公路路基路面长期性能科学观测网试点 感知系统建设与运行维护实践经验探讨

公路路基路面长期性能科学观测网试点

感知系统建设与运行维护实践经验探讨

王旭东¹，林清安²

（1.交通运输部公路科学研究院，北京 100088，北京大杜社公路材料腐蚀与设施安全国家野外科学观测研究站；2.北京数泰科技有限公司，北京100176）

0引言

为贯彻落实《交通强国建设纲要》、《国家综合立体交通网规划纲要》，推动具有中国特色的绿色、低碳、耐久的新一代路面工程设计、建养技术体系建设，实现高质量发展，根据“十四五”交通运输相关规划部署，交通运输部决定启动交通基础设施长期性能野外科学观测网试点观测点建设[1]。这是我国路面工程（包括路基工程、桥面铺装工程等）领域一项重大的、全国性的基础平台建设和基础研究工作，对于充实我国路面工程科学数据战略资源，实现路面工程的自强自立、原始创新和科技引领，具有重要的历史意义。为此，笔者将分享多年从事的长寿命路面感知系统建设与运维的实践经验，为各野外科学观测点建设提供借鉴。

1 公路路基路面长期性能科学观测感知系统科研实践现状

近20年来，我国诸多科研、设计和建设单位开展了广泛的长寿命路面实体工程的试验研究，除了在试验室内进行大量的科学试验，还在野外实际工程中埋设了环境量和力学量的传感器，进行野外在线监测研究。具有代表性试验路工程有：2005年由山东交通科学研究院与美国联邦公路局联合修建的滨州试验路，2012年6月由北京市道路工程质量监督站修建的108国道（北京门头沟南村-石门营段）长期性能路面试验路，2012年8月由交通部运输部公路科学研究院在内蒙准兴高速公路修建的重载交通试验路（中交第三公路工程局准兴重载高速公路A26标）；以及2015年11月交通运输部公路科学研究院建成的RIOHTrack足尺路面试验环道。该环道在23个沥青路面试验路段/断面上埋设了1418只传感器，在13个水泥混凝土路面试验段上内埋设了604只传感器。

此外，2015年10月至2017年12月，交通运输部公路科学研究院依托道路结构与材料交通行业重点实验室（北京）开展“公路基础设施（路基路面）长期性能观测和数据采集系统”项目建设，先后在广东、湖南、广西、西藏、新疆、甘肃、内蒙、黑龙江和河北等地，建设了11个公路路基路面长期性能野外观测示范点。

经过这些路面结构在线监测系统的建设、长期运行的科学实践，不仅取得阶段性研究成果，还积累了丰富的传感器系统安装和系统运维经验，也为当前公路路基路面长期性能科学观测网试点建设提供了技术储备。

公路路基路面长期性能科学观测感知系统是一个跨学科的综合系统，不仅需要专业的路面工程知识，还需要学习、了解传感器和物联网技术。与我国公路建设规模相比，布设长期性能科学观测感知系统的试验路或实体工程路段还是很少的，远远不能满足我国新一代路面工程技术革新的需要。同时，一些已布设科学观测感知系统的路段还存在传感器成活率不高、数据采集不标准等问题，其中，有的是传感器性能不好、安装工艺不对等因素造成的。

为此，为了保障我国公路路基路面长期性能野外科学观测网建设的顺利推进，需要认真总结已有观测点建设的经验、教训，进一步探究观测系统建设、运维中存在的问题，形成观测系统设计、建设、运维的初步规范，建设和维护好高质量的野外科学观测系统。

2 公路路基路面长期性能科学观测感知系统建设

公路路基路面长期性能科学观测感知系统为公路路基路面长期性能科学观测网的关键部分，其由传感器子系统，数据采集传输子系统、数据处理分析子系统及辅助设施构成。传感器子系统包括气象感知、交通车辆感知、路基路面内部环境感知、路基路面结构响应感知和图像感知等；数据采集传输子系统包括动态采集单元、静态采集单元、通讯单元、供电单元、防雷接地单元等；数据处理分析子系统包括服务器、存储单元、大屏幕、数据平台软件等；辅助设施包括现场监测房和数据中心用房等。

合格的科学观测感知系统需要满足四个条件：（1）传感器安装位置满足设计，特别是结构层内部的传感器安装时不可偏位；（2）传感器安装满足传感器安装工艺，保证传感器处于最佳的工作姿态，传感器成活率95%以上；（3）传感器稳定感知数据，精度满足设计；（4）传感器子系统、数据采集子系统、数据分析子系统及辅助设施的使用寿命十年以上。

建设一个合格的公路路基路面长期性能科学观测感知系统，首先，需要专业的科学观测感知系统设计方案。依据“公路路基路面长期性能科学观测网试点建设指南”，设计方案需要针对试点所处的气候环境、地理位置、地质条件、水文特征、交通荷载、结构类型、道路等级等因素综合确定[2]，再依据结构层设计图纸，完成科学观测感知系统布设、选型、采集系统初步设计。值得注意，选型至关重要，需要选用高质量的、成熟技术的仪器设备构建高质量的科学感知系统，特别是安装在结构内部的传感器，一旦安装完毕不可更换，必须满足耐环境、工作频次(如动态采集的2000Hz的采集频率)和长期服役的性能需求，数据采集系统也必须要满足将所有传感器信号接入、采集频次、数据格式统一和长期服役性能需求，不可冒险尝试新技术、新原理的仪器设备埋设在路基路面内部用于长期监测。设计单位需要与试点建设单位多次会商，有必要邀请专家进行设计方案评审，逐步优化形成公路路基路面长期性能科学观测感知系统设计方案。其次，需要专业的科学观测感知系统施工组织方案，根据科学观测感知系统设计方案编制相对应的施工组织方案，施工组织方案需要详细描述各个传感器安装工艺，特别是沥青应变计和竖向应变计、多点沉降计的安装工艺，明确传感器系统走线分布、采集系统安装与系统调试、监测房施工和数据中心布设方案。最后，需要专业技术人员实施安装与调试，没有经验的不懂得传感器和数据采集系统的人员不宜安装，传感器和数据采集系统非常娇气，操作不当易损坏，非专业安装致使传感器处于不良的工作状态，错误的安装直接导致传感器失效。即使有工程经验的专业技术人员也必须严格按照科学观测感知系统施工组织方案执行安装和调试任务。高质量的科学感知系统必须由专业技术人员实施安装才能保证其正常服役。

3 公路路基路面长期性能科学观测感知系统运行维护

公路路基路面长期性能科学观测感知系统通过试运行，进入正式服役期，科学观测感知系统能否长期服役依赖于专业的运行维护与管理。试点运营单位需要配置专业人员负责科学观测感知系统日常运行与维护，才能保证科学感知系统正常运行。科学观测感知系统的安装和实施单位需要做好技术培训，并提供公路路基路面长期性能科学观测感知系统安全运行手册，安全运行手册包括由总则、基本规定、运行维护保障细则、异常处置等部分组成，明确传感器子系统、数据采集子系统、数据分析子系统的日常检查方案和现场处理方案。对地面系统更换的部件给出明确更换条件和更换方法。

运行维护和管理工作有力保障科学观测感知系统持续安全运行，在突发事件如气象、地质灾害前后要做好应急预案和应急处置。

4 公路路基路面长期性能科学观测感知系统应用案例

应用1：108国道长寿命路基路面结构监测

如图4-1所示，选取108国道（南村-石门营段）改建工程进京方向AK14+420两侧长寿命路面的一个车道结构断面为监测断面，对道路结构各层的受力状态、含水量、温度等进行在线监测，记录路面结构的相关物理参数的变化，提供对路面结构参数的变化进行定性或定量评价的监测数据，从而为更经济地维护、构筑道路，摸索和发展新的铺筑设计标准等提供参考。

图4-1 108国道长寿命路基路面结构监测案例

应用2：足尺路面加速加载试验环道路基路面监测系统

本项目位于交通运输部公路交通试验场内，试验场占地242.2公顷。足尺路面加速加载试验能够模拟实际公路路面结构在车辆荷载和环境因素下长期耦合作用，完成多因素耦合作用下沥青路面和水泥路面道面结构行为和材料行为的研究，建立路面长期性能监测技术、路面病害诊断与评估系统、路面维修改建的决策系统，是解决我国现阶段公路工程技术瓶颈问题的有效途径之一，具有重要的经济效益和社会效益。

足尺环道的试验数据采集系统主要由全天候气象信息采集系统、路面结构动态响应采集系统等子系统组成，其中结构动态响应系统和路面性能采集系统又分别包含了结构响应状态采集系统、动态荷载状态采集系统等内容组成。

如图4-2所示，足尺路面环道线形采用直线与圆环相结合的椭圆形闭合曲线，由2段直线、2段缓和曲线和2段圆曲线构成，并呈对称布置。

在直线段上设置19种沥青路面试验结构，缓和曲线段的路面结构由直线段沥青路面结构顺延，在圆曲线段上设置13种水泥路面试验结构。各种路面结构中均布设一套结构响应状态采集系统，整个环道布设一套动态荷载状态采集系统[3]。

图4-2 足尺路面加速加载试验环道断面分布

本项目自2013年9月设备采购至2016年8月系统试运行完成共经历了23个月的时间，期间2014年7月至2015年12月完成了传感器标定、埋设、连接、检测和系统调试等多项内容。

沥青路面结构应用传感器，如图4-3所示：

图4-3足尺路面加速加载试验环道沥青路面传感器示例

水泥路面结构应用传感器，如图4-4所示：

图4-4足尺路面加速加载试验环道水泥路面传感器示例

传感器安装示例，如图4-5 所示：

图4-5足尺路面加速加载试验环道安装传感器示例

传感器数据示例，如图4-6所示：

图4-6传感器数据示例

应用3：道路路基路面长期性能监测示范点

如图4-7所示：本项目在华南、华北、东北、西北、西南等五大自然片区，根据实地路段建设情况，共选取新建路基、路面实体工程示范点11个，包括8个重点示范点，3个一般示范点。其中：沥青路面重点示范点：5个；沥青路面一般示范点：2个；水泥路面重点示范点：1个；水泥路面一般示范点：1个；路基重点示范点：2个

图4-7道路路基路面长期性能监测示范点分布

道路路基路面长期性能监测示范点选取，如表4-1所示：

表4-1 道路路基路面长期性能监测示范点选取分布列表

各个示范点主要的监测用传感器，如图4-8所示；

图4-8 道路路基路面长期性能监测示范点所用传感器示例

现场施工传感器埋设情况，如图4-9所示：

图4-9 道路路基路面长期性能监测示范点传感器埋设示例

道路路基路面长期性能监测示范点平台展示，如图4-10所示：

图4-10全国道路路基路面长期性能监测示范点大屏示例

5结语

公路路基路面长期性能科学观测网建设是我国公路事业一项战略性的应用基础研究平台建设工作。由交通运输部科技司统一规划和部署，在公路建设和管理单位的大力支持下，在行业专家和科研、设计人员的广泛参与下，长期性能科学观测网建设必将极大促进我国公路科技的原始创新发展，加快建设交通强国。

公路路基路面长期性能科学观测感知系统是一个交叉学科的智能系统，不同于一般的公路养护检测系统和桥梁、隧道健康监测系统，所用的传感器类型和采集系统完全不同，不可盲目照搬。因此，制定专业化的设计方案和施工组织方案，由具有经验的专业团队进行系统实施，并建立完善维护和管理计划，是确保科学观测网感知系统长期可靠运行必不可少的条件。