交通基础设施智能化基础课件 第六章 智慧公路

第6章智慧公路本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测什么是智慧公路？智慧公路：大数据时代的公路新形态，基于智慧理念，运用物联网、云计算等技术，对公路系统关键信息感知、分析、挖掘，实现公路系统健康、和谐、可持续发展。智慧公路的三大体现形式：公路结构智能设，公路结构智能检测，公路结构智能监测智慧公路概述——内涵架构2008年，欧洲数个国家依托FEHRL提出了“第五代道路”计划，又称为永久开放道路（ForeverOpenRoad）。旨在达到自适应，自动化和环境韧性三大目标。2014年全国交通运输会上，交通运输部提出“四个交通”发展战略，坚持面向发展、开发协同、重点突破、全面提升。永久开放的公路智慧公路概述——内涵架构智慧公路由先进的结构材料、感知网络、数据中心、通信网络和能源系统组成，借助云计算、物联网、大数据、人工智能等技术。主动感知自动辨析自主适应动态交互智慧公路概述——发展现状截至2020年底，我国公路总里程达到519.81万公里，其中高速公路里程达到16.1万公里，位于世界第一。2019年我国发布了《交通强国建设纲要》，强调要从交通大国向强国迈进，公路建设处于重要位置。公路智能化程度逐年增高智慧公路概述——发展现状智能建造在智能公路中主要体现在智能装配技术、智能压实技术以及建筑信息模型BIM技术。BIM技术4D施工组织公路数字化施工图德国信息物理系统美国工业互联网中国制造2025公路智能建造公路智能检测公路智能监测智慧公路概述——发展现状第一代路面智能检测系统法国GERPHO系统第二代路面智能检测系统日本的Komatsu系统加拿大ARAN系统第三代路面智能检测系统CCD数字摄像计算机图像处理第四代路面智能检测系统多功能路况检测系统激光扫描红外热力公路智能建造公路智能检测公路智能监测智慧公路概述——发展现状1991年，明尼苏达试验路（MnRoad），埋设传感器监测试验路响应，获取水平和垂直应变、土压力、湿度、温度。2000年，美国国家沥青技术中心（NCAT）在环道上，埋设沥青应变计、土压力计、温度计、湿度计、轴位置仪等。2003年，山东滨州永久性路面，安装有沥青应变计、土压力计、温度计及轴位置测量仪2005年，哈尔滨工业大学欧进萍院士研发了铺面光纤光栅应变计，温度传感器、压电薄膜、应变和裂缝监测传感器等公路智能建造公路智能检测公路智能监测本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测公路智能建造留白区智能建造：基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自治等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。智能装配技术智能压实技术建筑信息模型BIM将新一代人工智能建造系统逐步引入到公路工程建设领域，发展公路工程智能建造技术，打通信息技术和传统建设接口。推进公路建造和运营过程中的精益、智慧、高效、绿色协同发展。公路智能建造——智能装配智能装配技术将现场作业转移到工厂进行，通过预制加工，克服生产粗放、精度低等缺点，实现标准化施工、精细化管理。美国装配式混凝土路面日本装配式融雪路面荷兰可卷曲预制沥青路面荷兰梁基水泥混凝土路面公路智能建造——智能装配新工业4.0下，公路智能装配技术发展方向：机械化智能化信息化标准化可拆性公路智能建造——智能压实智能压实技术可实时监测施工温度、压实度、压实速度、压实遍数等，实现施工过程控制的智能化监控，提高施工质量。国外智能压实系统，综合GPS定位技术、传感器自动采集技术和无线通信技术国内智能压实系统，分析振动压路机可优化振动压实控制策略、及管理策略方案公路智能建造——智能压实智能压实技术智能压实技术主要是通过智能压实控制系统实现的，智能控制即为智能压实的关键。学习、抽象、推理、决策压实功率自调自适应碾压作业公路智能建造——建筑信息模型BIM（BuildingInformationModel）是一个工程项目特性的数字化表示，同时也是一种共享的知识资源，为项目全生命周期内的所有决策提供可靠依据的信息集合。智能建养BIM技术：BIM基础软件平台道路BIM三维技术标准和应用软件智能路面建养管理二次开发公路智能建造——智能装配面向智慧公路BIM技术发展方向：BIM技术标准基础平台软件全生命周期一体化系统基于BIM技术的公路设计建造模拟本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测在公路服役阶段需要对路面结构进行定期检测和维护，使之保持一定的使用性能和水平，以满足车辆使用要求。公路智能检测关键技术三维激光扫描落锤式弯沉仪超声波检测红外线图像成型探地雷达高清摄像技术传统检测方法:主观评判性较大，且效率与精度无法保证，也难以满足大规模公路检测要求.公路几何参数结构承载力路表破损指标路表功能指标公路智能检测——几何参数检测路面宽度检测:一种是通过数字摄像技术，通过图像处理算法，自动获取路面宽度值，另一种是基于激光测距仪实现对路面宽度的测量。路拱横、纵坡检测:采用的是激光测距技术，依据左右激光测距仪测得的距离D与高程，再结合由惯性得知的角β，最后计算路拱坡度γ。线形曲率检测:利用编码器、惯性导航单元、GPS定位传感器，获得空间位置坐标、航向角等数据，结合检测车运动轨迹，并基于航向角，获取航向角相对于里程的变化率，得到公路线形曲率。公路智能检测——路面结构承载力检测路面厚度检测:一种是基于电磁波技术在不同材料的传播特性，通过探地雷达（GPR）对路面厚度进行检测。另一种是基于超声波传播机理，通过布设换能器，根据声波在发射换能器与接受换能器之间的传播时间、声速反推路面厚度，检测结果具有较高的精度。探地雷达检测原理路面厚度检测现场公路智能检测——路面结构承载力检测结构层模量:采用落锤式弯沉仪测定路面结构模量。工作原理是利用重锤的冲击力作用，达到对路面结构施加脉冲荷载的目的，依据路面瞬时变形，检测到其对应位置路面的位移响应，并由记录系统记录在传送给计算机，最终得到路面表面的弯沉盆。FWD检测原理落锤式弯沉仪公路智能检测——路表功能性指标检测平整度检测:车载高精度激光测距是目前主流的智能检测技术。连续检测道路平整度可出具国际平整度指数可出具道路构造深度指标公路智能检测——路表功能性指标检测抗滑性检测:路面抗滑性能检测技术是研究路面纹理构造特征和路面抗滑性能关系的必要手段。动态摩擦系数测试仪和动态激光断面仪是现阶段使用较广泛的两类检测手段。动态摩擦系数测试仪是一种通过摩擦力做功、以旋转动能损失反算动态摩擦系数值的设备，该设备能模拟0~80km/h行车速度范围、常规车辆施加路面荷载的路面抗滑性能。动态激光断面仪是通过测量路面宏观纹理构造深度间接反映路面抗滑性能的方法。在测量车身底面悬挂红外线激光测距装置，以2mm间距扫描路表面断面，车辆匀速行驶进行连续测量公路智能检测——路表破损指标检测车辙变形检测:基于激光三角法原理的三维线激光技术已经逐渐成熟并开始应用于路面车辙变形的检测中，为构建直观、全面、精准、可靠的路面车辙三维模型奠定基础。三维线激光检测设备高密度激光点云车辙三维模型三维线激光检测原理公路智能检测——路表破损指标检测路面裂缝检测:传统的基于图像法的二维裂缝检测，只能给出裂缝的位置、长度和宽度信息，裂缝的深度信息难以测量。基于结构光的三维路面裂缝智能检测技术如：激光扫描技术、激光雷达技术、照相机立体视觉技术，使得裂缝三维特征的识别成为可能。裂缝三维检测技术原理带裂缝的路面轮廓信号本章重点智慧公路概述公路智能建造公路智能检测公路智能监测公路智能监测——传感元件主动感知传感元件主动感知荷载和环境感知力学响应感知荷载监测:对于公路荷载信息的智能监测识别，主要有三种方法，分别是基于动态称重监测荷载信息、基于加速度传感器识别荷载信息、基于传感元件矩阵识别荷载信息。动态称重感知荷载信息加速度感知荷载信息传感元件矩阵感知荷载信息公路智能监测——传感元件主动感知公路外部环境监测:公路外部环境状态的感知技术主要有三种方式，分别为建设气象站用于感知公路外部环境，搭建雷达系统监测公路外部环境以及利用能见度仪对雾况进行监测预警。气象传感器能见度仪器传感元件主动感知荷载和环境感知力学响应感知公路智能监测——传感元件主动感知公路内部环境监测:针对路面环境状态，通过各种技术手段获取路表湿滑状态、路面内部温度、路面内部湿度等环境状态信息。温度传感器结冰传感器湿度传感器传感元件主动感知荷载和环境感知力学响应感知公路智能监测——传感元件主动感知公路力学响应监测:指在车辆、环境等外力作用下路面应力、应变、位移、振动、加速度等力学响应的变化，按照测量原理的不同，可分为电阻式传感器、振弦式传感器、热电式传感器、电容式传感器、压电式传感器和光纤式传感器等。智能颗粒是一种集成多种高精度传感元件，具有实时数据传输功能的超小型耐高温智能传感器。智能颗粒骨料传感元件主动感知荷载和环境感知力学响应感知公路智能监测——材料性状自感知材料性状自感知:基于导电材料的路面自评估技术的发展使得路面能够进行自我感知，当路面结构内部出现小病害和早期损坏时，实时反映其内部状态。目前常用的导电材料有聚合物类、碳类和金属类。高纯度石墨短切碳纤维钢纤维石墨沥青混凝土公路智能监测——材料性状自调控路面温度自调控:通过热辐射、相变吸热、热传导等改变路面热能，进而实现对路面温度的控制：①路表热反射涂层；②掺高温或低温相变材料；③流体加热或制冷。路面自动融冰化雪:①超薄导电磨耗层；②发热电缆；③地热管；④太阳能加热。路面自清洁:在原有路面材料中加入光催化材料，使得有机污迹通过光催化降解。工作原理及现场测试公路智能监测——材料性状自修复主动增强技术:选择自愈合能力强的沥青以及优化沥青混凝土组成设计，以