公路路面智能檢測與管理系統(tǒng)研究

朱立偉，李宏偉，冷志鵬

（寧波杉工智能安全科技股份有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

根據(jù)國家相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國機(jī)動車保有量達(dá)3.4億輛（截至2019年6月）[1-4]。公路路面長期暴露在自然環(huán)境下，路面材質(zhì)和結(jié)構(gòu)都會受到不可逆轉(zhuǎn)的影響，大大縮短了路面的使用壽命[5]。目前傳統(tǒng)的基于人工視覺的檢測方法已經(jīng)不能滿足道路養(yǎng)護(hù)的需求[5-7]，存在諸多缺陷：人工投入大、工作效率低、人員主觀性大、檢測時(shí)影響正常通行等。

近年來，人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，由于機(jī)器視覺具有便捷性、精確性、迅速性、智能化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[8-9]，為人類的生產(chǎn)生活帶來諸多便利。本文通過使用機(jī)器視覺代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢測方法實(shí)現(xiàn)對路面病害的自動識別、定量分析、養(yǎng)護(hù)管理，并提供一體化管理平臺，為現(xiàn)場路面病害的巡檢及公路養(yǎng)護(hù)維修人員提供自動化、信息化、智能化服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體功能概述

公路路面智能檢測與管理系統(tǒng)主要包括路面檢測系統(tǒng)和路面檢測智慧管理平臺。

（1）路面檢測系統(tǒng)主要包括檢測算法模塊、檢測傳感系統(tǒng)。檢測算法模塊：使用AI圖像識別算法對高清攝像機(jī)采集的路面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，獲取路面的主要病害類型。本模塊可結(jié)合GNSS定位對病害進(jìn)行空間分析，獲取病害的空間位置及分布，實(shí)現(xiàn)路面病害的實(shí)時(shí)檢測。檢測傳感系統(tǒng)：針對采集的圖像數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換、圖像預(yù)處理等操作后作為算法分析軟件的輸入，經(jīng)算法分析后，數(shù)據(jù)同步存儲在工控機(jī)中，并通過5G通信技術(shù)傳輸，與管理平臺連接，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析。

（2）結(jié)合公路路面養(yǎng)護(hù)的實(shí)際需求，本文研究了應(yīng)用需求、平臺設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用等技術(shù)，并搭建了公路路面檢測智慧管理平臺。

路面檢測流程如圖1所示。

圖1 路面檢測流程

2 公路路面檢測系統(tǒng)

公路路面檢測系統(tǒng)通過檢測傳感器采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對路面病害的實(shí)時(shí)分析。

該系統(tǒng)采用基于深度學(xué)習(xí)的算法YOLOv5，該算法在目標(biāo)檢測領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。YOLOv5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 YOLOv5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

采用YOLOv5進(jìn)行路面病害識別的過程大致如下：

（1）將原始路面病害圖像作為網(wǎng)絡(luò)輸入，并將路面病害圖片劃分成S×S大小的網(wǎng)格，遍歷所有網(wǎng)格，如果病害中心出現(xiàn)在網(wǎng)格中，那么該網(wǎng)格負(fù)責(zé)檢測病害。

（2）每個網(wǎng)格預(yù)測出候選框，每個候選框包含5個預(yù)測量，即（x，y，w，h，score），其中物體的中心點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y），候選框的寬和高為（w，h），候選框中含有路面病害的置信度為score，其表達(dá)式為：

式中，Pr（object）表示候選框的單元中是否含有病害，若含有病害，則將Pr（object）置為1，否則置為0。

（3）從3個尺度進(jìn)行多尺度預(yù)測，每種尺度預(yù)測3個box，anchor通過聚類得到，經(jīng)logistic分類器對路面病害進(jìn)行預(yù)測分類。

針對路面常見裂縫、坑槽等病害，應(yīng)用YOLOv5進(jìn)行識別的效果如圖3所示。

圖3 使用YOLOv5進(jìn)行路面病害識別效果圖

系統(tǒng)利用GNSS、車輛里程定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)空間位置定位，實(shí)現(xiàn)定位與里程位置、車道等坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，完成對病害的空間定位及分布情況分析等。

3 公路路面檢測智慧管理平臺

本平臺可實(shí)現(xiàn)與路面檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)聯(lián)動，平臺框架如圖4所示。

圖4 公路路面檢測智慧管理系統(tǒng)框架

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫：實(shí)現(xiàn)路線信息、區(qū)間信息、構(gòu)造物信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。

（2）路面病害管理：實(shí)現(xiàn)路面各類病害管理的同時(shí)，為病害的精確識別提供海量樣本，為AI分析模型提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）趨勢預(yù)測管理：對路面性能進(jìn)行預(yù)測，并提供養(yǎng)護(hù)決策，編制養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。

（4）綜合展示管理：建立GIS地圖、圖像信息與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、評價(jià)決策結(jié)果的關(guān)聯(lián)，以圖表形式為養(yǎng)護(hù)單位提供信息查詢與展示。

圖5所示為公路路面智能檢測系統(tǒng)展示界面。

圖5 公路路面智能檢測系統(tǒng)展示界面

4 結(jié) 語

本文提出了一種先進(jìn)的路面病害檢測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)路面病害智能快速檢測，為公路路面檢測提供關(guān)鍵技術(shù)與裝備保障，實(shí)現(xiàn)公路路面養(yǎng)護(hù)管理工作的智能化，有效降低管理養(yǎng)護(hù)成本。