自动驾驶对沥青面层寿命及养护成本影响分析
第!"卷!第#$期
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中!国!公!路!学!报
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!作者 简 介!宋明 涛!
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"$男$湖 北鄂 州 人$工学 博士 $
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"通讯 作 者!陈!丰!
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自动驾驶对沥青面层寿命及养护成本影响分析
宋明涛#
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#,同济大 学 道路与交通工程教 育部重 点实验室$上海!
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%,广东华 路
交通科技有限公司$广东 广 州!
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摘要!自动驾驶车辆具有 鲁 棒 的 横 向 控 制 稳 定 性与居中车道行驶偏好!这将显著影响车辆轮迹横向
分布$集中的轮迹分布将加速沥青路面车辙发展!应合理利用自动驾驶车辆横向控制!量化轮迹横
向分布对路面车辙发展以及建设养护成本的影响$以 浙 江 上 三 高 速 为 对 象 !利 用 视 频 观 测 现 阶 段
车道横断面车辆横向分布状态并测量路面车辙深度!提取了车辆横向分布基准参数#据此设计了几
种轮迹分布函数并构建轮迹横向分布实施流程#通过室内试验采集材 料 参 数 !建立上三高速路面结
构有限元仿真模型!分析了不同自动驾 驶车辆比 例 以 及横 向分 布 函 数 下 沥 青 罩 面 使 用 年 限 以 及 年
均建设养护成本$研究结果表明%按照现 阶 段 自 动 驾 驶 车 辆 小 于#$9C 的横向分布标准差!当车辆
全部自动化后!路面车辙达到#"CC 的年限将由##年多提前至?年!上 三 高速 沥青 罩 面 年 均 建 设
养护成本将增加!<,Ha&达到H>,>万元(
WC'$随 着 横 向 分 布 标 准 差 的逐渐增长!自动驾驶车辆的
不利作用将会逐渐减弱#当其值大于%"9C 时!自 动 驾驶 车 辆将 有利 于 减 缓 路 面 车 辙 发 展 进 程!且
此时自动驾驶车辆的比例越高!减缓效果越明显#均匀分布状态下!路面车辙年限将推迟约!年&升
至#H年'!年 均 建 设 养护成本将减少约%H,%a&降 至 %<,=万 元(
WC'$因 此 !合 理 控 制 自 动 驾 驶 车
辆轮迹横向分布将有效降低沥青面层建设养护成本$
关键词!道路工程#路面养护 成 本 #有限元#自 动 驾 驶 #轮 迹 横 向分布
中图分类号!
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!!!文献标志码!
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>引!言
随 着 交 通 需 求 持 续 增 长$中国道路尤其是高速
公路的建设势头迅猛&根 据 .中 国 交 通 的 可 持 续 发
展/白皮书$截至%$#>年底$中国高速公路里程达到
#"万WC$位 居世 界 第 一&中 国 高 速 公 路 以 沥 青 路
面为主$而沥青路 面 建 设 涉 及 大 量 能 源 消 耗 和 碳 排
放)
#
*
$尽量延长路面寿命尤其是沥青罩面使用年限$
将有利于减少能源 消 耗 与 碳 排 放$降低沥青面层整
体养护成本)
%;!
*
&
沥 青 路 面 寿 命 不 仅 与 路 面 本 身 材 料(结 构 性 能
紧密联系$还与直 接 作 用 在 路 面 上 的 车 辆 尤 其 是 卡
车作用特征 密 切 相 关)
H;"
*
&随 着 人 工 智 能(
"A 等 新
基建方向的提出与实施$车 路 协 同 全 面 落 地 与 升 级
将成为可能&目前$多 家 车 企 已 实 现 低 等 级 自 动 驾
驶$例如$上汽红岩已在东海大桥进行相关自动驾驶
试验$自动驾驶卡 车 或 将 率 先 取 代 人 工 驾 驶 走 向 市
场)
=;<
*
&现阶段$自动驾驶车辆的研究重点偏向车辆
本身$如人工智能算法)
?
*
(雷视一体类的设备研
发)
>;#$
*
(行车安全)
##
*
(民众接受度)
#%
*等&车路一体$
不应厚此薄彼$这 一 新 型 交 通 工 具 对 沥 青 路 面 使 用
性能及其寿命造成 的 影 响 值 得 研 究$应 合 理 利 用 自
动驾驶车辆与车路 协 同 系 统$主 动 规 避 自 动 驾 驶 车
辆对路面结构的不 利 影 响$发 掘 自 动 驾 驶 车 辆 有 利
于道路结构的一面&
车 辆 通 过 车 轮 荷 载 对 沥 青 路 面 产 生 力 学 作 用$
荷载的大小与作用点 位 显 著 影 响 着 沥 青 路 面 结构各
点 的力 学响 应 状 态 &与 人 工 驾 驶 车 辆 不 同$自动驾
驶车辆的横向稳定性 会 影 响 车 轮 荷 载 在 车 道 横断面
的作用点位以及整体 分 布 状 态 %受驾驶行为(控 制 稳
定性等因素影响$人工驾驶车辆会在车道横断面较
为离散地分布#根据观 测 数 据 $人 工 驾 驶 车 辆 在 车道
横断面的整体分布近 似 服 从 以 车 道 中 心 线 为 对称轴
的正态分布)
#!;#H
*
&自动驾驶车辆则借助 鲁 棒 性 横 向
控制实现车道居中 与 车 道 保 持$进 而 造 成 渠 化 交 通
以及轮迹横向分 布 的 过 度 集 中)
#!
$
#"
*
$分 布 特 征 更 偏
向于单点分布&越集中的车辆横向分布意味着车道
断面局部点位的使 用 率 越 极 端$路 面 车 辙 会 因 此 而
加速发展)
#=
*
&路面成本体系 包 含 机 构 成 本(使用者
成本以及 不 确 定 性 成 本)
#<
*
&道路首次建设即一次
性投入设计费(初建费等大量初始成本#在道路 日 常
运营过程中逐渐投入 日 常 养 护 费 (维 修 费 用 #随 着使
=%# 中!国!公!路!学!报!!!!!!!!!!!!!!
%$%%年
用年限的增加$沥青面层的残值逐渐 降 低 $而每一次
养护成本的投入则直 接 提 升 其 残 值 大 小)
#?
*
&显 然$
自动驾驶车辆将影响机构成本中维修养护成本的投
入周期$改变残值降低速度$其次还会附加环境成本
等潜在社会效益&
在应对人 工 驾 驶 车 辆 的 轮 迹 集 中 现 象 时$
K'E
等)
#>
*
通过视觉干预标线干 预 驾 驶 人 的 驾 驶 行 为$使
得人工驾驶车辆的 横 向 分 布 发 生 整 体 偏 移$从 而 实
现路面寿命的延长&考虑自动驾驶车辆轮迹分布问
题$
7551T*)G等)
#"
*
(
AE)
.
51等)
%$
*研 究 了 轮 迹 集 中
条件下沥青路面各结构层厚度对应的变化&结果表
明$在相同的交通流量及环境下$需要更厚的沥青面
层应对自动驾驶车 辆 的 轮 迹 集 中&AE)
.
51等)
%#
*和
R5)
.等)
%%
*
则考虑离散 化 卡 车 编 队 避 免 车 辆 正 对 行
驶$从而 减缓车 辆 编 队 对 路 面 的 集 中 轴 载 作 用&上
述研究从管理运营 的 角 度 设 计 视 觉 干 预 标 线(从 结
构设计的角度设计沥青面层(以 编 队 为 单 元 局 部 地
离散轴载以应对车辆的轮迹集中#除此之外$考虑到
自动驾驶车辆良好 的 横 向 控 制 性 能$理 应 可 以 从 车
辆控制的角度控制自动驾驶车辆在车道断面的横向
位置 $从 而在整 体 上 形 成 指 定 的 横 向 分 布&需 要 进
一步分析横向分布 设 计 的 基 准 参 照(特 征 参 数 并 量
化由此带来的经济效益$从而为制定相关政策服务&
基于此$本文以浙江上三高速 为 研 究 对 象 $观 测
了现阶段上三高速车道横断面人工驾驶车辆的横向
分布状态与路面车辙情况$提 取 了 人 工 驾 驶 车 辆 横
向分布状态参数#对 自 动 驾 驶 车 辆 以 人 工 驾 驶 车 辆
为基准设计了不同 状 态 参 数 的 分 布 函 数#构 建 了 以
分布函数(视频识别(转向控制等为功能单元的自动
驾驶车辆横向分布 实 现 框 架#以 路 面 车 辙 发 展 为 控
制指标$利用室内 试 验 采 集 材 料 蠕 变 参 数 构 建 上 三
高速有限元模型$充分考虑自动驾驶车辆比例$计算
了几种分布下的路面使用年限#最后$以年均罩面建
设养护成本定量化描述了自动驾驶车辆带来的经济
效益&
?车辆横向分布状态
?@? 人工驾驶车辆横向分布数据采集
由于驾驶人的驾驶行为(驾驶选择偏好(车辆性
能(行驶安全性等因素各 异 $每一辆车在车道横断面
的位置具有随机性$总 体 上 呈 现 以 车 道 中 心 线 为 对
称轴的分布状态$由 此 造 成 车 辆 轮 载 集 中 分 布 在 车
道横断面的局部点位$形 成 一 定 的 轮 迹 横 向 分 布 特
征&在渠化的车轮 荷 载 作 用 下$沥 青 路 面 结 构 易 形
成沿着车辆行 驶 方 向 的 狭 长 凹 槽$即 车 辙 &作为沥
青路面的主要病害 类 型$车辙显著影响路面的使用
性能与行车安全&由于 车 辙 的 形 成 主 要 受 重 载 交通
影响$本文以下内容仅考虑中大型车辆&
为了解现阶段人工驾 驶 车 辆 的 横 向 分 布 特 征 并
以此作为自动驾驶 车 辆 横 向 分 布 特 征 的 参 考$选 取
浙江上三高速!双向四车道"行车道车道断面为研究
对象$通过架设于龙门架的高清摄像头采集车辆经
过的视频数据$时间采 集 时 段 为 早 <
%
$$到晚
#<
%
$$
$
利用 图 像识 别采集 了 该车 道 断 面 #?>?辆大型车的
车轮!左侧车 轮与 右 侧 车 轮"的横向分布情况!以 车
道左侧道路标线中心 为 基 准 点$每#"9C 为 一 个 统
计单元"&
车 轮的 横向 分 布情 况 如 图 #
!
Y
"所 示 $车 轮 的 横
向分布 明 显 出 现 以 距 左 侧 车 道 线 中 心 线 #$"
(
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9C 的%个波峰$可 利用 如 下高 斯 双峰 分布 函 数 描 述
车轮沿横断面分布情 况
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同时采集该断 面 的 车 辙 数 据!以左侧车道标线
中心为基准点$每%"9C 为 一 个 采 集 点 "$如 图 #
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所示&从图#
!
9
"可 以看 出$车 辙 深 度 沿 横 断 面 变 化
情况与车轮沿横断 面 变 化 的 情 况 基 本 一 致$左侧车
辙深度最 大 值 虽 未 出 现 在 左 侧 轮 迹 最 为 集 中 的 区
段$但也 基本上 出 现 在 轮 迹 比 较 集 中 的 区 间&轮 迹
分布显著影响路面 车 辙$合理的车辆轮迹分布将会
有效改变沥青路面车 辙 发 展 $延 长 路 面 寿 命 &
?@A 自 动 驾 驶 车 辆 横向分布设计
对于人工驾驶 车 辆 的 横 向 分 布 $早 在 #>>" 年$
X6*Y等)
%!
*
就对奥地利%<个路段 重 型车 辆 的 横 向 分
布进行统计$并利用拉普拉斯分布进行了较好的拟
合&后续 AE)*
U等)
%H
*则 证 实 可 用 正 态 分 布 较 好 拟
合这 种横向分布 特 征&在 本 文 第 #2#节 中$利用高
斯双峰分布描述轮 载 的 横 向 分 布$将左右车轮的横
向分 布进行单项拆 解 即 成 为 %个正态分布$本文选
用正态分布作为车辆 的 横 向 分 布 特 征 函 数 &对 于自
动驾驶卡车的横向 研 究 而 言$现 阶 段 主 要 专 注 于 车
辆横向控制器的鲁 棒 性 以 及 车 辆 居 中 行 驶 性 能$是
以车辆行车安全为单 一 目 标 的 &根 据 东 海 大 桥 自动
驾驶卡车行驶数据$车辆目前的横向状态目标是保
<%#
第#$期!!!!!!!宋明涛!等%自动驾驶对沥青面层 寿 命 及 养 护 成 本 影 响 分析
摘要：
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自动驾驶车辆具有鲁棒的横向控制稳定性与居中车道行驶偏好，这将显著影响车辆轮迹横向分布。集中的轮迹分布将加速沥青路面车辙发展，应合理利用自动驾驶车辆横向控制，量化轮迹横向分布对路面车辙发展以及建设养护成本的影响。以浙江上三高速为对象，利用视频观测现阶段车道横断面车辆横向分布状态并测量路面车辙深度，提取了车辆横向分布基准参数；据此设计了几种轮迹分布函数并构建轮迹横向分布实施流程；通过室内试验采集材料参数，建立上三高速路面结构有限元仿真模型，分析了不同自动驾驶车辆比例以及横向分布函数下沥青罩面使用年限以及年均建设养护成本。
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2025-11-15 8
作者：第一文库
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