公路智能檢測發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析

近年來，隨著全國范圍內(nèi)公路路網(wǎng)的建成，我國主要交通運輸通道的使用緊張情況得到了明顯改善，全國范圍內(nèi)的交通運輸能力得到了大幅度的提高。然而，大規(guī)模建設后必然帶來繁重的養(yǎng)護任務，公路養(yǎng)護已由傳統(tǒng)的“搶修時代”過渡到“全面養(yǎng)護時代”，公路養(yǎng)護市場的發(fā)展壯大和規(guī)范有序運轉(zhuǎn)，已成為未來行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的基礎之一。公路養(yǎng)護涉及檢測、評定、決策、設計、施工、后評價等環(huán)節(jié)，檢測與評定作為一切養(yǎng)護工作起步的基礎，其對準確、快速、安全的要求也愈來愈高。公路檢測發(fā)展階段公路技術狀況的檢測可以分為三個不同的發(fā)展階段：第一階段為人工檢測階段。由于道路鋪設量少、車流量不大、技術發(fā)展的不成熟及道路保護意識不強，在道路養(yǎng)護階段初期主要為人工現(xiàn)場檢測判斷。此階段受人為判斷力影響，僅在道路出現(xiàn)了嚴重病害時，才會進行粗略的養(yǎng)護處理。第二階段為半自動化檢測階段。此階段檢測人員開始采用一些相關的設備，如照相機、攝像頭、汽車等，將采集的圖片存于硬盤中，相關人員在計算機上進行相應的處理判斷。第三階段是全自動化檢測階段。隨著相關科學技術的進步，道路檢測全自動化逐漸成為主要的檢測手段。其中以車載檢測系統(tǒng)為主，智能道路綜合檢測車現(xiàn)已在各個國家特別是發(fā)達國家得到較廣泛應用。道路智能檢測技術現(xiàn)狀分析上世紀90年代，美國的研究人員開發(fā)了基于線掃描數(shù)字相機的路面病害檢測系統(tǒng)PCES。該系統(tǒng)基于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換理論，將路面采集到的模擬量數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量處理。該系統(tǒng)相對之前的系統(tǒng)實現(xiàn)了圖像收集和圖像處理同步，但是其功能比較單一，無法分辨路面病害種類。同時期由于CCD技術的快速發(fā)展，加拿大一家公司開發(fā)出了ARAN系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用多個角度的高分辨率相機來拍攝路面情況，CCD技術可以直接將光學信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，且圖像采集速度高，所以ARAN系統(tǒng)可以在車速以80km/h的速度下完成。ARAN系統(tǒng)能夠自動將檢測到的路面病害進行分類，并鑒定病害的嚴重程度，提高了檢測效率。ARAN系統(tǒng)在檢測效率和準確率上有了很大的提升，但存在硬件成本太高、路面數(shù)據(jù)與識別病害不同步等問題。21世紀以來，3D激光掃描技術興起并快速發(fā)展。研究人員將該技術應用到路面病害檢測系統(tǒng)，例如美國的DHDV系統(tǒng)，該系統(tǒng)將線激光對路面進行掃描，用高速面陣相機記錄激光在路面上的投影，并通過傳感器來收集路面2D和3D數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)將采集到的信息用圖像處理模塊對路面病害進行識別檢測、分類。DHDV系統(tǒng)實現(xiàn)了真正的對路面病害進行自動化檢測，但是其對硬件要求及設備維護成本很高，還未得到大范圍推廣。商京理工大學的N-1型路面檢測系統(tǒng)該系統(tǒng)是國內(nèi)最早出現(xiàn)的智能路面檢測系統(tǒng)，由車載樣本采集系統(tǒng)和線下檢測處理系統(tǒng)組成；交通運輸部公路科學研究院的CICS路面檢測系統(tǒng)，該車載系統(tǒng)時速最高為100km/h，單次檢測路面寬度可達到3.6m，裂縫最高檢測精度達到1mm，自帶補光裝置；武大卓越科技有限公司的ZOYON道路檢測系統(tǒng)包括5個子系統(tǒng)，檢測車時速最高達到120km/h，檢測寬度最大為3.7m，裂縫最高檢測精度達到1mm?隨著公路養(yǎng)護里程的不斷提高，對管養(yǎng)技術人員和檢測設備的要求也愈來愈高，管養(yǎng)單位除了要完成日常的養(yǎng)護檢測工作，同時須對公路的高邊坡、長大橋梁、高路基等特殊構造物進行日常巡查和健康監(jiān)測。無人機技術的應用可快速緩解技術人員和設備不足的情況。目前公路的高邊坡、橋梁墩臺等構造物動輒幾十米，高則上百米，若靠人工進行日常檢查，既費時又費力，特別是很多高邊坡、高路基因地勢險峻，導致人和設備無法實施相關數(shù)據(jù)采集，對一些山體滑坡、垮塌等災害的前期跡象無法提前獲知和預警，導致當前邊坡坍塌、路基下沉、山體滑坡的災害頻發(fā)。而無人機在公路巡檢方向的應用，可大大提高日常檢查和維護的效率，快速便捷地觀測和檢查構造物，及時掌握道路結構病害并及時養(yǎng)護?，F(xiàn)如今，攝像機、激光探測技術以及圖像處理技術已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，但是采集到的圖像仍然會受到拍攝角度、光照、遮擋等許多外界因素的影響，仍需要人工輔助進行檢測和分類，對圖像信息進行識別準確分類依然是公路檢測系統(tǒng)研究的重點和難點。從路面檢測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀來看，目前相關設備以及系統(tǒng)能夠較好完成路面圖像信息采集并實現(xiàn)了商業(yè)的應用，但一些自動化程度較高、檢測能力較強的系統(tǒng)往往對硬件要求很高，技術操作性強，專業(yè)的檢測車需要專業(yè)人員進行操作，局限性大，且維護費用昂貴，較難得到大范圍推廣。公路智能檢測發(fā)展方向1便攜式路面及附屬設施病害識別設備未來的道路病害檢測將朝向自動化、智能化、高效化方向發(fā)展，在路面及附屬設施病害檢測作業(yè)中，低成本、便攜化檢測設備將是未來的發(fā)展方向，以適應于養(yǎng)護單位檢測與管理需求。從道路檢測需求出發(fā)，便攜式檢測裝備需含有易安裝、拆卸的病害采集裝置，軟硬件集成設備以及任務、命令操作裝置。為了便于對道路數(shù)據(jù)的管理，便攜式檢測設備可通過無線技術與云平臺對接，實現(xiàn)終端統(tǒng)籌管理。吸附式高精度病害采集裝置01工業(yè)相機和高清鏡頭以螺旋式安裝在支架上，整體結構以三角式吸附在車尾或車前引擎蓋，車尾的相機和支架間設計有平衡裝置，與豎直方向成30°角拍攝路面，車前的相機呈水平方向拍攝路側的附屬設施，并且三角吸附式支架高度可調(diào)節(jié)，以適配不同高度的車輛。整體結構可方便安裝和拆卸，便于檢測人員的操作。單相機拍攝方案設備小巧，無龐大支架，結構簡單安裝方便，可以滿足檢測指標較低用戶需求。區(qū)別于目前已有成熟病害檢測技術路徑，面對日常養(yǎng)護領域，設備具有新穎性和便利性。集成式中控裝置02道路智能檢測系統(tǒng)中，中控裝置作為便捷式道路檢測工作的中樞系統(tǒng)，將GPS數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、嵌入式核心處理平臺、大容量固態(tài)硬盤等集成在完整的機械殼體中。同時在機械殼體上可改裝連接孔，方便與外部相機數(shù)據(jù)接口、GPS數(shù)據(jù)接口、顯示屏幕、操作鼠標、車載電源接口等進行聯(lián)通。集成后的設備具有更好的電氣安全性、放置的穩(wěn)定性、操作的簡便性，易攜帶的實用性以及工程性，是便攜式道路檢測工作的中樞系統(tǒng)，日采集里程可達500公里。中控裝置嵌有圖像處理裝置，可實現(xiàn)邊采集邊處理功能，檢測人員完成檢測作業(yè)時，便攜式設備中的中控裝置亦將采集的路面及附屬設施圖像處理完畢，通過無線傳輸至養(yǎng)護管理終端。便攜式操作顯示器03基于管理人員便捷操作的需求，便攜式路面及附屬設施病害識別設備集成圖像采集系統(tǒng)，結合便攜式顯示器，檢測人員通過鼠標、鍵盤以及顯示器可操作檢測的開始與結束，并能通過顯示器實時觀察檢測過程。在傍山路段，GPS定位偶有延誤現(xiàn)象，會造成病害定位誤差。而通過便攜式操作顯示器，檢測人員可通過手動輸入樁號進行輔助校準，保障檢測數(shù)據(jù)定位的準確性，有效提高了管理人員工作效率。數(shù)據(jù)持續(xù)性支撐、便攜式安全檢測04相比較專用的路況檢測車以及一年一度的國檢，便攜式路面及附屬設施病害識別設備價格低廉、便于攜帶、安裝以及拆卸，適用于多種車輛，道路管理人員可使用該設備隨時開展路況檢測，積累大量的路況數(shù)據(jù)，掌握路況變化的連續(xù)性。對比日常的人工檢測，該設備無須封閉交通，保障了交通的正常運營和檢測人員的安全。平臺化管理05便攜式路面及附屬設施病害識別設備作為采集端，可通過無線技術將采集結果傳輸至養(yǎng)護管理平臺端。便攜式設備在檢測時，數(shù)據(jù)存儲在集成式中控裝置中，中控裝置實時處理路面采集數(shù)據(jù)，通過無線模塊與養(yǎng)護管理平臺終端對接，將病害數(shù)據(jù)傳輸至平臺病害信息數(shù)據(jù)庫中，管理人員通過平臺終端可掌握路段的病害類型、病害嚴重程度以及對應位置信息。由于便攜式設備易于安裝、攜帶，大大提高了路面及附屬設施的檢測頻率，因此，管理單位可通過高頻檢測，源源不斷采集道路檢測數(shù)據(jù)，通過養(yǎng)護管理平臺掌握路面及附屬設施病害的動態(tài)發(fā)展，并建立病害發(fā)展臺賬。2基于無人機的道路檢測技術隨著路面信息采集技術的不斷進步，無人機信息采集系統(tǒng)逐步在公路交通領域得到推廣。現(xiàn)階段，無人機在公路交通領域的應用主要包括交通流量監(jiān)測、公路周邊環(huán)境信息采集、公路自然災害評估和預測。隨著攝像技術和無人機技術的進步，無人機圖像已經(jīng)可以完整地采集公路路面圖像，獲得的圖像可以清晰地反映病害信息。對于山區(qū)公路、農(nóng)村公路等一些基礎設施，專業(yè)檢測車難以開展檢測業(yè)務，通過小巧、便捷的無人機可解決部分公路檢測難的問題，無人機可搭載激光雷達系統(tǒng)，基于激光點云高程信息和反射強度信息，較好刻畫坑槽和塌陷病害與健康路面之間的高程與激光反射強度差異，構建基于高程屬性的多尺度粗糙度和高斯曲率特征，建立瀝青路面坑槽與塌陷兩種病害類型的識別模型，進行路面病害目標提取和病害等級評價，進而對道路老化與病害等級進行分級評級，為道路養(yǎng)護部門提供決策支持。利用無人機的飛行技術，搭載高精度視頻采集器、第五代移動通信以及北斗定位終端，可采集路面及附屬設施高清圖像，5G移動通信技術將保存有無人機姿態(tài)、工作狀態(tài)、飛行高度信息，將重新編碼命名的高分辨率路面及附屬設施照片發(fā)送至數(shù)據(jù)處理服務器，服務器將基于病害區(qū)域圖像和全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的路面病害信息識別圖像病害信息，并基于北斗定位信息對病害進行定位。道路結構厚度是保障道路使用性能的基礎。道路施工中，通常缺少對施工過程的檢測，因此道路整體結構厚度難以把握。通過將無人機與探地雷達組合成單個集成系統(tǒng)，結合激光高度計，可對道路結構進行快速探測，不僅可以方便、快速地檢測道路結構厚度是否標準化，也可以在道路運營過程中檢測道路結構的變化，為道路養(yǎng)護提供底層數(shù)據(jù)支撐。采用無人機道路檢測技術，避免了以往檢測過程中對正常道路交通的影響，同時相比道路檢測車而言，無人機的工作成本遠小于道路檢測車，設備成本也大為降低。對于人工檢測方法而言，無人機飛行操作的人員遠少于公路檢測人員的數(shù)量，且無人機操作門檻低，設備輕便，便于攜帶，技術要求不高，可節(jié)省大量人員培訓成本。對于專業(yè)檢測車難以企及的一些路段，使用無人機可方便、快速地予以檢測，空中檢測效率高，所需檢測時