碳中和理念下的智慧高速公路建设探讨

论文

作者：谢路锋，朱凌，朱馥君（江西省交通设计研究院有限责任公司）

摘要：交通运输行业在我国碳排放中占有极大的比重，特别是公路运输领域，如何做好低碳交通甚至零碳交通是每一个交通从业者、参与者需要思考的问题。本文对我国交通运输行业能耗与碳排放现状进行了阐述说明，并从高速公路设计行业的角度，将智慧高速公路建设与碳中和理念相融合，分析了智慧高速公路设计中几个重点需要关注的方向，对设计思路进行了探讨。

为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等目标，“十四五”规划也将加快推动绿色低碳发展列入其中。碳达峰、碳中和目标和任务的确定，将对我国社会经济发展和能源结构调整起到重要作用。

一

碳中和的科学内涵

碳中和最早是一个商业策划概念，由英国未来森林公司在1997年提出，主要从能源技术角度关注交通旅游、家庭生活和个人行为等领域实现碳中和的路径，通过购买经认证的碳信用来抵消碳排放。在宏观层面，碳中和强调经济结构与能源结构转型，加快低碳与零碳技术创新应用，注重节能与提高能效，加快可再生能源应用，扩大森林与碳汇建设，推动实现地球温室气体排放量与吸收量的平衡[1]。

二

碳中和理念下智慧高速公路建设要点

在持续降低碳排放、最终实现碳中和的理念下，交通运输行业不仅要继续加快优化运输工具结构，促进新能源技术的发展和应用，提升交通工具能效水平，更加要从设计上重视高速公路智慧化建设，在绿色、低碳、可循环设计理念的基础上更进一步，促进高速公路低碳与零碳运营。

（一）促进交通运输电气化水平提升

电气化是交通运输领域重要的节能减排措施，随着电力产业结构低碳化、新能源技术及储能技术的发展，电动汽车减排优势将更明显[3]。可是目前在高速公路上行驶的新能源汽车比例极低，其原因为：电动汽车续航里程有待加强，沿线充电设施匮乏、充电时间长，充电设备不匹配等。

设计思路为：建立智慧高速全域感知体系，精准识别高速公路各区段新能源车占比，精准分析新能源车辆已行驶里程，预测高速公路沿线充电需求分布，并为新能源车主提供个性化、精准化服务，及时提供充电车位信息及相关建议。路段管理单位可以根据本路段新能源车辆比例、用电需求，分期投资实施。

（1）近期可在各服务区合理设置电动汽车快速充电设施，满足基本需求并做好远期预留。

（2）远期随着新能源汽车数量的增加、续航里程的提升，通过交通大数据、人工智能，对各路段新能源汽车数量、充电行为进行分析，并生成充电策略，形成决策依据，再扩容充电设施；还可随着技术发展及建设成本的降低，在服务区、收费站等沿线设施内设置换电站（电池配送站），从而促进交通运输电气化水平提升。

（二）提高零碳能源使用比例

随着风电、光伏等可再生能源的发展和生产技术的不断成熟，在高速公路设计中积极推动风电、光伏发电等技术成为新增能源供应主体，能极大地减少高速公路运营中产生的碳排放。

智慧高速在道路全线高密度的设置了各类监控、监测、信息发布等物联网感知层设备以及边缘计算、5G微基站等传输、控制设备，以提升道路沿线各类设施的供电稳定性、可靠性，对于智慧高速的正常运营具有十分重要的作用。目前高速公路智慧能源供电系统主要从电能管控、配电监测、远程供电等几个方面进行设计，但缺少对于突发大面积停电、局端设备故障、电缆偷盗等因素的考虑。

设计思路为：建立远程供电方式为主、新能源微电网为辅的并网型智慧能源供电系统。

在智慧高速供配电系统设计中，可以结合道路线型、周边环境、气象条件，在边坡、互通绿地、站区车棚、屋顶等位置铺设太阳能发电设备，在河道口、山间垭口等设置风力发电站，实现道路全线设备及沿线场区站房的并网发电、用电。

同时，根据道路沿线设备负荷分布设置储能系统，补充供电系统中的可调可控型电源，平滑太阳能、风能发电能力，提高太阳能、风能利用率，满足各种智慧高速新型负荷的需求。

（三）对碳排放关键节点做出针对性设计

隧道用电，特别是隧道照明用电，一直都是路段运营管理单位重点关注的能耗问题。一条1km长的隧道在晴朗天气工况下，为避免“黑洞”“白洞”效应，保证行车安全，应开启隧道内全部照明灯具，其中加强照明用电负荷一般为20~30kW，约占全部照明负荷的75%，且隧道越短占比越高。

设计思路为：除了采用新型节能灯具，并结合采集交通量参数配置智能调光控制系统外，还可以考虑在隧道洞外采用绿色蔓藤遮阳棚、光伏太阳能薄膜遮阳棚等减光措施；隧道洞内可利用自然光反射增加照度，并应用蓄光材料、漫反射材料等新技术、新工艺。

（四）积极采用高能效供电设备

高速公路运营管理用电有其自身的特点。例如隧道用电，在隧道供配电系统设计时，动力系统（通风、消防）变压器与照明系统变压器一般分开设置。在隧道实际运营中，动力系统大部分时间处于低负载甚至空载状态；同时，照明变压器在夜间只开启基本照明或应急照明，也处于低负载状态。变压器损耗大，特别是空载损耗较大，具有极大的节能潜力。

设计思路为：在高速公路高能耗控制点，如隧道、数据中心、充电站等，采用高效节能变压器，能够有效降低空载损耗，节约能源，降低碳排放。

（五）助力车路协同式自动驾驶技术发展

自动驾驶技术按照自动化程度可划分为5个等级，其节能机制可分为拥堵适应性、生态驾驶、编队行驶、碰撞规避等。根据国内外研究成果，生态驾驶有助于降低单车能耗，平均节能效果约为5%；货车编队行驶有助于减少运行风阻，单车能耗约下降3%～25%；碰撞规避降低了交通事故的发生，使交通整体运行能耗减少约0～2%[4]。

目前，以智能汽车（单车）为载体的自动驾驶技术路线，存在诸如安全可靠性无法保证、感知传感器成本高于整车成本、政策法律法规不完善等各种问题，造成自动驾驶在短期内难以商业化运用。

而车路协同技术实现了车车、车路动态信息实时交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上提供车辆主动安全控制和道路协同管理服务，为自动驾驶技术发展提供了技术路线。

车路交互系统数据流示意如下图所示，设计思路如下。

车路交互系统数据流示意图

（1）结合高速公路运营管理单位投资意向及项目定位，在道路沿线布设感知、通信、高精定位、边缘计算等智慧化设施。感知设施应对自动驾驶相关的交通运行状态及环境状态进行采集；通信设施应具备车路通信能力，并通过车路通信对自动驾驶车辆进行预警和管控；再配以适于机器识别的标志、标线等交安设施的车道，构建车路协同式自动驾驶系统生态体系。

（2）对满足运行要求的车路协同自动驾驶车辆进行管控管理，高效分配道路资源，提升高速公路通行效率。

（3）为行驶在高速公路自动驾驶专用车道上的货车编队提供实时信息服务。

（4）构建智慧高速云控平台、车联网平台，拓展公路北斗高精度定位应用与高精度地图，提升车辆对道路交通环境的感知力，降低车载移动计算负荷，实现生态驾驶辅助需求等。

三

结束语

碳达峰、碳中和重点任务和目标的确定，对我国下个阶段在持续推动经济发展方式变革、能源结构深度调整、生态系统动能高效提升等方面提出了新的更高要求。碳中和时代的到来，也对高速公路设计行业提出了更高的要求。如何将智慧高速与碳中和理念深度融合，助力美丽中国、绿色中国，还需要交通设计工作者的不断创新、勇于突破与不懈努力。

参考文献

[1] 刘长松．碳中和的科学内涵、建设路径与政策措施[J]．阅江学刊,2021.

[2] 王庆一.2019中国能源数据[M].北京:绿色创新发展中心,2019.

[3] 齐兴达,李显君,章博文.中国温室气体减排成本有效性分析:以纯电动汽车为例[J].技术经济,2017,36(4):72-78.

[4] 袁志逸,李振宇,康利平,等.中国交通部门低碳排放措施和路径研究综述[J].气候变化研究进展,2021,17(1):27-35.

[5] 张恒德.基于V2X通信的车辆编队及轨迹跟随控制研究[D].南京：南京信息工程大学，2020.

[6] 章军辉,陈大鹏,李庆.自动驾驶技术研究现状及发展趋势［J］．科学技术与工程,2020,20(9):3394-3403.

（原文刊载于2022年第1期《中国交通信息化》）

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