大量信息,另一方面,数据驱动的技术被归类为所谓的人工智能(AI),提供了算法to make sense感of all thisdata数据.机器学习和深度学习为预测分析提供了各种先进的分析工具,这反过来又可以为预防措施提供信息[41]。除了这些大数据分析算法之外,人工智能认知计算工具还允许随着时间的推移观察数据,强调学习,记忆创建,经验检索和智能道路适应性的作用。在智能道路上,车辆相互交换信息,与基础设施以及其他感兴趣和授权的主体交换信息。以非常一般的方式,我们讨论车辆到X的连接,用词V2X(参见图4),其中X可以由[27]表示:V,表示另一通用车辆,例如提供和接收关于交通状况的警报; I,表示基础设施,例如允许车辆被警告规则(速度限制、交通限制等)。或临时事件(事故、维护操作、工作区等)并且最终使驾驶适应当前或未来的环境; P表示人,用于与附近的设备进行数据交换以接收信息; N表示网络,用于与操作控制中心(OCC)进行数据交换。V2X连接可以通过可变速度限制、匝道控制、硬肩行驶、队列行驶和其他协作自适应巡航控制系统[43](参见第3.3节),全面且有利可图地应用现代公路交通管理解决方案。在不久的将来的智能高速公路中,联网车辆也将是自主的,因此它们被称为CAV(联网和自主车辆),即。配备非人类驾驶系统的车辆车辆自动化是人工智能在交通领域的具体应用通过使用大量的数据(我们已经确定为大数据,并且由智能道路不断产生),人工智能算法使计算器能够为人类执行活动,例如驾驶。从简单的驾驶员辅助到全自动化(根据国际汽车工程师协会[44]标准中定义的5个自动化程度,如图1所示)。自动驾驶汽车(AV)配置了不同类型的传感器,使它们能够适应现有的道路环境,这要归功于车载技术。实际上,如果AV可以与系统的其他X元素建立持续的对话,则在现实世界中,这种cir- cumstance是可以有效且安全地实现的。也就是说,在一个环境中,见图4。 V2X技术。A. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)1009867图五. SAE汽车自动化水平。我们称之为CAV的自主和联网车辆。车载自组织网络(VANET)、专用短程通信(DSRC)和无线局域网(WLAN)(如Wi-Fi)提供了有效支持安全V2X通信的潜力[45]。VANET允许在小距离内相互靠近的车辆连接和交换信息,并通过建立广泛的网络使路边设备与车辆VANET通过DSRC技术实现,以创建无线V2X通信。该领域的技术发展迅速,新协议提高了通信的效率和安全性[46](例如,卫星、蜂窝、Wi-Fi无线局域网(WLAN)及其在车辆环境中的无线接入(WAVE)演进、蓝牙无线个域网(WPAN)、毫米波、红外和射频识别(RFID))。由于VANET内通信的完整性非常重要,并且基础设施的安全性和用户的隐私/安全性依赖于它,因此不断提出新的解决方案以提高对可能攻击的抵抗力[47]。从这个意义上说,最新的创新涉及使用从比特币加密货币借用的计算范式,即所谓的区块链技术[48],基于分布式账本,可以由网络上的多个节点读取和修改。分类账条目被分组为新区块的添加由共享协议全局管理一旦新块的添加被授权,每个节点更新其私有副本,这保证了不存在可能的操纵。虽然区块链技术仍处于早期阶段,但它在运输系统领域也非常有前途,如Astarita等人所示[49]在其最新的文献综述中。在最近的工作中,Guerrieri等人。[50]认识到积极的环境,智能高速公路与传统高速公路相比的心理影响。他们使用生命周期评估LCA分析,考虑到基础设施建设和维护的影响,交通排放产生的环境影响以及与创新障碍和ITS解决方案(如排队)相关的安全影响(见第3.3)。结果表明,与传统公路相比,新型智能公路的能源消耗、污染物排放和事故事件显著减少几项研究由于驾驶员的感知和反应时间的减少(人为因素)而增加;流动中断现象的频率的减少(流动不稳定性);由于事故数量的潜在减少而导致的安全性实际上,这些是法拉利[26]在几十年前(见第2)就已经看到的结果,这是高速公路交通管理控制系统越来越多的结果除了基础设施运营,从智能道路收集的数据也将有助于城市规划和基础设施设计与管理。交通大数据存储和分析可以被工程师用来分析特定区域的交通流量,检测宏观和微观变量的时空波动,并寻找最佳解决方案来防止拥堵和管理流动性,具有高标准的效率和安全性这也发生在使用各种级别的模拟技术(即宏观、中观和微观)时,这些技术通常表征流量工程的分析方法对于基础设施和环境数据也可以进行类似的考虑,这些数据可以流入建筑信息建模(BIM)平台,用于表示基础设施及其组件,突出显示与周围环境的关系因此,BIM组织来自传感器网络的数据不仅用于设计目的,而且还用于支持基础设施运营的建设,维护和管理。交通、基础设施和环境数据是结构健康监测(SHM)系统的动力来源。SHM是指对结构系统的材料和/或几何特性进行变化检测以确定系统健康的当前状态的过程。在高速公路设计、管理和维护领域,这尤其涉及桥梁、高架桥和隧道等关键结构[51]用于快速状态筛选,以近实时地提供关于结构完整性的可靠信息这是一个新的视角,将当前的被动方法转变为新的主动方法[50]。第3.3探讨了一些解决方案,这些解决方案使用有关周围环境和基础设施状态的信息,以使后者能够更好地应对当前发生的事件。除上述内容外,还应注意,智能道路的一个非常重要的组成部分是向道路使用者提供有关当前状况的准确信息由于车载或个人设备,信息可以在车辆内提供,其方式是通知驾驶员和用户,而不是分散和混淆驾驶员和用户。增强现实(AR)作为一种人机交互界面具有巨大的A. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)1009868司机从基础设施的角度来看,智能解决方案是在配备各种传感器和LED显示屏的专用自适应路标和标记上显示信息内容[53]。由于这些也是自适应组件,因此在第3.3节中对其进行了详细说明由于4G技术的限制,所有这些应用都将随着5G通信的到来而得到显著的推动[54]。5G和边缘计算将允许处理大量本地生成的数据,并以更紧凑的形式将相同的数据发送到远程系统。由于任何地方的网络可用性的出现克服了当前的时间和数据大小的界限[54],这两项关键技术将允许在设备和传感器中应用具有更大弹性和更高实时效率的智能层,以生成先进的通信系统,使协作,连接和自动驾驶可行且有效[25]。最有效地管理这种巨大的数据流量将是6G的任务。这种第六代移动技术将被要求解决这一工程和计算挑战,具有更高的带宽和更低的延迟,这将确保更快的响应时间,甚至更多的设备连接到一个天线。6G将确保密集的人工智能存在,为人类和非人类用户创建上下文敏感的智能服务和应用,以及无处不在的服务,这些服务将无缝地跟随用户。3.3. 适应环境如前所述,CAV和V2X连接性为更有效地实施公路交通管理的ITS解决方案提供了可能性,例如:可变限速、坡道计量、动态车道管理和硬肩行驶、排队和其他协同自适应巡航控制系统策略[43]。这些都是一种可以被视为自适应智能道路应用的解决方案。可变速度限制(VSL)和速度协调(SH)策略[56VSL和SH可以涉及在拥挤区域或工作区之前逐渐降低速度,以减少拥挤并提高安全性。交通传感器监测实时状况,并将信息发送到OCC以计算最佳速度。这些信息与车辆共享。它可以在联网车辆的车载设备上提供给人类驾驶车辆的驾驶员,也可以在非联网车辆的自适应高架标志上提供给人类驾驶车辆的驾驶员,或者由CAV直接使用,以将其速度调整到推荐的水平。匝道计量(RM)和协调匝道控制(CRC)策略[58,59]用于调节进入高速公路的车辆数量,以确保最佳的交通运行。入口匝道由自适应交通信号控制。红/绿时间由AI算法提供支持,该算法使用实时交通数据来确定最佳进入率。因此,车队的入境车辆被打破符合估计的最佳入境率。剩余的车辆在坡道上排队,试图并入主线。RM/CRC算法确保主线车辆不需要降低速度,这要归功于进入车辆的最佳时间间隔动态车道管理(DLM)和硬路肩行驶(HSR)[60,61]是现有高速公路横截面的重新配置策略。如果路肩车道被转换为车辆的附加车道,那就是硬路肩行驶。高铁一般采取动态的特点,这使得在高峰期增加高速公路的能力。行车道上的高架标志指示硬路肩是否对交通开放,以及强制限速,该限速取决于交通状况和高铁开通/关闭。在某些情况下,Pos-路肩车道是永久性的,即路肩车道仅在紧急情况下关闭。这种操作方案以全车道运行(ALR)的名义进行[62]。一种特殊类型的DLM是逆流车道(CFL)[63为了暂时增加道路的方向通行能力而将一些车道反向。由于支持动态车道反向的基本要求是反向操作必须进行的速度和安全性,这极大地限制了其在实际情况中的应用。车队的概念是指一组车辆在车队中行驶,彼此之间的距离很短。由于通信技术(VANET DSCR),排的管理可以自动和安全地完成。这些车辆可以相互通信,以便与起主导作用的车队头部同步行驶。排队是一种交通控制和优化策略,在货物运输领域正在经历各种实验和首次应用,即所谓的卡车排队。第一批应用程序开始适用于同一品牌的车辆,等待跨国网络上的品牌间扩展[66],例如欧洲网络[67]。除了从增加基础设施的容量和安全性的角度来看的优点之外,卡车排队还可以通过提高效率和可持续性来实现进一步的好处:减少空气阻力的摩擦,减少燃料消耗和排放,从而降低商业和社会成本[68]。这些战略,这是简要回顾,将确定- mine有趣的增强应用程序在未来的智能道路,由于车辆的连接和自动化,实时数据的可用性,应用IA为基础的决策系统和自适应的公路元素。如前所述,基础设施适应性的一个重要方面涉及道路标志和标线。最新一代道路标志的基本要素是它们的自适应信息LED面板显示由本地传感器实时监测的数据或由OCC处理,作为可变信息面板(VMP)的进一步发展,可变信息面板(VMP)长期以来一直配备传感器的自适应交通标志和路灯可以采用多功能杆或多功能站的形式[24],通过最合适的技术和通信解决方案实现,以确保信息的最佳可用性。与自适 应照明和 标记相关 的智能公 路创新包 括动态线 条标记(DLM)、交互式照明(IL)和动态绘画(DP)。DLM和IL系统可能是目前最受欢迎的。实际上,这些功能包括在可变交通和环境条件下对光强进行最佳调节。DLM的一个例子是由带有LED灯的光学光导构成的,LED灯连接到用于雾和亮度检测的传感器。在能见度差的情况下,系统会自动激活相应的部分,并打开根据能见度变化强度的灯。在危险的情况下,可以激活该模式,使受事件影响的部分中的所有灯同步闪烁。IL程序在交通和环境条件的路灯中使用传感器,以调节灯,从而优化符合当前情况的可见性(例如,仅当存在车辆时等)。DP解决方案探索了用创新材料喷涂路面的可能性,即所谓的智能材料,对光线和温度敏感。这可以在行车道上创建一些动态标记,在黑暗中变得可见。在荷兰,一个原型公路安装工程与一个发光的路面在黑暗中[69],由太阳能供电的光致发光粉末。标记线在白天由太阳充电,并发出自己的光,A. Pompigna和R. Mauro工程科学与技术,国际期刊25(2022)1009869晚上10点。这种类型的解决方案甚至可以在白天能见度低的时刻(例如雾)投入使用。路面上的广泛解决方案,而不限于线可以是有用的,当道路条件光滑,如雨或冰的条件。因此,象形图和图标合成的情况(例如,雨,冰等)。在行车道路面上发出亮光,引导驾驶者安全地沿道路行驶,然后在道路状况恢复安全时变得透明。进一步的智能和创新解决方案涉及车辆、行人和骑自行车者之间的交互管理,特别是在行人过街的情况下。同样在这种情况下,自适应解决方案可以带来相当大的好处。对于这方面,请参考第3.5节,其中更详细地讨论了城市道路和交叉口除了自适应标记解决方案之外,还必须参考广义上的智能材料[40],考虑自修复或自恢复材料,这是一种有前途的道路建设智能材料自修复技术是材料技术中的一个新领域,可以在道路设计过程中找到有趣的应用[70]。探索最多的解决方案涉及自修复沥青混凝土,它可以减少高速公路路面的过早老化,显著节省道路维护的环境和商业成本。参考最近对这些创新智能材料的最新评论以获得更多细节和见解[70,71],然而,我们可以在这里引用这些作者确定的可用于沥青路面设计的三种主要自愈技术:纳米颗粒(纳米粘土和纳米橡胶),感应加热(导电沥青路面)和再生(工程阳离子乳液)。该领域的研究和创新方向涉及按需愈合、多个过程的加速和重叠以及自主自愈评估机制[70]。加热电缆和导电网格或导电沥青混凝土(感应加热)的创新解决方案代表了为高速公路路面[13,72]定义高效安全设计解决方案的活跃研究领域,具有成本节约和可持续的冰雪电融化技术事实上,及时有效地预防和处理冰雪对公路安全和通行能力至关重要,但另一方面,传统的方法(即人工清理,机械清理和喷洒除冰盐)对路面和结构造成了问题。用碳酸盐处理除了上述解决方案外,我们还可以添加[13]:自温度控制(热反射和自冷却路面);自排水路面和路基;自降低噪音和废气污染物。3.4. 一条自给自足的路除了上述对环境的积极影响,以及在施工、管理和维护操作中降低排放和消耗的可能性[50],智能道路是安装创新能源生产系统的理想平台。实际上,智能高速公路可以被视为可持续能源增长的一个巨大机会,使发电成为可能。因此,智能道路应该是一个自我维持的系统,使用自生能源维持其所有功能和技术[40]。我们可以确定智能公路最可行的三个方向,以收获能量[13]:太阳能,热能和机械能。考虑到这些形式的能源,Wang等人[73]提供了一个关于不同应用的道路能量收集技术的全面和最新的综述,作为有前途的技术,可以生产可再生和清洁能源,提高基础设施的可持续性对于各种能量收集技术的深入研究,这些技术已经成为产生清洁和可再生能源的有前途的方法,最重要的是,对于相对成本、机会和技术准备水平的扩展讨论,可以参考上述研究[73]。下面我们简要回顾一下这些研究提出的解决方案。太阳能收集可以通过光伏(PV)电池技术获得,该技术将太阳辐射转化为电能。光伏装置可以在道路人行道和隔音屏障上安装太阳能电池太阳能还可以通过使用所谓的太阳能收集器系统(SCS)来捕获和转换。这些可以捕获太阳能,太阳能被路面吸收,并可以转化为热能,通过嵌入车道的管道网络中流动的热流体储存。由SCS的管道捕获的热量可用于通过热电发电机产生电能热类型的另一种形式是所谓的热电发电机(TEG),其基于热电原理,从周围环境(例如路面和路基层)的热变化中获取能量将能量系统扩展到地球深处,地热(GT)能源开发形式也可以在公路部门实施,热泵收集地下热能储存。从机械的角度来看,能量收集与压电(PE)材料和风力涡轮机(WT)有关。PE材料由于机械应力而产生电荷因此,路面的变形可以代表使用导电沥青层和压电材料层收集耗散的车辆动能的能量收集策略,即,能量收集路面系统(EHPS)[74,75]。谈到另一种清洁和可再生能源,风,我们可以容易地想象,由车辆以一定速度通过所产生的气流可以用于移动WT。很明显,当运输量和速度允许我们处理一定恒定性和速度的产生的风时,公路风车可以代表值得注意的清洁能源收集系统。Liew等人[76]提出了一项关于公路能量收集可行性WT技术的最新审查,涉及垂直和水平轴WT。然而,在评估其实际可行性时,这些涡轮机的形状和最佳定位、该地区的风特性以及某条公路的风力是需要深入研究的关键方面。除了生产从清洁和可再生能源中获得的能源外,智能公路还必须使这些能源可供直接使用。如果即使是传统类型的分配网络也可以提供用于道路管理的基础设施和技术(即传感器、系统、照明等),当我们向汽车动力发展时,有必要在创新方面实现重大飞跃。电动汽车(EV)最近显著提高了其市场渗透率。而且,在不久的将来,我们可以想象所有的CAV都将是电动的。因此,未来的高速公路必
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