基于空間信息技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測車的原理分析

齊英杰 杜祥哲 方彥 白璐

摘要：

基于空間信息技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測車是通過整合空間技術(shù)、公路、病害一體化監(jiān)測技術(shù)發(fā)展而來的新型特種車輛，具有路網(wǎng)病害可視化，監(jiān)測高效化，數(shù)據(jù)傳輸及時準確化等功能。本文總結(jié)了現(xiàn)有的3種一體化監(jiān)測技術(shù)，分析我國多功能監(jiān)測車的使用現(xiàn)狀，并通過實際檢監(jiān)測數(shù)據(jù)詳解一體化監(jiān)測車的工作原理，認為相對于傳統(tǒng)檢測技術(shù)，現(xiàn)有的基于空間技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測車在硬件和軟件方面均具有明顯優(yōu)勢，本文為早日研發(fā)在各級公路的監(jiān)測工作實現(xiàn)更先進的監(jiān)測手段提供參考。

關(guān)鍵詞：

病害養(yǎng)護；多功能監(jiān)測車；監(jiān)測車特性

中圖分類號：U 415.54；U 495文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2018）01-0080-05

Abstract：

The highway tunnel disease integrated testing vehicles based on spatial information technology is a new type of special vehicle developed through integration of space，road and disease monitoring technology，and has the functions of road network disease visualization，monitoring efficiency，data transmission timely and accurately.This paper summarizes the existing three kinds of integrated monitoring technologies，analyzes the application status of multifunction monitoring vehicles in China，and explains the principle of integrated monitoring vehicle through actual monitoring data.Compared with the traditional detection technology，the highway tunnel disease integrated testing vehicle has obvious advantages in both hardware and software.This article provides more advanced monitoring methods for early research and development of monitoring at all levels of roads.

Keywords：

Disease conservation；multifunction testing vehicles；detecting vehicle characteristics

0引言

隨著我國交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展，公路、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，但是公路、隧道建成通車后，受自然力的侵蝕和風化、車輪的磨損和沖擊以及自身的材料老化等因素的影響，使用質(zhì)量會逐漸降低。如不及時消除公路、隧道運行中的安全隱患，勢必造成經(jīng)濟和人員的巨大損失。所以，公路、隧道在通車以后需采取病害養(yǎng)護，及時修復損害的地方，以提高公路、隧道的通行能力和服務(wù)水平[1]。美國、加拿大、日本等早在20世紀80年代就研制出了適合本國路況的公路監(jiān)測車。瑞典的PAVUE系統(tǒng)和美國的PCES系統(tǒng)，是當時最先進的系統(tǒng)。進入21世紀，加拿大的路維（Roadware）公司研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ARAN公路路面病害檢測車，中國的浙江省和江蘇省等經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)相繼引進了這款檢測車，取得了良好的效果[2]。我國在這一方面的研究也取得重大進展，北京理工大學、交通部公路科學研究院等單位研制出的路面智能檢測車技術(shù)水平也已達到或接近國外水平[3]。吸收現(xiàn)有國內(nèi)外先進系統(tǒng)的優(yōu)點，開辟更新型道路監(jiān)測系統(tǒng)是我國道路檢測設(shè)備的研究目標。

1監(jiān)測設(shè)備技術(shù)

1.1公路、隧道病害一體化監(jiān)測技術(shù)

主流的車載監(jiān)測技術(shù)主要有CCD相機技術(shù)的二維自動化隧道檢測車技術(shù)、空間信息技術(shù)的自動化監(jiān)測技術(shù)、多源數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)等，多種檢測設(shè)備技術(shù)的使用使得公路隧道的監(jiān)測取得突破性進展。

（1）基于CCD相機技術(shù)的二維自動化隧道檢測車技術(shù)

二維自動化隧道檢測車主要使用CCD相機為主要核心部件，搭配強光源和距離傳感器、速度傳感器、數(shù)字處理器進行數(shù)據(jù)實時傳輸和分析存儲。將拍攝到的二維圖像變成電子信號，然后通過A/D信號轉(zhuǎn)換，變?yōu)橛嬎銠C識別的數(shù)字圖像信息進行存儲。通過數(shù)據(jù)分析軟件，自動識別隧道、路面缺陷后對每一處缺陷自動給出參考解決方案[4]。

（2）基于空間信息技術(shù)的自動化監(jiān)測技術(shù)

隨著高分辨率遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，遙感衛(wèi)星圖像質(zhì)量逐步提升，擁有不同遙感波段的高分辨率觀測能力。經(jīng)過多年的實踐與研究，已經(jīng)建立了交通遙感應(yīng)用系統(tǒng)，并為公路維護和管理提供了科學依據(jù)，利用遙感數(shù)據(jù)開展了遙感應(yīng)用取得了很好的效果[5]。

（3）多源數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)

借助于高仿真三維場景、完善的公路、隧道數(shù)據(jù)庫（包括勘測數(shù)據(jù)、設(shè)計參數(shù)、竣工資料等數(shù)據(jù)信息）和GIS強大的空間信息管理和分析處理能力，以三維圖形、二維圖表等相結(jié)合和互動的方式展示分析結(jié)果，協(xié)助管理者預測公路技術(shù)狀況的發(fā)展趨勢?；诙嘣磾?shù)據(jù)庫的可視化分析技術(shù)是大數(shù)據(jù)時代實現(xiàn)形式之一。

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GIS）、路面構(gòu)造深度及雷達系統(tǒng)已經(jīng)逐步在發(fā)展應(yīng)用之中，使得檢測車的功能更為全面，將逐步成為公路、隧道檢測的方式。

現(xiàn)階段公路病害自動檢測技術(shù)基本上都已進入實際應(yīng)用階段。如加拿大的路維公司開發(fā)一套路面裂縫自動評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心軟件包已經(jīng)在全球十幾個國家和地區(qū)廣泛使用[6]。

隨著城市化進程的快速發(fā)展，道路、地鐵以及各類管線等工程不斷修建，各種病害及安全事故不斷發(fā)生，這對公路隧道的預防養(yǎng)護帶來新的問題，所以利用新的科學技術(shù)手段采取全新的檢測方法對其進行檢測預防，是未來病害養(yǎng)護的發(fā)展趨勢[7]。

1.2一體化多功能監(jiān)測車優(yōu)越性

一體化多功能監(jiān)測車至今已經(jīng)完成對杭州灣跨海大橋、甬金、杭千等公路、隧道的監(jiān)測任務(wù)，累計監(jiān)測長度達到1 000 km，它為高速公路的病害養(yǎng)護工作提供了精確的科學依據(jù)。

現(xiàn)以某高速公路檢測結(jié)果分析，該高速公路路面檢測長度共614.2 km，檢測包括路面損壞、路面行駛質(zhì)量、路面車轍、路面抗滑性能。

在檢測中利用智能道路檢測車，該檢測車集成了路面破損檢測系統(tǒng)、車轍檢測系統(tǒng)、平整度檢測系統(tǒng)、路基病害檢測系統(tǒng)，可以完成圖像分類、破損識別、車轍分析、路面變形分析、平整度分析、路況信息錄入、道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷分析、對采集的數(shù)據(jù)進行快速、準確智能化的分析處理[8]。其檢測分析見表1～表4。

結(jié)果分析：

路面損壞狀況與路面行駛質(zhì)量較好，日常養(yǎng)護為主，并對局部破損小修，對評價為中的路段可以進行罩面等措施。

路面車轍與路面抗滑性能較好，也是以養(yǎng)護為主，對良、中進行小修，次、差的路段，以微表處理的方式進行修整。

通過以上實例可以得知與傳統(tǒng)檢測方式相比，多功能檢測車優(yōu)越性明顯：

（1）利用二維自動化隧道檢測車技術(shù)直接得到公路隧道的平整損害的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及時準確，成本較低。

（2）檢測范圍廣，速度快，以空間立體化進行監(jiān)測。監(jiān)測車在行駛的過程中即可對公路隧道進行檢測。同時利用拍照的方式對公路隧道進行信息的獲取，不會對路面造成損害。

（3）信息具有可重復性，在ARAN中采集數(shù)據(jù)可重復性很好，激光平整測試儀的最大平均偏差為3.6%，最大偏差為8.0%，激光車轍儀最大平均偏差10.7%，最大偏差16.2%，激光紋理測試儀最大偏差4.9%，最大平均偏差8.8%。能夠及時校對檢測的數(shù)據(jù)，并可對信息進行存儲為日后養(yǎng)護提供參考。

但對于多功能一體化監(jiān)測車來說，也存在一些缺陷，在自動識別裂縫軟件中，由本身的局限性，在識別過程中僅識別裂縫的長度和寬度而不能檢測先行規(guī)范要求的裂縫的面積，因此還需要通過人為的進行識別，另一方面其產(chǎn)生的檢測的數(shù)據(jù)不能自動計算輸出結(jié)果，檢測數(shù)據(jù)相對零散不能夠與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行對接，須有人工參與，同時多功能檢測車對于彎沉、摩擦系數(shù)以及路面厚度的檢測還存在相應(yīng)的問題[9]。

2基于空間技術(shù)的路隧病害一體化多功能監(jiān)測車構(gòu)成原理

2.1多功能監(jiān)測車構(gòu)成

作為道路質(zhì)檢部門驗收檢測公路、隧道的檢測儀器，多功能監(jiān)測車可以在不收回臂架的情況下慢速行駛，對公路隧道進行全面監(jiān)測，為道路養(yǎng)護部門提供基礎(chǔ)檢測數(shù)據(jù)與技術(shù)方案。它具有效率高、安全性好、適應(yīng)性強、功率消耗低等優(yōu)點[10～13]。部分檢測車設(shè)備各部件分布如圖1所示。

多功能公路、隧道監(jiān)測車是一套模塊化的數(shù)據(jù)采集平臺，由一輛特別改裝的汽車底盤和各種數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)組成[14]，一般包括縱向斷面測量系統(tǒng)、激光掃描橫斷面系統(tǒng)、定位定向系統(tǒng)、道路全景攝像系統(tǒng)、全自動裂縫探測系統(tǒng)、全球定位GPS系統(tǒng)等，各個系統(tǒng)特定功能保證了監(jiān)測車能夠及時有效的對公路、隧道進行監(jiān)測。檢測車各系統(tǒng)功能如圖2所示。

（1）縱向斷面測量：比較斷面設(shè)計標準判斷監(jiān)測點是否發(fā)生變化，掃描速度快、精度高，動態(tài)檢測如圖3所示。

對應(yīng)點坐標：

x=-L·cosα+a。

y=L·sinα+b。

（2）激光掃描橫斷面：通過激光測距的方法對公路、隧道的橫斷面進行掃描：

t=Φ/ω=Φ/2πf。

D=（c/2）Φ/2πf。

Φ=ΔΦ（λ<2D時）。

Φ=ΔΦ+2nπ（λ≤2D時）。

D=（λ/2）（N+ΔΦ/2π）=Lx（n+ΔΦ/2π）

式中：f為激光源調(diào)制頻率；D為調(diào)制光徑的距離；t為激光發(fā)射與接收時間；ω為調(diào)制光的調(diào)制角頻率，ω=2πf；n為波動的數(shù)目；Lx為度量長度的單位長度；Lx=λ/2；c為空氣中的光速。

監(jiān)測車行進的過程中，由于自身因素會產(chǎn)生振動，這種振動會對隧道斷面的檢測產(chǎn)生影響，所以在后期的數(shù)據(jù)處理中對其進行修正。

（3）全景攝像系統(tǒng)：通過攝像系統(tǒng)進行連續(xù)路表圖像的采集，通過后期處理軟件自動處理與人工判讀相結(jié)合，分類統(tǒng)計各種公路隧道的病害，可以避免人工檢測帶來的危險性。

（4）自動裂縫探測系統(tǒng)：利用現(xiàn)代電子成像技術(shù)，把公路、隧道表面裂縫信息實時顯示在屏幕上；分辨率可達0.002 5 mm，保證微細裂縫的判讀精確性。它具有獨特的自校準功能，可用標準刻度板進行校準。強大的文件管理功能可按構(gòu)建名稱進行管理，便于日后查詢。同時它可以對裂縫進行更深入的分析，并生成檢測報告。

（5）車載定位定向系統(tǒng)：在定向定位系統(tǒng)中包括IMU、里程計、高度計、導航計算機等硬件組成，還包含捷聯(lián)慣導算法、航位推算算法、誤差補償算法等軟件組成部分，慣導導航系統(tǒng)與里程計具有互補的特性，它們的組合可以抑制由于慣導系統(tǒng)誤差隨時間的發(fā)散問題，高度計準確確定車輛高度定位信息[11]，組成原理如圖4所示。

（6）GPS作為先進的無線導航系統(tǒng)定位準確，范圍廣、及時有效對檢測點定位。

2.2多功能監(jiān)測車監(jiān)測原理

在眾多的檢測指標中，路面損壞指數(shù)PCI是對道路隧道各種損壞的類型、范圍以及嚴重狀況的指標，路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI反映路面的平整狀況，紋理車轍則是排水與抗滑的性能標準。監(jiān)測車不但檢測各種項目指標外，還對其所搜集的數(shù)據(jù)進行分析研究，通過對公路隧道的檢測信息進行拍照錄像，并進行信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。同時利用智能數(shù)據(jù)管理平臺對檢測路段與隧道進行病害的分級與分類[14～16]。

式中：DR為路面損壞率。其中PCI數(shù)值范圍為0～100。

（1）在監(jiān)測過程中，利用高速攝像機對公路、隧道進行連續(xù)拍攝，這種相機搭配的同步的強光源會消除公路隧道中存在的陰影，拍攝到二維影像會轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像進行存儲。

（2）通過智能數(shù)據(jù)管理平臺中先進的圖像識別系統(tǒng)對圖像進行開放結(jié)構(gòu)的程序離線處理，并對公路、隧道病害生成報告，展示病害的類型、位置及嚴重程度。公路、隧道管理人員通過對輸出的監(jiān)測信息進行合理的判斷并及時做出病害養(yǎng)護方案，由于通過計算機軟件獲得的第一手信息保證了公路、隧道評估的準確性。

采集到的原始數(shù)據(jù)在檢測車上僅生成特殊文件并不對數(shù)據(jù)進行輸出與更改，這樣保證了原始數(shù)據(jù)的準確可靠性，數(shù)據(jù)利用硬盤拷貝到數(shù)據(jù)管理中心，并利用專門的處理軟件對數(shù)據(jù)進行分析研究，在此過程中數(shù)據(jù)不存在遺失的狀況。

在最新的公路、隧道的檢測中，道路綜合檢測智能數(shù)據(jù)管理平臺是綜合各種最新技術(shù)并最終對數(shù)據(jù)進行處理生成報告交于決策人員。如圖5所示。

2.3多功能監(jiān)測車特性

多功能監(jiān)測車本身固有的優(yōu)越性，包含硬件與軟件方面的特性。

從硬件方面來說，監(jiān)測車具有速度快，檢測效率高的特點，由于測量儀器安裝在與車身固結(jié)為一體的構(gòu)架上保證了良好的振動性能。監(jiān)測車的車身動態(tài)特性極大影響檢測數(shù)據(jù)的精確性，為了保證精確的測得限界尺寸，對于檢測車本身來說，強度性能和制震性能必須滿足相應(yīng)的工作條件[17]。

從監(jiān)測車的軟件特性來說，多功能監(jiān)測車的基礎(chǔ)設(shè)施采集工具具有一體化、模塊化與多測量的特點[18-19]。它的子系統(tǒng)能夠詳盡采集道路隧道的性能數(shù)據(jù)，這為交管部門提供準確及時的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠與商用GIS程序兼容，高效率歸并到如PC機、UNIX等管理系統(tǒng)中。由于模塊化的特性，使得現(xiàn)存的采集系統(tǒng)與日后開發(fā)研制的新技術(shù)完全兼容。

3結(jié)論

通過對比基于空間技術(shù)的路隧病害一體化多功能監(jiān)測車和傳統(tǒng)的車載監(jiān)測裝置，基于空間信息技術(shù)的路隧病害一體化監(jiān)測車優(yōu)勢明顯，PCI評價系統(tǒng)和其搭載的定位、全景攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲和計算能力使其精度和全方位監(jiān)測功能遠遠領(lǐng)先靠人力目視監(jiān)測。然而，筆者認為，目前的多功能檢測車只能通過一次次機械的監(jiān)測施工，缺乏連續(xù)的監(jiān)測記錄和可視化、情景化的病害顯示手段，而且不能過多地顯示地形地貌的沉降和預警。對于整個公路隧道一體化監(jiān)測而言，只將目光局限于通過研發(fā)多功能一體化監(jiān)測終端是遠遠不夠的，必須把強化全面的路面與隧道的預測預防；建立全面的道路隧道管理系統(tǒng)；收集全線道路路面的技術(shù)數(shù)據(jù)；建立健全公路、隧道性能狀況管理大數(shù)據(jù)作為主要針對點，結(jié)合北斗系統(tǒng)和可視化地圖模型手段，為下一步更先進的檢測手段做好前瞻性的技術(shù)儲備和鋪墊。

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