智能埋入式路面状况检测器：给道路安上智慧的大脑
道路气象状况的监测和预警系统发源于欧美国家，并得到了广泛重视。由三十多个国家（其中主要是欧美发达国家）在1984年成立的国际道路气候常设委员会（SIRWEC）专门致力于道路气象信息系统的推广和应用。
路面状况检测器为道路气象信息系统的核心设备，该检测器主要是由能够检测路面及路基温度、路面覆盖物状况、结冰点温度、积水水膜厚度等各种路面气象状态的微传感器，信号采集、分析和处理电路及系统软件等组成，可实现对道路情报的收集与管理。该检测器能够对路面的各种气象状态进行实时监测，并对可能的恶劣情况进行分析和预警，尽早预报影响交通的恶劣天气状况；能够给相关部门及车辆行人提供关于积水、积雪及结冰等道路状况的准确信息，目的是提高道路系统的安全运行，减少意外事故，因此对于高速公路系统的信息化和智能化以及交通事故的预防预警有着十分重要的意义。道路气象信息系统于20世纪80年代初开始在欧洲使用，之后在北美地区广泛应用。其投入与收益比高达1:8，是现代社会智能交通领域的一个必备工具。
在埋入式路面状况检测器产品开发方面，目前国外市场上比较成熟的产品公司有德国的Lufft公司，芬兰的Vaisala公司和美国的QTT公司，它们针对不同国家和地区对路面气象信息监测和数据收集的需求，研发出了各类型号的产品。Lufft公司的IRS21/31、Vaisala公司的DRS511和QTT公司的SSI FP2000能够提供路面覆盖物类型以及温度、水膜厚度、冰点等监测数据；Vaisala公司的DSC111能够提供路面干燥、潮湿、冰雪厚度等监测数据；QTT公司的SSI Sensit和SSI Optic-Q分别能够提供温度和冰点的测量以及温度和路面覆盖物类型监测数据。
在国际上，很多经济发达的国家和地区已经逐步建立起了高速公路的道路气象监测及预报业务系统，如北欧、美国、加拿大、日本、德国等，它们在道路气象方面的研究起步较早，研究也较深入，许多研究成果已投入实际应用。丹麦、瑞典、瑞士、英国、波兰、芬兰和德国等欧洲国家在20世纪80年代就已经建立手动实时预报系统，为道路气象部门提供路面维护的指导。其气象预报员可根据道路观测网得到的资料和其他数值产品对不同地区提供未来3小时的路面防滑预警信息。
对于不同的国家和地区，其道路气象信息系统的推广和应用情况也呈现出了良好的市场前景，其中，美国各州都建立了自己的道路气象监测与预报系统，主要是利用道路气象站的观测资料并结合卫星资料进行道路气象状况监测和预警，此外，还进行了道路气象对经济的影响评估。另外，美国还有很多私营单位从事道路气象状况预报项目，主要是为一些特定的高速公路提供道路气象信息和36～48小时的预报，用户可以通过拨打电话得知自己所处道路的目前和未来气象状况。加拿大将道路环境与温度数值模式（METRo）与加拿大气象中心GEM驱动的区域天气预报数值模式相结合，并使用加拿大气象中心的“SCRIBE”专家系统进行道路气象状况的检测和预警。这种模式和系统自1999年开始在加拿大全国多个气象中心运行。
德国于20世纪90年代中期建立起了道路气象信息系统，目前拥有超过750套的道路气象站，分布于全国各地，用于道路气象状况的检测和预警，该系统主要是根据影响交通的雾、积雪、溶雪、结冰、高温等气象因素建立高速公路自动气象站观测站，开展气温、路面温、露点、雨量、路面湿度等项目的观测，然后根据交通管理部门提供的数据，建立不同时间尺度的预报预警模型，发布全国各条主要公路的2小时预警、3～7天的详细路面气象要素预报和8～10天气趋势预报。系统提供的交通预报不仅是气象要素，还包括道路的一些情况，如路面温度、路面状况（干燥、湿、结冰、雪）、道路状况（普通、车流少、森林、室内、桥梁）等。7天以内预报比较详细，8～10天预报趋势，预报可详尽到每条公路，并可实现可视化，主要在冬季使用。
瑞典在全国建立了700个道路气象信息系统站点，用于冬季道路养护支持系统和交通信息服务。爱尔兰的国家公路局建立了由54个路面传感器系统构成的道路气象监测网络，用于实现冬季道路的冰雪情况预警预报和道路防护。由此可见，国际上，特别是欧美发达国家对于路面状况检测器的应用已经到达了相当成熟的阶段，能够有效服务于各国的经济社会，因此有着稳定增长的市场需求。
在863项目的支持下，2011年，东南大学MEMS教育部重点实验室在中国首次对埋入式路面状况检测器进行了研发，提出了多种传感器敏感元件新型结构、核心传感模块高精度插值算法和传感模块标定系统及方法。多种传感器敏感元件新型结构能够提高传感模块的灵敏度，保证传感模块的温度稳定性、一致性和可靠性；核心传感模块高精度插值算法能够拓展传感模块的测量范围并消除温度效应；传感模块标定系统及方法能够提高传感模块的批量化标定精度和效率。上述关键技术和方法的研究填补了国内埋入式路面状况检测器的研发空白，实现了达到或超过国外同类主流产品的关键技术指标，使中国的路面状况检测器研制达到了国际先进水平。
设计多种传感器敏感元件新型结构
以提高多频冰水检测模块的灵敏度和输出范围为目标，发明了四瓣花形的多频冰水检测模块敏感元件，保证了模块的高灵敏度，并扩大了模块的输出范围，实现了模块的高动态、高灵敏度和低误读率；以提高水膜厚度检测模块的一致性、可靠性和温度稳定性为目标，发明了环形电桥结构的水膜厚度检测模块敏感元件，采用了全金属传输线结构替代了分立元件电路，保证了水膜厚度检测模块的高温度稳定性、高一致性和高可靠性，实现了模块的批量化生产和标定的一致性。
提出核心传感模块高精度插值算法
以提高水膜厚度检测模块测量范围和消除温度效应为目标，创新提出模块的双线性插值算法，发明了模块幅度值和相位值随温度的双线性插值结合最小二乘法的算法系统，有效提高了水膜厚度检测模块的测量范围至8毫米，减小了模块的测量误差，同时消除了模块输出的温度效应，实现了大测量范围、低误差和低温漂。
设计传感模块标定系统和方法
以提高传感器系统批量化标定精度和效率为目标，创新设计集自动标定量生成、验证和自动数据采集于一体的标定系统和方法。发明了电磁阀和流量计控制标定水膜厚度与差压（压力）变送器读取标定水膜厚度值的自动标定系统和方法，从根本上解决了传感器系统批量化标定难题，显著提高了水膜厚度检测模块的标定精度和效率。
通过多年的研发，东南大学MEMS教育部重点实验室成为了国内首家拥有自主知识产权的埋入式路面状况检测器的研究机构，实现了埋入式路面状况检测器的批量化制备和应用，相关产品已在连霍高速、西汉高速以及相关交通气象观测站点进行了示范应用和推广。由于中国的高速公路及高等级公路、高速铁路、城市内环城高速、桥梁、轻轨、机场等基础设施数量都处于世界的前列，因此，通过实现道路气象状态的智能化监控，埋入式路面状况检测器可以有效地服务于社会，具备广阔的市场前景和很高的社会效益。
韩磊：东南大学MEMS教育部重点实验室副教授。
殷刚毅：东南大学MEMS教育部重点实验室副研究员。
黄庆安：东南大学MEMS教育部重点实验室主任，长江学者，教授。
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