光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘要 文章旨在探討光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，通過采集、處理和分析數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)監(jiān)控路面狀況，并對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。研究采用實(shí)證分析方法，結(jié)合具體案例，評(píng)估了光纖傳感技術(shù)在提高道路安全性、延長(zhǎng)路面使用壽命和提升服務(wù)質(zhì)量方面的效果。結(jié)果顯示，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，充分體現(xiàn)了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路信息化建設(shè)中的應(yīng)用價(jià)值，可為相關(guān)領(lǐng)域提供重要參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)；溫濕度監(jiān)測(cè)；高速公路；信息化；路面管理

中圖分類號(hào) TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）13-0085-03

0 引言

隨著高速公路的快速發(fā)展，溫濕度變化對(duì)路面狀況的影響日益凸顯。路面溫度和濕度的異常變化，不僅可能引發(fā)交通事故，還可能縮短路面的使用壽命。因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)高速公路的溫濕度狀況，對(duì)于保障行車安全、提高路面維護(hù)效率具有重要意義。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)帶來了革命性的變化。該技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、長(zhǎng)距離傳輸?shù)?，在溫濕度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。通過光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和快速處理，從而提升高速公路的管理效率和服務(wù)水平。

1 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的重要性

隨著高速公路的快速發(fā)展，路面狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警成為保障行車安全、提高路面維護(hù)效率的重要手段。在這個(gè)背景下，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用顯得尤為重要。一方面，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)高速公路的路面溫度和濕度狀況。隨著氣候變化，路面溫度和濕度的異常變化可能導(dǎo)致路面損壞和交通事故發(fā)生；通過光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并向路段管理單位發(fā)出預(yù)警信息，以便迅速采取應(yīng)對(duì)措施，減少潛在的安全隱患。另一方面，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以提高高速公路的管理效率和服務(wù)水平。通過對(duì)路面溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，管理人員可以更加精準(zhǔn)地掌握路面狀況，以便優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，減少不必要的維修工作[1]；同時(shí)，可為行駛的車輛提供實(shí)時(shí)的路面溫濕度數(shù)據(jù)，幫助駕駛員更好地了解路面狀況，提高行車的安全性和舒適度。

由此可見，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)不僅可以提高路面的安全性和使用壽命，還能提升高速公路的管理效率和服務(wù)水平。

2 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方案與技術(shù)

光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方案主要基于分布式光纖溫度傳感器和濕度傳感器。分布式光纖溫度傳感器利用光時(shí)域反射技術(shù)和拉曼散射原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光纖線路溫度分布的監(jiān)測(cè)。而分布式光纖濕度傳感器則利用光纖中氫分子和水分子之間的相互作用，通過分析光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)衰減程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)通常部署在高速公路的路面、橋梁、隧道等關(guān)鍵部位，通過與光纖傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，形成一個(gè)覆蓋整個(gè)高速公路的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。在溫濕度監(jiān)測(cè)時(shí)，光纖傳感器會(huì)實(shí)時(shí)采集路面的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析處理。光纖傳感器的選擇和配置至關(guān)重要。針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)需求，選擇合適的光纖傳感器類型，如分布式光纖傳感器、光纖光柵傳感器等，確保傳感器具備高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，以準(zhǔn)確測(cè)量溫濕度變化。

目前，高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)有如下應(yīng)用方案：一是建立完善的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等模塊，確保系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)處理分析等功能，以便對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和管理[2]。二是結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理。利用算法對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、分類和預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并發(fā)出預(yù)警信息。

3 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐案例

3.1 高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在高速公路的運(yùn)營(yíng)過程中，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的溫濕度監(jiān)測(cè)是確保行車安全和路面狀況的重要手段。隨著技術(shù)進(jìn)步，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在溫濕度監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)手段利用光纖的傳光特性，通過對(duì)溫濕度變化引起的光信號(hào)變化進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，主要基于光纖的傳光特性；當(dāng)光線在光纖中傳播時(shí)，會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度等，通過對(duì)這些因素引起的光信號(hào)變化進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的精確測(cè)量。例如，高速公路項(xiàng)目采用了“光纖傳感網(wǎng)絡(luò)+智能數(shù)據(jù)分析平臺(tái)”的模式，構(gòu)建了一個(gè)全面的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

光纖將各個(gè)傳感器連接起來，形成一個(gè)覆蓋全路段的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)傳感器都能夠?qū)崟r(shí)感知所在區(qū)域的溫濕度信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行分析和處理。通過光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路關(guān)鍵區(qū)域溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。該系統(tǒng)還可以與高速公路的照明、通風(fēng)等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能化的管理和控制。

上述系統(tǒng)主要通過溫濕度數(shù)據(jù)采集、光纖信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析等步驟實(shí)現(xiàn)溫濕度的監(jiān)測(cè)功能，各步驟的具體執(zhí)行內(nèi)容如下：

（1）光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的部署。為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)高速公路關(guān)鍵區(qū)域的溫濕度變化，首先需要部署一個(gè)高精度的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)光纖傳感器組成，這些傳感器沿著高速公路的關(guān)鍵區(qū)域分布，如橋梁、隧道及重要交通節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器都能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其周圍環(huán)境的溫度和濕度變化。網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，該文選取了總計(jì)5 km的高速公路區(qū)域，沿線共設(shè)置了50個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔約100 m。

（2）數(shù)據(jù)收集與傳輸。所有光纖傳感器收集的溫濕度數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至中心數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)傳輸過程中，使用了先進(jìn)的光纖通信技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。在為期一周的測(cè)試中，網(wǎng)絡(luò)每分鐘都會(huì)收集并傳輸溫度和濕度數(shù)據(jù)，共計(jì)收集數(shù)據(jù)約10 080組。

（3）數(shù)據(jù)分析與處理。收集到的數(shù)據(jù)通過專門設(shè)計(jì)的分析軟件進(jìn)行處理和分析。軟件能夠識(shí)別出數(shù)據(jù)中的異常波動(dòng)，如溫度或濕度的急劇升高或降低，可能預(yù)示著潛在的環(huán)境問題或設(shè)備故障。在數(shù)據(jù)分析階段，該文使用了統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，如標(biāo)準(zhǔn)偏差和移動(dòng)平均值，以準(zhǔn)確判斷溫濕度的長(zhǎng)期趨勢(shì)和短期波動(dòng)。經(jīng)過連續(xù)7 d的監(jiān)測(cè)，分析顯示在大部分時(shí)間內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍在?2～+2 ℃內(nèi)，濕度波動(dòng)在5%以內(nèi)。

（4）環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。為確保光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在各種環(huán)境條件下均能正常工作，進(jìn)行了一系列環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，包括在高溫、低溫、高濕和干燥條件下對(duì)傳感器進(jìn)行的測(cè)試，以確保其性能穩(wěn)定。測(cè)試期間，傳感器暴露在?10～40 ℃的環(huán)境中，濕度則在40%～90%之間變化。

（5）系統(tǒng)維護(hù)與校準(zhǔn)。定期維護(hù)和校準(zhǔn)對(duì)于保持光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。每個(gè)月應(yīng)進(jìn)行一次系統(tǒng)檢查，包括傳感器的物理檢查、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾詼y(cè)試以及系統(tǒng)校準(zhǔn)。在測(cè)試期間，所有的傳感器應(yīng)至少進(jìn)行了一次完整的校準(zhǔn)過程，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（6）實(shí)際應(yīng)用與效果評(píng)估。將光纖傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)際的高速公路環(huán)境監(jiān)測(cè)中，進(jìn)行了為期三個(gè)月的效果評(píng)估。評(píng)估的主要目的是驗(yàn)證傳感網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際環(huán)境中的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在這三個(gè)月中，網(wǎng)絡(luò)成功地監(jiān)測(cè)到了數(shù)次由于氣候變化引起的溫濕度顯著變化。在一次暴雨過后，監(jiān)測(cè)到隧道內(nèi)濕度在短時(shí)間內(nèi)急劇上升了15%，而溫度下降了5 ℃，這些數(shù)據(jù)對(duì)于高速公路的維護(hù)和管理都具有重要意義。

（7）報(bào)警系統(tǒng)集成與響應(yīng)。當(dāng)溫度或濕度超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，通知維護(hù)人員進(jìn)行檢查或采取必要措施。在集成測(cè)試期間，報(bào)警系統(tǒng)共觸發(fā)了20次，其中18次為有效報(bào)警、2次為誤報(bào)。通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集、傳輸和數(shù)據(jù)分析與處理，得出的數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2 高速公路橋梁光纖傳感網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

在高速公路橋梁光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，光纖傳感器沿橋梁長(zhǎng)度布設(shè)，確保能夠覆蓋橋面、橋墩以及其他關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)。這些傳感器能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)橋梁各部位的溫濕度，實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器都能夠檢測(cè)其周圍環(huán)境的微小變化，并且對(duì)溫濕度的敏感度高，能夠在較大的溫濕度范圍內(nèi)工作，從而確保在極端天氣條件下也能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)[3]。數(shù)據(jù)的收集通過光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回監(jiān)控中心。采用高速光纖通信技術(shù)，可保障數(shù)據(jù)的傳輸既快速又可靠。在數(shù)據(jù)中心，收集到的數(shù)據(jù)由專門的分析軟件進(jìn)行處理，該軟件配備了先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，能夠自動(dòng)識(shí)別并記錄溫濕度的變化趨勢(shì)。為驗(yàn)證光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和可靠性，將對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試包括在不同溫濕度條件下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和性能評(píng)估，確保其在長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性和精確性，以及在高溫、低溫、高濕和干燥條件下對(duì)傳感器性能進(jìn)行測(cè)試，以模擬橋梁可能面臨的各種天氣狀況。測(cè)試結(jié)果顯示，傳感器在?20～70 ℃的溫度范圍和20%～95%的濕度范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作，且誤差控制在允許的范圍內(nèi)。在橋梁的不同部位，如橋面、橋下空間、支座和橋墩，傳感器均能提供精準(zhǔn)的溫濕度讀數(shù)，這為橋梁的維護(hù)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，工程師可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制訂維修計(jì)劃，及時(shí)修復(fù)可能出現(xiàn)的損害，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。傳感器具有特定的校準(zhǔn)公式或數(shù)據(jù)處理算法，而溫度和濕度數(shù)據(jù)的處理可能涉及線性或非線性校準(zhǔn)公式，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，其基本的線性校準(zhǔn)公式為：

Y=aX+b （1）

式中，Y——校準(zhǔn)后的讀數(shù)；X——原始讀數(shù)；a、b——根據(jù)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測(cè)確定的校準(zhǔn)系數(shù)。

3.3 高速公路隧道光纖傳感網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

隧道內(nèi)部的溫濕度變化對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和車輛通行安全具有直接影響。因此，高速公路隧道光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)測(cè)應(yīng)用成為確保隧道安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)手段。傳統(tǒng)的監(jiān)控方法無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，而光纖傳感技術(shù)憑借其高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，成為監(jiān)測(cè)這些環(huán)境因素的理想選擇。在隧道光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)上，通常采用沿隧道軸線及關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)布設(shè)傳感器的方式，確保全方位、無死角地監(jiān)測(cè)覆蓋。監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收并分析傳感器數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并記錄溫濕度的微小變化，這些數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測(cè)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化、材料老化以及環(huán)境對(duì)設(shè)施的腐蝕作用至關(guān)重要。在數(shù)據(jù)分析過程中，系統(tǒng)能夠通過設(shè)定的閾值識(shí)別數(shù)據(jù)中的異常波動(dòng)，如溫度或濕度的急劇變化，這些往往是隧道內(nèi)部發(fā)生安全隱患的前兆[4]。隧道光纖傳感網(wǎng)絡(luò)不僅能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，還能夠與交通管理系統(tǒng)相結(jié)合，提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。

3.4 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果分析

在當(dāng)今高速公路管理中，環(huán)境監(jiān)測(cè)尤為關(guān)鍵，其中溫濕度的變化直接關(guān)系到路面狀況與駕駛安全。以某高速公路為例，實(shí)施了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)后，收集到的數(shù)據(jù)顯示，監(jiān)測(cè)期間內(nèi)的溫度變化范圍在?5～35 ℃，濕度在30%～80%之間。通過設(shè)定閾值（臨界溫度和臨界濕度），當(dāng)溫度超過=30 ℃或濕度超過=70 ℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。在2023年的數(shù)據(jù)分析中，監(jiān)測(cè)到超過閾值的事件數(shù)約為350次，其中溫度超過閾值的次數(shù)為200次、濕度超過閾值的次數(shù)為150次，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析表明，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，能夠提前預(yù)警潛在的路面結(jié)冰或積水情況，從而為交通管理部門提供決策依據(jù)。在實(shí)施了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，因溫濕度異常引起的交通事故數(shù)量由監(jiān)測(cè)前的每年平均12起下降到3起，降低了75%[5]。以上應(yīng)用實(shí)例充分說明光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果顯著，它不僅提高了道路安全，還為交通管理部門的決策提供了有力的數(shù)據(jù)支持。這種技術(shù)的實(shí)施，無疑提高了高速公路的管理效率和安全性，尤其在應(yīng)對(duì)極端天氣條件和維護(hù)駕駛安全方面發(fā)揮了重要作用。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度數(shù)據(jù)，交通管理部門能夠快速響應(yīng)潛在的路面危險(xiǎn)，如結(jié)冰或積水，從而及時(shí)采取預(yù)防措施，比如撒鹽防冰或排水防洪。這種主動(dòng)的預(yù)防措施在很大程度上減少了因天氣惡劣引起的交通事故。通過長(zhǎng)期收集的溫濕度數(shù)據(jù)，工程師可以分析道路材料的耐久性和路面狀況的變化趨勢(shì)，從而更有效地規(guī)劃道路維修和升級(jí)工作。

4 結(jié)論

光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在高速公路溫濕度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，不僅大幅提升了道路安全性，還顯著優(yōu)化了交通管理和應(yīng)急響應(yīng)。通過這種網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵區(qū)域的溫濕度變化，及時(shí)預(yù)警潛在的路面風(fēng)險(xiǎn)，如結(jié)冰或積水，從而有效防止事故發(fā)生。此外，長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)收集與分析有助于工程師更好地理解和預(yù)測(cè)路面狀況的變化，為道路維護(hù)和升級(jí)提供了科學(xué)依據(jù)。

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收稿日期：2024-02-02

作者簡(jiǎn)介：郭大川（1989—），男，本科，工程師，研究方向：公路交通。