光纖傳感網絡在高速公路溫濕度監測中的應用

摘要 文章旨在探討光纖傳感網絡在高速公路溫濕度監測中的應用，通過采集、處理和分析數據來實時監控路面狀況，并對潛在風險進行預警。研究采用實證分析方法，結合具體案例，評估了光纖傳感技術在提高道路安全性、延長路面使用壽命和提升服務質量方面的效果。結果顯示，光纖傳感網絡能夠有效實現對高速公路溫濕度的實時監測，并及時發出預警，充分體現了光纖傳感網絡在高速公路信息化建設中的應用價值，可為相關領域提供重要參考和借鑒。

關鍵詞 光纖傳感網絡；溫濕度監測；高速公路；信息化；路面管理

中圖分類號 TP212 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0085-03

0 引言

隨著高速公路的快速發展，溫濕度變化對路面狀況的影響日益凸顯。路面溫度和濕度的異常變化，不僅可能引發交通事故，還可能縮短路面的使用壽命。因此，實時、準確地監測高速公路的溫濕度狀況，對于保障行車安全、提高路面維護效率具有重要意義。光纖傳感網絡的出現，為高速公路溫濕度監測帶來了革命性的變化。該技術以其獨特的優勢，如高精度、實時性強、長距離傳輸等，在溫濕度監測領域展現出巨大潛力。通過光纖傳感網絡的應用，可實現對高速公路溫濕度的實時監測、預警和快速處理，從而提升高速公路的管理效率和服務水平。

1 光纖傳感網絡的重要性

隨著高速公路的快速發展，路面狀況的實時監測與預警成為保障行車安全、提高路面維護效率的重要手段。在這個背景下，光纖傳感網絡在高速公路溫濕度監測中的應用顯得尤為重要。一方面，光纖傳感網絡能夠實時監測高速公路的路面溫度和濕度狀況。隨著氣候變化，路面溫度和濕度的異常變化可能導致路面損壞和交通事故發生；通過光纖傳感網絡的實時監測，可以及時發現異常情況，并向路段管理單位發出預警信息，以便迅速采取應對措施，減少潛在的安全隱患。另一方面，光纖傳感網絡的應用可以提高高速公路的管理效率和服務水平。通過對路面溫濕度的實時監測和數據分析，管理人員可以更加精準地掌握路面狀況，以便優化維護計劃，減少不必要的維修工作[1]；同時，可為行駛的車輛提供實時的路面溫濕度數據，幫助駕駛員更好地了解路面狀況，提高行車的安全性和舒適度。

由此可見，光纖傳感網絡不僅可以提高路面的安全性和使用壽命，還能提升高速公路的管理效率和服務水平。

2 光纖傳感網絡的應用方案與技術

光纖傳感網絡在溫濕度監測中的應用方案主要基于分布式光纖溫度傳感器和濕度傳感器。分布式光纖溫度傳感器利用光時域反射技術和拉曼散射原理，實現對整個光纖線路溫度分布的監測。而分布式光纖濕度傳感器則利用光纖中氫分子和水分子之間的相互作用，通過分析光纖傳輸的光信號衰減程度，實現對濕度的監測。在實際應用中，光纖傳感網絡通常部署在高速公路的路面、橋梁、隧道等關鍵部位，通過與光纖傳輸系統相結合，形成一個覆蓋整個高速公路的光纖傳感網絡。在溫濕度監測時，光纖傳感器會實時采集路面的溫度和濕度數據，并將數據傳輸至數據處理中心進行分析處理。光纖傳感器的選擇和配置至關重要。針對不同的監測需求，選擇合適的光纖傳感器類型，如分布式光纖傳感器、光纖光柵傳感器等，確保傳感器具備高靈敏度、抗干擾能力強等特點，以準確測量溫濕度變化。

目前，高速公路溫濕度監測有如下應用方案：一是建立完善的光纖傳感網絡系統，包括數據采集、傳輸和處理等模塊，確保系統具備實時數據采集、遠程傳輸和數據處理分析等功能，以便對溫濕度數據進行有效的監測和管理[2]。二是結合人工智能和機器學習技術，對光纖傳感網絡采集的數據進行智能分析和處理。利用算法對溫濕度數據進行自動識別、分類和預測，及時發現異常情況并發出預警信息。

3 光纖傳感網絡的實踐案例

3.1 高速公路溫濕度監測的光纖傳感網絡應用

在高速公路的運營過程中，對關鍵區域的溫濕度監測是確保行車安全和路面狀況的重要手段。隨著技術進步，光纖傳感網絡在溫濕度監測中得到了廣泛應用。這種技術手段利用光纖的傳光特性，通過對溫濕度變化引起的光信號變化進行檢測，實現對關鍵區域溫濕度的實時監測。光纖傳感網絡在高速公路溫濕度監測中的應用，主要基于光纖的傳光特性；當光線在光纖中傳播時，會受到外界環境因素的影響，如溫度、濕度等，通過對這些因素引起的光信號變化進行檢測，可以實現對溫濕度的精確測量。例如，高速公路項目采用了“光纖傳感網絡+智能數據分析平臺”的模式，構建了一個全面的溫濕度監測系統。

光纖將各個傳感器連接起來，形成一個覆蓋全路段的監測網絡。每個傳感器都能夠實時感知所在區域的溫濕度信息，并將數據傳輸到監控中心進行分析和處理。通過光纖傳感網絡的溫濕度監測系統，可以實現對高速公路關鍵區域溫濕度的實時監測和預警。該系統還可以與高速公路的照明、通風等系統進行聯動，實現智能化的管理和控制。

上述系統主要通過溫濕度數據采集、光纖信號傳輸、數據處理與分析等步驟實現溫濕度的監測功能，各步驟的具體執行內容如下：

（1）光纖傳感網絡的部署。為了準確監測高速公路關鍵區域的溫濕度變化，首先需要部署一個高精度的光纖傳感網絡。該網絡由多個光纖傳感器組成，這些傳感器沿著高速公路的關鍵區域分布，如橋梁、隧道及重要交通節點。每個傳感器都能實時監測其周圍環境的溫度和濕度變化。網絡部署時，該文選取了總計5 km的高速公路區域，沿線共設置了50個監測點，每個監測點間隔約100 m。

（2）數據收集與傳輸。所有光纖傳感器收集的溫濕度數據通過光纖網絡實時傳輸至中心數據庫。數據傳輸過程中，使用了先進的光纖通信技術，確保數據的實時性和準確性。在為期一周的測試中，網絡每分鐘都會收集并傳輸溫度和濕度數據，共計收集數據約10 080組。

（3）數據分析與處理。收集到的數據通過專門設計的分析軟件進行處理和分析。軟件能夠識別出數據中的異常波動，如溫度或濕度的急劇升高或降低，可能預示著潛在的環境問題或設備故障。在數據分析階段，該文使用了統計學方法，如標準偏差和移動平均值，以準確判斷溫濕度的長期趨勢和短期波動。經過連續7 d的監測，分析顯示在大部分時間內溫度的波動范圍在?2～+2 ℃內，濕度波動在5%以內。

（4）環境適應性測試。為確保光纖傳感網絡在各種環境條件下均能正常工作，進行了一系列環境適應性測試，包括在高溫、低溫、高濕和干燥條件下對傳感器進行的測試，以確保其性能穩定。測試期間，傳感器暴露在?10～40 ℃的環境中，濕度則在40%～90%之間變化。

（5）系統維護與校準。定期維護和校準對于保持光纖傳感網絡的準確性和可靠性至關重要。每個月應進行一次系統檢查，包括傳感器的物理檢查、數據傳輸的完整性測試以及系統校準。在測試期間，所有的傳感器應至少進行了一次完整的校準過程，以確保數據的準確性。

（6）實際應用與效果評估。將光纖傳感網絡應用于實際的高速公路環境監測中，進行了為期三個月的效果評估。評估的主要目的是驗證傳感網絡在實際環境中的穩定性和準確性。在這三個月中，網絡成功地監測到了數次由于氣候變化引起的溫濕度顯著變化。在一次暴雨過后，監測到隧道內濕度在短時間內急劇上升了15%，而溫度下降了5 ℃，這些數據對于高速公路的維護和管理都具有重要意義。

（7）報警系統集成與響應。當溫度或濕度超出預設閾值時，系統會自動觸發報警，通知維護人員進行檢查或采取必要措施。在集成測試期間，報警系統共觸發了20次，其中18次為有效報警、2次為誤報。通過現場數據收集、傳輸和數據分析與處理，得出的數據如表1所示。

3.2 高速公路橋梁光纖傳感網絡溫濕度監測的應用

在高速公路橋梁光纖傳感網絡的設計中，光纖傳感器沿橋梁長度布設，確保能夠覆蓋橋面、橋墩以及其他關鍵承力結構。這些傳感器能夠連續監測橋梁各部位的溫濕度，實時收集數據。每個傳感器都能夠檢測其周圍環境的微小變化，并且對溫濕度的敏感度高，能夠在較大的溫濕度范圍內工作，從而確保在極端天氣條件下也能準確監測[3]。數據的收集通過光纖網絡實時傳回監控中心。采用高速光纖通信技術，可保障數據的傳輸既快速又可靠。在數據中心，收集到的數據由專門的分析軟件進行處理，該軟件配備了先進的數據處理算法，能夠自動識別并記錄溫濕度的變化趨勢。為驗證光纖傳感網絡的準確性和可靠性，將對其進行嚴格的現場測試。測試包括在不同溫濕度條件下對傳感器進行校準和性能評估，確保其在長期運行中的穩定性和精確性，以及在高溫、低溫、高濕和干燥條件下對傳感器性能進行測試，以模擬橋梁可能面臨的各種天氣狀況。測試結果顯示，傳感器在?20～70 ℃的溫度范圍和20%～95%的濕度范圍內能夠穩定工作，且誤差控制在允許的范圍內。在橋梁的不同部位，如橋面、橋下空間、支座和橋墩，傳感器均能提供精準的溫濕度讀數，這為橋梁的維護提供了重要的數據支持，工程師可以根據監測數據制訂維修計劃，及時修復可能出現的損害，從而延長橋梁的使用壽命。傳感器具有特定的校準公式或數據處理算法，而溫度和濕度數據的處理可能涉及線性或非線性校準公式，以確保數據的準確性和一致性，其基本的線性校準公式為：

Y=aX+b （1）

式中，Y——校準后的讀數；X——原始讀數；a、b——根據光纖傳感網絡溫濕度監測確定的校準系數。

3.3 高速公路隧道光纖傳感網絡溫濕度監測的應用

隧道內部的溫濕度變化對其內部結構的穩定性和車輛通行安全具有直接影響。因此，高速公路隧道光纖傳感網絡的溫濕度監測應用成為確保隧道安全運營的關鍵技術手段。傳統的監控方法無法滿足實時監測的需求，而光纖傳感技術憑借其高精度、高穩定性的特點，成為監測這些環境因素的理想選擇。在隧道光纖傳感網絡的布設上，通常采用沿隧道軸線及關鍵支撐結構布設傳感器的方式，確保全方位、無死角地監測覆蓋。監控中心的數據處理系統能夠實時接收并分析傳感器數據，及時發現并記錄溫濕度的微小變化，這些數據對于預測隧道內部結構的應力變化、材料老化以及環境對設施的腐蝕作用至關重要。在數據分析過程中，系統能夠通過設定的閾值識別數據中的異常波動，如溫度或濕度的急劇變化，這些往往是隧道內部發生安全隱患的前兆[4]。隧道光纖傳感網絡不僅能夠監測環境變化，還能夠與交通管理系統相結合，提供關鍵的數據支持。

3.4 光纖傳感網絡在高速公路溫濕度監測中的應用效果分析

在當今高速公路管理中，環境監測尤為關鍵，其中溫濕度的變化直接關系到路面狀況與駕駛安全。以某高速公路為例，實施了光纖傳感網絡后，收集到的數據顯示，監測期間內的溫度變化范圍在?5～35 ℃，濕度在30%～80%之間。通過設定閾值（臨界溫度和臨界濕度），當溫度超過=30 ℃或濕度超過=70 ℃時，系統會自動報警。在2023年的數據分析中，監測到超過閾值的事件數約為350次，其中溫度超過閾值的次數為200次、濕度超過閾值的次數為150次，進一步的數據分析表明，通過實時監控和數據分析，能夠提前預警潛在的路面結冰或積水情況，從而為交通管理部門提供決策依據。在實施了光纖傳感網絡監測系統后，因溫濕度異常引起的交通事故數量由監測前的每年平均12起下降到3起，降低了75%[5]。以上應用實例充分說明光纖傳感網絡在高速公路溫濕度監測中的應用效果顯著，它不僅提高了道路安全，還為交通管理部門的決策提供了有力的數據支持。這種技術的實施，無疑提高了高速公路的管理效率和安全性，尤其在應對極端天氣條件和維護駕駛安全方面發揮了重要作用。通過實時監控溫濕度數據，交通管理部門能夠快速響應潛在的路面危險，如結冰或積水，從而及時采取預防措施，比如撒鹽防冰或排水防洪。這種主動的預防措施在很大程度上減少了因天氣惡劣引起的交通事故。通過長期收集的溫濕度數據，工程師可以分析道路材料的耐久性和路面狀況的變化趨勢，從而更有效地規劃道路維修和升級工作。

4 結論

光纖傳感網絡在高速公路溫濕度監測中的應用，不僅大幅提升了道路安全性，還顯著優化了交通管理和應急響應。通過這種網絡，可以實時監測關鍵區域的溫濕度變化，及時預警潛在的路面風險，如結冰或積水，從而有效防止事故發生。此外，長期的數據收集與分析有助于工程師更好地理解和預測路面狀況的變化，為道路維護和升級提供了科學依據。

參考文獻

[1]金琢然. 基于BP神經網絡的長距離分布式光纖傳感高空間分辨率定位算法[J]. 現代電子技術， 2024（1）： 36-43.

[2]何棟， 桂志國. 光纖傳感網絡小樣本入侵信號邊際譜標記檢測[J]. 傳感技術學報， 2023（6）： 949-953.

[3]陳玲玲， 李柏承， 張大偉， 等. 基于輕量級網絡的光纖傳感振動信號識別[J]. 光學儀器， 2023（2）： 18-25.

[4]牛文良. 基于無線傳感器網絡技術的高速公路隧道智能溫濕度監測系統的研究[D]. 長春：吉林大學， 2013.

[5]陳世民. 橋梁監測系統中海量數據分析理論與應用[D]. 重慶：重慶大學， 2011.

收稿日期：2024-02-02

作者簡介：郭大川（1989—），男，本科，工程師，研究方向：公路交通。