摘要：針對(duì)傳統(tǒng)人工巡查技術(shù)手段檢測(cè)頻率低、對(duì)交通影響大、檢測(cè)數(shù)據(jù)滯后，無法獲得服役狀態(tài)下道路結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，難以科學(xué)分析路面結(jié)構(gòu)與材料破壞與損傷過程，也無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面使用狀況的衰減等問題，文章介紹了路基路面監(jiān)測(cè)技術(shù)中常見的傳統(tǒng)傳感器、光纖傳感器和智能傳感器的適用場(chǎng)景和功能，闡述了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用效果，論述了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在識(shí)別效率、精度、異常檢測(cè)和修復(fù)等方面的處理方法，為路基路面長(zhǎng)期性能健康監(jiān)測(cè)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：路基路面；長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)；識(shí)別技術(shù)；傳感器；數(shù)據(jù)處理

中文分類號(hào)：U416.06A100293

0引言

雖然我國公路建設(shè)速度與質(zhì)量控制技術(shù)日益提升，但隨著交通量的快速增長(zhǎng)及環(huán)境氣候條件的復(fù)雜變化，不少路面尚未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就發(fā)生車轍、坑槽、開裂等早期病害，甚至出現(xiàn)較大面積的損壞和功能衰減，使道路的服務(wù)能力難以滿足要求，造成后期路面養(yǎng)護(hù)維修頻繁、養(yǎng)護(hù)投入經(jīng)費(fèi)高、對(duì)交通運(yùn)輸效率和安全性影響大［1］。因此，開展路基路面長(zhǎng)期服役性能監(jiān)測(cè)和性能評(píng)估對(duì)于實(shí)時(shí)掌握道路服役健康狀態(tài)、優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)和材料，進(jìn)而提升道路管養(yǎng)效率和質(zhì)量具有重要意義［2］。

目前我國在路面使用狀況監(jiān)測(cè)方面主要采用傳統(tǒng)的人工巡查技術(shù)，檢測(cè)頻率低、對(duì)交通影響大、檢測(cè)數(shù)據(jù)滯后，無法獲得服役狀態(tài)下道路結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，難以科學(xué)分析路面結(jié)構(gòu)與材料的破壞、損傷過程，也無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面使用狀況的衰減?；趥鞲屑夹g(shù)的路基路面長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)主要是通過在路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)土壓力、應(yīng)變、溫度、濕度、位移等各類傳感器，實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)、溫濕度和交通荷載等信息，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立與路面使用性能的相關(guān)性，進(jìn)而評(píng)估實(shí)際服役狀態(tài)下路基路面的結(jié)構(gòu)性能。監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法是路基路面長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)可靠性的重要影響因素，基于此，本文總結(jié)了路基路面監(jiān)測(cè)技術(shù)中各類感知傳感器的適用場(chǎng)景和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法，為路基路面長(zhǎng)期性能健康監(jiān)測(cè)研究提供參考。

1基于傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前在道路領(lǐng)域常用的傳感器主要為傳統(tǒng)傳感器、光纖傳感器和智能傳感器等，不同類型的傳感器在監(jiān)測(cè)精度、使用壽命及適用場(chǎng)合等方面存在一定的差異。根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)、應(yīng)用場(chǎng)景及性能需求選擇合適的傳感器類型是開展路基路面長(zhǎng)期性能研究的重要內(nèi)容。

1.1傳統(tǒng)傳感器

在路基路面性能長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)識(shí)別方面，傳統(tǒng)的傳感器主要包括電容式、熱電式、電阻式、振弦式和壓電式。電容式傳感器和熱電式傳感器主要用于監(jiān)測(cè)路基路面內(nèi)部濕度和溫度變化情況［3-4］；電阻式傳感器和振弦式傳感器可以監(jiān)測(cè)路基路面的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度；電阻式傳感器主要應(yīng)用于路面應(yīng)變方面的監(jiān)測(cè)，振弦式傳感器則通常用于監(jiān)測(cè)半柔性基層、水泥面層，不適用于瀝青面層；壓電式傳感器主要應(yīng)用在路面的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中，以監(jiān)測(cè)路面承受的車輛軸重、行駛速度等［5］。

1.2光纖傳感器

與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有測(cè)試精度穩(wěn)定、耐腐蝕性強(qiáng)、尺寸小、抗電磁場(chǎng)干擾能力好、存活率高等優(yōu)點(diǎn)，在公路工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，是路基路面監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)中相對(duì)理想的傳感器。光纖傳感器可以監(jiān)測(cè)外界的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等［6］，主要分為光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器，其中光纖光柵傳感器的研究較為成熟，應(yīng)用廣泛。Li等［7］采用光纖光柵傳感器測(cè)試了應(yīng)變，并分析了測(cè)試值與真實(shí)值的關(guān)系。光纖光柵傳感器也可以用于動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)［8］。汪新麗［9］采用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)了車輛軸重、軸數(shù)和行駛速度。分布式光纖布設(shè)簡(jiǎn)單，發(fā)展前景好，但目前仍處于初步研究階段，主要用于檢測(cè)瀝青面層裂縫、水泥面層底部脫空和車型識(shí)別等［10］。光纖傳感器雖然可以監(jiān)測(cè)高速行駛環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，但存在結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性差、易失效等問題。

1.3智能傳感器

在交通領(lǐng)域逐漸智能化的發(fā)展趨勢(shì)下，公路研究者也迫切需要結(jié)合大數(shù)據(jù)開發(fā)出可無線傳輸?shù)穆坊访嬷悄鼙O(jiān)測(cè)傳感器。Y S.［11］通過無線傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)水泥面層的卷曲和翹曲行為。Alavi等［12］采用無線傳感器監(jiān)測(cè)了瀝青面層的應(yīng)變響應(yīng)和疲勞損傷。Chen等［13］開發(fā)了一種能作為無線傳感器的智能骨料，對(duì)水泥面層早期強(qiáng)度和內(nèi)部損傷進(jìn)行智能檢測(cè)。Wang等［14］使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和評(píng)估交叉通道雙隧道的長(zhǎng)期性能，揭示了交叉通道對(duì)隧道縱向差異行為的影響。

綜上，內(nèi)嵌路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各類傳感器主要用于監(jiān)測(cè)服役期路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、濕度和位移等數(shù)據(jù)，可用于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)、溫度場(chǎng)及濕度場(chǎng)分布規(guī)律研究。而交通荷載信息與路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)直接相關(guān)，是影響路基路面長(zhǎng)期使用性能的重要因素，因此在獲取路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及溫濕度信息基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確獲取交通車輛軸重等數(shù)據(jù)信息對(duì)于路基路面長(zhǎng)期使用性能評(píng)估尤為重要。

2基于動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)

車輛軸重的測(cè)量方式可以分為靜態(tài)稱重和動(dòng)態(tài)稱重（WIM）。靜態(tài)稱重系統(tǒng)是將車輛開往固定地點(diǎn)停車稱重，而動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)可以通過安裝在公路上的傳感器對(duì)高速行駛的車輛進(jìn)行稱重，無須迫使車輛前往固定點(diǎn)停車檢查。與靜態(tài)稱重系統(tǒng)相比，WIM系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)車輛信息，而不會(huì)對(duì)交通流量造成任何干擾，能顯著降低交通網(wǎng)絡(luò)延遲，有效改善路面維護(hù)計(jì)劃和超載車輛執(zhí)法，減少鋪設(shè)、檢修和超重?fù)p壞的費(fèi)用，是一種可采集龐大交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)庫的有效的監(jiān)測(cè)手段。

WIM系統(tǒng)可分為三類：便攜式系統(tǒng)、半永久性系統(tǒng)和永久性系統(tǒng)。便攜式系統(tǒng)可以從一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方；半永久性系統(tǒng)在路面內(nèi)裝有傳感器，系統(tǒng)控制器在不同位置之間移動(dòng)；永久性系統(tǒng)只在一個(gè)地方收集和分析數(shù)據(jù)，目前主要使用的是該類系統(tǒng)。不同類WIM系統(tǒng)的主要元件是稱重傳感器，研究者在開發(fā)動(dòng)態(tài)稱重傳感器元件方面開展了大量的研究。趙琳［15］研究在稱重梁上布設(shè)光纖光柵，然后通過梁體的變形來反算行駛車輛的軸載。孫秀雅［16］研發(fā)了可以識(shí)別車輛輪跡帶位置的壓電式動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。黃必飛等［17］研發(fā)了新型雙傳感器動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，并分析了溫度和行駛速度對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響。Yang等［18］開發(fā)出結(jié)合嵌入式路面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)和計(jì)算機(jī)視覺的混合動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用計(jì)算機(jī)視覺的攝像頭解決了路面?zhèn)鞲衅鞯能囕v漂移效應(yīng)問題，從而有效地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)車輛重量監(jiān)測(cè)。Chuan等［19］開發(fā)了一種二維壓電換能器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基在交通載荷下的動(dòng)態(tài)垂直和水平土應(yīng)力。M L等［20］開發(fā)了一種使用PVDF/PZT/CNTs復(fù)合材料的新型壓電傳感器，具有傳感器及能量收集器的雙重功能，可以主動(dòng)監(jiān)測(cè)車輛的軸重、速度和軸距，同時(shí)捕獲車輛運(yùn)動(dòng)的能量。WIM水泥基傳感器是能稱量移動(dòng)車輛重量且具有診斷功能的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。在單調(diào)或循環(huán)條件下的應(yīng)變、應(yīng)力、裂紋或其他損傷都可以通過測(cè)量自感知材料的電參數(shù)來識(shí)別［21］。與傳統(tǒng)稱重傳感器相比，這些由自感知混凝土構(gòu)成的傳感器具有簡(jiǎn)易安裝和監(jiān)測(cè)范圍廣、使用壽命長(zhǎng)以及與路面結(jié)構(gòu)相容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于所提供的數(shù)據(jù)是非線性的，因此對(duì)車軸稱重的準(zhǔn)確度不高，并且依賴于許多變量，導(dǎo)致預(yù)測(cè)模型非常復(fù)雜，未來需要進(jìn)一步探索在WIM系統(tǒng)中使用自感知混凝土傳感器。

總之，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)通常采集的數(shù)據(jù)包含有關(guān)車輛類別、行駛方向、行駛速度、車輛軸重和間距等信息。新型的自感知WIM水泥基傳感器除了動(dòng)態(tài)稱重以外，還能監(jiān)測(cè)應(yīng)變、應(yīng)力、裂紋或其他損傷。不同動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)均存在各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，如初始成本、穩(wěn)定性、精確度、公路安裝和維護(hù)需求等，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合和需求進(jìn)行選擇。隨著制造傳感器過程中使用的微米和納米材料的進(jìn)步，生產(chǎn)傳感器的成本將會(huì)降低，使這些設(shè)備得到更廣泛的應(yīng)用。此外，這些監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期采集的路基路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)和交通荷載信息非常龐大，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)快速分析，需要借助計(jì)算機(jī)等多領(lǐng)域交叉學(xué)科處理才能高效、準(zhǔn)確地獲取有效數(shù)據(jù)。因此選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)于獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性具有重要作用。

3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理過程中，噪聲、交通流信息識(shí)別不明確、數(shù)據(jù)異常和缺少等問題都會(huì)導(dǎo)致識(shí)別效率和精度降低。因此，許多研究者對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的算法和精度開展大量的研究。

3.1數(shù)據(jù)識(shí)別效率與精度處理

在監(jiān)測(cè)交通流信息識(shí)別效率與精度方面，何紅麗［22］為了提高WIM系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將車輛的行駛速度和重量的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，成功提高了識(shí)別精度。周志峰等［23］針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在短周期的信號(hào)干擾問題，采用非線性擬合優(yōu)化方法進(jìn)行處理，明顯提高了識(shí)別精度。郝曉嫻等［24］為了降低噪聲對(duì)WIM系統(tǒng)的影響，利用小波去噪法結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的方式成功地將系統(tǒng)誤差降到2%以下。李坤倫等［25］針對(duì)目前較難準(zhǔn)確識(shí)別車輛不同顏色和分類的問題，通過SqueezeNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高了車輛信息的識(shí)別精度。唐宇舟［26］為了準(zhǔn)確獲取車輛平行行駛速度和交通流信息，研發(fā)了一種將磁感線圈、微波及視頻圖像融合的算法，最終成功識(shí)別與預(yù)測(cè)。趙華等［27］針對(duì)交通流信息識(shí)別不明確的問題，通過小波變換再識(shí)別的方式成功地提高了WIM系統(tǒng)的識(shí)別效率。

3.2數(shù)據(jù)異常檢測(cè)與修復(fù)處理

在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)與修復(fù)方面，陸秋琴等［28］采用滑動(dòng)窗口把動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為靜態(tài)數(shù)據(jù)，并通過密度聚類算法劃分?jǐn)?shù)據(jù)類別，通過LOF算法檢測(cè)出環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的異常值。裴莉莉等［29］為了檢測(cè)出多特征維度關(guān)聯(lián)的交通荷載異常值，通過對(duì)數(shù)據(jù)分布間的相似系數(shù)和算法進(jìn)行計(jì)算，順利檢測(cè)出異常數(shù)據(jù)。劉航［30］針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失特點(diǎn)，先采用一維插值修復(fù)，再進(jìn)行多元回歸分析修復(fù)，后采用長(zhǎng)短時(shí)記憶模型修復(fù)，以三層次插補(bǔ)模型準(zhǔn)確修補(bǔ)了缺失值。陸秋琴等［31］為了修復(fù)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失真情況，提出了一種基于支持向量機(jī)回歸的恢復(fù)模型。徐磊［32］針對(duì)瀝青路面溫濕度感知異常的情況，采用基于遺傳算法優(yōu)化的極端梯度提升模型進(jìn)行修復(fù)。

綜上，研究者在路基路面長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方面已經(jīng)開展大量研究，特別是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的識(shí)別效率、精度、數(shù)據(jù)異常檢測(cè)與修復(fù)方面已經(jīng)形成相對(duì)成熟的處理框架和算法。這些算法對(duì)于路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌各類監(jiān)測(cè)傳感器及動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確獲取有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建路基路面長(zhǎng)期服役性能數(shù)據(jù)庫具有重要借鑒作用。

4結(jié)語

本文介紹了路基路面監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)中常見的傳統(tǒng)傳感器、光纖傳感器和智能傳感器的適用場(chǎng)景和功能，闡述了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及在道路工程中的應(yīng)用效果，論述了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在識(shí)別效率、精度、異常檢測(cè)和修復(fù)等方面的處理方法。雖然路基路面長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)技術(shù)在傳感器和數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)趨于成熟，但仍有一些問題亟須解決：（1）在監(jiān)測(cè)設(shè)備方面，需要開發(fā)既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)可行的多源傳感器融合技術(shù)，探索路面監(jiān)測(cè)過程中使用可再生可持續(xù)的能源，研究傳感器與路面材料和周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)作用關(guān)系，評(píng)估各類傳感器在高速行駛下數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的可靠性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性；（2）在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方面，應(yīng)更加關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升，多維度交通流信息的識(shí)別效率和分布規(guī)律，以及關(guān)鍵時(shí)空信息挖掘與異常修復(fù)。

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基金項(xiàng)目：廣西交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目“國省干線公路大中修結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能野外科學(xué)觀測(cè)研究”（桂交便函〔2022〕174號(hào)-11）；廣西交通運(yùn)輸行業(yè)科研平臺(tái)“廣西交通運(yùn)輸行業(yè)路基路面長(zhǎng)期性能野外科學(xué)觀測(cè)站”（桂交科教函〔2023〕513號(hào)-4-1）；廣西交通運(yùn)輸科技成果推廣項(xiàng)目“廣西交通運(yùn)輸行業(yè)公路碳達(dá)峰碳中和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”（編號(hào)：GXJT-ZDSYS-2023-03-01）

作者簡(jiǎn)介：宿貴斌（1973—），工程師，主要從事公路長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)相關(guān)工作。