CN115413318A - 用于监测路面和车辆基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的系统和方法 - Google Patents

用于监测路面和车辆基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于监测路面和车辆基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅系统和方法。在一些实施方案中，配有传感器的土工格栅系统包括配有传感器的土工格栅，所述配有传感器的土工格栅还包括容纳一个或多个传感器的排列的土工格栅。配有传感器的土工格栅系统还包括通信手段或网络，用于从配有传感器的土工格栅收集关于路面和车辆基础设施的健康、状况和/或状态的信息和/或数据。此外，还提供了一种使用本公开的用于监测路面和车辆基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅系统的方法。

Description

用于监测路面和车辆基础设施的健康、状况和/或状态的配有 传感器的系统和方法
与相关申请的交叉引用
本专利申请要求2020年1月30日提交的题为“用于监测基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅系统和方法(SENSOR-ENABLED GEOGRID SYSTEM FOR ANDMETHOD OF MONITORING THE HEALTH,CONDITION,AND/OR STATUS OF INFRASTRUCTURE)”的美国临时专利申请第62/967733号，于2020年1月30日提交的题为“用于监测轨道基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅系统和方法(SENSOR-ENABLED GEOGRIDSYSTEM FOR AND METHOD OF MONITORING THE HEALTH,CONDITION,AND/OR STATUS OFRAIL TRACK INFRASTRURE)”的美国临时申请第62/967736号，以及于2020年5月27日提交的题为“用于监测路面和车辆基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的系统和方法(SENSOR-ENABLED SYSTEM FOR AND METHOD OF MONITORING THE HEALTH,CONDITION,AND/OR STATUS OF PAVEMENT AND VEHICULAR INFRASTRURE)”的美国临时申请第63/030485号的权益和优先权，其内容在此通过引用全部纳入。
技术领域
本公开内容一般涉及结构健康监测，尤其是涉及用于路面和车辆监测基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅和/或平台。
背景技术
提供数据以评估基础设施的状况或健康的传感技术在诸如桥梁、隧道和建筑物等应用中被普遍使用。这些应用通常被称为结构健康监测(SHM)。其他基础设施，如道路、铁路、停车场、钻井平台、建筑、墙壁和斜坡以及海洋应用，也可以从利用传感器中受益，传感器提供可用于评估其状况的数据。然而，在这些应用中增加传感器历来是困难的，因为需要移除现有的材料，并确保传感器的准确位置以提供有意义的数据。这些问题由于所安装的基础设施的位置和规模，以及通常不宽容的周围环境而进一步加剧。
因此，如果可以获得可用于评估影响结构的条件的准确的传感器数据，那么各种路面基础设施应用可以从SHM中受益。例如，在道路和路面应用中，随着交通量和/或负荷的增加，或由于支撑土的移动(如因冲刷)而发生侵蚀，在土工格栅和集料下会出现车辙和路面的其他移动，导致道路表面出现裂缝，最终(在极端情况下)导致道路坍塌。
目前，基础设施的健康和/或状况和状态通常是通过目视检查来评估的。目视检查有一个问题，就是只能看到地面上的东西。此外，目视检查很耗时，需要人员在现场进行检查，并且在判断状况的严重性方面存在主观性。在许多情况下，一旦通过目视检查发现问题，下部结构(土壤、集料、道碴、底碴、路基等)就已经发生了损坏，可能需要进行重大的维修工作(通常是以紧急的方式进行，并增加成本)。长期以来，一直在寻求通过系统监测来改善基础设施维护、健康和状况的条件。本公开试图消除人为错误，消除目视检查的劳动密集型任务。本公开试图为团体和组织提供对基础设施健康和状况的有意义的反馈和理解。在这样做的时候，本文的系统和方法提供了主动的维护计划，取代了通常的反应性措施。
发明内容
公开了用于监测路面基础设施的结构健康、完整性和状况的配有传感器的系统和方法的各个方面。基础设施在此被称为不同的实施方案，例如道路和路面基础设施、车辆基础设施、工作平台以及其他使用土工格栅、土工织物或其他土工合成材料的土木和土工工程相关的基础设施。
在一方面，多个传感器被配备到和配置到土工格栅上以提供情报和理解，包括其中放置有土工格栅的路面基础设施的状态和健康和/或状况。这种情报沿着一系列的通信和计算网络传输；这种类型的系统通常被称为物联网(IoT)平台。在物联网平台中，物理物体被嵌入传感器、软件和技术，允许通过互联网与系统连接和交换数据。
在一些实施方案中，本公开的主题提供了用于路面监测基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅系统和方法。该配有传感器的土工格栅系统包括配有传感器的土工格栅和通信手段或网络，用于收集关于路面基础设施的健康、状况和/或状态的信息和/或数据。此外，在一些实施方案中，计算网络包括平台和面向用户的应用程序，该应用程序报告状态和/或提供关于从配有传感器的土工格栅接收的信息的实时更新。
在一方面，公开了用于路面基础设施监测的系统。该用于路面基础设施监测的系统包括配置有配有传感器的土工格栅的路面基础设施。其中，该配有传感器的土工格栅被放置在路面基础设施内。还包括微控制器，其中该微控制器从配有传感器的土工格栅接收信号。最后包括通信网络，其中，通信网络将接收到的信号从微控制器传输到计算网络。
在另一方面，公开了用于监测路面的状况和/或健康的方法。该方法包括在路面基础设施中安装配有传感器的土工格栅。然后提供从配有传感器的土工格栅到计算网络的通信连接。接下来，监测从配有传感器的土工格栅传输的信息。其中，监测可以是分析来自配有传感器的土工格栅的信息。在分析时，用基础设施处理引擎来处理该信息。其中，基础设施处理引擎协助在信息中识别路面基础设施的状况和/或健康的变化。
在另一方面，公开了用于路面基础设施智能的系统。该系统包括路面基础设施。该路面基础设施包括面层、基层、配有传感器的土工格栅和路基材料。此外，微控制器被配置到路面基础设施内的配有传感器土工格栅上。该微控制器进一步与网关或网关节点或接收器相连接，其中，网关被配置为将通信和信息从配有传感器的土工格栅提供给远程计算设备。其中，远程计算设备可以监测和分析来自配有传感器的土工格栅的信息。
在一方面，来自多个传感器中的一个或多个的信号由传感器舱接收，其中传感器舱将其传送到网关，并且网关将警报发送到由计算网络和/或云服务器或应用程序生成的用户界面。例如，应变计可能表明，在特定的土工格栅位置，应变水平已经增加到超过阈值参数。该信号在网关中被处理以确定问题，其中网关传输有关受影响的传感器的位置的数据，以及多个特征(如果给定的传感器被装备)，如环境温度、水分、周围区域的任何移动或加速度，所有这些将帮助系统中的主要调查员、用户或操作员确定给定路面基础设施的健康、状况和/或状态的问题或故障。
上述实施方案只是本文所公开的系统、装置和方法的配置的一些实施例。进一步的理解和对示例性实施方案的详细介绍如下。
附图的简要说明
参照以下附图，将更好地理解本公开的许多方面。附图中的部件不一定是按比例的，而是强调清楚地说明本公开的原则。此外，在附图中，类似的参考数字指定了几个视图中的相应部分。应该认识到，这些实施方式和实施方案只是说明了本公开的原则。因此，在附图中：
图1是用于监测基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅系统的实施例的方框图；
图2说明了用于监测基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅基础设施的实施例；
图3说明了配置到土工格栅上传感器的传感器舱的实施例；
图4A说明了配置在土工格栅上的传感器舱的实施例，显示其内部组件；
图4B说明了配置在土工格栅上的传感器舱的实施例；
图5说明了嵌入有传感器的土工织物的实施例；
图6说明了传感器舱内部组件的实施例；
图7是配置在配有传感器的土工格栅上的微控制器的实施例的组件图；
图8是配有传感器的土工格栅的物联网基础设施的图示；
图9A是弯曲计的实施例的图示；
图9B是加速度计的实施例的图示；
图9C是温度传感器的实施例的图示；
图9D是水分传感器的实施例的图示；
图9E是应变计的实施例的图示；
图10是用于监测基础设施状况和/或健康的方法的实施例的流程图；
图11是用于监测基础设施状况和/或健康的方法的实施例的流程图；
图12是用于监测基础设施状况和/或健康的方法的实施例的顺序图；
图13A是轨道基础设施的实施例的图示；
图13B是轨道基础设施状况和/或健康发生变化的轨道基础设施的实施例的图示；
图14A是轨道基础设施的实施例的图示，其中在路基之上安装了配有传感器的土工格栅；
图14B是轨道基础设施的实施例的图示，其中在底碴之上安装有配有传感器的土工格栅；
图15A是轨道基础设施的实施例的图示，其安装了配有传感器的土工格栅，以及在路基具有轨道基础设施的状况和/或健康的变化；
图15B是轨道基础设施的实施例的图示，其安装了配有传感器的土工格栅，以及在底碴具有轨道基础设施的状况和/或健康的变化；
图16A是轨道基础设施的实施例的图示，其安装了配有传感器的土工格栅，以及在底碴具有轨道基础设施的状况和/或健康的变化；
图16B是轨道基础设施的实施例的图示，其安装了配有传感器的土工格栅，以及在道碴具有轨道基础设施的状况和/或健康的变化；
图17A是轨道基础设施的实施例的图示，其在轨道基础设施的多个层安装了配有传感器的土工格栅；
图17B是轨道基础设施的实施例的图示，其具有轨枕上的传感器，传感器舱和网关；
图18A是轨道基础设施的实施例的另一种配置的图示，其具有轨枕上的传感器，传感器舱和网关；
图18B是轨道基础设施上配有传感器的土工格栅上的传感器配置的俯视图的图示；
图19是用于监测轨道基础设施的状况和/或健康的方法的实施例的流程图；
图20是路面基础设施上的受力的实施例的图示；
图21A是路面基础设施的实施例的图示；
图21B是路面基础设施状况和/或健康变化的实施例的图示；
图22A是配有传感器的路面基础设施的实施例的图示；
图22B是配有传感器的路面基础设施经历了系统状况和/或健康的变化的实施例的图示；
图23是用于监测路面基础设施的状况和/或健康的方法的实施例的流程图；
图24是来自计算网络的用户界面的实施例，显示了配有传感器的基础设施的系统。
详细描述
下面将参照附图更充分地描述本公开的主题，在附图中显示了本公开的主题的一些但不是所有的实施方案。全文中类似的数字指的是类似的元素。本公开的主题可以以许多不同的形式体现出来，不应该被理解为局限于本文所述的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开内容满足适用的法律要求。事实上，对于本文公开的主题所属领域技术人员来说，在得到上述描述和相关附图中的教导后，会想到本文所述的本公开的主题的许多修改和其他实施方案。因此，应该理解的是，本公开的主题并不局限于所公开的具体实施方案，修改和其他实施方案旨在包括在所附权利要求的范围内。
本公开的大部分内容依赖于对基础设施支持中使用的一些基本指标的理解，包括对路面和轨道基础设施的支持。其中一个指标或方程式是Giroud-Han(G-H)设计方法，其中
Figure BDA0003868879120000071
Figure BDA0003868879120000072
其中，h是所需的压实集料(如砾石或其他集料)，厚度为m。CF是设计中使用的土工合成材料/土工织物/土工格栅的校准系数。Re是压实集料与路基土壤的有限模量比率(最大＝5.0)。r是等效轮胎接触面积的半径。对这里的公开算法很重要，s值是最大允许的车辙深度。Fs是参考车辙深度。Nc是承载力系数(对于未稳定的道路，Nc＝3.14；对于土工编织物稳定的道路Nc＝5.14；对于土工格栅稳定的道路，Nc＝5.71)。
另一个等式是利用应变计对应变的定义。应变可以是正的(拉伸应变)，或负的(压缩应变)。应变是无量纲的，除非以检测量纲的方式配置，在实践中，应变的量值很低，通常以微应变(μ∈)来测量。因此，应变是物体因受力而产生的变形量。更具体地说，应变(∈)被定义为长度的分数变化，公式如下：
Figure BDA0003868879120000073
应变计的另一方面是明确定义和理解对应变的参数或敏感性。这种敏感性通常被定量地表示为应变系数或GF。我们可以用以下公式来确定应变系数：
Figure BDA0003868879120000074
或
Figure BDA0003868879120000075
其中，应变系数GF是由电阻的分数变化与长度的分数变化(应变)的比率来定义的。
对于由酚醛基底树脂、导电油墨和分段导体组成的弯曲传感器，它们需要了解弯曲时产生的电阻。在一个实施例中，平坦的弯曲传感器测量25KΩ，当弯曲45°时，弯曲传感器测量62.5KΩ，而当弯曲90°时，弯曲传感器测量100KΩ。根据不同的弯曲传感器及其规格，产生的电阻将有所不同，因此，当本文描述或配置时，不同设备之间的差异性是可以预期的。
其他概念需要了解在基础设施支持和管理中使用的材料。下面提供的表格强调了土工合成材料的差异。需要注意的是，这里的实施方案不限于任何一种土工合成材料，正如所公开的实施方案可以配置、连接或适应多种材料，包括基底和/或底层土壤本身。此外，可以利用各种材料的组合来完成本文的公开，包括将配有传感器的土工格栅与配有传感器的织物分层的实施例。
Figure BDA0003868879120000081
土工编织物也被称为土工织物，是上表中强调的一个概念，在此公开的内容可以用它来配置。土工编织物有三种制造方式，它们或者是针织的，或者是编织的，或者是无纺的，或者是它们的任何组合。编织和无纺的区别在于，编织土工编织物是通过经纱和纬纱的交错产生的。这些纱线可以是纺纱的，也可以是多纤维的，也可以是纤维化的，还可以是分切膜的。无纺土工编织物是通过机械互锁或热粘合纤维/丝来制造的。机械互锁是通过针刺来实现的。
关于土工编织物的功能，它们有几种不同的功能，与土工格栅和土工合成材料有相似之处。首先是分离，其中土工编织物提供颗粒的分离，并防止基底的混合。两个这样的问题是细粒土壤进入集料基料的空隙，以及集料冲入细粒土壤中。第一个问题令人担忧，因为它阻止了充分的排水，并显著降低了集料层的强度，加速了基础设施的失效/侵蚀。第二个问题令人担忧，因为它减少了集料层的有效厚度，这也加速了道路失效和/或增加了基础设施的维护。土工编织物的第二个突出功能是稳定化。土工编织物的稳定化结果的效果来自于两个因素。首先，集料在土工编织物之上被压实并成形为单个石块，这在路基和土工编织物上留下了印记。当成形后，集料被固定在位置上，从而稳定了集料基层。由于土工编织物对路基土壤的稳定作用，可以将土壤的失效模式从局部剪切变为整体剪切。由于这种剪切的变化，在土壤强度被超过之前，允许有额外的负荷，这使得集料基层可以减少。土工织物的第三个好处是加固。加固的好处取决于特定系统中允许的变形程度。过滤是额外的功能，其中土工编织物上的定义的开口容纳土壤颗粒，也容许和允许流体的移动和流动。这方面的过滤将土壤过滤掉，将其固定在原地，同时允许流体流过和流出。
土工格栅是具有开放孔和正交或非正交肋的格栅状配置的土工合成材料。土工格栅通常被定义为一种土工合成材料，由连接的平行拉伸肋组组成，其孔径大小足以允许周围的土壤、石头或其他土工材料的穿透。有几种方法生产土工格栅。例如，将聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)塑料片挤出并在一个或两个甚至三个或更多的方向上拉伸，或编织和针织聚酯(PET)肋。土工格栅的设计主要是为了满足各种基础设施的稳定和加固功能，包括公路、铁路、建筑、地面侵蚀等，然而，诸如节省材料成本等附带的好处也是适用的。
关于土工格栅的结构，土工格栅的肋被定义为纵向或横向。与土工格栅在机械织机上制造的方向平行的方向被称为卷长方向、机器方向(MD)，或纵向方向。另一方面，垂直于机械织机和土工格栅平面MD的方向，被称为横向方向(TD)或横机方向。换句话说，纵向肋与制造方向(又称机器方向)平行；横向肋与机器方向垂直。土工格栅的一些机械性能，如拉伸模量和拉伸强度，取决于测试土工格栅的方向。在土工格栅中，纵向肋和横向肋的交汇处被称为连接部。连接部可以通过多种方式产生，包括编织或针织。
关于土工格栅的生产，土工格栅是通过焊接、挤出和/或编织材料来生产的。挤出的土工格栅是由聚合物板生产的，该聚合物板以一种或多种方式冲孔和拉伸。根据聚合物片材的拉伸方式，形成各种孔类型。在一个、两个或三个或更多的方向上拉伸，可以生产出单轴、双轴、三轴和其他各种多轴土工格栅。聚丙烯(PP)或聚酯(PET)纤维通常被用来生产编织土工格栅。在大多数情况下，这些纤维都有涂层，以增加生产的土工格栅的耐磨性。焊接土工格栅的制造过程是通过焊接挤出的聚合物编织件的接头。土工格栅也可根据其硬度分为两个主要类别。由聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)纤维制成的土工格栅通常是坚硬且不易弯曲的，它们的抗弯强度超过1,000克-厘米。柔性土工格栅，通常由聚酯(PET)纤维通过纺织品编织工艺制成。它们的抗弯强度通常小于1,000克-厘米。
虽然土工编织物可用于分离、排水和过滤或加固，但土工格栅主要用于加固和/或稳定的应用。土工格栅还可以提供封闭和部分分离。封闭是通过基层集料颗粒和土工格栅开口之间的互锁机制形成的。互锁效率取决于基层集料颗粒的分布和土工格栅的开口尺寸和孔径。为了达到最佳的互锁作用，最小孔径大小与D50的比率应大于3。互锁的有效性取决于土工格栅的平面内刚度以及土工格栅肋和连接部的稳定性。土工格栅基础加固基础设施部分的加固机制包括侧向约束(封闭)、增加承载力和张力膜效应。集料基层的侧向约束是土工格栅加固基础设施的基本机制。例如，施加在基础设施表面的垂直负荷会引起集料基层材料的横向扩展移动。当负荷施加在基础设施的表面时，在基层产生拉伸的横向应变，导致集料向外移动，远离负荷。基础设施部分的土工格栅加固约束这些横向移动，这被称为横向约束。这样一来，土工格栅加固就将“失效位置”从较弱的路基土壤改变为较强的集料层。
现在参考一些示例实施方案。在一些实施方案中，本公开的配有传感器的土工格栅系统和方法包括作为传感器“载体”的土工格栅，其可用于监测路面基础设施的健康、状况和/或状态。在类似的实施方案中，配有传感器的土工格栅可以是多轴土工格栅，其配置如单轴、双轴、三轴和六边形等。在其他实施方案中，传感器载体可以是土工织物或其他基层保持材料，如土工合成材料、土工网、土工网格或土工复合物。
在一些实施方案中，本公开的配有传感器的土工格栅系统和方法提供关于基础设施的健康、状况和/或状态的信息和/或数据，这在许多应用中可能是有用的，例如，但不限于，基于状况的维护、生命周期成本优化、剩余寿命估计和资本规划。此外，本文公开的系统和方法可以包括其他物联网平台的方面，并且可以与其他系统结合，并集成以形成更完整的基础设施包——例如，在安装或更新基础设施时，建筑项目和建筑管理软件可以包括本文公开作为程序的一方面。
在一些实施方案中，本公开的配有传感器的土工格栅系统和方法使用配有传感器的土工格栅来提供关于基础设施的健康、状况和/或状态的“表面以下”的信息和/或数据，其中“表面以下”的信息可能无法通过常规手段，例如通过目视检查而获得的。此外，表面以下的调查设备，如地面穿透雷达和其他仪器，需要将设备运送到现场，并在每个场合应用。
在一些实施方案中，本公开的配有传感器的土工格栅系统和方法提供了易于安装的配有传感器的土工格栅，并为监测路面基础设施的健康、状况和/或状态提供了简单的机制。该系统能够即插即用，能够整合到新的路面基础设施项目中，或以补救的方式安装在现有的基础设施上。安装的便利性包括能够运行连续的配有传感器的土工格栅部分以形成覆盖层，其中多个配有传感器的土工格栅上的多个传感器协同工作并传输关于整个安装区域的状态的实时反馈。
在其他实施方案中，本公开的配有传感器的土工格栅系统和方法使用配有传感器的土工格栅来提供关于轨道基础设施的健康、状况和/或状态的“表面以下”信息和/或数据，其中“表面以下”信息可能无法通过常规手段，例如通过目视检查来获得。此外，表面以下的调查设备，如地面穿透雷达和其他仪器，需要将设备运到现场，并在每个场合应用，以及安装和设计成与不同的轨道装置一起工作。
在一些实施方案中，本公开的用于监测基础设施的健康和/或状况的配有传感器的土工格栅系统和方法配备了配有传感器的土工格栅，其中传感器被固定或以其他方式安装在土工格栅网格、土工织物或其他土工格栅结构上。在其他实施方案中，本公开的配有传感器的土工格栅系统和方法提供了配有传感器的土工格栅，其中传感器直接嵌入形成土工格栅的结构件中。传感器和/或传感器的组件或结构可以与土工格栅一起挤出，或者在织物的情况下，可以编织或以其他方式与结构集成，从而使土工格栅本身成为一个大的传感器。在进一步的实施方案中，传感器可以分布在基础设施本身，并且不与土工格栅成形，而是配置在结构中的刚性部件上，如钢筋、集料等。在进一步的实施方案中，传感器可以策略性地放置在基础设施内，例如，水分传感器可以放置在可以更好地理解或获得水分读数的区域。
在其他方面，多个传感器被装备在一片基础设施下方或周围的基底中。在其他方面，多个传感器被装备在土工织物上。在一实施方案中，多个传感器被连接到传感器舱。在一方面，传感器舱是保护罩，为读取多个传感器产生的数据的微控制器提供基本保护。在另一实施方案中，只有一个传感器被微控制器读取，在其他实施方案中，多个传感器的任何组合都可以被连接和配备，以将信号传输到靠近传感器地点的微控制器。
可以利用典型的微控制器，或者在其他情况下，通用用途或特殊用途的计算设备。在一方面，微控制器配置有处理单元、缓冲存储器、RAM、易失性或非易失性存储系统，并配备有网络适配器以及I/O接口。在其他实施方案中，微控制器可以有内置的传感器和/或一系列的功能，如定时器、加速度计等。微控制器具有几个明显的优势：首先，它们通常具有低功率要求。第二，它们易于使用，坚固耐用，并带有普遍的应用。第三，整体成本和构成低。第四，互操作性高——数据RAM、非易失性ROM和I/O端口的标准功能集允许接入多个输入设备。微控制器的其他优点以及将这些控制器适应本文所公开内容将为本领域的技术人员所知。
在一方面，传感器舱被配置为通过数据线与网关通信。网关，在前一方面是通用计算机或微控制器，其被配置为从传感器舱接收数据，其中网关被配置为对数据执行计算动作和/或通过通信网络将整理或积累的数据转发到计算网络。在前一方面，通信网络可以是任何通信途径，如蜂窝和高级通信标准，包括但不限于edge、3G、4G、5G、LTE、卫星传输、射频(RF)、微波传输和毫米波传输。此外，通信网络可以包括WiFi、广域网、蓝牙、近场通信(NFC)的无线方面，以及与之相关的各种标准，如WiFi 5、WiFi 6、WiFi 6e、蓝牙2.0、3.0、4.0、5.0，以及其他将从该领域的发展中改变或发生的此类标准。此外，网络通信还可以包括有线连接，如双绞线、同轴、光纤，或其他将在此提供的网络基础设施和/或频谱。在一方面，该网关配备了蓝牙和NFC以及WiFi和蜂窝式CDMA/GSM标准。正如在其他物联网平台中常见的那样，通信网络在到达配备有处理和/或提供与数据交互的接口的计算网络之前，通常将经过一系列步骤或接口。
在一方面，网关将可编程指令传输到传感器舱。在另一方面，网关通过通信网络从计算网络接收可编程指令，其中该指令向网关提供更新和/或配置。在一方面，从传感器舱到网关，以及到计算网络的通信途径是双向的。在另一方面，从传感器舱到计算网络是单向的。在另一方面，只有部分网络是双向的，例如，网关和计算网络可以是双向通信的，而网关和传感器舱是单向配置的。传感器舱的某些方面可能有利于单向通信途径以及硬件的简化。而在其他方面，网关可以并入传感器舱，其中传感器舱执行网关和传感器舱的作用。
现在转向图1，本公开的用于监测基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅系统(100)的实施例的方框图。在这个实施例中，配有传感器的土工格栅系统(100)是使用例如物联网(IoT)平台建立的，该平台提供连接以及分析工具。物联网平台是一种多层技术，能够在物联网范围内直接提供、管理和自动化连接的设备。物联网平台可用于通过使用灵活的连接选项、企业级安全机制和广泛的数据处理能力将硬件设备/系统连接到云。
配有传感器的土工格栅系统(100)可以包括例如至少一个配有传感器的土工格栅(120)，例如安装在基底层中。根据不同的应用，基础设施基底层由不同的术语和层组成。例如，在路面基础设施中，基底或层可以由以下任何部分组成，从最接近表面的位置向下排列——面层、联结层、基层、底基层、压实的路基和天然路基。在这个实施例中，配有传感器的土工格栅(120)是相对于路面或道路基础设施安装在地下的。也就是说，配有传感器的土工格栅(120)被安装在地面(110)(例如，道路表面)和任何种类的下层(112)(例如，土壤、集料、面层、基层、底基层、道碴、底碴、路基)之下的地下。
配有传感器的土工格栅(120)包括土工格栅(122)，该土工格栅容纳一个或多个传感器(124)的排列。土工格栅(122)，在本示例性实施方案中是作为传感器“载体”的土工格栅或土工织物，可用于监测基础设施的健康、状况和/或状态。在一实施例中，土工格栅(122)是坦萨国际公司(Alpharetta,GA)提供的
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土工格栅，并参照2006年2月21日授权的题为“土工格栅或网格结构”的美国专利7,001,112进行描述。在另一实施例中，利用双轴土工格栅作为传感器载体。在其他方面，利用六边形土工格栅作为传感器载体。甚至在其他方面，土工织物嵌入有传感器并形成传感器载体。
在图1的实施例中，安装在土工格栅(122)上的各种传感器(124)实质上使土工格栅(122)成为“传感器融合点”。传感器(124)的数量、位置和/或类型可以根据使用的应用而变化。传感器(124)的示例类型包括但不限于温度传感器、水分传感器、湿度传感器、力传感器、弯曲传感器、应变计、加速度计、倾斜计、惯性测量单元(IMU)、声纳设备、图像采集设备、音频采集设备，以及用于特定应用的其他传感器类型。
为了从配有传感器的土工格栅(120)的一个或多个传感器(124)收集信息和/或数据，配有传感器的土工格栅系统(100)可以包括一个或多个接收器节点(130)，也被称为网关或网关节点。网关通过数据线或从配置到传感器(124)的无线通信组件接收来自配有传感器的土工格栅(120)的信息。在示例性实施方案中，传感器舱(105)被配置为容纳微控制器，其中微控制器被配置为接收来自配有传感器的土工格栅(120)的信号。
在某些方面，传感器舱(105)通过将计算能力带到系统的边缘构成物联网平台的组成部分，保护计算仪器、提供环境保护、提供电源、提供通信组件以及本文将描述的许多其他特征。在其他方面，传感器舱(105)完全并入网关(130)，也被称为网关接收器节点。在这样的实施例中，网关通过数据电缆、物理连接或通过连接到配有传感器的土工格栅(120)的通信适配器来接收来自土工格栅(122)的信号和信息。
在图1的实施例中，网关(130)通过一个或多个通信节点(132)，沿着一个或多个计算网络系统(134)，并通过一个或多个前端接口(136)向用户处理和传输来自传感器(124)的信号和信息。网关(130)沿着配有传感器的土工格栅(120)建立，通常连接到基础设施，例如杆、电话线杆、电线杆、塔、建筑物、电箱或其他能够容纳配备有无线或有线接收器和通信适配器的网关的基础设施，并且还能够被配置到多个配有传感器的土工格栅。
网关(130)可以接收来自传感器(124)、来自传感器舱(105)或来自配有传感器的土工格栅(120)的通信。不同结构可以被捆绑在一起，从而传感器(124)被配置到配有传感器的土工格栅(120)上并直接与传感器舱(105)连线，其中传感器舱(105)与网关(130)连线。在其他方面，它们可以被拆开，各自形成单独的整体部分，例如，传感器可以被连线到网关，其中，网关(130)执行传感器舱(105)的功能。在其他实施例中，网关(130)可以是，例如，与配有传感器的土工格栅(120)的一个或多个传感器(124)直接通信的本地子网络节点。
通信节点，也被称为通信网络(132)可以是例如本地子网络(例如网关130)和核心网络之间的中间环节，该核心网络然后被连接到计算系统(134)。前端接口(136)或用户接口可以是，例如，任何用户设备的任何用户接口。用户设备可以是，例如，任何计算设备(例如，服务器、台式电脑、笔记本电脑、平板设备、智能电话、智能手表、云计算设备等)。此外，这里的用户设备能够查看和/或显示能够描绘基础设施的状况和/或健康的软件平台。
配有传感器的土工格栅系统(100)中的通信可以通过任何有线和/或无线通信手段来形成网络，通过该网络可以与连接到网络的其他设备交换信息。通过配有传感器的土工格栅系统(100)收集和/或交换的信息和/或数据可以是来自一个或多个传感器(124)的任何信息和/或数据，其可能对监测和/或确定基础设施的健康、状况和/或状态有用，例如图1中所示的道路或路面之下的下部结构(112)。
图2说明了用于监测基础设施的健康、状况和/或状态的配有传感器的土工格栅基础设施的实施例。在这个实施例中，来自配有传感器的土工格栅(210)的一个或多个传感器(202)的信息和/或数据可以供应边缘数据收集和连接(205)，然后供应通信网络(240)，然后供应配置到用户界面和数据API的计算网络(250)。计算网络(250)然后提供分析和判断，以及某些基础设施的具体应用(例如，铁路、路面、堤坝)。
在本实施例中，传感器舱(220)是边缘数据收集和连接(205)设备，其可以放置在配有传感器的土工格栅(210)旁边或配置在其上。传感器舱(220)配置有微控制器(224)，其中微控制器配备有输入输出(I/O)接口，用于配置多个传感器，包括但不限于应变计、弯曲传感器、水分传感器、加速度计和温度传感器。根据本文公开的应用，特定的传感器将被利用，本领域的技术人员将知道给定传感器的适当应用。例如，温度传感器可能不会出现在气候受控的应用中，例如在气候相对平静的建筑基础设施下面。此外，当应变计足以满足材料成本和规模效率的要求时，可能不会使用弯曲计。是否安装特定的传感设备与给定的应用高度相关，更详细地描述了几个这样的实施例，但本文公开的任何传感器的组合可用于完成从土工格栅获取信息的任务。
安置在传感器舱(220)内的微控制器(224)进一步配置到电源和通信适配器(222)。在本实施例中，电源是电池，在其他实施方案中，电池可以连接到太阳能基础设施以提供充电源或以其他方式连接到电网。通信适配器(222)可以是微控制器的一部分，也可以是接口模块，此外，随着系统的规模和增长，可以配置各种通信适配器以适应系统的需要。传感器舱(220)处的通信适配器(222)可以硬接线到网关节点或网关接收器(230)处的通信适配器(232)。
在其他方面，传感器舱(220)上的微控制器(224)配置有通信适配器(222)，以传输来自配有传感器的土工格栅(210)上的多个传感器(202)的接收信号。传感器舱微控制器(224)将接收到的信号传输到网关(230)，其中网关通信适配器(232)接收信号并开始在网关微控制器(234)上利用基础设施处理引擎进行处理程序。基础设施处理引擎的一方面是利用一组参数，例如，处理引擎获取基础应变计测量值，并配置等于特定土工格栅的抗拉强度量的最大应变量。在这方面，应变计处理引擎可以通过通信网络(240)向计算网络(250)发送警报，以便向终端用户界面的用户呈现静态数据，并可以提醒工作人员到传感器位置进行维修。在其他方面，基础设施处理引擎可以在微控制器上执行，其中创建反馈回路来过滤传入信号。反馈环路可以获取先前的信号并取消这些信号，这样，被登记的异常情况就会被记录下来，并被发送到计算网络以进一步处理或通知。通常情况下，用户界面是通过运行在计算网络上的应用程序呈现的，如亚马逊网络服务TM、谷歌云服务TM或微软Azure云服务TM等。在包括微软Azure服务TM的计算网络的实施例中，服务器通过通信网络(240)从网关(230)或在某些情况下从传感器舱(220)接收信息，其中网络服务正在运行应用模块，也可能正在执行基础设施引擎或其他引擎，如警报引擎或健康和/或状况引擎。在另一实施例中，网关接收有关水分含量的信号，其中基础设施处理引擎被配置为多参数算法，例如，在季节性调整的时期内的平均水分含量可与温度和应变一起使用，以表明应调查基底层的侵蚀或冲刷的区域。这些实施例只是能够通过使用配有传感器的土工格栅来评估基础设施状况和/或健康的算法中的几个。
图3是配有传感器的土工格栅(300)的实施例的图示，该实施例包括土工格栅(310)，土工格栅(310)容纳水分传感器(340)、应变计(342)和温度传感器(344)的布置。在这个实施例中，传感器被固定或以其他方式安装在土工格栅(310)的网格或表面结构上。土工格栅(310)是三轴土工格栅，然而，在其他实施方案中，可以使用双轴土工格栅，或六边形土工格栅，或土工复合物或土工织物来将传感器固定在表面。对于土工织物，可以添加刚性部件，应变计或弯曲传感器可以粘附在其上，以获得更精确的读数。
在图3的实施例中，传感器舱(320)直接与一个或多个传感器连线，并且传感器舱(320)为一个或多个传感器提供电源。此外，电力和数据通信通常在同一条电缆或线路中传输到一个或多个传感器，通常一个或多个传感器是通过检测传感器上的电压变化而操作的。例如，在应变计(342)中，应变计包括引线、焊盘、电阻箔和仪表背板。其中，应变计测量的是与应变计的应变有关的电阻变化，往往是微小的变化。在本实施例中，多个应变计可用于分桥电路，以测量电阻的变化。这通常被称为惠斯通电桥配置，在该配置中，激励电压被施加在电路上，在电桥中间的两个点上测量输出电压。当没有负载作用于电桥时，它被称为平衡，输出电压为零。应变计下的材料的任何微小变化都会导致电阻随着应变计材料变形而变化。由于电阻的变化通常很小，可以添加放大器来加强信号的变化。然而，这种放大可能会引入增加的噪声，其中传感器舱(320)上的微控制器可以被配置为过滤掉，或者计算网络可以采用算法来适当处理信号噪声。
在另一实施例中(未显示)，安装的一个或多个传感器可以直接嵌入形成土工格栅(310)的结构件中。在这个实施例中，具有完全集成的传感器的土工格栅本身与所需的传感器一起挤出，而在其他实施例或实施方案中，传感器通过物理粘附，如夹子，或化学粘附，如环氧树脂或胶水粘合剂，粘附在表面。此外，通过各种方法向配有传感器的土工格栅(300)供电，包括但不限于：(1)从远离格栅布置的电源布线(例如，可以在边缘设备中)；2)电池系统(可能用于有限的寿命应用(即几年)，可以嵌入或放置在传感器舱(320)中，或配置在配有传感器的土工格栅(300)旁边)；或3)从机械振动产生动力的方法(例如压电式系统)；或者4)诸如太阳能发电阵列的电源，该电源被直接输入安置在传感器舱(320)内或与配有传感器的土工格栅(300)一起的电池。
配有传感器的土工格栅(300)并不限于利用土工格栅(310)来容纳传感器。在其他实施方案中，配有传感器的土工格栅(300)可以包括用于容纳传感器的任何类型的土工合成材料和/或土工织物。此外，在其他实施方案中，配有传感器的土工格栅(300)可以作为支持，因为各种传感器被放置在基础设施的层中。
图4A说明了配置在土工格栅上的传感器舱的实施例，其中传感器舱的顶部铸件被移除以显示内部微控制器。在图6中可以看到传感器舱的内部组件的其他图像。在图4A的实施例中，传感器舱包含微控制器和多条导线，以接收与一个或多个传感器的连接和通信。此外，在这个方面，我们可以看到传感器舱与土工格栅完全集成，因为它被固定并连接至在土工格栅的表面。在其他方面，传感器舱可以放置在土工格栅旁边，或者在更进一步的方面，传感器舱可以放置在与土工格栅一起运行的外部罩中。在这样的远程方面，传感器舱也可以采取网关节点或网关接收器所公开的属性，其中传感器舱配有蜂窝或网络通信，以传输来自一个或多个传感器的信息和或信号。
图4B说明了配置在土工格栅上的传感器舱的实施例，其中传感器舱被完全包裹在外壳中。外壳通常由金属或复合材料制成，成本低且耐用，足以抵御环境因素。在这个示例性实施方案中，传感器舱完全集成在土工格栅上，以这种方式，传感器舱可以在场外组装，并通过将土工格栅滚入现场以典型的方式放置到基础设施中。在其他实施方案中，当土工格栅被放置到基础设施中时，传感器舱在现场安装。在这方面，传感器舱配置有紧固件以固定在土工格栅的外表面。在其他方面，传感器舱可以放在土工格栅旁边，或者不固定位置。在这一方面，导线可以较长或盘绕，或由允许沉降或轻微移动而不与传感器舱脱钩的材料制成。
图5说明了配有传感器的土工织物(500)的实施例。其中，多个传感器(510)被配置在土工织物上。如前所述，土工织物是编织的或针织的，或两者的组合。在这个实施例中，传感器被集成到织物上，通过使用粘合剂将传感器粘在织物上。在其他实施方案中，传感器可以通过针织或编织传感器的方式集成到织物中。在更进一步的实施方案中，织物本身可以是传感器，其传感仪器嵌入到土工织物中。在图5的实施例中，配有传感器的土工织物(510)可以配置有肋或其他仪器，在上面安装应变计或弯曲传感器。在其他实施方案中，可以增加土工织物的厚度，以允许使用各种传感器和仪器进行测量。
现在转向图6。说明了传感器舱(600)的实施例，其顶部的保护盖被移除。可见的是印刷电路板(PCB)(610)和各种微控制器(620)，它们作为各种传感器的信号收集微控制器。在本示例性实施方案中，温度传感器的输入导线(612)位于图的左上方，作为温度传感器的输入。水分导线(614)和弯曲传感器导线(616)，以及应变计导线(618)在本示例性实施方案中也是可见的。在其他实施例中，可能只有一个传感器，在其他实施例中，可能有一个或多个，在进一步的实施例中，传感器被配置成用于应用的特殊配置。例如，在一方面可以提供水分和应变计，而在另一方面可以提供水分和温度。
如前所述，各种传感器和仪器操作以提供信息或传感数据，其中微控制器(620)处理并通过通信适配器通过有线或无线协议传输到网关节点或接收器，然后信息在网关节点或接收器中通过通信网络传输到计算网络，在计算网络中终端用户可以访问用户界面以查看来自传感器的实时信息。通常情况下，计算网络由先前公开的网络服务平台组成。沿着本示例性实施方案中的各个步骤，可以应用不同的算法来将从多个信号接收的信息结构化、过滤、排序、警报、准备、打包或以其他方式转换为用于计算处理的指令。
在图6的替代实施方案中，传感器舱(600)也可以包括网关节点或网关接收器的特征。其中，传感器舱配置有有线或无线连接，该连接通常将是蜂窝连接，以传输从一个或多个传感器接收的信息或信号。此外，微控制器可以被配置为计算基础设施的状况和/或健康，并且可以通过通信网络向计算网络发送信号或警报，在计算网络中终端用户可以接收该信号并发送工作人员或职工以调查和/或修复传感器检测到基础设施的状况和/或健康变化的位置。
图7是用于配有传感器的土工格栅的微控制器的示例性实施方案的组件图。需要注意的是，这里的嵌入式系统，如各种微控制器也可以配置为通用计算，反之亦然。本领域技术人员将认识到微控制器在各方面的重要性，以及在其他方面用通用计算机取代微控制器。
在图7的示例性实施方案中，微控制器(700)包括数个标准组件，以及数个独特的I/O特征。在其他实施方案中的微控制器可以是通用计算设备或特殊用途计算设备，或能够执行本文所公开的任何计算设备。微控制器配有定时器(712)，它在嵌入式系统中起着重要的作用，保持操作周期与系统时钟或外部网络时钟同步。此外，定时器可用于一些应用，如为保护电池而产生时间延迟的应用或控制采样率等。微控制器(700)配备有存储器(710)，其中包含存储系统(702)，该系统包括固态驱动器技术，或者也可以配备其他硬盘技术，包括用于存储计算信息的易失性和非易失性存储器。例如，基础设施处理引擎可以在长期存储系统(702)内托管关系型数据库或非结构化数据库中的数据表或信息。微控制器(700)的示例性实施方案的存储器(710)还包含随机存取存储器(RAM)(706)，它与用于缓冲流向处理单元(750)的指令的缓存(708)一起保存程序指令。在某些方面，基础设施处理引擎或其他引擎，如用于从多个传感器获取信号的引擎将驻留在RAM(706)中，因为指令是由处理单元(750)执行。因此，数据RAM是暂时用于存储常数和变量值的数据空间，这些常数和变量值在处理单元(750)的正常程序执行期间被微控制器(700)使用。与数据RAM类似，微控制器(700)上可能存在特殊功能寄存器，这种特殊功能寄存器的操作类似于RAM寄存器，允许读和写。特殊功能寄存器的不同之处在于，它们可以专门用于控制处理单元(750)之外的片上硬件。
在图7的实施例中进一步描述了应用模块(704)，因为它将被加载到微控制器(700)的存储器(710)中。典型的应用模块的实施例可以在许多消费电子产品中找到，包括玩具、相机、电器等。在我们的实施例中，应用模块(704)在传感器舱内加载传感引擎或检测引擎，用于从传感器系统(722)获取信号，该系统被配置到连接到土工格栅的一个或多个传感器。此外，传感器舱的微控制器(700)可以加载引擎，用于将传感器信息编译到数据库中，例如关系型数据库或非结构型数据库。同样，本实施例内所公开的微控制器(700)可以位于网关节点或节点接收器，并可以执行类似或额外的功能。甚至更进一步，传感器舱配置也可以包括硬件的网关配置，例如蜂窝数据服务和额外的处理引擎，或者反之亦然。
在图7的实施例中，处理单元(750)被配置到系统总线(716)，该总线提供了快速将数据移入系统并移至处理单元的数字信号途径。典型的系统总线(716)保持对三条内部总线或途径的控制，即数据总线、地址总线和控制总线。I/O接口模块(718)可以是任何数量的通用I/O，包括编程的I/O、直接内存访问和通道I/O。此外，在编程的I/O中，它可以是端口映射的I/O或内存映射的I/O或可以有效地处理从一个或多个传感器传入的信息或信号的任何其他协议。配置到I/O接口模块(718)的是外部设备(720)，其中这种设备可以是输入设备(744)，如PDA、平板电脑、智能手机或笔记本电脑，在其中可以与微控制器即插即用，用于诊断和信息输入，如固件、BIOS或软件更新。此外，本实施例中的传感器系统(722)包括弯曲传感器(724)，加速度计(726)，应变计(728)，温度传感器(730)，和水分传感器(736)。在其他实施方案中，可以只存在其中一个传感器，在更进一步的实施方案中，可以存在一个或多个传感器。此外，I/O接口能够与通用串行总线(USB)或其他类型的I/O接口，如控制器区域网络(也可以是网络适配器的一部分)对接。
在我们的示例性实施方案中，微控制器(700)进一步配置有网络适配器(714)，其中，网络适配器可以支持有线或无线连接。该网络适配器支持各种传输速率以及以太网或无线连接所带来的一些核心功能。这里的网络适配器既包括有线以太网，也包括无线或WiFi模块。此外，在其他方面，只有以太网模块是网络适配器(714)的一部分。在更进一步的方面，网络适配器(714)可能只包括WiFi模块。网络适配器(714)被配置为与通信网络(734)通信，该通信网络可以从网关节点或网关接收器开始，并沿着若干通信途径继续，以到达具有程序和用户界面的计算网络，在计算网络中终端用户可以查看或以其他方式可视化基础设施的当前状态、状况和/或健康。包括但不限于建筑基础设施、城市基础设施、道路和路面基础设施，以及铁路和轨道基础设施等。
现在参考图8，其中公开了配有传感器的土工格栅的物联网基础设施系统(800)的示例图。本实施例中的物联网基础设施系统(800)被设计为从配有传感器的土工格栅获取信息，沿着通信网络内的一系列通信途径将该信息传输到计算网络，在计算网络中终端用户能够访问、操纵、编码和利用源自配有传感器的土工格栅的数据。我们从边缘(825)开始讨论图8，其中边缘(825)是边缘网络，包含传感器舱(810)和网关(820)。传感器舱(810)被配置到配有传感器的土工格栅(未画出)，并与网关(820)通信，也被称为网关节点或网关接收器。网关(820)被配置为通过有线或无线方式与通信网络(830)通信。典型的通信网络(830)设备被说明，如蜂窝塔站点(832)也被称为蜂窝站点或蜂窝基站。蜂窝塔站点(832)是支持蜂窝的移动设备站点，天线和电子通信设备被放置在那里，通常是在诸如无线电桅杆、塔或其他高架结构上。蜂窝塔站点(832)的高架结构通常包括一套或多套发射器/接收器、数字信号处理器、控制电子设备、微控制器、GPS接收器和备用电源，以及保护设备的安全和包层。在图8的实施例中，网关(820)将蜂窝信号传输到蜂窝塔站点(832)，其中蜂窝塔站点(832)进一步将信号传输到计算网络(840)，最终传输到终端用户或用户界面。可以在计算网络上运行应用程序，以显示来自所接收的信号的健康和/或状况，或者可以有本地通用计算设备，其从计算网络接收信息并显示信息或为终端用户处理信息。
继续在图8的实施例中，通信网络(830)还可以包括小蜂窝(834)，其中小蜂窝是低功率蜂窝无线接入节点，其在许可和非许可频谱中运行，并且可以具有10米到几公里的范围。小蜂窝在某些边缘(825)应用中很重要，在这些应用中，与蜂窝塔(832)的距离可能很远。此外，小蜂窝对蜂窝带宽特别重要，因为信号密度增加，未经许可的频谱可以减少负荷，并提供网络区域内的效率。此外，在我们的示例性实施方案中，分布式天线系统(DAS)(836)可以是通信网络(830)的一部分。在DAS中，空间上分离的天线节点的网络被连接到共同的源，以在采样地理区域或结构内传输无线服务。在本公开的实施方案中，在涉及建筑基础设施或城市基础设施的情况下，可以利用DAS。图8不是物联网平台或通信网络(840)的全面视图，许多其他技术可以被利用，如有线、同轴或光纤传输。此外，诸如卫星和微波传输的实施方案，以及标准的射频可以包括本公开的任何方面，这将是本领域的技术人员所知道的。
现在转向图9，其中强调了适用于本公开内容的多个传感器的实施例。此外，这里是示例性传感器，其他传感器，如压力传感器、湿度传感器、紫外线辐射传感器和雷电探测器也可适用。在图9A中，说明了弯曲传感器的实施例。弯曲传感器或弯传感器被设计用来测量偏转或弯曲的量。典型的弯曲传感器类似于可变电阻器，在弯曲时改变电阻的大小。弯曲传感器的结构通常包括酚醛树脂基底，在该基底上放置导电油墨，并沿着导电油墨的路径放置分段半导体。存在其他的弯曲传感器的实施方案，其原理仍然是相同的。在图9B中，公开了加速度计的实施例。加速度计是测量主体在其自身瞬时静止框架下的速度变化率的工具。这种类型的加速度与固定坐标系中的方向性加速度不同。本公开包括使用多个加速度计相互协调，并测量彼此之间的差异。例如，一个加速度计可以放置在一个轨道上，而在对面的轨道上放置另一个加速度计。同样，在物联网系统内，加速度计可以在配有传感器的土工格栅上进行协调，以形成整个系统的“地图”或观察，甚至帮助跟踪沿系统的移动。在图9C中公开了温度传感器的实施例。在这个实施例中，公开了电阻温度计，其中有一段细线缠绕在陶瓷芯或玻璃上，细线测量电阻/温度关系。其他温度传感器也适用，包括红外线、水银、数字等。在图9D中，说明了水分传感器的实施例。在示例图中，两个暴露的垫作为探针，充当可变电阻。基底、层或土壤中的水越多，两个垫之间的导电性就越好，从而降低了电阻。水分传感器的其他实施方案是可用的，本公开只是众多可供商业购买的水分传感器中的一个实施例。在图9E中，说明了应变计的实施例。如前所述，应变计测量材料的应力或应变。当力被施加到应变计的主体上时，主体发生变形，这种变形被称为应变。更具体地说，应变(∈)被定义为长度的分数变化，公式如下：
Figure BDA0003868879120000251
另一种类型的应变是剪切应变，它是对角度变形的测量。剪切应变可以通过被称为泊松应变的现象直接测量。
Figure BDA0003868879120000252
进一步说，有两种类型的应力，一种是施加在材料上的法向应力或负荷，以及材料承载负荷的能力，另一种是与法向应力平面平行的剪切应力。这两种配置在本公开内容中都有，在示例性实施方案中，我们将看到一个或多个应变计的组合，用于检测多个平面的应变和剪切。
现在转向图10，其中提供了用于监测基础设施的状况和/或健康的方法的示例的流程图。在该示例方法中，我们首先分布传感器(1000)，典型的是分配在配有传感器的土工格栅、土工织物(或其他土工复合物)中，然而，也公开了其他实施方案，如将传感器分布在未连接到土工格栅的基础设施层中。此外，传感器的类型和数量取决于特定的使用情况。在一实施例中，一个或多个传感器，甚至是同一类型的传感器(如多个应变计)，被利用在阵列中，为给定的基础设施提供可能的最准确的读数。继续，在我们的实施例中，我们接收来自分布式传感器(1002)的信号，通常是由位于物联网网络边缘的传感器舱或网关，并在沿通信途径传输信号或信息之前作为收集和存储设备。接下来，在一实施方案中，我们处理来自传感器的信号(1004)或信息。在一实施方案中，这是在传感器舱完成的，在另一实施方案中，这是在网关节点或网关接收器完成的，而在另一实施方案中，这是在终端用户附近的计算网络或通用计算机完成的。如上所述，处理信号(1004)操作可以在系统内的任何计算方面或在系统内的多个点发生。在一方面，传感器舱可以处理信号(1004)，并应用过滤器(1006)，其中过滤器去除从一个或多个传感器收到的噪音或无关信息。在另一方面，传感器舱可以处理信号(1004)并将信号转发给网关节点或计算网络以应用过滤器(1006)。在其他实施方案中，可能会发生独立成分分析以隔离信号，在其他实施方案中，可能会进行主成分分析以进一步细化信号。值得注意的是，许多算法被用来过滤信号和/或清理从传感器接收的数据，在这个实施例中，我们讨论了一些众所周知的方法，但其他方法也适用，使传感器产生可理解的读数和信息。接下来，与处理信号(1004)一起，传感器舱、网关或计算网络可以将基础设施处理引擎(1008)应用于从一个或多个传感器收到的数据。在这个实施例中，基础设施处理引擎处理从传感器接收的数据，并产生终端用户可以采取措施的信息。这可以是警报、信息、通知的形式，或者以其他方式处理数据，如果一个或多个传感器超过了特定的阈值，则产生指示。例如，如果水分传感器显示高于平均电导率，并且应变计显示的应变或电阻不断增加，超过了应变计的移动日平均值。此外，其他传感器可用于验证数据的真实性，如加速度计，例如，火车在轨道上经过或汽车在路面上经过可能会导致应变计在恢复正常电阻之前暂时增加，安装在轨道上的加速度计可以检测到火车经过，并帮助过滤数据或帮助处理引擎解释数据。
继续讨论图10的示例性基础设施处理引擎(1008)的步骤和方法的叙述。其中，基础设施处理引擎(1008)通过一个或多个传感器确定道碴或底碴(1010)中是否存在过量移动。接下来，基础设施处理引擎(1008)获得第二参数，其中，它确定基础设施的道碴和/或底碴中是否有过量水分(1012)。最后，基础设施处理引擎(1008)使用前两个参数来确定路基变形的大小(1014)以及是否应该调查基础设施的状况和/或健康(1020)。现在，在处理信号(1004)之后，经处理的信号通过通信网络(1016)传输到计算网络，其中计算网络接收信号(1018)并可执行额外的处理或将基础设施处理引擎(1008)或其他类似引擎应用于从传感器接收的信息。在其他方面，过滤信号和基础设施处理的应用发生在远离物联网平台边缘的计算网络。在其他方面，过滤和处理发生在网关节点或传感器舱本身内。在各种实施例中，结果是关于基础设施的健康和/或状况或各种基础设施的状态的信息，而不需要外勤探员或实际检查基础设施。本公开在整个系统中提供了智能，并允许配有传感器的格栅将可操作的信息传达给最终用户，后者可以根据可操作的信息对特定块的基础设施采取措施。
现在转向图11，这是用于监测基础设施的状况和/或健康的方法的实施例的流程图。在这个实施例中，首先将配有传感器的土工格栅安装在基础设施的下部结构中(1100)。下部结构可以是基础设施低于主要的表面结构如面层的任何结构。下部结构的实施例包括但不限于：道碴、底碴、粘合剂、基层、底基层、压实的路基和天然路基。在安装之后，建立网络通信，将配有传感器的土工格栅连接到计算网络(1110)。这可以通过连接或配置到配有传感器的土工格栅的传感器舱，或通过连接到土工格栅并通过有线或无线方式进一步配置到通信网络的网关或网关节点/接收器来完成。接下来，来自配有传感器的格栅的信息或数据被计算网络监测(1120)。监测包括分析来自配有传感器的土工格栅的信息和/或数据，以确定基础设施的健康、状况和/或状态，也包括下部结构(1130)的特定区域。最后，从配有传感器的土工格栅收集的信息中，将预防和/或补救行动或措施应用到各自的下部结构(1140)。
在图12中，说明了用于监测基础设施的状况和/或健康的方法(1200)的实施例的顺序图。传感器通过以线性方式采样产生信号(1202)，经常是时间序列数据格式(1214)，在其他实施方案中，数据可以随机采样或通过算法手段采样。接下来，如果需要进行模数转换，传感器舱接收并可以转换/解释(1204)信号。接下来，传感器舱将信号信息或数据传输到网关，其中，网关沿通信网络(1206)传输信息。通信网络(1206)将来自传感器和来自网关的信息和/或数据传输到计算网络(1208)。其中，计算网络分析(1210)该信息或数据，并在用户界面上显示该信息或数据。在示例性实施方案中，公开了以下公开内容：从连接到计算网络的用户计算机或用户界面上的输入设备向网关或传感器舱传输可编程指令(1216)。在这样的实施方案中，用户可以向软件或应用程序提供更新，实施例包括固件或传感器更新，或通过通信网络向各种边缘硬件设备(传感器、传感器舱、网关)的一个或多个处理引擎更新。
继续看图12，在没有从传感器收到信号(1212)的情况下，传感器舱将继续尝试捕获信号(1220)。同样，在网关没有收到信号(1222)的情况下，网关可以提醒计算网络，以便对传感器舱和/或传感器进行调查。此外，如果网关没有收到来自传感器舱或通信网络的通信，它可以缓存数据或以其他方式存储它，直到通信恢复(1224)。同样，如果传感器舱失去了与网关的连接，它也可以经历同样的程序，它可以缓存或以其他方式存储来自一个或多个传感器的信号信息。在示例性实施方案中，可以根据在通信丢失可能导致服务或信息丢失的关键区域提供警报的系统内的内置程序和协议，派遣团队或人员调查网关(1230)、或传感器舱(1232)、或传感器(1234)。
将重点转移到轨道和基础设施的实施方案。在图13A中，说明了轨道基础设施的示例性实施方案。此处定义的各种层或基底是示例，在实践中，层的定义可能不同或难以确定。轨道基础设施的其他组件可能包含道碴肩、排水管、轨枕、垫板和其他层和/或组件。此外，许多层可以重复和/或包括各种额外的组件，重点仍然是通过配有传感器的土工格栅监测基底，这里的实施例只是本公开内容所包含的一些配置。轨道基础设施(1300)说明了轨道(1310)以及道碴层(1320)、底碴层(1330)和路基层(1340)。这些层共同构成了轨道基础设施的一实施方案，说明轨道基础设施(1300)处于良好的健康和状态。在图13B中，说明了轨道基础设施中的冲刷状况或侵蚀或损坏(1350)的实施例(1302)。更特别的是，轨道基础设施的冲刷状况或侵蚀或损坏已经发生在路基(1340)。侵蚀或冲刷通常发生在软土或其他层因水或机械力而破裂时，通常是在大雨、山洪或水体泛滥时。山区和缺乏植被来加固沉积物的地区可能会出现额外的冲刷或侵蚀情况。铁路和轨道基础设施的冲刷情况可能难以定位，甚至可能使铁路悬浮在地面上，增加潜在事故的机会。因此，配备本文所公开的配有传感器的土工格栅，以检测轨道基础设施中哪怕是微小的变化，这些变化可能无法通过目视检查得知，并分析这些变化，以便进行生命周期维护、修理和/或干预。
在图14A-B中，说明了具有配有传感器的土工格栅的轨道基础设施的实施例(1400，1402)。在图14A中，配有传感器的土工格栅(1440)被置于路基层(1450)之上。在图14B中，配有传感器的土工格栅(1440)被置于底碴层(1430)之上。配有传感器的土工格栅(1440)在基础设施中的位置取决于铁路和轨道基础设施的结构以及特定的应用。在其他方面，几个配有传感器的土工格栅，或配有传感器的土工格栅和有传感器的土工织物，甚至在其他情况下，普通的土工格栅和配有传感器的土工织物被组合起来，形成“传感层”，其中土工格栅或土工织物上的一个或多个传感器接收有关轨道基础设施的信息，并将该信息传输到远离物联网边缘的计算网络，以便进一步处理和监控。与前面的图类似，轨道(1410)被放置在道碴材料(1420)上。道碴材料(1420)将轨道固定到位，通常由碎石组成，尽管也可以使用其他不太合适的材料，如烧焦的粘土。轨道道碴的适当厚度取决于轨枕(未显示)的大小和间距、交通量以及其他各种因素，如土工格栅支撑的基础设施或下层。底碴(1430)通常是比道碴(1420)更小的碎石，旨在支持道碴(1420)并减少来自底层支持结构的水的进入。在本实施例中，配有传感器的土工格栅(1440)配备有水分传感器和应变计和/或弯曲计，可以预测来自下部结构中进水的污损。水分传感器可以配备在时间序列的基础上进行感应，其中计算网络和应用模块可以有季节性的平均数或波动，并使用以前的信息来建立或开发轨道基础设施的特定区域和/或位置的模型。
在图15A-B中，说明了具有冲刷状况的配有传感器的土工格栅轨道基础设施。在图15A中，冲刷状况或侵蚀或损坏已经发生在路基层(1550)内。路基(1550)通常是放置基础设施的天然材料。如果天然材料不能支持应用，路基(1550)可以被压缩或与其他集料混合来加固。在图15B中，在底碴层(1530)发生了侵蚀或冲刷或损坏。侵蚀发生的位置是配有传感器的土工格栅使用一个或多个传感器的表现的一个实施例。例如，在图15A的实施方案中，配有传感器的土工格栅(1540)可能会经历来自缺失的路基层(1560)的应变，其中应变计传感器将突出增加的阻力，此外，如果配备了弯曲传感器，弯曲传感器也可以验证由于冲刷状况而增加的土工格栅的弯曲。图15A中的冲刷，在一个实施例中，由于路基的损失，可能会在土工格栅中产生凹形弯曲，凹形弯曲将增加弯曲传感器的读数，并产生信号，提醒轨道基础设施的健康和/或状况的变化。在其他实施方案中，图15A中的凹形弯曲可以在应变计中产生阻力，并产生描述配有传感器的土工格栅上的应变的信号。本领域的技术人员将立即认识到向轨道基础设施赋予智能的好处，进一步节约成本和避免伤亡，增加了对本文所公开的这种应用的需求。在图15B中，冲刷状况或侵蚀或损坏(1560)可能会消除土工格栅顶部的压力或力，它甚至可能导致凸形弯曲，其中应变计和弯曲传感器可以提醒配有传感器的土工格栅(1540)上的这种力。此外，水分传感器可以指示由于冲刷导致的水分增加，并进一步指示轨道基础设施的健康和/或状况。
类似地，在图16A-B中说明了对配有传感器的轨道(1630)的额外冲刷或侵蚀或损坏(1660)。轨道(1610)由道碴(1620)固定，由此，在图16A的实施例中，配有传感器的土工格栅(1630)被放置。在这个实施方案中，配有传感器的土工格栅(1630)被放置在底碴之上，并描述了利用“传感层”的用途，即在铁路和轨道基础设施的多个位置的配有传感器的土工格栅。与图15A-B类似，冲刷状况或侵蚀或损坏可能发生在整个轨道基础设施的不同点。土工格栅的半刚性结构允许以类似“网”的方式感受到力和变化，因此，即使传感器没有直接放置在侵蚀点上，它们也会检测或感知基础设施的变化。在图16A中，冲刷(1660)发生在底碴层，导致在配有传感器的土工格栅上形成凹形的力。这些力可由一个或多个传感器检测并从边缘硬件传输到计算网络，其中终端用户(通过软件应用程序或平台)可采取预防或补救措施或对轨道基础设施的健康和状况的变化发出警报。
在图17A中，多个配有传感器的土工格栅(1730)被放置在轨道基础设施中。轨道路轨(1710)由道碴(1720)固定，其中放置了第一配有传感器的土工格栅(1730)，接着是底碴(1740)和第二配有传感器的土工格栅(1730)，它被放置在路基之上。在这个实施例中，多个配有传感器的土工格栅提高了读数的灵敏度，并允许额外的数据和冗余。此外，这样的安排可能对非常重要的区域有利，例如在铁路车站，其中增加和重复的应力可能会使基础设施更快疲劳。
在图17B中，说明了铁路和轨道基础设施(1702)中的配有传感器的土工格栅的边缘基础设施的实施例。轨道路轨(1710)被安置在道碴(1720)的顶部，其中在示例性实施方案中描绘了传感器舱(1760)的多个位置。传感器舱(1760)可以安放在铁路轨枕或上部基础设施上，以便于访问和通信。此外，正如本文其他实施方案和公开的内容(图4)所见，传感器舱(1760)也可以配置在配有传感器的土工格栅(1740)本身。传感器舱(1760)的位置将随轨道安装而变化，然而，在其他实施例中，配有传感器的土工格栅与传感器和传感器舱一起制作，以允许快速安装。网关节点(1770)或网关接收器被配置有到传感器舱的直接连接，如以太网或数据电缆或同轴电缆。网关节点(1770)或网关接收器被配置为以有线或无线方式传输到通信网络(1780)，其中传感器信息被转发到计算网络以进一步监测和分析。
在图18A中，传感器舱(1850)被描绘为被网关节点(1860)取代，其中，网关节点(1860)提供用于接收来自传感器的信息的导线和配置的输入和保护。在这个实施例中，网关和传感器舱能够被结合起来，其中传感器舱可以具有网关的属性，因此传感器舱可以被配备为通过蜂窝传输与通信网络通信。边缘系统也可以被分解成更多的组成部分。在另外的实施例中，网关接收器可以有来自传感器舱的一个有线接收器和来自有线接收器的无线接收器。在前面的实施例中，可以构建一系列网关接收器，以提供从传感器到通信网络的信息传输。
在图18B中，说明了配有传感器的轨道基础设施的立视图。传感器(1830)可包括在轨道轨枕上的加速度计，该加速度计允许检测轨道上的振动，其中对振动的检测可允许在列车通过时进行过滤，因此过滤掉错误的应变或弯曲。在这个实施方案中，各系统可以相互参照，基础设施处理引擎的一部分可以使用一个传感器来清理或过滤另一个传感器的数据。传感器舱(1820)被描述在道碴的顶部，便于访问罩进行升级和设备验证。此外，在本实施方案中，传感器舱的顶部可以配备太阳能基础设施，用于为可充电电池供电，为传感器舱(1820)中配备的传感器和微控制器供电。在其他实施方案中，轨道中的机械力或振动可以提供压电电荷，向为传感器舱微控制器和传感器供电的电池提供电荷。在其他方面，例如在电力驱动的火车和铁路上，传感器舱可以直接接入电网来接收电力。在进一步的方面，电池的配备可以持续传感器舱单元的使用寿命，在更换时间将更换整个单元。进一步，在图18B中，传感器舱(1820)配备有允许传输到通信网络(1830)的蜂窝通信，其中来自传感器的数据被发送到计算网络。
在图19中，流程图说明了用于监测轨道基础设施的状况和/或健康的方法的实施例。在一方面，在轨道基础设施(1900)内安装配有传感器的土工格栅。作为轨道基础设施的一部分，配有传感器的土工格栅被赋予了一个或多个传感器和接收一个或多个传感器产生的信号的传感器舱或网关的形式的智能。接下来，在轨道基础设施中配有传感器的土工格栅和后端计算网络(1910)之间提供了通信连接。接下来，这里的用户和系统监测从配有传感器的土工格栅接收的信息(1920)。在监测中，程序或用户分析来自配有传感器的土工格栅的信息和/或数据，并确定轨道基础设施的健康、状况和/或状态(1930)。有时，需要进一步发现，分析过程可能会引导到额外的信息收集。最后，如果有必要，可以对轨道基础设施(1940)采取预防和/或补救措施，包括补救冲刷或侵蚀状况。此外，在其他实施方案中，轨道基础设施的生命周期维护可由来自配有传感器的土工格栅的信息指导或指示。
将重点转移到用于路面和道路基础设施的配有传感器的土工格栅。图20是路面或道路基础设施上的示例性力的说明。力的分布以及方向性的力是对路面和道路基础设施的持续磨损。许多设施对现代经济至关重要，长期以来一直寻求对路面和道路基础设施的可靠检测和维护。路面基础设施内的配有传感器的土工格栅使多个传感器能够监测路面基础设施的状态、健康和/或状况，而不必使用专门的设备和/或可能导致进一步劣化的措施，如钻孔或穿透表面。
图21-23公开了路面和道路基础设施中配有传感器的土工格栅的系统和方法的实施方案。在图21A中，说明了路面基础设施的实施例。面层(2110)是与交通负荷和力接触的顶层。面层(2110)的特征包括摩擦力、平滑度、噪音控制、抗车辙和排水。此外，面层(2110)通常被设计为防止排水到下层，以控制侵蚀和冲刷。面层通常包括沥青或与粘结剂混合的集料，如与沥青材料混合的矿物集料。基层(2120)是紧挨着面层(2110)的那一层，它通常提供力的分散并协助排水。基层(2120)通常包括碎石、碎渣、破碎或回收的砾石、和沙子，或这些材料的组合。通常情况下，在面层(2110)和基层(2120)之间会有过渡层，如联结层。底基层(2130)主要作为结构支撑，通常包括最低质量的材料。底基层(2130)通常是由当地的土壤或场地土壤和环境制成。这里的实施例并不详尽，对道路和路面基础设施的许多品种的层和涂层是可能的，并且将是本领域技术人员已知的。
图21B是来自轮胎(2140)对路面基础设施的力的图示(2102)。在该实施例中，来自轮胎的力冲击各层，并显示出由应力和应变形成的劣化(2150)。最终，当由于底基层(2130)的损失或通过面层(2110)或基层(2120)的不当排水而发生凹陷时，可能会发生冲刷或其他损害，产生车辙和通道，增加车辆的风险和损害。此外，交通量和/或负荷可以增加水土流失，因为支持土壤因重复的应力和力而移位。这通常会导致裂缝的发生，有时会增加地下水分(本公开的可检测方面)，以及增加配有传感器的土工格栅上的应变和/或弯曲。甚至更进一步，温度、路面基础设施内的水的冻融循环可能进一步增加对配有传感器的土工格栅的侵蚀和力。
在图22A-B中，公开了配有传感器的路面和车辆基础设施的示例性实施方案。在图22A中，配有传感器的土工格栅(2220)被配置在路基层(2240)内。在其他实施方案中，配有传感器的土工格栅(2220)可以布置在基层(2120)中。在其他实施方案中，配有传感器的土工格栅(2220)可以布置在混合层中，并且可以不被集料或材料明确界定。在一方面，配有传感器的土工格栅(2220)配置有刚性构件，可以在刚性构件中配置应变计和弯曲传感器以提供输入。在其他方面，路面的状态和健康和/或状况被配置为配有传感器的土工格栅的参数，从而提供关于从路面基础设施内的传感器获得的信息的实时数据。
在图22B中，轮胎(2250)向路面基础设施施加力的实施例，其中持续的力已经引起了冲刷或其他变形，说明了路面的削弱和破裂以及由此产生的对配有传感器的土工格栅(2220)的力。在这个实施例中，这些力已经造成了凹形弯曲，其中，配有传感器的土工格栅可以检测到这种力，并报告路面基础设施上的应变或弯曲。在这个实施例中，监测和分析可以用来防止对路面基础设施的进一步伤害，也可以作为路面基础设施日常维护的一部分来完成。这些图示只是几个实施例，是力如何使配有传感器的土工格栅变形并允许检测或改变路面和道路基础设施的健康和/或状况的示范。
图23是用于监测路面基础设施的状况和/或健康的方法的实施例的流程图。首先，在图23的实施例中，在路面基础设施(2300)中安装配有传感器的土工合成材料层。该土工合成材料层可以是土工格栅、土工织物或其他土工复合物/土工聚合物。此外，土工格栅可以是多轴的，刚性部件可用于放置各种传感器，如应变计和弯曲传感器。继续在我们的实施例中，在路面基础设施内的配有传感器的土工格栅与计算网络之间提供通信连接(2310)，其中计算网络可以布置在云计算环境或本地计算环境中。此外，计算网络能够承载应用程序、网络应用程序、动态服务器小程序或任何其他应用程序，以呈现来自关系或非结构化数据库的信息。来自路面基础设施内配有传感器的土工格栅的信息被监测(2320)和分析(2330)，以确定路面基础设施的健康、状况和/或状态。最后，如果有必要，可以对路面基础设施采取预防措施和/或补救措施。补救措施可以包括修复和更换路面基础设施的部分，以及补救和恢复基础设施。此外，在额外的实施例中，生命周期监测和分析被收集并用于对已安装的路面进行额外的监测，包括创建诸如价值指数的参数，确定优先等级和磨损，以及在路基强度和其他属性和特征上对不同区域进行评级。
现在参考图24。在图24中，说明了来自计算网络的用户界面的示例性实施方案。用户界面通常会弹出传感器信息、示意图、图表、警报、消息和与配有传感器的格栅和本文公开的基础设施的状态、状况和/或健康有关的其他信息。用户界面是可以对感兴趣的下部结构采取预防和/或补救措施的地方。例如，根据计算网络和最终用户执行的分析结果，可能会发生某些预防性维护、某些维修和/或下部结构的某些更换。还考虑到可以监测其他分析参数，如生命周期分析(即，根据设计寿命假设，结构还剩下多少寿命)。这些类型的分析在资本规划中可能是有用的，因此目前的系统不仅仅被设想为维护工具，而且还可以被普遍用作资本和运营规划工具。
按照长期以来的专利法惯例，术语“一”、“一个”和“所述”在本申请中包括在权利要求书中使用时，指的是“一个或多个”。因此，例如，对“一个主体”的提及包括多个主体，除非上下文明显相反(例如，多个主体)，等等。
在本说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”和“含有”是在非排他性意义上使用的，除非上下文另有要求。同样，术语“包括”及其语法变体意在非限制性的，因此在列表中叙述项目并不排除可以替换或添加到所列项目中的其他类似项目。
就本说明书和所附权利要求书而言，除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的表达数量、大小、尺寸、比例、形状、配方、参数、百分比、量、特征和其他数值的所有数字都应理解为在所有情况下被术语“约”所修饰，即使术语“约”可能没有明确伴随数值、数量或范围出现。因此，除非有相反的说明，以下说明书和所附权利要求书中列出的数值参数不是也不需要是精确的，而是可以是近似的和/或根据需要更大或更小，反映出公差、转换系数、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素，取决于本公开的主题所寻求获得的理想特性。例如，当提及数值时，术语“约”可意指包含以下变化，在一些实施方案中为±100％，在一些实施方案中为±50％，在一些实施方案中为±20％，在一些实施方案中为±10％，在一些实施方案中为±5％，在一些实施方案中为±0.5％，以及在一些实施方案中为±0.1％，只要此类变化适合于执行所公开的方法或使用所公开的组合物。
此外，当与一个或多个数值或数值范围相关联时，术语“约”应理解为指所有此类数值，包括范围内的所有数值，并通过扩展所规定的数值上方和下方的边界来修改该范围。通过端点对数值范围的叙述包括所有数值，例如整数，包括其分数，归入该范围(例如，对1至5的叙述包括1、2、3、4和5，以及其分数，例如1.5、2.25、3.75、4.1等)以及该范围内的任何范围。
尽管为了清楚地理解，已经通过说明和实施例的方式对上述主题进行了一些详细描述，但本领域的技术人员将理解，在所附权利要求的范围内可以实施某些改变和修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于路面基础设施监测的系统，包括：
路面基础设施；
配有传感器的土工格栅，其中所述配有传感器的土工格栅置于所述路面基础设施中；
微控制器，其中所述微控制器从所述配有传感器的土工格栅接收信号；
传感器舱，配置到所述配有传感器的土工格栅，其中所述传感器舱容纳所述微控制器；和
通信网络，其中所述通信网络将接收到的信号从所述微控制器传输到计算网络。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述配有传感器的土工格栅是配有传感器的土工织物。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述配有传感器的土工格栅置于路基之上。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括置于所述路面基础设施的多个基底层中的多个配有传感器的土工格栅。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括网关，其中所述网关配置为从所述配有传感器的土工格栅接收信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算网络进一步配置到用于解释所述接收到的信号的软件平台。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算网络进一步配置到用户界面。
8.一种用于监测路面基础设施的健康、状况和/或状态的方法：
在路面基础设施中安装配有传感器的土工格栅；
提供从所述配有传感器的土工格栅到计算网络的通信连接；
监测从所述配有传感器的土工格栅传输的信息；
分析来自所述配有传感器的土工格栅的信息，其中分析是用基础设施处理引擎处理所述信息；和
在所述信息中识别所述路面基础设施的健康、状况和/或状态的变化。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括对所述路面基础设施采取预防措施和/或补救措施。
10.根据权利要求8所述的方法，其中安装配有传感器的土工格栅是在所述配有传感器的土工格栅的表面放置应变计，以检测所述配有传感器的土工格栅上的应变。
11.根据权利要求8所述的方法，其中安装配有传感器的土工格栅是在所述配有传感器的土工格栅的表面放置弯曲传感器，以检测所述配有传感器的土工格栅上的弯曲。
12.根据权利要求8所述的方法，其中监测信息是通过检测超过阈值参数的信息进行的。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述基础设施处理引擎与多个配有传感器的土工格栅进行通信。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括对路面基础设施的变化发出警报，其中发出警报是向用户发送通知，路面基础设施正经历健康、状况和/或状态的变化。
15.根据权利要求8所述的方法，还包括通过所述配有传感器的土工格栅检测路面基础设施的路基的冲刷状况。
16.根据权利要求8所述的方法，还包括通过所述配有传感器的土工格栅检测路面基础设施的基层的冲刷状况。
17.根据权利要求8所述的方法，还包括通过所述配有传感器的土工格栅检测路面基础设施的联结层的冲刷状况。
18.一种用于路面基础设施智能的系统，包括：
路面基础设施，包括：
面层；
基层；
配有传感器的土工格栅；和
路基材料；
边缘数据收集基础设施，包括：
微控制器，配置到所述配有传感器的土工格栅以接收信号；
传感器舱，其中所述传感器舱配置到所述配有传感器的土工格栅并向所述微控制器提供保护；
网关，配置到所述微控制器以提供通信；以及
计算设备，配置为从所述网关接收信息。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括配置到所述计算设备的用户界面，其中所述用户界面显示从所述网关接收到的信息。

Claims (21)

1.一种用于路面基础设施监测的系统，包括：
路面基础设施；
配有传感器的土工格栅，其中所述配有传感器的土工格栅置于所述路面基础设施中；
微控制器，其中所述微控制器从所述配有传感器的土工格栅接收信号；和
通信网络，其中所述通信网络将接收到的信号从所述微控制器传输到计算网络。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述配有传感器的土工格栅是配有传感器的土工织物。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述配有传感器的土工格栅置于路基之上。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括置于所述路面基础设施的多个基底层中的多个配有传感器的土工格栅。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述配有传感器的土工格栅还包括传感器舱，其中所述传感器舱容纳所述微控制器。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括网关，其中所述网关配置为从所述配有传感器的土工格栅接收信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算网络进一步配置到用于解释所述接收到的信号的软件平台。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算网络进一步配置到用户界面。
9.一种用于监测路面基础设施的状况和/或健康的方法：
在路面基础设施中安装配有传感器的土工格栅；
提供从所述配有传感器的土工格栅到计算网络的通信连接；
监测从所述配有传感器的土工格栅传输的信息；
分析来自所述配有传感器的土工格栅的信息，其中分析是用基础设施处理引擎处理所述信息；和
在所述信息中识别所述路面基础设施的状况和/或健康的变化。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括对所述路面基础设施采取预防措施和/或补救措施。
11.根据权利要求9所述的方法，其中安装配有传感器的土工格栅是在土工格栅材料的表面放置应变计，以检测所述土工格栅上的应变。
12.根据权利要求9所述的方法，其中安装配有传感器的土工格栅是在土工格栅材料的表面放置弯曲传感器，以检测所述土工格栅上的弯曲。
13.根据权利要求9所述的方法，其中监测信息是通过检测超过阈值参数的信息进行的。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述基础设施处理引擎与多个配有传感器的土工格栅进行通信。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括对路面基础设施的变化发出警报，其中发出警报是向用户发送通知，路面基础设施正经历状况和/或健康的变化。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括通过所述配有传感器的土工格栅检测所述路面基础设施的路基的冲刷状况。
17.根据权利要求9所述的方法，还包括通过所述配有传感器的土工格栅检测所述路面基础设施的基层的冲刷状况。
18.根据权利要求9所述的方法，还包括通过所述配有传感器的土工格栅检测所述路面基础设施的联结层的冲刷状况。
19.一种用于路面基础设施智能的系统，包括：
路面基础设施，其中所述路面基础设施包括：
面层；
基层；
配有传感器的土工格栅；和
路基材料；
微控制器，配置到所述配有传感器的土工格栅；
网关，配置到所述微控制器以提供通信；以及
计算设备，配置为从所述网关接收信息。
20.根据权利要求19所述的系统，还包括配置到所述计算设备的用户界面，其中所述用户界面显示从所述网关接收到的信息。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述配有传感器的土工格栅配置到传感器舱。
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