路面多維高頻檢測(cè)裝備和智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用

唐宗明

摘 要：隨著養(yǎng)護(hù)道路里程不斷增長，傳統(tǒng)道路巡檢模式已無法滿足實(shí)際需求，文章基于新形勢(shì)下的人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別道路病害及病害分級(jí)，對(duì)道路健康狀況分析、養(yǎng)護(hù)決策分析及養(yǎng)護(hù)績效評(píng)估應(yīng)用進(jìn)行研究，以期能為道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：高頻檢測(cè);可視化;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：U41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）11-023-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.012

1 研究背景

上海市管養(yǎng)道路里程已超過5 000km，新建道路增速逐漸趨于平緩，大量已有道路設(shè)施需要不斷的養(yǎng)護(hù)維修來保證全壽命周期內(nèi)的正常運(yùn)營。由于道路設(shè)施體量大、交通負(fù)荷重，傳統(tǒng)道路檢測(cè)方法復(fù)雜、檢測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋度低、更新時(shí)間長，難以有效支持養(yǎng)護(hù)維修決策使用。道路設(shè)施養(yǎng)護(hù)運(yùn)管工作亟需一套經(jīng)濟(jì)高效、智能可靠的一體化集成解決方案。

因此，運(yùn)用路面多維高頻檢測(cè)的大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)體系，結(jié)合傳統(tǒng)道路巡檢工作，豐富巡檢內(nèi)容、降低巡檢成本、實(shí)現(xiàn)全壽命周期養(yǎng)護(hù)，提高道路養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策水平，提高道路管養(yǎng)效率，優(yōu)化公眾出行質(zhì)量，對(duì)推動(dòng)城市精細(xì)化管理具有重要意義。

2 路面多維高頻檢測(cè)裝備

路面多維高頻檢測(cè)裝備可以基于輕量化復(fù)合傳感器及人工智能算法，進(jìn)行路面病害及附屬設(shè)施的快速巡檢，建立高頻、快速、全覆蓋的道路設(shè)施健康巡檢體系，實(shí)現(xiàn)路面裂縫、坑槽、網(wǎng)狀裂縫、顛簸等病害以及路側(cè)標(biāo)志標(biāo)牌的識(shí)別及準(zhǔn)確定位，降低路面健康巡檢對(duì)設(shè)備的高精尖要求，減輕人工巡檢的工作量[1]。同時(shí)，在采集的多維度路面健康數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立城市道路健康診斷平臺(tái)，構(gòu)建“路面損傷演化機(jī)理—多維高頻檢測(cè)裝備—智能養(yǎng)護(hù)運(yùn)維系統(tǒng)”的閉環(huán)體系，在上海整體道路設(shè)施網(wǎng)絡(luò)及多地區(qū)高速公路系統(tǒng)中得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，路面多維高頻檢測(cè)裝備如圖1所示。

路面多維高頻檢測(cè)裝備的檢測(cè)流程如下：運(yùn)用前端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)通過Wi-Fi上傳至信息中心服務(wù)器，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、整理，得到結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，識(shí)別路面圖像中的病害內(nèi)容，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

3 路面多維高頻檢測(cè)裝備智能巡檢技術(shù)特點(diǎn)

該裝備通過專業(yè)相機(jī)、振動(dòng)傳感器及高精度組合導(dǎo)航接收機(jī)，可采集路面病害數(shù)據(jù)、路面修補(bǔ)數(shù)據(jù)、路面顛簸數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)等，具體采集內(nèi)容如下：

采集路面裂縫并預(yù)估裂縫長度、寬度;采集路面坑槽并預(yù)估坑槽尺寸;采集路面網(wǎng)狀裂縫，并預(yù)估網(wǎng)狀裂縫影響面積;采集路面修補(bǔ)，包括修補(bǔ)裂縫、修補(bǔ)坑槽、修補(bǔ)網(wǎng)狀裂縫;采集路內(nèi)窨井、識(shí)別伸縮縫;采集路面平整度數(shù)據(jù)及異常跳車點(diǎn);采集路面高精度定位信息，設(shè)備采集內(nèi)容如圖3所示。

所采集的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)分析識(shí)別，將自動(dòng)生成路面破損情況、路面顛簸情況及道路健康巡檢報(bào)表，識(shí)別結(jié)果也可以根據(jù)實(shí)際需求導(dǎo)入可視化平臺(tái)進(jìn)行展示。具體內(nèi)容包括：

路面破損情況：根據(jù)識(shí)別的路面表觀病害，預(yù)估路面破損狀況;路面顛簸情況：根據(jù)車載加速度傳感器，預(yù)估路面顛簸狀況;道路健康巡檢報(bào)表：導(dǎo)出路面病害巡查報(bào)表，包括病害的類型、圖片、預(yù)估的尺寸等信息。

4 路面多維高頻檢測(cè)裝備技術(shù)創(chuàng)新及優(yōu)勢(shì)

4.1 養(yǎng)護(hù)巡檢模式智能化、精細(xì)化

路面多維高頻檢測(cè)裝備突破了傳統(tǒng)人工巡檢模式效率低、周期長等局限性，能立即獲取路面坑槽數(shù)、坑槽面積、裂縫數(shù)、裂縫長度、最大裂縫寬度、網(wǎng)狀裂縫數(shù)、網(wǎng)狀裂縫面積、路面破損狀況、路面平整度狀況等道路技術(shù)狀況數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步養(yǎng)護(hù)施工部署提供理論依據(jù)。

4.2 實(shí)現(xiàn)路面養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)化

相比于人工巡檢，路面多維高頻檢測(cè)裝備對(duì)道路病害數(shù)據(jù)（數(shù)量、尺寸）的判定更為精確，可有效推動(dòng)道路養(yǎng)護(hù)決策，提升路網(wǎng)整體質(zhì)量，為養(yǎng)護(hù)單位養(yǎng)護(hù)決策、資金合理分配等提供可靠的理論及數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

4.3 價(jià)格優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)路面檢測(cè)的全覆蓋化、高頻化

基于路面多維高頻檢測(cè)裝備的價(jià)格優(yōu)勢(shì)與適用性，實(shí)際應(yīng)用中可進(jìn)行多車多點(diǎn)并行測(cè)量以滿足大體量的測(cè)量要求。由于檢測(cè)設(shè)備具有輕量、廉價(jià)的特點(diǎn)，可在我國各級(jí)公路及城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路檢測(cè)中廣泛推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)路面檢測(cè)全覆蓋化、高頻化。

5 S20外環(huán)高速應(yīng)用案例分析

5.1 設(shè)施概況

S20外環(huán)高速公路（浦西段）自徐浦大橋至外環(huán)隧道（K53+315-K97+111），全長約44km，全線設(shè)雙向8～10車道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h～100km/h，日均車流量180 000輛/日。近年來，外環(huán)線車流量日益增加及客貨分離實(shí)施，導(dǎo)致路面病害日趨加重。

外環(huán)高速公路病害巡視主要以人工巡視為主，存在數(shù)據(jù)采集效率低、準(zhǔn)確性不高等問題。同時(shí)，外環(huán)高速巨大的車流量也給巡視增添了難度。

綜合上述情況，路面多維高頻檢測(cè)裝備可以在外環(huán)高速公路進(jìn)行深入的實(shí)際應(yīng)用，提升路面病害的識(shí)別能力，并與傳統(tǒng)巡視方式進(jìn)行結(jié)合，在使用過程中逐漸完善智能巡查模式的探索，形成一套經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、有效、循環(huán)的維修養(yǎng)護(hù)機(jī)制。

5.2 路面多維高頻檢測(cè)裝備技術(shù)應(yīng)用情況

外環(huán)高速項(xiàng)目部共配備2輛巡檢車安裝檢測(cè)裝備，每輛巡視車各配備1名駕駛員和1名設(shè)備操作人員。每日開展道路病害數(shù)據(jù)采集，巡視里程數(shù)超200km。每天采集的數(shù)據(jù)將被上傳至數(shù)字化管理中心服務(wù)器，次日中午前完成病害報(bào)告提交工作，設(shè)備安裝示意圖如圖4所示，外環(huán)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)如圖5所示。

5.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析及維修處置

根據(jù)每日巡檢后生成的數(shù)據(jù)，針對(duì)道路病害影響較大的坑槽和裂縫，可以安排技術(shù)人員對(duì)檢測(cè)裝備識(shí)別的病害照片進(jìn)行人工對(duì)比和篩查，篩查內(nèi)容包括病害類型、病害尺寸、病害準(zhǔn)確率等。隨后對(duì)病害實(shí)行分級(jí)管理，復(fù)核后對(duì)影響車輛安全行駛的坑槽和裂縫病害，以任務(wù)單方式及時(shí)組織維修，經(jīng)驗(yàn)收合格后實(shí)現(xiàn)病害的銷項(xiàng)。對(duì)于絞縫、連續(xù)縫等病害，以申報(bào)整治計(jì)劃的方式，結(jié)合專項(xiàng)、小修、大修工程維修。

根據(jù)2輛巡檢車全線2號(hào)車道84km檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)周報(bào)顯示，檢測(cè)裝備識(shí)別定位與現(xiàn)場(chǎng)位置誤差為±10m，基本符合現(xiàn)場(chǎng)排查定位需求。2020年9月，在路面平整度整治工程中，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)2號(hào)車道的路面裂縫、小型坑槽病害等進(jìn)行了集中整治，共計(jì)整治病害40項(xiàng)，大大提高了路面質(zhì)量，外環(huán)線浦西段每日巡檢數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示，外環(huán)高速路面整治前后災(zāi)害數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示。

5.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

5.4.1 社會(huì)效益

路面多維高頻檢測(cè)裝備項(xiàng)目充分借助云計(jì)算的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，依托在市政道路維護(hù)和智慧城市建設(shè)中的多年大量經(jīng)驗(yàn)，為道路巡檢和數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面效益的提升提供強(qiáng)有力的支持，在預(yù)期產(chǎn)生可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也具有良好的社會(huì)效益，主要包括：

順應(yīng)企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和勞動(dòng)力市場(chǎng)競爭加劇的需求，以更快速、更低廉的方式為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)人才，為促進(jìn)地方就業(yè)做出貢獻(xiàn)。

通過本項(xiàng)目龐大的道路維護(hù)數(shù)據(jù)庫，向平臺(tái)用戶提供更合理的道路養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，使道路養(yǎng)護(hù)更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)。

依托該平臺(tái)進(jìn)行道路巡檢可節(jié)省人力、更高效，是建設(shè)智慧路網(wǎng)的重要組成部分。且不僅可以減少項(xiàng)目成本，也能為社會(huì)起到節(jié)能減排的作用，是一種綠色環(huán)保的應(yīng)用方式。

該平臺(tái)借助可伸縮開放的云計(jì)算技術(shù)整合了各種資源，為道路數(shù)據(jù)資源的共享提供了一種更加節(jié)能的方式。而且通過云計(jì)算平臺(tái)也可以為企業(yè)節(jié)省很多后期的運(yùn)維成本，做到更高效、更經(jīng)濟(jì)。

5.4.2 經(jīng)濟(jì)效益

在同等巡視頻次下，將傳統(tǒng)人工巡檢模式與路面多維高頻檢測(cè)裝備巡檢模式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)人工巡檢模式需要大量人員、巡檢頻次高、周期長，直接成本及管理成本均較高，病害數(shù)據(jù)資料、匯總資料難于保存，缺乏量化病害描述，不便于管理總結(jié)。而路面多維高頻檢測(cè)裝備巡檢模式可顯著簡化巡檢隊(duì)伍、車輛、物資等成本的消耗，且具有靈活、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，病害數(shù)據(jù)匯總直觀、有序、與圖像視頻結(jié)合，便于管理總結(jié)。

6 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)路面性能檢測(cè)技術(shù)耗時(shí)費(fèi)力、價(jià)格昂貴等問題，在路面損傷與車路耦合振動(dòng)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，建立了路面平整度、路表損傷、裂縫發(fā)育等多項(xiàng)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)的快速檢測(cè)方法，研發(fā)了輕量化路面行駛性能檢測(cè)裝備[2]。設(shè)備集成了基于車路耦合振動(dòng)機(jī)理的車載分布式傳感模塊，建立了高頻多維的路面性能數(shù)據(jù)采集機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了分布式傳感裝置的輕量化部署，提高了適用性。

路面多維高頻檢測(cè)裝備和智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)，在S20外環(huán)高速公路（浦西段）進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，新設(shè)備技術(shù)在提高道路病害檢測(cè)效率、精度的同時(shí)可以降低成本，具備良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。因此，建議在更多的道路設(shè)施中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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