公路項(xiàng)目中智能傳感技術(shù)在路基路面監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

一、前言

隨著公路建設(shè)和交通需求的不斷增長(zhǎng)，路基路面健康監(jiān)測(cè)已成為保障道路長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的路面監(jiān)測(cè)方法通常依賴人工檢測(cè)或靜態(tài)的結(jié)構(gòu)健康評(píng)估，存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)精度不足以及難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題等諸多不足。智能傳感技術(shù)作為一種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段，憑借其高效、實(shí)時(shí)、精確的特點(diǎn)，正在逐步替代傳統(tǒng)檢測(cè)方式。因此，進(jìn)行公路項(xiàng)目中智能傳感技術(shù)在路基路面監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、智能傳感技術(shù)在路基路面監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

（一）不同類型傳感器的應(yīng)用

1.壓電傳感器在疲勞裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

壓電傳感器利用壓電效應(yīng)，通過將路面機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展和發(fā)展的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其在瀝青混凝土路面中表現(xiàn)出較高的靈敏度和準(zhǔn)確性，核心在于壓電材料的性能和傳感器的合理布設(shè)。在路面底層埋設(shè)傳感器，能夠精準(zhǔn)捕捉由交通荷載引起的應(yīng)變信號(hào)，通過數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和分析，可對(duì)裂縫初期的疲勞狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷。壓電傳感器的小型化和模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力，球形封裝結(jié)構(gòu)使傳感器能夠在高壓和高溫條件下保持穩(wěn)定，為公路健康監(jiān)測(cè)提供了高效的技術(shù)支持。

2.光纖傳感器用于路面變形監(jiān)測(cè)

通過光纖傳感技術(shù)捕捉路面變形的細(xì)微變化，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)路面受力、沉降和裂縫擴(kuò)展的連續(xù)監(jiān)測(cè)，其工作原理基于光信號(hào)在光纖中的傳播特性。當(dāng)光纖受到外界應(yīng)變或壓力影響時(shí)，光信號(hào)的相位、強(qiáng)度或波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，通過解讀這些變化，能夠獲取路面變形的相關(guān)參數(shù)。光纖傳感器由于具有高靈敏度和抗電磁干擾的特性，非常適合應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的監(jiān)測(cè)需求。通過布設(shè)在路面的不同深度和區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大范圍內(nèi)路基路面的精確數(shù)據(jù)采集，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析及時(shí)反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，為道路維護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在路基路面監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用依賴于其自主感知、數(shù)據(jù)采集和信息傳輸?shù)木C合能力，通過將大量小型傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入路面結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)路面狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立的感知功能和通信能力，能夠通過無線方式將監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變、壓力、溫濕度等數(shù)據(jù)傳遞至中心節(jié)點(diǎn)或服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅能夠避免有線系統(tǒng)中因線路復(fù)雜而導(dǎo)致的安裝和維護(hù)困難，還能夠通過低功耗設(shè)計(jì)顯著延長(zhǎng)運(yùn)行周期。節(jié)點(diǎn)間采用協(xié)作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和傳輸，能夠有效提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。此外，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的算法優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路面局部受損區(qū)域的精確定位和損傷程度的量化，為構(gòu)建科學(xué)的道路養(yǎng)護(hù)策略提供技術(shù)支持[1。

（二）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.基于自供電無線傳感器的連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于自供電無線傳感器的連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過整合傳感技術(shù)和能源采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面狀態(tài)的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)核心采用壓電換能器作為能量采集單元，將路面因交通荷載產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，直接為嵌入式傳感器供電，避免了傳統(tǒng)電池供電方式的周期性更換需求。傳感器布設(shè)在路面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，能夠?qū)崟r(shí)感知應(yīng)變、壓力等參數(shù)變化，并通過無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至中央處理單元。數(shù)據(jù)傳輸過程基于低功耗無線通信協(xié)議，確保了信息傳遞的高效性和可靠性。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，對(duì)采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，識(shí)別路面潛在的損傷風(fēng)險(xiǎn)，并精確定位損傷部位。

2.路基路面三維有限元模擬中的力學(xué)響應(yīng)分析

路基路面三維有限元模擬中的力學(xué)響應(yīng)分析通過構(gòu)建數(shù)字化的路面結(jié)構(gòu)模型，為評(píng)估路基和路面在實(shí)際荷載條件下的力學(xué)行為提供了科學(xué)依據(jù)。該方法通過建立包括瀝青面層、基層和路基的分層模型，結(jié)合真實(shí)材料的力學(xué)特性，模擬交通荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。模型采用精細(xì)化網(wǎng)格劃分和約束邊界條件，以準(zhǔn)確再現(xiàn)路面受力狀態(tài)，并通過施加動(dòng)態(tài)荷載分析各層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布及位移變化。三維模擬能夠深入揭示因疲勞荷載引發(fā)的路面底層裂縫擴(kuò)展機(jī)制，為傳感器位置的合理布設(shè)提供理論支撐。

（三）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

1.應(yīng)變分布的累積密度函數(shù)建模

應(yīng)變分布的累積密度函數(shù)建模通過對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，為路面結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)估提供了數(shù)據(jù)支撐。建模過程以路面應(yīng)變數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用累積密度函數(shù)描述應(yīng)變值隨時(shí)間變化的概率分布特性。通過預(yù)設(shè)多個(gè)應(yīng)變水平的閾值，傳感器記錄每個(gè)水平的累積發(fā)生時(shí)間，將這些數(shù)據(jù)擬合為累積密度函數(shù)曲線，從而體現(xiàn)應(yīng)變事件在不同損傷狀態(tài)下的變化規(guī)律。模型參數(shù)中的均值和標(biāo)準(zhǔn)差反映了應(yīng)變分布的中心趨勢(shì)與離散程度，與路面損傷的嚴(yán)重性直接相關(guān)。

2.基于傳感器數(shù)據(jù)的疲勞壽命預(yù)測(cè)與損傷定位

基于傳感器數(shù)據(jù)的疲勞壽命預(yù)測(cè)與損傷定位通過多維度數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)的深入評(píng)估和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。傳感器實(shí)時(shí)記錄的應(yīng)變、應(yīng)力等參數(shù)被解析為與路面疲勞狀態(tài)密切相關(guān)的指標(biāo)，結(jié)合損傷力學(xué)理論構(gòu)建疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。模型將傳感器采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與材料疲勞特性曲線相結(jié)合，通過分析累積應(yīng)變幅值與加載次數(shù)之間的關(guān)系，推導(dǎo)路面剩余使用壽命。在損傷定位方面，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的空間分布特性，通過數(shù)據(jù)異常點(diǎn)的空間定位算法精確識(shí)別損傷位置，并結(jié)合多點(diǎn)協(xié)同分析校正結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。

三、智能傳感技術(shù)在路基路面監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用挑戰(zhàn)

（一）傳感器供電問題

由于傳統(tǒng)的電池供電方式存在周期性更換的困難，尤其是當(dāng)傳感器被嵌入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)，維護(hù)和更換電池會(huì)顯著增加運(yùn)維成本。電池的使用壽命有限，電量消耗過快會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定的供電成為保障其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題，尤其是在沒有外部電源支持的情況下。部分自供電技術(shù)（如利用路面交通荷載產(chǎn)生的能量），尚未能完全解決低功耗傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需求，能量采集效率不足或受到環(huán)境條件的影響，進(jìn)一步加劇了供電問題的復(fù)雜性。

（二）海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與存儲(chǔ)問題

傳感器網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不斷采集路面健康數(shù)據(jù)，生成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量巨大，如何有效管理和處理這些數(shù)據(jù)成為了技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。數(shù)據(jù)頻繁更新并且涉及多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，不僅需要大量存儲(chǔ)空間，還需要高效的數(shù)據(jù)處理機(jī)制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面臨著存儲(chǔ)設(shè)備的容量限制、存取速度及數(shù)據(jù)冗余問題，尤其是在數(shù)據(jù)中心的帶寬和存儲(chǔ)能力不足時(shí)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或延遲。此外，數(shù)據(jù)分析過程中的計(jì)算復(fù)雜度較高，尤其是在進(jìn)行多維度、高頻次數(shù)據(jù)處理時(shí)，傳統(tǒng)的處理技術(shù)難以應(yīng)對(duì)[3]。

（三）高溫、壓力條件下傳感器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

路面?zhèn)鞲衅鞒３１┞对趶?fù)雜的環(huán)境中，尤其是在極端的溫度變化和長(zhǎng)期的車輛荷載作用下，傳感器的外部結(jié)構(gòu)容易受到熱膨脹、收縮以及機(jī)械應(yīng)力的影響。這些變化可能導(dǎo)致傳感器材料的疲勞，降低材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。高溫環(huán)境下，傳感器的封裝材料可能發(fā)生老化、變形或出現(xiàn)熱膨脹不均，從而影響其性能，甚至導(dǎo)致傳感器失效。在壓力條件下，尤其是重型車輛頻繁通行時(shí)，傳感器可能受到較大的壓縮應(yīng)力，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂紋或變形，影響傳感器的精度和使用壽命。長(zhǎng)期處于惡劣環(huán)境中的傳感器可能因無法承受高溫、壓力的重復(fù)變化而出現(xiàn)故障，影響路面健康數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

（四）多種環(huán)境應(yīng)力對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響

路面?zhèn)鞲衅魍ǔＰ枰趶?fù)雜的環(huán)境條件下工作，受到溫度變化、濕度波動(dòng)、王壤沉降、風(fēng)力作用等多種環(huán)境因素的影響。溫度的劇烈變化會(huì)導(dǎo)致路面材料的膨脹或收縮，進(jìn)而改變傳感器的響應(yīng)特性，影響應(yīng)變和應(yīng)力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。濕度變化也會(huì)對(duì)傳感器的電氣性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致測(cè)量誤差或信號(hào)失真。土壤沉降、路面裂縫的擴(kuò)展以及由交通荷載產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，都會(huì)增加傳感器承受的外部壓力和應(yīng)力，從而對(duì)傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

四、智能傳感技術(shù)在路基路面監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用對(duì)策

（一）采用壓電材料提高傳感器性能

采用壓電材料提高傳感器性能是一種有效的提升傳感器靈敏度和能量采集效率的措施。壓電材料尤其是壓電陶瓷，由于其較高的壓電常數(shù)和穩(wěn)定性，能夠?qū)C(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，滿足長(zhǎng)期路面健康監(jiān)測(cè)的需求。在傳感器設(shè)計(jì)中，壓電材料能夠提升感應(yīng)精度，尤其是在承受交通荷載、溫度變化及外部震動(dòng)等因素時(shí)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。通過優(yōu)化壓電材料的結(jié)構(gòu)與配置（如增加壓電層的厚度或采用多層壓電復(fù)合材料），可以進(jìn)一步提高信號(hào)的輸出功率和穩(wěn)定性。在高應(yīng)變環(huán)境下，采用壓電材料還能夠通過更高的能量轉(zhuǎn)化效率為無線傳感器提供足夠的自供電能力，避免外部電源依賴，延長(zhǎng)傳感器的使用壽命[4]。

（二）開發(fā)高效的數(shù)據(jù)壓縮與傳輸算法

通過采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)壓縮方法（如基于小波變換或傅里葉變換的壓縮算法），可以有效減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。壓縮算法能夠在保留數(shù)據(jù)有效信息的基礎(chǔ)上去除冗余，減少數(shù)據(jù)量，降低存儲(chǔ)空間占用，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間、高頻率采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尤為重要，因?yàn)樵跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量傳感器生成的數(shù)據(jù)若未經(jīng)過處理直接傳輸，將對(duì)通信帶寬和存儲(chǔ)系統(tǒng)構(gòu)成巨大壓力。除了壓縮，傳輸算法的優(yōu)化同樣至關(guān)重要。通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)傳輸策略，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件和數(shù)據(jù)重要性動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸頻率或優(yōu)先級(jí)，減少低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，避免網(wǎng)絡(luò)擁堵。此外，采用分布式計(jì)算和數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)的方式，也能夠有效減輕中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體效率。

（三）使用高耐熱、高韌性的封裝材料

使用高耐熱、高韌性的封裝材料是提高傳感器在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定性的有效措施。封裝材料作為傳感器的外部保護(hù)層，不僅要抵御高溫、低溫、濕氣等環(huán)境因素的影響，還需要在長(zhǎng)期的機(jī)械應(yīng)力和振動(dòng)作用下保持結(jié)構(gòu)的完整性。采用耐高溫的材料（如環(huán)氧樹脂或硅橡膠），可以有效防止溫度波動(dòng)對(duì)傳感器的損害，延長(zhǎng)傳感器使用壽命。高韌性材料具有較強(qiáng)的抗沖擊性能，在路面交通荷載或機(jī)械振動(dòng)的作用下，能夠有效避免封裝材料因變形或破裂導(dǎo)致傳感器損壞。此外，選擇具備優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性的封裝材料，能夠有效防止?jié)駳饣蚋g性物質(zhì)對(duì)傳感器內(nèi)部元件的侵蝕[5]。

（四）提高傳感器對(duì)復(fù)雜環(huán)境的抗干擾能力

提高傳感器對(duì)復(fù)雜環(huán)境的抗干擾能力需要在傳感器設(shè)計(jì)、材料選擇以及數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行多層次優(yōu)化。對(duì)于傳感器硬件的設(shè)計(jì)，采用屏蔽技術(shù)能夠有效減少外部電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響，尤其是在城市環(huán)境中，電磁噪聲較為嚴(yán)重時(shí)，屏蔽措施能夠提高信號(hào)的穩(wěn)定性。傳感器的封裝材料選擇同樣至關(guān)重要，使用具有優(yōu)良電磁兼容性的材料可以降低傳感器對(duì)環(huán)境干擾的敏感性。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集過程中，可以通過濾波技術(shù)去除高頻噪聲和無用信號(hào)，保留有價(jià)值的信息。此外，在軟件算法層面，引入信號(hào)處理算法（如自適應(yīng)濾波和盲源分離等）可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

五、結(jié)語

綜上所述，智能傳感技術(shù)在路基路面監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展現(xiàn)出巨大的潛力，其實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性和高效性為公路基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)與管理提供了全新的技術(shù)路徑。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟與優(yōu)化，智能傳感技術(shù)將在未來的公路項(xiàng)目中發(fā)揮更加重要的作用，推動(dòng)公路工程向著智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]胡安東，陳曦，瞿文軒，等.光纖傳感在公路隧道智能通風(fēng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)交通信息化，2024（07）：125-128.

[2]牛朋超.基于多傳感信息融合的高速公路機(jī)電設(shè)備智能運(yùn)維監(jiān)控方法[J].交通工程，2024，24（01）：75-78+86.

[3]車現(xiàn)法，曹新濤.基于智能傳感技術(shù)的智慧公路健康監(jiān)測(cè)研究[J].建筑機(jī)械，2024（01）：116-122.

[4]余燦，李智堅(jiān).光纖傳感在公路隧道智能調(diào)光系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]交通企業(yè)管理，2022，37（06）：56-58

[5]彭歡，王靜偉，黃鵬.基于傳感網(wǎng)絡(luò)公路邊坡智能監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].湖南交通科技，2022，48（03）：171-176.

作者單位：甘肅圓隴路橋機(jī)械化公路工程有限責(zé)任公司

■責(zé)任編輯：王穎振楊惠娟