土木工程基础设施系统在交通运输方面的应用

李健

五矿二十三冶建设集团，湖北长沙 410000

摘要：随着现代社会的高速发展，城市交通系统已经影响了人们生活的方方面面，是衡量人们生活幸福感的一个重要标志，但同时也面临着许多问题，具体表现为交通拥堵、道路安全、车辆排放、车队管理以及多式联运设施的整体同步等方面。本文主要介绍如何通过土木工程智能基础设施计划解决这些问题。讨论分为交通规划的主要内容，即高速公路、公共交通、非机动车模式、综合模式和土地利用规划。

关键词：土木工程；基础设施系统；交通运输

中图分类号：文献标识码：文章编号：

Application of Civil Engineering Infrastructure System in Transportation

LiJian

Minmetals 23 Metallurgical Construction Group，changsha 410000,China

Abstract:With the rapid development of modern society, the urban transportation system has affected all aspects of people’s lives and is an important indicator of people’s happiness in life. However, it also faces many problems, specifically in traffic congestion, road safety, vehicle emissions, Fleet management and overall synchronization of multimodal transport facilities. This article mainly introduces how to solve these problems through the civil engineering smart infrastructure plan. The discussion is pided into the main content of transportation planning, namely highways, public transportation, non-motorized vehicle models, integrated models, and land use planning.

Keywords:Civil Engineering; Infrastructure System; Transportation

1前言

城市交通系统包括高速公路、非机动车道、铁轨、停车设施、机场、车站以及个人、公共和货运车辆、公共交通系统和相关服务。随着互联网连接和实时数据共享的提供，基于传感器的工具越来越多地用于运输系统的许多方面^{[1, 2]}。每个组成部分（如私家车、货运、铁路和飞机）都可以作为物联网中的节点^{[3, 4]}，这使得网络和信息共享技术的实现变得无缝和方便。‎

城市地区交通基础设施系统面临的最关键问题是交通拥堵、道路安全、车辆排放、车队管理以及多式联运设施的整体同步^[5]‎‎。‎‎本文主要介绍如何通过智能基础设施计划解决这些问题。讨论分为交通规划的主要内容，即高速公路、公共交通、非机动车模式、综合模式和土地利用规划。

2基础设施系统在交通运输方面的应用

2.1高速公路应用

2.1.1道路基础设施的自动控制‎

‎先进的机动车辆控制功能包括自适应、事故响应和基于需求的信号控制系统、协调坡道计量、车道管理、可变限速和动态拥堵定价方案^[6]。执行器和传感器能够应用高级功能。网络维护者、网络运营商和网络管理者等不同机构之间的协调对于缩短与事件管理相关的响应时间至关重要^[7]‎‎。为了降低事故风险，美国超过142个社区以及加拿大、欧洲、澳大利亚和新西兰的城市使用计算机视觉技术实施了自动速度执法（ASE）。可变限速用于根据交通状况动态更改限速，减少事故风险和流量故障，并在工作区‎‎有效应用。‎

‎斜坡计量系统使用交通信号来调节从动脉街道到高速公路的流量。在澳大利亚昆士兰州，Ramp计量已被广泛用作减少美国高速公路拥堵的低成本措施，采用交通响应策略同步运行几个本地坡道‎‎，从而带来显著的经济效益。‎高占用车辆（HOV）和高占用率收费（HOT）车道、动态收费系统和自动支付停车利用智能技术改善交通，并广泛实施。HOV车道为高占用车辆提供卓越的机动性，HOT‎‎车道还可用于通过向单人车辆收取通行费来提高效率‎‎。‎‎动态收费已在美国40多个司法管辖区实施‎‎，‎‎使用传感器和优化算法实时更改通行费价格。许多变量，包括当前和预期流量，用于优化服务和收入水平‎‎。‎‎先进的自动支付停车设施通过基于智能手机的应用程序启用。智能停车指导系统收集有关可用停车位的信息，并通过电子显示屏共享，从而节省停车设施的时间和油耗‎‎。‎

‎智能技术还可用于避免极端天气事件和自然灾害（如飓风和山洪暴发）对运输系统的负面影响。例如，美国国家气象局目前运行一个预警系统，发送紧急信息，以转移道路交通远离低洼和沿海地区。环境变量通过智能传感器网络感知：处理当地融雪、降雨、海平面和温度的大数据，以确定脆弱地区：警告会自动传播到各种接收系统。‎

2.1.2车辆传感器、物科智能和自动化‎

‎车载传感器连接到互联网时充当通信工具。安装在车辆上的 GPS 设备可在连接的环境中实时提供车辆在道路、车道位置、速度和加速度上的位置。GPS 数据可提供有关道路（如坡度、车道标记和容量）、车辆（如排放、加速、速度和其他发动机性能）以及驾驶员特征（突然改变车道、制动或转弯趋势以及生态高效驾驶）。车载传感器数据可与其他车辆和交通基础设施共享，以形成互联车辆（CV）框架。简历能够挖掘微观数据和实时数据共享。CV技术可分为三类：车辆到基础设施（V2I）、基础设施到车辆（I2V）和车辆到车辆（V2V）‎‎。‎‎目前，纽约市、纽约市、佛罗里达州坦帕市和怀俄明州已实施三个简历试点项目，以研究在改善安全性和缓解拥堵方面应用CV技术和相关挑战‎‎。‎

‎在过去十年中，自动驾驶汽车技术也发生了巨大的变化。自动驾驶车辆技术结合了多个传感器，包括摄像头系统、短程无线电应用（如停车辅助、断路辅助和自动距离控制）以及光检测和测距（LIDAR）系统，以及分析数据的算法^[8]。提高驾驶自动化，如自动巡航控制、辅助转向和电子稳定控制，需要车辆中多个同步执行器的协调‎‎。车辆自动化和连通性的结合有望改善旅行时间、安全性和节能，并增加老年人和残疾人的无障碍环境‎‎。

2.2‎ 公共交通应用‎

‎通用交通馈送系统技术支持的电子支付系统和行程信息传播已成为人口稠密城市地区的常态^[9]。例如，在西班牙，巴塞罗那的公共交通机构通过使用磁感应环路和便携式设备改善了听力受损人群的交通便利性，并使用数字地图和快速响应代码‎‎（TMB 2017）‎‎实施了先进的乘客信息系统。该项目还实施了基于传感器的高级驾驶员辅助系统，以防止在试点基础上发生事故。在新加坡，在公共交通中实施智能技术的一些显著例子是高峰时段的公交线路、公交信号优先以及通过综合公共交通地图‎‎传播信息。意大利卡利亚里市在欧盟‎‎‎‎推动的智能城市模式的指导下，改进了公共交通系统。自2009年以来，该市实施了电子公交站牌、电子票支付系统、路线、时刻表、等候时间等实时信息以及网上售票系统。‎

‎在智能需求响应系统中，公共汽车和公共交通车辆通过手机应用程序或在线和电话预订系统响应乘客的特定要求，而不是在固定路线上运行。这种系统非常适合郊区和农村社区以及残疾人，并且依靠传感器、物联网和数据传输来高效运行。智能需求响应交通系统试点项目目前正在美国多个地区运行，包括佛罗里达州和北卡罗来纳州‎‎。

‎预计车辆自动化的技术进步不仅将应用于如前所述的私人运输，而且应用于公共交通部门^[10]。美国的一些城市，如德克萨斯州的休斯顿和加利福尼亚州的比佛利山庄，已经开始为自动或无人驾驶的公共交通车队进行试点项目。2017年，联邦交通管理局发布了一项为期5年的研究议程，以调查自动驾驶汽车技术在公共汽车中的使用，并制定了计划，为第一英里/最后一英里服务和残疾乘客的试点项目提供资金（‎‎联邦交通管理局2017‎‎年）。‎

2.3 ‎非移动模式下的应用‎

‎停靠和自行车共享系统是智能城市非机动交通方式最具创新性的功能之一^{[11, 12]}。智能自行车共享设施的一些显著特点是访问方便、业务模式多样化、基于智能手机的智能卡或智能手机支付选项，以及与其他交通工具的连接‎‎。‎‎Velib是2008年在法国巴黎成立的开创性自行车共享公司之一。拥有20600辆自行车，每天的载客量达到75000人次。西班牙巴塞罗那的比金是智能自行车共享系统的又一例证。这种自行车共享系统具有实用的电子支付系统和低廉的价格，已成功地将大量私家车的载客量取代了自行车‎‎。‎

‎智能走道是智能城市实现非机动性的另一个组成部分，具有与公共交通的连接、清洁的环境、节能的照明系统、安全的交叉设施和无障碍设施。在新加坡，年迈的行人享受额外的时间过马路，因为他们的存在被系统通过数字卡检测到‎‎。最近，PAVEGEN开发出一种技术，用行人在英国伦敦的鸟街行走时产生的动能发电。‎‎此外，Airlab开发的ClearAir长凳沿街安装，从周围空气中去除氮氧化物和细菌‎‎。‎

‎2.4 集成模式中的应用‎

‎不同运输模式的有效集成需要一个计划周密的系统，在个人和基础设施之间实时共享数据^[13]。新加坡通过建造彼此相近的车站、协调车站运营、在车站之间提供设计良好的人行道以及允许两种模式‎‎，‎‎建立共同的售票系统，整合了公共汽车和铁路服务的运营。2006年，美国交通部主动将高速公路、公共交通和人行道整合，在美国8个不同的城市实施综合走廊管理概念。纽约的精选巴士服务、德克萨斯州达拉斯的美国I-75走廊和加利福尼亚州圣地亚哥的I-15走廊实施综合走廊管理。芬兰赫尔辛基于2016年测试了移动服务的应用，允许旅行者计划并支付公共交通、出租车、汽车共享和自行车共享旅行的费用‎‎。‎

2.5 ‎交通规划和土地利用应用‎

‎在美国，州交通部门必须编制至少20年预测期的远程运输计划，并针对整个运输系统提出全面愿景，以实现可持续性、复原力和经济发展目标。了解和预测运输需求，包括出行人数和车辆数量以及运输网络中链接的运输方式选择，是运输规划的核心，以提供必要的信息来评估替代方案并做出明智的决策‎‎。‎

‎大数据分析用于解决运输规划过程中的高度不确定性^[14]。旅行行为信息是通过收集 GPS 数据的家庭或智能手机调查收集的。全球定位系统数据可以解决与传统数据收集方式相关的问题：家庭调查数据通常报告不足停止和误报活动的位置和旅行时间。收集的信息被输入到大型旅行需求模型，如基于活动的模型，这些模型使用行为理论来描述在时间和空间限制下参与活动‎‎。基于活动的模型通常针对单个城市区域开发，需要跨多个处理器进行分布式计算，以进行大数据分析。尽管这些模型的准确性，但地方机构发现，由于计算要求，其实施具有挑战性。最先进的基于活动的模型由加利福尼亚州旧金山县交通管理局运营，并使用谷歌的匿名行程数据‎‎‎‎和步行和交通旅行中的行人环境因素‎‎。‎

‎运输干预导致的土地使用变化是运输规划过程的一个重要组成部分，使用微模拟或基于代理的土地使用模型进行估算。这种模式的能力可能大不相同，可能代表分离的家庭、个人或公司，包括复杂的经济互动‎‎。展望未来，需要整合旅游需求和土地利用模式，以更好地考虑交通与土地利用之间的递归关系。

3 ‎机遇与挑战‎

‎智能运输系统在很大程度上依赖于可靠和可靠的数据收集、分析和传播框架^{[13, 14]}。通过传感器和监控聚合和个人旅行行为的物料网，可以获得更多获取运输数据的机会。例如，蓝牙传感器、社交媒体和GPS设备已用于交通监控、事故检测、瓶颈识别和旅行行为分析。这些数据收集工作应在地方、区域和国家各级更好地协调，以产生更广泛的社会效益。此外，公共机构收集的大型运输数据通常与分析和传播所需的资源脱节。各机构需要投资于处理单元、软件和人力资本，以便进行大数据分析、人工智能和高级可视化。

‎虽然运输部门的许多进展已准备就绪，但这些改进的若干方面需要进一步注意^[15]。例如，在运行更大的电动汽车车队的同时，还将面临若干政策和规划层面的挑战，例如为车辆充电开发足够的基础设施：选择充电站的最佳位置;摆脱传统的基础设施融资机制（如天然气税）;并利用智能技术在基础设施使用的基础上公平收费。‎

‎自动驾驶汽车在公路上的全面运行需要进一步研究，以解决关键问题。首先，需要制定适当的政策和条例，以便这些车辆的安全运行，这些车辆与符合条件的运营区域、驾驶员资格和事故时的责任有关。第二，公共机构需要与私营公司和社区组织合作，在目前没有能力驾驶车辆的人口群体（如老年人和没有驾驶执照的人）中引入共享和个人自动驾驶汽车技术。‎

‎第三，还需要进行更多的研究，以评估自动化的积极性和消极性。车辆自动化将影响车辆拥有、运输模式选择、交通拥堵、排放和土地使用。共享、点对点和按需运输服务的出现预计将减少汽车使用，满足不同人群未满足的需求，并实现更高的跨模式连接‎‎。然而，政府必须进行深思熟虑的干预，才能以合乎道德可接受的方式实现智能移动过渡，确保人人都能获得交通服务，并确保提高行动不便群体的生活质量。系统的设计应避免数字歧视，数字歧视已经记录在其他共享服务‎‎。例如，智能移动服务中可能会出现数字歧视，例如，歧视性的人工智能算法，导致基于种族或地点的共享服务访问有限‎‎。

4.结语

本文对智能基础设施系统及其在交通运输中的应用进行了综述，并介绍了一些成功应用的案例，提出了智能运输系统所带来的风险和挑战。结论表明，智能基础设施系统相关技术的应用可以有效改善交通状况，提高人们的出行效率并为出行安全提供保障。土木工程专业可以运用创造力改善城市基础设施缺陷，为实现人们对美好生活需求提供更多帮助。

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