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姜德生:光纤传感网络与智能公路的应用

本文为中国工程院院士、武汉理工大学战略科学家姜德生在2023中国智能交通大会(ITSAC2023)智慧公路建设与发展论坛上进行主题分享的速记整理而来,未经本人审核,如有错漏,敬请谅解。

一、基本情况

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背景

智慧公路是交通强国的重要内容之一,“安全、高效、低碳”的美好出行是智慧高速发展的必由之路。现在的智能系统主要由三大组成部分,一是需要获取全域信息的先进传感网络;二是大数据云计算平台;三是智能管理系统。

交通这一特殊的环境所需要的参数特别多,光纤传感器因其独特的优势,已得到世界各国高度重视,特别适合恶劣环境下交通等超长线型领域的智能化信息获取,已在多个领域成功应用,但是随着智能化的发展,传统的光纤传感器已经显得不足,现在亟需发展新型的光纤传感网络

针对这种需求,我们研究中心花了十年的功夫,在国内外首次实现了单纤超10万个且传输损耗小于0.5dB/km的大容量、低损耗、光栅阵列传感光纤的工业化生产,为交通信息获取提供了基础核心技术。

同时,为满足交通等多行业工程应用的需求,研制成功大容量光纤温度传感光缆、大容量光纤应变传感光缆、大容量光纤振动传感光缆、大容量光纤湿度传感光缆等,尤其是率先研制成功大容量光栅阵列光纤应变传感缆,打破了对传统应变传感光缆的模式和看法,因为传统的应变传感光缆,就是一个一个的传感器,要测哪个地方应该就放在哪,大容量光栅阵列光纤应变传感缆实现了长距离连续应变场的测量,为重要交通基础设施的智能化提供了新方法和手段。

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应用与实践

光栅阵列传感光缆的特点颠覆了多项传统测量的模式和观念,它无需单独制备探头;测量容量大,可以存在数十万量级的数据;传输距离远,可以达到数百公里;测量参数多,满足工程测量需求;此外也可直接植入混凝土、沥青等路面。

在武汉地铁、花湖机场跑道、鄂州机场高速、丹江口水库特大桥等多个工程领域进行了智能化升级转型,因为新一代光栅阵列传感网络可以像神经网络一样植入基础设施内部,就使得原来的材料变成了一个智能材料,让高速公路、高速铁路、机场跑道、大型桥梁更安全、更高效、更智慧。

二、具体应用

关于智慧高速公路建设首先有几点思考,第一个是道路全域车、路信息的数字化及信息获取是智慧高速建设的基础和保障;第二个是没有交通领域的专家深度参与的智能化系统,不是高水平的智慧高速公路;第三个是建立智能系统的检测方法和标准,才能促进智慧高速健康、可持续发展。

下面主要介绍一下光栅阵列传感光缆在智慧高速公路上的应用

智慧高速应该包括车辆智能化和道路智能化两大部分,但是由于现在的传感器不成熟,所以车辆信息的获取存在大量盲区,只能实现局部智能化,此外,现在车辆智能化的研究应用较多,而道路的智能化基本上没有开展,因为道路上有很多重要的基础设施,没有合适的感知传输手段无法实现,路、桥、隧、边坡等都是因为没有很好传感的手段所以感知效果不佳。

鄂州花湖机场高速公路全长13公里,是湖北的第一条智慧高速试点路段,这个试点项目,我们主要也是从传导网络、计算机平台、智能化三个部分入手,主要介绍一下传导网络和智能化是怎么做的。

智能化第一步都是需要把要做智能化的部分用数字化、网格化来进行信息获取,但是因为现在的传导网络不成熟,所以很多项目跳过了这一步,就为后面的应用带来了很大的问题。鄂州花湖机场高速公路是按照规范进行的,把高速公路全部网格化,数字化获取高速公路的信息,车道纵向3米为一个编码单元,全域道路被分为约20000个编码单元,再在高速公路道路材料中植入8根光栅阵列传感“神经元”,所起到的作用就是保证这条高速公路上的每一个编码单元的信息都能获取,所以编码和传感网植入,可获取道路全域的车、路相关信息,为智能化提供了基础。

三、全时全域感知的智慧高速

智慧高速的方向基本是往安全、高效、绿色这三方面建设的,所以就想把在这几个方面做的智能化给大家做一下介绍。

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安全运行智能化

由于在鄂州机场高速全时全域智慧系统把每一个网格单位的信息都获取了,业内首次从道路端获得了全域所有车辆的“车辆运行图”,掌握位置、速度、轨迹等全部信息,不受天气和环境外部的影响,为车辆安全运行智能化提供了基础。常规的超速、违停等就不详细说明了,主要是在特殊路段,比如隧道、长大下坡,在特殊天气,比如雾、雪、雨,在特殊事件,比如滑坡、泥石流,都能保持安全运行的智能化。

隧道内的车辆安全运行智能化功能。隧道是高速公路的重要节点,可决定整条高速公路的通畅与否,现有技术存在不足,安全管控疏散难度大,难以获取全域信息,而基于智能光纤的传感网络可以把所有车辆的时空轨迹进行实测与回放,对“两客一危”重点车辆可以进行跟踪与智能引导,对三急一速等不良驾驶行为车辆可以进行智能监测与警示,同时可以对全域交通事件进行监测与智能管理,智能分析车流量、车速、车流密度及对拥堵进行研判和预警。

长大下坡车辆安全运行智能化功能。实现了全域车速分布及其动态变化监测与智能化管控,全域车间距离分布及其动态变化监测与智能化管控,全域重载车占比及其动态分布监测与智能化管控,并对重点车辆进行跟踪和引导,同时对急加速、急刹车、急变道、超速等危险驾驶进行监测,以此来保证长大下坡车辆的安全运行。

恶劣天气下的智能化引导。恶劣天气高速公路禁行对物流影响很大,借助智能光纤数据平台可精准判断路况、车辆轨迹和位置,同时引导车通过手机APP实现盲驾,带领物流车辆编队通行,以此来确保不良天气通行不中断、货物不滞留,但有些路段网络信号可能不好,所以提出了用道旁灯光来引导的方式,因为有全域的车辆运行图,可以了解每辆车的状态和速度等,根据车辆运行图将道路分成若干区域,在道旁安装引导灯,根据区域内有无车辆,来控制灯光颜色来引导车辆运行。

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高效运行智能化

首次获得道路全域“交通态势运行图”,整个道路的所有车辆、运行程度、车辆数量全都集中在一张图,而且运行图是实时滚动的,由于有了这些数据,就掌握了全时全域道路运行状况及分布,对道路拥堵形成过程进行预判警示,在特殊路段、特殊天气、特殊事件下可以实现交通态势的预测与引导,同时可以实现施工与扩建工程特定条件下道路运行的智能化管理,确保准全天候通行。此外,还在准备深度挖掘更多智能化功能,比如交通流智能动态管控、智能收费站提效管控等。

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健康与安全智能化

实现道路重要基础设施健康状况无人检测和安全运行是智慧高速公路建设的重要目标之一,道路基础设施全域健康状况信息的获取是实现目标的重要基础和手段,因为以前没有这种监测技术,所以一直没有开展这方面智能化功能的开发与挖掘,接下来重点介绍桥梁、道路的健康与安全智能化。

全域桥梁。目前缺少全桥健康状态的信息和智能化分析方法,虽然有大量采用先进的传感器,但是检测的方法和模式没有改变,对于整体而言,智能化程度是不够的。《公路桥梁承载能力检测评定规程》提出,桥梁的几何形态参数和内力分布是判定桥梁健康状况极其重要的参数,桥梁线形或内应力分布检测十分困难,而光栅阵列应变传感网络可实时测量全桥结构内力场分布和桥梁线形。比如主跨65米的桥梁,每个车道均沿纵向布设光栅阵列应变传感光缆,每1米设置一个测区。再比如某全长1064米,主跨760米的桥梁,在全桥主梁上、下游通长布设光纤应变传感光缆,不管是动态应变还是静态应变都可以监测出来。

所以可以获取主梁全域静态应变场分布图、主梁全域动态应变场分布图、桥梁结构老化信息分布图、桥梁缺陷变化过程信息分布图等等,改变了传统的方法与模式,为桥梁智能化管理提供了新的方法和手段。

全域路面。路面质量与车辆经过中的振动响应密切相关,传统车载振动的测量方法难以实现道路全域的检测,容易受车辆自身重量、车况,以及周边车辆和环境的影响。解决这些问题主要依靠三个方面,一是网格化与编码可实现道路全域振动信息获取;二是通过归一化的方法,可消除车辆自身重量和车况的影响;三是通过智能化的统计分析方法,消除环境的随机影响,这样就可以实现道路路面的全域监测。

此外,还有全域路基的健康与安全智慧养护,主要是通过道路基础结构动态应变场和静态应变场来分析。

以上可以得出几点总结,光纤传感网在公路现场无需供电,能节约能源,埋入地下后免维护,能节约人力成本,同时它的寿命长,能节约物力成本,此外,正在研究隧道灯光节能管控,实现车来灯亮,车走灯暗等功能。

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