交通环境能量采集及自供能交通设施健康状态监测研究进展

　　摘要：从交通环境中采集能量为交通设施健康状态监测供电，不仅便捷、可持续，而且零碳环保，有益于我国“双碳”目标实现。目前关于交通环境能量采集、交通设施健康状态监测的研究有很多，但是还未见从自供能交通设施健康状态监测角度综述、总结和提炼的报道。本文概述了交通环境能量源及机电转换机制，阐述了交通设施健康状态监测的基本内容和研究进展，强调交通环境能量采集是解决交通设施健康状态监测供电问题的潜在方案，重点论述了交通环境能量采集方法及交通设施健康状态监测中的应用，探讨了自供能交通设施健康状态监测面临的挑战并进行了展望。

　　关键词：车路能量采集;状态监测;自供能传感;交通设施

　　引言

　　自从改革开放以来，国家大力发展交通系统。截至2020年，中国的公路总里程超过500万公里[1]，铁路运营里程超过14万公里[2]，均位居世界第一[3]。在21世纪的今天，中国已经成为世界上的交通大国。但因为恶劣环境、过载和长期负载，交通设施会出现不同程度的损坏，影响车辆行驶效率和安全，严重情况下还会引发伤亡事故[48]。因此，对交通设施进行健康状态监测具有重要意义。交通设施健康状态监测依靠传感器获取原始状态信息[9,10]。

　　一般传感器的功能单一，交通设施健康状态监测往往需要大量不同种类的传感器协同工作[11]。比如安装应力传感器和温湿度传感器，分别获取交通设施的应力[12]和温湿度信息[13]。有线传感器通常依靠电缆提供能量和传输数据，存在布线繁琐和需要建设电力基础设施的问题。无线传感器通过电池供电，但电池寿命有限，更换维护困难。因此，迫切需要开发先进的能量技术来保障交通设施健康状态监测的供电需求[1416]。交通环境存在着丰富能源，包括风能、机械能、太阳能、热能等[1721]。

　　采集这些交通环境中的能量可以“就地即用”为交通设施健康状态监测设备便捷和可持续的供电[2227]。此外，随着能源和环境问题愈加严峻，我国提出了“双碳”目标，是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。采集交通环境能量解决交通设施供能需求是一种绿色零碳电力技术，可以减少化石燃料的使用，保护生态环境，有益于我国“双碳”目标实现。

　　目前关于交通环境能量采集、交通设施健康状态监测的研究有很多，但是还未见从自供能交通设施健康状态监测角度综述、总结和提炼的报道。本综述旨在梳理、论述近年来交通环境能量采集技术及自供能交通设施健康状态监测研究进展。第一章概述了交通环境能量源及机电能量转换机理;第二章阐述了交通设施健康状态监测的相关技术、研究进展和存在的问题;第三章论述了能量采集技术在交通设施健康监测中的应用;第四章探讨了自供能健康状态监测面临的挑战并进行了展望;最后，在第五章进行了总结。

　　1交通环境能量源及能量转换机理

　　交通环境中的主要能源是太阳能和机械能，表现为太阳辐射、地面温差、轨道振动、路面振动、车辆振动、车辆对地面的载荷、车辆对地面的摩擦等形式[28]。因此，可以利用不同能量转换机制将这些分散能量转化为电能。能量采集技术是一种绿色零碳电力技术，已成为国内外研究热点[29]。

　　1.1太阳能及转换机理

　　太阳能作为一种关键的可再生能源，其太阳辐射可以通过光伏或热电技术转化为电能。光伏(hotovoltaic,PV)。通过光伏效应，PV电池可以直接将太阳辐射转换为电能。每个电池中有两种类型的半导体材料层。

　　交通系统在国民经济发展中发挥着重要作用，随着智慧交通技术的发展和越来越严峻的能源环境问题，将零碳环保的能量采集技术与智能交通系统相结合的需求会更加强烈41,42]。

　　1.2机械能及机电转换机理

　　1.2.1机械能源

　　交通环境中存在着丰富的机械能，它们可以分为三个方面：一方面是交通环境中的自然能源。比如风能和水能[37]。再一方面是交通工具行驶时产生的机械能。比如车轮旋转、车辆制动、轮毂轮胎相互挤压和车辆悬架系统振动所产生的能量[38,39]。最后一方面是交通设施结构受到外部激励而产生的机械能。比如列车对铁轨的冲击、车辆对地面的滚压和风浪作用桥梁所产生的能量[40]。交通系统在国民经济发展中发挥着重要作用，随着智慧交通技术的发展和越来越严峻的能源环境问题，将零碳环保的能量采集技术与智能交通系统相结合的需求会更加强烈41,42]。

　　1.2.2电磁感应

　　1831年，法拉第发现了电磁感应现象，即闭合线圈在磁场中做切割磁感应线的相对运动，线圈会产生感应电流。由麦克斯韦法拉第方程(公式)，法拉第推广出了电磁感应定律方程(公式)[4345]。磁通量变化使闭合线圈产生感应电动势，洛伦兹力和静电力的共同作用使电荷发生移动。遵循这一原理，实现了动能到电能的转换。

　　TENG具有结构简单、可微型化、适合低频激励、输出电压高、功率密度大的优点[41,66,67]。在某些场合TENG还可作为高压源，如激发等离子体、场发射等[65]。其缺点是摩擦材料易损坏，输出功率受温度、湿度等环境因素的影响。但随着柔性体TENG[68]、液滴TENG[69]等前沿技术的出现，TENG技术展现出了巨大的应用前景。

　　材料、无机材料和复合材料[5658]，其中使用较多的压电陶瓷属于无机材料，能量转换率相对较高[59]。压电能量采集器(iezoelectricenergyharvesterPEH)是目前在结构监测中应用最多的自供能方式，容易集成为压电传感器。其具有设计灵活、结构简单、输出电压较高的优点[30]。但常用的压电陶瓷比较脆，需通过结构的设计提高其鲁棒性和可靠性;压电能量采集器很适合嵌入到结构内部，采集和传输结构内部的波信号，实时有效的反映结构的健康状态情况[60]。

　　1.2.4摩擦起电效应和静电感应

　　从生活中可以发现，丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮磨擦过的橡胶棒带负电。这是因为不同材料对分子的束缚能力不一样，产生了摩擦电。进一步的，若带正负电荷的两电极板发生相对位移，会因为静电感应产生感应电流。2012年，王中林团队发明了纳米摩擦发电机riboelectricnanogeneratorTENG)[61]，TENG结合了摩擦起电效应和静电感应两个原理[62]。目前TENG主要包括垂直接触分离模式、横向滑动模式、单电极模式和独立层模式四种[63,64]。

　　2交通设施健康状态监测综述

　　2.1交通设施健康状态监测系统

　　交通设施的健康状态监测源于结构健康监测(tructuralhealthmonitoring,SHM)，是SHM技术发展的进一步应用，监测对象包括道路、轨道、桥梁等设施[7074]。它的重要作用体现在掌握结构的状态信息，对健康情况做出科学判断。此外，还具备对一些偶然性灾难过程进行捕捉的能力，这是非在线的试验检测平台所不能实现的，为灾后评价提供不可复制的珍贵资料。典型的健康状态监测系统包括传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与控制系统、诊断评估系统。若将健康监测系统与人体作比较，那两者之间存在许多相似之处。

　　传感器系统相当于人的眼睛，接收外界信息。它分为内部嵌入式传感器和外部附着式传感器两类，前者包括压力盒、孔隙压力计和裂缝计等;后者包括温湿度计、雨量计和风向仪等。布置合理、性能良好的传感器是健康监测系统运行高效、诊断准确的必要条件[75]。数据采集与传输系统其功能与神经元和血液相似，起到信号采集、传递和过滤的作用。采集到的传感器信息一般通过光纤或者无线网络进行传输，通过连接不同的采集设备来解调数据，再由交换机确认MAC地址的连接位置，从而快速并入其它网络节点。

　　在这一过程需要考虑一些必要的辅助因素，如供电、布线和密封等，保障系统运行的可行性和可靠性[76]。数据处理与控制系统可以类比人体的大脑。将数据进一步转化为数字信号，由专门的计算机软件或程序对该信息进归类和储存，再利用数据处理方法对监测设施进行模态分析和损伤识别。其中数据处理方法是该子系统的关键，决定了数据处理的速度与准确度。其中，卡尔曼滤波、优化算法、小波包等方法是常见的损伤识别手段[77]。

　　诊断评估系统与人体小脑有些相似。小脑在人的运动中起到调节的作用，在动作未偏差时评估误差出现风险，在出现动作偏差时快速感知偏差程度并反馈调节方案，使动作准确、平衡和稳定。诊断评估系统综合考虑温度效应、风致响应、压力荷载等外界因素，对设施的结构使用状态、破坏风险程度进行评估，给出相应的维护方案，同时生成经济分析报告。其核心作用在于预先捕获对象的健康信息，特别是建设成本高、破坏影响大的交通设施状态信息，在设施功能失常之前，提前反馈健康信息并预警，从而尽可能降低其破坏影响78,79]。

　　2.2健康状态监测类型

　　交通设施健康状态监测可以分为局部监测和整体监测两种类型[8082]。两种监测类型的搭配使用，使SHM技术在不断创新和发展的过程中，适用于不同交通设施的健康监测。 局部监测方法是小范围的对交通设施结构进行健康监测，比如裂缝程度和梁的受力，其方法包括超声波法、声发射法、γ射线法、红外热成像法等[8385]。它的特点是不能对交通设施整体特性进行监测，可以针对关键监测、难点监测的测量点进行信号采集和分析，补充自动化监测的不足，在远程健康监测技术未成熟前发挥过渡作用。缺点是人工参与度高，检测结果受主观意识影响，且消耗较多的人力时间成本。

　　整体监测方法通过静态和动态参数的响应对交通设施的整体特性进行评估，通常会结合神经网络法、静态检测法、振动响应检测法等技术。整体监测方法在计算机、大数据等技术的进步下呈现出更大的发展潜力，满足实时、全面、准确的监测要求，是未来交通设施健康状态监测的发展方向。但传感器数量、供电和布置方面还有待优化，追求以尽可能少的传感器获取被监测交通设施的全面信息[86,87]。

　　2.3结构健康监测传感技术

　　近几年传感技术的研究热点主要集中在三个方面，分别为基于光纤传输的光纤传感监测技术、基于无线通信的无线传感监测技术、基于图像识别的计算机视觉传感监测技术[8890]。由于光是一段微小的电磁波，在温度和压力的作用下，从波形图上可以观察到相位、频率、振幅等参数的相对变化，从而获得被测量对象较准确的数值。考虑到光缆本身具有电绝缘、耐腐蚀、抗电磁等的性质，因此光纤传感器技术具有较高的可行性和可靠性。Khandel[91]和Siwowski[92]等人验证了光纤传感技术在结构健康监测中的可行性。

　　Berrocal等人[93]利用分布式光纤传感器测量钢筋混凝土的裂纹，对裂纹附近的分布应力进行积分，进一步消除部分张力的影响，证明了光纤传感器监测裂缝信息的能力。一定数量的无线传感器可以自发组成一个无线传感器网络节点，为系统的内部布线提供方便。单个传感器节点采集测量数据，经由小型通信模块发射到相邻的网络节点，并逐跳到汇聚节点，而后由互联网等网络搬运到管理节点，完成数据无线传感的过程。Park等人[94]使用无线传感器对飞行中的无人机结构进行实时监测。Hou等人[95]设计了一种无线传感器系统，实现了对桥梁位移的远程监测，具有功耗低、成本小的优点。

　　视觉是人类获取信息最主要的途径之一，是人体探索多彩世界的核心组成功能。视觉传感器使机器系统获取外界信息更加直观，其依托于复杂的图像处理技术，在多重算法的作用下把光学信号转化成各种数字信号和像素组成的图像，使监测对象直观化、可视化。在新型材料、智能算法和物联网等技术的进步下，视觉传感技术得到了较好的发展。Hou等人[96]设计了一种HM视觉预警框架，Lei等人[97]提出了一种应用于监测隧道裂缝的图像识别系统，利用差分噪声滤波、边缘检测等检测方法提高了系统的识别精度。

　　2.4基本的信号处理方法

　　信号处理方法是健康监测系统评估交通设施健康状态的基础。由于动态响应的复杂过程，存在较多的信号处理方法，如时间序列模型、快速傅里叶变换(astFourierTransformFFT)、小波变换(aveletransformWT)、希尔伯特黄变换(HilbertHuangransformHHT)等[98101]。结构健康监测中最早使用的模型是时间序列模型，通常对振动信号进行时间序列分析，获取设施的健康状态。FFT是离散傅里叶变化中的一种基础诊断技术，可应用于多种类型的健康诊断，但快速傅里叶变换不能表示参数在时域中的变化。

　　WT优化了FFT的不足，它可以在时域和频域中对信号的进行分析，在检测信号突变方面具有较大的优势。HHT可用于提取平稳、非平稳信号的特征，具有不涉及任何卷积、计算时间少的优点。缺点是由于频域较宽，本征模态函数不能满足单分量性质，低频区域的信息处理效能低[102,103]。

　　2.5结构健康监测标准规范

　　结构健康监测的标准规范是工程人员密切关注的问题。科学严谨的监测技术，可以极大程度地避免工程环境中可能遇到的问题，提高监测质量和速度，促进SHM技术的应用。近十年，在中国工程建设标准化协会的审查批准下，已陆续施行一些行业标准。在系统设计方面。

　　2013年月，大连理工大学、大连金广建设集团有限公司等单位主编的《结构健康监测系统设计标准》正式实施。规定了系统设计的总体框架，如系统内部理应包含的各种子系统和各子系统应具备的基本功能。统一了部分意见，如传感器布置应保留适当的信息冗余度。SHM技术正处于发展上升的阶段，标准化的工作不宜过细，只需把握主体框架，由日后技术成熟再加以深化。

　　2.6智慧交通与交通设施健康状态监测

　　随着经济与科学技术的发展，交通系统的建设不断加快，人们对交通系统提出了更高的要求。多功能化、智慧化是未来交通系统的发展方向。智慧交通基于以人为本、智能高效的理念，以绿色智能交通设施为基础，追求提高交通系统运行效率、减少交通事故和降低环境污染的目标[104106]，是智慧城市的重要组成部分。

　　通过采集交通工具、交通设施、交通环境的实时数据，依托多种前沿核心技术，实现交通管控、综合运输、健康监测等交通应用，使交通系统与经济、社会、资源等因素有机的结合在了一起。当前，智慧交通的关注重点在数据处理、信息服务、交通管控等方面，涉及交通设施健康状态监测方面的研究较少[107]。

　　但是，交通设施健康状态对交通系统安全、高效运行至关重要，尤其是一些危险路段，交通设施损坏可能造成重大人员伤亡和财产损失。如果缺少可持续、有效的交通设施健康状态监测，依靠人工检测和事后维修，与智慧交通绿色、高效、安全的理念相悖[108]。通过在交通设施布置传感器等小型机电系统，从而实现交通设施健康状态监测，不仅可以保障交通系统安全运行，也可以指导对交通设施进行合理养护，是智慧交通发展的保障和重要内涵。

　　2.7结构健康监测应用难点

　　如前文所述，传感器是捕获交通设施健康状态信息的基础[109]。外部附着式传感器附着在结构表面，通过声波、激光、地面穿透雷达、图像捕捉等技术对结构进行监测。优点是结构简单、接收的信号较为强烈和对交通设施的结构影响小[110,111];缺点是容易受到环境的影响，对微损伤不够敏感。内部嵌入式传感器嵌入到交通设施结构内部，采集压力、应变、温度和潮湿度等数据，分析结构表面和结构内部的动态响应。

　　优点是能够连续的、实时的采集结构和环境的信息，抗环境干扰的能力相对较强;不足之处是安装在结构内部，安装和维修困难。无论哪种传感器，使之连续有效工作并采集监测信息都是传感技术的重点和难点。Graziano等人[112]和Maruccio等人[113]指出，供电问题限制了无线传感器广泛应用于道路的健康状态监测，电池供电严重阻碍了大型结构和基础设施健康状态监测技术的发展。虽然电池可以为传感器供电，但是更换十分不便。因此，如何为传感器供电成为制约交通设施健康状态监测技术发展和广泛应用的关键问题之一[114116]。

　　3交通环境能量采集及自供能交通设施健康状态监测

　　3.1能量采集供电模式

　　将交通环境能量转换为电能，可以为健康状态监测供电，同时也可减少化石燃料的使用，保护生态环境[117,118]。自供能技术与无线传感技术较为贴合，目前如下三类供电模式具有较大的应用潜力。第一类是自供电传感集成系统。传感器的工作原理是将外界的激励转化为电信号，自供电传感集成系统则将外激励转换为电能，并在传感器内部进行相应的电路处理，为传感器正常工作供电，摆脱对电池的依赖。

　　第二类是给有源传感器供电。该模式与第一类模式有些类似，但传感器种类范围扩大了很多。利用能量采集装置将交通环境的能量转换为电能，进行相应电路处理，直接或存储后为无线传感器供电，起到取代电池的作用。第三类是给无源传感器配套设备供电。对于无源传感器，由于它不需要电池供电，因此，需将处理过的电能输送给低功耗数据采集设备，如609读数仪。再将之与无源传感器连接，获取传感信息。同样的，最后外接无线模块，完成数据的无线传输。将监测数据传输到无线节点后，需进一步保存至服务器。这时可通过光缆对接硬件设施或者用4G网络对接互联网的形式，使服务器接收传感器采集的数据，以便于分析和处理[119]。

　　4挑战和研究展望

　　结构健康状态监测这一概念最初在上世纪70年代提出，用来对飞机等设备进行振动损伤识别;80年代后，开始对桥梁等工程设施进行振动损伤诊断;90年代后，由于无线传感器、通信技术和计算机技术的出现，健康状态监测开始向远程在线监测发展[154]。国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出“打造系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系。”多功能化、智慧化是未来交通系统的发展方向。而交通设施健康状态对交通系统安全、高效运行至关重要，尤其是一些危险路段，交通设施损坏可能造成重大人员伤亡和财产损失。

　　交通设施健康状态监测是智慧交通发展的保障和重要内涵。但是，交通设施健康状态监测仍然存在许多问题，如：减少对交通系统的影响、排除噪声干扰、适应多场景多目标多特征监测等，其中首先需要考虑的交通设施健康状态监测传感器供电问题，也是本文主要关注的问题。目前交通设施健康状态监测传感器供电主要有三种技术路线：电缆输送，电池供电和能量采集技术。电缆可以在交通设施建设时布设。电缆输送供电可靠。但是，电缆建设成本高，也缺乏改造的灵活性，偏远地区难以实施。电池供电也比较可靠。

　　但是，电池寿命有限，对于数量庞大的传感器网络维护困难，对环境有污染。电池技术也是国内外研究热点，但是能量存储要实现跨越式突破也很困难。能量采集技术相比前两种技术还很不成熟，但是发展潜力很大，一方面可以便捷、可持续的就近供电，另一方面零碳环保，已经吸引了国内外很多学者开展研究。目前交通环境能量采集与自供能交通设施健康状态监测面临着许多挑战[109,112,155160]。

　　(1)由于实际工程环境噪声、磁场、温度、压力等外界干扰因素，使得结构损伤引起的响应被掩盖，数据处理难度提高。常见数据处理方法有小波包奇异嫡[161]、有限元模型[162]、卡尔曼滤波[163]等方法，通过针对单一或少量外界干扰因素影响，实现对结构损伤的量化和评估。这意味着考虑全方位、多重因素影响下的SHM，需要根据地域、监测对象的差异，协调和补充多种数据处理方法来实现健康状态监测功能，这一过程繁琐复杂，不易实现。此外，处理方法越复杂要求采集的数据越详细，会导致数据存储单元的负荷压力增大。

　　(2)传感器的优化布置是SHM工程应用的关键环节，不合理的布置方式容易出现线缆冗杂、参数失效等问题。面对大型交通设施的健康监测，信号线的制造、铺设和维护也是一个重要问题。无线传感技术作为作为传感技术的研究热点，已开发出4G、WIFI、Zigbee、蓝牙等成熟技术。端到端的无线数据传递，在一定程度上可降低传感器优化布置的难度。

　　(3)目前的能量采集装置输出功率仍然不能满足自供能交通设施健康状态监测长期稳定的供电需求，提高交通环境能量采集的输出功率是亟待解决的关键问题。新型材料研发和创新结构设计是提高输出功率的有效途径。此外，多源多机制复合发电更能实现更高的输出功率。

　　(4)车辆行驶对能量采集装置产生很大冲击;并且交通环境工况恶劣，鲁棒性和可靠性是制约能量采集装置在交通环境应用的关键因素，也是自供能交通设施健康状态监测研究的难点。

　　(5)俘能装置输出的能量是交流电，需要整流、滤波和储存后，再为健康状态监测传感器供电。这个过程中存在着电能消耗。在未来，需要进一步研究电能管理和存储技术，提高电能品质和储存效率，为健康状态监测提供稳定可靠的电源。能量采集、电能管理和存储、状态监测、无线传输、信号处理、故障诊断和评估等功能的集成也是需要考虑的关键问题。

　　5结论

　　交通设施健康状态监测可以指导科学维护和保障安全通行。采集交通环境能量为交通设施健康状态监测的无线传感节点供电具有可持续、便捷和绿色环保的优点。目前关于交通环境能量采集和交通设施健康状态的研究有很多，但是考虑将交通环境能量采集与交通设施健康状态监测结合的报道很少，还未见关于自供能交通设施健康状态监测综述、总结和提炼的报道。本文阐述了交通设施健康状态监测是智慧交通发展的保障和重要内涵，论述了交通环境能量采集技术及交通设施健康状态监测中的应用，探讨了自供能交通设施健康状态监测面临的挑战并进行了展望。主要的结论如下：

　　(1)交通设施健康状态监测包括对道路、桥梁、轨道等设施的健康监测，获取结构设施多方面的状态信息，对健康情况做出科学判断。交通设施的健康监测技术在不断发展。局部监测和整体监测的方法可以使技术水平不够成熟和统一的条件下，适用于多种健康监测环境;先进传感技术如光纤传感、无线传感和计算机视觉传感技术，有效地提高了数据传输的精确性、时效性和稳定性。交通设施健康状态监测是智慧交通发展的保障和重要内涵，但供电是难题。交通环境存在大量能量，通过采集交通环境中的能量，为交通设施健康状态监测传感器供电，契合智慧交通绿色、高效、安全的发展理念。可以预见，随着能量采集技术的发展，有望给健康状态监测系统提供可持续的零碳电力供应。

　　(2)对于道路能量采集，电磁式能量采集减速带的输出功率最高，可以达到数十上百瓦，因此也是现阶段最有可能应用的交通环境能量采集技术。如果考虑能量采集装置对路面结构的影响，则应该减小装置的道路空间占比，这时候压电式和摩擦电式的能量采集减速带展现出了较大的优势。

　　(3)桥梁机械能量源主要是风和车辆作用产生的桥梁振动，具有低频、随机和不规则的特点。振动电磁式装置和振动压电式装置是采集桥梁振动能量的常见方法。因为桥梁损伤具有巨大安全隐患，目前自供能桥梁健康状态监测方面的研究和应用相对较多。

　　(4)大量偏远地区的轨道交通设施存在供电体系不够完善的问题，列车的高速行驶使轨道产生剧烈的振动，是轨道机械能的主要来源。轨道的振动频率要高于桥梁结构的振动频率，因此，除了振动电磁式和振动压电式的获能装置外，结合激励扩大组件能满足旋转电磁式俘能装置的发电要求，但三种方式采集的能量大多还是mW级别。

　　(5)目前，输出功率、器件可靠性、环境适应性等因素仍然是制约能量采集技术应用于交通设施健康状态监测的最关键因素。为了获得更高的性能，往往需要多学科交叉，从机电转换机制、材料、结构、系统、电路、控制等多方面发力并形成合力突破。

　　参考文献

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　　作者：杜荣华朱胜亿魏克湘张文明邹鸿翔