地理信息系統(tǒng)在道路病害檢測(cè)中的應(yīng)用

侯海濤 謝輝 程棋鋒 吳晚霞 劉斐 岳祺宇 胡冬平

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一類用于道路病害檢測(cè)的地理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可精準(zhǔn)定位顯性病害和隱性病害，通過對(duì)顯性病害和隱性病害的融合分析，判斷道路損壞的原因，根據(jù)不同道路損壞機(jī)理采取最優(yōu)處置方法，降低養(yǎng)護(hù)成本，減少占道施工的區(qū)域及時(shí)間。最后，在實(shí)際的道路病害檢測(cè)中，使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，證明了該系統(tǒng)的高可用性，以實(shí)地取芯驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)隱性病害判斷的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);顯性病害;隱性病害

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸需求日益增加，公路作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾d體，承擔(dān)著重要的陸運(yùn)任務(wù)。據(jù)報(bào)道，截至2020年，中國(guó)公路總里程已經(jīng)達(dá)到501.25萬公里。龐大的公路網(wǎng)絡(luò)需要大量的日常養(yǎng)護(hù)工作以保證道路暢通。傳統(tǒng)的公路養(yǎng)護(hù)中，主要通過人工拍照進(jìn)行巡查，對(duì)發(fā)生病害的道路段進(jìn)行標(biāo)注記錄[1]，根據(jù)病害類型及損壞程度有計(jì)劃的進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)。人工巡查費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以對(duì)病害逐一精準(zhǔn)定位，對(duì)于微小的病害容易忽視。對(duì)隱伏病害難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，任由其發(fā)展，最后導(dǎo)致路面塌陷等嚴(yán)重事故。

隨著地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，使用地理信系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的定位道路病害，方便工作人員及時(shí)設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)方案并安排后續(xù)養(yǎng)護(hù)工作。本文通過對(duì)道路常見病害的分析以及處置方法的介紹，通過實(shí)際場(chǎng)景的應(yīng)用，證明了本文設(shè)計(jì)的道路病害檢測(cè)地理信息系統(tǒng)的有效性。

1 道路常見病害分析與處置

1.1 道路常見病害類型及原因

道路的常見病害主要分為顯性和隱性病害兩大類[3]，其中顯性病害主要包括：不同程度的橫、縱、斜向、交叉裂縫以及修補(bǔ)、龜裂、坑槽、松散老化、泛油、磨光和波浪擁包等[4-5];隱性病害主要包括：脫空、內(nèi)部裂縫、不均勻沉降、富含水、疏松等[4-7]。

路面出現(xiàn)裂縫、龜裂等顯性病害的主要原因是長(zhǎng)時(shí)間、高載荷甚至超載的各種車輛的高強(qiáng)度碾壓導(dǎo)致瀝青混凝土出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞而開裂[5]。另外，極端天氣導(dǎo)致施工原料過度脹縮、建設(shè)或施工作業(yè)的不規(guī)范（路基壓實(shí)度不足或不均勻等）也會(huì)導(dǎo)致路面病害的出現(xiàn);對(duì)于泛油問題，主要由于前期施工中，粘層油、混合料等使用不合理，導(dǎo)致在高載荷碾壓出現(xiàn)泛油或高溫時(shí)出現(xiàn)瀝青混合料路面遷移現(xiàn)象[6-9]。對(duì)于隱性病害，其主要原因[6-8]為：地下水地質(zhì)作用導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)大面積脫空、疏松等;降雨或日常道路清潔中，地表水穿透裂縫，長(zhǎng)期沖刷基層，同樣會(huì)導(dǎo)致基層的損壞;另外，道路兩旁的防排水設(shè)施如果受損，無法穩(wěn)定發(fā)揮其作用，也會(huì)導(dǎo)致隱性病害的發(fā)生。

1.2 病害處置方法

對(duì)于輕微的顯性病害不及時(shí)處置，會(huì)迅速加重病害程度，進(jìn)而造成更大面積的路面損壞，比如道路裂縫處經(jīng)過地表水沖刷和車輛碾壓，會(huì)形成坑槽。

對(duì)于小于5 mm的裂縫，可以使用熱瀝青灌縫撒料法修復(fù)，對(duì)于大于5 mm的裂縫且有錯(cuò)臺(tái)或者啃邊現(xiàn)象，要進(jìn)行開槽加鋪玻璃隔柵然后在鋪筑上面層。對(duì)于坑槽要使用熱輻射板加熱后鋪平熱料并有效壓實(shí)處置。對(duì)于泛油問題，要進(jìn)行碎石壓入或者重新攤鋪來解決。對(duì)于脫空、疏松等病害，要視嚴(yán)重程度對(duì)脫空部位進(jìn)行壓漿并進(jìn)行填充，使其能均勻支撐面層;對(duì)于沉降問題，要銑刨掉面層瀝青混凝土，采用碎（礫）石，干砌或漿砌片石等重新回填密實(shí)，將土基和基層徹底根治后，再鋪面層[6-10]。

2 道路隱性病害檢測(cè)原理

基于探地雷達(dá)波特征的地下隱性病害的識(shí)別方法一般是根據(jù)正演規(guī)律推斷某些病害特征的波形、振幅、相位與頻率的變化等，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)得到的波來反演道路內(nèi)部形態(tài)，輔以水平切片的直觀形態(tài)來做出判斷[11-12]。典型病害探地雷達(dá)圖譜如圖1所示。

脫空、疏松、空洞等涉及路面基層損壞的病害，反射波振幅強(qiáng)，衰減慢;其相位和頻率主要表現(xiàn)為頂部反射波與入射波同向，底部反射波與入射波反向，頻率高于背景場(chǎng);其波組形態(tài)上均表現(xiàn)有連續(xù)同向性反射波組，多次波發(fā)育，兩次繞射波發(fā)育明顯，在此基礎(chǔ)上，近球形空洞的反射波會(huì)表現(xiàn)為倒懸雙曲線，近方形表現(xiàn)為連續(xù)平板狀雙曲線;疏松反射波結(jié)構(gòu)雜亂，波形同相軸不連續(xù)。

富水病害的振幅雖然也強(qiáng)，但是會(huì)迅速衰減;在相位上表現(xiàn)同基層損壞病害，但是頻率卻低于背景場(chǎng);波組形態(tài)上兩側(cè)繞射波和底部反射波不明顯，多次波不發(fā)育。

病害的嚴(yán)重程度一般根據(jù)反射電磁波的能量來判斷，如表1所示，其中s表示波形面積，v表示反射波峰值。

3 道路檢測(cè)地理信息系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述道路常見病害的類型、成因以及處置方式可以看出，道路損壞也嚴(yán)重，處置成本越高，封閉道路時(shí)間越長(zhǎng)。因此，盡早發(fā)現(xiàn)輕微顯性病害和隱性病害，采取合理的防治措施，降低大中修頻次尤為關(guān)鍵。因此，針對(duì)上述顯性和隱性病害，道路檢測(cè)地理信息系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)模塊展開如下設(shè)計(jì)。

3.1 運(yùn)動(dòng)及定位系統(tǒng)

道路檢測(cè)地理信息系統(tǒng)通過電池供電，可連續(xù)工作12 h;為增強(qiáng)適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)精確性，移動(dòng)平臺(tái)采用大扭矩伺服電機(jī)并配備高精度行星減速器，因此設(shè)計(jì)時(shí)速為0 km/h～20 km/h并具有10°爬坡能力?？紤]實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)劃?rùn)z測(cè)路線。

為保證定位精度，該系統(tǒng)使用慣導(dǎo)和RTK定位融合技術(shù)，定位精度為厘米級(jí)，可輸出病害高精度經(jīng)緯坐標(biāo)和道路里程，保證病害定位的精確性。另外，為了保障本體安全性，設(shè)置有電子圍欄、本體低壓電壓告警和自動(dòng)避障等安全措施。

3.2 病害檢測(cè)

為提高病害檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)搭載了高清相機(jī)檢測(cè)顯性病害，搭載有基于三維探地雷達(dá)檢測(cè)隱性病害，探測(cè)深度3 m，單幅檢測(cè)寬度1.5 m。系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)連續(xù)拍攝路面表觀畫面進(jìn)行拼接，基于三維探地雷達(dá)電磁波的不斷發(fā)射和接收，得到整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的雷達(dá)波譜，進(jìn)而通過電磁波的正演信息獲取病害圖譜，根據(jù)圖1和表1中對(duì)病害特征和嚴(yán)重程度的判斷規(guī)則識(shí)別病害類型及損壞程度。

3.3 總體工作流程與后臺(tái)

該型機(jī)器人的典型工作流程如圖2所示，其中左側(cè)為本體操作流程，右側(cè)為輔助設(shè)備操作流程。

為了提高人機(jī)交互的自然度，系統(tǒng)后臺(tái)頁面不僅可以直觀顯示表觀圖像，還可以通過三維模型更加立體直觀的展示病害情況，人機(jī)交互頁面效果展示如圖3所示。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)高可用性驗(yàn)證

本文通過在道路病害檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用來驗(yàn)證道路病害檢測(cè)地理信息系統(tǒng)高效性和準(zhǔn)確性。以某個(gè)道路病害檢測(cè)項(xiàng)目為例，以圖2的流程進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)作業(yè)（如圖4所示）。

檢測(cè)路段長(zhǎng)5 km，寬7.5 m，檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)2.5 h，檢測(cè)效率1.5萬平方米每小時(shí)。

檢測(cè)出顯性病害面積為2 921.592 m2。其中塊狀裂縫為6.610 m2;橫向裂縫為108.960 m2;縱向裂縫為22.431 m2;龜裂為2 704.513 m2;修補(bǔ)為79.078 m2。顯性病害主要為龜裂。各顯性病害的面積或長(zhǎng)度、地理坐標(biāo)、影響程度見表2。依據(jù)地理坐標(biāo)可精確尋找病害位置，便于精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

共檢出隱性面積153.822 m2，主要病害類型為脫空。檢出裂縫總計(jì)面積0.498 m2;檢出疏松總面積24.626 m2;檢出空洞總面積1.949 m2;檢出沉陷總面積6.035 m2;檢出脫空總面積120.696 m2。隱性病害主要類型為脫空。各隱性病害的面積、地理坐標(biāo)、隱性程度見表3，依據(jù)地理坐標(biāo)可精準(zhǔn)定位隱性病害的位置，為后期注漿提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 隱性病害檢測(cè)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

隱性病害無法通過表觀圖像直接顯示，一般通過局部取芯來驗(yàn)證隱性病害檢測(cè)的精準(zhǔn)程度。在本項(xiàng)目中，以某處脫空混合疏松的病害為例，雷達(dá)數(shù)據(jù)（如圖5（b）所示）顯示在38 cm深處存在明顯脫空，其下方存在疏松，共有6 cm深的嚴(yán)重隱性病害存在，具有極大的沉降風(fēng)險(xiǎn)。因此，以38 cm長(zhǎng)度、44 cm深度取出芯樣進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5（c）所示。結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)隱性病害類型及位置判斷準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)道路病害檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性低的弊端，本文分析了常見的道路病害類型、成因以及處置方式，借助地理信息系統(tǒng)精準(zhǔn)定位道路顯性病害及隱性病害。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一類道路病害檢測(cè)地理信息系統(tǒng)，分別從運(yùn)動(dòng)及定位、病害檢測(cè)和系統(tǒng)總體工作流程與后臺(tái)三個(gè)方面進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)和介紹。最后，在實(shí)際檢測(cè)場(chǎng)景中進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，詳細(xì)展示了檢測(cè)結(jié)果，對(duì)隱性病害進(jìn)行了取芯檢測(cè)，從而證明了該系統(tǒng)在常見道路病害檢測(cè)中可用、精確和高效。

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