学科发展研究(2012-2013)分述
道路工程
2014年04月01日

一、引言

  道路工程是现代化经济建设的重要基础设施,在国民经济发展过程中发挥着十分重要的作用。改革开放三十年以来,我国公路建设抓住历史机遇,历经了快速的发展阶段。至2012年,公路总里程达423.75万公里,公路密度为44.14公里/百平方公里,高速公路达9.62万公里,总里程位居世界第一。
 

图 中国国家高速公路网布局方案

  公路的飞速发展为沿线公路桥梁与隧道节点工程建设的繁荣提供了难得的机遇。至2012年底,我国公路桥梁总数已达71.34万座,主跨400、600、800、1000米以上的桥梁各共有93、37、20、11座。在世界上主跨最大的十座斜拉桥与十座钢拱桥中我国均占据了7位,这一数据对悬索桥与跨海长桥而言分别为5位和6位。由此可见,我国已建成的各类现代化桥梁在世界跨径排名录上都进入了重要名次,甚至是名列前茅。

  截至2011年底,全国公路隧道为10022处、8052.7千米,其中特长隧道441处、1984.8千米,长隧道1944处、3304.4千米。建成了以秦岭终南山隧道、上海崇明长江隧道、厦门翔安海底隧道等为代表的1830座长/特长隧道。

  高效高速的公路建设引导了道路工程学科的蓬勃发展,我国道路工程学科研究已在多个领域内得到了长足的发展,取得了多项令人瞩目的成就及奖项。2008年至2012年间,共获得国家科技进步一等奖2项,分别为“千米级斜拉桥设计施工关键技术”与“秦岭终南山公路隧道建设与运营管理关键技术”;获得国家科技进步二等奖与国家技术发明二等奖3项,以及多项中国公路学会科学进步特等奖、一等奖及二等奖,充分体现了我国道路工程学科近年来繁荣发展的态势。

  近年来,在道路工程学科基础研究实验室的建立方面,我国交通运输部为解决重大交通科技问题,获取具有自主知识产权科研成果,聚集和培养优秀科技人才,并开展交通领域高层次学术交流和促进科技成果实用转化,在现有制度与基础科研项目的支持下,支持建立了32座交通行业重点实验室,并在学科研究中取得了多项重要科研成果,培养了一批具备国际视野和水平的道路工程领域人才。

  随着学科不断发展与创新,其涵盖的研究领域与内容也逐渐增加。本学科研究报告针对道路(公路)工程、公路桥梁工程、公路隧道建养技术等十个分学科,从可持续发展、灾害控制与安全以及智能化三个方面出发,总结归纳了道路工程学科近年来的创新研究,对比了本学科国内与国外的学科发展情况,并在此基础上提出了学科未来发展趋势与方向。

二、近年来本学科研究进展概况

  在历经了我国公路建设热潮以及热潮引发的反思之后,我国道路工程学科针对多方内容开展了深入研究与探索,近年来的研究进展主要集中在可持续发展、灾害控制与安全以及智能化三个大的方向,下面将从这三个方向出发对道路工程学科近年来研究进展进行归纳总结。

  (一)可持续发展研究系统展开

  可持续发展的概念于20世纪80年代首次提出,其要求发展过程既满足当前需要又不削弱后代发展能力,使社会、经济与生态、环境的发展目标相协调。自可持续发展提出以来,在全世界各个行业内都得到了充分的推广,其表征的发展理念得到了各国政府和民众的一致认可,我国于1994年批准了第一个国家级可持续发展战略。经过近二十年的发展,可持续发展已成为了我国国家发展战略的中心,国家发展和改革委员会于2012年颁布了《中华人民共和国可持续发展国家报告》,进一步明确了我国深入推进可持续发展战略的总体思路。

  我国道路工程学科在近年来的发展过程中,面对当前严峻的资源、生态和环境问题,坚持贯彻了可持续发展的理念,结合学科发展情况,在资源能源结构调整、环境污染整治、生态环境改善、产业结构调整以及生产工艺优化等多个方面开展了积极的研究,取得了一定的研究成果,为我国道路工程学科可持续发展的推广应用做出了显著的贡献。

  近年来,本学科在可持续发展领域内所取得的主要研究成果包括:道路工程环境与可持续发展理论、道路建设可持续发展、勘察设计新理念及理论支撑体系、基于给定结构寿命的桥梁设计过程、预防性养护技术、路域生态保护及水土保持、隧道附属设施节能技术、节能客车动力系统研发以及路面铺设机械优化研究等。学科在可持续发展领域内获得了诸多项目支持,如:交通运输部西部交通建设科技项目“神农架木鱼坪至兴山昭君桥旅游公路环境工程技术研究与示范”、安徽省交通运输厅2004年科技计划项目“公路沥青路面再生技术研究”、湖南省科技项目、湖南省交通建设科技项目“南方多雨潮湿地区高速公路水泥混凝土路面预防性养护技术研究”以及山东省交通科技计划“济青高速路域植被建植技术与生态功能研究”等,并且针对道路工程学科在具体项目实施过程中的可持续发展战略开展了深入研究,节约了大量的社会资源,减少项目投资上亿元。

  (二)灾害控制与安全研究深入开展

  我国自然灾害非常严重,灾害种类多、分布广、频次高,每年都对国民经济与生活造成巨大损失。随着我国经济社会的飞速发展,社会生活水平普遍得到了极大提升,政府及民众对危害公众安全的灾害事故日益重视,相应地灾害控制措施与安全保证措施研究也提上了日程,并于2009年设置了“全国防灾减灾日”。

  由于道路工程学科涉及的建设区域非常广泛,覆盖了全国各地多类自然灾害区域,因此近年来对灾害控制和安全保障的研究也得到了日益广泛的关注。在道路工程的发展过程中,需要同时关注工程结构与工程系统地域自然灾害和人为灾害的能力,在研发提升工程防灾抗灾能力的过程中,需要从设计理论、设计方法和工程措施等多个方向着手,研究防止灾害出现、减轻灾害损失、提高工程安全性能的相关理论与措施。

  近年来,道路工程学科在灾害控制和安全方面的研究成果主要体现在公路检测技术与设备、道路安全保障技术体系、大型桥梁与隧道工程风险评估与管理、桥梁与隧道抗震及减震、水下隧道设计与施工技术、长大隧道防灾减灾及安全运营以及地质灾害勘察与评价技术等方面。学科针对道路工程在建设过程与运营过程中可能出现的灾害问题开展了多项研究,如:交通运输部行业联合科技攻关项目“厦门翔安海底隧道(东通道)建设与运营成套技术”、陕西省交通运输厅科技计划项目“长大隧道运营安全评价与安全运营管理研究”、交通运输部西部交通建设科技项目“西部地区公路地质灾害监测预报技术研究”(2003-318-802-01)等。研究在我国各个相关地区取得了广泛的实际工程应用,取得了巨大的经济效应,节约费用超过十亿元,并取得了良好的社会影响。

  (三)智能化设计与技术全面应用

  近年来道路工程学科得到了长足的发展,但在现有的传统工作模式下,设计资源被大量地消耗在重复性工作上,工作效率无法达到预期要求。为优化传统工作模式,设计研究人员基于计算机技术、计算机网络技术、智能控制技术与信息技术,对学科工作建设提出了智能化的构想与方案。

  近年来,道路工程学科针对高效便捷的智能化交通、智能化设计、施工与管理体系开展了初步的研究。在智能化研究过程中,道路工程学科主要依托自动计算机辅助设计(Computer Aided Design)与GPS卫星定位及成像技术,结合学科自身特点开发了具备鲜明学科特色、适用于学科直接应用的智能化工具,并在具体应用中取得了良好效果。

  道路工程学科近年来在智能化方面的新进展主要体现在交通监控与智能交通、运输系统信息智能化、数字化地形测量、信息化地质勘察、桥梁智能化设计技术、数字化勘察设计以及客车行驶网络化管理研究等方面。学科紧跟科技发展步伐,针对大量科技应用开展了深入研究,如:交通运输部西部交通建设科技项目“公路智能交通系统信息标准化研究”、云南省交通建设科技项目“快速勘探技术在公路工程地质勘察中的应用研究”、交通运输部西部交通建设科技项目“高分辨率卫星数字化勘察设计在困难复杂地区的研究与应用示范”等,为行业发展提供了巨大便利的同时,提高了行业工作效率,创造了显著经济效益。

三、本学科国内外研究进展比较

  近年来,我国道路工程学科取得了飞速的发展和长足的进步,与国外研究的差距也日益减小。目前,国外道路工程学科更倾向于开展设计理论与方法方面的研究,构建了具备前瞻性的宏观学科建设框架,国内在该领域内的研究还处于起步阶段。受国内建设热潮的影响,我国道路工程学科近年来的研究主要集中在具备显著工程实际效用的工具、手段与方法上,为应对我国复杂多灾的自然条件而展开的具体研究解决了一大批世界级的工程建设难题,为我国道路工程学科建设添加了浓墨重彩的一笔。下面将根据道路工程学科各个分类学科的实际研究进展情况,以学科基础研究、产业创新建设、新技术开发及应用、人性化与安全设计四个方向为立足点,通过横向对比总结归纳了国内外学科研究的差异及趋势。

  自20世纪90年代初欧美发达国家将交通运输的可持续发展列入了国家发展战略,并长期支持进行相关的基础研究和技术开发后,可持续发展已成为道路工程学科至关重要的基础类型学科,为社会可持续发展做出了重要贡献。众多国际知名的研究机构设立了可持续交通的研究中心,分别针对城市与交通的一体化,资源的再生利用,以环境保护为标准的新材料、新工艺等方面开展了重点研究。目前,我国道路工程学科针对可持续发展的基础研究尚处于起步阶段,整体发展状况较之国外现有研究水平较为滞后。

  近年来我国道路建设规模逐年增大,相关基础设施工程的建设覆盖国内各类地形地貌、气象条件,提出了众多世界级道路工程建设难题。为解决这些建设过程中不断出现的挑战,道路工程学科积极开展研究,大力实施学科创新建设,有效提高了学科产业创新能力,开发了多类建设材料、设备和工艺。与发达国家在道路工程学科内的产业创新研究相比,我国对创新产业的投入还存在不足,支持产业创新的资金项目还不够全面,教育机制中的重视程度也没达到应有的水平,对已有创新成果的应用过程较为缓慢,目前与国际领先水平仍存在一定的差距。

  近年来,科学技术的发展为道路工程学科建设注入了新的活力。在传统设计、建设、运营与管理方法的基础上,我国道路工程学科加强了对计算机技术、计算机网络技术、智能控制技术与信息技术等在学科中的应用研究,开发了大量智能化技术,有效地提高了道路工程学科建设的效率与科技含量。我国道路工程学科智能化的研究开展较晚,发展前期主要依托于国外已有技术手段,在技术引进的基础上参考国内学科实际做出了重要探讨。但在智能化发展中至关重要的基础软件与体系优化方面,我国目前尚存在显著的差距,另外对已有高科技资源的整合集成程度上也落后于欧美发达国家。

  随着国家经济实力不断增强,国民生活水平不断提升,道路工程学科建设开始了对项目的经济性能做出了深入的思考,并在建设过程中越来越注重人性化的设计与安全性能的提升。道路工程作为国家重要运输动脉,其建设过程与运营过程均对保证国家经济正常运作有重要的意义,保证两个过程的经济性与安全性也得到了极大的关注。近年来,在我国道路工程学科重大项目与高难项目的建设与运营过程中,针对特定环境下建设的基础设施的防灾减灾及安全性能投入了大量研究,并提出了非常具有针对性的解决方案与体系。然而,针对灾害控制与安全的道路工程研究不具备广泛的适用性,相较于国外发展情况,目前在研究体系的归纳和建立方面尚存在一定差距。

四、本学科发展趋势及展望

  我国道路工程在改革开放以来取得了举世瞩目的发展,建立了覆盖全国的高速公路网络,建设了多座世界级大跨径公路桥梁与长大公路隧道,构建了我国国内公路交通的运输动脉,积极有效地促进了我国经济的快速腾飞。在道路工程飞速建设的带动下,我国道路工程学科也得到了长足的发展,近年来在多个方面取得了多项研究成果。但与国外先进技术相比,我国道路工程学科在某些方面依然存在进步的空间和必要,在今后的研究过程中,应在已有研究成果的基础上增加建设力量投入,优化学科资源分配,贯彻可持续发展理念,增强创新性研究手段。具体而言,需深化面向需求的道路工程基础研究,加强集约绿色的建设和营运技术研发,加进设施安全及长寿命保障技术发展,优化趋向集成智能的设计技术研究,进一步促进道路工程学科的飞越发展。

  道路工程学科的研究对象与成果往往直接面向用户,用户体验与学科发展的层次息息相关。道路工程学科工程实用性非常显著,工程实际需求的重要性不言而喻,在学科今后的研究过程中,需要积极开展面向工程实际需求的道路工程基础研究,取得更多原创性研究成果,进一步促进学科的整体发展与腾飞。

  道路工程学科的研究与工程实践联合紧密,道路的建设与营运技术对学科发展有重要的影响,完备高效的建设与营运技术不仅可以节约建设管理资源,还可以有效促进学科的发展。可持续发展作为道路工程学科发展的重要指导方针,将在学科未来发展中指引其开展集约、绿色的建设和营运技术研究。在发展过程中深化可持续发展的精神内核,始终贯彻资源优化配置的思想,为建设能源节约型社会做出更大的贡献。

  社会民众服务意识的逐渐提高使得道路工程设施的安全性能受到越来越多的关注,具备重要社会服务功能的道路工程学科也需要做出相应反馈,应研究开发具备更加稳定、可靠、安全的服务设施来满足日益增长的社会安全需求。另一方面,可持续发展理念的贯彻实施则对道路工程设施的服役寿命提出了更高的要求,在可接受的安全条件下,需开展相应的研究以提高道路工程设施的寿命,减少重复建设和维修过程中造成的资源浪费。

  设计体系对工程建设本身以及最终工程结果的质量、可靠度以及安全性有着至关重要的影响。先进的设计体系不仅可以保证工程结果达到预期的性能目标,还能优化工程建设过程更为迅捷有效,起到节约资源、加快进度的作用。道路工程学科目前已在集成化、智能化的设计技术方面开展了初步研究,在将来的学科发展中,趋向集成、智能的设计技术将成为至关重要的研究方向。

 

Highway Engineering

Highway construction is believed to be one of the most fundamental approach to stimulate national economic development in modern times. Since the reform and opening-up, China highway construction has made a magnificent improvement in the 30 years. During the historical development tide, highway in China started from scratch and now is the second largest national highway transportation network in the world. Mileage of China highway reached 4.11 million kilometers by the end of 2011 and is still growing.

China highway construction with both efficiency and quality has led to a prosperous evolvement of the highway engineering discipline. Academic research regarding this discipline has been well developed and obtained recognized world-leading levels in many areas. Outstanding achievements and medals have been recognized and awarded in various related research fields. For the fundamental development of the highway engineering discipline, important laboratories in different research fields were built and assisted the scholars with the emergences of appealing academic achievements. Based on the construction of the laboratories, professional faculty members are trained to expand their international academic view in highway engineering discipline.

China Highway and Transportation Society organized the compilation of The Development Report on China Highway Discipline for the first time in 2012. This academic event was supported by society branches, social agencies and government administrations. The Report has received extensive attention and satisfying feedback from the whole national highway industry. Ministry of Transport of P.R.C. puts a premium on this Report compilation work. Meanwhile China Association for Science and Technology has enlisted this work as the annual financial support project in 2012.

With continuous evolution and innovation, highway discipline is now covering more and more research fields and contents. This Report is based on the original discipline report last year and expands the contents to ten different and related subjects, respectively road engineering, bridge engineering, tunnel engineering, transportation engineering, informatization of highway prospective design, road transportation and modern logistic, highway maintenance and management, highway environment and sustainable development, bus technology and construction and maintenance machinery. This Report provides the audience with an outline of the recent magnificent evolution and crucial research accomplishments in China highway transportation discipline, aiming at demonstrating the prospects and scientific researches in highway discipline development.

An overview on the recent development in all ten disciplines indicates that there are obvious evolution directions for the discipline research. It is indicated that sustainable development for the discipline has attracted more and more attention in recent years. Systematic research regarding sustainable development has been performed in many sub disciplines. Further research in the hazard control and safety emerges for a more secured and reliable discipline development process. Also intelligent design and technology are extensively applied in the discipline for more efficient research. Together the three novel academic research directions in highway engineering discipline have greatly improved the academic research level of the discipline on the whole scale, providing the highway construction, even the comprehensive economic improvement, in China with strong and important supports.

Great progress has highway engineering discipline in China made during the rapid development in recent years, yet there is obvious research gap between China and developed countries. To recognize the research gap, a comprehensive and thorough contrast of highway engineering discipline between China and developed countries is introduced. It is realized that certain shortcomings in discipline fundamental research, industrial innovation construction, development and application of novel technologies, and humanization and safety design exist in the highway engineering discipline of China. It is very essential that practical involvement requirements of the highway engineering discipline of China should be taken into consideration during the deepening research process. By this way can research in the highway engineering discipline of China achieve the international advanced level.

In the future development of the highway engineering discipline of China, more emphasis should be put on strengthening discipline construction and optimizing discipline resource distribution. Conception of sustainable development should be implemented thoroughly in every possible direction. Innovative research approaches should be introduced widely during the discipline development. In specific, fundamental research for highway engineering should be deepened based the discipline development requirements, intensive and environment-friendly construction and operation technologies should be explored and applied more, development in facility safety and long-term service life guarantee should be strengthened, and intelligent design and application should be integrated and optimized. By this way, highway engineering discipline of China is expected to achieve another great soar in the coming future.