高速公路智能建造技術(shù)領(lǐng)域綜述

周智超， 蘇義坤

(東北林業(yè)大學(xué)土木學(xué)院， 哈爾濱 150040)

智能建造，是指在建造過程中應(yīng)用智能化系統(tǒng)和智能技術(shù)提高建造的智能水平，進(jìn)而達(dá)到提高建筑的可靠性、安全性、性價比等目的。一方面，在傳統(tǒng)建造業(yè)粗狂式的管理與工程建造中，環(huán)境污染嚴(yán)重、能源浪費(fèi)情況屢禁不止，各部門信息傳達(dá)阻滯，數(shù)據(jù)記錄與處理粗糙，人員工作效率低下，施工安全存在較大隱患[1]；另一方面，智能建造的實(shí)施能夠保證建造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提高工程質(zhì)量水平，強(qiáng)化各工種協(xié)作效率，減少施工周邊環(huán)境污染，降低建造運(yùn)營成本。自智能建造這一概念自提出以來，中國先后發(fā)布了《建筑智能化系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》等文件，均明確了建造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必要性[2]。

雖然如今中國建造行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，各種基礎(chǔ)設(shè)施蓬勃發(fā)展，但與此同時也面臨著諸多困難。以高速公路為例，截至2020年末，中國路網(wǎng)總里程突破519萬km，其中高速公路超過16.1萬km，居世界首位[3]。如此數(shù)量的公路為人們帶來便利和經(jīng)濟(jì)效益的同時，其壽命周期的建設(shè)、管理、養(yǎng)護(hù)、安全設(shè)施、通信設(shè)施等費(fèi)用也是巨大的。而其中高速公路的建設(shè)投資大、造價高、工期長、對環(huán)境影響大等問題也成為亟須解決的問題。因此近年來國內(nèi)外學(xué)者從不同角度結(jié)合智能化建造理念，針對高速公路建設(shè)、管理領(lǐng)域進(jìn)行了細(xì)致的整理與總結(jié)。吳建清等[4]對智慧公路關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，從智能建造、無人駕駛、多功能路面材料、車路協(xié)同、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)5個方面系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外的相關(guān)研究成果及未來發(fā)展趨勢；邵長橋等[5]對國內(nèi)外高速公路施工區(qū)通行能力的相關(guān)研究進(jìn)行了整理，圍繞通行能力的定義、影響因素及計(jì)算方法展開了討論，并對未來研究方向進(jìn)行了展望；Pribyl等[6]總結(jié)了現(xiàn)有的公路管理系統(tǒng)方法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)智能管理監(jiān)測車道管理、事故檢測、預(yù)警系統(tǒng)等方面，指出了高速公路智能管理領(lǐng)域的重要性；Wang Linbing等[7]綜述了有關(guān)智能路面的各項(xiàng)技術(shù)研究進(jìn)展，在提出智能路面定義的基礎(chǔ)上，給出了體系框架，并介紹了智能路面信息采集技術(shù)、能量收集與利用技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后給出了研究中存在的問題與不足；黃力彬[8]通過對美國、歐洲、日本等不同國家或地區(qū)的城市交通監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行整理與分析，指出推進(jìn)智能交通系統(tǒng)的重要性和必要性。以上研究成果雖然在高速公路或智能建造領(lǐng)域有著較為詳細(xì)的總結(jié)，但由于其文獻(xiàn)分析數(shù)據(jù)量較小，仍存在一定局限性。且未能從高速公路智能建造全壽命周期方面對高速公路的建設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

鑒于此，現(xiàn)基于1990—2020年SCI(Sciences Citation Index)數(shù)據(jù)庫中收錄的173篇代表性文獻(xiàn)，首先，對高速公路智能建造研究的基本情況進(jìn)行整理，包括發(fā)表文章數(shù)量、期刊類型、研究地區(qū)；其次，從高速公路智能建造的概念內(nèi)涵與發(fā)展現(xiàn)狀、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、施工與設(shè)備、運(yùn)維與管理4個研究維度，系統(tǒng)地提出分析框架和發(fā)展現(xiàn)狀；最后，提供基礎(chǔ)理論的研究與實(shí)踐的指導(dǎo)性建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

通過對SCI核心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，通過檢式TS=(intelligence AND highway*) OR (artificial intelligence AND highway*) OR (automation AND highway*) OR (3D AND highway*) OR (BIM AND highway*) OR (smart AND highway*) OR (intelligence AND road*) OR (artificial intelligence AND road*) OR (automation AND road building*) OR (BIM AND road*) OR (smart AND road AND building*) OR (smart AND highway AND management*) OR (intelligent AND road AND management AND building*) OR (smart AND infrastructure AND transportation*)，鑒于“智慧建造”這一理念由楊寶明博士于2010年率先提出[9]，因此獲取文獻(xiàn)的時間跨度為2010—2020年。經(jīng)檢索詞檢索文獻(xiàn)合計(jì)1 495篇，經(jīng)篩選后得到236篇，再經(jīng)去重后得到173篇，各檢式搜索結(jié)果如表1所示。

表1 檢索詞文獻(xiàn)數(shù)量Table 1 The number of search word literature

2 研究基本情況

將2010—2020年智能建造相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量分按照各年份進(jìn)行劃分并繪圖后，發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)數(shù)量整體呈逐年上升趨勢，如圖1所示。

通過對圖1中的文獻(xiàn)數(shù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行雙周期平均分析，可以發(fā)現(xiàn)智能建造相關(guān)文章在2011—2014年存在短暫的下降趨勢，但數(shù)值較為穩(wěn)定，且整體呈增長趨勢。因此，自智能建造這一理念提出以來，研究熱度在持續(xù)增加，逐漸受到了廣大學(xué)者的重視。

圖1 2010—2020年智能建造相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量Fig.1 Number of documents related to intelligent construction from 2010 to 2020

所選173篇文獻(xiàn)共涉及102本期刊，涵蓋土木工程、傳感器、基礎(chǔ)設(shè)施、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、交通規(guī)劃、運(yùn)輸工程、工程管理、建筑管理、智能交通、自動化建設(shè)等相關(guān)領(lǐng)域。如表2所示，羅列了智能建造相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)數(shù)量發(fā)表5篇以上的期刊。

根據(jù)表2可以看出，TransportationResearch、Sensors、IETIntelligentTransportSystems中發(fā)表的有關(guān)智能建造最多。這3本期刊在智能建造領(lǐng)域影響力很強(qiáng)，有著非常重要的地位，而這同時意味著智能建造相關(guān)領(lǐng)域研究受到了國際學(xué)者的認(rèn)可和關(guān)注。

經(jīng)過對文獻(xiàn)來源的分析，173篇智慧建造相關(guān)文章共涉及46個國家的研究機(jī)構(gòu)或高校，如表3所示是排名前10的主要研究國家。

表2 智能建造相關(guān)期刊Table 2 Related journals of intelligent construction

表3 主要研究國家統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of countries mainly engaged in research

由表3可以看出，智能建造相關(guān)研究最多的是中國，其次是美國、意大利、英國、西班牙等。由此可見智能建造首次由中國提出以來，受到了各研究機(jī)構(gòu)和高校的高度重視；同時智能建造作為嶄新的研究領(lǐng)域，已經(jīng)登上了國際研究領(lǐng)域的舞臺。

3 研究主題分析

智能建造是一門多學(xué)科交叉的技術(shù)科學(xué)，整合了土木工程、人工智能、傳感器、工程管理、自動化、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)工程、無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)。而這其中高路公路的智能建造旨在高速公路的設(shè)計(jì)、施工、防災(zāi)、運(yùn)維等的各個環(huán)節(jié)上做到信息化、智能化，從而達(dá)到在高速公路的全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)、智能工地、智能生產(chǎn)、智能維護(hù)等目的。

采取文獻(xiàn)研究法，通過SCI數(shù)據(jù)庫對文獻(xiàn)標(biāo)題、主題、關(guān)鍵詞等進(jìn)行篩選以及對文獻(xiàn)內(nèi)容的剖析，對高速公路智能建造技術(shù)領(lǐng)域的研究發(fā)展進(jìn)行了主題分類與總結(jié)，歸納得到了13個研究主題：概念內(nèi)涵、發(fā)展現(xiàn)狀、管理系統(tǒng)(擁堵控制、監(jiān)控)、無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)、3D打印、建筑信息模型(building information modeling，BIM)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析與預(yù)測、區(qū)塊鏈、可持續(xù)性、基礎(chǔ)設(shè)施等。結(jié)合高速公路智能建造的全生命周期理論，將以上研究主題總結(jié)劃分為4個研究維度：概念內(nèi)涵及發(fā)展現(xiàn)狀、智能規(guī)劃與設(shè)計(jì)、智能施工、智能運(yùn)維與管理。具體的分析框架如表4所示。由于部分研究主題貫穿多個研究維度，將對其文獻(xiàn)數(shù)量占比較大的研究維度展開分析與總結(jié)。

通過表4可以發(fā)現(xiàn)，智能建造中有關(guān)管理系統(tǒng)的研究占比最大，高達(dá)32.37%，其次是基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)及概念內(nèi)涵的研究。圖2所示為2010—2020年的各研究主題趨勢圖。

根據(jù)圖2可以看出，近年來有關(guān)概念內(nèi)涵、基礎(chǔ)設(shè)施、智能管理系統(tǒng)的研究趨于主流，且呈穩(wěn)步上升的趨勢。

表4 高速公路智能建造研究主題框架Table 4 Research topic framework of intelligent highway construction

圖2 智能建造研究主題趨勢Fig.2 Intelligent construction research theme trends

3.1 高速公路智能建造的內(nèi)涵及現(xiàn)狀

交通運(yùn)輸是現(xiàn)代各國家經(jīng)濟(jì)與社會的命脈，而如今更是處于運(yùn)輸高速公路與信息高速公路交匯的時代，高速公路逐漸被賦予了信息傳遞、能源補(bǔ)給、智能傳感等全新的能力[10-11]。如表5所示是國內(nèi)外部分學(xué)者給予智能建造的定義。

表5 智能建造的定義Table 5 Definition of intelligent construction

近年來國內(nèi)外學(xué)者對智能道路的建設(shè)從不同角度做出了總結(jié)和歸納。Toh等[18]指出智能道路近年有10項(xiàng)技術(shù)項(xiàng)目得到了發(fā)展與進(jìn)步：能量采集道路、音樂道路、自動稱重道路、電氣化道路、道路智能標(biāo)志、道路智能路口、智能路燈等，并提出未來將會出現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)的合并；Butler等[19]對智能交通系統(tǒng)、替代燃料系統(tǒng)、驅(qū)動自動化系統(tǒng)等6種智能移動創(chuàng)新的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹與評估，指出了其對未來可持續(xù)發(fā)展的影響，并給出了指導(dǎo)性意見；Guerrieri等[20]采用生命周期評估(life cycle assessment，LCA)方法，在考慮基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)隊(duì)對環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，指出了智能高速公路比傳統(tǒng)高速公路對環(huán)境影響要小且維護(hù)更為簡便；Sun等[21]將智能道路定義為集成了先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的道路基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)以智能能力為核心，做到自我產(chǎn)能、自我檢測、自我維修等目標(biāo)，在傳統(tǒng)道路的基礎(chǔ)上，做到適應(yīng)環(huán)境能力更強(qiáng)、壽命更長且能夠與外界因素動態(tài)交互，達(dá)到人、車、路、環(huán)境之間的協(xié)調(diào)；Costin等[22]通過分析交通基礎(chǔ)設(shè)施BIM領(lǐng)域的研究，指出了當(dāng)前研究中存在的空白，歸納了交通基礎(chǔ)設(shè)施的主要類型，提出推進(jìn)和擴(kuò)大交通基礎(chǔ)設(shè)施新興技術(shù)是目前的關(guān)鍵問題。

由此總結(jié)得出高速公路智能建造技術(shù)研究領(lǐng)域有以下特點(diǎn)。

(1)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、BIM、數(shù)據(jù)分析與預(yù)測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建造過程中的信息化、機(jī)械化、自動化和智能化。

(2)施工技術(shù)新型化。通過結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施等新型技術(shù)輔助降低工程項(xiàng)目成本，減少資源浪費(fèi)，規(guī)劃生產(chǎn)效益，保證項(xiàng)目的可持續(xù)性，提高人、機(jī)、物、料間協(xié)調(diào)性。

(3)運(yùn)維管理便捷化。在運(yùn)維階段，利用智能管理系統(tǒng)、UAV技術(shù)、區(qū)塊鏈等方法對建設(shè)完成的道路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，從而達(dá)到救援迅速、維修及時、信息準(zhǔn)確的目的。

具體的研究維度與主題關(guān)系如圖3所示。

3.2 高速公路智能規(guī)劃與設(shè)計(jì)

高速公路的智能規(guī)劃與設(shè)計(jì)指的是在工程項(xiàng)目施工前，利用新興技術(shù)及方法，結(jié)合各參與方信息與需求所籌劃的一系列規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

3.2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初作為模擬人腦功能而設(shè)計(jì)，后經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者對其學(xué)習(xí)、記憶、運(yùn)算等綜合能力進(jìn)行的開發(fā)，如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多研究領(lǐng)域中，尤其在土木工程領(lǐng)域中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更是有著算法能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)庫龐大、運(yùn)算能力快等優(yōu)勢。

Dell’Acqua等[23]提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)，可以根據(jù)水文地質(zhì)條件評價區(qū)域道路運(yùn)行狀況，結(jié)果表明低流量公路情況下效果良好；Ghanim等[24]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬波幅距離差技術(shù)(amplitude and distance difference technique，ADDT)、車道數(shù)和道路功能分類之間的關(guān)系，基于常年觀測數(shù)據(jù)開發(fā)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)測試其具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性；Behbahani等[25]為減少高速公路上車輛追尾等事故的發(fā)生，對車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicular Ad Hoc network，VANET)進(jìn)行了探討，并指出未來大數(shù)據(jù)模糊規(guī)則校準(zhǔn)這一研究領(lǐng)域?qū)⑹鞘种匾模籎ootoo等[26]采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，在橋梁結(jié)構(gòu)初步上，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行橋梁選型工作；Batty等[27]總結(jié)了近50年人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的大部分突破性研究。并介紹了如何將規(guī)劃設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)化問題，最后設(shè)計(jì)了一種基于人工智能技術(shù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)新范式。

3.2.2 BIM在高速公路全生命周期的應(yīng)用

建筑信息模型(BIM)是一種三維建模方法，近年來，BIM作為集合了數(shù)字化信息、服務(wù)于設(shè)施項(xiàng)目全周期、可應(yīng)對多樣化項(xiàng)目要求以及協(xié)調(diào)化、仿真化、圖形化等眾多優(yōu)勢的可視化3D模型在許多國家都得到了廣泛的應(yīng)用。

Chong等[28]對澳大利亞與中國主要道路項(xiàng)目建設(shè)的BIM、文化和管理方面進(jìn)行了比對，結(jié)果表明二者對BIM的使用基本相同，但問題的解決和管理方法卻截然不同，并據(jù)此對BIM從建筑到基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的演變進(jìn)行了討論；Liu等[29]運(yùn)用BIM對工程項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營的全生命周期過程進(jìn)行了完整的闡述與整理，并指出BIM能夠滿足當(dāng)前高速公路信息化建設(shè)的要求，為智能交通奠定了良好的基礎(chǔ)；Aziz等[30]利用BIM作為信息整合平臺，利用大數(shù)據(jù)作為分析平臺，提出了一個集成各種技術(shù)和系統(tǒng)的高速公路平臺；Cesar等[31]提出了一種三維虛擬模型用于評判立交橋路段、高速公路地下通道的停車和通行視距；Tang等[32]結(jié)合BIM與道路結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種框架，建立了參數(shù)可控的三維路面模型，使設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中能夠更加靈活方便地操作。

3.2.3 高速公路交通狀態(tài)的數(shù)據(jù)分析與預(yù)測

通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、城市數(shù)據(jù)庫、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)模型、云計(jì)算等方法對道路的交通狀態(tài)、事故傷亡、旅行時間等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測，能夠達(dá)到減少燃料消耗，降低環(huán)境污染，節(jié)約旅行、救援時間等的目的。

Oh等[33]從準(zhǔn)確度、效率、適用性、魯棒性和預(yù)測范圍5個角度對近年來應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法預(yù)測交通情況和出行時間的文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述；Shahnazari等[34]以綜合數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GPS模型開發(fā)了一種最優(yōu)化技術(shù)，得到了較為可靠的預(yù)測數(shù)據(jù)；Avila等[35]通過Koopman模式來分析和預(yù)測交通動態(tài)情況和公路網(wǎng)，這種方法準(zhǔn)確率較高，且不依賴大量歷史數(shù)據(jù)；Galatioto等[36]基于網(wǎng)絡(luò)的道路安全模擬與預(yù)測平臺，提出了一套交通事故預(yù)測模型，結(jié)果表明在預(yù)測道路事故傷亡人數(shù)及嚴(yán)重程度方面有著較高的準(zhǔn)確性；Massobrio等[37]基于Hadoop框架提出了一種使用云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和城市大數(shù)據(jù)的分析范式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模型能夠有效處理大量數(shù)據(jù)；Ma等[38]基于汽車基礎(chǔ)設(shè)施集成系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量回歸范式提出了一種公路旅行時間在線預(yù)測框架，研究結(jié)果表明該通信系統(tǒng)能夠支持旅行時的預(yù)測功能。

3.3 高速公路的智能施工

高速公路的智能施工與設(shè)備是指在高速公路建設(shè)過程中應(yīng)用區(qū)塊鏈、BIM、物聯(lián)網(wǎng)及智能基礎(chǔ)設(shè)施等技術(shù)或設(shè)備，用以輔助道路的建設(shè)、使用及維護(hù)。

3.3.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用

隨著汽車互聯(lián)網(wǎng)和智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)用大數(shù)據(jù)了解車輛尾氣排放、燃料消耗情況已逐步成為可能。

在對大數(shù)據(jù)構(gòu)建高速公路網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施詳細(xì)研究后，Yi等[39]總結(jié)了大數(shù)據(jù)傳輸高速公路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，并進(jìn)一步提出了未來研究方向；Khazaei等[40]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一組檢測4種流量模式的算法，依據(jù)此算法構(gòu)建的大數(shù)據(jù)分析平臺可以為高速公路事故提供及時反應(yīng)的機(jī)會；Figueiras等[41]以新型大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種高速公路智能收費(fèi)系統(tǒng)，經(jīng)過在葡萄牙某路段進(jìn)行試點(diǎn)，證明了此動態(tài)收費(fèi)系統(tǒng)有效減少了車輛擁堵、行程時間、燃料消耗等情況；Xiao等[42]對高速公路工程質(zhì)量監(jiān)測大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)生、處理過程等方面進(jìn)行了探討，并分析了工程質(zhì)量監(jiān)測大數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)、計(jì)算過程和處理過程，指出了大數(shù)據(jù)在高速公路工程質(zhì)量監(jiān)測中應(yīng)用所遇到的問題和挑戰(zhàn)；Sun等[43]提出收集大數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，并結(jié)合無錫市高架橋坍塌實(shí)際案例，為高速公路超載超限治理，提供了運(yùn)輸安全的治理策略。

3.3.2 物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸與檢測

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)是一種通過相連的數(shù)字、機(jī)械設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的數(shù)據(jù)信息載體，廣泛應(yīng)用于人們的日常生活和工作中。尤其在近年來應(yīng)用于智能交通中，通過在車輛或道路上安裝傳感器，可以做到貨物運(yùn)輸安全、車輛追蹤、道路檢測等工作目標(biāo)。

為提高高速公路照明系統(tǒng)的效率，Mukta等[44]通過對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)各文獻(xiàn)程序的討論與分析，建立了一種節(jié)能綠色、可持續(xù)性的公路照明系統(tǒng)；Fadi等[45]基于車輛物聯(lián)網(wǎng)的智慧城市范式中車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念，重點(diǎn)討論了公路虛擬網(wǎng)絡(luò)的安全性、舒適性和可靠性；Chauhan等[46]基于結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施提出了一個名為iERS的系統(tǒng)，用以監(jiān)測道路及社區(qū)周圍不同停車位的可用性，實(shí)時減少了用戶定位最近可用停車位的工作量；Alvi等[47]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)討論了高速公路的各種事故檢測和預(yù)防方法，進(jìn)行了批判性分析，強(qiáng)調(diào)了它們的優(yōu)勢、局限性和需要解決的問題，以確保道路的安全性；Liu等[48]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究了一種基于圖像處理的模式快速識別方法，使用聚類分類方法提取視頻圖像特征目標(biāo)，以達(dá)到高速公路交通事故，避免事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的目的。

3.3.3 高速公路基礎(chǔ)設(shè)施

高速公路的智能基礎(chǔ)設(shè)施包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能信號燈、智能路燈、智能路標(biāo)、智能十字路口以及智能充電等，可以協(xié)助駕駛員的日常駕駛，減少交通事故，或?yàn)檫\(yùn)維人員提供更為方便快捷的輔助作用。

經(jīng)過對智能交通研究領(lǐng)域文獻(xiàn)的總結(jié)，Carnis等[49]指出智能交通要和智能交通基礎(chǔ)設(shè)施、智慧城市相結(jié)合，重新定義建設(shè)、管理、運(yùn)營及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施；Berglund等[50]對智能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，指出了如何將智能技術(shù)運(yùn)用在土木工程領(lǐng)域，以及其在基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題；Kumar等[51]基于遺傳算法和物聯(lián)網(wǎng)提出了一種模擬優(yōu)化和集成優(yōu)化的啟發(fā)式算法，且在智能交通系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用；Ghosh等[52]研究了一種能夠布置在道路上的傳感器網(wǎng)絡(luò)，并利用城市地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明靜態(tài)布置的方法是可靠的；Sayin等[53]提出了一種智能路標(biāo)的博弈理論，用以對抗干預(yù)檢測機(jī)制，保證了在不同場景下都能正常地向行人提醒或解釋交通標(biāo)志信息；Scorpio等[54]應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality, VR)技術(shù)對道路照明設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)，結(jié)果表明可靠性良好。

3.4 高速公路智能運(yùn)維與管理

區(qū)別于傳統(tǒng)的道路運(yùn)維與管理，智能高速公路的運(yùn)營成本更低、可持續(xù)性更好、操控更加便捷且節(jié)約能源，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、UAV監(jiān)測、智能交通系統(tǒng)能夠?qū)煌〒矶隆⒔煌ㄊ鹿实冉煌ㄈ粘；蛲话l(fā)情況進(jìn)行實(shí)時、快速、準(zhǔn)確的管理、跟蹤與救援。

3.4.1 區(qū)塊鏈信息共享與監(jiān)管

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式賬本技術(shù)，運(yùn)用分布式存儲與計(jì)算模式，且其以隱私性、機(jī)密性、可追溯性、安全性、低成本等優(yōu)勢得以運(yùn)用在各研究領(lǐng)域中。

Li等[55]基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)了一個針對高速公路運(yùn)輸排放問題的政策框架，顯著降低了管理成本，提高了管理透明度和可追溯性，有效解決了高速公路運(yùn)輸?shù)奈矚馀欧艈栴}；結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)，Ali等[56]設(shè)計(jì)了一種安全系統(tǒng)，用以監(jiān)管高速公路的規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)、道路維修以及保證網(wǎng)絡(luò)的安全性；Dwivedi等[57]提出了一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的高效去中心化架構(gòu)，在云服務(wù)器的幫助下，實(shí)現(xiàn)了車輛與高速公路基礎(chǔ)設(shè)施及道路情況的事件信息實(shí)時共享；Ying等[58]為解決高速公路電子收費(fèi)問題，提出了基于區(qū)塊鏈的高效高速公路收費(fèi)范式，實(shí)現(xiàn)了快速完成付款，并避免了虛假信息的影響；Buzachis等[59]提出了一個有效結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)來支持車輛之間的信息共享與交流，以減少緊急情況下的碰撞與交叉。

3.4.2 UAV信息采集與處理

無人機(jī)(UAV)是一種遠(yuǎn)程遙控的飛行器，近年來通過裝備不同用途的攝像頭或雷達(dá)被廣泛應(yīng)用。在道路工程領(lǐng)域，應(yīng)用UAV可以在道路運(yùn)維階段做到緊急快速救援、實(shí)時更新道路信息、采集高精度圖像等諸多工作項(xiàng)目[2]。

Outay等[60]總結(jié)了從UAV獲取圖像、視頻關(guān)鍵特征的計(jì)算機(jī)視覺算法的進(jìn)展，以及在交通流分析、風(fēng)險(xiǎn)評估、事故調(diào)查等方面的改進(jìn)，并提出了相關(guān)問題的對策；Menouar等[61]總結(jié)了UAV在智能管理系統(tǒng)方面的應(yīng)用，討論了UAV機(jī)動性、自主操作和信息處理等能力，指出了UAV在未來智慧城市中的潛力和可能遇到的難題；El-Sayed等[62]應(yīng)用UAV在發(fā)生交通事故和擁堵時充當(dāng)額外的基礎(chǔ)設(shè)施單位，并根據(jù)交通情況進(jìn)行動態(tài)部署；Khan等[63]基于UAV和5G技術(shù)提出了一種智能交通系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)測結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠減少因現(xiàn)有系統(tǒng)漏洞而造成的事故和傷亡；Liu等[64]基于UAV、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和羅拉通信技術(shù)，建立了一個物聯(lián)網(wǎng)汽車監(jiān)控預(yù)測模型，通過對多目標(biāo)進(jìn)行軌跡跟蹤，結(jié)果表明與現(xiàn)有通信方式有較好的改進(jìn)。

3.4.3 高速公路管理系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)(intelligent traffic system，ITS)是智能道路以及智慧城市的關(guān)鍵組成部分，近年來在世界范圍得到了越來越多的應(yīng)用，用于解決交通擁堵、交通事故、交通環(huán)境污染等問題。國內(nèi)外研究學(xué)者也根據(jù)信息通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、定位技術(shù)等對現(xiàn)代交通運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了諸多研究。

Zhang等[65]討論了如何利用智能管理系統(tǒng)及其他交通數(shù)據(jù)來制定一個以路段和小時為基礎(chǔ)的動態(tài)汽車尾氣排放的清單，用來管理未來道路動態(tài)空氣質(zhì)量；Guerrero-Ibáez等[66]討論了如何將傳感器技術(shù)與交通基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的智能交通系統(tǒng)；Villalón-Sepúlveda等[67]基于色度值和亮度值針對交叉路口和喚醒交叉口周圍的停車、讓車標(biāo)志，提出了一種交通標(biāo)志檢測系統(tǒng)，結(jié)果表明檢測率良好；Chan等[68]回顧了在實(shí)時管理交通網(wǎng)絡(luò)方面的經(jīng)驗(yàn)，在推測電信和信息技術(shù)能力的基礎(chǔ)上，對未來交通管理進(jìn)行了展望；Finogeev等[69]提出了一個處理傳感器數(shù)據(jù)的聚合模型，并開發(fā)了一個智能監(jiān)控系統(tǒng)，用以處理光雷達(dá)系統(tǒng)的道路事故大數(shù)據(jù)；Lee等[70]設(shè)計(jì)了一種智能交通信號控制系統(tǒng)，用以告知交叉路口的車輛，從而保證交通暢通；Szewrański等[71]結(jié)合地理信息系統(tǒng)、商業(yè)智能軟件以及洪泛風(fēng)險(xiǎn)評估工具，開發(fā)了一套智能定位系統(tǒng)，用以評估道路洪泛風(fēng)險(xiǎn)及水污染源，保證道路的正常運(yùn)營。

4 高速公路智能建造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域研究啟示

智能高速公路是未來各國家智能城市與智能交通不可或缺的一部分。在總結(jié)了近10年有關(guān)高速公路智能建造的進(jìn)步與發(fā)展，而其中眾多智能技術(shù)準(zhǔn)備或已經(jīng)應(yīng)用于道路工程中，其中較為典型的在13個研究主題中已詳細(xì)地進(jìn)行了介紹。然而，在未來仍有著更多新的技術(shù)進(jìn)展用于智能道路的研究領(lǐng)域。

基于研究主題，以下是有關(guān)高速公路智能建造研究領(lǐng)域的發(fā)展方向和建議。

(1) 創(chuàng)新研究更先進(jìn)更智能的技術(shù)，并將其有效地應(yīng)用于實(shí)際工程中。目前中國在先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用方面的研究比較薄弱,依賴發(fā)達(dá)國家先進(jìn)設(shè)備情況嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)智能建造先進(jìn)技術(shù)在高速公路方面的應(yīng)用研究，做到各技術(shù)與系統(tǒng)的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而加強(qiáng)中國高速公路智能建造技術(shù)的國際核心競爭能力。

(2) 聚焦高速公路智能建造的全生命周期運(yùn)行，重視開發(fā)智能建造軟件與平臺建設(shè)，如BIM云平臺、智能管理平臺等，提高中國智能建造領(lǐng)域“軟實(shí)力”，準(zhǔn)確把控信息無縫傳遞、數(shù)控軟件對硬件設(shè)施的精密控制等環(huán)節(jié)[72]。

(3) 加強(qiáng)組織管理方面研究，培養(yǎng)智能建造意識，加強(qiáng)各科研單位與項(xiàng)目企業(yè)間的合作創(chuàng)新與協(xié)同發(fā)展，設(shè)立更多高速公路智能建造項(xiàng)目，拓展高速公路智能建造技術(shù)的應(yīng)用范圍。

(4) 更多地將智能路燈、智能信號燈、智能傳感器等智能基礎(chǔ)設(shè)施投入使用，將其與智能交通系統(tǒng)整合，改善智能高速公路建設(shè)或運(yùn)維管理過程中工程部門較多、信息處理繁雜緩慢等問題。

(5) 未來高速公路的智能建造，要追求更高的能源效率、更綠色的交通環(huán)境、更便捷的交通出行、更少的道路擁堵、更少的廢氣排放、更少的交通事故、更低的建造成本，從而改善城市及周邊居民的生活質(zhì)量和生活幸福指數(shù)。

5 結(jié)論

以SCI數(shù)據(jù)庫中2010—2020年收錄的173篇代表性文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，對文獻(xiàn)的基本情況進(jìn)行了匯總與分析，旨在從宏觀的角度，對高速公路智能建造的研究地區(qū)、研究來源等進(jìn)行具體的總結(jié)。而后從高速公路智能建造技術(shù)的概念內(nèi)涵及發(fā)展現(xiàn)狀、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、智能施工、運(yùn)維與管理4個研究維度出發(fā)，將13個研究主題的近年研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹與總結(jié)。最后基于高速公路智能建造技術(shù)的研究現(xiàn)狀對未來的研究方向、研究目的提出了建議。研究將對高速公路智能建造技術(shù)的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐起到一定的引導(dǎo)和輔助作用。