创新了我国高速公路智慧化扩容模式

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编者按：10月13日，在中国公路勘察设计协会主办的“全国智慧公路建设技术及效能研讨会”上，中交第二公路勘察设计研究院有限公司工研院首席研究员王丽园作了《大流量、超多车道高速公路智慧扩容技术创新》主题报告。

王丽园表示，大流量、超多车道高速公路扩容技术，是以高速公路通行能力的智慧提升、桥梁快速智能建造、绿色低碳设施建设为核心的成套技术，攻克了在经济发达地区及其近城区高速公路扩容工程的道路通行能力提升难题，形成了“智慧化扩容理念+传统物理扩容手段”的先进方案，创新了我国高速公路智慧化扩容模式，可显著提升高速公路扩容的通行能力、管理与服务智慧化水平和全生命周期绿色低碳建养综合效益。

1 高速公路扩容建设背景

进入“十四五”，智慧高速公路的建设逐步脱虚向实。行业重点从十三五的“怎么建”转向了“怎么深化与实践”。党的二十大报告中指出，建设现代化产业体系，推进新型工业化，加快建设交通强国；“双碳”目标列入交通运输部的相关规划。

交通运输部、科学技术部对外发布的《“十四五”交通领域科技创新规划》从基础设施、交通装备、运输服务三个要素维度和智慧、安全、绿色三个价值维度，布局了六大领域18个重点研发方向。总体来看，“创新、协调、绿色、开放、共享”成为公路建设发展的主旋律。

近年来高速公路改扩建走廊带多面临土地资源紧张等问题，传统物理扩容方式的通行能力上限受到制约；同时，一些先期扩容的高速公路无法满足日益增长的交通需求，如沪宁高速公路等，需进行二次扩建。大流量、超多车道高速公路扩容成为新时代建设的发展特征。

既有高速公路沿线的土地资源趋近饱和，而通行能力、环保、建管服等要求却日益提升，这些对高速公路改扩建方法提出了新的需求。

高速公路扩容如果只单纯依靠物理车道数的增加，车辆的换道频率会随之增加，车流交织行为严重，单车道通行能力会呈现边际递减效应。从实际的工程建设来说，如果在同一地面横断面上设计的车道数量过多，不仅会增加土地资源的征占，也会为后期运营阶段的多车道主动管控，应急救援、安全保障以及和相邻路段的交通衔接等带来更大的管理难度。

另一方面，人工智能、通信、数字经济等领域出现了多个行业级、现象级的应用，如ChatGPT、数字货币以及华为芯片等。公路行业需要和世界科技共同进步，公路改扩建工程也要拥抱融合新技术进行创新迭代。

回顾智慧公路近十年的发展历程可以发现，智慧高速的建设模式、建设方案、运营管控以及核心技术等方面都已经取得大批成果，并在工程建设中得到了初步的检验和应用。这也为高速公路的扩容创新提供了破局点。

以泉厦高速公路扩容工程为例。G15 沈海高速泉厦段是联系福建省泉州和厦门的重要公路运输通道，是交通强国“十四五”第一批重点项目之一。和机荷高速不同的是，它是国内首个穿越城区的轻型智慧超多车道高速公路扩容工程。

该项目于1997年按双向四车道建成通车，当时是4车道的设计标准。由于交通量的持续增长，2010年完成“四改八”第一次扩建，设计速度120km/h。目前，既有高速公路路线全长69.780km，全线设置隧道4座、互通式立体交叉10处，服务区2处。

该项目有六大特点：一是主线交通流量大，据统计，2020年泉厦高速平均日交通量达到8.9万辆，已趋于饱和；二是走廊带资源非常宝贵，两侧已严重城市化，实施平面扩建空间受制约；三是扩建的综合制约因素多，例如土地资源、厂房、拆迁等。

四是交通疏解需求大，泉厦高速公路穿越厦门、泉州等城市集中连片建成区，与城市内多条快速路和主干路相交，不仅承担厦门、泉州城市对外的快速通道，而且承担了泉州市、厦门市城市内部不同组团区域之间的短途快速出行功能。

由此也导致了第五个特点，即短途的出行占比非常高，小于40公里的车辆出行比例达到79.3%；六是由于该项目是国家级样板工程，对于环保景观的要求非常高，这些都为项目扩容设计带来了诸多挑战。

2 智慧扩容建设的新理念

高速公路扩容发展的新方向是将智慧化扩容理念与传统物理扩容手段有机融合，即在设计阶段就开始面向工程的数字化资源，为后续AI赋能的智慧决策等支撑提供基础，目标是要实现主动管控下的单车道通行效率提升，创新快速安全的车路协同出行服务，减少土地资源占用，打破同一断面车道数增加的效率提升局限，降低同一横断面超多车道的安全管理难度，优化相邻路段的交通衔接疏导等。

总体来说就是要做到三个“最大化”，即在项目施工期间工区行车安全的最大化，在运营期间车道通行能力的最大化，在项目全生命周期经济效益的最大化。

目前中交二公院承担了泉厦高速公路扩容工程的工可和初步设计工作。项目全面贯彻落实“创新、协调、绿色、开放、共享”的新发展理念基调，在泉原既有高速走廊进行“物理扩容+智慧提升”的“轻型、立体、智慧”改造，率先在全国范围内探索和建设一条轻型智慧、绿色高质量、互联互通的LIGHT（Light Intelligent Green High-quality Transfer）高速公路，引领全国高速公路扩容工程，为福建省打造“轻型智慧高速”新名片。

所谓“轻型”指车辆分型，即采用立体的结构，上层专供小客车行驶，设计速度为120km/h，预留速度为140km/h，下层采用在原有道路上继续保留的客货混行模式，这在国内是首创的。“立体”指地面层、立体层采用8+8共16个车道的原位立体扩容模式.

该项目立足打造“1+4”工程，即贯彻以新发展理念为核心的样板工程，建设成为智慧协同的精品工程、科技创新的示范工程、绿色低碳的典型工程和景观文化的标杆工程。

在具体的设计思路上，围绕轻型的特点，提出了设计车辆轻型、数据轻型、管控轻型、养护轻型、救援轻型，来分车型、分路段、分重点、分等级、分阶段智慧统筹。

在具体的技术实施路径上，创新“上客下混”的交通组织模式，建立轻型立体高速技术标准，推行桥梁标准化设计、工业化建造，引入全生命周期碳排放评价体系，打造全生命周期数字底座，实现双层车道级分车型智慧管控、应急救援的技术创新。

3 高速公路智慧扩容关建设计指标创新

由于该项目在国内是首创项目，因此在很多方面没有相关的标准规范作为设计支撑。

传统高速公路扩容设计主要遵循四个原则，即：不降低现有高速公路的技术标准、满足通行能力提升要求、最大限度利用既有道路以及保持全线技术标准连续、均衡和协调性。

在这四个标准的基础上，项目创新实现分车型、分层、分车道的运行管控方式，上下层差异化的设计速度等实现高速公路整体通行能力的智慧化提升，确保车辆运行的安全和有序。

特别是针对载重较小的轻型车辆，人民群众对行车速度有进一步提升需求，未来有可能突破现行规范规定的120Km/h时速限制。为了满足未来轻型车辆在140km/h等超高时速下的高速公路运行设计需求，我们对现有规范设计指标进行了补充研究，提出了轻型车在120、140km/h设计时速下的设计指标创新成果。

在路线设计指标上，创新提出通过国内外实测的自然驾驶数据集，开展车辆轨迹行为特征分析，深入研究车辆的横向摆动特征、期望轨迹偏移等因素，得到了轻型车在120km/h和140km/h两种设计速度下的行车道、路缘带、硬路肩等横断面宽度的合理取值。

根据轻型车在湿滑路面的行驶特征及制动距离等实测数据，对轻型车在120km/h和140km/h设计速度下停车视距等平面指标的合理取值进行研究。

另外，通过轻型车在单纵坡及弯坡组合路段上的动力仿真分析，得出轻型车在120km/h和140km/h设计速度下的纵面指标合理取值。

在互通设计指标上，针对轻型车的行驶特征，考虑到主线140km/h的预留设计速度，为减小主线与匝道的速度差，通过在单纵坡与弯坡组合路段的动力仿真分析，对轻型车在90km/h设计速度下进行安全验证，同时对匝道最大纵坡，竖曲线半径、长度等指标实现了合理取值，并通过VISSIM仿真进行了详细的安全验证。

在最终成果上，也将转换道设计指标与匝道设计指标相呼应，在国内首次填补了现有规范中关于转换道相关设计指标的空白。

4 高速公路智慧扩容建设方法创新

高速公路扩容工作既要响应国家和省部级政策、规划的新时代要求，也需要主动引入相关行业的先进技术作为设计方法的融合创新基础。因此在规划上，首先要体现出前瞻性，需要重点考虑项目的扩容时机、扩容模式、扩容效益。

扩容时机方面，调查除了要考虑项目交通量、交通组成、交通量增长等，还要考虑周边路网的运行状况，以及随着中国国家地位的提升，未来重大事件的时间表等因素。

扩容模式上面，除了各级路网规划，还要考虑扩容后带来的通道走廊带交通量诱增规模，综合考虑采用平面扩容、立体扩容还是智慧扩容等。

扩容效益方面，不仅要做到道路保通、保安全、保收费，还要达到综合效益的最大化。

在公路基础设施的具体建设方面，我们考虑了经济效益、社会效益以及生态效益，并将其引入低碳设计的评价指标。

通过碳排放量的指标量化体系，可对不同的设计方案进行碳排放量的具体系统化核算，响应双碳政策。在设计阶段，将碳排放的设计方式和设计理念在高速公路扩容阶段进行扎根和演进。

在项目建设过程中，依据中国交通建设集团有限公司企业标准《Q/CCCC GL 105-2022公路工程建设期碳排放测算标准》《Q/CCCC GL105-2022公路工程建设期碳排放估算指标》，在工可阶段进行了方案的比选。

如下图所示，深蓝色代表路基，浅蓝色代表桥梁，绿色代表隧道。我们依据碳排放量进行局部方案比选，优选出更优的K线方案。整个项目我们通过碳排放优化，对设计方案进行了建议调整，可减少碳排放量约10%。

通过对整个项目各种碳排放源的统计分析，发现主要来源为混凝土，每公里的碳排放量达到约3.5万吨。这是由于该项目采用的是立体扩容模式，桥隧比非常高。项目设计过程中，完成了一份详细的碳排放计算报告书。未来高速公路的扩容工作，碳排放可以作为生态效益的一个重要表征，为高速公路建设方案比选提供指标参考。

在上层复合式结构建造方面，重点贯彻了“四化”，即设计标准化、预制工厂化、施工装配化以及运维智慧化，通过这些将高速公路扩容建设时期对既有交通量的干扰、生态环境的破坏降到最低，最终实现可控范围内的安全、生态、经济效益的最大化。

在智慧管控方面，立足车辆分型、道路分层的智慧高速扩容方式，建立了多种类型的入口管控、主线管控、匝道管控、隧道管控和分层管控模式，将扩容后的高速公路变成运输链、技术链、信息产业链的智慧融合载体，通过工可和初步设计阶段的智慧高速顶层设计，缔造成为功能细分、舒适协同的新型交通基础设施，推动数据生长、促进信息价值增长，助力分型、立体协同管控的效果提升。

在未来运营管控的设计上，践行了管控方式创新和设计标准创新，以传统管控设施为基础，以分车型的立体协同管控智慧手段为提升，并预留140km行车时速的智慧管控技术条件，综合实现分层调度、快速通畅、安全高效，做到通行能力最大化。

大流量、超多车道高速公路的智慧扩容，必将是全新的天地。中交二公院将秉承价值服务，敢为人先，数智融合，思谋AI，为用户创新设计，与行业携手未来！