公路工程中智能监测系统研发与应用

摘要：本文聚焦公路工程领域，深入探讨智能监测系统的研发关键技术与广泛应用场景。剖析公路工程面临的结构安全、交通运行、环境变化等多方面监测需求，阐述传感器技术、数据传输技术、数据分析处理技术等智能监测系统核心研发要点，研究智能监测系统在桥梁、隧道、路基路面以及交通流量管控等领域的具体应用，探讨基于物联网、大数据、人工智能融合的系统架构拓展路径，旨在为提升公路工程建设质量、运营安全与管理效率提供理论支撑与实践指导。

关键词：公路工程；智能监测系统；传感器技术；数据分析；物联网

一、引言

随着公路交通事业的蓬勃发展，公路工程规模日益扩大、结构日趋复杂，其在建设与运营过程中面临诸多挑战。为确保公路设施的安全可靠、交通运行的顺畅高效以及对周边环境的有效保护，智能监测系统应运而生。通过实时、精准地获取公路工程各方面信息，利用先进技术进行分析处理，及时发现潜在问题并做出科学决策，智能监测系统已成为现代公路工程不可或缺的重要支撑，对推动公路行业可持续发展具有关键意义。

二、公路工程智能监测需求剖析

2.1 结构安全监测需求

桥梁作为公路交通的关键节点，长期承受车辆荷载、风荷载、地震作用等，易出现结构损伤，如钢梁疲劳裂缝、混凝土开裂剥落、支座变形等，需要对其应力、应变、位移等关键参数进行持续监测，确保结构承载能力满足要求；隧道在复杂地质条件下施工与运营，面临围岩变形、衬砌开裂、渗漏等风险，实时监测围岩压力、衬砌内力、地下水水位等，对保障隧道稳定至关重要；路基路面受交通荷载反复作用、自然环境侵蚀，可能产生不均匀沉降、裂缝、车辙等病害，监测路基沉降、路面平整度、结构层应变等参数，能为养护维修提供依据。

2.2 交通运行监测需求

公路交通流量的动态变化影响通行效率，实时掌握路段车流量、车速、车道占有率等信息，有助于优化交通信号配时、制定合理的交通管制策略，缓解拥堵；车辆行驶行为监测也不容忽视，如超速、违规变道、疲劳驾驶等，及时发现并警示，可降低交通事故发生率；此外，恶劣天气下道路能见度、路面结冰积雪状况监测，为交通诱导、除雪除冰作业提供支撑，保障行车安全。

2.3 环境监测需求

公路工程建设与运营对周边生态环境有一定影响，需监测施工扬尘、噪声，控制环境污染；同时，对沿线大气质量、水质变化进行监测，尤其是穿越生态敏感区路段，掌握环境动态，确保公路发展与生态保护协调共进；另外，边坡稳定性受降水、地下水等环境因素影响显著，监测土壤湿度、孔隙水压力等，预防边坡坍塌、滑坡等地质灾害。

三、公路工程智能监测系统核心技术

3.1 传感器技术

各类高性能传感器是智能监测的 “触角”。光纤传感器凭借其抗电磁干扰、灵敏度高、可分布式测量的优势，广泛应用于桥梁结构应变、温度监测，能实现长距离连续感知；微机电系统（MEMS）传感器体积小、功耗低，可集成多种功能，如用于测量车辆加速度、振动，精准捕捉行驶状态；压电式传感器对动态力响应迅速，常用于监测桥梁振动、冲击荷载，为结构动力特性分析提供数据；此外，还有测量土壤湿度的电容式传感器、检测气体浓度的电化学传感器等，满足不同监测场景需求。

3.2 数据传输技术

可靠的数据传输是智能监测系统的 “脉络”。有线传输方式如光纤通信，具有传输速率高、稳定性强、抗干扰能力优的特点，适用于对数据实时性、准确性要求极高的桥梁、隧道关键结构监测；无线传输技术发展迅猛，其中，蓝牙适用于短距离、低功耗设备间数据交互，如施工现场小型设备组网；Wi-Fi 可提供较高带宽，满足一定范围内如服务区、收费站等区域的数据传输；而基于蜂窝网络的 4G、5G 通信技术，实现广覆盖、大带宽、低时延传输，保障偏远路段、移动监测设备的数据实时回传，为远程监控筑牢基础。

3.3 数据分析处理技术

数据分析处理技术是智能监测系统的 “大脑”。大数据技术汇聚海量监测数据，通过数据清洗去除噪声、异常值，挖掘数据内在关联，如分析交通流量与天气、时间的关系，为交通管理提供决策依据；人工智能算法发挥重要作用，机器学习模型基于历史监测数据训练，对结构病害、交通拥堵进行预测，如利用神经网络识别桥梁裂缝图像、预测其发展趋势；数据可视化技术将抽象数据转化为直观图表、图形，便于管理人员快速洞察公路工程状态，实现高效管理。

四、公路工程智能监测系统的应用领域

4.1 桥梁智能监测

在桥梁工程中，智能监测系统全方位守护结构安全。在主梁关键截面布置应变传感器，实时监测受力状态，依据应力变化预警结构过载；在桥墩、桥台安装位移计，捕捉沉降、倾斜位移，结合地质信息评估基础稳定性；在索塔、拉索上设置索力传感器，监控索力变化，防止索力不均引发结构破坏；通过长期监测数据积累，建立桥梁健康档案，为养护维修、寿命预测提供数据支撑，保障桥梁全寿命周期安全运营。

4.2 隧道智能监测

隧道智能监测聚焦围岩稳定与衬砌安全。围岩压力盒监测开挖过程及运营期围岩对衬砌的压力，依此调整支护参数、判断围岩稳定性；衬砌应变计、裂缝计实时掌握衬砌结构受力与损伤情况，及时发现衬砌开裂、剥落隐患；利用瓦斯传感器、一氧化碳传感器监测有害气体浓度，保障施工与运营人员健康；通过智能监测系统实现隧道 “透明化” 管理，提升安全保障水平。

4.3 路基路面智能监测

路基路面智能监测助力路况维护。采用激光平整度仪、车载式颠簸累积仪定期检测路面平整度，结合交通流量、车辆类型分析路面病害发展；在路基不同深度埋设沉降观测标，配合全球定位系统（GPS）实时监测沉降变化，提前预警不均匀沉降风险。

4.4 交通流量智能管控

交通流量智能管控优化公路通行效率。在路段关键节点布设环形线圈、微波雷达等车辆检测器，实时采集车流量、车速、车道占有率等数据，传输至交通控制中心。

五、公路工程智能监测系统架构拓展

基于物联网、大数据、人工智能深度融合，构建智能监测系统进阶架构。物联网实现公路工程万物互联，传感器、监测设备作为终端节点，通过网关接入网络，实时上传数据至云端平台；大数据平台存储、管理海量监测数据，利用分布式计算、数据挖掘技术深度分析，挖掘隐藏信息；人工智能赋能系统智能决策，通过模型训练、优化，实现病害自动诊断、交通拥堵预测、风险预警等功能；同时，开发便捷移动端应用，管理人员随时随地掌控公路工程动态，下达指令，实现高效协同管理。

六、结论

公路工程智能监测系统通过融合多元先进技术，广泛应用于各关键领域，依托不断拓展的系统架构，并顺应远程实时监控、智能预警决策、全寿命周期监测趋势，有望全方位提升公路工程建设与运营管理水平，为公路交通事业铸就坚实保障，开启智能化发展新篇章。

参考文献

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