2017年度山东省科学技术奖申报项目公示材料

2017年度山东省科学技术奖申报项目公示材料一、项目名称：道路结构状态与环境参数检测成套装备二、推荐单位（专家）意见：我单位认真审阅了该项目推荐书及其附件材料，确认全部材料真实有效，完成人、完成单位排序无异议，相关栏目均符合山东省科学技术奖励委员会办公室的填写要求。按照要求，我单位和项目完成单位都已对该项目的拟推荐情况进行了公示，公示期无异议。本项目在路面层间动力状态受力精控水平、道路层面响应参数智能采集及大容量存储、道路结构内多层多路温湿度信号梯度分析等关键技术方面取得重大突破，开发了道路结构状态与环境参数检测成套装备，实现了研究成果的推广应用。取得主要创新成果如下：（1）提出了基于路面结构损伤的交通条件和环境条件表征与检测理论，开发了交通、环境和路面力学检测与分析成套技术，首次完整地揭示了沥青路面在荷载和温、湿度耦合作用下的动态力学响应规律；建立了车辆荷载、温度、湿度综合作用下沥青路面结构动态力学响应测试技术体系。（2）开发了适用于精准监测、分析沥青路面结构损伤机理的成套智能系统。设计了道路材料试样动态受力的二维模型，发明了路面层间剪切运动自动控制系统；研发了道路层面响应参数智能采集系统和智能分析软件和路基路面环境参数长期自动监测系统。（3）提出了道路结构施工高温高压条件下损伤检测的安装、数据采集及数据处理成套技术，形成了基于损伤检测系统的计量检定和校准溯源，实现了工程应用。研究成果在新建、改建、大修等高等级公路路面工程中得到了推广应用，为铺面结构分析及设计提供基础数据，提高铺面设计水平和控制力度，在铺面设计、科研及施工指导方面，产生巨大的经济效益和社会效益，在沥青路面结构的早期损坏及病害防治具有重要的指导意义。项目成果经鉴定达到国际领先水平，对照山东省科学技术授奖条件，同意推荐申报2017年度山东省科学技术进步奖二等奖（技术开发与推广类）。三、项目简介：本项目属交通运输工程领域与自动控制领域的联合技术攻关，创新成果应用属于道路工程范畴。沥青路面结构性能取决于荷载及环境作用下路面结构响应状态，现行路面结构响应模型主要基于理论计算和经验总结，与实际偏差较大，如何确定和量化影响路面结构性能的环境因素及路面结构关键响应参数一直是道路工程领域的重大技术难题。针对上述问题，项目在山东省交通科技计划的支持下，通过自主创新和持续攻关，在路面层间动力状态受力精控水平、道路层面响应参数智能采集及大容量存储、道路结构内多层多路温湿度信号梯度分析等关键技术方面取得重大突破，开发了道路结构状态与环境参数检测成套装备，实现了研究成果的推广应用。取得主要创新成果如下：（1）提出了基于路面结构损伤的交通条件和环境条件表征与检测理论，开发了交通、环境和路面力学检测与分析成套技术，首次完整地揭示了沥青路面在荷载和温、湿度耦合作用下的动态力学响应规律；建立了车辆荷载、温度、湿度综合作用下沥青路面结构动态力学响应测试技术体系。（2）开发了适用于精准监测、分析沥青路面结构损伤机理的成套智能系统。设计了道路材料试样动态受力的二维模型，发明了路面层间剪切运动自动控制系统；研发了道路层面响应参数智能采集系统和智能分析软件和路基路面环境参数长期自动监测系统。（3）提出了道路结构施工高温高压条件下损伤检测的安装、数据采集及数据处理成套技术，形成了基于损伤检测系统的计量检定和校准溯源，实现了工程应用。精控动态力学加载系统研究成果达到了国际领先水平；道路层面响应参数自动采集系统和路基路面环境参数长期自动监测系统研究成果分别达到了国际先进水平和国内领先水平。该项目的研究成果在山东滨大永久性沥青路面试验路、青岛海湾大桥桥面铺装、济莱高速公路、青临高速公路、德商高速公路、济南市区纬十二路等工程以及室内足尺路面加速加载试验路得到了成功应用，同时在安徽、广东、吉林、青海、天津等省市也进行了推广应用，使用状态良好，为进一步分析道路受力特性、实时反映沥青路面结构响应、完善沥青路面结构设计等提供了技术手段，为我国新一代《公路沥青路面设计规范》的修订提供了数据支持，同时为高速公路的养护、维修及道路状况的评估提供科学依据。本项目得了一系列自主知识产权，已授权实用新型专利1项；课题成果在国内外核心期刊发表高水平论文8篇，其中SCI检索1篇；核心技术成果被列入2016年度交通运输建设科技成果推广项目；获批专项计量标准67项，并获得承担国家法定计量检定机构任务的授权许可；获得中国合格评定委员会（CNAS）受理项目共137项。培养博士研究生1名，硕士研究生5名；晋升工程技术型研究员1名，高级工程师1名，工程师4名。四、客观评价：1．2016年6月28日，山东省交通运输厅在济南主持了本项目子课题“道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统的研制与开发”成果鉴定工作。鉴定委员会由交通运输部公路科学研究院首席专家王旭东教授、交通运输部科学研究院陈景研究员等著名道路行业专家组成，鉴定意见认为研究成果设计了道路材料试样动态受力的二维模型，研发了独立的双向动态加载系统，实现了路面层间受力状态的模拟仿真；开发了路面层间剪切运动自动控制系统，提高了层间动力状态的精控水平，实现了路面层间轴向力的精确、恒力控制，提升了路面材料层间剪切力测试能力。具有显著地创新性、实用性和社会经济效益，推广应用前景广阔，总体达到国际领先水平。2.2016年6月28日，山东省交通运输厅在济南主持了本项目子课题“道路层面响应参数自动采集系统的研制”成果鉴定工作。鉴定委员会由交通运输部公路科学研究院首席专家王旭东教授、交通运输部科学研究院陈景研究员等著名道路行业专家组成，鉴定意见认为研究成果在青州至临沭高速公路等省内外工程中进行了成功应用，为路面性能演化的分析、研究提供了可靠手段，实现了预期目标。具有创新性、实用性和社会经济效益，推广应用前景广阔，总体达到国际先进水平。3.2016年6月28日，山东省交通运输厅在济南主持了本项目子课题“路基路面环境参数长期自动监测系统”成果鉴定工作。鉴定委员会由交通运输部公路科学研究院首席专家王旭东教授、交通运输部科学研究院陈景研究员等著名道路行业专家组成，鉴定意见认为研究成果在济莱高速公路、胶州湾大桥、滨大高速永久性沥青路面等工程中成功应用，为道路养护、维修提供依据，实现了预期目标。具有创新性、实用性和社会经济效益，推广应用前景广阔，总体达到国内领先水平。4、2016年，本项目获得“2016年度中国公路学会科学技术奖二等奖”。5、2016年，由本项目产生的科技成果“道路结构状态与环境参数检测成套装备”获得了交通运输部的交通运输建设科技成果推广项目。6、依托本项目，2016年9月，山东省质量技术监督局受理并批准项目承担单位山东省交通科学研究院专项计量标准67项：其中扩项发证57项，换证8项，变更计量标准加换证2项。根据《计量授权管理办法》等要求，2017年2月，山东省交通科学研究院法定计量检定机构顺利通过现场考核，并于3月17日获得承担国家法定计量检定机构任务的授权许可。7、依托本项目，2017年，中国合格评定委员会（CNAS）受理项目共137项，依据方法标准136项，涉及配套设备260件。五、推广应用情况：随着交通量的快速增长，车辆超载严重，出现“多轴次、重轴载、高轮压的非均匀性”特点在沥青路面的长、大纵坡地段、弯道、交叉路口等路段上，易出现车辙、拥包推挤等病害。沥青路面的抗剪性能研究引起了越来越多的关注，在车轮的水平和垂直荷载综合重复作用下，较小的剪应力作用也容易使沥青面层产生剪切破坏。本系统对道路施工方面具有重要的参考价值。在济南重要的市政道路中，纬十二路在2015年进行了拓宽重建工作，建成后变成双向十车道的快速路，车流量非常大，再加上济南市本身环境因素，夏季高温，雨水大等特点，施工单位济南黄河路桥建设集团有限公司使用子系统“道路工程铺面层间稳定测试用双向精控动态力学加载系统”进行了沥青混凝土层与沥青混凝土层间、水泥混凝土层与沥青混凝土层罩面层间联接状态的精控力学测试实验，得到了真实可靠的量化数据，通过数据分析他们改善了沥青级配，修改了部分区间的施工工艺，纬十二路最后交工验收时达到了市政道路一级水平。在高速公路方面，济南金曰公路工程有限公司承建了德商高速德州至夏津段第六合同段，通过本系统进行了大量实验，把地基层，水稳层，沥青混合料层逐一进行了剪切力分析，得到了大量真实可靠的数据，施工过程中改良了施工工艺，解决了德商高速德州段地下水位偏高和地基层软土处理的难题。长深高速公路是指长春―深圳国家高速公路，简称长深高速（代号G25）,是连接吉林省长春市和广东省深圳市的高速公路，全长3585公里。2006年6月底开工建设，双向4车道，限速120km/h（局地100km/h）。道路层面响应参数自动采集系统直接预埋在新建公路路基内，能够长期监测道路多层面应力参数，智能监测道路的健康状况，通过分析相应的数据研究道路的损坏问题。为了验证本系统的使用性能，课题组选取了由山东省公路建设（集团）有限公司承建的青州至临沭高速公路15标段试验段埋设道路层面响应参数自动采集系统。该系统至今一直在工作，2015年将埋设的系统设备采集的数据建立了一个数据库，为今后的道路结构研究提供数据支持。自2007年12月济莱高速公路柔性基层试验路埋设路面温度传感器以来，先后在青岛海湾大桥桥面铺装试验路、山东滨大永久性沥青路面试验路和济南足尺路面加速加载试验路共埋设了14套路基路面环境参数长期自动检测系统。综上，“道路结构状态与环境参数检测成套装备”工作稳定、自动化程度高，大幅降低了检测人员的工作强度，提高了检测工作的工作效率，并且具有很高的精确度。该系统为路面结构设计提供了完善的技术支撑，对积极探索有效的路面结构力学分析方法，沥青路面结构的早期损坏及病害防治具有重要的指导意义。同时该系统对路基路面无破坏性、管理成本低，有效降低了高速公路的养护、维修等运营成本，产生了良好的经济效益，得到了社会的广泛好评。六、主要完成人：廖宝梁，吕承举，孙小男，韩文扬，张昱，纪少波，吕安涛，邢志军，范永亮。主要完成人的贡献及曾获奖励情况：1、廖宝梁：研究员，项目总负责，总体规划，制定技术路线，研究大纲。揭示了沥青路面结构智能监测重载、环境、混合料含水量等因素耦合作用带来路面结构损伤的规律，提出通过建立二维模型实现路面层间受力状态的仿真模拟研究方案，设计了路面层间剪切运动自动控制系统研究方案；完成了低功耗、智能采集道路层面应力应变响应参数解决方案；建立了道路结构内多层多路温湿度信号梯度分析方法。“RE3型公路几何形状测量仪的研制”，中国公路学会科学技术奖,2003年，第1位;“RE3型公路几何形状测量仪的研制”，山东省交通厅科技进步二等奖,2000年，第1位；“VE-1B型非接触式汽车性能综合测试仪”，山东省交通厅科技进步二等奖，1999年，第1位；“RE-1A型公路路面平整度测量仪”，山东省交通厅科技进步二等奖，1998年，第2位；“RE4A型公路里程标定仪优秀成果奖”,山东省交通运输厅，2001年。2、吕承举：工程师，项目主要研究人员，项目控制系统方案设计及及现场试验方案制定。提出了基于损伤机理和交通条件、环境因素耦合作用开展沥青路面结构系统性监测的方法，建立了道路结构状态与环境参数整套检测指标体系，优化了路面层间轴向力恒力控制算法；完成了嵌入式系统软件的编写与调试和系统软件设计，编写了设备技术手册和说明书；设计开发了上位机数据处理软件，负责设备的校准调试工作；进行系统性能测试分析，提出了系统改进优化措施及方案；负责整体报告编制。3、孙小男：工程师，项目主要研究人员，提出了考虑铺面荷载作用下压应力变化的沥青路面铺面层间动态力学性能测试方法，最大程度还原路面实际受力状态或足够相近的力学响应，提出了“压剪式”双向动态加载系统设计方案。设计了高精度高频率全程式力值采集存储系统及设备标定工作；完成了试样动态受力的二维模型，实现了路面层间受力状态的仿真模拟；开展了道路结构内多层多路温湿度信号梯度分析方法实验数据分析，负责相应部分报告编写。4、韩文扬：高级工程师，项目主要研究人员，现场试验方案制定及实验数据处理分析。分析了动态荷载作用下路面力学响应随温度、轴载等的变化规律，提出了路面响应预估模型，建立了轴载力学响应回归模型。建立了适应严酷荷载下的系统整体测试理论与方法，针对不同的路面结构，建立了系统传感器埋设方法，有效保证了系统性能及传感器存活率的提升；提出了实验数据分析理论并后期指导相关试验数据处理。“高等级公路半刚性基层损伤理论、控制方法及工程应用”，山东省科技进步三等奖，2015年，第5位。“基于排水抗裂功能的耐久性路面设计及改扩建工程应用”，安徽省交通科技进步一等奖，2015年，第13位。5、张昱：工程师，项目主要研究人员，试验路结构方案及现场试验方案制定。设计了传感器组布置方式，提高了检测的精确度与连续性；实现了沥青路基、路面及层面间多通道动态响应参数的智能采集，设计了系统测试及实验数据分析方案；完成了主实验路的传感器埋设、系统性能测试、系统采集调试并指导完成其他试验路段的相关工作；辅助完成后期试验数据的分析处理及系统优化，负责相应部分报告编写。6、纪少波：副教授，项目主要研究人员，项目的控制系统的方案设计，硬件系统和软件系统的开发与调试。设计了多通道动态响应参数智能采集系统框图和系统集成电路，开发了数据提取及数据处理智能软件系统，设计了车辆到位触发模块实现车辆到来信息的自动判断，开发了车辆到位模块与数据采集系统之间的通讯协议，实现车辆到位信息的传递；开发了大容量数据存储的硬件系统，开发了RAM存储器及Flash存储器的存储程序，实现了采样数据的实时、永久保存。7、吕安涛：研究员，试验路系统测试及后期检测方案设计。针对不同的道路载荷状况、环境参数现状，根据系统测试要求，制定合理可行的系统测试方案；建立了系统测试及应用系列方法，实现了系统性能的稳定输出，保证了整套系统的推广应用。“农村公路养护管理评价体系研究与应用”山东省科技进步二等奖、中国公路学会科学技术一等奖,2010年，第3位；农村公路养护管理研究,山东科技进步三等奖,2008年，第5位；“山东省港航系统节能减排考核标准体系研究”,中国港口协会科学技术奖三等奖,2012年，第2位；“山东省市级交通运输行业工作考核指标体系研究”,山东软科学优秀成果一等奖，2013年，第6位；“关于开展山东省绿色交通运输体系建设的调研报告”,山东省政府系统优秀调研成果三等奖，2015年，第6位。“关于山东省农村公路进一步发展的调研”，山东省政府系统优秀调研成果一等奖，2010年，第7位。8、邢志军：高级工程师，计量检定体系设计及道路实验。提出了道路结构施工高温高压条件下损伤检测的安装、数据采集及数据处理成套技术，形成了基于损伤检测系统的计量检定和校准溯源，针对不同的道路载荷状况、环境参数现状，根据系统测试要求，制定合理可行的系统测试方案，现场试验技术指导。9、范永亮：工程师，室内试验，现场施工技术指导，负责相应部分报告编写。验证实验数据分析结果，建立了路面温度场数据库，完善了沥青路面荷载、温度、湿度耦合作用下动态力学响应影响体系。四、主要完成单位：山东省交通科学研究院、山东大学能源与动力工程学院各完成单位贡献：1、山东省交通科学研究院：制定总体研究路线、拟订课题研究的实施方案，整理分析道路层面间性能指标、沥青路面动力响应参数、沥青路面环境参数对道路工程使用性能的影响，提出了系统研发技术方案，负责室内道路层面性能指标获取方法分析并设计系统的机械方案、道路环境参数软硬件研发，同时组织相关技术人员对野外实体工程试验路的路面动力响应参数、路基路面温湿度及光照强度等环境参数进行现场采集及后期的数据处理。主要的技术创新贡献：（1）成功设计了沥青混合料试样动态受力的二维模型，实现了路面层间受力状态的模拟仿真；发明了路面层间剪切运动自动控制系统，提高了层间动力状态的精控水平，实现了路面层间轴向力的精确、恒力控制，提升了路面材料层间剪切力测试能力，为行业开展道路材料普明层间试验研究提供了准确度高、稳定性强的试验系统。（2）研发了路基路面环境参数长期自动监测系统，实现了路基路面温湿度及光照等环境参数的自动采集，提高了道路环境参数监测效率；提出了道路结构内多层多路温湿度信号梯度分析方法，为道路材料特性的环境影响因素分析提供了可靠依据。2、山东大学能源与动力工程学院：制定道路层面响应参数采集系统总体功能需求，拟订课题研究的实施方案，开发了车辆到位模块及采集系统的硬件模块及上位机软件程序，完成了系统的封装，通过对系统的测试和应用验证了系统设计有效，满足使用要求。主要的技术创新贡献：（1）研发了道路层面响应参数智能采集系统，实现车辆到位自动判断，道路路基路面及层面间多通道动态响应参数的自动采集、大容量存储，提高了检测效率和准确度，可以节省大量的人力及物力消耗；（2）开发了道路层面响应参数上位机智能分析软件，可以实现大容量存储器海量数据的自动提取，应力应变响应参数的数字化表征，优化了数据处理模型，提高了分析监测水平。七、完成人合作关系说明：纪少波：副教授，是“道路层面响应参数自动采集系统的研制”项目的主要技术负责人，2013年进行合作，从事项目的控制系统方案设计，硬件系统和软件系统的开发与调试。设计了车辆到位触发模块实现车辆到来信息的自动判断，开发了车辆到位模块与数据采集系统之间的通讯协议，实现车辆到位信息的传递；开发了大容量数据存储的硬件系统，开发了R