路基路面感知系統建設與運行維護實踐經驗

文/圖 交通運輸部公路科學研究院 王旭東 北京數泰科技有限公司 林清安

為推動具有中國特色的綠色、低碳、耐久的新一代路面工程設計、建養技術體系建設，實現高質量發展，根據“十四五”交通運輸相關規劃部署，交通運輸部決定啟動交通基礎設施長期性能野外科學觀測網試點觀測點建設。

圖1 國道108線長壽命路基路面結構監測案例

交通基礎設施長期性能野外科學觀測網試點觀測點是我國路面工程（包括路基工程、橋面鋪裝工程等）領域一項重大的、全國性的基礎平臺建設和基礎研究工作，對于充實我國路面工程科學數據戰略資源，實現路面工程的自強自立、原始創新和科技引領，具有重要的歷史意義。

科研實踐現狀

近20年來，我國諸多科研、設計和建設單位開展了廣泛長壽命路面實體工程試驗研究，除了在試驗室內的大量科學試驗外，還在野外實際工程中埋設了環境量和力學量傳感器，開展野外在線監測研究。

2005年，山東交通科學研究院與美國聯邦公路局聯合修建了濱州試驗路。2012年6月，北京市道路工程質量監督站修建了國道108線（北京門頭溝南村至石門營段）長期性能路面試驗路。2012 年8月，交通運輸部公路科學研究院在內蒙古準興高速公路修建重載交通試驗路（中交第三公路工程局準興重載高速公路A26標）。2015年11月，交通運輸部公路科學研究院建成了RIOHTrack足尺路面試驗環道，該環道在23個瀝青路面試驗路段斷面上埋設了1418只傳感器，在13個水泥混凝土路面試驗段上內埋設了604只傳感器。

此外，2015年10月至2017年12月，交通運輸部公路科學研究院依托道路結構與材料交通行業重點實驗室（北京）開展“公路基礎設施（路基路面）長期性能觀測和數據采集系統”項目建設，先后在廣東、湖南、廣西、西藏、新疆、甘肅、內蒙、黑龍江和河北等地，建設了11個公路路基路面長期性能野外觀測示范點。

經過這些路面結構在線監測系統的建設、長期運行的科學實踐，不僅取得了階段性研究成果，還積累了豐富的傳感器系統安裝和系統運維經驗，也為當前公路路基路面長期性能科學觀測網試點建設提供了技術儲備。

公路路基路面長期性能科學觀測感知系統是一個跨學科的綜合系統，不僅需要專業的路面工程知識，還需要學習、了解傳感器和物聯網技術。與我國公路建設規模相比，布設長期性能科學觀測感知系統的試驗路或實體工程路段還是很少的，遠遠不能滿足我國新一代路面工程技術革新的需要。同時，一些已布設科學觀測感知系統的路段還存在傳感器成活率不高、數據采集不標準等問題。其中，有的是傳感器性能不好、安裝工藝不對等因素造成的。

為了保障我國公路路基路面長期性能野外科學觀測網建設的順利推進，需要認真總結已有觀測點建設的經驗、教訓，進一步探究觀測系統建設、運維中存在的問題，形成觀測系統設計、建設、運維的初步規范，建設和維護好高質量的野外科學觀測系統。

運行維護和管理工作有力保障了科學觀測感知系統持續安全運行，在突發事件如氣象、地質災害前后要做好應 急預案和應急處置。

系統建設

公路路基路面長期性能科學觀測感知系統，為公路路基路面長期性能科學觀測網的關鍵部分，其由傳感器子系統，數據采集傳輸子系統、數據處理分析子系統及輔助設施構成。

傳感器子系統包括氣象感知、交通車輛感知、路基路面內部環境感知、路基路面結構響應感知和圖像感知等；數據采集傳輸子系統包括動態采集單元、靜態采集單元、通訊單元、供電單元、防雷接地單元等；數據處理分析子系統包括服務器、存儲單元、大屏幕、數據平臺軟件等；輔助設施包括現場監測房和數據中心用房等。

合格的科學觀測感知系統需要滿足4個條件：傳感器安裝位置滿足設計，特別是結構層內部的傳感器安裝時不可偏位；傳感器安裝滿足傳感器安裝工藝，保證傳感器處于最佳的工作姿態，傳感器成活率95%以上；傳感器穩定感知數據，精度滿足設計；傳感器子系統、數據采集子系統、數據分析子系統及輔助設施的使用壽命在10年以上。

建設一個合格的公路路基路面長期性能科學觀測感知系統，首先，要專業的科學觀測感知系統設計方案。依據“公路路基路面長期性能科學觀測網試點建設指南”，設計方案需要針對試點所處的氣候環境、地理位置、地質條件、水文特征、交通荷載、結構類型、道路等級等因素綜合確定，再依據結構層設計圖紙，完成科學觀測感知系統布設、選型、采集系統初步設計。值得注意的是，選型至關重要，需要選用高質量的、成熟技術的儀器設備構建高質量的科學感知系統，特別是安裝在結構內部的傳感器，一旦安裝完畢不可更換，必須滿足耐環境、工作頻次(如動態采集的2000赫茲的采集頻率)和長期服役的性能需求，數據采集系統也必須要滿足將所有傳感器信號接入、采集頻次、數據格式統一和長期服役性能需求，不可冒險嘗試新技術、新原理的儀器設備埋設在路基路面內部用于長期監測。設計單位需要與試點建設單位多次會商，有必要邀請專家進行設計方案評審，逐步優化形成公路路基路面長期性能科學觀測感知系統設計方案。

其次，需要專業的科學觀測感知系統施工組織方案，根據科學觀測感知系統設計方案編制相對應的施工組織方案，施工組織方案需要詳細描述各個傳感器安裝工藝，特別是瀝青應變計和豎向應變計、多點沉降計的安裝工藝，明確傳感器系統走線分布、采集系統安裝與系統調試、監測房施工和數據中心布設方案。

最后，需要專業技術人員實施安裝與調試，沒有經驗的傳感器和數據采集系統的人員不宜安裝，傳感器和數據采集系統非常敏感，操作不當易損壞，非專業安裝將使傳感器處于不良的工作狀態，錯誤的安裝直接導致傳感器失效。即使有工程經驗的專業技術人員也必須嚴格按照科學觀測感知系統施工組織方案執行安裝和調試任務。高質量的科學感知系統必須由專業技術人員實施安裝才能保證其正常服役。

運行維護

公路路基路面長期性能科學觀測感知系統通過試運行，進入正式服役期，科學觀測感知系統能否長期服役依賴于專業的運行維護與管理。試點運營單位需要配置專業人員負責科學觀測感知系統日常運行與維護，才能保證科學感知系統正常運行。科學觀測感知系統的安裝和實施單位需要做好技術培訓，并提供公路路基路面長期性能科學觀測感知系統安全運行手冊，安全運行手冊包括由總則、基本規定、運行維護保障細則、異常處置等部分組成，明確傳感器子系統、數據采集子系統、數據分析子系統的日常檢查方案和現場處理方案。對地面系統更換的部件給出明確更換條件和更換方法。

應用案例

國道108線長壽命路基路面結構監測

選取國道108線（南村至石門營段）改建工程進京方向AK14+420兩側長壽命路面的一個車道結構斷面為監測斷面，在線監測道路結構各層的受力狀態、含水量、溫度等，記錄路面結構的相關物理參數的變化，提供對路面結構參數的變化進行定性或定量評價的監測數據，從而為更經濟地維護、構筑道路，摸索和發展新的鋪筑設計標準等提供參考。

足尺路面加速加載試驗環道路基路面監測系統

項目位于交通運輸部公路交通試驗場內，足尺路面加速加載試驗能夠模擬實際公路路面結構在車輛荷載和環境因素下長期耦合作用，完成多因素耦合作用下瀝青路面和水泥路面道面結構行為和材料行為的研究，建立路面長期性能監測技術、路面病害診斷與評估系統、路面維修改建的決策系統，是解決我國現階段公路工程技術瓶頸問題的有效途徑之一，具有重要的經濟效益和社會效益。

足尺環道的試驗數據采集系統主要由全天候氣象信息采集系統、路面結構動態響應采集系統等子系統組成，其中結構動態響應系統和路面性能采集系統又分別包含了結構響應狀態采集系統、動態荷載狀態采集系統等內容組成。

圖2 足尺路面加速加載試驗環道斷面分布

圖3 足尺路面加速加載試驗環道瀝青路面傳感器示例

圖4 足尺路面加速加載試驗環道水泥安裝傳感器示例

足尺路面環道線形采用直線與圓環相結合的橢圓形閉合曲線，由兩段直線、兩段緩和曲線和兩段圓曲線構成，并呈對稱布置。

在直線段上設置19種瀝青路面試驗結構，緩和曲線段的路面結構由直線段瀝青路面結構順延，在圓曲線段上設置13種水泥路面試驗結構。各種路面結構中均布設一套結構響應狀態采集系統，整個環道布設一套動態荷載狀態采集系統。

項目自2013年9月設備采購至2016年8月系統試運行完成共經歷了23個月的時間，期間2014接、檢測和系統調試等多項內容。

圖5 道路路基路面長期性能監測示范點分布

道路路基路面長期性能監測示范點選取分布列表

道路路基路面長期性能監測示范點

項目在華南、華北、東北、西北、西南五大自然片區，根據實地路段建設情況，共選取新建路基、路面實體工程示范點11個，包括8個重點示范點，3個一般示范點。其中，瀝青路面重點示范點5個，瀝青路面一般示范點兩個，水泥路面重點示范點1個，水泥路面一般示范點1個，路基重點示范點2個。

圖6 道路路基路面長期性能監測示范點所用傳感器示例

圖7 全國道路路基路面長期性能監測示范點大屏示例

公路路基路面長期性能科學觀測網建設是我國公路事業一項戰略性的應用基礎研究平臺建設工作。由交通運輸部科技司統一規劃和部署，在公路建設和管理單位的大力支持下，在行業專家和科研、設計人員的廣泛參與下，長期性能科學觀測網建設必將極大促進我國公路科技的原始創新發展，加快建設交通強國。

公路路基路面長期性能科學觀測感知系統是一個交叉學科的智能系統，不同于一般的公路養護檢測系統和橋梁、隧道健康監測系統，所用的傳感器類型和采集系統完全不同，不可盲目照搬。

制定專業化的設計方案和施工組織方案，由具有經驗的專業團隊進行系統實施，并建立完善維護和管理計劃，是確保科學觀測網感知系統長期可靠運行必不可少的條件。