破解我国交通运输行业未来发展中面临的诸多现实问题

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编者按：《交通与运载工程学科前沿技术发展与科学问题》系列丛书是在国家自然科学基金委员会工程与材料科学部大力支持下，在E12交通与运载工程学科处的指导帮助下，由西安建筑科技大学校长、长安大学教授赵祥模担任总召集人，多位院士掌舵把关，140多家高校、行业学会的4200余名专家学者参与，历时3年凝练出7类交通方式的557个科学问题。

本书《道路交通·综合与新型交通》是该套丛书的第一分册，分为上篇《道路交通工程学科领域科学难题》和下篇《综合与新型交通系统科学难题》，本书可供交通与运载工程学科科研人员和相关专业高年级研究生工作学习参考。

综合与新型交通系统是各种传统交通方式发展到高端阶段的历史必然产物，因为任何一种交通方式发展成熟后，都面临着横向与其他交通方式融合发展，纵向引进新兴技术实现自身更新迭代，从而满足社会发展的新需求。

《综合与新型交通系统科学难题》在总结综合与新型交通系统发展历史基础上，分析了其内涵、发展现状及本领域面临的挑战。通过分析我国在综合与新型交通的发展现状及特征和世界主要发达国家综合与新型交通发展路径及趋势，归纳了本学科的重点研究方向，并分方向对征集的科学难题进行了梳理。

希望通过对这些难题的提出，引导广大科技人员研究真问题和真研究问题，破解我国交通运输行业未来发展中面临的诸多现实问题（如：交通运输结构发展不平衡、资源与环境代价较大、综合运输效率效益不高、关键技术装备自主创新不足），引领学科脱虚向实、健康有序发展，助力《交通强国建设纲要》等国家重大战略。

1 综合与新型交通系统的发展历史与现状

20世纪中叶，以信息与控制技术为主导的第三次工业革命到来。这次科技革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且也影响了人类生活方式和思维方式，使人类社会生活和人的现代化向更高境界发展。

基于此，各种运输方式独自已不能满足运输需求，为发挥优势、弥补劣势，各种运输方式之间开始积极主动寻求衔接和融合，于是综合交通受到重视，大型综合交通枢纽协同运行和组织优化系统得到快速发展。

20世纪70年代，随着资源与环境问题的日益突出，综合交通的研究热点开始转向可持续发展方向。20世纪80年代，发达国家经济发展进入后工业化时期，技术进步从运输需求与运输供给两个方面极大地促进了综合交通结构的升级。各种运输方式的自身效能明显提高并走向成熟。

合理配置运输资源、提高综合运输能力，综合运输体系整体结构的调整步伐也明显加快。现阶段综合交通学科主要方向是提高现有基础设施的利用效率，缓解拥堵和环境污染等问题。

因而，建立环境保护型和资源节约型可持续综合交通成为世界交通学科的主流。我国综合交通学科的发展紧跟世界发展步伐，主要分为三个阶段，包括认知探索阶段、理念形成阶段和基础成熟阶段。

标志性的事件包括：1950年代，我国建立了综合运输研究所，对各种运输方式的合理分工与统一运输网建设等问题开展了长期研究。

2008年，国务院组建了交通运输部，公路、铁路、水运、航空、管道、邮政和城市交通运输等基本纳入交通运输部统一管理，从而为推动综合运输大发展奠定了体制和管理基础。

2019年，党的十九大进一步提出建设交通强国的战略目标，指出以高质量发展为根本要求，以“构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化交通体系”为价值取向，从2021年到2050年左右分两个阶段建设交通强国。

为加快建设交通强国，2021年，中共中央、国务院印发了《国家综合立体交通网规划纲要》，以构建现代化高质量国家综合立体交通网，支撑现代化经济体系和社会主义现代化强国建设。

新兴技术的进步带来了载运工具的变革，从而引发了交通运输方式的自身演化与更新换代。

第一次工业革命，蒸汽机的发明催生了火车、轮船等近代交通工具的诞生。

第二次工业革命，内燃机和电气化的广泛应用，则极大地促进了汽车与道路交通、飞机与民航等现代交通运输方式的飞速发展，第三次工业革命，信息与控制技术的应用，使得五大运输方式日臻成熟，运行效能大为提升。

以物联网、大数据、机器人及人工智能等技术为主导的第四次工业革命正在以前所未有的姿态席卷全球，更是催生出了无人汽车、飞行汽车、单人飞行器、临近空间飞行器等一批具有超前概念的新型运载工具。

世界各国高度重视新型交通系统和技术的发展，纷纷出台各种支持政策和改革措施。

2020年，美国交通运输部成立了非传统和新兴交通技术（NETT）委员会，从交通部层面扫除制度和法规障碍，促进非传统和新兴交通技术的应用，其工作重点是：确保安全第一，注重环境评估，提供资金支持。

2019年欧洲银行颁布了《交通中的颠覆式技术与创新》政策白皮书，大力支持物联网、大数据、人工智能、无人机等具有改变当前交通方式的颠覆式技术的应用和推广。日本、韩国、新加坡等亚洲发达国家也积极推进自动驾驶的研发、应用以及与现有交通基础设施的融合。

我国交通运输部在近期先后颁布《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021-2025）》、《数字交通“十四五”发展规划（2021）》等顶层设计文件，以技术创新为驱动，以数字化、网络化、智能化为主线，以促进交通运输提效能、扩功能、增动能为导向，推动交通基础设施数字转型、智能升级，建设便捷顺畅、经济高效、绿色集约、智能先进、安全可靠的交通运输领域新型基础设施。

从综合交通与新型交通学科发展史，可以总结出三个规律：

供应商、服务提供商、用户三侧的技术创新一直推动着交通运输行业的发展，颠覆式创新往往引起交通革命，从而带来社会变革；

历史上任何一种交通方式都曾经是“新型”的，大多数经过“概念设计，原型开发，应用测试，运营维护”四个阶段；

当前各种交通方式都面临着横向联合、纵向延伸的发展趋势，综合与新型交通是传统交通方式发展到高端阶段的历史必然产物。

2 综合与新型交通系统当前面临的难解问题

结合上述综合与新型交通发展历史与现状，为明确综合交通学科内涵，梳理学科边界，探究学科的研究前沿领域与方向，解决综合与新型交通学科研究中存在的重大典型难解问题，在国家自然基金委的指导下，学科学术共同体发起倡议，在全国近百所交通相关专业高校征集科学难题。

共征集百余项科学难题，内容涵盖了综合交通系统分析、综合交通系统规划与设计、综合交通协同组织与服务、新型交通基础设施规划设计及运维、新型运载工具设计及运用工程、新型交通系统测试与评价、交叉学科中的新型交通问题等七大方向，其中包括重大基础研究、前沿研究瓶颈、关键共性技术、颠覆性技术、“卡脖子”技术等。具体如下：

1）综合交通系统分析方向

本方向主要从综合运输系统供需平衡分析、城市多模式交通供需平衡、综合交通信息模型与仿真三个方面关注：多模式交通系统与复合网络供需交互作用规律、城市群/都市圈综合交通系统复合化增长、碳约束条件下城市公共交通系统耦合机理等重大基础研究难题以及多模式交通系统需求管理与主动调控、多模式交通资源动态调度与组织优化等关键共性技术和超大规模城市群交通网络系统分析与优化设计、城市级大规模交通系统在线仿真优化等卡脖子难题。

2）综合交通系统规划与设计方向

本方向主要从区域运输网络规划与设计、城市多模式交通网络规划设计、多网融合规划与设计、 综合交通枢纽规划与设计四个方面关注：超大规模综合立体交通网规划与TIM模型体系、综合交通网络系统韧性建模分析与优化提升等重大基础研究难题，以及韧性城市多模式公共交通系统协同设计与调控、韧性城市交通综合体设施风险评估方法及防控等关键共性技术和重大公共卫生事件期间城市交通管控体系构建等卡脖子难题。

3）综合交通协同组织与服务方向

本方向主要从一体化客运组织、多式联运、多模式出行服务三个方面梳理综合交通领域的重大需求问题：多模式交通时空耦合转移机理与协同运行优化、多式联运无缝衔接系统规划理论等重大基础研究难题，以及集装箱多式联运网络协同配置优化、国际铁路多式联运综合运输网络配流与运输组织协调优化等关键共性技术。

4）新型交通基础设施规划设计及运维方向

本方向主要梳理急需攻克的智慧公路领域的现实需求问题，典型问题包括：车-路-云一体化融合系统复杂构型设计与动态控制、新型道路交通系统变颗粒度管控架构、网联环境下数字交通设施系统规划设计、智慧高速公路系统交通控制优化和面向车路协同的道路基础设施全要素数字化与智慧管控等关键共性技术。

5）新型运载工具设计及运用工程方向

本方向主要从多栖交通系统、多用途交通系统、临近空间交通系统、特定场景交通系统四个领域梳理急需攻克国家行业急需的新型交通系统的工程技术难题，典型问题包括：

变体飞行器的动力学与控制、复杂环境下临近空间飞艇智能决策控制等重大基础研究难题，以及临近空间低速飞行器循环能源的弱平衡限制、临近空间飞艇数字孪生建模、商船应急改造与安防理论等关键共性技术和水陆两栖车融合设计与协同控制、非成形临近空间飞艇安全发放与精准回收、临近空间飞艇结构损伤在线监测与识别、临近空间太阳能无人机超长航时飞行等卡脖子难题。

6）新型交通系统测试与评价方向

本方向主要从RAMS测试评价理论、能效量化测试方法、测试工具链、人因测试四个领域梳理新型交通系统发展过程中面临的测试评价问题，主要包括：智能网联汽车整车交通在环测试方法等重大基础研究难题，以及基于大规模异构交通流仿真的自动驾驶测试、智能船舶航行测试仿真、新能源汽车运行安全风险评估理论与智能检验等关键共性技术和复杂气象环境下自动驾驶在环测试方法、智能汽车决策规划加速测试与量化评估等脖子难题。

7）交叉学科中的新型交通问题方向

本方向主要从技术驱动交通变革机理、交通系统信息物理融合、多交通系统及要素协作、交通信息安全、其他新兴技术在交通应用等五个领域梳理交叉学科中的新型交通问题。

具体包括：车路云信息交互机制及优化方法、自主交通要素耦合机理、道路行驶环境与行为响应耦合驱动的复杂系统类脑认知机制等重大基础研究难题，以及网联自动驾驶环境下的车辆群体协同决策及交通运行优化、协同编队驾驶决策控制方法、基于自主编队航行的多船协同运输等关键共性技术和高精度自动驾驶地图增强的可信感知与可靠决策等脖子难题。

3 综合与新型交通系统发展趋势与重点方向

经过近年来政-产-学-研-用的联合推进，综合与新型交通系统发展取得了显著进展，在大量政策文件的指引下，多地开展了示范运营。综合与新型交通系统已成为新一轮科技革命的重要应用载体，是习近平总书记指出的“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”科技发展方向中的重要内容，是国家科技竞争的战略要点。

同时，在“碳达峰、碳中和”背景下发展综合与新型交通系统是一场深刻的交通系统变革，是低碳交通发展的重要途径。针对当前综合与新型交通系统所面临的实际问题，面向社会发展需求，综合与新型交通系统将主要围绕智能网联汽车及新型运载工具、综合交通系统设计与分析、综合交通规划、测试评价科学问题以及临近空间系统与工程等方面开展研究工作，其发展具有以下特点：

交通基础设施与运载工具系统将紧耦合一体化发展：当前各种交通方式迅速发展，公路、铁路、水路以及民航等运输方式取得了重大成就，各交通模式初具规模。由各交通方式独立运行向着多模式交通系统协同管控方向发展，将实现公路、铁路、航空、水运以及管道运输的互联互通、一体化集成，提高运行效率，从而促进各交通模式纵向发展，增强不同交通方式深度融合，以提升区域的互联协作。

多模式、多节点、多链路融合互补的综合交通网络规划与设计可有效统筹资源配置，提升运输网络效能和可持续性，助推城市圈发展。多模式运输体系自主出行与共享集成服务可实现多种运输模式的协作配合；综合立体交通枢纽一体化协同以枢纽层级结构立体化，客货流“出行-运输-服务-监管”多层级信息感知和高效交互为研究重点，可促进共享出行并增强韧性，提升枢纽客货运输效率，改善交通参与者出行体验。

运载工具与交通基础设施将逐步实现层次化紧耦合运行，从而促进基础设施中宏观管控与运载工具微观控制的融合运行。这些都将成为综合交通未来的发展重要方向。

新兴技术与学科交叉创新是驱动交通运输变革的推进器：随着新一轮科技革命和产业融合，利用新兴技术实现革命性效能提升以及跨越模式与维度边界开创新型交通系统，成为新式交通方式的变革模式。相关研究主要围绕技术驱动交通变革机理、交通系统信息物理融合、多交通系统及要素协作、交通信息安全、新兴技术在交通系统中的应用等新型交通系统理论。

以智慧公路、新型轨道运输系统、智慧港口及航道、智慧机场、智慧管道、其他新型设施为重点的新型交通系统规划与设计。包括多栖交通系统、多用途交通系统、临近空间交通系统、特定场景交通系统等在内的新型运载工具设计及运用工程。

以及面向复杂、不确定运行环境的交通系统全效测试，建立完备高效的测试和可信评价体系，建立完善的标准化测试评价工具链。实现从子功能、单节点测试向多维多层级测试，建立面向新型交通系统的多维多层级全效测试理论与方法。这些也都将成为新型交通系统未来发展的重要方向。

本学科领域的科学问题征集工作在国家自然基金委指导下完成，以发展现状为依据，以具体需求为导引制定下一阶段需要重点研究的问题，期间难免存在疏漏和不足。希望广大科研人员共同努力，攻克相关难题，推动新型交通系统的快速高质量发展。