大數(shù)據(jù)道路監(jiān)測管理平臺的應(yīng)用研究

張明劍、冷盛峰、饒丹、徐向東、鄭孝強

(1.涼山州國有交通投資發(fā)展集團有限責任公司，四川成都610000；2.四川風洲軟件有限公司四川，四川成都610000)

1 研究宗旨

此研究旨在圍繞道路、橋梁、軌道等交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，以提供交通基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期運維智慧管理解決方案，助力智慧城市新基建和智能交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展。該研究利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、計算機視覺、云計算和大數(shù)據(jù)平臺等先進技術(shù)，通過研發(fā)的系列化智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)感知平臺，可搭載巡檢車及無人機進行路網(wǎng)的陸上和空中智能巡查，構(gòu)筑智能互聯(lián)的超高速通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)道路等交通基礎(chǔ)設(shè)施健康數(shù)據(jù)的快速采集與傳輸，形成一體化的數(shù)據(jù)資源池，進一步地通過研發(fā)的通用化道路云服務(wù)系統(tǒng),搭建專業(yè)數(shù)據(jù)智能分析平臺和綜合可視化應(yīng)用，實現(xiàn)道路（包括高速公路和普通公路）等交通基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模、低成本、高精度、智能化的安全檢測監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及實時可視化展示，形成數(shù)據(jù)感知、傳輸、管理、分析及展示全鏈路應(yīng)用，為交通基礎(chǔ)設(shè)施管理提供全生命周期智慧解決方案。

2 研究背景和必要性

2.1 研究背景

隨著我國道路建設(shè)的不斷發(fā)展，截至2020年末，全國公路總里程519.81 萬公里，其中高速公路里程16.10 萬公里，國道里程37.07 萬公里，省道里程38.27萬公里，農(nóng)村公路里程438.23 萬公里。隨著各等級道路陸續(xù)投入使用，道路信息化及日常巡檢工作量日益增加。近年來，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展與落地應(yīng)用，道路路面檢測技術(shù)正朝著高精、高效、智能化的方向發(fā)展，以實現(xiàn)對道路狀態(tài)的實時記錄和感知。然而，面向大規(guī)模道路系統(tǒng)，傳統(tǒng)的道路巡檢及路面檢測技術(shù)存在檢測識別效率不高、智能化程度較低等不足，已無法滿足道路（包括高速公路和普通公路）等交通基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模、低成本、高精度、智能化的安全檢測監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析及實時可視化展示的要求[1-3]。因此，如何借助5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新一代信息技術(shù)實現(xiàn)道路的全覆蓋、低成本、高精度、實時性、智能化的檢測與養(yǎng)護管理是實現(xiàn)智能交通基礎(chǔ)設(shè)施和打造智慧城市非常重要的一環(huán)。

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

路面檢測主要包括：路面平整度檢測、車轍檢測及路面病害檢測。目前國內(nèi)外對于高等級公路智能檢測技術(shù)及裝備的研發(fā)主要集中于以下三個方面。

2.2.1 路面平整度檢測技術(shù)

路面平整度是反映路面性能及安全狀況的重要指標[4，5]?！豆芳夹g(shù)狀況評定標準》(JTG 5210—2018)規(guī)定：對于各級公路，需每年對其路面平整度進行一次檢測和評估。目前國內(nèi)外一般采用國際平整度指數(shù)IRI 作為評價道路平整度的指標，可以通過對路面高程檢測數(shù)據(jù)進行分析計算獲得。

目前，實現(xiàn)路面平整度的高精度檢測主要技術(shù)途徑為基于激光測距技術(shù)的道路斷面檢測，其基本技術(shù)原理是：通過專業(yè)高精度的精光設(shè)備對路面斷面進行掃描，繼而依據(jù)激光測距原理進行路面平整度的高精度檢測，具體包括基于慣性基準斷面的檢測和基于高程傳遞的檢測兩大類。該類方法檢測精度高，且已形成了成套的專業(yè)檢測裝備。但該檢測方法由于采用了專用設(shè)備進行，成本一般較高，且后期面臨大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理問題，不能實現(xiàn)道路路面的實時檢測和評價，因此嚴重限制了其在復雜道路檢測環(huán)境等多場景下大規(guī)模道路的應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于年檢頻率較低精度要求較高的高等級公路的路面檢測中。其中，基于慣性基準斷面的檢測方法由于采用加速度慣性補償技術(shù)，受限于加速度計自身的誤差，其精度對車速及車速變化較為敏感，通常需要車速大于20km/h 且車速變化小于3m/s2，嚴重影響了其檢測效率；相反，基于高程傳遞的檢測方法不采用加速度計，因此不會受到測量車車速及車速變化的影響，但其對彎道處路面的檢測效果往往不夠準確。為此，工程技術(shù)人員通常通過增加激光測距設(shè)備以解決這一問題，這就直接增加檢測設(shè)備的成本，且后期數(shù)據(jù)處理過程也相對復雜，間接降低了檢測效率。

此外，實現(xiàn)路面平整度的高精度檢測的另一技術(shù)路徑為基于車輛振動的道路路面檢測，其基本技術(shù)原理是：通過記錄測量車自身的振動響應(yīng)，通過車輛振動模型反演推算出路面的平整度指標，以達到路面平整度測量的目的。該類方法對測量車及設(shè)備要求較低，因此成本較低，且可實現(xiàn)道路的高頻快速檢測[6]，但目前該方法普遍存在檢測精度較低的問題，因此沒能夠得到很好的推廣應(yīng)用。

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和落地應(yīng)用，研究適用于大規(guī)模、低成本、高精度、智能化的路面檢測技術(shù)及裝備是未來道路檢測的發(fā)展趨勢，也是智能交通領(lǐng)域的必然需求。

2.2.2 車轍檢測技術(shù)

路面車轍是影響路面安全性及使用性的主要病害之一。針對車轍檢測，傳統(tǒng)人工接觸式測量方法、車載超聲波測量法等方法存在檢測效率低、隨機誤差大等缺點。為此，與路面平整度檢測技術(shù)類似，基于激光測距的車轍檢測技術(shù)成為實現(xiàn)高精度車轍檢測的主要技術(shù)途徑，其原理是通過激光測距技術(shù)提取道路斷面輪廓信息，以實現(xiàn)車轍的檢測[7]。

目前，高精度的車轍檢測主要包括斷面測量法、三角法測量、掃描測量法[8，9]。激光斷面測量技術(shù)原理為：通過將多個激光測距傳感器布置在路面橫斷方向上，來獲取道路橫斷面高程，然后采用包絡(luò)線等方法計算出車轍深度。由于測量姿態(tài)等原因，該方法測得的車轍深度普遍偏低，且該方法設(shè)備成本相對較高，因此未能在道路檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。激光三角法測量技術(shù)原理為：首先，將激光線以一定角度從一側(cè)投射到道路表面，由布置于另一側(cè)的面陣CCD 相機接收，從而形成道路表面圖像；其次，結(jié)合相機精確標定結(jié)果，通過激光線的發(fā)生變形程度計算出路面橫斷面坐標信息，進而推算出車轍深度。由于該方法設(shè)備成本較低，簡便易行，是目前應(yīng)用最為廣泛的路面車轍測量方法。激光掃描測量法技術(shù)原理為：采用高精度激光雷達實現(xiàn)毫米級的激光測距精度，通過掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)道路橫斷面的掃描測量。該方法特點是：設(shè)備便于安裝、抗干擾能力強、測量精度且可靠性好。因此，該方法逐漸成為車轍測量的重要方法。

2.2.3 路面病害檢測技術(shù)

由于車輛荷載和自然因素的作用，除路面車轍外，路面病害主要包括裂縫、坑洞等路面破損情況，隨著這些病害的不斷惡化，將會影響到車輛行駛的安全性與舒適性。因此，裂縫自動識別的精確性和可靠性是路面病害識別的關(guān)鍵技術(shù)，也是國內(nèi)外工程人員和學者的研究重點。

目前，國內(nèi)外主要采用高分辨率成像裝置獲取路面的高質(zhì)量數(shù)字影像，然后通過機器視覺、深度學習等人工智能技術(shù)提取識別裂縫等病害[10，11]。該方法在進行大規(guī)模道路應(yīng)用時，由于模型泛化能力問題，往往會存在識別精度不高、效率低等問題。此外，國外研究機構(gòu)開展了基于高速三維激光掃描技術(shù)的路面破損自動檢測，該方法通過高速三維掃描設(shè)備對道路進行掃描，進一步構(gòu)建出路面三維精細化數(shù)字模型，以此提取路面病害特征，獲得路面破損數(shù)據(jù)。與機器視覺技術(shù)相比，該技術(shù)彌補了機器視覺技術(shù)易受光照環(huán)境干擾、路面本身污染等不利因素的影響。但由于該技術(shù)受到掃描速度影響，尚未能夠?qū)崿F(xiàn)高速情況下路面細微裂縫的檢測，且該技術(shù)對數(shù)據(jù)存儲及處理能力要求很高，因此未能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的工程實際應(yīng)用。

鑒于此，路面破損智能檢測技術(shù)是實現(xiàn)道路裂縫類病害和變形類病害的自動檢測，但要達到工程應(yīng)用程度，其關(guān)鍵是解決復雜場景下路面破損檢測問題、海量數(shù)據(jù)存儲及處理、各類病害特征提取等問題。

2.2.4 路面檢測設(shè)備及平臺

路面平整度、車轍、路面病害等道路重要指標不僅是一個衡量路面質(zhì)量的指標，而且更是影響運輸經(jīng)濟的一個重要因素，道路路面劣化發(fā)生將直接影響車輛運營費用及時間費用。為此，國內(nèi)外工程技術(shù)人員及研究人員通過建立規(guī)范標準，研制各類檢測設(shè)備來對加強度路面的檢測及維護。

盡管這些檢測設(shè)備已廣泛應(yīng)用于公路路面檢測中，但經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外道路檢測仍存在的問題是：路面激光檢測設(shè)備雖精度高，但其檢測成本高昂、檢測路段有限，低效耗時的數(shù)據(jù)分析使其沒有大數(shù)據(jù)作為決策支撐，不能夠?qū)Ω鱾€路段做到即時有效的檢測與分析，這就導致路面激光檢測設(shè)備的應(yīng)用僅局限于少數(shù)重要度較高的高速公路等重要路段。而占比較大的普通道路（占總道路的70%以上）的檢測仍以人工巡查的方式為主，甚至對于一些欠發(fā)達地區(qū)，由于資金和檢測設(shè)備不足，高速公路都是采用人工巡查方式檢測。面對智慧城市和智能交通基礎(chǔ)設(shè)施提出的大規(guī)模高速公路、城市道路等全面性的檢測需求，該方法顯然是不能滿足的。

此外，我國二、三、四級公路占比公路里程的88.6%，但是，目前國內(nèi)對低等級公路檢測技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用方面關(guān)注度不夠。相關(guān)研究及工程實際應(yīng)用還十分有限。隨著我國智慧城市及智能交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推薦，亟須開展大規(guī)模道路智能檢評技術(shù)及裝備的研發(fā)與工程化應(yīng)用，其中道路的多個重要指標及病害檢測的精度和效率是解決大規(guī)模低等級公路路面檢測問題的關(guān)鍵和趨勢。

2.2.5 道路巡查技術(shù)

目前，國內(nèi)的日常養(yǎng)護巡查方式主要為：利用視頻采集和圖像采集設(shè)備進行道路信息采集，進而通過在線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)巡查現(xiàn)場的實時監(jiān)控。但該方法在面對道路病害的精細化檢測時，主要依靠人工的方式檢測和識別，不能進行自動估算[12]，其檢測效率和精度往往較低，占用大量人力資源。

隨著無人機設(shè)備的廣泛應(yīng)用，國際上普遍認為無人機在公路交通領(lǐng)域會有很好的應(yīng)用前景，其中一個應(yīng)用重要領(lǐng)域就是路網(wǎng)監(jiān)測。如在公路遇到冰雪霧、洪水、地震等自然災(zāi)害，利用無人機對存在危險或受損路段進行作業(yè)，及時準確地采集相關(guān)信息，并實時回傳至路面控制系統(tǒng)，以利于公路管理部門了解公路損壞的性質(zhì)、范圍、程度，高效地開展應(yīng)急處置工作。美國明尼蘇達大學研究所利用無人機進行了路網(wǎng)交通監(jiān)測，此次嘗試基于現(xiàn)有技術(shù)，搭建無人機平臺，開發(fā)了地面工作站工具軟件，可實時分析數(shù)據(jù)，對明尼蘇達州的路網(wǎng)交通進行了檢測分析。國內(nèi)，無人機應(yīng)用于道路巡查的研究基本處于空白狀態(tài)。

為實現(xiàn)大規(guī)模道路的高精度、低成本、智能化檢測，在無人機設(shè)備方面，亟須開展無人駕駛飛行器智能控制技術(shù)、無人駕駛飛行器機載信息采集及傳輸技術(shù)、多功能地面控制及應(yīng)急處置指揮平臺系統(tǒng)技術(shù)；在路面病害精細化巡查方面，亟須開展低成本、高效率的圖像采集及存儲系統(tǒng)及路面裂縫、坑槽、沉陷等病害的精細化自動識別技術(shù)。

2.3 研究的必要性

綜上可知，交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域亟須開展道路多個重要指標的大規(guī)?？焖贆z測技術(shù)、路面病害快速智能識別技術(shù)、路面狀況綜合評估與智能決策技術(shù)。此外，“十四五”規(guī)劃指出，道路與公路養(yǎng)護管理的重點任務(wù)是推進公路養(yǎng)護管理設(shè)施數(shù)字化、養(yǎng)護專業(yè)化、管理現(xiàn)代化、運行高效化、服務(wù)優(yōu)質(zhì)化，實現(xiàn)養(yǎng)護管理提質(zhì)降本增效。同時，要充分利用人工智能技術(shù)、新一代信息技術(shù)推進智慧公路建設(shè)，實現(xiàn)公路管理的高效化和智能化。其中，路網(wǎng)感知、信息采集和傳輸、分析決策均是智慧公路建設(shè)的核心內(nèi)容。因此，全覆蓋、低成本、高精度、實時性、智能化是道路檢測與管理的發(fā)展趨勢。鑒于此，“大數(shù)據(jù)道路監(jiān)測管理平臺的應(yīng)用研究”的建設(shè)是智能交通信息化發(fā)展的必然趨勢和要求，是有效優(yōu)化和整合現(xiàn)有檢測資源和降低路面監(jiān)測成本的途徑。

3 結(jié)論

大數(shù)據(jù)道路監(jiān)測管理平臺的應(yīng)用部署將會全面提高公路的道路管理業(yè)務(wù)部門的養(yǎng)護業(yè)務(wù)管理水平，優(yōu)化養(yǎng)護管理的流程，使業(yè)務(wù)管理的程序更加合理和規(guī)范，更加符合質(zhì)量管理體系的要求，同時能夠滿足養(yǎng)護業(yè)務(wù)中各方的協(xié)同工作，信息共享的需求，規(guī)范養(yǎng)護業(yè)務(wù)，提高路況養(yǎng)護質(zhì)量和工作效率，降低管理成本，使資源得以合理化、最大化的利用；同時，提高管養(yǎng)部門間協(xié)同辦公能力，全面管理路況信息，及時準確評定路面質(zhì)量，提供道路評定、評價分析數(shù)據(jù)信息，為管養(yǎng)部門決策層提供規(guī)劃性、戰(zhàn)略性的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和決策支持信息。