基于光栅阵列光纤传感网的全域感知智慧高速公路系统

　　一、项目总体介绍

　　智能化系统主要由三个部分组成——获取全域信息的先进传感网络、大数据计算平台和智能管理系统，近年来，随着计算机和人工智能技术的飞速发展，后面两部分已达到较高的水准。目前最缺乏、最短板的是大容量、长距离、多参量、高可靠的传感网络，特别是面向高速公路这种超长线型的场景，只有点式的传感器获取局部的信息，远无法满足高速公路智能化的发展需求。

　　本案例技术具有可在一根光纤上工业化动态制备数万个光栅传感器的国际领先技术优势(获国家技术发明奖二等奖)，并针对高速公路的应用需求，研发了多种大容量光栅阵列传感网络，在国内外率先实现全时全域全天候监测道路全域车辆运行状况，检测路面、路基、桥梁、隧道等重要基础设施健康状况，并能提供车路协同和自动驾驶所急需的多源重要信息，为智慧公路的快速发展提供了关键核心技术与产品。

　　图1 国家技术发明二等奖获奖证书与传感光缆/解调系统产品图

　　建成全球首个采用光栅阵列传感技术的智慧高速公路示范项目——湖北鄂州花湖机场高速，全路段共敷设96公里光栅阵列光纤传感网络。创新性地在公路每个车道都植入光栅阵列传感“神经元”，使全域道路都具有多种参数智能感知的功能。系统构架如图2所示，计算平台“大脑”根据道路全域感知的运行信息，生成全域车辆安全运行图、全域交通态势运行图、全域基础设施健康状态图，最终实现“全路段感知、全过程管控、全天候通行”的智慧高速建设亟需的多种智能化功能，指导车辆更加安全、高效的运行，预测和减少拥堵，实现车辆管控的智能化;全面了解道路全域基础设施的健康状况，识别早期病害，实现道路运维的智能化。“新一代光栅阵列传感技术在新型智慧高速中的应用”2024年被交通运输部列为交通基础设施数字化转型升级全国十大典型案例，得到行业的高度认可和广泛好评。

　　图2 鄂州机场高速全时全域智慧高速系统框图

　　二、主要做法

　　鄂州花湖机场高速为例，公路全长13.0415公里、双向六车道。首先将道路网格化划分，横向按车道宽度，纵向按照光栅传感器间距3米，为一个编码单元，全域道路被划分为约20000个编码单元;每个车道下敷设一根光栅阵列传感光缆，确保每个编码单元都可实时获取相关车、路信息，为实现全时全域全天候的高速公路智能化提供数据采集与信息分析的基础。

　　图3 全域道路网格化与传感网络布设图

　　1、车辆安全运行智能化

　　全天候实时获取道路全域所有车辆运行的位置和速度，为特殊路段(隧道、长大下坡)、特殊天气(雾、雪、雨、结冰)、特殊事件(滑坡、泥石流)提供超视距的车辆安全运行智能化信息;全天候实时获取全域交通事件，实现对抛洒物、行人非法闯入、重大车祸和危险驾驶行为等安全事件智能监测。

　　图4 全域车辆安全运行图

　　2、道路高效运行智能化

　　获取道路全域的交通流量/流速及其分布实时和历史信息，融合路网分布、天气条件、节假日时段、突发特殊事件等信息，建立拥堵成因与形成过程模型，实现交通态势预测、拥堵预测预警、交通引导等智能化功能。

　　图5 全域交通态势运行图

　　3、基础设施健康监测智能化

　　高速公路基础设施(路/桥/隧/边坡)结构建成后，全域各部分受力的相互关系即确定，具有唯一性，全域动态响应分布相互关系也确定，具有重复性。获取道路基础设施全域的各部分受力和振动响应分布，一旦受力相互关系和响应分布变化则对应结构的变化，识别和定位早期病害，实现道路运维的智能化。

　　图6 全域基础设施健康状态图

　　三、取得成效

　　首次在高速公路全线引入多参量光栅阵列传感网络，建成国内首条基于光栅阵列传感技术的全时全域全天候感知智慧高速，形成“触觉+听觉+视觉”新型智慧高速公路综合解决方案。实现紧急事件的快速处理与应急响应，事故应急响应时间缩短50%;使用恶劣天气预约编队通行功能，可提升通行效率约50%，一年可降低物流成本损失约450万元;相比传统雷视智慧化方案，施工效率提升50%以上，建设成本降低30%以上。

　　图7 推广应用实施项目情况

　　本案例彻底扭转了国内外智慧高速公路无法获取全域车路信息以及道路、桥梁等重要基础设施监测处于空白的现状，并规模应用于多省市近400公里智慧高速公路建设，相关技术入选“湖北省2024年十大科技进展”和交通部结构健康监测“揭榜挂帅”优秀推广案例。

　　图8 国家部委及省级科技主管部门高度认可