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交通基础设施数智化升级全新技术路径
编者按：在安徽智能交通大会上，安徽交控道路养护有限公司总工程师张立奎带来《高速公路量子智能感知技术研究与应用》主题分享。
传统高速公路监测长期面临点式覆盖不全、运维成本高、极端环境易失效等行业痛点，量子增强光纤传感技术的落地为基础设施感知体系带来了颠覆性突破。该项目由安徽交控道路养护有限公司、智地感知（合肥）科技有限公司共同完成，直接复用高速既有通信光缆作为感知介质，单台设备可覆盖50公里路段，实现交通事件、公路灾害、桥梁健康多目标全域连续感知与主动预警。这套高性价比、国产化的智能感知方案，不仅重构了高速公路运维监测范式，也为交通基础设施数智化升级开辟了全新技术路径。
（1）行业现状
截至2025年底，全国高速公路总里程接近20万公里，桥梁数量达105万座，其中超过20%的桥梁服役时间已满20年。桥梁服役15年之后便进入病害高发周期，道路、桥梁、边坡等基础设施垮塌事件时有发生，路面各类交通事故也频繁出现。传统高速公路监测手段存在感知能力弱、建设运维成本高两大突出行业痛点。
在感知能力弱方面，现有监测多采用点式传感器，仅可采集少量点位数据，容易造成损伤部位漏检；传感器多为单指标检测，无法满足高速公路多目标同步监测的管理需求。受传感器安装工艺、设备信号漂移、降噪滤波处理等因素影响，监测数据质量难以保障。同时传统传感设备依赖供电，在极端环境条件下容易发生设备失灵、断电无数据的问题。
在建设运维成本高方面，现有监测系统整体性价比偏低，传感器设备使用寿命有限。行业迫切需要构建一套实用、经济、智能的高速公路监测技术体系，实现交通事件、公路突发灾害、桥梁健康状况等多目标业务的全域感知与主动预警。
（2）政策背景
党的二十届四中全会作出重大部署，将量子科技培育为新经济增长点。交通运输行业也出台相关规划，提出力争到2030年底，实现高速公路和普通国省道桥梁结构监测体系全面覆盖。
（3）光纤技术现状
本次重点介绍光纤传感相关技术，目前行业共有四项主流光纤传感技术：瑞利散射技术，主要用于监测振动；布里渊散射技术，可实现应变、温度同步监测；拉曼散射技术，主要实现温度监测；光纤布拉格光栅技术，能够监测温度与应变，该类技术自上世纪80年代起在日本得到应用。
国内相关领域也积累了大量研究成果，北京邮电大学吴智深院士团队开展布里渊散射光纤传感技术研究，实现布里渊与布拉格传感解调技术融合；武汉理工大学姜德生院士团队的相关技术已在深圳地铁落地应用，重点开展应变监测。
本项目所研究的技术，是在中国科学技术大学原有瑞利散射技术基础之上，迭代研发的量子增强光纤传感技术。该技术属于量子精密测量范畴，突破经典散粒噪声极限，打破传统光学性能上限，感知距离与探测精度得到显著提升。核心优势在于高波形保真度，采集信号与真实物理状态高度吻合，波形保真度可达99%，具备良好的综合性价比。
（4）课题研究
安徽交控道路养护有限公司联合智地感知（合肥）科技有限公司，申报国家重点研发计划颠覆性技术创新项目“快速全智能光纤传感成像预警系统”，项目于2024年11月获批。2025年，安徽交控集团立项“基于光纤传感的高速公路安全智能监测系统研发”。其中国家重点研发计划项目计划于2026年9月结题，安徽交控集团立项课题预计2026年底完成结题。
（5）研究目标及技术路线
课题总体目标紧扣行业现实需求，以量子精密测量技术为核心，融合多源传感数据，搭建一套实用、经济、智能的高速公路量子智能感知技术体系。具体包含三方面任务：
一是打造高可靠量子感知装备体系，强化硬件感知能力；二是研发量子信号解析与多源数据融合模型，提升数据分析研判准确度；三是搭建集诊断、主动预警于一体的业务平台。第2部分将对整套技术展开详细阐释。
技术方案方面，本项目直接复用高速公路中分带内的既有通信光缆作为感知介质，无需重新布线施工。量子增强光纤传感设备部署于高速公路机房、调度室或监控室内，部署实施便捷高效，单套设备半天即可完成基础部署；相比传统点式传感器至少三个月的现场施工周期，建设效率大幅提升。仅需配合开展现场定位验证工作，整体一至两天即可完成全部部署调试。
该项技术具备四大核心优势：
一是全域感知无盲区。依托高速公路全线覆盖的通信光纤，光纤延伸到哪里，感知范围就覆盖到哪里，单台大型设备有效感知距离可达50公里，实现高精度全域连续感知。
二是实时精准高可靠。如同为道路基础设施做精准听诊，设备灵敏度高、抗干扰性强，不受复杂环境影响。
三是智能主动早预警。构建智能研判模型与行业算法库，关联多源传感数据，实现风险分级研判与主动预警。
四是复用光缆低成本。依托既有通信光缆实现感知功能，无需大规模现场施工，显著降低建设与运维成本。
在技术原理层面，量子增强光纤传感技术基于瑞利散射原理实现振动感知。设备向光纤内发射脉冲激光，道路车辆通行与周边环境振动会引发光纤内光相位变化，相位变化伴随背向散射光回传至探测器，通过解析散射光的相位与强度信息，可同时获取振动位置与振动强度两类数据。
温度测量则依托拉曼散射技术实现。形象来说，设备脉冲重复频率可达2000Hz，相当于每秒派出2000个“数字哨兵”沿光纤行进，沿途采集全线振动信息并回传，后台通过解析回传信号即可识别异常事件的位置与类型。
项目研发形成四项核心感知技术：
第一项是高速公路车辆轨迹提取算法模型。依托该算法可实时捕捉车辆的车道位置、行驶速度、加速度等运行状态信息，可支撑拥堵识别、交通事故检测、违停监测等多类业务场景。
第二项是背景噪声成像算法。车辆行驶产生的振动会向地下地层传导，不同密实度土层的振动波传播特性存在差异，通过建立振动特性与地层结构的映射关系，可反演道路地下结构密实度，精准识别空洞、软弱层等隐蔽缺陷。道路塌陷发生前，地基密实度会先出现异常变化，依托该技术可实现塌陷风险提前预警，原理类似通过敲击振动判断西瓜成熟度。
第三项是桥梁模态识别方法。桥梁结构损伤与整体刚度变化高度相关，采用功率谱密度分析方法可提取桥梁基准主频、振型、阻尼比等模态参数，跟踪固有参量的长期变化趋势，实现桥梁整体结构健康评定。相比传统应变、应力类监测指标，模态参数更能反映桥梁整体性能发展趋势，对垮塌等重大风险的预警价值更高。
第四项是多源数据融合智能混合模型。该模型采用CNN-LSTM-Attention混合架构，融合空间卷积、长短期记忆与注意力加权机制，对多维度特征数据进行加权分析，实现高速公路长时序多维度感知数据的智能研判，技术水平处于行业领先。传统监测系统多为列表式时序数据，难以支撑多元数据深度分析，该混合模型可有效支撑损伤预判、灾害预警等核心业务。
技术成果方面，目前已形成发明专利38项、实用新型专利1项、软件著作权17项，发表核心期刊论文8篇。
核心创新点主要有三方面：
一是构建高速公路智能感知新范式。突破传统点式传感器成本高、覆盖不全的局限，例如马鞍山长江大桥传统监测改造费用高达800万元，而依托既有光纤即可实现全域覆盖，大幅降低建设成本。
二是研发长时序多维度感知数据智能诊断模型。模型具备数据质量评价核心功能，可支撑结构损伤预判、公路灾害预警等多类业务，建立“诊断-评级-预警”智能闭环，实现隐患从被动排查到主动预警的转变。
三是自主研发高可靠量子感知设备。核心硬件与算法国产化率超过90%，摆脱对进口设备的依赖，核心技术完全自主可控。
在应用落地方面，目前该项技术已在芜合高速、岳武高速、南昌绕城高速、新疆某隧道，以及芜湖长江二桥、马鞍山长江大桥等多个项目落地应用，整体运行效果良好。
（1）交通事件感知
在交通事件识别场景，系统可实现异常事件快速识别与精准定位。2024年9月7日芜合高速K106桩号处发生货车急刹引发的追尾事故，传统处置依赖视频巡查或司乘人员报警，该系统可在1分钟内识别连续急刹异常信号，精准定位事故位置并推送至管理部门，显著提升应急响应效率。
2026年4月30日芜合高速K102+600桩号处发生客车爆胎事故，车辆爆胎产生的声波超100分贝，系统同步识别异常高频声波与强低频振动信号，研判为车辆爆胎并准确定位，协助管理部门及时锁定涉事车辆。
2026年7月4日芜合高速K107桩号处发生大货车备胎掉落并撞击后方车辆的抛洒物事故，系统先识别抛洒异常信号并定位掉落点位，后续又识别碰撞异常信号；由于掉落区域处于视频盲区，系统通过跟踪抛洒车辆轨迹至视频覆盖区段，锁定责任车辆，为事故责任认定与索赔提供技术支撑。
（2）公路灾害预警
依托背景噪声成像技术，系统可扫描公路路基密实度，直观呈现不同路段路基密实度状态与变化趋势，实现道路塌陷风险提前预警。
在南昌绕城高速开展的地下结构成像验证中，系统快速识别出指定路段的异常地质，探测结果与第三方探地雷达检测结果基本一致，验证了该技术用于长距离道路塌陷风险快速筛查的可行性。
芜合高速高风险路段地质结构成像探测结果显示，各成像区段整体结构稳定，未发现软弱层、空洞等塌陷风险，与日常养护数据一致，部分路段地质偏软的特征也与沿线水系、农田等环境特征相符。
（3）桥梁结构健康评定
在桥梁健康监测场景，量子光纤传感技术相比传统方法优势显著。
八公山路桥对比试验结果显示，传统加速度传感器法因滤波处理会丢失部分有效信息，精度偏低、偏差较大；而DAS光纤传感技术测得的频谱更连续完整，在桥梁结构振动特征提取与模态识别中有效性更优。
芜湖长江二桥监测数据显示，基于DAS技术测得桥梁主频为0.2Hz，与2017年动静载试验识别的一阶模态振型结果高度吻合。海文大桥模态识别中，成功提取5个稳定模态频率，与有限元理论分析结果整体吻合，还额外识别出1个稳定模态频率，可用于指导有限元模型修正；前四阶振型识别结果与有限元分析完全一致。
在桥群监测场景，依托单根光纤即可实现芜合高速百公里范围内多座桥梁的长期健康监测，可对比同结构桥梁的振动信号差异，评估健康状态优劣，辅助管理部门精准安排重点巡查养护。
针对桥梁关键构件，技术可识别主梁、桥墩、桥塔、斜拉索、伸缩缝等主要构件的频率与能量分布，监测构件健康状态。伸缩缝多为钢制构件，一旦发生损伤，在断裂前振动特征便会出现异常变化，系统捕捉信号变化即可实现提前预警，指导运维单位提前处置更换。安庆长江大桥伸缩缝损伤识别试验中，通过对比正常与损坏伸缩缝的动力响应，成功提取损伤识别特征指标，为伸缩缝结构损伤精准识别提供量化依据。
（4）经济与社会效益
经济效益层面，一是大幅降低建设运维成本，中小桥群及道路监测成本较传统方案降低约50%，特殊结构桥梁监测成本降低20%；二是提升灾害事故防控效能，路面事件预警较传统方式提前6至10分钟，有效减少拥堵损耗与二次事故发生；三是带动产业链协同发展，促进量子技术上下游与交通产业深度融合，助力产业升级。
社会效益层面，实时监测实现拥堵早发现、早治理，全方位保障公众出行安全；对重大风险实现秒级预警，有效防范重特大安全事故，减少人员伤亡；打造“量子+高速”技术新范式，推动行业技术升级。项目成果入选安徽省科技厅场景创新“三张清单”案例清单，获得央视、新华社、人民日报、安徽卫视等主流媒体10余次报道。
第一，持续升级感知能力与感知网络。当前单台大型设备有效感知距离为50公里，未来将研发100公里超远距离稳定感知的轻量化量子DAS/DTS设备；同时依托量子精密测量技术，自主研发量子磁力计、量子应力计等高精准节点感知设备。优化感知网络布局，以光纤传感为骨干，统筹优化视频监控、雷达、GNSS、加速度计等点式传感器布设方案，避免设备冗余，构建“线点融合”的路网级智能感知体系。
第二，优化多目标泛化诊断模型并完善三级验证体系。依托1.8亿元高频双台阵地震模拟试验平台，开展桥梁多点响应与损伤演化试验，构建“实验验证-户外测试-工程实战”三级中试平台，确保技术从实验室到工程应用无缝衔接，提升模型研判精度与可靠性。
第三，构建“量子+高速”系列标准体系。涵盖基础通用标准、信号采集标准、信号解析标准、智能数据处理标准、行业场景应用标准、支撑保障标准六大类，支撑安徽省长大桥梁结构健康监测系统、国家区域性公路交通应急装备物资（安徽合肥）储备中心，以及安徽交控在役桥梁智能感知技术创新中心建设。
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张立奎
特邀作者