CN111893835A - 一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构及系统，路面结构包括由下至上依次设置的路基、基层、塑料类材料层、钢板层和沥青表面功能层；塑料类材料层内镶嵌有压电元件用于感知路面荷载的变化；压电元件包括壳体和封装盖，壳体内部装有压电片，压电片上下表面均设置一层导电片，导电片分别连接一导线；环形垫圈上设置有导线孔；导线从导线孔引出。该路面结构能够有效产生电能，实时获取路面结构的应力/应变状态以及交通信息状态，为智能交通提供信息来源，并为路面智能养护决策提供信息来源与依据，延长路面使用寿命，同时装配式路面结构可以有效提高施工质量和施工进度，方便后期维修替换，具有显著的经济效益与社会效益。

Description

一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构及系统
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构及系统。
背景技术
道路表面不断承受着车辆荷载的作用，导致路面结构存在机械振动，并积累了大量的机械能。通常情况下，积累的机械能宏观地表现为路面的变形、磨损、开裂等病害，其最终以热能的形式耗散在环境中。这是对路域绿色能源极大地浪费。在当今化石能源短缺的背景下，有效开发可再生的绿色能源以及能源的多元化和高效多级利用是系统解决能源问题的重要技术途径，因此，将路域范围内的机械能有效地利用并转化为电能具有重要的意义，它在产生绿色能源的同时可以缓解路面病害，延长路面的使用寿命。
近年来，具备智慧化、科技化、信息化的智慧公路是未来道路交通发展的重要方向，面向这一需求，对路面结构设计提出了更高的要求，研究具有智能感知功能的路面结构与系统，可以实时获取路面结构的应力/应变状态以及交通信息状态(例如车辆的轴重、车速信息)，从而为智能交通提供信息来源，同时路面状态(应力应变状态)、裂缝发展等数据也将为路面的智能养护决策提供信息来源与依据。目前，国内外关于智能感知路面的研究刚刚起步，系统利用路域范围内的能源并进行路面智能感知的研究较少。
此外，在建筑领域装配式构件的应用已成熟，预制装配化可以减少人为因素对施工质量的影响，同时具有方便施工、易于回收、易于维护等特点。但公路建设领域仍采用传统的施工方式，预制装配化程度较低，施工质量变异幅度较大。
发明内容
针对现有技术中的技术问题，本发明提供了一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构及系统，能够有效产生电能，可以实时获取路面结构的应力/应变状态以及交通信息状态，为智能交通提供信息来源，并为路面智能养护决策提供信息来源与依据，有效缓解路面病害，延长路面使用寿命，同时装配式路面结构可以有效提高施工质量和施工进度，方便后期维修替换，具有显著的经济效益与社会效益。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：
一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构，包括由下至上依次设置的路基、基层、塑料类材料层、钢板层和沥青表面功能层；所述塑料类材料层内镶嵌有压电元件用于感知路面荷载的变化；
所述压电元件包括壳体和封装盖，壳体内部装有压电片，压电片上下表面均设置一层导电片，导电片分别连接一导线；封装盖上设置有导线孔；导线从导线孔引出。
作为本发明的进一步改进，所述壳体和封装盖之间设置有环形垫圈，壳体和封装盖上均设置有螺栓孔，圆柱壳体和封装盖通过螺丝将压电片封装。
作为本发明的进一步改进，所述压电片为锆钛酸铅或锆钛酸铅/聚偏氟乙烯复合压电片。
作为本发明的进一步改进，所述塑料类材料层上设置有用于镶嵌压电元件的塑料凹槽和用于导线走线的走线凹槽，塑料凹槽阵列排布，走线凹槽连通所有塑料凹槽。
作为本发明的进一步改进，所述钢板层下表面设置有阵列排布的钢板凹槽，钢板凹槽与塑料凹槽结构相匹配。
作为本发明的进一步改进，所述塑料类材料层上涂覆有隔热粘结层，隔热粘结层粘结塑料类材料层和钢板层。
作为本发明的进一步改进，所述基层为级配碎石与水泥稳定碎石的组合结构；
所述塑料类材料层采用塑料类高分子聚合物材料。
作为本发明的进一步改进，所述沥青表面功能层采用沥青混合料；沥青表面功能层与钢板层之间还设置有中间粘结层。
一种基于压电效应的装配式智能感知路面系统，包括路面感知单元、数据储存传输单元、路侧基站单元和云数据管理平台单元；
所述路面感知单元由多个压电元件通过导线并联组成，每组所述路面感知单元与一个数据存储传输单元连接；多个所述数据存储传输单元用于暂时存储压电元件传输的数据并将其传输至路侧基站单元；
所述的路侧基站单元通过数据线接收数据存储传输单元的电信号，将收集的数据通过无线传输将压电信号实时发送至云数据管理平台单元。
可选的，所述压电元件包括壳体和封装盖，壳体内部装有压电片，压电片上下表面均设置一层导电片，导电片分别连接一导线；封装盖上设置有导线孔；导线从导线孔引出。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明智能感知路面结构包括路基、基层、塑料类材料层、隔热粘结层、钢板层、沥青表面功能层和压电元件。高分子聚合物材料相对稳定，且兼具一定的抗压强度，同时可以进行装配式铺装。此外，塑料类材料层还可以在路面服役结束后进行回收利用。压电元件镶嵌在路面塑料类材料层和钢板层之间，可以有效感知路面荷载的变化。钢板层可提供沥青表面功能层施工平面，刚度大，同时可以使压电材料均匀受力，防止压电元件因应力集中而破坏。能够有效产生电能，可以实时获取路面结构的应力/应变状态以及交通信息状态，为智能交通提供信息来源，并为路面智能养护决策提供信息来源与依据，有效缓解路面病害，延长路面使用寿命，同时装配式路面结构可以有效提高施工质量和施工进度，方便后期维修替换，具有显著的经济效益与社会效益。
进一步，为了增强沥青表面功能层与钢板层的黏附性，可在之间增加一层中间粘结层。
发明智能感知路面系统包括路面感知单元、数据储存传输单元、路侧基站单元、云数据管理平台单元。路面感知单元由一组多个上述压电元件通过导线并联组成，通过塑料类材料层走线凹槽走线，并与数据存储传输单元连接。每个基站可以简单处理压电数据，并对路面车辆交通状态进行感知预警，同时将收集的数据通过无线传输将压电信号实时发送至云数据管理平台单元。路侧基站可以与道路路灯等设备进行集成，方便供电和集成管理。云数据管理平台单元接收压电信号后，可以进一步处理路面压电信号，并进行智能决策，如进行车辆超速、超载、逆行、堵车等预警，方便交警和管理人员快速决策和行动。云数据管理平台单元可与城市管理中心系统集成，用于统一调度管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构示意图；
图2为塑料类材料层示意图；
图3为压电元件示意图；
图4为钢板层示意图；
图5为一种基于压电效应的装配式智能感知路面系统示意图。
图中：1-路基；2-基层；3-塑料类材料层；4-隔热粘结层；5-钢板层；6-沥青表面功能层；7-压电元件；8-路面感知单元；9-数据存储传输单元；10-路侧基站单元；11-云数据管理平台单元；51-钢板凹槽；31-塑料凹槽；32-走线凹槽；71-封装盖；72-压电片；73-导电片；74-导线孔；75-环形垫圈；76-螺栓孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构由路基1、基层2、塑料类材料层3、隔热粘结层4、钢板层5、沥青表面功能层6和压电元件7组成。所述路基1上铺设有基层2，所述基层2上铺设有塑料类材料层3，所述塑料类材料层3上镶嵌有压电元件7，所述塑料类材料层3上有隔热粘结层4，所述隔热粘结层4上铺设钢板层5，所述钢板层5上铺设有沥青表面功能层6。
优选地，所述基层2为级配碎石与水泥稳定碎石的组合结构，所述级配碎石层铺设在所述水泥稳定碎石层下，所述级配碎石层厚度20-25cm，所述水泥稳定碎石层厚20-30cm。
优选地，如图2所示，所述塑料类材料层3采用耐高温、高强度的塑料类高分子聚合物材料(如ABS)，厚度为12-16cm，其上有高1.2cm的，直径3.6cm的圆柱形孔(塑料凹槽31)矩阵形排列，用于镶嵌压电元件7。塑料类材料层3上有直径为0.1-0.5cm的走线凹槽32，用于压电元件7导线走线，防止导线被拉扯断裂。走线凹槽32直径根据压电元件铺装密度而定。所选的高分子聚合物材料性能相对稳定，且兼具一定的抗压强度，同时可以进行装配式铺装。此外，塑料类材料层还可以在路面服役结束后进行回收利用。
优选地，如图3所示，压电元件7包括壳体和封装盖71，壳体内部装有压电片72，压电片72上下表面均设置一层导电片73，导电片73分别连接一导线；封装盖71上设置有导线孔75；导线从导线孔75引出。所述压电元件7为高1.26cm，直径3.6cm圆柱体，材料为塑料。圆柱体中空，内径为2.3cm，内侧高度6.5mm。上部有封装盖71，外侧直径为3.6cm，厚3cm；内侧直径2.3cm，厚3cm。封装盖下方有环形垫圈76，用于密封和防滑。内部装有锆钛酸铅或锆钛酸铅/聚偏氟乙烯复合制备而成压电片72，直径为2.3cm，厚3cm；压电片72上下两层为导电片73，厚度0.15cm。圆柱体下部厚度为3cm。封装盖上有螺栓孔77，通过螺丝将压电片封装在圆柱体里面。圆柱体上有导线孔75，导线可以通过塑料类材料层上的走线凹槽32走线。压电元件7镶嵌在路面塑料类材料层3和钢板层5之间，可以有效感知路面荷载的变化。
优选地，塑料类材料层3上涂覆有厚度0.1cm的隔热粘结层4，用于隔热，防止沥青混合料铺筑时高温影响塑料类材料层强度，同时用于粘结塑料类材料层3和钢板层5；优选地，隔热粘结层4可以采用聚氨酯等兼具隔热和黏附性能的高聚物。
优选地，如图4所示，所述钢板层5材料为Q345D钢，钢板厚度1cm，其下方有厚0.5cm，直径3.6cm的圆柱形钢板凹槽51，矩阵形排列，孔排列与塑料类材料层3结构相匹配。钢板上下层均涂覆有防锈涂料，防止钢板生锈。钢板层5可提供沥青表面功能层6施工平面，刚度大，同时可以使压电元件7均匀受力，防止压电元件7因应力集中而破坏。此外，钢板可以进行流水线生产，铺装便捷，在路面服役结束后可以进行回收利用。
优选地，沥青表面功能层6采用4-8cm的沥青混合料AC-13，方便行车，同时具备抗滑降噪等功能，且易于摊铺与刨除再生。为了增强沥青表面功能层6与钢板层5的黏附性，可之间增加一层中间粘结层。
参照图5，本发明还提供一种基于压电效应的装配式智能感知路面系统，包括路面感知单元8、数据储存传输单元9、路侧基站单元10、云数据管理平台单元11。
进一步地，所述的路面感知单元8由一组多个上述压电元件7通过导线并联组成，通过塑料类材料层3走线凹槽32走线，并与数据存储传输单元9连接。
进一步地，所述的数据存储传输单元9位于每一段装配式路面一侧，用于暂时存储压电元件传输的数据，并将其传输至路侧基站单元10。
进一步地，所述的路侧基站单元10设置于路面一侧，每隔50-60m设置一个，所述路侧基站单元10通过数据线接收数据存储传输单元9的电信号，所述每个基站可以简单处理压电数据，并对路面车辆交通状态进行感知预警，同时将收集的数据通过无线传输将压电信号实时发送至云数据管理平台单元11。路侧基站可以与道路路灯等设备进行集成，方便供电和集成管理。
进一步地，所述的云数据管理平台单元11接收压电信号后，可以进一步处理路面压电信号，并进行智能决策，如进行车辆超速、超载、逆行、堵车等预警，方便交警和管理人员快速决策和行动。云数据管理平台单元可与城市管理中心系统集成，用于统一调度管理。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (10)

1.一种基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，包括由下至上依次设置的路基(1)、基层(2)、塑料类材料层(3)、钢板层(5)和沥青表面功能层(6)；所述塑料类材料层(3)内镶嵌有压电元件(7)用于感知路面荷载的变化；
所述压电元件(7)包括壳体和封装盖(71)，壳体内部装有压电片(72)，压电片(72)上下表面均设置一层导电片(73)，导电片(73)分别连接一导线；封装盖(71)上设置有导线孔(75)；导线从导线孔(75)引出。
2.根据权利要求1所述的基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，所述壳体和封装盖(71)之间设置有环形垫圈(76)，壳体和封装盖(71)上均设置有螺栓孔(77)，圆柱壳体和封装盖(71)通过螺丝将压电片封装。
3.根据权利要求1所述的基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，所述压电片(72)为锆钛酸铅或锆钛酸铅/聚偏氟乙烯复合压电片。
4.根据权利要求1所述的基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，所述塑料类材料层(3)上设置有用于镶嵌压电元件(7)的塑料凹槽(31)和用于导线走线的走线凹槽(32)，塑料凹槽(31)阵列排布，走线凹槽(32)连通所有塑料凹槽(31)。
5.根据权利要求4所述的基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，所述钢板层(5)下表面设置有阵列排布的钢板凹槽(51)，钢板凹槽(51)与塑料凹槽(31)结构相匹配。
6.根据权利要求1所述的基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，所述塑料类材料层(3)上涂覆有隔热粘结层(4)，隔热粘结层(4)粘结塑料类材料层(3)和钢板层(5)。
7.根据权利要求1所述的基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，所述基层(2)为级配碎石与水泥稳定碎石的组合结构；
所述塑料类材料层(3)采用塑料类高分子聚合物材料。
8.根据权利要求1所述的基于压电效应的装配式智能感知路面结构，其特征在于，所述沥青表面功能层(6)采用沥青混合料；沥青表面功能层(6)与钢板层(5)之间还设置有中间粘结层。
9.一种基于压电效应的装配式智能感知路面系统，其特征在于，包括路面感知单元(8)、数据储存传输单元(9)、路侧基站单元(10)和云数据管理平台单元(11)；
所述路面感知单元(8)由多个压电元件(7)通过导线并联组成，每组所述路面感知单元(8)与一个数据存储传输单元(9)连接；多个所述数据存储传输单元(9)用于暂时存储压电元件传输的数据并将其传输至路侧基站单元(10)；
所述的路侧基站单元(10)通过数据线接收数据存储传输单元(9)的电信号，将收集的数据通过无线传输将压电信号实时发送至云数据管理平台单元(11)。
10.根据权利要求9所述的基于压电效应的装配式智能感知路面系统，其特征在于，所述压电元件(7)包括壳体和封装盖(71)，壳体内部装有压电片(72)，压电片(72)上下表面均设置一层导电片(73)，导电片(73)分别连接一导线；封装盖(71)上设置有导线孔(75)；导线从导线孔(75)引出。
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Application publication date: 20201106

Assignee: Xi'an Jiahang measurement and Control Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHANG'AN University

Contract record no.: X2022980007085

Denomination of invention: A fabricated intelligent sensing pavement structure and system based on piezoelectric effect

Granted publication date: 20220107

License type: Common License

Record date: 20220606