2023年, 第36卷, 第3期　刊出日期：2023-03-20

  

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  中国公路学报. 2023, 36(3): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2023, 36(3): 2-0.

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  道路工程数字孪生技术研究及展望专栏导语

  中国公路学报. 2023, 36(3): 3-0.

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  当前，道路交通行业逐渐从大规模建设阶段进入养护阶段。如何根据道路材料与结构的力学模型、性能试验、传感检/监测数据、服役历史等多源信息，对道路基础设施进行全寿命周期评估与维养，保障其正常服役性能并延长服役寿命已成为热点问题。基于数字孪生融合以上多源信息，采用先进的信息技术对道路实体的组成、特征、功能和性能进行精准探测、数字化定义和建模，以实现道路的多尺度、多物理场、多概率仿真，并在虚拟空间中完成映射，达到物理实体道路基础设施与信息化虚拟道路基础设施的交互与融合，可为道路全寿命周期智能建、管、养提供重要支撑与保障。
  近年来，诸多学者在“道路工程数字孪生技术”领域开展了探索性研究并取得了丰富的成果，为提高我国道路基础设施智能化水平提供了重要的理论指导和技术创新。为了明确道路工程中数字孪生技术的定义与发展方向，推动智能道路的发展和创新，《中国公路学报》编辑部邀请哈尔滨工业大学王大为教授、长沙理工大学吕松涛教授、中南大学邱实教授、北京工业大学侯越教授、东南大学于斌教授与胡靖副教授、长安大学杨旭教授、德国亚琛工业大学刘鹏飞博士作为组稿负责人，共同向国内外相关研究领域知名专家学者约稿，出版本期“道路工程数字孪生技术研究及展望”专栏，回顾、总结和推广了我国道路工程数字孪生领域的最新研究成果，展望了该方向的发展趋势。本专栏研究内容主要集中于以下几个方面：
  （1）综述：梳理总结了三维探地雷达道路隐性病害检测分析与数字化技术、基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生模型等该领域最新的研究成果和发展趋势。
  （2）数字孪生模型的技术优势，主要内容包括：基于激光雷达点云的道路几何信息提取与数字化建模研究，以及基于深度学习和虚拟模型的路面全域伤损状态自动化感知等。
  （3）数字孪生关键技术在道路工程中不同层面和阶段的应用，主要内容包括：基于多目视觉深度神经网络的路面宏观纹理三维重建方法，寒区沥青路面智慧化施工混合料温度预估机器学习模型研究，以及基于分布式光纤形状传感的沥青混合料车辙变形监测研究。
  （4）探地雷达技术在道路病害识别与分析中面临的挑战和应对方案，主要内容包括：探地雷达多特征融合的城市空洞自动识别方法研究，基于BIM+GIS的沥青路面表里全域病害数字孪生研究等。
  道路工程数字孪生技术的研究发展，将推动交通领域的数字化转型与智能化发展。
道路工程数字孪生技术研究及展望专栏
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  三维探地雷达道路隐性病害检测分析与数字化技术综述

  王大为, 吕浩天, 汤伏蛟, 叶呈森, 张锋, 王飔奇, 倪耀威, 冷真, 陆国阳, 刘鹏飞

  中国公路学报. 2023, 36(3): 1-19. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.001

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  道路服役数据信息是交通基础设施数字化建设与养护的关键，先进探测设备是获取道路服役数据信息的途径。近年来，三维探地雷达（3D Ground Penetrating Radar，3D GPR）因其高效、无损等检测优势得到广泛应用，可为道路隐性病害数据获取提供重要支撑。基于此，对道路典型隐性病害类型与检测手段进行总结归纳。梳理了三维探地雷达技术原理、数据采集方法、数据处理及在道路工程检测中的应用；根据三维探地雷达图谱隐性病害特征与识别手段，重点分析人工智能技术在探地雷达图谱识别技术中的应用与发展。针对交通基础设施发展进程，展望基于探地雷达数据的数字孪生技术，主要介绍基于三维探地雷达数据的建模与模型仿真方法。该综述可为三维探地雷达道路隐性病害检测提供基础理论知识与实践方法借鉴，同时为基于三维探地雷达数据的数字化交通基础设施建设与道路养护决策提供参考。
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  基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生模型研究综述

  于华南, 姚丁, 钱国平, 祝轩, 史长云, 张超, 李平

  中国公路学报. 2023, 36(3): 20-44. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.002

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  针对现有宏观均质模型无法反映多尺度、多相和多组分对沥青混合料细观非均质影响的局限性，从沥青混合料细观结构特征方面构建沥青混合料性能数字孪生模型以实现对路面性能的精准分析、调控和优化是交通基础设施数字化转型的重要途径。基于此，在沥青混合料性能数字孪生技术体系框架的基础上对基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生模型进行了综述，介绍了沥青混合料细观结构数字提取和数字孪生模型构建方法，总结了一套基于图像技术和人工随机生成方法的沥青混合料细观结构数字表征方法，讨论了沥青混合料细观结构组成的评价方法，总结了沥青混合料数字孪生模型中细观结构特征参数，进而详细描述了基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生模型在宏-细观性能关联中的应用，最后对沥青混合料性能数字孪生技术发展趋势、模型构建、参数表征和性能评价方面进行了展望。相关工作可为基于细观结构特征的沥青混合料性能数字孪生技术体系、技术平台的构建及应用提供有价值的参考和见解。
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  基于激光雷达点云的道路几何信息提取与数字化建模研究

  王羽尘, 于斌, 陈晓阳, 陈天珩, 张钰钦, 王书易

  中国公路学报. 2023, 36(3): 45-60. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.003

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  为实现快速、自动化的道路几何信息提取和数字化建模，基于激光雷达点云提出了一套从道路语义分割、几何线形提取到集成化建模的通用框架。首先，基于空间上下文特征基础框架，将局部特征的最大值和邻域均值进行聚合以作为局部特征，使用径向分布参数与三维坐标描述全局上下文特征，构建道路语义分割网络。其次，基于道路场景分割结果，通过体素降采样和半径滤波法减少点云数据量、去除离群点，并利用可变半径Alpha Shapes （VA-Shapes）算法提取道路边线，结合获取的边线横纵坐标，计算路段几何信息（路宽、纵坡、横坡等），使用inshape函数和插值法构建交叉口的数字高程模型。最后，采用Dynamo for Revit将道路几何信息导入并生成道路路线，通过Revit软件设计道路自适应族构件及不同类别基础设施族构件，实现精细化道路数字建模。利用开源数据集Semantic3D进行训练和测试，分析与评价道路几何信息提取效果。研究结果表明：所提出的算法总体准确度为95%，路面的单类交并比为97.9%，能够很好地实现道路点云场景的自动化语义分割；相比于传统的固定半径Alpha Shapes算法，VA-Shapes算法的时间复杂性较低，可以较好地提取道路边线；通过提取算法与手动测量结果的对比，显示不同几何信息的平均绝对误差较小，说明算法具有可靠的精度。提出的“点云语义分割-几何信息提取-BIM数字建模”过程实现了逆向构建数字化道路模型，对现役道路基础设施智能管理具有重要意义。
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  基于深度学习和虚拟模型的路面全域伤损状态自动化感知

  邱实, 陈斌, 胡文博, 王卫东, 伍定泽, 张晨雷, 汪雯娟, 高洪波, 王劲

  中国公路学报. 2023, 36(3): 61-69. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.004

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  路面全域伤损的有效感知是全面、系统地实施维护决策的关键依据。提出一种基于深度学习和虚拟模型的路面全域伤损状态自动化感知方法。该方法首先基于无人机实测数据建模生成路面虚拟实体；然后使用深度语义分割网络从实测数据中精细化地检测路面伤损；最后，将输出的伤损特征检测结果与虚拟实体数据进行匹配和UV映射，获取各个伤损在虚拟空间中的定位信息并逐一部署，得到面向路面全域的伤损状态感知模型。结果表明：在现场实测统计长为236 m，宽为20 m的实际路面区域试验研究中，充分训练的U-Net网络的平均交并比（MIoU）达到0.86，显示出对无人机采集到的路面伤损区域极佳的分割精度。建立的路面伤损状态感知模型有效感知实际存在的伤损91处，与传统的二维检测结果相比，能够更加系统地对路面全域伤损进行全局表征，便于高效地推断伤损的特征和位置信息，实现精准、动态的路面服役状态评估。
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  基于多目视觉深度神经网络的路面宏观纹理三维重建方法

  马涛, 童峥, 张一鸣, 张伟光

  中国公路学报. 2023, 36(3): 70-80. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.005

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  为提升路面宏观纹理三维重建的精度与效率，实现路面抗滑与抗磨耗性能的精准评估，提出了一种基于多目视觉深度神经网络的路面宏观纹理三维重建方法。首先，采用多目相机采集沥青路面多视角图像；其次，针对各个视角沥青路面图像，使用深度卷积神经网络提取与宏观纹理相关的高维特征向量，采用特征映射单元将特征向量映射为三维矩阵，使用多个反卷积层将三维矩阵转化为三维体素模型；最后，多目视觉组合模块采用贝叶斯规则融合不同视角的三维体素模型，该模型即为路面宏观纹理三维重建模型，可用于评估路面抗滑与抗磨耗性能。使用多目相机采集16条沥青路面的多目视觉图像，并用三维扫描仪采集三维点云数据，构建数据集验证该方法的准确性与稳定性。试验结果表明：多目视觉深度神经网络能准确地重建路面宏观纹理，50 DPI （Dots Per Inch）与70 DPI分辨下三维重建结果与三维点云数据的体积交并比分别为0.858、0.769，且交并比不受路面材料与背景噪音影响，具有高准确性与高稳定性；该方法的准确性与稳定性优于MVF-CNN、3D-FHNET、Stereo-vision等已有先进三维重建方法。路面宏观纹理三维重建结果可用于评估路面抗磨耗性能与抗滑性能，实测误差分别为6.82%、7.28%，精度满足路面性能检测需求。此外，基于路面三维宏观纹理的平均构造深度与动态抗滑系数的测试速度为60 km·h^-1，具有高效性。路面宏观纹理三维模型未来可用于构建公路数字孪生体。
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  寒区沥青路面智慧化施工混合料温度预估机器学习模型

  司伟, 茆纬杰, 李宁, 石岩, 次旦多杰, 陈星, 马骉

  中国公路学报. 2023, 36(3): 81-97. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.006

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  寒区沥青路面施工面临骤然降温、大温差、大风等不利天气，造成沥青路面摊铺、碾压温度起伏大，影响沥青路面压实质量，进而诱发诸多病害。以沥青路面施工温度为核心，通过物联网系统和智能元件采集沥青路面施工工艺参数并进行分析，采用机器学习算法构建沥青路面施工温度预估模型，准确掌控沥青路面摊铺和碾压施工温度，确保沥青路面施工质量。结果表明：沥青混合料拌和参数控制精度高，运输、摊铺和碾压阶段的施工工艺参数变异性大，需对参数进行异常值剔除处理，表明当前施工工艺控制技术仍有提升空间；采用随机森林算法对施工工艺参数进行重要性评估，出料温度和施工速度对施工温度影响最显著；基于4种机器学习算法建立了沥青路面施工温度预测模型，其中多层感知机模型最优，对多层感知机模型的隐藏层、神经元个数和学习率进行优化，优化后模型的周期数、均方误差和平均绝对误差降低，整体性能显著提升；考虑气象参数后，施工温度预测模型的训练效率降低，但预测精度提高。工程应用表明：提出的基于多层感知机沥青路面施工温度预测模型与实际工况相符，通过调节出料温度、摊铺速度、碾压速度可以有效减少混合料温度损失。
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  基于分布式光纤形状传感的沥青混合料车辙变形监测研究

  张冀雯, 马宪永, 赵含, 刘志杨, 董泽蛟

  中国公路学报. 2023, 36(3): 98-107. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.007

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  车辙是沥青路面典型的病害形式，其现有的检测及评估方法大多存在表观性。因此，对沥青路面结构内部车辙的演变过程、横断面形状进行监测和评估具有重要意义。引入分布光纤形状传感技术，研发了可用于沥青路面的柔性分布式光纤形状传感器，通过理论分析和标定试验明确了其形状测试原理。将分布式光纤形状传感器植入车辙试件，采用光频域反射设备（OFDR）对室内车辙试验进行了加载全过程的实时监测，获取了沿车辙横断面上各测点的时程应变数据。进而，采用空间曲线理论中的Frenet-serret方程，提出基于分布式光纤传感技术的车辙横断面二维形状重构算法，得到发生累积变形时分布式光纤形状传感器的形态演变曲线。提取重构曲线中荷载作用位置处的位移与车辙仪位移传感器数据进行对比，平均相对误差仅为0.981%，证实上述方法可以实现车辙变形的准确监测。最后基于重构得到的车辙横断面形状，分析车辙变形的演变规律，结果表明其与沥青路面永久变形发展阶段中的压密、流动过程具有较好的对应关系。创新性地提出了基于分布式光纤形状传感技术的沥青混合料车辙变形监测方法，有助于明晰沥青路面结构内部车辙类病害的发展规律和横断面形态，为道路基础设施全寿命周期内服役性能的评估和管养提供了新思路。
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  探地雷达多特征融合的城市空洞自动识别方法

  杜豫川, 岳光华, 刘成龙, 李峰, 蔡文才

  中国公路学报. 2023, 36(3): 108-119. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.008

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  探地雷达发射的电磁波容易受外部环境干扰，城市中复杂的地下市政设施进一步增加了空洞的识别难度，目前利用时域振幅特征图不能全面反映空洞病害的结构和介电参数，自动识别时容易出现误判和漏判。为了能够充分利用探地雷达信号中的多维信息，提升城市空洞自动识别的精度和效率，考虑提取反射信号特定时刻的振幅、频率和相位特征，通过特征融合解译改善空洞的识别精度。首先使用希尔伯特变换将信号从时域转换为时频域，在时频域计算得到特定瞬间的振幅图（IA）、频率图（IF）和相位图（IP），建立包含原始特征图（OP）的4个单特征数据集；然后基于二维小波变换的方法分别将IA+IF、IA+IP、IF+IP、IA+IF+IP融合，其中图像的高频部分采用最大值融合规则，低频部分采用均值融合策略，建立4个特征融合数据集；最后使用YOLOv7算法在8个数据下进行训练，对比研究模型的性能。结果表明：在IA+IP和IA+IF+IP数据集下训练的模型，相比OP数据集下性能均有所提升，其中IA+IP数据下训练的模型表现出最佳的性能，相比OP数据集模型的精确率提升5.0%，召回率提升7.6%，F1值提升7.8%，AP_0.5提升5.9%。该方法可以刻画空洞病害处除振幅强度值外蕴藏的其他细节信息，强化信号在空洞病害位置处的反射特征，进而提升病害处信号特征的辨别能力。
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  基于BIM+GIS的沥青路面表里全域病害数字孪生研究

  杨旭, 李毅, 刘文博, 赵宗云, 管进超, 刘鹏飞, 丁玲

  中国公路学报. 2023, 36(3): 120-135. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.009

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  为全面整合和分析无损检测采集的病害信息并构建病害数字孪生模型对病害进行可视化表达，基于BIM+GIS技术，运用探地雷达检测手段，提出了路面全域病害整合与建模的新框架。在该框架中，首先面向不同路表病害类型分别开发基于深度图像表面拟合和基于二值图像轮廓拟合的病害建模方法，相较于传统二维贴图或三维固定参数的建模方式，该方法实现了对病害区域信息的准确拟合建模；该框架另一部分提出了路面结构内部隐蔽病害的三维可视化建模方法，相较于传统分析建模进一步实现了探地雷达数据的病害模型转化与BIM数字化道路高效整合，降低了探地雷达数据实际应用性的门槛。该方法基于2种不同雷达图像的病害特征，识别并提取病害区域，实现全路段隐蔽病害疑似区域和局部重点区域三维重构；最后自动化构建包含全域病害的数字孪生模型，将无损检测数据高效整合，完成病害实体在虚拟空间中的映射转化。同时借助地理信息系统绘制道路病害分布热力图，反馈病害分布以及发展情况，指导养护管理工作。试验结果表明：该框架高效完成全域病害的三维数字转化；路表裂缝和坑槽建模精度分别达到80.13%和98.17%，路面内部病害的模型结合现场钻孔取芯验证在判断病害发生位置及病害类型等方面具有较高的准确度。针对路表病害，表面拟合建模方式适用于病害空间分布呈现要求较高的场景，对形态复杂的网裂、松散等病害建模效果好；轮廓拟合建模的方式适用于要求简单且高效的场景，对延伸性发展病害，如横缝、纵缝、坑槽等，由于病害轮廓信息易获取，建模效果更优。针对路面内部病害，基于C-scan图像病害建模效率较高，但无法区分具体病害类型，适用于道路总体结构质量分析；基于B-scan图像病害建模可以细分病害类别，但受限于建模效率，更适用于局部重点路段质量分析。
路基工程
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  基于荧光示踪法的含裂隙带红黏土边坡渗流特性研究

  曾铃, 陈佳艳, 刘杰, 高乾丰, 袁玉荣, 匡波

  中国公路学报. 2023, 36(3): 136-145. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.010

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  为准确高效地分析含裂隙带红黏土边坡在降雨条件下渗流特性，基于荧光示踪法和数字图像处理技术，开展降雨条件下不同裂隙带参数红黏土边坡室内模型试验，实时拍摄降雨过程中含裂隙带红黏土边坡模型水分渗流路径荧光图像，通过识别含荧光强度图像，分析边坡模型中坡表湿润锋、暂态饱和区及体积含水率的变化规律。研究结果表明：随着降雨历时增长，对比有无裂隙带边坡，湿润锋深度的变化随裂隙带深度和位置等裂隙带参数的不同呈不同的发展趋势，且裂隙带深度和位置的变化对湿润锋深度影响最大；降雨过程中，湿润锋深度与裂隙带深度呈正相关，而含水率变化幅度与裂隙带深度基本呈现负相关；裂隙带参数对暂态饱和区面积形成的影响程度由大至小依次为深度、位置、角度；暂态饱和区主要出现在裂隙底端及边坡表层，裂隙带深度越小，两处的暂态饱和区越容易连通；裂隙带深度增大时，雨水可沿裂隙直接渗入边坡深处，并在裂隙底端形成大面积暂态饱和区，饱和区内基质吸力减小使土体抗剪强度降低，体积含水率增加使得土体重度增加进而引起下滑力增大，将对红黏土边坡稳定性造成不利影响。
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  软土地区基坑群施工对邻近浅埋地下管线影响

  黄沛, 杨潇, 李翔宇, 刘钦, 王蕾

  中国公路学报. 2023, 36(3): 146-155. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.011

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  为掌握软土地区大型基坑群施工对邻近浅埋地下管线沉降的影响，通过现场实测数据分析，研究了地下连续墙施工和基坑分区开挖对邻近管线的影响。研究结果表明：与单体基坑相比，基坑群施工过程中，管线的沉降具有显著的叠加效应，管线沉降受到多个基坑开挖的影响；管线的总沉降与基坑群等效开挖深度（H_e）的比值介于0.11%～0.55%；地下连续墙施工期间，管线沉降占总沉降比值最大可达50%，主要影响区域为0.3H_w（地下连续墙深度），次要影响区域为0.3H_w～1.5H_w，主要影响区管线沉降为0.02%H_w～0.09%H_w；基坑开挖期间，主要影响区域为1.0H_e，次要影响区域为1.0H_e～4.5H_e，主要影响区管线沉降介于0.18%H_e～0.39%H_e；浅埋地下管线沉降随着管线与基坑间距的增大而减小，管线沉降主要受管线与基坑间距大小的影响，管线相对刚度和埋深对管线沉降无决定性影响。
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  降雨对封闭块石层对流特征与水热状态的影响试验

  韩风雷, 邱凯驰, 喻文兵, 耿永奇, 秦臻, 陆妍

  中国公路学报. 2023, 36(3): 156-164. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.012

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  块石路基作为解决青藏高原多年冻土冻胀融沉病害的关键技术而得到广泛应用。近年来青藏高原呈现湿化显著的趋势，夏季降雨携带的部分热量会快速入渗到块石层，从而影响块石路基的传热特性和水热状态，有必要开展降雨条件下块石路基热力学特性研究。基于室内试验，开展了不同降雨量、不同厚度下封闭块石层水热响应规律研究。结果表明：①在降雨条件下封闭块石层自然对流的发生与降雨量大小和块石层厚度有关。随降雨量增加，1.4 m厚度的块石层自然对流瑞利数最大值逐渐降低。当降雨量达到23 mm时，块石层不发生自然对流；而0.6 m厚度的块石层自然对流瑞利数最大值则随降雨量增加而逐渐增大，自然对流增强。②在降雨入渗作用下，1.4 m厚度的块石层内部与基底土层有升温效应，而0.6 m厚度的块石层基底土层有降温效应。与未来50年青藏高原预测升温速率每年0.052℃相比，降雨入渗对前者下伏土层的升温效应更为显著。③暖季的降雨入渗在短时间内会显著影响基底浅层土的体积含水量。随着降雨量的增加，体积含水量峰值有一定抬升，但每循环周期的峰值大小差异不大。主要是因为在经过冷季低温冻结后，块石体与土层之间的部分空隙被凝结冰填充，降雨难以入渗从而会产生基底水分累积。因此，在多雨地区应加强块石层与土层界面间的防排水措施。研究结果对于评价和预测降雨环境下封闭块石路基的热稳定性具有重要工程意义，并可为新建多年冻土区路基工程结构设计与病害防治提供参考。
桥梁工程
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  不等支承刚度条件下桥梁-车辆动力耦合解析理论及应用

  王志鲁, 杨永斌, 姚华, 李智

  中国公路学报. 2023, 36(3): 165-176. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.013

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  由于支座、桥墩地基等的作用，桥梁端部实际受弹性支承约束，且因施工误差、材料老化等影响，两端支承刚度常常不等。为揭示支承、梁体、车辆之间的耦合关系及不等支承条件的影响，建立了不等支承刚度条件下桥梁-车辆动力耦合解析理论。首先，基于振型叠加法推导了考虑不等支承刚度约束的桥梁、车辆动力响应闭合解，解析了弹性支承条件对车-桥系统响应的时频影响关系；其次，建立了弹性支承条件下车-桥耦合有限元模型，验证了解析理论的准确性；然后，研究了弹性支承刚度及左、右不等程度对车-桥系统响应的放大效应；最后，探索了基于车辆响应的桥梁频率及支承刚度状态的间接测量方法。研究结果表明：①支承刚度衰减使桥梁频率降低，响应幅值增大，且频率阶次越高影响越显著；②车-桥系统响应幅值与车辆起始运行位置的桥端支承刚度成反比，从刚度弱侧支承端出发的车辆响应被显著放大，即“弱侧放大”现象；③车体响应中包含桥梁频率，且呈现左右对称分叉特征，证实了利用车体加速度响应识别弹性支承梁频率的可行性；④利用车辆正反双向行驶加速度响应的“弱侧放大”现象，可判别桥梁支承的弱刚度端，同时增强桥梁频率的辨识，且对路面平整度、结构阻尼、噪声、伴随车等实测干扰因素具有较高的鲁棒性。
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  预制小箱梁近支点湿接缝抗剪机理试验及理论研究

  张菊辉, 赵玉川, 牛朝乾, 管仲国

  中国公路学报. 2023, 36(3): 177-187. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.014

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  预制小箱梁采用整体抽拉式钢内模形成的近支座处接缝处于剪力最不利位置，界面上纵筋配筋率低、无预应力钢束穿过、锚固端在此形成刚性的剪切键。为揭示此种接缝构造的抗剪承载机制，设计制作9组18个Z形直剪试件进行静载试验，通过分析各试件的破坏形态、荷载-位移曲线及抗剪承载力，研究新老混凝土结合面单独加入界面钢筋、刚性剪切键以及将界面钢筋和刚性剪切键组合在一起（简称为组合试件）对结合面剪切性能的影响。研究结果表明：界面钢筋能有效提高结合面的抗剪承载力，界面钢筋试件的抗剪承载力为基本试件的1.74~2.67倍，构件抗剪承载力与界面配筋率有较好的线性关系；界面钢筋的承载机理符合摩擦抗剪理论，试件沿平行结合面约40°方向错动；刚性剪切键试件的荷载-位移曲线经历了先下降后上升的过程，刚性剪切键在结合面处起销栓作用，破坏模式为销栓抗剪引起的混凝土破坏；组合试件的抗剪承载力为基本试件的3.23~3.48倍，其中界面钢筋提供的抗剪能力占构件平均抗剪承载力的48.6%~52.2%，刚性剪切键提供的抗剪能力占构件平均抗剪承载力的20.2%~24.6%；将刚性剪切键受剪导致混凝土破坏的抗剪承载力表达为基材混凝土强度、剪切键直径以及剪切键边距的函数，建立了刚性剪切键抗剪承载力计算经验公式；对4种类型试件的新老混凝土结合面抗剪承载力表达式进行了总结归纳，并与试验结果吻合较好。
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  基于计算机视觉的钢桥面板裂纹识别方法

  劳武略, 崔闯, 张登科, 罗纯坤, 张清华, 宋松科

  中国公路学报. 2023, 36(3): 188-201. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.015

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  钢桥面板疲劳开裂为常见的钢桥病害，准确快速地发现并确定钢桥面板裂纹几何特征对降低运维成本、制定运维策略具有重要意义。针对传统人工巡检效率低、检测环境恶劣等问题，提出了基于计算机视觉的钢桥面板裂纹及其特征识别方法。采用目标检测网络YoloV5和图像语义分割网络U-Net++相结合的方法识别裂纹。根据2个网络的结构特性标注图像中的目标后生成数据集，并分别对网络中的参数进行训练。利用训练后的YoloV5与U-Net++分阶段对待测裂纹图像进行检测与分割，并通过阈值分割优化U-Net++分割结果，再通过骨架化后得到裂纹骨架线；在确定裂纹形貌后，采用YoloV5识别出的标定块求解透视变换矩阵与像素尺度系数，然后对裂纹骨架线进行图像矫正并确定裂纹几何特征。研究结果表明：YoloV5可准确检测出裂纹与标定块，且检测稳定性好；通过优化U-Net++训练时输入的像素尺寸，提高了U-Net++训练的收敛速度，网络损失由0.121降至0.096；求解透视变换矩阵时，使用所有角点坐标拟合该矩阵的最小二乘解可提高图像矫正标定的精度；当图像采集距离较远、角度较大时，角点投影误差增大，且该误差对角度更为敏感；不同图像采集距离、角度下裂纹特征计算误差最大为7.2%，表明识别精度及稳定性均较高。所提出的钢桥裂纹特征识别方法可准确计算裂纹几何特征，具有一定的实用价值。
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  能量桩桥面除冰融雪的能源需求与供给能力案例分析

  陈鑫, 孔纲强, 王忠涛, 刘汉龙, 杨庆

  中国公路学报. 2023, 36(3): 202-210. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.016

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  基于能量桩的桥面除冰融雪技术，克服了传统融雪剂对桥面板结构的腐蚀问题，且具有节能环保等技术经济优势。能源需求与能量桩供热能力的计算是能量桩桥面除冰融雪系统设计的关键。为达到除冰融雪目的，桥面板表面温度需维持在0℃以上；基于桥面板的热响应试验与除冰试验得到桥面板温度与换热效率、流体温度的关系，根据热传导定律，推导出桥面除冰融雪所需的换热效率与流体温度的计算公式；探讨了能量桩热泵系统的供热能力。计算得到换热管埋深和间距分别为14 cm和25 cm的桥面板，在环境温度为-1℃~0℃时，系统的热有效率（有效热流密度与换热效率的比值）约为50%，系统的热有效率随着环境温度的降低而降低。选取3座具有不同板桩比（桥面板面积与能量桩总长比值）的桥梁为案例，进一步分析了环境温度-10℃~0℃，降雪量水当量0.1~1.0 mm·h^-1范围内，能量桩的供热比，以及满足融雪需求入口流体温度的计算表达式。结果表明：能量桩的供热比与环境条件和桥梁的板桩比有关，板桩比为0.7 m²·m^-1时，环境温度为-5℃，降雪量不大于0.4 mm·h^-1（暴雪），能量桩供热可满足融雪需求；板桩比为1.5 m²·m^-1条件下，环境温度为-1℃时，降雪量不大于0.3 mm·h^-1，能量桩供热可满足融雪需求；板桩比为2.0 m²·m^-1时，环境温度-1℃时，降雪量不大于0.2 mm·h^-1，能量桩供热可满足融雪需求。
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  公铁两用桥公路组合桥面板车辆荷载试验（双语出版）

  陈华婷, 李德旺, 张文学, 谢益平

  中国公路学报. 2023, 36(3): 211-224. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.017

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  公路桥面板直接承受反复车轮荷载，活载效应大，疲劳破坏风险大，已成为桥梁工程领域不可忽视的问题。为研究新型平钢板-PBL组合桥面板的初始应力状态和长期车辆荷载作用下的活载应力响应，以某新建公铁两用钢桁梁桥为工程背景，利用3轴施工车辆进行单车静载、单车动载和双车并行动载试验，通过预埋钢弦应变计和电阻应变片测量桥梁跨中截面和支墩截面的应变，并建立桥梁有限元模型分析桥面板在各种工况下的受力。研究结果表明：桥梁服役之前跨中截面和支墩截面桥面板分别处于受压和受拉的初始应力状态，支墩截面即使采用分段浇筑拉应变仍达101.8×10^-6，存在较大的开裂风险；车辆荷载在桥面板大部分部位产生附加压应力，但在主桁附近横桥向产生附加拉应力，车辆长期作用下主桁附近桥面板有纵向开裂风险；桥面板各测点的影响线长度较短，大多为20 m左右，小于2个节间长度，试验车辆每次通过产生1个较大的应力循环；活载引起的实测应变幅值最大为34.6×10^-6，考虑弯曲应变沿板厚的分布梯度，相应部位桥面板顶、底面的最大应变幅值为51.9×10^-6，有可能引起疲劳失效；有限元模型得到的主桁处桥面板应力分布规律与实测结果总体吻合较好，表明模型可用于后续疲劳应力分析。研究结果可为同类型桥梁组合桥面板的评估与养护提供数据支撑和参考。
交通工程
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  中国车路协同产业研究与发展对策建议

  卢春房, 马成贤, 江媛, 李喆, 张健

  中国公路学报. 2023, 36(3): 225-233. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.018

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  当前，中国正以车路协同作为自动驾驶的主要发展路径，相关成果不断更新迭代，车路协同产业得到了快速发展。车路协同系统以“聪明的车”和“智能的路”为核心要素，以两者高效协同为基础支撑，其覆盖面广、产业链条长、跨界融合特征突出。首先，阐述车路协同概况，介绍关键技术、总体架构等。其次，梳理中国车路协同产业发展基础优势。不同于欧美发达国家，中国土地与道路设施的国有优势、新型举国体制下的制度优势、门类齐全的制造业基础优势以及全球最大自动驾驶的潜在市场优势，使车路协同成为中国智慧交通发展的优选之路。然后，从规划设计、法律法规、关键技术、标准规范等方面深入剖析发展中存在的问题。最后，针对性地提出中国车路协同产业发展的对策建议，以期加快车路协同发展、推进智慧交通建设。这对实现“交通强国”发展目标、贯彻落实双碳发展战略、保障国家交通信息安全、推动交通运输跨越式发展具有重要意义。
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  基于港珠澳大桥左右舵车辆时空混行的差异化驾驶行为识别和预测方法（双语出版）

  王萍, 齐旭东, 史童童, 汪贵平, 廖世龙, 刘坤, 韩瑜

  中国公路学报. 2023, 36(3): 234-246. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.019

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  为实现左右舵不同驾驶习性驾驶人在港珠澳大桥时空混行环境下快速、有效识别并预测行驶车辆在应急条件下的运动状态，提出了一种考虑右舵驾驶行为的模型加数据混合运动预测方法。首先，提取港珠澳大桥通行车辆的跟驰与换道原始轨迹数据并分析，挖掘左右舵驾驶行为在直道及变道属性下的长短时特性；其次，结合最大信息系数算法（MIC）对比所提取特征与2类驾驶行为的关联程度，并求解关键区分特性下高斯混合模型（GMM）对于左右舵驾驶行为应急反应的倾向性概率；最后，将2种驾驶行为的车辆运动状态在直道行驶的差异特征作为长短时记忆（LSTM）神经网络的输入，建立数据驱动下的直道横向偏移预测模型，并在具有差异化驾驶行为的车辆直道位姿信息预测基础上，串联建立模型驱动下的变道概率预测模型。对青州航道桥实际车流监测数据的测试结果表明：所提方法可基于行驶车辆的横向偏移和偏航率等特征快速、准确识别左右舵驾驶行为；对于不同特征输入下的直道偏移预测结果，所预测左舵驾驶行为的均方根误差（RMSE）、改进的豪斯多夫距离（MHD）与决定系数（R²）的最优评估分别为0.578 7、0.468 1与0.870 7，右舵驾驶行为预测结果评估分别为0.711 9、0.588 4与0.864 4；以换道前2 s对左右舵驾驶行为变道意图的预测准确率分别为83.0%和81.3%。该方法后续可以推广到更多左右舵时空混行环境中，利用行驶车辆的横向位姿等长短时特征，精细化预测并诱导存在差异化驾驶行为的紧急避险行为，提高车辆的交互安全性与效率。
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  基于体素柱形的激光雷达点云车辆目标检测算法

  程鑫, 王宏飞, 周经美, 张伟, 赵祥模

  中国公路学报. 2023, 36(3): 247-260. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.020

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  环境车辆是自动驾驶汽车行驶时的主要障碍物之一，对环境车辆的尺寸、位置、朝向等空间信息进行感知对于保障行驶安全具有重要意义。激光雷达点云数据包含了场景中物体表面扫描点的三维坐标，是实现车辆目标检测任务的重要数据来源。结合SECOND与PointPillars方法，提出一种基于体素柱形的三维车辆目标检测模型，利用三维稀疏卷积聚合点云局部特征，在体素特征图上构造柱形并进行特征编码，有效解决点柱形方法缺乏柱形间特征交互问题，增强点云特征的空间语义信息；基于均值池化操作生成锚框点云占据位图并提出一种简单负样本过滤策略，在模型训练阶段筛除预设在无点云覆盖区域的无效锚框，缓解正负样本或难易样本不均衡问题；在目标框回归模块中，使用类别置信度与交并比（IoU）预测值计算混合置信度，改善分类分支与位置回归分支结果不一致问题，并使用KITTI三维目标检测数据集进行模型训练与评估。研究结果表明：在严格判定标准下（IoU阈值设置为0.7），所提算法在简单、中等、困难3种难度级别下分别获得了89.60%、79.17%、77.75%的平均检测精度（AP_3D），与SECOND、PointPillars等基准方法相比检测精度更高，在“中等”难度样本上AP_3D分别提升了2.69%与1.19%，同时所提方法的车辆目标检测速度达到33.9帧·s^-1，高于常规的激光雷达点云采集频率（10~20 Hz），满足实时处理要求；比较体素柱形与点柱形2种特征提取方式的性能差异可知，体素柱形结构在简单、中等、困难3种难度下的平均检测精度AP_3D依次领先点柱形4.09%、6.66%、6.64%，证明体素柱形特征的空间语义信息更强；所提算法在保证点云帧实时处理的基础上，提高了三维车辆目标检测精度，具有较好的适用性。
汽车工程
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  柴油/PODE重型车辆的实际行驶经济性与排放特性

  魏衍举, 刘贺, 穆志强, 刘圣华, 陈昊, 刘玺斌

  中国公路学报. 2023, 36(3): 261-270. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.021

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  针对柴油/PODE混合燃料发动机虽满足实际道路排放法规的需求，但实际道路的高瞬态性导致其瞬态结果与实验室稳态结果不符的问题，按照国Ⅵ排放标准测试流程，采用便携式排放测量系统对一台燃用柴油/PODE混合燃料的国Ⅵ重型牵引车的实际道路排放进行研究。研究定制由比功率、车速和加速度等信息共同定义的车辆工况分箱，以更加细致地衡量车辆排放及经济性能。数据统计分析结果表明：对于所有燃料，在工况多变的市区工况下CO和PN排放最高，在柴油中添加PODE能够显著降低CO和PN排放，其全路况比排放综合降幅为50%左右；掺混PODE后实际道路NO_x排放增加，在高速工况下最高，其比排放增加幅度低于20%；重型车辆常用工况为高速工况，高速中等功率需求工况下排放和燃油消耗率最多，在市区路段时，低速小功率需求工况占据大部分的时间，其排放和燃油消耗率仅次于高速中等功率需求工况，PODE的添加使得燃油消耗率增加；当PODE掺混比为30%时，发动机整体有效热效率为40.3%，比燃用纯柴油时提高了约2%；当PODE掺混比为20%时，其整体有效热效率相比D100反而有所下降，这与实际道路行驶条件下的高瞬态相关，因此PODE的实况使用必须加以限定才能提高有效热效率。
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  数据驱动的共享电动汽车流量预测与定价方案

  王澍, 韩毅, 陈轶嵩, 郑博天, 李彬, 李珺

  中国公路学报. 2023, 36(3): 271-280. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.03.022

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  为了提升共享电动汽车系统的经济性与运营效率，需要充分挖掘用户对共享使用价格的响应机制以及用户的充电等待行为。同时，用户流量需求的精准预测是提供合理共享定价方案的重要基础。基于此，首先建立以数据驱动的用户流量预测模型，通过结合图卷积神经网络与长短时记忆模型，捕捉用户需求的时空特征和动态相关性，并结合时间与天气特征因素实现多时间步长的准确流量预测。其次，考虑用户在共享系统下的等待自适应行为，建立基于用户等待成本的共享系统服务质量模型。而后以实现最大化共享系统利润收益与服务质量为目标，建立多目标的共享定价模型以制定不同时刻与路径上的共享电动汽车使用价格。最后，以上海市虹口区EVCARD交通测试系统的算例分析，论证所提流量预测模型的准确性以及多目标定价模型的有效性与经济性。研究结果表明：所提的SEV多因素融合需求预测模型较其现有的常用预测方法能获得更加准确的多时间步长流量预测；通过合理设置共享驾驶的空间和时间变化价格信号，可以提升共享电动汽车系统的运营盈利能力，并且实现了更好的系统利润收益与用户服务质量平衡的运行需求。