公路項目中智能傳感技術在路基路面監(jiān)測的應用

一、前言

隨著公路建設和交通需求的不斷增長，路基路面健康監(jiān)測已成為保障道路長期安全運營的關鍵。傳統(tǒng)的路面監(jiān)測方法通常依賴人工檢測或靜態(tài)的結構健康評估，存在監(jiān)測周期長、數(shù)據(jù)精度不足以及難以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題等諸多不足。智能傳感技術作為一種先進的監(jiān)測手段，憑借其高效、實時、精確的特點，正在逐步替代傳統(tǒng)檢測方式。因此，進行公路項目中智能傳感技術在路基路面監(jiān)測中的應用研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

二、智能傳感技術在路基路面監(jiān)測中的具體應用

（一）不同類型傳感器的應用

1.壓電傳感器在疲勞裂縫監(jiān)測中的應用

壓電傳感器利用壓電效應，通過將路面機械應力轉化為電信號，實現(xiàn)對疲勞裂縫產(chǎn)生、擴展和發(fā)展的實時監(jiān)測，其在瀝青混凝土路面中表現(xiàn)出較高的靈敏度和準確性，核心在于壓電材料的性能和傳感器的合理布設。在路面底層埋設傳感器，能夠精準捕捉由交通荷載引起的應變信號，通過數(shù)據(jù)的動態(tài)采集和分析，可對裂縫初期的疲勞狀態(tài)進行預測和診斷。壓電傳感器的小型化和模塊化設計進一步提升了監(jiān)測系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的適應能力，球形封裝結構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)測提供了高效的技術支持。

2.光纖傳感器用于路面變形監(jiān)測

通過光纖傳感技術捕捉路面變形的細微變化，能夠實現(xiàn)對路面受力、沉降和裂縫擴展的連續(xù)監(jiān)測，其工作原理基于光信號在光纖中的傳播特性。當光纖受到外界應變或壓力影響時，光信號的相位、強度或波長會發(fā)生變化，通過解讀這些變化，能夠獲取路面變形的相關參數(shù)。光纖傳感器由于具有高靈敏度和抗電磁干擾的特性，非常適合應用于復雜環(huán)境下的監(jiān)測需求。通過布設在路面的不同深度和區(qū)域，能夠實現(xiàn)對大范圍內路基路面的精確數(shù)據(jù)采集，并通過實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析及時反映結構狀態(tài)的變化，為道路維護和修復提供科學依據(jù)。

3.無線傳感器網(wǎng)絡的實時狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸

無線傳感器網(wǎng)絡在路基路面監(jiān)測中的應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)點嵌入路面結構中，能夠實現(xiàn)對路面狀態(tài)的實時監(jiān)測和動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。每個傳感器節(jié)點具有獨立的感知功能和通信能力，能夠通過無線方式將監(jiān)測到的應變、壓力、溫濕度等數(shù)據(jù)傳遞至中心節(jié)點或服務器，從而實現(xiàn)大范圍的網(wǎng)絡化監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡不僅能夠避免有線系統(tǒng)中因線路復雜而導致的安裝和維護困難，還能夠通過低功耗設計顯著延長運行周期。節(jié)點間采用協(xié)作方式進行數(shù)據(jù)整合和傳輸，能夠有效提升數(shù)據(jù)的準確性和完整性。此外，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的算法優(yōu)化，可實現(xiàn)對路面局部受損區(qū)域的精確定位和損傷程度的量化，為構建科學的道路養(yǎng)護策略提供技術支持[1。

（二）監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1.基于自供電無線傳感器的連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)

基于自供電無線傳感器的連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)通過整合傳感技術和能源采集技術，實現(xiàn)了對路面狀態(tài)的長期實時監(jiān)測。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)生的機械能轉化為電能，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。傳感器布設在路面結構的關鍵部位，能夠實時感知應變、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)測系統(tǒng)還利用先進的數(shù)據(jù)處理算法，對采集的海量數(shù)據(jù)進行篩選和分析，識別路面潛在的損傷風險，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響應分析

路基路面三維有限元模擬中的力學響應分析通過構建數(shù)字化的路面結構模型，為評估路基和路面在實際荷載條件下的力學行為提供了科學依據(jù)。該方法通過建立包括瀝青面層、基層和路基的分層模型，結合真實材料的力學特性，模擬交通荷載作用下的結構響應。模型采用精細化網(wǎng)格劃分和約束邊界條件，以準確再現(xiàn)路面受力狀態(tài)，并通過施加動態(tài)荷載分析各層結構的應力、應變分布及位移變化。三維模擬能夠深入揭示因疲勞荷載引發(fā)的路面底層裂縫擴展機制，為傳感器位置的合理布設提供理論支撐。

（三）監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析

1.應變分布的累積密度函數(shù)建模

應變分布的累積密度函數(shù)建模通過對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行量化處理，為路面結構健康狀態(tài)的評估提供了數(shù)據(jù)支撐。建模過程以路面應變數(shù)據(jù)為基礎，利用累積密度函數(shù)描述應變值隨時間變化的概率分布特性。通過預設多個應變水平的閾值，傳感器記錄每個水平的累積發(fā)生時間，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)中的均值和標準差反映了應變分布的中心趨勢與離散程度，與路面損傷的嚴重性直接相關。

2.基于傳感器數(shù)據(jù)的疲勞壽命預測與損傷定位

基于傳感器數(shù)據(jù)的疲勞壽命預測與損傷定位通過多維度數(shù)據(jù)分析技術實現(xiàn)了對路面結構狀態(tài)的深入評估和趨勢預測。傳感器實時記錄的應變、應力等參數(shù)被解析為與路面疲勞狀態(tài)密切相關的指標，結合損傷力學理論構建疲勞壽命預測模型。模型將傳感器采集的動態(tài)數(shù)據(jù)與材料疲勞特性曲線相結合，通過分析累積應變幅值與加載次數(shù)之間的關系，推導路面剩余使用壽命。在損傷定位方面，利用傳感器網(wǎng)絡布設的空間分布特性，通過數(shù)據(jù)異常點的空間定位算法精確識別損傷位置，并結合多點協(xié)同分析校正結果的準確性[2]。

三、智能傳感技術在路基路面監(jiān)測中的應用挑戰(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，尤其是當傳感器被嵌入路面結構內部時，維護和更換電池會顯著增加運維成本。電池的使用壽命有限，電量消耗過快會導致數(shù)據(jù)傳輸中斷或監(jiān)測系統(tǒng)失效，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。對于無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，長期穩(wěn)定的供電成為保障其廣泛應用的關鍵問題，尤其是在沒有外部電源支持的情況下。部分自供電技術（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期穩(wěn)定運行的需求，能量采集效率不足或受到環(huán)境條件的影響，進一步加劇了供電問題的復雜性。

（二）海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與存儲問題

傳感器網(wǎng)絡在長時間內不斷采集路面健康數(shù)據(jù)，生成的監(jiān)測數(shù)據(jù)量巨大，如何有效管理和處理這些數(shù)據(jù)成為了技術應用的瓶頸。數(shù)據(jù)頻繁更新并且涉及多個傳感器節(jié)點，不僅需要大量存儲空間，還需要高效的數(shù)據(jù)處理機制。數(shù)據(jù)存儲面臨著存儲設備的容量限制、存取速度及數(shù)據(jù)冗余問題，尤其是在數(shù)據(jù)中心的帶寬和存儲能力不足時，可能導致數(shù)據(jù)丟失或延遲。此外，數(shù)據(jù)分析過程中的計算復雜度較高，尤其是在進行多維度、高頻次數(shù)據(jù)處理時，傳統(tǒng)的處理技術難以應對[3]。

（三）高溫、壓力條件下傳感器結構的穩(wěn)定性

路面?zhèn)鞲衅鞒３１┞对趶碗s的環(huán)境中，尤其是在極端的溫度變化和長期的車輛荷載作用下，傳感器的外部結構容易受到熱膨脹、收縮以及機械應力的影響。這些變化可能導致傳感器材料的疲勞，降低材料的長期穩(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，甚至導致傳感器失效。在壓力條件下，尤其是重型車輛頻繁通行時，傳感器可能受到較大的壓縮應力，導致其結構出現(xiàn)微裂紋或變形，影響傳感器的精度和使用壽命。長期處于惡劣環(huán)境中的傳感器可能因無法承受高溫、壓力的重復變化而出現(xiàn)故障，影響路面健康數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性。

（四）多種環(huán)境應力對監(jiān)測精度的影響

路面?zhèn)鞲衅魍ǔＰ枰趶碗s的環(huán)境條件下工作，受到溫度變化、濕度波動、王壤沉降、風力作用等多種環(huán)境因素的影響。溫度的劇烈變化會導致路面材料的膨脹或收縮，進而改變傳感器的響應特性，影響應變和應力數(shù)據(jù)的準確性。濕度變化也會對傳感器的電氣性能產(chǎn)生影響，導致測量誤差或信號失真。土壤沉降、路面裂縫的擴展以及由交通荷載產(chǎn)生的動態(tài)應力，都會增加傳感器承受的外部壓力和應力，從而對傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。

四、智能傳感技術在路基路面監(jiān)測中的應用對策

（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，能夠將機械應力轉化為電信號，滿足長期路面健康監(jiān)測的需求。在傳感器設計中，壓電材料能夠提升感應精度，尤其是在承受交通荷載、溫度變化及外部震動等因素時，具有較強的抗干擾能力。通過優(yōu)化壓電材料的結構與配置（如增加壓電層的厚度或采用多層壓電復合材料），可以進一步提高信號的輸出功率和穩(wěn)定性。在高應變環(huán)境下，采用壓電材料還能夠通過更高的能量轉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)存儲需求。壓縮算法能夠在保留數(shù)據(jù)有效信息的基礎上去除冗余，減少數(shù)據(jù)量，降低存儲空間占用，對于長時間、高頻率采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)尤為重要，因為在無線傳感器網(wǎng)絡中，大量傳感器生成的數(shù)據(jù)若未經(jīng)過處理直接傳輸，將對通信帶寬和存儲系統(tǒng)構成巨大壓力。除了壓縮，傳輸算法的優(yōu)化同樣至關重要。通過設計自適應傳輸策略，能夠根據(jù)網(wǎng)絡條件和數(shù)據(jù)重要性動態(tài)調整數(shù)據(jù)傳輸頻率或優(yōu)先級，減少低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的實時傳輸，避免網(wǎng)絡擁堵。此外，采用分布式計算和數(shù)據(jù)分層存儲的方式，也能夠有效減輕中心節(jié)點的數(shù)據(jù)處理負擔，進一步提高系統(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)境中長期穩(wěn)定性的有效措施。封裝材料作為傳感器的外部保護層，不僅要抵御高溫、低溫、濕氣等環(huán)境因素的影響，還需要在長期的機械應力和振動作用下保持結構的完整性。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對傳感器的損害，延長傳感器使用壽命。高韌性材料具有較強的抗沖擊性能，在路面交通荷載或機械振動的作用下，能夠有效避免封裝材料因變形或破裂導致傳感器損壞。此外，選擇具備優(yōu)良化學穩(wěn)定性的封裝材料，能夠有效防止?jié)駳饣蚋g性物質對傳感器內部元件的侵蝕[5]。

（四）提高傳感器對復雜環(huán)境的抗干擾能力

提高傳感器對復雜環(huán)境的抗干擾能力需要在傳感器設計、材料選擇以及數(shù)據(jù)處理等方面進行多層次優(yōu)化。對于傳感器硬件的設計，采用屏蔽技術能夠有效減少外部電磁干擾對信號的影響，尤其是在城市環(huán)境中，電磁噪聲較為嚴重時，屏蔽措施能夠提高信號的穩(wěn)定性。傳感器的封裝材料選擇同樣至關重要，使用具有優(yōu)良電磁兼容性的材料可以降低傳感器對環(huán)境干擾的敏感性。同時，數(shù)據(jù)采集過程中，可以通過濾波技術去除高頻噪聲和無用信號，保留有價值的信息。此外，在軟件算法層面，引入信號處理算法（如自適應濾波和盲源分離等）可以進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

五、結語

綜上所述，智能傳感技術在路基路面監(jiān)測中的應用展現(xiàn)出巨大的潛力，其實時性、精準性和高效性為公路基礎設施的維護與管理提供了全新的技術路徑。隨著相關技術的不斷成熟與優(yōu)化，智能傳感技術將在未來的公路項目中發(fā)揮更加重要的作用，推動公路工程向著智能化、自動化的方向發(fā)展。

參考文獻

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

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

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

[4]余燦，李智堅.光纖傳感在公路隧道智能調光系統(tǒng)中的應用[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)絡公路邊坡智能監(jiān)測及預警系統(tǒng)的設計及應用[J].湖南交通科技，2022，48（03）：171-176.

作者單位：甘肅圓隴路橋機械化公路工程有限責任公司

■責任編輯：王穎振楊惠娟