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【行业动态】公路路面快速检测技术发展综述

发表时间:2021-09-10 08:45

图1.png

交通部公路科学研究院公路养护管理研究中心研究开发路况快速检测车(CiCS

编者按:

公路建设是发展,公路养护也是发展"。科学的养护决策和养护资金分配需要有准确的公路技术状况数据,包括路面损坏、横向力、层厚、平整度、车辙、纹理、弯沉等,快速路面检测技术要求能在正常交通速度进行连续检测,有助于快速准确获取路面技术状况指标,为养护决策提供依据。国内在路面检测技术方面和产品与国外差距不大,现有的部分技术路线与产品已经领先于国外产品,但就技术发展方向的引领,传感器的研究方面与国外存在较大的差距。在路面平整度、车辙和弯沉检测技术领域,激光位移传感器都是或不可缺的关键元器件。选用高频率(如64kHz)的激光测距传感器,其测量的道路纵断面数据同时可用于测量路面构造深度、路面3m移动均方差及卤面磨耗等指标,可以大大节省投资。同时基于激光断面仪法的路面车辙检测技术,需要在刚性横梁上安装至少13个激光位移传感器进行测量。该方法采用高频率激光测距传感器可以保证在行车测量方向有较高的采样率,能得到几乎连续的横断面,有利于车辙长度的计算。


摘要:2013 年交通运输行业发展统计公报分析,公路行业将从大规模建设周期逐步过渡到大规模养护周期。大规模的养护给路面快速检测技术带来了更高的挑战,也为路面快速检测技术发展和养护业务模式改变提供了巨大机遇,因此,有必要讨论快速路面检测技术的发展现状和发展趋势,为大规模养护检测提供技术支持。对国内外路面快速检测技术的现状与研究成果进行了全面的总结,阐述了路面平整度、车辙、损坏和弯沉等路面使用性能指数的快速检测原理、技术路线与实现方法;重点分析了不同测量技术的优劣和未来发展,对每种技术路线进行了总结和评价;介绍了国内外现有的路面快速检测产品,并展望了未来路面快速检测技术的发展趋势。


关键词:路面;快速检测;激光动态弯沉;三维路面


       随着交通量的增加,以及交通荷载、环境等因素的影响,路面逐渐产生了各种病害,甚至一些高速公路沥青路面开放交通2~3 年就出现坑槽、开裂、车辙、表面功能不足等早期破坏现象,使路面使用性能大大降低,严重影响路面的使用质量和服务寿命,不仅造成巨大的经济损失,而且产生恶劣的负面社会影响。交通运输部提出公路建设是发展,公路养护也是发展,而且是更重要的发展。高速公路建好后,只要养护管理及时得当,并且采取合理的预防性养护措施,可延长公路使用寿命。实践也证明,高速公路质量高,养护没必要的认识是极不科学的[1]


       我国已进入资源环境矛盾的凸显期,公路养护管理是建设资源节约、环境友好社会的重要领域。因此,需要全面推广路况快速检测、分析、决策支持成套技术,推进公路养护科学决策,提高公路养护决策的科学化水平和养护资金使用效率,来面对公路养护管理新的形势与挑战[2]


       科学的养护决策和养护资金分配需要有准确的公路技术状况数据,包括路面损坏、横向力、层厚、平整度、车辙、纹理、弯沉等,快速路面检测技术有助于快速准确获取路面技术状况指标,为养护决策提供依据。路面快速检测要求能在正常交通速度进行连续检测,目前,路面损坏、平整度、车辙、纹理、弯沉等指标已经具备在同一参考基准下快速集成检测,本文针对能集成检测的指标检测技术进行探讨。


1 路面快速检测技术
       根据中华人民共和国行业标准JTGH20-2007《公路技术状况评定标准》,公路技术状况指数包含路面使用性能、路基技术状况、桥隧构造物技术状况和沿线设施技术状况4 个部分的内容。路面是公路技术状况评价的核心内容,路面在国外许多国家的公路养护管理工作中占有70%以上的比重,而且也只有路面部分的各项技术指标能被快速、准确和自动化地采集。在国内外现有的快速检测技术中,路面损坏、平整度、车辙、结构强度和抗滑性能指标是可以被快速检测的,其中,抗滑性能指标检测需要边洒水边检测,导致无法与其他几个指标集成检测,本文主要讨论可以集成检测的平整度、车辙、路面损坏、结构强度指标的快速检测技术。


1.1 路面平整度检测技术
       路面平整度是路面评价的一个重要指标,不仅影响驾驶员及乘客行驶的舒适度,而且还与车辆振动、运行速度、轮胎的摩擦与磨损及车辆运营费用等有关,是一个涉及人、车、路3 方面的指标。路面平整度也是路面使用性能指标之一,1960年,AASHTO道路试验研究表明,大约95%的路面服务性能来自于道路表面的平整度。路面长期使用性能的研究表明,路面平整度特别是初始路面平整度将严重影响路面的使用寿命。由于路面平整度本身的复杂性,从不同的角度出发,对路面平整度的定义就有多种,至今在全世界范围内还没有统一的路面平整度定义。
       《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80_1-2004)中规定:对各级道路的各结构层的平整度指标的检验以三米直尺与路面的最大间隙hmm)、平整度仪测定的标准差σmm)和国际平整度指数IRIinter_national roughness index,单位为:m/km)为标准进行检验。《公路路基路面现场测试规程》TJGE60-2008对三米直尺( h )、连续式平整度仪(σ )、车载式颠簸累积仪( IRI )以及车载式激光平整度仪( IRI )测定平整度的实验方法做了充分的说明。《公路技术状况评定标准》JTGH20-2007 要求路面平整度宜采用快速检测设备,可结合路面损坏和车辙一并检测,条件不具备的三、四级公路,路面平整度可采用三米直尺人工检测,并要求路面平整度检测数据应以100m(人工检测)或20 m(快速检测)为单位长期保存,并规定路面平整度用路面行驶质量指数(ridingqualityindex,RQI)评价。

图2.png

     式中,IRI 为国际平整度指数(m/km);a0 在高速公路和一级公路时采用0.026,其他等级公路采用0.018 5a1 在高速公路和一级公路时采用0.65,其他等级公路采用0.58
       路面行驶质量指数与国际平整度指数IRI 直接相关,世界银行1982 年在巴西进行的国际平整度试验完整而系统地提出了IRI 的计算模型与计算方法。采用1/4 车模型,以80 km/h 的速度在已知断面上行驶,计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移为IRIIRI 是综合了断面类与动态类平整度测定方法的优点而得到的一个评价指标,是对静态断面高程数据经过数学模型计算后得到的动态变量。IRI具有与车辆振动的动态反应相关, 通过1/4 车模型建立了与车辆性能的相关性;直接与路段断面高程相关,保证结果具有时间稳定性;可以通过广泛使用的仪器测量得到,结果具有有效性;可以在世界范围内进行转换,具有可转移性,IRI 已成为国际上广泛采用的平整度指标, 因此,现行通用的快速测量技术测量结果都是直接计算得到IRI


       国内广泛使用的道路测量设备都具备快速测量路面平整度并计算IRI 指标功能,采用的技术路线均是基于惯性基准的测量方式,即激光断面(multi_laserprofilerMLP[3]测量方法。实现方案是以普通汽车为测量平台,在一根刚性横梁上安装多个激光测距机和加速度计,或在前后轮间沿轮迹带上安装左右两个激光测距机和加速度计,保证测距机至少测量到左右轮迹带,结合GPS/DMI定位模块,和控制计算机组成测量系统。激光测距、加速度计、GPSDMI 多个传感器数据由数据采集卡同步采集,每一组测量数据包含测距机测量的离地面距离D 、加速度值G DMI GPS 信息。测距机测量的是测距机到地面的实际距离,是道路的纵坡面数据,载车在行驶过程中存在颠簸等姿态变化,需要通过加速度计二次积分消除颠簸等的影响;DMI 数据提供了测量的实际里程信息,同时用以计算测量速度信息,此信息用来消除在测量中由于速度变化如加减速、停车等带来的不利影响;DMI GPS 结合提供测量数据的里程信息,用来保持和其他数据如车辙、路面等的同步。利用测量到道路的纵坡面信息,采用世界银行提供的标准IRI 计算方法,可以计算得到自定义间隔的IRI 值,如20 m25 m50 m100 m等。IRI 计算公式为:

图3.png

     式中,RS 为指定路段区域的第i 个测点的矫正斜率;n 为待计算平整度值的路段区域(≥11 m,测点间隔0.25 m)内测点的个数。由式(2)可知,IRI 计算的最小区间需大于10 m,现在部分实际应用中希望有10 m 间隔的IRI,据IRI计算原理可知,10 m IRI 并没有意义,一般采用平均的方法得到,并不是实际10 m 内的IRI


       另外,基于惯性基准的测量方法中,如果选用高频率(如64kHz)的激光测距传感器,其测量的道路纵断面数据同时可用于测量路面构造深度、路面3 m移动均方差及路面磨耗等指标,可以大大节省投资。


       虽然现有的设备都可以满足快速平整度测量,但是这些设备都是基于高等级公路检测状况研发设计的,几乎都假设在高速、匀速情况下进行连续检测,随着交通日益繁忙拥堵,在检测过程中出现非匀速的情况将是普遍现象。周晓青[4]通过路面典型波长对所推导的数学解析式进行验证,得到国际平整度指数与速度关系图,经分析,IRI 与测量速度V 之间不是单调增长关系,其变化趋势与速度及路面不平整的波长有关,受车辆的系统自振频率控制,IRI 1/4车辆模型的两个系统自振频率(7.16 s-1 66.15 s-1)附近形成共振,达到局部最大。为了更适应实际交通情况,研究平整度波长、测量速度及变速对加速度积分的影响,将有助于进一步完善其测量方法和数据处理算法。


1.2 路面车辙检测技术
       车辙是车辆在路面上行驶后留下的车轮永久压痕,是沥青路面主要的病害形式,通常由于沥青层及路面下层的塑性形变产生。许多公路机构和研究人员认同路面车辙导致车辆在潮湿天气下打滑和防滑性能下降,直接影响到行驶安全[5];路面车辙也是路面病害的早期表现[6],是典型的路面恶化的表征[7]。《公路路基路面现场测试规程》TJG E60-2008 规定:车辙模型共分7 种标准模型,在实际测量计算中,7种模型可以简化为“W”“U”两大模型,“W”模型又可分为凸、凹两大类。对于凹“W”型和“U”型需要通过参数界定,如定义为W 中间最高点与最低点的差为某个常数,大于这个常数为“W”型,否则为“U”[8]。按照规程要求,测量道路横断面,基于横断面确定顶面基准线,求出基准线到断面的最大距离则为车辙值。


       快速车辙测量有多种技术路线,且都得到了广泛使用,基本原理都是快速测量道路横断面,通过横断面计算路面车辙,实践证明都能满足工程应用要求。快速车辙测量都以普通汽车为测量平台,平台集成采集计算机、GPS/DMI定位系统。激光断面测量法在一个刚性横梁上安装至少13 个激光测距机测量道路横断面,横梁置于载车前部进行测量;激光三角测量法利用线结构光结合面阵相机,在载车后部成角度安装相机与线激光传感器;三维相机结合激光器测量法安装方式与激光三角测量法相同。


1)激光断面仪法
       激光断面仪是国内使用较为普遍的车辙测量设备,利用横断面方向上至少13 个激光测距机传感器测量道路横断面。随着传感器数目n 的增加,车辙测量最大误差在n <21 时减小较快,n >33 后衰减缓慢。因此,在一般准确度检测时,至少要选用n=21,才能保证车辙的最大误差不超过5%[9,10],使用成本偏高。激光断面法式采用有限个测距传感器测量离散点模拟道路横断面,由于测量姿态、驾驶等原因,往往离散点模拟的断面与真实道路断面存在一定的差异,不能准确测量车辙的波峰和波谷,测量的车辙深度存在结果偏低问题[11-13]Simpson[13]通过实验发现,由5 个激光点组成的车辙断面仪测量的结果与水平仪测量的相关性约为0.4。此外,测量横梁一般不能超过车身宽度,导致该方法无法全车道全断面测量,从而也会导致测量误差。该方法采用的高频率激光测距传感器可以保证在行车测量方向有较高的采样率,能得到几乎连续的横断面,有利于车辙长度的计算。但惠冰[2]认为,同一深度数值可能对应若干种不同的横断面形态,因而单一深度值无法准确反映不同类型车辙对路面结构的影响程度,同时也无法反映路面与车辆作用的实际情况,不利于车辙病害的评估与养护。激光断面仪法存在的测量误差、断面不完整、幅宽不够等缺陷将会限制在未来道路养护管理的继续推广使用。


2)激光三角法
       激光三角车辙测量法是国内高端设备中应用最为广泛的测量方法,其技术原理为激光线从一侧以一定角度投射到道路表面,CCD 相机(如SICKBasle 等)从另一侧以一定角度采集道路表面图像,在CCD 上,激光线就显示为被测对象的一个断面,如图1 所示。如果对象表面有形变,激光线由于被测对象表面的形变而成曲线,从图像中提取出沿x 轴(对象宽度)的曲线,得到在图像上曲线的行列信息,列为在图像上的高度,在实际物方中为起伏的高度。在测量前,对相机进行到像素级的标定,形成像素级标定表,利用标定表换算像方到物方坐标,可直接计算出曲线对应的物方实际坐标,从而获取道路表面的横断面数据,进而计算车辙。


图4.png

       激光三角测量方法的测量精度受相机和激光器的相对关系影响,假设相机标定的范围垂直高度为h ,相机中心点两端面连线夹角分别为α β(角度α β 可以通过相机及激光器与水平面的夹角换算),相机焦距为f ,纵向分辨率为m ,则每个像元对应的实际高度可以按如下公式计算:


图5.png

       采用CCD 和线结构光获取道路横断面宽度可以根据需要调整,能全车道全断面测量,现有技术状况下的横断面分辨率可以达到1 mm。该方法能精确获取道路横断面,车辙计算精度高,鉴于CCD 相机帧频的限制,行车测量方向的最小采样间隔在5~10cm,完全满足实际工程的需要,该测量方法优于激光断面仪测量方法。


3)三维断面法
       三维相机(如SICKRangerAT C3 等)结合激光器测量法与激光三角测量原理相同,实现方式上,普通CCD 相机测量需要从相机中提取激光线,通过标定计算断面,而三维相机则在硬件层次集成了激光线提取和标定计算过程,直接输出了断面。由于硬件层次进行了集成,三维相机的测量频率明显优于普通CCD 相机测量,最新的资料显示,三维相机帧频可以达到20kHz,在满足测量量程及横向断面分辨率的条件下,以正常行车速度在行车测量方向能满足5 mm的采样间距。但是,已知的三维相机如SICKRanger等不支持编程[14],也就是说,激光线提取以及断面计算已经固化在传感器中,而实际道路测量中光照影响、环境差异较大,实验显示,在路面翻浆、标线丰富、强光干扰等情况下,提取的断面有异常现象。


       虽然三维相机还存在一定使用局限,国内还没有推广使用,但国外企业及研究机构如INOTxDOT 等已开始将其应用于隧道、公路、轨道检测工程中[15-17],相信随着三维相机技术的发展,三维测量是未来车辙测量甚至道路检测发展的主要方向。


1.3 路面损坏检测技术

       《公路技术状况评定标准》JTGH20-2007规定:路面损坏检测包括沥青路面、水泥混凝土路面和砂石路面,不同路面类型的损坏类型定义不一样,如沥青路面的裂缝、修补、坑槽、沉陷、拥包、松散、泛油等,水泥路面的破碎板、裂缝、板角断裂、修补、露骨等。目前广泛使用的路面快速损坏检测技术都是针对可视化的损坏类型而非变形类病害,产品基本上都是采用图像系统获取路面图像,然后利用二维灰度信息处理技术分析路面裂缝[18],定量分析路面损坏状况。


       路面损坏检测系统安装在测量载车平台尾部,采集硬件由CCD 线扫描相机(如Dalsa)或面阵工业相机,辅助照明采用线激光器、无影灯、LED 或闪光灯组成。相机可采用通用的RJ45接口或CameraLink接口,可根据测量环境要求选择不同频率的相机,如选用线扫描相机并要求在120km/h 下工作,则需要选择36kHz 的相机。采集时,相机在外触发模式下工作,DMI 为相机提供外触发信号,采集的数据保存在服务器中。


       裂缝是路面损坏最为主要的形式之一,裂缝的识别普遍采用人机交互方式进行,为了便于人眼观察到裂缝病害,裂缝在采集的路面图像中应尽可能显著。现有的主流产品采用了一种交叉补光的方法,即路面图像系统选用两台2048 像素或更高分辨率线扫描相机和两台大功率线激光器工作,左激光器为右相机照明,而右激光器为左相机照明。在这种模式下,激光器与路面成一定夹角,当路面有裂缝且具有一定深度时,光线照射会在裂缝内产生阴影,获取的图像上裂缝数据的灰度值会明显低于背景,特征显著,便于人眼识别,也为后续自动识别提供有利信息。


       目前,国内外路面损坏采集主流设备基本上都采用了线扫描相机结合线激光器的方式,一般选用红外808nm 激光器,对应选择光谱特性满足此范围的相机,采集的图像分辨率一般为1 mm。辅助照明设备选择上,无影灯也可以满足线扫描相机的照明需求,但无影灯结构复杂、功耗大、安装维护不便,在高速行驶中容易损坏,无法满足工程需要;LED 由于功耗、散热等问题难以解决而无法满足需求。面阵相机结合高频闪光灯是另一种路面图像采集技术路线,但闪光灯存在功耗高、安全隐患大的问题,在实际工程中应用较少。


       路面损坏检测最终目的是要得到路面的损坏数据,无论采用何种方式,最后获取的本质上是路面图像数据,如何从图像数据中提取路面病害是一个核心问题。《公路技术状况评定标准》JTGH20-2007规定,检测设备应能够分辨1 mm以上的路面裂缝,检测结果宜采用计算机自动识别,识别准确率应达到90%以上。但是通过大量工程实践证明,对于1 mm裂缝的分辨与裂缝的成因、形态、数据采集环境等因素关系密切,并不能保证任何情况下都能准确分辨1 mm的裂缝。而对于自动识别问题,在世界范围内可能都是一个难题,到目前为止,没有任何资料显示存在一个算法或软件能适应任何情况下采集的数据,自动识别率能达到90%以上,数据处理还是以人工处理为主。据部分会议资料或产品宣传资料显示,对于目前的二维路面图像的病害识别问题,最为可行的方案可能是采用先分类后识别的理念[19],通过把路面图像快速分为确定无病害或可能有病害两类,确保无病害图像检测准确,从而数据处理者只需要关注可能有病害图像,进而提高处理效率。


1.4 快速弯沉检测技术
       路面弯沉值是表征道路路基路面整体强度的重要参数,反映了路面各结构层及土基的整体强度和刚度,也直接反映了路面的使用性能,是路面设计、验收及养护的一个重要参考指标,其测量结果可用于评定道路承载能力及预估道路的剩余使用年限,所以对路面结构进行检测显得尤为重要,《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80-1-2004)中规定了我国对道路弯沉采用贝克曼梁、自动弯沉仪和落锤式弯沉仪三种测量方法,分别测量的是静态回弹弯沉、总弯沉和动态弯沉,贝克曼梁在我国已作为路面设计的标准方法和基本参数,其他测量方法的测量结果需要换算成静态回弹弯沉。《公路路基路面现场测试规程》TJGE60-2008 则规定了弯沉测量采用抽样方式进行,检测里程控制在养护里程的20%以内,检测数据量不小于20 /km·车道)。这些测量和检测方法存在明显的不足:测量效率低。若按间隔20 m测量一个测点计算,测量速度也只能达到3~5km/h,无法满足路网级弯沉测量的需要;安全性差。这些设备都是走/停的测量模式,特别在高速公路测量时容易发生安全事故。交通影响大。测量时,都需要进行交通管制。测量结果无法满足现有道路的评价需要。静态采样的测量方式无法模拟正常交通情况下的变速移动载荷产生的路面弯沉,测量结果并不能反映实际行车的动力特征,同时,有限离散点的弯沉值并不能真实代表整条道路的弯沉情况[20]


       快速弯沉测量技术以重型卡车为测量平台,后轴轴重通过配重达到100kN,测量弯沉盆不小于4 m,要求在正常交通速度20~90 km/h 范围内正常测量。在国际上,快速弯沉测量技术有基于传统-位移的距离测量方法和基于路面变形速度的间接测量方法两种技术路线,以距离测量为技术依托的测量方法通过连续测量同一点或断面在有/无载荷作用下的位移来计算弯沉;以路面变形速度测量为技术依托的测量方法测量路面在动荷载作用下的变形速度反演路面弯沉,基本原理是位移的一阶导数就是弯沉斜率[21],弯沉斜率的定义为路面变形速度与车辆行驶速度的比,因此,可以通过测量路面变形速度换算路面弯沉。实验表明,基于距离测量的技术因一次测量需要多次采样,受测量速度、路面曲率等影响较大,基于变形速度的测量方法一次测量只需要一次采样,适合高速测量。


       基于路面变形速度的弯沉测量方法建立在弹性地基梁[22]beam on elastic foundationBOEF)理论基础之上,把路面结构层(包括面层、基层、垫层)简化为弹性地基上的无限长梁,把测量路面弯沉转化为测量梁的挠度问题。弯沉计算公式见表1

6.png



       1 中,A B 两参数与荷载力F 、路基基床系数k 、路面刚性模量E 、待计算或测量位置x 、路面转动惯量I 相关,在实际解算中,可以通过建立方程组的方式避免独立获取每个参数,通过建立方程组(4),解算A B 参数,进而计算弯沉。


8.png

       如图2 所示,快速弯沉测量系统由牵引卡车和拖车组成,拖车后轴轴重100kN,拖车上安装4 m 长刚性横梁,横梁上安装多普勒测振仪(Polytec)、IMU、激光测距、红外测温仪等测量传感器,多普勒传感器测量路面变形速度,IMU 测量横梁俯仰、横滚和航向角速度,高精度GPS/DMI测量车辆行驶速度并进行定位。多普勒传感器安装在刚性横梁上,以保证4 个多普勒传感器的运动保持同步而不产生相对运动,4个多普勒传感器安装要求尽量平行,分别在100mm300mm750mm 3600 mm 处,3600 mm 处的传感器用于测量参考,其余3 个用于实际弯沉盆内变形速度的测量。

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1 深圳大学海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室;

2 深圳大学空间信息智能感知与服务深圳市重点实验室


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