本文為中國工程院院士、武漢理工大學戰(zhàn)略科學家姜德生在2023中國智能交通大會（ITSAC2023）智慧公路建設(shè)與發(fā)展論壇上進行主題分享的速記整理而來，未經(jīng)本人審核，如有錯漏，敬請諒解。

一、基本情況

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背景

智慧公路是交通強國的重要內(nèi)容之一，“安全、高效、低碳”的美好出行是智慧高速發(fā)展的必由之路。現(xiàn)在的智能系統(tǒng)主要由三大組成部分，一是需要獲取全域信息的先進傳感網(wǎng)絡(luò)；二是大數(shù)據(jù)云計算平臺；三是智能管理系統(tǒng)。

交通這一特殊的環(huán)境所需要的參數(shù)特別多，光纖傳感器因其獨特的優(yōu)勢，已得到世界各國高度重視，特別適合惡劣環(huán)境下交通等超長線型領(lǐng)域的智能化信息獲取，已在多個領(lǐng)域成功應(yīng)用，但是隨著智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)的光纖傳感器已經(jīng)顯得不足，現(xiàn)在亟需發(fā)展新型的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。

針對這種需求，我們研究中心花了十年的功夫，在國內(nèi)外首次實現(xiàn)了單纖超10萬個且傳輸損耗小于0.5dB/km的大容量、低損耗、光柵陣列傳感光纖的工業(yè)化生產(chǎn)，為交通信息獲取提供了基礎(chǔ)核心技術(shù)。

同時，為滿足交通等多行業(yè)工程應(yīng)用的需求，研制成功大容量光纖溫度傳感光纜、大容量光纖應(yīng)變傳感光纜、大容量光纖振動傳感光纜、大容量光纖濕度傳感光纜等，尤其是率先研制成功大容量光柵陣列光纖應(yīng)變傳感纜，打破了對傳統(tǒng)應(yīng)變傳感光纜的模式和看法，因為傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感光纜，就是一個一個的傳感器，要測哪個地方應(yīng)該就放在哪，大容量光柵陣列光纖應(yīng)變傳感纜實現(xiàn)了長距離連續(xù)應(yīng)變場的測量，為重要交通基礎(chǔ)設(shè)施的智能化提供了新方法和手段。

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應(yīng)用與實踐

光柵陣列傳感光纜的特點顛覆了多項傳統(tǒng)測量的模式和觀念，它無需單獨制備探頭；測量容量大，可以存在數(shù)十萬量級的數(shù)據(jù)；傳輸距離遠，可以達到數(shù)百公里；測量參數(shù)多，滿足工程測量需求；此外也可直接植入混凝土、瀝青等路面。

在武漢地鐵、花湖機場跑道、鄂州機場高速、丹江口水庫特大橋等多個工程領(lǐng)域進行了智能化升級轉(zhuǎn)型，因為新一代光柵陣列傳感網(wǎng)絡(luò)可以像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣植入基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部，就使得原來的材料變成了一個智能材料，讓高速公路、高速鐵路、機場跑道、大型橋梁更安全、更高效、更智慧。

二、具體應(yīng)用

關(guān)于智慧高速公路建設(shè)首先有幾點思考，第一個是道路全域車、路信息的數(shù)字化及信息獲取是智慧高速建設(shè)的基礎(chǔ)和保障；第二個是沒有交通領(lǐng)域的專家深度參與的智能化系統(tǒng)，不是高水平的智慧高速公路；第三個是建立智能系統(tǒng)的檢測方法和標準，才能促進智慧高速健康、可持續(xù)發(fā)展。

下面主要介紹一下光柵陣列傳感光纜在智慧高速公路上的應(yīng)用。

智慧高速應(yīng)該包括車輛智能化和道路智能化兩大部分，但是由于現(xiàn)在的傳感器不成熟，所以車輛信息的獲取存在大量盲區(qū)，只能實現(xiàn)局部智能化，此外，現(xiàn)在車輛智能化的研究應(yīng)用較多，而道路的智能化基本上沒有開展，因為道路上有很多重要的基礎(chǔ)設(shè)施，沒有合適的感知傳輸手段無法實現(xiàn)，路、橋、隧、邊坡等都是因為沒有很好傳感的手段所以感知效果不佳。

鄂州花湖機場高速公路全長13公里，是湖北的第一條智慧高速試點路段，這個試點項目，我們主要也是從傳導網(wǎng)絡(luò)、計算機平臺、智能化三個部分入手，主要介紹一下傳導網(wǎng)絡(luò)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數(shù)字化、網(wǎng)格化來進行信息獲取，但是因為現(xiàn)在的傳導網(wǎng)絡(luò)不成熟，所以很多項目跳過了這一步，就為后面的應(yīng)用帶來了很大的問題。鄂州花湖機場高速公路是按照規(guī)范進行的，把高速公路全部網(wǎng)格化，數(shù)字化獲取高速公路的信息，車道縱向3米為一個編碼單元，全域道路被分為約20000個編碼單元，再在高速公路道路材料中植入8根光柵陣列傳感“神經(jīng)元”，所起到的作用就是保證這條高速公路上的每一個編碼單元的信息都能獲取，所以編碼和傳感網(wǎng)植入，可獲取道路全域的車、路相關(guān)信息，為智能化提供了基礎(chǔ)。

三、全時全域感知的智慧高速

智慧高速的方向基本是往安全、高效、綠色這三方面建設(shè)的，所以就想把在這幾個方面做的智能化給大家做一下介紹。

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安全運行智能化

由于在鄂州機場高速全時全域智慧系統(tǒng)把每一個網(wǎng)格單位的信息都獲取了，業(yè)內(nèi)首次從道路端獲得了全域所有車輛的“車輛運行圖”，掌握位置、速度、軌跡等全部信息，不受天氣和環(huán)境外部的影響，為車輛安全運行智能化提供了基礎(chǔ)。常規(guī)的超速、違停等就不詳細說明了，主要是在特殊路段，比如隧道、長大下坡，在特殊天氣，比如霧、雪、雨，在特殊事件，比如滑坡、泥石流，都能保持安全運行的智能化。

隧道內(nèi)的車輛安全運行智能化功能。隧道是高速公路的重要節(jié)點，可決定整條高速公路的通暢與否，現(xiàn)有技術(shù)存在不足，安全管控疏散難度大，難以獲取全域信息，而基于智能光纖的傳感網(wǎng)絡(luò)可以把所有車輛的時空軌跡進行實測與回放，對“兩客一?！敝攸c車輛可以進行跟蹤與智能引導，對三急一速等不良駕駛行為車輛可以進行智能監(jiān)測與警示，同時可以對全域交通事件進行監(jiān)測與智能管理，智能分析車流量、車速、車流密度及對擁堵進行研判和預(yù)警。

長大下坡車輛安全運行智能化功能。實現(xiàn)了全域車速分布及其動態(tài)變化監(jiān)測與智能化管控，全域車間距離分布及其動態(tài)變化監(jiān)測與智能化管控，全域重載車占比及其動態(tài)分布監(jiān)測與智能化管控，并對重點車輛進行跟蹤和引導，同時對急加速、急剎車、急變道、超速等危險駕駛進行監(jiān)測，以此來保證長大下坡車輛的安全運行。

惡劣天氣下的智能化引導。惡劣天氣高速公路禁行對物流影響很大，借助智能光纖數(shù)據(jù)平臺可精準判斷路況、車輛軌跡和位置，同時引導車通過手機APP實現(xiàn)盲駕，帶領(lǐng)物流車輛編隊通行，以此來確保不良天氣通行不中斷、貨物不滯留，但有些路段網(wǎng)絡(luò)信號可能不好，所以提出了用道旁燈光來引導的方式，因為有全域的車輛運行圖，可以了解每輛車的狀態(tài)和速度等，根據(jù)車輛運行圖將道路分成若干區(qū)域，在道旁安裝引導燈，根據(jù)區(qū)域內(nèi)有無車輛，來控制燈光顏色來引導車輛運行。

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高效運行智能化

首次獲得道路全域“交通態(tài)勢運行圖”，整個道路的所有車輛、運行程度、車輛數(shù)量全都集中在一張圖，而且運行圖是實時滾動的，由于有了這些數(shù)據(jù)，就掌握了全時全域道路運行狀況及分布，對道路擁堵形成過程進行預(yù)判警示，在特殊路段、特殊天氣、特殊事件下可以實現(xiàn)交通態(tài)勢的預(yù)測與引導，同時可以實現(xiàn)施工與擴建工程特定條件下道路運行的智能化管理，確保準全天候通行。此外，還在準備深度挖掘更多智能化功能，比如交通流智能動態(tài)管控、智能收費站提效管控等。

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健康與安全智能化

實現(xiàn)道路重要基礎(chǔ)設(shè)施健康狀況無人檢測和安全運行是智慧高速公路建設(shè)的重要目標之一，道路基礎(chǔ)設(shè)施全域健康狀況信息的獲取是實現(xiàn)目標的重要基礎(chǔ)和手段，因為以前沒有這種監(jiān)測技術(shù)，所以一直沒有開展這方面智能化功能的開發(fā)與挖掘，接下來重點介紹橋梁、道路的健康與安全智能化。

全域橋梁。目前缺少全橋健康狀態(tài)的信息和智能化分析方法，雖然有大量采用先進的傳感器，但是檢測的方法和模式?jīng)]有改變，對于整體而言，智能化程度是不夠的?！豆窐蛄撼休d能力檢測評定規(guī)程》提出，橋梁的幾何形態(tài)參數(shù)和內(nèi)力分布是判定橋梁健康狀況極其重要的參數(shù)，橋梁線形或內(nèi)應(yīng)力分布檢測十分困難，而光柵陣列應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)可實時測量全橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力場分布和橋梁線形。比如主跨65米的橋梁，每個車道均沿縱向布設(shè)光柵陣列應(yīng)變傳感光纜，每1米設(shè)置一個測區(qū)。再比如某全長1064米，主跨760米的橋梁，在全橋主梁上、下游通長布設(shè)光纖應(yīng)變傳感光纜，不管是動態(tài)應(yīng)變還是靜態(tài)應(yīng)變都可以監(jiān)測出來。

所以可以獲取主梁全域靜態(tài)應(yīng)變場分布圖、主梁全域動態(tài)應(yīng)變場分布圖、橋梁結(jié)構(gòu)老化信息分布圖、橋梁缺陷變化過程信息分布圖等等，改變了傳統(tǒng)的方法與模式，為橋梁智能化管理提供了新的方法和手段。

全域路面。路面質(zhì)量與車輛經(jīng)過中的振動響應(yīng)密切相關(guān)，傳統(tǒng)車載振動的測量方法難以實現(xiàn)道路全域的檢測，容易受車輛自身重量、車況，以及周邊車輛和環(huán)境的影響。解決這些問題主要依靠三個方面，一是網(wǎng)格化與編碼可實現(xiàn)道路全域振動信息獲??；二是通過歸一化的方法，可消除車輛自身重量和車況的影響；三是通過智能化的統(tǒng)計分析方法，消除環(huán)境的隨機影響，這樣就可以實現(xiàn)道路路面的全域監(jiān)測。

此外，還有全域路基的健康與安全智慧養(yǎng)護，主要是通過道路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)變場和靜態(tài)應(yīng)變場來分析。

以上可以得出幾點總結(jié)，光纖傳感網(wǎng)在公路現(xiàn)場無需供電，能節(jié)約能源，埋入地下后免維護，能節(jié)約人力成本，同時它的壽命長，能節(jié)約物力成本，此外，正在研究隧道燈光節(jié)能管控，實現(xiàn)車來燈亮，車走燈暗等功能。

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