摘要：從交通環(huán)境中采集能量為交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測供電，不僅便捷、可持續(xù)，而且零碳環(huán)保，有益于我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。目前關(guān)于交通環(huán)境能量采集、交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的研究有很多，但是還未見從自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測角度綜述、總結(jié)和提煉的報(bào)道。本文概述了交通環(huán)境能量源及機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制，闡述了交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的基本內(nèi)容和研究進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)交通環(huán)境能量采集是解決交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測供電問題的潛在方案，重點(diǎn)論述了交通環(huán)境能量采集方法及交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用，探討了自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測面臨的挑戰(zhàn)并進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞：車路能量采集;狀態(tài)監(jiān)測;自供能傳感;交通設(shè)施

　　引言

　　自從改革開放以來，國家大力發(fā)展交通系統(tǒng)。截至2020年，中國的公路總里程超過500萬公里[1]，鐵路運(yùn)營里程超過14萬公里[2]，均位居世界第一[3]。在21世紀(jì)的今天，中國已經(jīng)成為世界上的交通大國。但因?yàn)閻毫迎h(huán)境、過載和長期負(fù)載，交通設(shè)施會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞，影響車輛行駛效率和安全，嚴(yán)重情況下還會(huì)引發(fā)傷亡事故[48]。因此，對(duì)交通設(shè)施進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測具有重要意義。交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測依靠傳感器獲取原始狀態(tài)信息[9,10]。

　　一般傳感器的功能單一，交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測往往需要大量不同種類的傳感器協(xié)同工作[11]。比如安裝應(yīng)力傳感器和溫濕度傳感器，分別獲取交通設(shè)施的應(yīng)力[12]和溫濕度信息[13]。有線傳感器通常依靠電纜提供能量和傳輸數(shù)據(jù)，存在布線繁瑣和需要建設(shè)電力基礎(chǔ)設(shè)施的問題。無線傳感器通過電池供電，但電池壽命有限，更換維護(hù)困難。因此，迫切需要開發(fā)先進(jìn)的能量技術(shù)來保障交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的供電需求[1416]。交通環(huán)境存在著豐富能源，包括風(fēng)能、機(jī)械能、太陽能、熱能等[1721]。

　　采集這些交通環(huán)境中的能量可以“就地即用”為交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備便捷和可持續(xù)的供電[2227]。此外，隨著能源和環(huán)境問題愈加嚴(yán)峻，我國提出了“雙碳”目標(biāo)，是黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的重大戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。采集交通環(huán)境能量解決交通設(shè)施供能需求是一種綠色零碳電力技術(shù)，可以減少化石燃料的使用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，有益于我國“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

　　目前關(guān)于交通環(huán)境能量采集、交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的研究有很多，但是還未見從自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測角度綜述、總結(jié)和提煉的報(bào)道。本綜述旨在梳理、論述近年來交通環(huán)境能量采集技術(shù)及自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測研究進(jìn)展。第一章概述了交通環(huán)境能量源及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)理;第二章闡述了交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的相關(guān)技術(shù)、研究進(jìn)展和存在的問題;第三章論述了能量采集技術(shù)在交通設(shè)施健康監(jiān)測中的應(yīng)用;第四章探討了自供能健康狀態(tài)監(jiān)測面臨的挑戰(zhàn)并進(jìn)行了展望;最后，在第五章進(jìn)行了總結(jié)。

　　1交通環(huán)境能量源及能量轉(zhuǎn)換機(jī)理

　　交通環(huán)境中的主要能源是太陽能和機(jī)械能，表現(xiàn)為太陽輻射、地面溫差、軌道振動(dòng)、路面振動(dòng)、車輛振動(dòng)、車輛對(duì)地面的載荷、車輛對(duì)地面的摩擦等形式[28]。因此，可以利用不同能量轉(zhuǎn)換機(jī)制將這些分散能量轉(zhuǎn)化為電能。能量采集技術(shù)是一種綠色零碳電力技術(shù)，已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[29]。

　　1.1太陽能及轉(zhuǎn)換機(jī)理

　　太陽能作為一種關(guān)鍵的可再生能源，其太陽輻射可以通過光伏或熱電技術(shù)轉(zhuǎn)化為電能。光伏(hotovoltaic,PV)。通過光伏效應(yīng)，PV電池可以直接將太陽輻射轉(zhuǎn)換為電能。每個(gè)電池中有兩種類型的半導(dǎo)體材料層。

　　交通系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，隨著智慧交通技術(shù)的發(fā)展和越來越嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題，將零碳環(huán)保的能量采集技術(shù)與智能交通系統(tǒng)相結(jié)合的需求會(huì)更加強(qiáng)烈41,42]。

　　1.2機(jī)械能及機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)理

　　1.2.1機(jī)械能源

　　交通環(huán)境中存在著豐富的機(jī)械能，它們可以分為三個(gè)方面：一方面是交通環(huán)境中的自然能源。比如風(fēng)能和水能[37]。再一方面是交通工具行駛時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能。比如車輪旋轉(zhuǎn)、車輛制動(dòng)、輪轂輪胎相互擠壓和車輛懸架系統(tǒng)振動(dòng)所產(chǎn)生的能量[38,39]。最后一方面是交通設(shè)施結(jié)構(gòu)受到外部激勵(lì)而產(chǎn)生的機(jī)械能。比如列車對(duì)鐵軌的沖擊、車輛對(duì)地面的滾壓和風(fēng)浪作用橋梁所產(chǎn)生的能量[40]。交通系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，隨著智慧交通技術(shù)的發(fā)展和越來越嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題，將零碳環(huán)保的能量采集技術(shù)與智能交通系統(tǒng)相結(jié)合的需求會(huì)更加強(qiáng)烈41,42]。

　　1.2.2電磁感應(yīng)

　　1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即閉合線圈在磁場中做切割磁感應(yīng)線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。由麥克斯韋法拉第方程(公式)，法拉第推廣出了電磁感應(yīng)定律方程(公式)[4345]。磁通量變化使閉合線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，洛倫茲力和靜電力的共同作用使電荷發(fā)生移動(dòng)。遵循這一原理，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換。

　　TENG具有結(jié)構(gòu)簡單、可微型化、適合低頻激勵(lì)、輸出電壓高、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)[41,66,67]。在某些場合TENG還可作為高壓源，如激發(fā)等離子體、場發(fā)射等[65]。其缺點(diǎn)是摩擦材料易損壞，輸出功率受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。但隨著柔性體TENG[68]、液滴TENG[69]等前沿技術(shù)的出現(xiàn)，TENG技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

　　材料、無機(jī)材料和復(fù)合材料[5658]，其中使用較多的壓電陶瓷屬于無機(jī)材料，能量轉(zhuǎn)換率相對(duì)較高[59]。壓電能量采集器(iezoelectricenergyharvesterPEH)是目前在結(jié)構(gòu)監(jiān)測中應(yīng)用最多的自供能方式，容易集成為壓電傳感器。其具有設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓較高的優(yōu)點(diǎn)[30]。但常用的壓電陶瓷比較脆，需通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提高其魯棒性和可靠性;壓電能量采集器很適合嵌入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，采集和傳輸結(jié)構(gòu)內(nèi)部的波信號(hào)，實(shí)時(shí)有效的反映結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)情況[60]。

　　1.2.4摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)

　　從生活中可以發(fā)現(xiàn)，絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電，毛皮磨擦過的橡膠棒帶負(fù)電。這是因?yàn)椴煌牧蠈?duì)分子的束縛能力不一樣，產(chǎn)生了摩擦電。進(jìn)一步的，若帶正負(fù)電荷的兩電極板發(fā)生相對(duì)位移，會(huì)因?yàn)殪o電感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流。2012年，王中林團(tuán)隊(duì)發(fā)明了納米摩擦發(fā)電機(jī)riboelectricnanogeneratorTENG)[61]，TENG結(jié)合了摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)兩個(gè)原理[62]。目前TENG主要包括垂直接觸分離模式、橫向滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立層模式四種[63,64]。

　　2交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測綜述

　　2.1交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

　　交通設(shè)施的健康狀態(tài)監(jiān)測源于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(tructuralhealthmonitoring,SHM)，是SHM技術(shù)發(fā)展的進(jìn)一步應(yīng)用，監(jiān)測對(duì)象包括道路、軌道、橋梁等設(shè)施[7074]。它的重要作用體現(xiàn)在掌握結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息，對(duì)健康情況做出科學(xué)判斷。此外，還具備對(duì)一些偶然性災(zāi)難過程進(jìn)行捕捉的能力，這是非在線的試驗(yàn)檢測平臺(tái)所不能實(shí)現(xiàn)的，為災(zāi)后評(píng)價(jià)提供不可復(fù)制的珍貴資料。典型的健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、診斷評(píng)估系統(tǒng)。若將健康監(jiān)測系統(tǒng)與人體作比較，那兩者之間存在許多相似之處。

　　傳感器系統(tǒng)相當(dāng)于人的眼睛，接收外界信息。它分為內(nèi)部嵌入式傳感器和外部附著式傳感器兩類，前者包括壓力盒、孔隙壓力計(jì)和裂縫計(jì)等;后者包括溫濕度計(jì)、雨量計(jì)和風(fēng)向儀等。布置合理、性能良好的傳感器是健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行高效、診斷準(zhǔn)確的必要條件[75]。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)其功能與神經(jīng)元和血液相似，起到信號(hào)采集、傳遞和過濾的作用。采集到的傳感器信息一般通過光纖或者無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，通過連接不同的采集設(shè)備來解調(diào)數(shù)據(jù)，再由交換機(jī)確認(rèn)MAC地址的連接位置，從而快速并入其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

　　在這一過程需要考慮一些必要的輔助因素，如供電、布線和密封等，保障系統(tǒng)運(yùn)行的可行性和可靠性[76]。數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)可以類比人體的大腦。將數(shù)據(jù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由專門的計(jì)算機(jī)軟件或程序?qū)υ撔畔⑦M(jìn)歸類和儲(chǔ)存，再利用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行模態(tài)分析和損傷識(shí)別。其中數(shù)據(jù)處理方法是該子系統(tǒng)的關(guān)鍵，決定了數(shù)據(jù)處理的速度與準(zhǔn)確度。其中，卡爾曼濾波、優(yōu)化算法、小波包等方法是常見的損傷識(shí)別手段[77]。

　　診斷評(píng)估系統(tǒng)與人體小腦有些相似。小腦在人的運(yùn)動(dòng)中起到調(diào)節(jié)的作用，在動(dòng)作未偏差時(shí)評(píng)估誤差出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，在出現(xiàn)動(dòng)作偏差時(shí)快速感知偏差程度并反饋調(diào)節(jié)方案，使動(dòng)作準(zhǔn)確、平衡和穩(wěn)定。診斷評(píng)估系統(tǒng)綜合考慮溫度效應(yīng)、風(fēng)致響應(yīng)、壓力荷載等外界因素，對(duì)設(shè)施的結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)、破壞風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)估，給出相應(yīng)的維護(hù)方案，同時(shí)生成經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告。其核心作用在于預(yù)先捕獲對(duì)象的健康信息，特別是建設(shè)成本高、破壞影響大的交通設(shè)施狀態(tài)信息，在設(shè)施功能失常之前，提前反饋健康信息并預(yù)警，從而盡可能降低其破壞影響78,79]。

　　2.2健康狀態(tài)監(jiān)測類型

　　交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測可以分為局部監(jiān)測和整體監(jiān)測兩種類型[8082]。兩種監(jiān)測類型的搭配使用，使SHM技術(shù)在不斷創(chuàng)新和發(fā)展的過程中，適用于不同交通設(shè)施的健康監(jiān)測。 局部監(jiān)測方法是小范圍的對(duì)交通設(shè)施結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測，比如裂縫程度和梁的受力，其方法包括超聲波法、聲發(fā)射法、γ射線法、紅外熱成像法等[8385]。它的特點(diǎn)是不能對(duì)交通設(shè)施整體特性進(jìn)行監(jiān)測，可以針對(duì)關(guān)鍵監(jiān)測、難點(diǎn)監(jiān)測的測量點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集和分析，補(bǔ)充自動(dòng)化監(jiān)測的不足，在遠(yuǎn)程健康監(jiān)測技術(shù)未成熟前發(fā)揮過渡作用。缺點(diǎn)是人工參與度高，檢測結(jié)果受主觀意識(shí)影響，且消耗較多的人力時(shí)間成本。

　　整體監(jiān)測方法通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的響應(yīng)對(duì)交通設(shè)施的整體特性進(jìn)行評(píng)估，通常會(huì)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、靜態(tài)檢測法、振動(dòng)響應(yīng)檢測法等技術(shù)。整體監(jiān)測方法在計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進(jìn)步下呈現(xiàn)出更大的發(fā)展?jié)摿Γ瑵M足實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測要求，是未來交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展方向。但傳感器數(shù)量、供電和布置方面還有待優(yōu)化，追求以盡可能少的傳感器獲取被監(jiān)測交通設(shè)施的全面信息[86,87]。

　　2.3結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感技術(shù)

　　近幾年傳感技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面，分別為基于光纖傳輸?shù)墓饫w傳感監(jiān)測技術(shù)、基于無線通信的無線傳感監(jiān)測技術(shù)、基于圖像識(shí)別的計(jì)算機(jī)視覺傳感監(jiān)測技術(shù)[8890]。由于光是一段微小的電磁波，在溫度和壓力的作用下，從波形圖上可以觀察到相位、頻率、振幅等參數(shù)的相對(duì)變化，從而獲得被測量對(duì)象較準(zhǔn)確的數(shù)值。考慮到光纜本身具有電絕緣、耐腐蝕、抗電磁等的性質(zhì)，因此光纖傳感器技術(shù)具有較高的可行性和可靠性。Khandel[91]和Siwowski[92]等人驗(yàn)證了光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的可行性。

　　Berrocal等人[93]利用分布式光纖傳感器測量鋼筋混凝土的裂紋，對(duì)裂紋附近的分布應(yīng)力進(jìn)行積分，進(jìn)一步消除部分張力的影響，證明了光纖傳感器監(jiān)測裂縫信息的能力。一定數(shù)量的無線傳感器可以自發(fā)組成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，為系統(tǒng)的內(nèi)部布線提供方便。單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集測量數(shù)據(jù)，經(jīng)由小型通信模塊發(fā)射到相鄰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并逐跳到匯聚節(jié)點(diǎn)，而后由互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)搬運(yùn)到管理節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)無線傳感的過程。Park等人[94]使用無線傳感器對(duì)飛行中的無人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。Hou等人[95]設(shè)計(jì)了一種無線傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁位移的遠(yuǎn)程監(jiān)測，具有功耗低、成本小的優(yōu)點(diǎn)。

　　視覺是人類獲取信息最主要的途徑之一，是人體探索多彩世界的核心組成功能。視覺傳感器使機(jī)器系統(tǒng)獲取外界信息更加直觀，其依托于復(fù)雜的圖像處理技術(shù)，在多重算法的作用下把光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化成各種數(shù)字信號(hào)和像素組成的圖像，使監(jiān)測對(duì)象直觀化、可視化。在新型材料、智能算法和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步下，視覺傳感技術(shù)得到了較好的發(fā)展。Hou等人[96]設(shè)計(jì)了一種HM視覺預(yù)警框架，Lei等人[97]提出了一種應(yīng)用于監(jiān)測隧道裂縫的圖像識(shí)別系統(tǒng)，利用差分噪聲濾波、邊緣檢測等檢測方法提高了系統(tǒng)的識(shí)別精度。

　　2.4基本的信號(hào)處理方法

　　信號(hào)處理方法是健康監(jiān)測系統(tǒng)評(píng)估交通設(shè)施健康狀態(tài)的基礎(chǔ)。由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的復(fù)雜過程，存在較多的信號(hào)處理方法，如時(shí)間序列模型、快速傅里葉變換(astFourierTransformFFT)、小波變換(aveletransformWT)、希爾伯特黃變換(HilbertHuangransformHHT)等[98101]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中最早使用的模型是時(shí)間序列模型，通常對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間序列分析，獲取設(shè)施的健康狀態(tài)。FFT是離散傅里葉變化中的一種基礎(chǔ)診斷技術(shù)，可應(yīng)用于多種類型的健康診斷，但快速傅里葉變換不能表示參數(shù)在時(shí)域中的變化。

　　WT優(yōu)化了FFT的不足，它可以在時(shí)域和頻域中對(duì)信號(hào)的進(jìn)行分析，在檢測信號(hào)突變方面具有較大的優(yōu)勢。HHT可用于提取平穩(wěn)、非平穩(wěn)信號(hào)的特征，具有不涉及任何卷積、計(jì)算時(shí)間少的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于頻域較寬，本征模態(tài)函數(shù)不能滿足單分量性質(zhì)，低頻區(qū)域的信息處理效能低[102,103]。

　　2.5結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

　　結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是工程人員密切關(guān)注的問題。科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋O(jiān)測技術(shù)，可以極大程度地避免工程環(huán)境中可能遇到的問題，提高監(jiān)測質(zhì)量和速度，促進(jìn)SHM技術(shù)的應(yīng)用。近十年，在中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的審查批準(zhǔn)下，已陸續(xù)施行一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。

　　2013年月，大連理工大學(xué)、大連金廣建設(shè)集團(tuán)有限公司等單位主編的《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》正式實(shí)施。規(guī)定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架，如系統(tǒng)內(nèi)部理應(yīng)包含的各種子系統(tǒng)和各子系統(tǒng)應(yīng)具備的基本功能。統(tǒng)一了部分意見，如傳感器布置應(yīng)保留適當(dāng)?shù)男畔⑷哂喽取HM技術(shù)正處于發(fā)展上升的階段，標(biāo)準(zhǔn)化的工作不宜過細(xì)，只需把握主體框架，由日后技術(shù)成熟再加以深化。

　　2.6智慧交通與交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測

　　隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交通系統(tǒng)的建設(shè)不斷加快，人們對(duì)交通系統(tǒng)提出了更高的要求。多功能化、智慧化是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向。智慧交通基于以人為本、智能高效的理念，以綠色智能交通設(shè)施為基礎(chǔ)，追求提高交通系統(tǒng)運(yùn)行效率、減少交通事故和降低環(huán)境污染的目標(biāo)[104106]，是智慧城市的重要組成部分。

　　通過采集交通工具、交通設(shè)施、交通環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，依托多種前沿核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交通管控、綜合運(yùn)輸、健康監(jiān)測等交通應(yīng)用，使交通系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源等因素有機(jī)的結(jié)合在了一起。當(dāng)前，智慧交通的關(guān)注重點(diǎn)在數(shù)據(jù)處理、信息服務(wù)、交通管控等方面，涉及交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測方面的研究較少[107]。

　　但是，交通設(shè)施健康狀態(tài)對(duì)交通系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是一些危險(xiǎn)路段，交通設(shè)施損壞可能造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。如果缺少可持續(xù)、有效的交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測，依靠人工檢測和事后維修，與智慧交通綠色、高效、安全的理念相悖[108]。通過在交通設(shè)施布置傳感器等小型機(jī)電系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測，不僅可以保障交通系統(tǒng)安全運(yùn)行，也可以指導(dǎo)對(duì)交通設(shè)施進(jìn)行合理養(yǎng)護(hù)，是智慧交通發(fā)展的保障和重要內(nèi)涵。

　　2.7結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用難點(diǎn)

　　如前文所述，傳感器是捕獲交通設(shè)施健康狀態(tài)信息的基礎(chǔ)[109]。外部附著式傳感器附著在結(jié)構(gòu)表面，通過聲波、激光、地面穿透雷達(dá)、圖像捕捉等技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、接收的信號(hào)較為強(qiáng)烈和對(duì)交通設(shè)施的結(jié)構(gòu)影響小[110,111];缺點(diǎn)是容易受到環(huán)境的影響，對(duì)微損傷不夠敏感。內(nèi)部嵌入式傳感器嵌入到交通設(shè)施結(jié)構(gòu)內(nèi)部，采集壓力、應(yīng)變、溫度和潮濕度等數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)表面和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

　　優(yōu)點(diǎn)是能夠連續(xù)的、實(shí)時(shí)的采集結(jié)構(gòu)和環(huán)境的信息，抗環(huán)境干擾的能力相對(duì)較強(qiáng);不足之處是安裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，安裝和維修困難。無論哪種傳感器，使之連續(xù)有效工作并采集監(jiān)測信息都是傳感技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。Graziano等人[112]和Maruccio等人[113]指出，供電問題限制了無線傳感器廣泛應(yīng)用于道路的健康狀態(tài)監(jiān)測，電池供電嚴(yán)重阻礙了大型結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。雖然電池可以為傳感器供電，但是更換十分不便。因此，如何為傳感器供電成為制約交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一[114116]。

　　3交通環(huán)境能量采集及自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測

　　3.1能量采集供電模式

　　將交通環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為電能，可以為健康狀態(tài)監(jiān)測供電，同時(shí)也可減少化石燃料的使用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[117,118]。自供能技術(shù)與無線傳感技術(shù)較為貼合，目前如下三類供電模式具有較大的應(yīng)用潛力。第一類是自供電傳感集成系統(tǒng)。傳感器的工作原理是將外界的激勵(lì)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，自供電傳感集成系統(tǒng)則將外激勵(lì)轉(zhuǎn)換為電能，并在傳感器內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的電路處理，為傳感器正常工作供電，擺脫對(duì)電池的依賴。

　　第二類是給有源傳感器供電。該模式與第一類模式有些類似，但傳感器種類范圍擴(kuò)大了很多。利用能量采集裝置將交通環(huán)境的能量轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)行相應(yīng)電路處理，直接或存儲(chǔ)后為無線傳感器供電，起到取代電池的作用。第三類是給無源傳感器配套設(shè)備供電。對(duì)于無源傳感器，由于它不需要電池供電，因此，需將處理過的電能輸送給低功耗數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如609讀數(shù)儀。再將之與無源傳感器連接，獲取傳感信息。同樣的，最后外接無線模塊，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線節(jié)點(diǎn)后，需進(jìn)一步保存至服務(wù)器。這時(shí)可通過光纜對(duì)接硬件設(shè)施或者用4G網(wǎng)絡(luò)對(duì)接互聯(lián)網(wǎng)的形式，使服務(wù)器接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，以便于分析和處理[119]。

　　4挑戰(zhàn)和研究展望

　　結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測這一概念最初在上世紀(jì)70年代提出，用來對(duì)飛機(jī)等設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)損傷識(shí)別;80年代后，開始對(duì)橋梁等工程設(shè)施進(jìn)行振動(dòng)損傷診斷;90年代后，由于無線傳感器、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，健康狀態(tài)監(jiān)測開始向遠(yuǎn)程在線監(jiān)測發(fā)展[154]。國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出“打造系統(tǒng)完備、高效實(shí)用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系。”多功能化、智慧化是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向。而交通設(shè)施健康狀態(tài)對(duì)交通系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是一些危險(xiǎn)路段，交通設(shè)施損壞可能造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

　　交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測是智慧交通發(fā)展的保障和重要內(nèi)涵。但是，交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測仍然存在許多問題，如：減少對(duì)交通系統(tǒng)的影響、排除噪聲干擾、適應(yīng)多場景多目標(biāo)多特征監(jiān)測等，其中首先需要考慮的交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電問題，也是本文主要關(guān)注的問題。目前交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電主要有三種技術(shù)路線：電纜輸送，電池供電和能量采集技術(shù)。電纜可以在交通設(shè)施建設(shè)時(shí)布設(shè)。電纜輸送供電可靠。但是，電纜建設(shè)成本高，也缺乏改造的靈活性，偏遠(yuǎn)地區(qū)難以實(shí)施。電池供電也比較可靠。

　　但是，電池壽命有限，對(duì)于數(shù)量龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)維護(hù)困難，對(duì)環(huán)境有污染。電池技術(shù)也是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，但是能量存儲(chǔ)要實(shí)現(xiàn)跨越式突破也很困難。能量采集技術(shù)相比前兩種技術(shù)還很不成熟，但是發(fā)展?jié)摿艽螅环矫婵梢员憬荨⒖沙掷m(xù)的就近供電，另一方面零碳環(huán)保，已經(jīng)吸引了國內(nèi)外很多學(xué)者開展研究。目前交通環(huán)境能量采集與自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測面臨著許多挑戰(zhàn)[109,112,155160]。

　　(1)由于實(shí)際工程環(huán)境噪聲、磁場、溫度、壓力等外界干擾因素，使得結(jié)構(gòu)損傷引起的響應(yīng)被掩蓋，數(shù)據(jù)處理難度提高。常見數(shù)據(jù)處理方法有小波包奇異嫡[161]、有限元模型[162]、卡爾曼濾波[163]等方法，通過針對(duì)單一或少量外界干擾因素影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的量化和評(píng)估。這意味著考慮全方位、多重因素影響下的SHM，需要根據(jù)地域、監(jiān)測對(duì)象的差異，協(xié)調(diào)和補(bǔ)充多種數(shù)據(jù)處理方法來實(shí)現(xiàn)健康狀態(tài)監(jiān)測功能，這一過程繁瑣復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。此外，處理方法越復(fù)雜要求采集的數(shù)據(jù)越詳細(xì)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的負(fù)荷壓力增大。

　　(2)傳感器的優(yōu)化布置是SHM工程應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不合理的布置方式容易出現(xiàn)線纜冗雜、參數(shù)失效等問題。面對(duì)大型交通設(shè)施的健康監(jiān)測，信號(hào)線的制造、鋪設(shè)和維護(hù)也是一個(gè)重要問題。無線傳感技術(shù)作為作為傳感技術(shù)的研究熱點(diǎn)，已開發(fā)出4G、WIFI、Zigbee、藍(lán)牙等成熟技術(shù)。端到端的無線數(shù)據(jù)傳遞，在一定程度上可降低傳感器優(yōu)化布置的難度。

　　(3)目前的能量采集裝置輸出功率仍然不能滿足自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測長期穩(wěn)定的供電需求，提高交通環(huán)境能量采集的輸出功率是亟待解決的關(guān)鍵問題。新型材料研發(fā)和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高輸出功率的有效途徑。此外，多源多機(jī)制復(fù)合發(fā)電更能實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。

　　(4)車輛行駛對(duì)能量采集裝置產(chǎn)生很大沖擊;并且交通環(huán)境工況惡劣，魯棒性和可靠性是制約能量采集裝置在交通環(huán)境應(yīng)用的關(guān)鍵因素，也是自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測研究的難點(diǎn)。

　　(5)俘能裝置輸出的能量是交流電，需要整流、濾波和儲(chǔ)存后，再為健康狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電。這個(gè)過程中存在著電能消耗。在未來，需要進(jìn)一步研究電能管理和存儲(chǔ)技術(shù)，提高電能品質(zhì)和儲(chǔ)存效率，為健康狀態(tài)監(jiān)測提供穩(wěn)定可靠的電源。能量采集、電能管理和存儲(chǔ)、狀態(tài)監(jiān)測、無線傳輸、信號(hào)處理、故障診斷和評(píng)估等功能的集成也是需要考慮的關(guān)鍵問題。

　　5結(jié)論

　　交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測可以指導(dǎo)科學(xué)維護(hù)和保障安全通行。采集交通環(huán)境能量為交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的無線傳感節(jié)點(diǎn)供電具有可持續(xù)、便捷和綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。目前關(guān)于交通環(huán)境能量采集和交通設(shè)施健康狀態(tài)的研究有很多，但是考慮將交通環(huán)境能量采集與交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測結(jié)合的報(bào)道很少，還未見關(guān)于自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測綜述、總結(jié)和提煉的報(bào)道。本文闡述了交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測是智慧交通發(fā)展的保障和重要內(nèi)涵，論述了交通環(huán)境能量采集技術(shù)及交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用，探討了自供能交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測面臨的挑戰(zhàn)并進(jìn)行了展望。主要的結(jié)論如下：

　　(1)交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測包括對(duì)道路、橋梁、軌道等設(shè)施的健康監(jiān)測，獲取結(jié)構(gòu)設(shè)施多方面的狀態(tài)信息，對(duì)健康情況做出科學(xué)判斷。交通設(shè)施的健康監(jiān)測技術(shù)在不斷發(fā)展。局部監(jiān)測和整體監(jiān)測的方法可以使技術(shù)水平不夠成熟和統(tǒng)一的條件下，適用于多種健康監(jiān)測環(huán)境;先進(jìn)傳感技術(shù)如光纖傳感、無線傳感和計(jì)算機(jī)視覺傳感技術(shù)，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性、時(shí)效性和穩(wěn)定性。交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測是智慧交通發(fā)展的保障和重要內(nèi)涵，但供電是難題。交通環(huán)境存在大量能量，通過采集交通環(huán)境中的能量，為交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電，契合智慧交通綠色、高效、安全的發(fā)展理念。可以預(yù)見，隨著能量采集技術(shù)的發(fā)展，有望給健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供可持續(xù)的零碳電力供應(yīng)。

　　(2)對(duì)于道路能量采集，電磁式能量采集減速帶的輸出功率最高，可以達(dá)到數(shù)十上百瓦，因此也是現(xiàn)階段最有可能應(yīng)用的交通環(huán)境能量采集技術(shù)。如果考慮能量采集裝置對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，則應(yīng)該減小裝置的道路空間占比，這時(shí)候壓電式和摩擦電式的能量采集減速帶展現(xiàn)出了較大的優(yōu)勢。

　　(3)橋梁機(jī)械能量源主要是風(fēng)和車輛作用產(chǎn)生的橋梁振動(dòng)，具有低頻、隨機(jī)和不規(guī)則的特點(diǎn)。振動(dòng)電磁式裝置和振動(dòng)壓電式裝置是采集橋梁振動(dòng)能量的常見方法。因?yàn)闃蛄簱p傷具有巨大安全隱患，目前自供能橋梁健康狀態(tài)監(jiān)測方面的研究和應(yīng)用相對(duì)較多。

　　(4)大量偏遠(yuǎn)地區(qū)的軌道交通設(shè)施存在供電體系不夠完善的問題，列車的高速行駛使軌道產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，是軌道機(jī)械能的主要來源。軌道的振動(dòng)頻率要高于橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，因此，除了振動(dòng)電磁式和振動(dòng)壓電式的獲能裝置外，結(jié)合激勵(lì)擴(kuò)大組件能滿足旋轉(zhuǎn)電磁式俘能裝置的發(fā)電要求，但三種方式采集的能量大多還是mW級(jí)別。

　　(5)目前，輸出功率、器件可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等因素仍然是制約能量采集技術(shù)應(yīng)用于交通設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測的最關(guān)鍵因素。為了獲得更高的性能，往往需要多學(xué)科交叉，從機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制、材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、電路、控制等多方面發(fā)力并形成合力突破。

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　　作者：杜榮華朱勝億魏克湘張文明鄒鴻翔